核环境监测与评价 第5章 放射性物质在地面水体中的行为.ppt

第第5章章 放射性物质在放射性物质在地面水体中的行为地面水体中的行为 水体的污染水体的污染1.一般化学性水质指标一般化学性水质指标，如，如pH、碱度、硬、碱度、硬度、阴阳离子、总含盐量等；度、阴阳离子、总含盐量等；2.有毒化学性水质指标有毒化学性水质指标，如重金属、氰化物，如重金属、氰化物、PAHs、农药等；、农药等；3.有关氧平衡水质指标有关氧平衡水质指标，如溶解氧，如溶解氧(DO)、化、化学需氧量学需氧量(COD)、生物需氧量、生物需氧量(BOD)、总有、总有机碳机碳(TOC)等。等。水质水质指标指标三类：v 物理指标v 化学指标v 生物指标1.感官物理性状指标感官物理性状指标，如温度、色度，如温度、色度、气味、浑浊度、透明度等；、气味、浑浊度、透明度等；2.其他物理性状指标其他物理性状指标，如总固体、悬，如总固体、悬浮固体、溶解固体、可沉固体等。浮固体、溶解固体、可沉固体等。包括细菌总数、总大肠菌群数、各类病原细包括细菌总数、总大肠菌群数、各类病原细菌、病毒等。菌、病毒等。工业废水工业废水排放量大、污染排放量大、污染面广、含污染物多且成分复面广、含污染物多且成分复杂，不易净化，处理困难。杂，不易净化，处理困难。未经处理的工业未经处理的工业污水污水 农业废水农业废水的排放难控制，极的排放难控制，极易造成农药污染和水体富营养化易造成农药污染和水体富营养化等。等。未经处理的生未经处理的生活污水活污水任意堆放垃圾，任意堆放垃圾，经雨水带入河水经雨水带入河水中中 水污染特点水污染特点 1、各类工业与大型企业密集在城市，排入城区河段的污染物数量极大，故一般流经城市的河流污染都很严重；2、海洋污染，其中以石油污染最为突出；3、污染物种类越来越多，其中毒物、剧毒物、长期残留物特别令人关注；4、陆地水体中，河流流速大稀释与自净能力强，污染较轻，较易恢复；湖泊交换能力弱，污染物能长期停留，易使水质恶化和引起富营养化；5、地下水遭受工业废水和城市污水日益严重，而且一旦污染，不易恢复，甚至不能恢复；水体中放射性物质的来源水体中放射性物质的来源1、放射性废水放射性废水的排放是地面水体放射性污染的主要来源；2、大气中气载放射性物质的沉积放射性物质的沉积、污染地面上的径地面上的径流流也是一个来源之一。5.1 放射性物质在地面水体中的行为放射性物质在地面水体中的行为 放射性物质进入水体后将伴随着各种物理、化学及生物过程。物理过程：水的流动导致污染物质在水中的弥散及固体颗粒状污染物在水中的沉积与再悬浮。化学过程：放射性物质在水中的水解、络合、氧化还原、沉淀、溶解等过程。生物过程：水生物对放射性物质的吸收、吸附、代谢及转化等作用。水体的放射性污染对人可能造成内照射及外照射两种辐射。放射性物质放射性物质的迁移转化的迁移转化 通过沉淀-溶解、氧化-还原、配合作用、胶体形成、吸附-解吸等一系列物理化学作用进行迁移转化，参与和干扰各种环境化学过程和物质循环过程，最终以一种或多种形态长期存留于环境，形成永久性的潜在危害。5.1.1 地面水体的分类和组成地面水体的分类和组成 a 水的分布 b 环境水：自身的循环 与外界的作用 c 环境水的组成：水、悬浮物、胶体物质、溶解物质。地面水体海洋、江河、湖泊、沼泽等水域；地下水环境水环境水环境水环境水降水 海洋：海洋：97.3%（咸水）（咸水）冰川：冰川：2.1%（固体淡水）（固体淡水）地下水：地下水：0.6%地表水：地表水：0.01%大气水和生物水：大气水和生物水：0.001%能够被人类直接利用的水不足能够被人类直接利用的水不足1%a 水体本身的循环水体本身的循环 -蒸发、输送、凝结、降水、径流、入渗蒸发、输送、凝结、降水、径流、入渗 b 水体与其周围物质广泛接触并发生化学反应水体与其周围物质广泛接触并发生化学反应 天然水中天然水中夹有环境物质夹有环境物质 水中所含的杂质，按其在水中的存在状态可分为三类：悬浮物悬浮物质、溶解物质和胶体物质。质、溶解物质和胶体物质。悬浮物质是由大于分子尺寸的颗粒组成的，它们借浮力和粘滞力悬浮于水中；溶解物质则由分子或离子组成，它们被水的分子结构所支承；胶体物质则介于悬浮物质与溶解物质之间(见图)。5.1.2 放射性物质在地面水体中的化学形态放射性物质在地面水体中的化学形态 放射性物质在水体中的存在状态因其来源不同而异，进入水体后发生物理化学变化使状态发生变化。存在状态形式有：溶存状态、胶体状态、微粒状态溶存状态、胶体状态、微粒状态三种。放射性物质在水体的存在状态影响因素:放射性物质来源 放射性物质存在的水体 海洋面积大且水量多，人们对海洋中放射性物质研究得比较多。在海洋中，89Sr、90Sr、137Cs、226Ra等以离子状态存在；55Fe、59Fe、232Th以胶体存在；51Cr、54Mn、60Co、64Cu、95Zr、106Ru、144Ce 以溶存、胶体和微粒状态存在。它们存在的状态与水体的pH值、水体的组成及放射性物质在水体的深度等因素有关。5.1.3 放射性物质在地面水体中的化学反应放射性物质在地面水体中的化学反应 1、氧化还原反应、氧化还原反应 环境水中含有许多无机及有机氧化剂和还原剂。水中主要的氧化剂有溶解氧、Fe3+、Mn4+和S6+，其作用后本身依次转变为H2O、Fe2+、Mn2+和S2-。水中主要还原剂有种类繁多的有机化合物、Fe2+、Mn2+和S2-，在还原物质的过程中，有机物本身的氧化产物是非常复杂的。水体中的氧化还原反应水体中的氧化还原反应主要取决于水中的氧化还原电势E和pH值。天然水中的氧化天然水中的氧化-还原平衡还原平衡、络合反应、络合反应 环境水中含有多种环境水中含有多种无机和有机配位体无机和有机配位体：无机配位体无机配位体：OH、Cl、CO3 2-、F、S 2-有机配位体：有机配位体：土壤中的土壤中的腐殖质，动植物组织的天然降解产物，如氨基酸，以及洗涤剂、清洁剂、EDTA、农药和大分子环状化合物。不同水体所含配位体的种类和含量也不同。淡水中的主要配位体为 ；海水中的主要配位体为Cl-3HCO水环境中的配位作用水环境中的配位作用-腐殖质配合作用 腐殖质-有机高分子物质（分子量在300到30000以上）环境中最主要的天然螯合剂 （根据腐殖质在碱和酸溶液中的溶解度）（1）腐殖酸 溶于稀碱液不溶于酸部分，分子量由数千到数万。（2）富里酸 溶于酸又可溶于碱的部分，分子量由数百到数千。（3）腐黑物 不能被酸和碱提取的部分。腐殖酸和腐黑物腐殖酸和腐黑物：碳：50%60%，氧：30%35%，氢：4%6%，氮：2%4%富里酸富里酸：碳和氮：44%50%和1%3%。氧：44%50%（不同地区和不同来源的腐殖质其分子量组成和元素组成都有区别）腐殖质结构特点腐殖质结构特点：苯环、羧基、醇基和酚基 富里酸结构式富里酸结构式 腐殖质对重金属的配合作用腐殖质对重金属的配合作用天然水pH4时，腐殖质中-COOH的H解离，发生（B）、（C）、（E）；天然水pH7时，腐殖质中-OH的H解离，发生（A）、（D）；腐殖质中分子量小的与重金属配合作用强，配合物溶解度高，富里酸腐殖酸胡敏素（C）2COOHH+Me2+COOH4COOCOOOOCOOCMe2-（D）2-MeOOCCOO4+Me2+H+COOH2OHOO（E）OOHH+Me2+OOMe+3、吸附、吸附 水体中存在一定量的悬浮物微粒及胶体，它们具有发达的表面，且常常还含有离子交换基团或带离子交换基团或带有电荷有电荷，可吸附水体中的放射性物质。这种吸附作用与微粒的粒度、组分、表面电荷状况以及水体的性质有关。环境水中的大部分胶体带有负电荷大部分胶体带有负电荷，只有少数胶体带正电荷。水环境中颗粒物的吸附作用水环境中颗粒物的吸附作用 表面吸附、离子交换吸附和专属吸附 由于胶体具有巨大的比表面和表面能，因此固液界面存在表面吸附作用，胶体表面积愈大，所产生的表面吸附能也愈大，胶体的吸附作用也就愈强，属于一种物理吸附物理吸附。由于环境中大部分胶体带负电荷，容易吸附各种阳离子，在吸附过程中，胶体每吸附一部分阳离子，同时也放出等量的其他阳离子，因此把这种吸附称为离子交换吸附离子交换吸附，属于物物理化学吸附理化学吸附。专属吸附专属吸附是指吸附过程中，除了化学键的作用外，尚有加强的憎水键和范德华力或氢键在起作用。专属吸附作用不但可使表面电荷改变符号，而且可使离子化合物吸附在同号电荷的表面上。吸附等温线吸附等温线：Henry等温线 直线型，等温式：G=k c Freundlich等温式：G=k c 1/n Langmuir等温式：G=G0 c/（A+c）第三、四章习题 1、对大型核设施的环境辐射监测通常包括运行前本底调查、运行中常规监测和事故应急监测，分别简述这三个阶段的基本监测内容？2、测定某一受210Po放射性污染的试样，由盖革计数管测得的计数率为256次/秒，经过276天后再测，其计数率为64次/秒，求210Po的半衰期；问再过270天后的计数率应为多少？3、污染源的东侧为峭壁，其高度比污染源高得多，设有效源高为H，污染源到峭壁的距离为L，峭壁对烟流扩散起全反射作用。试推导吹南风时高架连续点源的扩散模式？当吹北方时，扩散模式又将如何变化？4、什么是烟囱的有效高度？烟羽抬升受哪些因素影响？5、推出高斯扩散模式中高架点源扩散的地面浓度浓度分布C（x,y,0，H）表达式。5.2 放射性物质在地面水体中的输运、弥散和迁移放射性物质在地面水体中的输运、弥散和迁移5.2.1 放射性物质在河流中的输运和弥散1、输运弥散的机制 输运弥散过程中与下列因素有关：分子扩散，分子扩散，物质分子在水体中不规则的随机运动即布朗运动而导致物质迁移；湍流扩散，湍流扩散，污染物质在水中呈湍流状态，由此导致污染；剪切流弥散，剪切流弥散，当河宽方向横断面上水流速度分布不均匀时，水的流动状态；对流扩散，对流扩散，水体不同深度处水温与密度往往呈层分布，不同深度水层之间温度与密度的差异形成铅直方向上的对流运动，由此导致的污染物扩散迁移。2、输运弥散的基本方程、输运弥散的基本方程 污染物质在河流中的弥散混合过程包括随水流运动的平流输运及在水流、河宽及水深三个方向上的扩散，根据浓度梯度扩散理论及质量平衡原理，污染物在流动水体中的浓度分布同样可采可描述为：SzCKzyCKyxCKxzwCyvCxuCtCzyx 在实际应用中，应根据地面水体的具体条件对该方程作出合理和必要的简化，如不考虑传输过程中新的污染物源汇项、核素向水底的沉积及其他因素造成的污染物浓度的增加或耗减，则增减项S=0;若在均匀平稳的水流场中不存在y、z方向上的二次流组分，则v=w=0,则方程式可简化为：zCKzyCKyxCKxxuCtCzyx3 污染物在河流中的输运与弥散过程污染物在河流中的输运与弥散过程a水深方向弥散混合b 河宽方向弥散混合河流混合稀释示意图河流混合稀释示意图4连续点源的弥散模式污染物若以恒定的排放速率排入均匀平稳流场的河流中，排放开始后不久，水中个点污染物浓度分布将保持恒定，即 ，河水的流速及扩散系数亦为恒定值，可得0tC(1)横向混合均匀前 在横向混合均匀前的混合过程河段中，由于垂向混合距离很短，计算中一般假设污染物在水深方向已与河水混合均匀 。污染物只是在河宽与水流方向上弥散，而且在河水流速不大小的情况下，沿水流方向的平流输运对弥散过程所起的作用远大于同意方向上湍流扩散的影响 。因此可得 2）窄河流在有限宽度的河流中，按全反射条件估算，设排放口坐标位置为 考虑河岸对污染物弥散的多次反射 的边界条件下，得出二维条件下弥散方程解为5.2.2 放射性物质在它水体中的输运和弥散放射性物质在它水体中的输运和弥散 1、湖泊 湖泊的特点是水流速度小放射性物质在湖泊中滞留时间长等特点，考虑放射性平衡、短寿命子体衰减等因素其浓度为：2、海洋 海洋分浅海区和深海区。浅海区和大洋表书面层瞬时点源的弥散模式，对t时该距离r处污染物浓度(r,t)的估算公式为：VFFQCw.3101ptrthpQtrCexp2101,223 连续点