第三章 第四節(jié)_水質(zhì)模型

1、1第四節(jié)第四節(jié) 水質(zhì)模型水質(zhì)模型第三章第三章 水環(huán)境化學(xué)水環(huán)境化學(xué) (Water Environmental Chemistry)2 水質(zhì)模型水質(zhì)模型（water quality model） 根據(jù)物質(zhì)守恒原根據(jù)物質(zhì)守恒原理理用數(shù)學(xué)的語言和方法用數(shù)學(xué)的語言和方法描述參加描述參加水循環(huán)的水體中水質(zhì)組分水循環(huán)的水體中水質(zhì)組分所發(fā)生的所發(fā)生的物理、化學(xué)、生物化學(xué)和生態(tài)學(xué)物理、化學(xué)、生物化學(xué)和生態(tài)學(xué)諸方面的變化、諸方面的變化、內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系的內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型。 水質(zhì)模型（水質(zhì)模型（water quality model） 描述環(huán)境污染物在水中的描述環(huán)境污染物在水中的運(yùn)動(dòng)和遷移轉(zhuǎn)

2、化運(yùn)動(dòng)和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，為水規(guī)律，為水資源保護(hù)服務(wù)。它可用于實(shí)現(xiàn)水質(zhì)模擬和評(píng)價(jià)，進(jìn)行水質(zhì)資源保護(hù)服務(wù)。它可用于實(shí)現(xiàn)水質(zhì)模擬和評(píng)價(jià)，進(jìn)行水質(zhì)預(yù)報(bào)和預(yù)測，制訂污染物排放標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)規(guī)劃以及進(jìn)行水預(yù)報(bào)和預(yù)測，制訂污染物排放標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)規(guī)劃以及進(jìn)行水域的水質(zhì)管理等，域的水質(zhì)管理等，是實(shí)現(xiàn)水污染控制的有力工具是實(shí)現(xiàn)水污染控制的有力工具。 3水質(zhì)模型的類型水質(zhì)模型的類型1、從空間維數(shù)上分 零維、一維、二維和三維模型 2、是否含有時(shí)間變量（上游來水和排污隨時(shí)間的變化情況） 可分為動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)模型 3、從模型的數(shù)學(xué)特征 隨機(jī)性、確定性模型和線性、非線性模型 4、從描述的水體、對(duì)象、現(xiàn)象、物質(zhì)遷移和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)可分為

3、 河流、湖泊、河口、海灣、地下水模型；溶解氧、溫度、重金屬、有毒有機(jī)物、放射性模型；對(duì)流、擴(kuò)散模型以及遷移、反應(yīng)、生態(tài)學(xué)模型等 。4水質(zhì)模型的理論：水質(zhì)模型的理論：質(zhì)量平衡理論，灰色理論質(zhì)量平衡理論，灰色理論 隨機(jī)理論、模糊理論隨機(jī)理論、模糊理論水質(zhì)模型的應(yīng)用：水質(zhì)模型的應(yīng)用：過程模擬、水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、環(huán)境行為預(yù)測、水生過程模擬、水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、環(huán)境行為預(yù)測、水生生物污染分析、水資源科學(xué)管理規(guī)劃、水環(huán)境保護(hù)生物污染分析、水資源科學(xué)管理規(guī)劃、水環(huán)境保護(hù)5水質(zhì)模型的發(fā)展階段水質(zhì)模型的發(fā)展階段n1925-1960，SP模型模型，BODDO耦合模型耦合模型 n （簡單的氧平衡模型階段）（簡單的氧平衡模

4、型階段）n19601965，新發(fā)展，新發(fā)展，引進(jìn)空間變量引進(jìn)空間變量，動(dòng)力學(xué)系數(shù)動(dòng)力學(xué)系數(shù)、溫度溫度 （形態(tài)模型階段）（形態(tài)模型階段）n19651970，光合作用、藻類的呼吸作用，沉降，懸，光合作用、藻類的呼吸作用，沉降，懸浮，浮，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)的應(yīng)用n1970 1975，線性化體系，生態(tài)水質(zhì)模型，線性化體系，生態(tài)水質(zhì)模型，有限元模有限元模型，有限差分技術(shù)型，有限差分技術(shù) （多介質(zhì)環(huán)境結(jié)合生態(tài)模型階段）（多介質(zhì)環(huán)境結(jié)合生態(tài)模型階段）n最近最近30年，年，改善模型的可靠性和評(píng)價(jià)能力改善模型的可靠性和評(píng)價(jià)能力6一、S-P模型 SP模型的基本假設(shè)是：河流中的BOD的衰減和DO的復(fù)氧都是一級(jí)反應(yīng)；

5、（復(fù)氧速度與氧虧成正比。） 反應(yīng)速度是恒定的；河流中的耗氧是由BOD衰減引起的，而河流中的溶解氧來源則是大氣復(fù)氧。 S - P模型只考慮了有機(jī)物降解和大氣復(fù)氧對(duì)DO的影響，沒有考慮有機(jī)物沉浮、底泥吸附等對(duì)DO的影響，因此其結(jié)果與實(shí)際有一定的差別。有很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，主要有以3種模型：( 1 ) Thomas模型：對(duì)一維穩(wěn)態(tài)河流，在S-P模型基礎(chǔ)上增加了一項(xiàng)因懸浮物的沉淀與浮所引起的BOD速率變化。( 2 ) CampDobbins模型：在Thomas的基礎(chǔ)，增加了底泥釋放BOD和地表徑流所引起的BOD變化速率和藻類光合作用和呼吸作用以及地表徑流引起的溶解氧速率變化。( 3 ) Oconn

6、or模型：假定總的BOD是由含碳BOD(CBOI)和含氮BOD(NBOD)兩項(xiàng)組成，模型不僅考慮了含碳化合物的耗氧，而且也考慮了含氮化合物的耗氧。S-P模式的適用條件：模式的適用條件：河流充分混合段； 污染物為耗氧性有機(jī)污染物；需要預(yù)測河流溶解氧狀態(tài)； 河流恒定流動(dòng)；連續(xù)穩(wěn)定排放。7（1）零維水質(zhì)模型（完全混合模型）零維水質(zhì)模型（完全混合模型） 零維是一種理想狀態(tài)，把所研究的水體如一條河或一個(gè)水庫看成一個(gè)完整的體系，當(dāng)污染物進(jìn)入這個(gè)體系后，立即完全均勻地分散到這個(gè)體系中，污染物的濃度不會(huì)隨時(shí)間的變化而變化。8廢水排入河流后與河水迅速完全混合，則混合后的污染物濃度為廢水排入河流后與河水迅速完全混

7、合，則混合后的污染物濃度為零維水質(zhì)模型（河流完全混合模型）零維水質(zhì)模型（河流完全混合模型）9河流充分混合段；持久性污染物；河流恒速流動(dòng)；廢水連續(xù)穩(wěn)定排放。河流完全混合模式的適用條件河流完全混合模式的適用條件10（2）一維水質(zhì)模型）一維水質(zhì)模型 某一水團(tuán)沿某一水團(tuán)沿水流運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)水流運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)，同時(shí)存在于該水團(tuán)中，同時(shí)存在于該水團(tuán)中的污染物亦隨之移動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，污染物由于降的污染物亦隨之移動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，污染物由于降解或轉(zhuǎn)化成其它形式而發(fā)生濃度變化，這一變化往往解或轉(zhuǎn)化成其它形式而發(fā)生濃度變化，這一變化往往與河流狀態(tài)有關(guān)如：與河流狀態(tài)有關(guān)如：水溫、溶解氧濃度水溫、溶解氧濃度等等，一維模

8、等等，一維模型適用的假設(shè)條件是橫向和垂直方向混合相當(dāng)快，認(rèn)型適用的假設(shè)條件是橫向和垂直方向混合相當(dāng)快，認(rèn)為斷面中的污染物濃度是均勻的。為斷面中的污染物濃度是均勻的。)411 (2exp20 xxxxuKEExu11河流充分混合段；河流充分混合段；非持久性污染物非持久性污染物；河流恒速流動(dòng)；河流恒速流動(dòng)；廢水連續(xù)穩(wěn)定排放廢水連續(xù)穩(wěn)定排放河流一維穩(wěn)態(tài)模式的適用條件：河流一維穩(wěn)態(tài)模式的適用條件：n該模型描述水質(zhì)組分的遷移變化在兩個(gè)方向上是重要的，在另外一個(gè)方向上是均勻分布的，這種水質(zhì)模型稱為二維水質(zhì)模型。（3）二維水質(zhì)模型）二維水質(zhì)模型 河流的混合稀釋二維模型均勻混合段混合段背景段 河水流量QE (

9、m3/s)，污染物濃度為CE (mgL)污染物濃度為CP (mgL)廢水流量為 QP (m3/s)污水注入點(diǎn)污水注入點(diǎn)完全混合點(diǎn)完全混合點(diǎn)L混合段總長度混合段總長度最早出現(xiàn)的水質(zhì)完全混合斷面最早出現(xiàn)的水質(zhì)完全混合斷面 完全混合段是指污染物濃度在斷面上均勻分布的河段，當(dāng)斷面上任意一點(diǎn)的濃度與斷面平均濃度之差小于平均濃度的5時(shí)，可以認(rèn)為達(dá)到均勻分布。二維模型二維模型14 15二、水體富營養(yǎng)化預(yù)測模型二、水體富營養(yǎng)化預(yù)測模型(Prediction Model of Eutrophic Water Body) 水體的富營養(yǎng)化是由磷、氮的化合物過多排放引水體的富營養(yǎng)化是由磷、氮的化合物過多排放引起的污染

10、。主要表現(xiàn)為水體中藻類的大量繁殖，嚴(yán)重起的污染。主要表現(xiàn)為水體中藻類的大量繁殖，嚴(yán)重影響了水質(zhì)。影響了水質(zhì)。湖水營養(yǎng)化程度湖水營養(yǎng)化程度總磷總磷 是指正磷酸鹽、聚合磷酸鹽、可水解磷酸鹽以是指正磷酸鹽、聚合磷酸鹽、可水解磷酸鹽以 及有機(jī)磷的總濃度。及有機(jī)磷的總濃度。總氮總氮 是指水體中氨氮、亞硝酸氮、硝酸氮和有機(jī)氮是指水體中氨氮、亞硝酸氮、硝酸氮和有機(jī)氮 的總濃度。的總濃度。葉綠素含量葉綠素含量 是指水體中綠色物質(zhì)的含量。是指水體中綠色物質(zhì)的含量。16富營養(yǎng)化預(yù)測模型富營養(yǎng)化預(yù)測模型cVqcIdtdcVPP)(cPVIdtdcPWP)(式中：c 湖水平均總磷濃度 mg/L, IP 輸入湖泊磷的濃

11、度 g/d PW 水力沖刷系數(shù) PW = q / V，d-1 q 出湖河道流量 m3/d, V 湖泊容積 m3 P 磷的沉降速率常數(shù) d-1 t 河水入湖時(shí)間 d三、有毒有機(jī)物的歸趨模型三、有毒有機(jī)物的歸趨模型 對(duì)于一種有機(jī)物，僅僅看它的毒性是不夠的，還必須考察它進(jìn)入環(huán)境分解為無害物的速度快慢如何。因此研究水環(huán)境中各種有機(jī)毒物的預(yù)測模型十分重要。 這種模型主要研究化合物的各種遷移轉(zhuǎn)化過程的機(jī)理，并且特別著重動(dòng)力學(xué)的研究。如圖所示，可以把圖中這些遷移轉(zhuǎn)化過程歸納為如下幾個(gè)過程：18 化合物遷移轉(zhuǎn)化過程：化合物遷移轉(zhuǎn)化過程：n負(fù)載過程負(fù)載過程（輸入過程）（輸入過程）：人為排放，大氣沉降，陸地：人為

12、排放，大氣沉降，陸地徑流徑流n形態(tài)過程形態(tài)過程 ：酸堿平衡、吸著作用酸堿平衡、吸著作用n遷移過程：遷移過程：沉淀沉淀-溶解作用、對(duì)流作用溶解作用、對(duì)流作用 、揮發(fā)作用、揮發(fā)作用 、 沉積作用沉積作用 n轉(zhuǎn)化過程：轉(zhuǎn)化過程：生物降解生物降解 、光解作用、水解作用、氧化還、光解作用、水解作用、氧化還原原n生物積累過程：生物積累過程：生物濃縮生物濃縮 、生物放大、生物放大 19n有機(jī)物因轉(zhuǎn)化和揮發(fā)從水環(huán)境中消失速率（有機(jī)物因轉(zhuǎn)化和揮發(fā)從水環(huán)境中消失速率（RT）是各）是各消失速率（消失速率（Ri）的總和：）的總和：T()iiiRRcKETiTRcKK c式中：Ki-第i過程的速率常數(shù) Ei-對(duì)于第i過

13、程在動(dòng)力學(xué)上起重要作用的環(huán)境參數(shù)（如水體pH，光強(qiáng)，細(xì)菌總數(shù)等） c-化合物的濃度。 如果環(huán)境中有機(jī)物濃度很低，不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，那么環(huán)境參數(shù)在一定環(huán)境地區(qū)和時(shí)間內(nèi)保持不變，這樣 Ki(Ei) 就可以用準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)來表示，則：TvmbPhK= K() K () K () K ()iK其中： 揮發(fā)生物降解光降解水解12ln2TtK1. 有機(jī)物的消失速率20c ()SPWKc顆粒物（水）TSPWcc ccTiTRcKK c1TTTPPK cRK c12ln2(1)PPTtc KK2. 吸著作用的影響吸著作用的影響 除了轉(zhuǎn)化和揮發(fā)會(huì)使有機(jī)物消失外，在顆粒物上的吸著也能降低有機(jī)物在水中的濃度。3-1763-110這一關(guān)系說明，吸著的凈效應(yīng)是降