环评爱好者论坛_水质模型

水质模型是一个用于描述物质在水中混合、迁移等变化过程的数学方程，即描述水体中污染物与时间、空间的定量关系。水质模型的分类：1、按水域类型：河流、河口、湖泊（水库）以及地下水水质模型2、按水质组分：单一组分、耦合组分（BOD-DO模型）、多重组分（比较复杂，如综合水生态模型）3、按水力学和排放条件：稳态模型、非稳态模型4、根据研究水质维度：零维、一维、二维、三维水质模型。,水质模型分类,2020/5/26,2,河流的混合稀释模型,在最早出现的水质完全混合断面，有：,式中：Qh河水流量，m3/s；Ch河水背景断的污染物浓度，mg/L；CP废水中污染物的浓度，mg/L；QP废水的流量，m3/s；C完全混合的水质浓度，mg/L。,2020/5/26,3,完全混合模型适用条件,稳态：河流；排污下游某点废水和河水在整个断面上达到了均匀混合持久性的污染物该河流无支流和其他排污口进入,2020/5/26,4,例题1：完全混合模型P1353,计划在河边建一座工厂，该厂将以2.83m3/s的流量排放废水，废水中总溶解固体（总可滤残渣和总不可滤残渣）浓度为1300mg/L，该河流平均流速为0.457m/，平均河宽为13.72m，平均水深为0.61m，总溶解固体浓度为310mg/L，如果该工厂的废水排入河中能与河水迅速混合，那么总溶解固体的浓度是否超标（设标准为500mg/L）？,答案：731mg/L，超标0.46倍,2020/5/26,5,水质模型维数的选择,零维：3个方向都不考虑一维：仅考虑纵向二维：考虑纵向、横向三维：3个方向都考虑,2020/5/26,6,均匀混合段,背景段,污水注入点,瞬间完全混合,既是污水注入点，也是完全混合点,混合段,背景段,污水注入点,没有完全混合点,L,混合段总长度,2020/5/26,7,稳态条件下基本模型的解析解,什么是稳态？在环境介质处于稳定流动状态和污染源连续稳定排放的条件下，环境中的污染物分布状况也是稳定的。这时，污染物在某一空间位置的浓度不随时间变化，这种不随时间变化的状态称为稳定。参看P119+120,2020/5/26,8,1、零维模型,零维是一种理想状态，把所研究的水体如一条河或一个水库看成一个完整的体系，当污染物进入这个体系后，立即完全均匀的分散到这个体系中，污染物的浓度不会随时间的变化而变化。,2020/5/26,9,河流零维模型的应用条件,对于较浅、较窄的河流，如果不考虑污染物的降解项时，当满足符合下面两个条件之一的环境问题可化为零维模型：（1）河水流量与污水流量之比大于20；（2）不需要考虑污水进入水体的混合距离。,一般用于持久性污染物,2020/5/26,10,稳态条件下的河流的零维模型,式中：C流出河段的污染物浓度，mg/L;C0-完全混合模型计算出的浓度值，mg/L;x河段长度，m。k-污染物的衰减速率常数1/d；u河水的流速，m/s;t两个断面之间的流动时间。,2020/5/26,11,2、一维模型,适用于符合一维动力学降解规律的一般污染物，如氰、酚、有机毒物、重金属、BOD、COD等单项指标的污染物。,2020/5/26,12,一维模型适用条件,一维模型适用的假设条件是横向和垂直方向混合相当快，认为断面中的污染物的浓度是均匀的。或者是根据水质管理的精确度要求允许不考虑混合过程而假设在排污口断面瞬时完成充分混合。,2020/5/26,13,一维模型适用的两种条件,均匀混合段,背景段,污水注入点,适用1,适用2,瞬间完全混合,既是污水注入点，也是完全混合点,2020/5/26,14,河流的一维模型,式中：C下游某一点的污染物浓度，mg/L；C0完全混合断面的污染物浓度，mg/L；u河水的流速，m/s；k污染物降解的速率常数（1/d）；x下游某一点到排放点的距离，m。,2020/5/26,15,例题2：河流的一维模型,一个改扩工程拟向河流排放废水，废水量为0.15m3/s，苯酚浓度为30mg/L,河流流量为5.5m3/s，流速为0.3m/s，苯酚背景浓度为0.5mg/L，苯酚的降解系数k0.2/d，纵向弥散系数D为10m2/s。求排放点下游10km处的苯酚浓度。,答案：考虑弥散作用，1.19mg/L;忽略弥散作用，1.19mg/L。,2020/5/26,16,总结,在利用数学模式预测河流水质时，充分混合段可以采用一维模式或零维模式预测断面平均水质；混合过程段需采用二维模式进行预测。,2020/5/26,17,BOD-DO耦合模型（S-P模型）,描述河流水质的第一个模型是由斯特里特(H.Streeter)和菲尔普斯(E.Phelps)在1925年提出的，简称S-P模型。S-P模型迄今仍得到广泛的应用，它也是各种修正和复杂模型的先导和基础。S-P模型用于描述一维稳态河流中的BODDO的变化规律。,临界氧亏,最大氧亏,污水排入,河流DO浓度,氧垂曲线,距离或时间,饱和DO浓度,BOD曲线,水质最差点,亏氧量为饱和溶解氧浓度与实际溶解氧浓度之差,当BOD随污水进入河流后，由于耗氧微生物的生物氧化作用，其浓度逐渐降低，而水中的DO则被消耗，逐渐降低。与此同时，河流还存在着复氧作用，在氧消耗的同时，还不断有氧气进入水体，如下图所示：,2020/5/26,19,BOD-DO耦合模型（S-P模型）,S-P模型的建立基于三项假设：（1）河流中的BOD衰减反应和溶解氧的复氧都是一级反应；（2）反应速度是恒定的；（3）河流中的耗氧只是BOD衰减反应引起的，而河流中的溶解氧来源则是大气复氧。BOD的衰减反应速率与河水中溶解氧(DO)的减少速率相同。,2020/5/26,20,S-P模型的适用条件,5个条件a、河流充分混合段；b、污染物为耗氧性有机污染物；c、需要预测河流溶解氧状态；d、河流为恒定流动；e、污染物连续稳定排放。,2020/5/26,21,2020/5/26,22,S-P模型,S-P模型广泛的应用于河流水质的模拟预测中，是预测河流中BOD和DO变化规律的较好模型。它也用于计算河流的最大允许排污量。,2020/5/26,23,3、二维模型,描述水质组分的迁移变化在两个方向上是重要的，在另外的一个方向上是均匀分布的，这种水质模型称为二维水质模型。,2020/5/26,24,4.2.2河流的混合稀释模型,均匀混合段,混合段,背景段,河水流量QE(m3/s)，污染物浓度为CE(mgL),污染物浓度为CP(mgL)废水流量为QP(m3/s),污水注入点,完全混合点,L,混合段总长度,最早出现的水质完全混合断面,完全混合段是指污染物浓度在断面上均匀分布的河段，当断面上任意一点的浓度与断面平均浓度之差小于平均浓度的5时，可以认为达到均匀分布。,2020/5/26,25,二维模型,污水进入水体后，不能在短距离内达到全断面浓度混合均匀的河流均应采用二维模型。实际应用中，水面平均宽度超过200m的河流应采用二维模型。,2020/5/26,26,二维稳态混合模型,岸边排放,x预测点离排放点的距离，m；y预测点离排放口的横向距离，m；c预测点(x，y)处污染物的浓度，mg/L；cp污水中污染物的浓度，mg/L；Qp污水流量，m3/s；ch河流上游污染物的浓度(本底浓度)，mg/L；H河流平均水深，m；My河流横向混合(弥散)系数，m2/s；u河流流速，m/s；B河流平均宽度，m；圆周率。本式要求河流在截面上近似矩形。,2020/5/26,27,二维稳态衰减模型,岸边排放,x预测点离排放点的距离，m；y预测点离排放口的横向距离，m；c预测点(x，y)处污染物的浓度，mg/L；cp污水中污染物的浓度，mg/L；Qp污水流量，m3/s；ch河流上游污染物的浓度(本底浓度)，mg/L；H河流平均水深，m；My河流横向混合(弥散)系数，m2/s；u河流流速，m/s；B河流平均宽度，m；圆周率。本式要求河流在截面上近似矩形。,2020/5/26,28,（1）河流的水环境容量计算零维模型（水质总体达标）,6.水环境容量的基本计算方法,自净容量,稀释容量,W：污染物排放量；Q0：流入河流、湖库流量；C0：上游来水的背景浓度值；K：水质降解系数；V：水体容积；q：旁侧支流流量；Cs：目标水质浓度。,2020/5/26,29,几个问题的讨论（1）不均匀系数订正总体达标水环境容量方法计算出的结果值偏大，一般称为偏不保守。故为了符合实际起见，引入不均匀系数的概念进行订正。订正方法如下：W订正=W为不均匀系数，为界于0和1之间的一个数。,6.水环境容量的基本计算方法,2020/5/26,30,对于大于1000宽的河流，不采用完全混合模型进行水环境容量计算，而是采用岸边污染带控制法进行水环境容量计算。对于小于1000宽的河流，进行不均匀系数订正，具体如下：河宽：500-1000米=0.1-0.2200-500米=0.2-0.5100-200米=0.5-0.8小于100米=0.8-1.0,6.水环境容量的基本计算方法,2020/5/26,31,6.水环境容量的基本计算方法,控制断面水质达标水环境容量计算方法概念：为保证控制断面水质达标，上游各污染源的最大允许排污量。,2020/5/26,32,一维稳态模型：,6.水环境容量的基本计算方法,二维稳态模型：,2020/5/26,33,6.水环境容量的基本计算方法,（2）湖库水体纳污能力计算对于面积较小的湖库（50km2）利用