污染物在水中的迁移：探究过程和原因

污染物在水中的物理迁移过程，主要包括污染物随水流的输移与混合，受泥沙颗粒和底岸的吸附与解吸、沉淀与再悬浮，底泥中污染物的输运等。

4.1.1.1　移流（对流）与扩散

一般情况下排入河流的工业废水和生活污水中的污染物，主要呈溶解状态和胶体状态，它们形成微小的水团，随水流一起迁移和扩散混合。由于这样的作用，污水从排放口排入河流后，污染物在随水流向下游迁移的同时，还不断地与周围的水体相互混合，很快得到稀释，使污染浓度降低，水质得到改善。因此，随水流迁移与扩散是水体自净的一个重要作用。迁移扩散运动主要包括污染物随水流的移流、分子扩散、紊动扩散和离散（也称弥散）等形式。

1.移流作用的输移

河水移流运动，是指以时均流速为代表的水体质点的迁移运动，也称对流运动。对于某点污染物沿流向x的输移通量为

式中：Fx为过水断面上某点沿x方向的污染物输移通量，mg／（m2·s）；u为该点沿x方向的时均流速，m／s；C为该点污染物的时均浓度，mg／m3。

对于整个过水断面，污染物的输送率则为

2.分子扩散作用的输移

扩散是由于物理量在空间上存在梯度使之在空间上趋于均化的物质迁移现象。水中污染物由于分子的无规则运动，从高浓度区向低浓度区的运动过程，称分子扩散。其扩散过程服从费克（Fick）第一定律

3.紊动扩散作用的输移

河川中水体的流动一般都是紊流，亦称湍流。紊流运动中所包含的各种物理量，如任一点的流速、压力、浓度、温度等都随时间的变化而随机脉动。紊动扩散就是由紊流中涡旋的不规则运动引起的。紊动扩散通量，可用类似分子扩散通量的费克定律表达

式中：Mtx为沿x方向污染物的紊动扩散通量，mg／（m2·s）；Etx为x方向的紊动扩散系数，m2／s。

4.离散（弥散）作用的输移

前面讲污染物的移流作用输送时，是以断面平均流速和平均污染浓度进行计算的。但在实际流场中，流速在断面上的分布往往是很不均匀的，岸边和底部较小，表面和中泓较大，污染浓度也不均匀，流速在过水断面上具有一定的梯度，即所谓的剪切流。这种情况下，污染物随水流的输送，除前面已讲的移流输送、分子扩散输送、紊动扩散输送之外，还有一个类似扩散作用的离散作用输送问题。

在河流中，横断面上流速分布不均匀时，即使t＝0时污染物瞬间在整个过水断面A上均匀排入，如图4-1所示，这些污染物将随过水断面上不同质点的流速向下游运移，经过一段时间后，在t＝t′时，大多数以平均流速移到了断面B，但有些流的较快，则超前了；有些流的较慢，则滞后了，这就导致污染物在B断面纵向有显著的离散，称这种现象为剪切流中的纵向离散或弥散。

图4-1　河流污染物向下游流动中的纵向离散示意图

离散作用引起的污染物输送通量，也可用费克第一定律的形式描述，即

式中：Mdx为污染物沿x方向的离散输送通量，mg／（m2·s）；C为断面平均污染浓度，mg／m3；Edx为纵向离散系数，m2／s，反映离散作用的大小。

在绝大多数的河流中，污染物的纵向离散作用远远大于紊动扩散作用。一般Em具有10-9～10-8m2／s的数量级，Etx具有10-2～10-1m2／s的数量级，Edx可达10～103m2／s的量级。因此在天然河流中，对于扩离散，一般纵向离散将起主导作用。(www.xing528.com)

由于移流和扩离散作用的存在，使废水排入河流后，在河流中一般出现三种不同混合状态的区段。

（1）垂向混合河段。从排污口到下游污染物沿垂直（水深）方向达到混合均匀的断面所经历的区段，称垂向混合河段。天然河流水深一般较浅，故该区段的长度相对很短。该段的污染浓度沿垂向、横向和纵向都有明显变化，需要建立三维水质模型进行模拟预测。

（2）横向混合河段。从垂向均匀混合断面到下游污染物在整个过水断面上均匀混合的区段，称横向混合河段。该河段，水的污染浓度沿横向和纵向有明显变化，水深方向则基本均匀，可作为平面二维水质问题处理。

（3）纵向混合河段。横向混合河段之后的河段，称纵向混合河段。该河段中，水质浓度在过水断面上基本均匀，仅在纵向产生比较明显的变化，可作为纵向一维水质问题分析计算。

费希尔（H.B.Fischer，1979）以断面各处的浓度与平均浓度之差不超过5%作为达到断面完全混合的标准，分排污口在河流中心和在岸边两种情况，导出顺直河流中从排污口到断面完全混合的距离的计算式

式中：L为从排污口至断面完全混合的纵向距离，m；u为河流断面平均流速，m／s；Ey为横向扩散系数，m2／s。

4.1.1.2　吸附与解吸

水中溶解的污染物或胶状物，当与悬浮于水中的泥沙等固相物质接触或与河岸、河床接触时，将程度不同地被吸附在它们的表面，使水体中的污染浓度降低；相反，被吸附的污染物，当水体条件（如流速、浓度、pH值、温度等）改变时，也可能又溶于水中，使水体的污染浓度增加。前者称吸附，后者称解吸。研究表明，吸附能力远远大于解吸能力，因此，吸附-解吸作用总的趋势是使水体污染浓度减少。

吸附过程是一种复杂的物理化学过程。目前水质计算中常用两种形式来描述这种作用：一是弗劳德利希（Freundlich）吸附等温式；再是朗缪尔（Langmuir）吸附等温式。具体采用何种公式形式，可通过拟合实际资料确定。下面主要讲述前者。

在吸附平衡条件下，点绘水中泥沙吸附浓度Se与水污染浓度Ce的关系曲线，如图4-2，称吸附等温线。该等温线的数学表达式称吸附等温式。弗劳德利希吸附等温式为

图4-2　湘江某断面汞的吸附等温线

式中：Se为吸附达到平衡时水中泥沙的吸附浓度，常以μg／g计；Ce为吸附平衡时水体的污染物浓度，常以μg／L计；k、n为经验常数。

k、n与水体温度、污染物性质、浓度等因素有关，可通过试验资料确定。如图4-2所示的吸附等温线，是湘江某断面水样在温度10℃的情况下泥沙对汞（Hg）的吸附等温线，其k＝36.0，n＝1.84。

由上式进一步导出泥沙对水中污染物的吸附速率方程

式中：S为t时的泥沙吸附浓度，μg／g；ζ为无量纲化的S值，数值上与S相等，但无量纲；C为t时的水体污染浓度，μg／L；W为水体的含沙量，g／L；b为与活化能有关的指数；k1、k2分别为吸附速率系数和解吸速率系数，s-1。

通过对污水水样S、C、W过程的观测，可分析求得k1，k2和b。例如湘江株洲河段分析表明：镉（Cd）的k1＝2.71×10-3～6.39×10-3s-1，k2＝3.21×10-6～1.83×10-5s-1，b＝0.50～0.77；汞（Hg）的k1＝0.63～1.61s-1，k2＝5.57×10-10～3.82×10-9s-1，b＝1.98。k1比k2可大几个数量级，对污染物的吸附计算k1起决定性作用。

4.1.1.3　沉淀与再悬浮

水中悬浮的泥沙既是一种污染物，也是可溶性污染物吸附剂，其沉淀与再悬浮对水环境变化具有重要影响，水质计算中常常需要考虑。水环境数学模型中关于污染物沉淀与再悬浮的计算，可采用两种途径进行：一是按照河流动力学原理，先计算河段含沙量变化过程和冲淤过程，然后考虑泥沙对污染物的吸附—解吸作用，进一步算出污染物的沉淀与再悬浮。这种方法考虑因素全面，计算精度高，1989年作者在对四川省紫兰坝电站的水库核放射污染模拟预测时提出这种方法，成功地计算出该水库将来的核放射性污染状况。但这种方法需要资料多，计算工作量大。另一种方法，是采用一个沉浮系数直接估算，其公式形式一般为

式中：C为水中污染物在t时的浓度；kC为沉浮系数，沉淀时取正号，表示水中污染物减少；再悬浮时取负号，表示该项作用使水体污染浓度增加。kC与水流速度、泥沙组成、温度等因素有关，可通过实际模拟计算进行优选。