多沙河流中石油类污染物迁移的一维数学模型(Ⅱ-解吸模型)

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1、水利学报2004年10月SHUILIXUEBAO第10期文章编号:0559-9350(2004)10-0125-04多沙河流中石油类污染物迁移的一维数学模型(Ⅱ-解吸模型)12黄廷林，任磊(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安710055；2.中国石油规划总院环保安全所，北京100083)摘要：本文建立了一维河流石油类污染物“解吸为主”的动态水质模型。模型方程中考虑了河流悬移质、推移质泥沙和底泥与石油类之间发生的吸附解吸的动态过程，以及河流弥散作用对石油类污染物在多沙河流中迁移的影响。模型还考虑了底泥解吸与泥沙解析在速率上的差别，使模型更加精确实用。运用拉普拉

2、斯变换，求得了模型方程法的解析解。用室内烧杯试验的方法确定出了研究区域内的污染底泥解吸常数kdw；结合室内水槽动态试验，对解吸模型进行了验证。结果表明，该模型能够较好地描述一维多沙河流污染沉积物中石油类污染物的解吸过程。关键词：石油类污染物；多沙河流；迁移模型；解吸模型中图分类号：TV142文献标识码：A石油类污染物在河流中的迁移过程主要受河流水文条件、水力条件、污染物性质和水体沉积物性质的[1，2]影响。根据污染方式和污染过程的不同，可将模型分为两类：第一类是描述，含油废水以点源形式进入河流后，用于描述石油类污染物被泥沙和底泥所吸附的“吸附模型”；第二类是描述，采油井场内

3、或油田开发区内受石油类污染的表层土在降雨径流条件下解吸石油类进入水相的过程，可称为“解吸模型”，在解吸模型中必然伴随相对洁净泥沙对石油类污染物的吸附作用，所以这里的“解吸模型”描述的是一个解吸-吸附的动态平衡过程，并且以解吸为主。1解吸模型的建立与求解[3，4]1.1基本迁移方程的建立根据石油类污染物在径流中的分布特点，以及水相中、径流泥沙颗粒上及底泥上的石油类污染物吸附平衡关系和物料平衡方程，考虑到延河水文与径流特征，可建立一维多沙河[5]流石油类污染物迁移转化基本方程∂Cw∂Cw∂∂CwA1∂Cs1A2∂Cs2χ∂Cs3+V=D−S1−S2−(1)∂t∂x∂x

4、∂xA∂tA∂tA∂t式中：Cw为水相中水油类污染物浓度；A，A1,A2为分别为河流过水断面面积、悬移质与推移质过流断面面积，A=A1+A2；V为河流断面平均流速；S1为悬移质泥沙的断面平均浓度；S2为推移质泥沙的断面平均浓度；Cs1为单位重量悬移质泥沙对水相石油类污染物的吸附量；Cs2为单位重量推移质泥沙对水相石油类污染物的吸附量；Cs3为单位面积底泥对水相石油类污染物的吸附量；D为河流纵向弥散系数；χ为湿周。1.2解吸模型的建立解吸为主的河流水质模型中解吸源主要是地表径流下被石油类污染物污染的底泥和随水流迁移的泥沙。收稿日期：2003-05-20基金项目：教育部高等学

5、校优秀青年教师教学科研奖励计划资助作者简介：黄廷林(1963-)，男，山东潍坊人，教授，从事水资源保护与微污染控制等研究。1水利学报2004年10月SHUILIXUEBAO第10期底泥与上覆水体主要是通过水/底泥界面完成传质，而水流中悬移质和推移质泥沙主要是通过水流的紊动作用在水固两相充分掺混的状态下完成传质。基于以上原因，底泥与上覆水体间的解吸过程进行较缓[6]慢，其达到平衡需要的时间比径流泥沙完成相应的过程长的多。这一点可以通过室内模拟试验得到证实，时间长达48h的室内动态模拟结果表明，试验结束后底泥的污染强度为实验初始污染强度的85%以上，说明在解吸过程中底泥的污染强

6、度下降非常缓慢，可认为在该时段内底泥的污染强度不变。水相中石油类污染物浓度变化速率主要决定于水相在t时刻的浓度与平衡浓度的差值和沉积物在t时刻的污染强度与平衡污染强度的差值，即dCw/dt=kdw(Cwe-Cw)+kds(Cs-Cse)(2)式中：Cw为水相在t时刻的石油类浓度；Cwe为水相平衡石油类浓度；Cs为底泥在t时刻的石油类污染强度；Cse为底泥石油类平衡污染强度；kdw，kds为研究流域内实际条件下的解吸速率常数。式(2)右端第二项表示沉积物污染强度变化对水相污染过程的影响。在实际污染过程中，水相浓度从开始到平衡的时段内，沉积物中石油类浓度变化很小，式(2)可以简

7、化为dCw/dt-kdw(Cwe-Cw)(3)底泥中的石油类解吸进入水相后，与水相中的泥沙发生吸附作用，而得到重新分配。所以主要由解吸造成的水体石油类污染必然是涉及吸附和解吸作用的动态过程。结合式(3)和式(1)，可得到以解吸为主的河流石油类污染模型基本方程为∂Cw∂Cw∂∂CwA1∂Cs1A2∂Cs2()+V=D−S1−S2+kdwCwe−Cw(4)∂t∂x∂x∂xA∂tA∂t把悬移质和推移质泥沙合并为总含沙量S，并把平衡关系：Cs1=k1Cw=Cs2，代入式(4)，简化得2∂C∂C∂C∂Cwwww(