文档介绍：环境系统分析第 5 讲
主讲: 李明俊教授

2005-8-3
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第三章水环境系统数学模型
一、环境质量基本模型
1、污染物在环境介质中(大气、水等)的运动特征。
指随介质的迁移,在介质中的分散,污染物的衰减转化。
(1)推流迁移
只改变污染物所处位置,不能降低污染物浓度。
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迁移通量:
fx=uxc fy=uyc fz=uzc (3-1)
其中ux、uy、uz 为介质的流速分量,C为污染物在环境介质中的浓度。
(2)分散作用
包含三个内容:分子扩散,湍流扩散和弥散。
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、胶体污染物或浮力中性的颗粒物质是可以满足的)
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分子扩散(由分子的随机运动引起)
服从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。
单位为g/ m2s。分子扩散是各向同性的,(Em相同),负号表示质点的迁移方向(负梯度方向),×10-5m2/s,在河流中为10-5~10-4 m2/s,浓度C为瞬时浓度。
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湍流扩散
湍流流场中,质点的各种状态(流速、压力、浓度等)的瞬时值相对于其时平均值的随机脉动而导致的分散现象。
亦可用Fick第一定律表述:(瞬时脉动速度稳定时)
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可知湍流扩散中:
各向异性
时间平均的污染物浓度
若直接用瞬时值计算就不会出现湍流扩散项
在大气中E垂直方向为2×10-1~10-2 m2/s,E水平方向为10 ~ 105 m2/s;在海洋中 E垂直方向为10-5 ~ 10-2 m2/s, E水平方向为102 ~ 104 m2/s;在河流中E为10-2 ~ 100m2/s。
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弥散作用
在用时平均的断面平均流速描述实际的运动时,应考虑弥散作用。它是由空间各点湍流流速(或其它状态变量)的时平均值与流速时平均值的空间平均值的系统差所产生的分散现象。
亦可仿照Fick第一定律来描述:
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弥散作用特性:
各向异性
湍流时平均浓度的空间平均值(断面)
一般河流中D为101~104 m2/s
(3)污染物的衰减和转化;
进入环境中的污染物可分为两大类:守恒物质和非守恒物质。
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守恒物质:改变其空间所处位置和降低其初始浓度,但总量不改变,如重金属、很多高分子有机化合物(环境对它们没有净化能力)需严格控制。(要求零排放)
非守恒物质:改变位置,降低浓度且自身衰减加速浓度的下降,其有两种衰减方式:
一是由其自身的运动变化规律决定的,如:放射性物质的蜕变。
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另一种是在环境因素的作用下,由于化学的或生物的反应而不断衰减。如:可生化降解的有机物在大气或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,该衰减符合一级反应动力学规律,即:
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