Введение в экологическую химию - Скурлатов Ю.И.
NBSN 5-06-002593-4
Скачать (прямая ссылка):
Если на долю гидрофизиков и математиков ложится построение физико-математической модели массопереноса, то на долю экохимиков
— получение количественных
Е
1
Рис. 39. «Ящичная» модель водохранилища:
Ь—литоральная (прибрежная) зона, мелководные участки водоемов, где наблюдается слабый перенос; В — бентальная зона (дно, придонный слой и донные отложения); Е—эпилимнион (хорошо перемешиваемый верхний слой); Н-гиполимнион (глубинный слой холодных вод). Стрелками указано направление массопереноса между «ящиками», а также вход и выход водных масс кинетических характеристик химических и биохимических превращений, которые происходят с ЗВ в процессе их миграции. В настоящее время имеются все предпосылки для оценки констант скорости превращений ЗВ в водной среде при различных параметрах среды по данным лабораторных измерений.
Разработанные математические модели, описывающие поведение ЗВ1 в природных
262
водах, как правило, модели блочного или "ящичного" типа. На рис. 39 представлена типичная "ящичная" модель водохранилища.
Предполагается, что объемы "ящиков" остаются постоянными. В каждом "ящике" состав среды считается однородным. При этом на основе гидрологических измерений, данных по нагрузке взвешенных частиц и ЗВ на каждый "ящик" рассчитывается движение водных масс и взвешенных частиц в системе, предполагается, что ЗВ перемещаются вместе с водой или в составе взвесей и планктона. В каждом "ящике", характеризующемся своим набором параметров, учитывается распределение ЗВ между растворенной и сорбированной формами, участие его в процессах массопереноса (испарение, обмен с донными отложениями и т.д.), а также процессы трансформации псевдопервого порядка по концентрации вещества.
Основное дифференциальное уравнение, описывающее поведение вещества Р в "ящике", может быть представлено в виде
*Ш = -Ы „ 1 ад _ 2 щМ[Ы + 2 КШ (7.14) аг V го (=1 ^=1 3=х
где V — объем "ящика"; ги0>ю — скорость поступления растворенного
5
вещества Р^; <о — среднее время водообмена в "ящике", А; = Е к( —
р 1=1
сумма констант скорости испарения и трансформации вещества в про-
п п
цессах биолиза, гидролиза, фотолиза и окисления; Е %(Е кГ]) —
суммарная скорость процессов адсорбции (десорбции) для частиц разного размера (п — число фракций); М] — концентрация взвешенных частиц У-й фракции; [Р^] — концентрация вещества Р в сорбированном состоянии в частицах 3-й фракции.
Если не делать различий взвешенных частиц по фракциям, то выражение (7.14) упростится:
В тех же приближениях для концентрации вещества на твердых частицах уравнение запишется в виде:
^ = - ^ - № - №«1 + Щ [Р„],
где ги0>3 — скорость поступления массы сорбированного вещества; к3 — коэффициент осаждения взвешенных частиц; кр — константа скорости
263
десорбции Р; к/ — константа скорости адсорбции Р; М — концентрация взвешенных частиц.
Из этих выражений уравнение для полной концентрации вещества Р([Р] = [Р№] + [Р5] ) запишется в виде
ф=^-И-Еад-да. (7.15)
По сравнению с процессами массопереноса и трансформации сорб-ционные равновесия можно принять устанавливающимися быстро. Следовательно, величины [Р^] и [Р5] связаны друг с другом изотермой сорбции
Р!_ [ р 3_ хи1~ \ + к м ' р
И = \ + к м р
и тогда выражение для расчета содержания вещества Р в "ящике" с учетом процессов сорбции запишется в виде
^и=^_м__х™..^ [Р1 (716)
Л V Ц 1 + КМ11 1+КМ11' к } и р р
где &р — эффективная константа скорости самоочищения водной среды (сумма констант скорости псевдопервого порядка по всем каналам самоочищения).
Аналогично может быть учтено и бионакопление ЗВ. С учетом потока и диффузионного переноса между "ящиками" уравнения (7.14)—(7.16) могут быть распространены на другие "ящики". Дисперсионный и турбулентный обмены через границы "ящиков" рассчитываются по формуле
.Р = ХЮД
где / — расход воды, м3/ч; /> — коэффициент вихревой дисперсии, м2/ч; ? — площадь сечения вдоль границы обмена, м2; / — характерная длина потока, т.е. средняя протяженность "ящика" вдоль оси обмена, 264 м. Это уравнение применимо и для описания взаимодействия между водным стоком и донными отложениями. Коэффициенты дисперсии при обмене бетонического пограничного слоя вследствие физической турбулентности изменяются в пределах 1,2-10~4 - 1,2« 10"5 м2/ч.
Модель позволяет оценить, сколько вещества Р теряется в каждом "ящике" вследствие различных процессов переноса и трансформации. Кроме того, она показывает скорость снижения концентрации ЗВ в водной среде при внезапном прекращении нагрузки.
Для моделирования поведения ЗВ в водной экосистеме требуется множество входных данных. Обычно в активную базу данных вводят описание "ящиков", их взаимосвязь, данные по качеству воды, геометрические параметры экосистемы, параметры погодных условий, нагрузку по ЗВ, физико-химические свойства рассматриваемого вещества, значения констант скорости, их температурную зависимость, которая учитывается по закону Аррениуса. При этом константы скоростей являются функцией значимых параметров, от которых зависит способность водной среды к самоочищению.
