水功能区计算理论与应用

1.重金属污染物在水体中的特征

重金属污染物为非降解性有毒污染物,进入水体后,微生物不能将其降解,部分重金属在微生物的作用下可转化为金属有机化合物,在水生生物中累积富集,产生更大的毒性,如甲基汞形成就是汞在细菌作用下形成的。重金属元素主要是通过阻碍生物大分子的重要生理功能,取代大分子中的必需元素以改变其活性部位的组成来影响生物体的正常发育和新陈代谢。重金属进入水体后会对整个水生生态系统产生影响,即生态效应,水生动植物体内积累到一定程度时,就会出现受害症状,影响到正常生长,并且也直接或间接地危害到人体健康。

重金属在水体中的迁移性质因其存在形态不同而异。溶解态重金属对人类和水生生态系统的影响最直接,是人们判断水体中重金属污染程度的常用依据之一。颗粒态重金属组成复杂,其形态性质各不相同。可交换态是最不稳定的,只要环境条件变化,极易溶解于水或被其他极性较强的离子交换,是影响水质的重要组成部分;碳酸盐结合态在环境变化,特别是p H值变化时最易重新释放进入水体;铁锰水合氧化物结合态在环境变化时也会部分释放;有机硫化物和硫化物结合态不易被生物吸收,利用较稳定;残渣态最稳定,在相当长的时间内不会释放到水体中。

2.重金属污染物在水体中纳污能力的存在性

重金属污染物在水体中以离子状态存在时,其毒性较强。当离子态重金属与水体中的络合配位体进行络合作用结合或被水体中悬浮沉积物吸附,络合与吸附后增加了重金属在水体中的稳定性,减小了重金属污染物的毒性。从这种角度来看,水体重金属纳污能力可以体现为络合能力及吸附能力。当然,重金属在水体中受水体稀释扩散作用的影响,还存在一定的稀释能力。

3.一维河流重金属模型

假定研究水域或河段的宽度远小于其长度,河流中生化需氧量与溶解氧沿宽度方向均匀分布。根据质量守恒定理,考虑河段微分河段Δx的溶解态重金属改变量等于其扩散量、对流量、悬浮量及底泥之间的吸附量的代数和。具体数学表达式为

式中 C——某溶解态重金属浓度,mg/L;

u——水流流速,m/s;

Ex——纵向混合系数,m2/s;

Cm1、Cm2——底泥和河岸两侧某重金属浓度,mg/L;

Csi——第i种悬浮物的重金属浓度,mg/L;

gm1(C)、gm2(C)、gsi(C)——溶解态重金属浓度C的函数;

k1、k2、ksi、Pi——常数。

式(4.46)中,gm1(C)、gm2(C)、gsi(C)为非线性函数,则式(4.16)为拟非线性方程,其解析解推导比较困难。有学者在上述假设条件的基础上,根据河段悬移质与推移质的浓度分布情况,考虑悬移质与推移质以及底泥对溶解态重金属的吸附作用,建立数学模型,分析溶解态重金属的迁移转化规律。具体公式为

式中 S1——悬移质的断面平均浓度,mg/L;(www.xing528.com)

S2——推移质的断面平均浓度,mg/L;

Cs1——单位质量悬移质对溶解态重金属的吸附量,mg/mg;

Cs2——单位质量推移质对溶解态重金属的吸附量,mg/mg;

Cs3——单位面积底泥对重金属的吸附量,g/m2;

A1——悬移质所占据的断面面积,m2;

A2——推移质所占据的断面面积,m2;

其他符号意义同前。

式(4.47)中,相关参数均可通过实测得到,不存在非线性分布,公式推导求解更具有可操作性,在实际应用中更为广泛。

4.河流中重金属固液两相迁移模型

(1)基本方程。

式中 Ks——悬浮物的吸附系数,s-1;

θ——单位水体的悬浮物量,无量纲。

(2)θ的扩散方程。河流中的悬浮物随水流对流,受水流湍流作用以及水分子运动影响,θ满足扩散方程,即

按照上文所述,悬浮物对重金属主要表现为吸附作用,假设吸附在悬浮物上的重金属浓度为Cs,则有

重金属在水体中的吸附、解吸、络合、沉降、絮凝等化学过程及物理化学过程非常复杂,因此,要建立一个完整的河流重金属水质模型,是一个涉及多学科的复杂问题,它与河流中重金属的迁移转化过程、河流流动规律、河流泥沙运动规律以及河流中生态因素都有密切的关系。目前,常用的软件中,DHI的MIKE系列软件内置有重金属模块,具备一定的可操作性。