核環(huán)境監(jiān)測與評價放射性物質(zhì)在地面水體中的行為

1、第5章 放射性物質(zhì)在地面水體中的行為 水體的污染定義： 水體因接受過多的雜質(zhì)而導(dǎo)致其物理、化學(xué)、及生物學(xué)特性的改變和水質(zhì)惡化，從而影響水的有效利用，危害人體健康的現(xiàn)象。1. 一般化學(xué)性水質(zhì)指標(biāo)，如pH、堿度、硬度、陰陽離子、總含鹽量等；2. 有毒化學(xué)性水質(zhì)指標(biāo)，如重金屬、氰化物、PAHs、農(nóng)藥等；3. 有關(guān)氧平衡水質(zhì)指標(biāo)，如溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)、總有機(jī)碳(TOC)等。水質(zhì)與水質(zhì)指標(biāo) (water quality and index)水質(zhì)指標(biāo)分三類： 物理指標(biāo) 化學(xué)指標(biāo) 生物指標(biāo)1. 感官物理性狀指標(biāo)，如溫度、色度、氣味、渾濁度、透明度等；2. 其他物理性狀

2、指標(biāo)，如總固體、懸浮固體、溶解固體、可沉固體等。包括細(xì)菌總數(shù)、總大腸菌群數(shù)、各類病原細(xì)菌、病毒等。水質(zhì)，即水的品質(zhì)，是指水與其所含雜質(zhì)共同表現(xiàn)出來的物理、化學(xué)和生物學(xué)的綜合特性。通常用水質(zhì)指標(biāo)來衡量水質(zhì)的好壞。水污染的污染源常見的四大水污染源工業(yè)對水的污染源主要有：1未經(jīng)處理的工業(yè)廢水；2礦山污水；3把固體工業(yè)垃圾堆放在水邊。 工業(yè)廢水排放量大、污染面廣、含污染物多且成分復(fù)雜，不易凈化，處理困難。未經(jīng)處理的工業(yè)污水 農(nóng)業(yè)廢水的排放難控制，極易造成農(nóng)藥污染和水體富營養(yǎng)化等。農(nóng)業(yè)對水的污染源主要有：1過量使用化肥、農(nóng)藥、除草劑的農(nóng)田污水2養(yǎng)殖場排放的畜禽污水3水土流失 淮河淮南段境內(nèi)一養(yǎng)豬場將垃圾

3、直排淮河 生活對水的污染源主要有：1把生活垃圾倒在水邊； 2未經(jīng)處理的生活污水；3把餐飲泔水直接或間接排入水體中；4車油泄漏和在河邊洗車未經(jīng)處理的生活污水任意堆放垃圾，經(jīng)雨水帶入河水中 城市生活污水的排污口 把剩飯菜排向下水道過量使用洗衣粉過量使用洗潔精汽車漏油會污染地下水在河邊洗車會污染水源水污染特點(diǎn) 1、各類工業(yè)與大型企業(yè)密集在城市，排入城區(qū)河段的污染物數(shù)量極大，故一般流經(jīng)城市的河流污染都很嚴(yán)重； 2、海洋污染，其中以石油污染最為突出； 3、污染物種類越來越多，其中毒物、劇毒物、長期殘留物特別令人關(guān)注； 4、陸地水體中，河流流速大稀釋與自凈能力強(qiáng)，污染較輕，較易恢復(fù)；湖泊交換能力弱，污染物

4、能長期停留，易使水質(zhì)惡化和引起富營養(yǎng)化； 5、地下水遭受工業(yè)廢水和城市污水日益嚴(yán)重，而且一旦污染，不易恢復(fù)，甚至不能恢復(fù)； 水體中放射性物質(zhì)的來源1、放射性廢水的排放是地面水體放射性污染的主要來源；2、大氣中氣載放射性物質(zhì)的沉積、污染地面上的徑流也是一個來源之一。5.1 放射性物質(zhì)在地面水體中的行為 放射性物質(zhì)進(jìn)入水體后將伴隨著各種物理、化學(xué)及生物過程。 物理過程：水的流動導(dǎo)致污染物質(zhì)在水中的彌散及固體顆粒狀污染物在水中的沉積與再懸浮。 化學(xué)過程：放射性物質(zhì)在水中的水解、絡(luò)合、氧化復(fù)原、沉淀、溶解等過程。 生物過程：水生物對放射性物質(zhì)的吸收、吸附、代謝及轉(zhuǎn)化等作用。 水體的放射性污染對人可能造

5、成內(nèi)照射及外照射兩種輻射。放射性物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化 通過沉淀-溶解、氧化-復(fù)原、配合作用、膠體形成、吸附-解吸等一系列物理化學(xué)作用進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化，參與和干擾各種環(huán)境化學(xué)過程和物質(zhì)循環(huán)過程，最終以一種或多種形態(tài)長期存留于環(huán)境，形成永久性的潛在危害。 5.1.1 地面水體的分類和組成 a 水的分布 b 環(huán)境水：自身的循環(huán) 與外界的作用 c 環(huán)境水的組成： 水、懸浮物、膠體物質(zhì)、溶解物質(zhì)。地面水體海洋、江河、湖泊、 沼澤等水域；地下水環(huán)境水環(huán)境水降水海洋：97.3%咸水冰川：2.1% 固體淡水地下水：0.6%地表水：0.01%大氣水和生物水：0.001%能夠被人類直接利用的水缺乏1%a 水體本身的循環(huán) -

6、 蒸發(fā)、輸送、凝結(jié)、降水、徑流、入滲 b 水體與其周圍物質(zhì)廣泛接觸并發(fā)生化學(xué)反響 天然水中夾有環(huán)境物質(zhì) 水中所含的雜質(zhì)，按其在水中的存在狀態(tài)可分為三類：懸浮物質(zhì)、溶解物質(zhì)和膠體物質(zhì)。 懸浮物質(zhì)是由大于分子尺寸的顆粒組成的，它們借浮力和粘滯力懸浮于水中； 溶解物質(zhì)那么由分子或離子組成，它們被水的分子結(jié)構(gòu)所支承； 膠體物質(zhì)那么介于懸浮物質(zhì)與溶解物質(zhì)之間(見圖)。 5.1.2 放射性物質(zhì)在地面水體中的化學(xué)形態(tài) 放射性物質(zhì)在水體中的存在狀態(tài)因其來源不同而異，進(jìn)入水體后發(fā)生物理化學(xué)變化使?fàn)顟B(tài)發(fā)生變化。 存在狀態(tài)形式有：溶存狀態(tài)、膠體狀態(tài)、微粒狀態(tài)三種。放射性物質(zhì)在水體的存在狀態(tài)影響因素: 放射性物質(zhì)來源

7、 放射性物質(zhì)存在的水體 海洋面積大且水量多，人們對海洋中放射性物質(zhì)研究得比較多。 在海洋中，89Sr、90Sr、137Cs、226Ra等以離子狀態(tài)存在； 55Fe、59Fe、232Th以膠體存在； 51Cr、 54Mn、60Co、64Cu 、 95Zr、106Ru、 144Ce 以溶存、膠體和微粒狀態(tài)存在。 它們存在的狀態(tài)與水體的pH值、水體的組成及放射性物質(zhì)在水體的深度等因素有關(guān)。5.1.3 放射性物質(zhì)在地面水體中的化學(xué)反響 1、氧化復(fù)原反響 環(huán)境水中含有許多無機(jī)及有機(jī)氧化劑和復(fù)原劑。水中主要的氧化劑有溶解氧、Fe3+、Mn4+和S6+，其作用后本身依次轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O、Fe2+、Mn2+和S2

8、-。水中主要復(fù)原劑有種類繁多的有機(jī)化合物、Fe2+、Mn2+和S2-，在復(fù)原物質(zhì)的過程中，有機(jī)物本身的氧化產(chǎn)物是非常復(fù)雜的。 水體中的氧化復(fù)原反響主要取決于水中的氧化復(fù)原電勢E和pH值。 天然水中的氧化-復(fù)原平衡、絡(luò)合反響 環(huán)境水中含有多種無機(jī)和有機(jī)配位體： 無機(jī)配位體： OH、Cl、CO3 2- 、F、S 2- 有機(jī)配位體： 土壤中的腐殖質(zhì)，動植物組織的天然降解產(chǎn)物，如氨基酸，以及洗滌劑、清潔劑、EDTA、農(nóng)藥和大分子環(huán)狀化合物。 不同水體所含配位體的種類和含量也不同。淡水中的主要配位體為 ；海水中的主要配位體為Cl- 水環(huán)境中的配位作用-腐殖質(zhì)配合作用 腐殖質(zhì)-有機(jī)高分子物質(zhì)分子量在300

9、到30000以上 環(huán)境中最主要的天然螯合劑 根據(jù)腐殖質(zhì)在堿和酸溶液中的溶解度1腐殖酸 溶于稀堿液不溶于酸局部，分子量由數(shù)千到數(shù)萬。2富里酸 溶于酸又可溶于堿的局部，分子量由數(shù)百到數(shù)千。3腐黑物 不能被酸和堿提取的局部。 腐殖酸和腐黑物： 碳：50%60%， 氧：30%35%， 氫：4%6%， 氮：2%4%富里酸 ： 碳和氮：44%50%和1%3%。氧：44%50% 不同地區(qū)和不同來源的腐殖質(zhì)其分子量組成和元素組成都有區(qū)別腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 苯環(huán)、羧基、醇基和酚基 富里酸結(jié)構(gòu)式 腐殖質(zhì)對重金屬的配合作用天然水pH4時，腐殖質(zhì)中-COOH的H解離，發(fā)生B、C、E；天然水pH7時，腐殖質(zhì)中-OH的H解

10、離，發(fā)生A、D；腐殖質(zhì)中分子量小的與重金屬配合作用強(qiáng)，配合物溶解度高，富里酸腐殖酸胡敏素 3、吸附 水體中存在一定量的懸浮物微粒及膠體，它們具有興旺的外表，且常常還含有離子交換基團(tuán)或帶有電荷，可吸附水體中的放射性物質(zhì)。這種吸附作用與微粒的粒度、組分、外表電荷狀況以及水體的性質(zhì)有關(guān)。環(huán)境水中的大局部膠體帶有負(fù)電荷，只有少數(shù)膠體帶正電荷。水環(huán)境中顆粒物的吸附作用 外表吸附、離子交換吸附和專屬吸附 由于膠體具有巨大的比外表和外表能，因此固液界面存在外表吸附作用，膠體外表積愈大，所產(chǎn)生的外表吸附能也愈大，膠體的吸附作用也就愈強(qiáng)，屬于一種物理吸附。 由于環(huán)境中大局部膠體帶負(fù)電荷，容易吸附各種陽離子，在吸

11、附過程中，膠體每吸附一局部陽離子，同時也放出等量的其他陽離子，因此把這種吸附稱為離子交換吸附，屬于物理化學(xué)吸附。 專屬吸附是指吸附過程中，除了化學(xué)鍵的作用外，尚有加強(qiáng)的憎水鍵和范德華力或氫鍵在起作用。 專屬吸附作用不但可使外表電荷改變符號，而且可使離子化合物吸附在同號電荷的外表上。 吸附等溫線： Henry等溫線 直線型，等溫式： G = k c Freundlich等溫式： G = k c 1/n Langmuir等溫式： G = G0 c/A + c 第三、四章習(xí)題1、對大型核設(shè)施的環(huán)境輻射監(jiān)測通常包括運(yùn)行前本底調(diào)查、運(yùn)行中常規(guī)監(jiān)測和事故應(yīng)急監(jiān)測，分別簡述這三個階段的根本監(jiān)測內(nèi)容？2、測定

12、某一受210Po放射性污染的試樣，由蓋革計數(shù)管測得的計數(shù)率為256次/秒，經(jīng)過276天后再測，其計數(shù)率為64次/秒，求210Po的半衰期；問再過270天后的計數(shù)率應(yīng)為多少？3、污染源的東側(cè)為峭壁，其高度比污染源高得多，設(shè)有效源高為H，污染源到峭壁的距離為L，峭壁對煙流擴(kuò)散起全反射作用。試推導(dǎo)吹南風(fēng)時高架連續(xù)點(diǎn)源的擴(kuò)散模式？當(dāng)吹北方時，擴(kuò)散模式又將如何變化？4、什么是煙囪的有效高度？煙羽抬升受哪些因素影響？5、推出高斯擴(kuò)散模式中高架點(diǎn)源擴(kuò)散的地面濃度濃度分布Cx,y,0，H表達(dá)式。5.2 放射性物質(zhì)在地面水體中的輸運(yùn)、彌散和遷移5.2.1 放射性物質(zhì)在河流中的輸運(yùn)和彌散1、輸運(yùn)彌散的機(jī)制 輸運(yùn)彌

13、散過程中與以下因素有關(guān)： 分子擴(kuò)散，物質(zhì)分子在水體中不規(guī)那么的隨機(jī)運(yùn)動即布朗運(yùn)動而導(dǎo)致物質(zhì)遷移； 湍流擴(kuò)散，污染物質(zhì)在水中呈湍流狀態(tài)，由此導(dǎo)致污染； 剪切流彌散，當(dāng)河寬方向橫斷面上水流速度分布不均勻時，水的流動狀態(tài)； 對流擴(kuò)散，水體不同深度處水溫與密度往往呈層分布，不同深度水層之間溫度與密度的差異形成鉛直方向上的對流運(yùn)動，由此導(dǎo)致的污染物擴(kuò)散遷移。2、輸運(yùn)彌散的根本方程 污染物質(zhì)在河流中的彌散混合過程包括隨水流運(yùn)動的平流輸運(yùn)及在水流、河寬及水深三個方向上的擴(kuò)散，根據(jù)濃度梯度擴(kuò)散理論及質(zhì)量平衡原理，污染物在流動水體中的濃度分布同樣可采可描述為： 在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)地面水體的具體條件對該方程作出

14、合理和必要的簡化，如不考慮傳輸過程中新的污染物源匯項(xiàng)、核素向水底的沉積及其他因素造成的污染物濃度的增加或耗減，那么增減項(xiàng)S=0;假設(shè)在均勻平穩(wěn)的水流場中不存在y、z方向上的二次流組分，那么v=w=0,那么方程式可簡化為：3 污染物在河流中的輸運(yùn)與彌散過程a水深方向彌散混合b 河寬方向彌散混合河流混合稀釋示意圖4連續(xù)點(diǎn)源的彌散模式污染物假設(shè)以恒定的排放速率排入均勻平穩(wěn)流場的河流中，排放開始后不久，水中個點(diǎn)污染物濃度分布將保持恒定，即 ，河水的流速及擴(kuò)散系數(shù)亦為恒定值，可得(1)橫向混合均勻前 在橫向混合均勻前的混合過程河段中，由于垂向混合距離很短，計算中一般假設(shè)污染物在水深方向已與河水混合均勻 。污染物只是在河寬與水流方向上彌散，而且在河水流速不大小的情況下，沿水流方向的平流輸運(yùn)對彌散過程所起的作用遠(yuǎn)大于同意方向上湍流擴(kuò)散的影響 。因此可得 2窄河流在有限寬度的河流中，按全反射條件估算，設(shè)排放口坐標(biāo)位置為 考慮河岸對污染物彌散的屢次反射 的邊界條件下，得出二維條件下彌散方程解為5.2.2 放射性物質(zhì)在它水體中的輸運(yùn)和彌散 1、湖泊 湖泊的特點(diǎn)是水流速度小放射性物質(zhì)在湖泊中滯留時間長等特點(diǎn)，考慮放射性平衡、短壽命子體衰減等因素其濃度為： 2、海洋 海洋分淺海區(qū)和深海區(qū)。淺海區(qū)和大洋表書面層瞬時點(diǎn)源的彌散模式，對t時該距離r處污染物濃度(r, t)的估算