污染物在水体中的运动特征

污染物在水体中的运动特征污染物进入水体之后，随着水的迁移运动、污染物的分散运动以及污染物质的衰减转化运动，使污染物在水体中得到稀释和扩散，从而降低了污染物在水体中的浓度，它起着一种重要的“自净作用”。根据自然界水体运动的不同特点，可形成不同形式的扩散类型，如河流、河口、湖泊以及海湾中的污染物扩散类型。这里重点介绍河流中污染物扩散。一、推流迁移推流迁移是指污染物在水流作用下产生的迁移作用。推流作用只改变水流中污染物的位置，并不能降低污染物的浓度。在推流的作用下污染物的迁移通量可按下式计算：fx=uxc，fy=uyc，fz=uzc（3-1）式中：fx、fy、fz——x、y、z方向上的污染物推流迁移通量；ux、uy、uz——在x、y、z方向上的水流速度分量；c——污染物河流水体中的浓度。二、分散作用污染物在河流水体中的分散作用包含三个方面内容：分子扩散、湍流扩散和弥散。在确定污染物的分散作用时，假定污染物质点的动力学特性与水的质点一致。这一假设对于多数溶解污染物或呈胶体状污染物质是可以满足的。分子扩散是由分子的随机运动引起的质点分散现象。分子扩散过程服从费克（Fick）第一定律，即分子扩散的质量通量与扩散物质的浓度梯度成正比，即EM——分子扩散系数；c——分子扩散所传递物质的浓度。分子扩散是各向同性的，上式中的负号表示质点的迁移指向负梯度方向。湍流扩散是在河流水体的流湍流场中质点的各种状态（流速、压力、浓度等）的瞬时值相对于其平均值的随机脉动而导致的分散现象。当水流体的质点的紊流瞬时脉动速度为稳定的随机变量时，湍流扩散规律可以用费克第一定律表达，即Ex、Ey、Ez——x、y、z方向的湍流扩散系数；由于湍流的特点，湍流扩散系数是各向异性的。湍流扩散作用是由于计算中采用时间平均值描述湍流的各种状态导致的，如果直接用瞬时值计算，就不会出现湍流扩散项。弥散作用是由于横断面上实际的流速分布不均匀引起的，在用断面平均流速描述实际的运动时，就必须考虑一个附加的，由流速不均匀引起的作用——弥散。弥散作用可以定义为：由空间各点湍流流速（或其他状态）的时平均值与流速时平均值的空间平均值的系统差别所产生的分散现象。弥散作用所导致的质量通量也可以按费克第一定律来描述：Dx、Dy、Dz——x、y、z方向上的弥散系数；由于在实际计算中一般都采用湍流时平均值，因此必然要引入湍流扩散系数。分子扩散系数的数值在河流中为10-5-10-4m2／s；而湍流扩散系数要大得多。在河流中的量级为10-2-100m2／s。弥散作用只有在取湍流时平均值的空间平均值时才发生，因此弥散作用大多发生在河流中。一般河流中弥散作用的量值为101-104m2／s。三、污染物的衰减和转化进入水环境中的污染物可以分为两大类：保守物质和非保守物质。保守物质进入水环境以后，随着水流的运动而不断变换所处的空间位置，还由于分散作用不断向周围扩散而降低其初始浓度，但它不会因此而改变总量。重金属，很多高分子有机化合物都属保守物质。对于那些对生态系统有害，或暂时无害但能在水环境中积累，从长远来看是有害的保守物质，要严格控制排放，因为水环境对它们没有净化能力。非保守性物质进入水环境以后，除了随着水流流动而改变位置，并不断扩散而降低浓度外，还因污染物自身的衰减而加速浓度的下降。非保守性物质的衰减有两种方式：一是由其自身的运动变化规律决定的；另一种是在水环境因素的作用下，由于化学的或生物的反应而不断衰减，如可以生化降解的有机物在水体中的微生物作用下的氧化分解过程。试验和实际观测数据都证明，污染物在水环境中的衰减过程基本上符合一级反应动力学规律，即c——污染物的浓度；t——反应时间；K——反应速度常数。河流水的推流迁移作用、污染物的分散作用和衰减过程可用图3-2来说明。假定在x=x0处，向河流中排放的污染物质总量为A，其分布为直方状，全部物质通过x0的时间为Δt（图3-2a）；经过一段时间该污染物的重心迁移至x1，污染物质的总量为a。如果只存在推流作用，则a=A，且在x1处的污染物分布形状与x0处相同；如果存在推流迁移和分散的双重作用（图3-2b），则仍有a=A，但在x1处的分布形状与初始时不一样，延长了污染物的通过时间，如果同时存在推流迁移、分散和衰减的三重作用，则不仅污染物的分布形状发生了变化，且a＜A。实际污染物质在进入河流水体后作复杂的运动，用以描述这种运动规律的是一组复杂的模型。