環(huán)評(píng)愛好者論壇-水質(zhì)模型

水質(zhì)模型是一個(gè)用于描述物質(zhì)在水中混合、遷移等變化過程的數(shù)學(xué)方程，即描述水體中污染物與時(shí)間、空間的定量關(guān)系。水質(zhì)模型的分類：1、按水域類型：河流、河口、湖泊（水庫）以及地下水水質(zhì)模型2、按水質(zhì)組分：?jiǎn)我唤M分、耦合組分（BOD-DO模型）、多重組分（比較復(fù)雜，如綜合水生態(tài)模型）3、按水力學(xué)和排放條件：穩(wěn)態(tài)模型、非穩(wěn)態(tài)模型4、根據(jù)研究水質(zhì)維度：零維、一維、二維、三維水質(zhì)模型。

水質(zhì)模型分類2023/2/21

河流的混合稀釋模型在最早出現(xiàn)的水質(zhì)完全混合斷面，有：式中：Qh－河水流量，m3/s；Ch－河水背景斷的污染物濃度，mg/L；CP－廢水中污染物的濃度，mg/L；QP－廢水的流量，m3/s；C－完全混合的水質(zhì)濃度，mg/L。2023/2/22完全混合模型適用條件穩(wěn)態(tài)：河流；排污下游某點(diǎn)廢水和河水在整個(gè)斷面上達(dá)到了均勻混合持久性的污染物該河流無支流和其他排污口進(jìn)入

2023/2/23例題1：完全混合模型P1353計(jì)劃在河邊建一座工廠，該廠將以2.83m3/s的流量排放廢水，廢水中總?cè)芙夤腆w（總可濾殘?jiān)涂偛豢蔀V殘?jiān)舛葹?300mg/L，該河流平均流速為0.457m/，平均河寬為13.72m，平均水深為0.61m，總?cè)芙夤腆w濃度為310mg/L，如果該工廠的廢水排入河中能與河水迅速混合，那么總?cè)芙夤腆w的濃度是否超標(biāo)（設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為500mg/L）？答案：731mg/L，超標(biāo)0.46倍2023/2/24水質(zhì)模型維數(shù)的選擇零維：3個(gè)方向都不考慮一維：僅考慮縱向二維：考慮縱向、橫向三維：3個(gè)方向都考慮2023/2/25均勻混合段混合段背景段污水注入點(diǎn)完全混合點(diǎn)L混合段總長(zhǎng)度均勻混合段背景段污水注入點(diǎn)瞬間完全混合既是污水注入點(diǎn)，也是完全混合點(diǎn)混合段背景段污水注入點(diǎn)沒有完全混合點(diǎn)L混合段總長(zhǎng)度2023/2/26穩(wěn)態(tài)條件下基本模型的解析解什么是穩(wěn)態(tài)？

在環(huán)境介質(zhì)處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)和污染源連續(xù)穩(wěn)定排放的條件下，環(huán)境中的污染物分布狀況也是穩(wěn)定的。這時(shí)，污染物在某一空間位置的濃度不隨時(shí)間變化，這種不隨時(shí)間變化的狀態(tài)稱為穩(wěn)定。參看P119+1202023/2/271、零維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，立即完全均勻的分散到這個(gè)體系中，污染物的濃度不會(huì)隨時(shí)間的變化而變化。2023/2/28河流零維模型的應(yīng)用條件對(duì)于較淺、較窄的河流，如果不考慮污染物的降解項(xiàng)時(shí)，當(dāng)滿足符合下面兩個(gè)條件之一的環(huán)境問題可化為零維模型：（1）河水流量與污水流量之比大于20；（2）不需要考慮污水進(jìn)入水體的混合距離。一般用于持久性污染物2023/2/29穩(wěn)態(tài)條件下的河流的零維模型式中：C－流出河段的污染物濃度，mg/L;

C0-完全混合模型計(jì)算出的濃度值，mg/L;

x－河段長(zhǎng)度，m。k-污染物的衰減速率常數(shù)1/d；

u－河水的流速，m/s;

t－兩個(gè)斷面之間的流動(dòng)時(shí)間。2023/2/2102、一維模型

適用于符合一維動(dòng)力學(xué)降解規(guī)律的一般污染物，如氰、酚、有機(jī)毒物、重金屬、BOD、COD等單項(xiàng)指標(biāo)的污染物。2023/2/211一維模型適用條件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)為斷面中的污染物的濃度是均勻的?；蛘呤歉鶕?jù)水質(zhì)管理的精確度要求允許不考慮混合過程而假設(shè)在排污口斷面瞬時(shí)完成充分混合。2023/2/212一維模型適用的兩種條件均勻混合段混合段背景段污水注入點(diǎn)完全混合點(diǎn)L混合段總長(zhǎng)度均勻混合段背景段污水注入點(diǎn)適用1適用2瞬間完全混合既是污水注入點(diǎn)，也是完全混合點(diǎn)2023/2/213河流的一維模型式中：C－下游某一點(diǎn)的污染物濃度，mg/L；

C0－完全混合斷面的污染物濃度，mg/L；u－河水的流速，m/s；k－污染物降解的速率常數(shù)（1/d）；

x－下游某一點(diǎn)到排放點(diǎn)的距離，m。2023/2/214例題2：河流的一維模型

一個(gè)改擴(kuò)工程擬向河流排放廢水，廢水量為0.15m3/s，苯酚濃度為30mg/L,河流流量為5.5m3/s，流速為0.3m/s，苯酚背景濃度為0.5mg/L，苯酚的降解系數(shù)k＝0.2/d，縱向彌散系數(shù)D為10m2/s。求排放點(diǎn)下游10km處的苯酚濃度。答案：考慮彌散作用，1.19mg/L;忽略彌散作用，1.19mg/L。2023/2/215總結(jié)在利用數(shù)學(xué)模式預(yù)測(cè)河流水質(zhì)時(shí)，充分混合段可以采用一維模式或零維模式預(yù)測(cè)斷面平均水質(zhì)；混合過程段需采用二維模式進(jìn)行預(yù)測(cè)。2023/2/216BOD-DO耦合模型（S-P模型）描述河流水質(zhì)的第一個(gè)模型是由斯特里特(H.Streeter)和菲爾普斯(E.Phelps)在1925年提出的，簡(jiǎn)稱S-P模型。S-P模型迄今仍得到廣泛的應(yīng)用，它也是各種修正和復(fù)雜模型的先導(dǎo)和基礎(chǔ)。

S-P模型用于描述一維穩(wěn)態(tài)河流中的BOD－DO的變化規(guī)律。

2023/2/217臨界氧虧最大氧虧污水排入河流DO濃度氧垂曲線距離或時(shí)間飽和DO濃度BOD曲線水質(zhì)最差點(diǎn)虧氧量為飽和溶解氧濃度與實(shí)際溶解氧濃度之差當(dāng)BOD隨污水進(jìn)入河流后，由于耗氧微生物的生物氧化作用，其濃度逐漸降低，而水中的DO則被消耗，逐漸降低。與此同時(shí)，河流還存在著復(fù)氧作用，在氧消耗的同時(shí)，還不斷有氧氣進(jìn)入水體，如下圖所示：2023/2/218BOD-DO耦合模型（S-P模型）S-P模型的建立基于三項(xiàng)假設(shè)：（1）河流中的BOD衰減反應(yīng)和溶解氧的復(fù)氧都是一級(jí)反應(yīng)；（2）反應(yīng)速度是恒定的；（3）河流中的耗氧只是BOD衰減反應(yīng)引起的，而河流中的溶解氧來源則是大氣復(fù)氧。BOD的衰減反應(yīng)速率與河水中溶解氧(DO)的減少速率相同。2023/2/219S-P模型的適用條件5個(gè)條件a、河流充分混合段；b、污染物為耗氧性有機(jī)污染物；c、需要預(yù)測(cè)河流溶解氧狀態(tài)；d、河流為恒定流動(dòng)；e、污染物連續(xù)穩(wěn)定排放。2023/2/2202023/2/221S-P模型

S-P模型廣泛的應(yīng)用于河流水質(zhì)的模擬預(yù)測(cè)中，是預(yù)測(cè)河流中BOD和DO變化規(guī)律的較好模型。它也用于計(jì)算河流的最大允許排污量。2023/2/2223、二維模型描述水質(zhì)組分的遷移變化在兩個(gè)方向上是重要的，在另外的一個(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。2023/2/2234.2.2河流的混合稀釋模型均勻混合段混合段背景段河水流量QE(m3/s)，污染物濃度為CE(mg／L)污染物濃度為CP

(mg／L)廢水流量為QP(m3/s)污水注入點(diǎn)完全混合點(diǎn)L混合段總長(zhǎng)度最早出現(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2023/2/224二維模型污水進(jìn)入水體后，不能在短距離內(nèi)達(dá)到全斷面濃度混合均勻的河流均應(yīng)采用二維模型。實(shí)際應(yīng)用中，水面平均寬度超過200m的河流應(yīng)采用二維模型。2023/2/225二維穩(wěn)態(tài)混合模型岸邊排放x——預(yù)測(cè)點(diǎn)離排放點(diǎn)的距離，m；y——預(yù)測(cè)點(diǎn)離排放口的橫向距離，m；c——預(yù)測(cè)點(diǎn)(x，y)處污染物的濃度，mg/L；cp—污水中污染物的濃度，mg/L；Qp—污水流量，m3/s；ch—河流上游污染物的濃度(本底濃度)，mg/L；H——河流平均水深，m；My—河流橫向混合(彌散)系數(shù)，m2/s；u——河流流速，m/s；B——河流平均寬度，m；π——圓周率。本式要求河流在截面上近似矩形。2023/2/226二維穩(wěn)態(tài)衰減模型岸邊排放x——預(yù)測(cè)點(diǎn)離排放點(diǎn)的距離，m；y——預(yù)測(cè)點(diǎn)離排放口的橫向距離，m；c——預(yù)測(cè)點(diǎn)(x，y)處污染物的濃度，mg/L；cp—污水中污染物的濃度，mg/L；Qp—污水流量，m3/s；ch—河流上游污染物的濃度(本底濃度)，mg/L；H——河流平均水深，m；My—河流橫向混合(彌散)系數(shù)，m2/s；u——河流流速，m/s；B——河流平均寬度，m；π——圓周率。本式要求河流在截面上近似矩形。2023/2/227（1）河流的水環(huán)境容量計(jì)算①零維模型（水質(zhì)總體達(dá)標(biāo)）6.水環(huán)境容量的基本計(jì)算方法自凈容量稀釋容量W：污染物排放量；Q0：流入河流、湖庫流量；C0：上游來水的背景濃度值；K：水質(zhì)降解系數(shù)；V：水體容積；q：旁側(cè)支流流量；

Cs：目標(biāo)水質(zhì)濃度。2023/2/228幾個(gè)問題的討論（1）不均勻系數(shù)訂正總體達(dá)標(biāo)水環(huán)境容量方法計(jì)算出的結(jié)果值偏大，一般稱為偏不保守。故為了符合實(shí)際起見，引入不均勻系數(shù)的概念進(jìn)行訂正。訂正方法如下：

W訂正=αWα為不均勻系數(shù)，α為界于0和1之間的一個(gè)數(shù)。

6.水環(huán)境容量的基本計(jì)算方法2023/2/229對(duì)于大于1000寬的河流，不采用完全混合模型進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算，而是采用岸邊污染帶控制法進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算。對(duì)于小于1000寬的河流，進(jìn)行不均勻系數(shù)訂正，具體如下：河寬：500-1000米α=0.1-0.2200-500米α=0.2-0.5100-200米α=0.5-0.8

小于100米α=0.8-1.06.水環(huán)境容量的基本計(jì)算方法2023/2/2306.水環(huán)境容量的基本計(jì)算方法控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)水環(huán)境容量計(jì)算方法概念：為保證控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，上游各污染源的最大允許排污量?？刂茢嗝?排污口1排污口2排污口32023/2/231②一維穩(wěn)態(tài)模型：

6.水環(huán)境容量的基本計(jì)算方法③二維穩(wěn)態(tài)模型：

2023/2/2326.水環(huán)境容量的基本計(jì)算方法（2）湖庫水體納污能力計(jì)算①對(duì)于面積較小的湖庫（<50km2）利用完全混合公式進(jìn)行水環(huán)境容量的計(jì)算。在進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算時(shí)要進(jìn)行不均勻系數(shù)訂正