教案--第5章 水质预测模型

1、第第5章章 地表水环境预测与影响评价地表水环境预测与影响评价l水质预测模型水质预测模型河流水质模型河流水质模型河口水质模型河口水质模型湖库水质模型湖库水质模型水污染负荷预测水污染负荷预测l地表水影响评价地表水影响评价第第1节节 预测条件的确定预测条件的确定 l预测时段预测时段 地表水环境预测应考虑水体自净能力不同的各个时段（水地表水环境预测应考虑水体自净能力不同的各个时段（水期）。通常将其划分为自净能力最小、一般、最大三个阶期）。通常将其划分为自净能力最小、一般、最大三个阶段（如：枯水期、平水期、丰水期）。段（如：枯水期、平水期、丰水期）。一、二级评价，应分别预测水体自净能力最小和一般两个一、

2、二级评价，应分别预测水体自净能力最小和一般两个时段的环境影响。冰封期较长的水域，当其水体功能为生时段的环境影响。冰封期较长的水域，当其水体功能为生活饮用水、食品工业用水水源或渔业用水时，还应预测冰活饮用水、食品工业用水水源或渔业用水时，还应预测冰封期的环境影响。封期的环境影响。三级评价或二级评价时间较短时，可以只预测自净能力最三级评价或二级评价时间较短时，可以只预测自净能力最小时段的环境影响。小时段的环境影响。第第1节节 预测条件的确定预测条件的确定 l预测水质参数的筛选预测水质参数的筛选对河流，可按下式将水质参数排序后从中选取预测对河流，可按下式将水质参数排序后从中选取预测水质因子。水质因子

3、。ISE=CpQp(Cs-Ch)QhISE-水质参数的排序指标水质参数的排序指标Cp-建设项目水污染物的排放浓度，建设项目水污染物的排放浓度，mg/LCs-水污染物的评价标准限值，水污染物的评价标准限值，mg/LCh-评价河段污染物的浓度，评价河段污染物的浓度，mg/LQp-建设项目的废水排放量，建设项目的废水排放量，m3/sQh-评价河段的流量，评价河段的流量，m3/sISE值是负值或越大，说明拟建项目排污对该项水质参数值是负值或越大，说明拟建项目排污对该项水质参数的污染影响越大。的污染影响越大。第第1节节 预测条件的确定预测条件的确定 l预测范围和预测点位的确定预测范围和预测点位的确定预测

4、范围与地表水环境现状调查的范围相同或略预测范围与地表水环境现状调查的范围相同或略小（特殊情况也可略大）。预测点的数量和位置小（特殊情况也可略大）。预测点的数量和位置应根据受纳水体和建设项目的特点、评价等级以应根据受纳水体和建设项目的特点、评价等级以及当地的环保要求确定。及当地的环保要求确定。预测点的确定预测点的确定 已确定的敏感点；已确定的敏感点； 环境现状监测点；环境现状监测点； 水文条件和水质突变处的上、下游；水文条件和水质突变处的上、下游； 水源地，重要水工建筑物及水文站附近；水源地，重要水工建筑物及水文站附近； 在河流混合过程段选择几个代表性段面；在河流混合过程段选择几个代表性段面；

5、排污口下游可能超标的点位附近。排污口下游可能超标的点位附近。矩形平直河流、矩形弯曲河流、非矩形河流矩形平直河流、矩形弯曲河流、非矩形河流具体简化方法如下：具体简化方法如下：河流断面宽深比河流断面宽深比20时，可视为矩形河流；时，可视为矩形河流；大中河流断面上水深变化很大且评价等级较高（如一级评大中河流断面上水深变化很大且评价等级较高（如一级评价）时，可以视为非矩形河流并应调查其流场？，其他情况价）时，可以视为非矩形河流并应调查其流场？，其他情况均可简化为矩形河流；均可简化为矩形河流；大中河流中，预测河段弯曲较大（如其最大弯曲系数大中河流中，预测河段弯曲较大（如其最大弯曲系数1.3）时，可视为弯

6、曲河流，否则可以简化为平直河流；时，可视为弯曲河流，否则可以简化为平直河流；小河可以简化为矩形平直河流；小河可以简化为矩形平直河流；河流水文特征或水质有急剧变化的河段，可在急剧变化之河流水文特征或水质有急剧变化的河段，可在急剧变化之处分段，各段分别进行简化。处分段，各段分别进行简化。河流简化河流简化对于江心洲等按以下原则进行简化对于江心洲等按以下原则进行简化评价等级为评价等级为3级时，江心洲、浅滩等均可按无江心级时，江心洲、浅滩等均可按无江心洲、浅滩情况对待；洲、浅滩情况对待；评价等级为评价等级为2级时，江心洲位于充分混合段，可以级时，江心洲位于充分混合段，可以按无江心洲对待；按无江心洲对待；

7、评价等级为评价等级为1级且江心洲较大时，可分段进行简化，级且江心洲较大时，可分段进行简化，江心洲较小时可不考虑，江心洲位于混合过程段，江心洲较小时可不考虑，江心洲位于混合过程段，可分段进行简化。可分段进行简化。人工控制河流根据水流情况可以视其为水库，也可人工控制河流根据水流情况可以视其为水库，也可以视其为河流，分段进行简化。以视其为河流，分段进行简化。河流简化河流简化河流感潮段河流感潮段受潮汐作用影响较明显的河段。可以将落潮时最大受潮汐作用影响较明显的河段。可以将落潮时最大断面平均流速与涨潮时最小断面平均流速之差等于断面平均流速与涨潮时最小断面平均流速之差等于0.05m/s0.05m/s的断面

8、作为其与河流的界线的断面作为其与河流的界线河口的简化河口的简化河口河口河流交汇处河流交汇处河流感潮河段河流感潮河段河口外滨海段河口外滨海段湖、库汇合处湖、库汇合处简化方法：简化方法：除个别要求很高（如一级评价）的情况外，河流感潮段一除个别要求很高（如一级评价）的情况外，河流感潮段一般可按潮周平均、高潮平均和低潮平均三种情况，简化为稳般可按潮周平均、高潮平均和低潮平均三种情况，简化为稳态进行预测；态进行预测；河流汇合部分可以分为支流、汇合前主流、汇合后主流三河流汇合部分可以分为支流、汇合前主流、汇合后主流三段分别进行环境影响预测。小河汇入大河时，把小河看成点段分别进行环境影响预测。小河汇入大河时

9、，把小河看成点源；源；河流与湖泊、水库的汇合部分可以按照河流与湖泊、水库河流与湖泊、水库的汇合部分可以按照河流与湖泊、水库两部分分别预测其环境影响；两部分分别预测其环境影响；河口断面沿程变化较大时，可以分段进行环境影响预测；河口断面沿程变化较大时，可以分段进行环境影响预测；河口外滨海段可视为海湾。河口外滨海段可视为海湾。河口的简化河口的简化简化方法简化方法评价等级为评价等级为1级时，中湖（库）可以按大湖（库）对待，停级时，中湖（库）可以按大湖（库）对待，停留时间较短时也可以按小湖（库）对待；留时间较短时也可以按小湖（库）对待；评价等级为评价等级为3级时，中湖（库）可以按小湖（库）对待，停级时，

10、中湖（库）可以按小湖（库）对待，停留时间很长时也可按大湖（库）对待；留时间很长时也可按大湖（库）对待；评价等级为评价等级为2级时，如何简化视具体情况而定；级时，如何简化视具体情况而定；水深水深10m且分层期较长（如大于且分层期较长（如大于30天）的湖泊、水库可天）的湖泊、水库可视为分层湖（库）；视为分层湖（库）；湖、库的简化湖、库的简化简化为简化为大湖（库）、小湖（库）、分层湖（库）大湖（库）、小湖（库）、分层湖（库）串联型湖泊可以分为若干区，各区分别按上述情况简化；串联型湖泊可以分为若干区，各区分别按上述情况简化；不存在大面积回流区和死水区且流速较快，水力停留时间不存在大面积回流区和死水区且

11、流速较快，水力停留时间较短的狭长湖泊可简化为河流。其岸边形状和水文特征值变较短的狭长湖泊可简化为河流。其岸边形状和水文特征值变化较大时还可以进一步分段；化较大时还可以进一步分段；不规则形状的湖泊、水库可根据流场的分布情况和几何形不规则形状的湖泊、水库可根据流场的分布情况和几何形状分区；状分区；自顶端入口附近排入废水的狭长湖泊或循环利用湖水的小自顶端入口附近排入废水的狭长湖泊或循环利用湖水的小湖，可以分别按各自的特点考虑。湖，可以分别按各自的特点考虑。湖、库的简化湖、库的简化污染源包括污染源包括排放方式排放方式和和排放规律排放规律的简化的简化污染源简化污染源简化排放方式排放方式点源点源面源面源排

12、放规律排放规律连续恒定排放连续恒定排放非连续恒定排放非连续恒定排放在预测中，通常可以把排放规律简化为连续恒定排放。在预测中，通常可以把排放规律简化为连续恒定排放。对于点源排放位置的处理，有如下情况：对于点源排放位置的处理，有如下情况：排入河流的两排放口的间距较小时，可以简化为一个排放口，排入河流的两排放口的间距较小时，可以简化为一个排放口，其位置假设在两排放口之间，其排放量为两者之和；其位置假设在两排放口之间，其排放量为两者之和；排入小湖（库）的所有排放口可以简化为一个排放口，其排排入小湖（库）的所有排放口可以简化为一个排放口，其排放量为所有排放量之和；放量为所有排放量之和；排入大湖（库）的两

13、排放口的间距较小时，可以简化为一个排入大湖（库）的两排放口的间距较小时，可以简化为一个排放口，其位置假设在两排放口之间，其排放量为两者之和；排放口，其位置假设在两排放口之间，其排放量为两者之和；无组织排放可以简化为面源，从多个间距很近的排放口分别无组织排放可以简化为面源，从多个间距很近的排放口分别排放污水时，可以简化为面源。排放污水时，可以简化为面源。污染源简化污染源简化预测方法与水质数学模型预测方法与水质数学模型预测方法预测方法数学模式法：数学模式法：给出定量的预测结果。一般情况此方法较给出定量的预测结果。一般情况此方法较简单，应首先考虑。简单，应首先考虑。物理模型法：物理模型法：此方法能反

14、映比较复杂的水环境特点，且此方法能反映比较复杂的水环境特点，且定量化程度较高，再现性好。但需要有相应的试验条件和定量化程度较高，再现性好。但需要有相应的试验条件和较多的基础数据，且制作模型要耗费大量的人力、物力和较多的基础数据，且制作模型要耗费大量的人力、物力和时间。时间。类比分析法：类比分析法：此种预测方法属于定性或半定量性质。此种预测方法属于定性或半定量性质。专业判断法：专业判断法：定性地反映建设项目的环境影响。定性地反映建设项目的环境影响。水环境影响预测模型水环境影响预测模型 水质模型的分类水质模型的分类 按时间特性分类按时间特性分类 动态模型动态模型 静态模型静态模型 按水域类型分：按

15、水域类型分：河流水质模型河流水质模型 河口水质模型河口水质模型(受潮汐影响受潮汐影响) 湖泊水质模型湖泊水质模型 水库水质模型水库水质模型 海湾水质模型海湾水质模型 按描述水质组分的多少分类：按描述水质组分的多少分类： 单一组分模型单一组分模型 多组分水质模型多组分水质模型 按水质组分分类分：按水质组分分类分： 耗氧有机物模型耗氧有机物模型(BODDO模型模型) 单一组分的水质模型单一组分的水质模型 难降解有机物水质模型难降解有机物水质模型 重金属迁移转化水质模型重金属迁移转化水质模型按水力学和排放条件分：按水力学和排放条件分：稳态模型稳态模型 非稳态模型非稳态模型按水质模型的空间维数分类：按

16、水质模型的空间维数分类： 零维模型零维模型 一维模型一维模型 二维模型二维模型 三维模型三维模型第第2 2节节 河流水质模型河流水质模型河流完全混合模型、一维稳态模型、河流完全混合模型、一维稳态模型、S-P模型（适用模型（适用于于河流的充分混合段河流的充分混合段）托马斯模型（适用于托马斯模型（适用于沉降作用明显沉降作用明显的河流的河流充分混合充分混合段）段）二维稳态混合模式和二维稳态衰减模式（适用于二维稳态混合模式和二维稳态衰减模式（适用于平平直河流的混合过程段直河流的混合过程段）二维稳态累积流量模式和二维稳态衰减累积流量模二维稳态累积流量模式和二维稳态衰减累积流量模式（适用于式（适用于弯曲河

17、流的混合过程段弯曲河流的混合过程段）均匀混合段均匀混合段混合段混合段背景段背景段污水注入点污水注入点完全混合点完全混合点L混合段总长度混合段总长度均匀混合段均匀混合段背景段背景段污水注入点污水注入点瞬间完全混合瞬间完全混合既是污水注入点，也是完全混合点既是污水注入点，也是完全混合点混合段混合段背景段背景段污水注入点污水注入点没有完全混合点没有完全混合点L混合段总长度混合段总长度1. *河流混合过程段长度河流混合过程段长度预测范围内河段分预测范围内河段分充分混合段充分混合段、混合过程段混合过程段和和排污口上游河段排污口上游河段。充分混合段充分混合段：污染物浓度在断面上均匀分布的河段。当断面上任：

18、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，可以时，可以认为达到均匀分布。认为达到均匀分布。混合过程段混合过程段：指排放口下游达到充分混合以前的河段。：指排放口下游达到充分混合以前的河段。河流混合过程段长度可由下式计算（理论公式）：河流混合过程段长度可由下式计算（理论公式）：河中心排放河中心排放 x=0.1uxB2/Ey岸边排放岸边排放 x=0.4uxB2/Ey u xx方向流速，方向流速，m/s； B 河流宽度，河流宽度，m； Ey横向扩散系数，横向扩散系数，m2/s。 常用河流水质数学模型与适用条

19、件常用河流水质数学模型与适用条件 河流混合过程段长度河流混合过程段长度12(0.40.6 )(0.0580.0065 )()Ba BuxHB gHI*河流混合过程段长度可由下式估算（经验公式）：河流混合过程段长度可由下式估算（经验公式）：式中，式中，B河流宽度，河流宽度，m； a排放口距岸边的距离，排放口距岸边的距离，m； u河流断面的平均流速，河流断面的平均流速，m/s； H平均水深，平均水深，m； g重力加速度，重力加速度，9.8m/s2； I河流坡度，河流坡度，。常用河流水质数学模型与适用条件常用河流水质数学模型与适用条件例题例题1： 一河段的一河段的K 断面处有一岸边污水排放口稳定地向

20、河流排放断面处有一岸边污水排放口稳定地向河流排放污水，其河水特征为：污水，其河水特征为：B=50.0m， H 均均=1.2m，u=0.1m/s，I=9，试计算混合过程污染带长度。，试计算混合过程污染带长度。 解解: 混合过程段长度：混合过程段长度： 12(0.40.6 )(0.0580.0065 )()(0.4 50.00.6 0) 50.0 0.1(0.058 1.20.0065 50.0) 9.8 1.2 9Ba BuxHB gHI 779.0m所以混合过程段长度为所以混合过程段长度为779.0m。稳态条件下基本模型的解析解稳态条件下基本模型的解析解l什么是稳态？什么是稳态？ 1、河流河床

21、截面积、流速、流量不随时间变化、河流河床截面积、流速、流量不随时间变化 2、污染物的输入量、弥散系数不随时间变化、污染物的输入量、弥散系数不随时间变化 3、河流无支流和其他排污口废水进入、河流无支流和其他排污口废水进入 河流的充分混合模型河流的充分混合模型hhPPEPC QC QCQQ式中：式中：Q Qh h河水流量，河水流量， m m3 3/s/s； C Ch h河水背景断的污染物浓度，河水背景断的污染物浓度， mg/Lmg/L； C CP P废水中污染物的浓度，废水中污染物的浓度， mg/Lmg/L； Q QP P废水的流量，废水的流量， m m3 3/s/s； C C完全混合的水质浓度，

22、完全混合的水质浓度， mg/Lmg/L。完全混合模型适用条件完全混合模型适用条件l稳态：河流为恒定流（流量、流速不随时间变化）稳态：河流为恒定流（流量、流速不随时间变化）l废水连续稳定排放废水连续稳定排放l下游某点废水和河水在整个断面上达到了均匀混合下游某点废水和河水在整个断面上达到了均匀混合l持久性的污染物持久性的污染物l该河流无支流和其他排污口进入该河流无支流和其他排污口进入 例题：完全混合模型例题：完全混合模型l计划在河边建一座工厂，该厂将以计划在河边建一座工厂，该厂将以2.83m3/s2.83m3/s的流量的流量排放废水，废水中总溶解固体（总可滤残渣和总不排放废水，废水中总溶解固体（总

23、可滤残渣和总不可滤残渣）浓度为可滤残渣）浓度为1300mg/L1300mg/L，该河流平均流速为，该河流平均流速为0.457m/0.457m/，平均河宽为，平均河宽为13.72m13.72m，平均水深为，平均水深为0.61m0.61m，总溶解固体浓度为总溶解固体浓度为310mg/L310mg/L，如果该工厂的废水排，如果该工厂的废水排入河中能与河水迅速混合，入河中能与河水迅速混合，那么总溶解固体的浓度那么总溶解固体的浓度是否超标（设标准为是否超标（设标准为500mg/L500mg/L）？）？答案：731mg/L，超标0.46倍零维模型稳态解零维模型稳态解QkVQCC/0稳态条件下的河流的零维模

24、型稳态条件下的河流的零维模型0011()8 6 4 0 0CCCxktku式中：式中：C流出河段的污染物浓度，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，完全混合模型计算出的浓度值， mg/L; x河段长度，河段长度，m。 k-污染物的衰减速率常数污染物的衰减速率常数 1/d； u河水的流速，河水的流速，m/s; t两个断面之间的流动时间。两个断面之间的流动时间。例题：河流的零维模型例题：河流的零维模型l有一条比较浅而窄的河流，有一段长有一条比较浅而窄的河流，有一段长1km1km的河段，的河段，稳定排放含酚废水稳定排放含酚废水1.0m1.0m3 3/s;/s;含酚浓度为

25、含酚浓度为200mg/L200mg/L，上游河水流量为上游河水流量为9m9m3 3/s/s，河水含酚浓度为，河水含酚浓度为0 0，河流，河流的平均流速为的平均流速为40km/d40km/d，酚的衰减速率常数，酚的衰减速率常数k k2 2 1/d1/d，求河段出口处的河水含酚浓度为多少？，求河段出口处的河水含酚浓度为多少？答案：21 mg/L一维模型适用条件一维模型适用条件 l河流充分混合段（河流横断面上达到完全混合）；河流充分混合段（河流横断面上达到完全混合）；l非持久性污染物（溶解态污染物）；非持久性污染物（溶解态污染物）；l河流为恒定流；河流为恒定流；l废水连续稳定排放。废水连续稳定排放。

26、 l适用于适用于符合一维动力学降解规律符合一维动力学降解规律的一般污染物，如氰、酚、有机毒的一般污染物，如氰、酚、有机毒物、重金属、物、重金属、BODBOD、CODCOD等单项指标的污染物。等单项指标的污染物。河流一维模型河流一维模型l当污染物在河流横向上达到完全混合后，分析污当污染物在河流横向上达到完全混合后，分析污染物在纵向即水流方向输移、转化的变化情况时用染物在纵向即水流方向输移、转化的变化情况时用一维模型一维模型一维稳态模型的解一维稳态模型的解：二阶线性偏微分方程二阶线性偏微分方程022kCxCuxCDxx02kuDxxxxBeAeC21X0X0一维模型稳态解一维模型稳态解对于不受潮汐

27、影响的内陆河，扩散、离散相对于移流作对于不受潮汐影响的内陆河，扩散、离散相对于移流作用很小，即用很小，即Dx近似为近似为0，所以，排污对于上游（，所以，排污对于上游（x0）的浓度变化没有影响，引起排污口下游河流污染物浓度的浓度变化没有影响，引起排污口下游河流污染物浓度的变化为：的变化为：uxkCxC10exp)(一维模型稳态解一维模型稳态解河流的一维模型河流的一维模型 考虑弥散的一维稳态模型考虑弥散的一维稳态模型l式中：式中：C C下游某一点的污染物浓度，下游某一点的污染物浓度， mg/L mg/L ； C C0 0完全混合断面的污染物浓度，完全混合断面的污染物浓度， mg/Lmg/L； u

28、u河水的流速，河水的流速，m/sm/s； D Dx x方向上的扩散系数，方向上的扩散系数， m m2 2/s /s ； k k1 1污染物降解的速率常数（污染物降解的速率常数（1/d1/d）；）； x x下游某一点到排放点的距离，下游某一点到排放点的距离，m m。0exp(1) 2uCCm xD124186400k Dmu河流的一维模型河流的一维模型 忽略弥散的一维稳态模型忽略弥散的一维稳态模型l式中：式中： C C下游某一点的污染物浓度，下游某一点的污染物浓度，mg/Lmg/L； C C0 0完全混合断面的污染物浓度完全混合断面的污染物浓度，mg/L mg/L ； u u河水的流速，河水的流

29、速，m/sm/s； k k1 1污染物降解的速率常数（污染物降解的速率常数（1/d1/d）；）； x x下游某一点到排放点的距离下游某一点到排放点的距离，m m。01exp()86400 xCCku例题：河流的一维模型例题：河流的一维模型l一个改扩工程拟向河流排放废水，废水量为一个改扩工程拟向河流排放废水，废水量为0.15 m0.15 m3 3/s/s，苯酚浓度为，苯酚浓度为30mg/L,30mg/L,河流流量为河流流量为5.5 5.5 m m3 3/s/s，流速为，流速为0.3 m/s0.3 m/s，苯酚背景浓度为，苯酚背景浓度为0.5mg/L0.5mg/L，苯酚的降解系数，苯酚的降解系数k

30、 k0.2/d0.2/d，纵向弥，纵向弥散系数散系数D D为为10 m10 m2 2/s/s。求排放点下游。求排放点下游10km10km处的苯处的苯酚浓度。酚浓度。答案：考虑弥散作用，答案：考虑弥散作用，1.19mg/L; 忽略弥散作用，忽略弥散作用，1.19mg/L。 可以看出，在稳态条件下，忽略弥散系数与考可以看出，在稳态条件下，忽略弥散系数与考虑弥散系数的差异很小，常可以忽略。虑弥散系数的差异很小，常可以忽略。河流一维河流一维BOD-DO模型模型l反应耗氧有机物和水中溶解氧状况反应耗氧有机物和水中溶解氧状况l预测某一时刻水中剩余预测某一时刻水中剩余BOD浓度和氧亏值。浓度和氧亏值。水体的

31、耗氧与复氧过程水体的耗氧与复氧过程l耗氧过程：耗氧过程：BOD耗氧耗氧 （CBOD、NBOD耗氧）耗氧）底泥耗氧（沉积底泥耗氧、底泥再悬浮耗氧）底泥耗氧（沉积底泥耗氧、底泥再悬浮耗氧）水生植物呼吸耗氧水生植物呼吸耗氧l复氧过程：复氧过程：大气复氧大气复氧藻类光合作用复氧藻类光合作用复氧临界氧亏临界氧亏最大氧亏最大氧亏污水排入污水排入河流河流DO浓度浓度氧垂曲线氧垂曲线距离或时间距离或时间饱和饱和DO浓度浓度BOD曲线曲线水质最差点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亏氧量为饱和溶解氧浓度与实际溶解氧浓度之差Streeter Phelps (S-P)模式模式建立建立S-P模式的基

32、本假设：模式的基本假设：（1）河流中的）河流中的BOD衰减和溶解氧的复氧都是一级反应；衰减和溶解氧的复氧都是一级反应；（2）反应速度是定常的；）反应速度是定常的；（3）河流中的耗氧是由）河流中的耗氧是由BOD衰减衰减引起的，而河流中的溶解引起的，而河流中的溶解氧来源则是氧来源则是大气复氧大气复氧。 S-P模式的适用条件：（模式的适用条件：（1）河流充分混合段河流充分混合段； （2）污染物为耗氧有机污染物污染物为耗氧有机污染物； （3）需要预测河流溶解氧状态；）需要预测河流溶解氧状态； （4）河流为恒定流动；）河流为恒定流动； （5）污染物连续稳定排放。）污染物连续稳定排放。l基本形式基本形式D

33、kLkdtdDLkdtdL211Streeter Phelps (S-P)模式模式Streeter Phelps (S-P)模式模式D亏氧量，即饱和溶解氧浓度与溶解氧浓度的差值，亏氧量，即饱和溶解氧浓度与溶解氧浓度的差值，mg/L；cBODBOD的浓度，的浓度，mg/L；K1耗氧系数，耗氧系数，1/d；K2大气复氧系数，大气复氧系数，1/d；x从计算初始点到下游计算断面的距离，从计算初始点到下游计算断面的距离，m0011 exp()exp()86400BODBODBODxccK tcKu01120221exp()exp()exp()864008640086400BODK cxxxDKKDKKK

34、uuu氧垂公式氧垂公式Streeter Phelps (S-P)模式模式0pphhBODphc Qc QcQQ0pphhphD QD QDQQCBOD0计算初始断面的计算初始断面的BOD浓度，浓度，mg/L;D0计算初始断面亏氧量，即断面计算初始断面亏氧量，即断面DO浓度与浓度与DOf之差，之差，mg/L；Dh上游来水中溶解氧的氧亏值，上游来水中溶解氧的氧亏值，mg/L；Dp污水中溶解氧的氧亏值，污水中溶解氧的氧亏值，mg/L；00221211186400ln(1)cBODDKKKuxKKKcK0022121111ln(1)cBODDKKKtKKKcKStreeter Phelps (S-P)

35、模式模式计算最大氧亏点临界点计算最大氧亏点临界点tc由起始点到达临界点的流行时间由起始点到达临界点的流行时间。xc临界点到计算初始点的距离，临界点到计算初始点的距离，m。Streeter Phelps (S-P)模式模式 S-P模式在水质影响预测中应用最广，也可用于计算河模式在水质影响预测中应用最广，也可用于计算河段的最大容许排污量。段的最大容许排污量。 在在S-P模式基础上，结合河流自净过程中的不同影响因素，模式基础上，结合河流自净过程中的不同影响因素，人们提出了一些修正型。例如人们提出了一些修正型。例如托马斯托马斯引入悬浮物沉降作用对引入悬浮物沉降作用对BOD衰减的影响；衰减的影响；多宾斯

36、坎普多宾斯坎普提出了考虑底泥耗氧和光合提出了考虑底泥耗氧和光合作用复氧的模型；作用复氧的模型；奥康纳奥康纳进一步考虑含氮污染物的影响；进一步考虑含氮污染物的影响；1989年美国年美国EPA推出了推出了QUAL2E，这是一维水质模型，全，这是一维水质模型，全面考虑河流自净的机理，可以模拟面考虑河流自净的机理，可以模拟15种以上不同的水质参数种以上不同的水质参数的变化，如水温、有机磷、有机氮、肠杆菌等。的变化，如水温、有机磷、有机氮、肠杆菌等。托马斯托马斯(Thomas)BOD-DO模型模型l在在S-P模型的基础上增加沉淀、絮凝、冲刷和再悬浮过模型的基础上增加沉淀、絮凝、冲刷和再悬浮过程对程对BO

37、D去除的影响，引入了去除的影响，引入了BOD沉浮系数沉浮系数k3，BOD变化速度为变化速度为k3L。l托马斯采用以下的基本方程组：托马斯采用以下的基本方程组：l沉浮系数沉浮系数k3 对于冲刷、再悬浮过程，对于冲刷、再悬浮过程，k3 0。DkLkdxdDuLkkdxdLu2131)(托马斯托马斯(Thomas)BOD-DO模型模型uxkkCCBODBOD)(exp310)exp()(exp)exp()(2312311200uxkuxkkkkkCkuxkooooBODssl对一维静态河流，在托马斯模型的基础上，多宾斯对一维静态河流，在托马斯模型的基础上，多宾斯-坎普提出坎普提出了两条新的假设：了两

38、条新的假设：l考虑地面径流和底泥释放考虑地面径流和底泥释放BOD所引起的所引起的BOD变化速率，该速率变化速率，该速率以以 R表示。表示。l考虑藻类光合作用和呼吸作用以及地面径流所引起的溶解氧变考虑藻类光合作用和呼吸作用以及地面径流所引起的溶解氧变化速率，该速率以化速率，该速率以 P表示。表示。l多宾斯多宾斯坎普采用以下基本方程组：坎普采用以下基本方程组：P PD Dk kL Lk kdxdxdDdDu uR R)L)Lk k(k(kdxdxdLdLu u2 21 13 31 1多宾斯多宾斯坎普坎普(DobbInsCamp)BOD-DO模型模型l对一维静态河流，在托马斯模型的基础上对一维静态河

39、流，在托马斯模型的基础上, 奥康纳提奥康纳提假设条件为，总假设条件为，总BOD是碳化和硝化是碳化和硝化BOD两部分之和，两部分之和，即即L=Lc+Ln，则托马斯修正式可改写为：，则托马斯修正式可改写为： kn 硝化硝化BOD衰减速度常数，衰减速度常数， 1/d ； kn 硝化硝化BOD衰减速度常数，衰减速度常数，1/d ； Lc0, 河流河流x=0 处，含碳有机物处，含碳有机物BOD浓度，浓度，mg/L。 Ln0, 河流河流x=0 处，含氮有机物处，含氮有机物BOD浓度，浓度，mg/L。DkLkLkdxdDuLkdxdLuLkkdxdLunncnnncc2131)(模型模型该模型的解析解为：该

40、模型的解析解为：uxkuxkuxknnnuxkuxkksuxknnuxkkcceDeekkLkeekkkLkDeLLeLLnsns/0/20/1201/0/022211模型模型河流二维水质模型河流二维水质模型l当考虑污染物在河宽方向上的变化情况时，需要当考虑污染物在河宽方向上的变化情况时，需要利用河流二维水质模型。利用河流二维水质模型。l 模型类别模型类别二维稳态混合模式二维稳态混合模式二维稳态衰减模式二维稳态衰减模式平直、断面形状规则河段平直、断面形状规则河段弯曲、断面形状不规则河段弯曲、断面形状不规则河段二维稳态混合累积流量模式二维稳态混合累积流量模式二维稳态衰减累积流量模式二维稳态衰减累

41、积流量模式河流二维稳态混合模式河流二维稳态混合模式 适用条件：适用条件： （1）平直、断面形状规则平直、断面形状规则河段河段混合过程段混合过程段； （2）持久性污染物持久性污染物； （3）河流为恒定流动；）河流为恒定流动； （4）连续稳定排放；）连续稳定排放； 河流二维稳态混合模式河流二维稳态混合模式 c (x ,y)(x, y)点污染源垂直平均浓度，点污染源垂直平均浓度，mg/L； H平均水深，平均水深，m； B河流宽度，河流宽度，m； a排放口与岸边的距离，排放口与岸边的距离，m； My横向混合系数，横向混合系数，m2/s； x, y笛卡儿坐标系的坐标，笛卡儿坐标系的坐标，m； x -预测

42、点离排预测点离排 放点的纵向距离，放点的纵向距离，m ；y -预测点离排放口的横向距离，预测点离排放口的横向距离，m；岸边排放：岸边排放：xMyBuxMuyxuMHQccyxcyyyPPh422exp)42exp(),(河流二维稳态混合模式河流二维稳态混合模式 c (x ,y)(x, y)点污染源垂直平均浓度，点污染源垂直平均浓度，mg/L； H平均水深，平均水深，m； B河流宽度，河流宽度，m； a排放口与岸边的距离，排放口与岸边的距离，m； My横向混合系数，横向混合系数，m2/s； x, y笛卡儿坐标系的坐标，笛卡儿坐标系的坐标，m；非岸边排放：非岸边排放：xMyaBuxMyauxMuy

43、xuMHQccyxcyyyyPPh4222exp422exp)42exp(2),(河流二维稳态衰减模式河流二维稳态衰减模式 适用条件：适用条件： （1）平直、断面形状规则平直、断面形状规则河段河段混合过程段混合过程段； （2）非非持久性污染物持久性污染物； （3）河流为恒定流动；）河流为恒定流动； （4）连续稳定排放；）连续稳定排放； （5）对于非持久性污染物，需采用相应的衰减模式。）对于非持久性污染物，需采用相应的衰减模式。河流二维稳态衰减模式河流二维稳态衰减模式岸边排放岸边排放xMyBuxMuyxuMHQccuxKyxcyyypph4)2(exp4exp86400exp),(221非岸边排

44、放非岸边排放x-预测点离排放点的距离，预测点离排放点的距离，m； y-预测点离排放口的横向距离，预测点离排放口的横向距离，m；C-预测点预测点(x，y)处污染物的浓度，处污染物的浓度，mg/L；cp-污水中污染物的浓度污水中污染物的浓度mg/LQp-污水流量，污水流量，m3/s；ch-河流上游污染物的浓度河流上游污染物的浓度(本底浓度本底浓度)，mg/L；H-河流平均水深，河流平均水深，m； My-河流横向混合河流横向混合(弥散弥散)系数，系数，m2/s；u-河流流速，河流流速，m/s；B-河流平均宽度，河流平均宽度，m；-圆周率。圆周率。 本式要求河流在截面上近似矩形。本式要求河流在截面上近

45、似矩形。河流二维稳态混合累积流量模式河流二维稳态混合累积流量模式适用条件适用条件：（1）弯曲河流、断面形状不规则河段弯曲河流、断面形状不规则河段混合过程段混合过程段； （2）持久性污染物持久性污染物； （3）河流为恒定流动；）河流为恒定流动； （4）连续稳定排放连续稳定排放； （5）对于非持久性污染物，需采用相应的衰减模式。）对于非持久性污染物，需采用相应的衰减模式。岸边排放：岸边排放：c（x, q）（x,q）处污染物垂向平均浓度，）处污染物垂向平均浓度，mg/L；Mq累积流量坐标系下的横向混合系数；累积流量坐标系下的横向混合系数；x,q累积流量坐标系的坐标；累积流量坐标系的坐标；总总 结结

46、在利用数学模式预测河流水质时，充分混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均水质；混合过程段需采用二维模式进行预测。练练 习习 1l一河段的一河段的K断面处有一岸边污水排放口稳定地断面处有一岸边污水排放口稳定地向河流排放污水，其污水特征为：向河流排放污水，其污水特征为：Qp=19440m3/d，BOD5（p）=81.4mg/L，河水河水Qh=6.0m3/s，BOD5（h）=6.16mg/L，B=50.0m，H均均=1.2m，u=0.1m/s，I=9，K1=0.3 1/d，试计算

47、混合过程污染带长度。如，试计算混合过程污染带长度。如果果忽略污染物质在该段内的降解忽略污染物质在该段内的降解和沿程河流和沿程河流水量的变化，在距完全混合断面水量的变化，在距完全混合断面10km的下游的下游某段处，河流中某段处，河流中BOD5浓度是多少？浓度是多少？ 练练 习习 2l一家食品加工厂产生废水一家食品加工厂产生废水4800m3/d,废水中主要含废水中主要含BOD5。处理后，。处理后，BOD5的排放浓度为的排放浓度为30mg/L。该股。该股废水用管道引到一条较为平直的小河排放。排入小河废水用管道引到一条较为平直的小河排放。排入小河后，该股废水中的后，该股废水中的BOD5的耗氧率为的耗氧

48、率为0.48 1/d。排污。排污口设在距离小河左岸口设在距离小河左岸10m处。小河的平均宽度为处。小河的平均宽度为60m，平均水深平均水深4.79m,断面平均流速断面平均流速0.1m/s,平均水面坡降平均水面坡降为为2.7。试预测该股废水对小河排污口下游。试预测该股废水对小河排污口下游3000m处水质的影响程度。处水质的影响程度。 河口水质模型河口水质模型 河口是指入海河流受到潮汐作用的一段水体，它河口是指入海河流受到潮汐作用的一段水体，它表现出明显的时变特征。表现出明显的时变特征。l一维稳态模型一维稳态模型l该模型在河口断面面积定常，淡水流量稳定的情该模型在河口断面面积定常，淡水流量稳定的情

49、况下，可以得到解析解：况下，可以得到解析解：0kCCudxddxdCdxdDxxl排放口上游（排放口上游（ x0 ）：）：204112expxxxxukDDxuCC204112expxxxxukDDxuCC河口水质模型河口水质模型 C0 是在是在 x=0 处（排放口）的污染物浓度，可以用下处（排放口）的污染物浓度，可以用下式计算：式计算： 上式中的上式中的 W 为单位时间内排放的污染物总量；为单位时间内排放的污染物总量； Q 为为淡水的平均流量；淡水的平均流量； Dx 是纵向弥撒系数。是纵向弥撒系数。QWukDQWCxx2041河口水质模型河口水质模型水质模型参数的确定方法水质模型参数的确定方

50、法水质模型参数确定的方法类别：水质模型参数确定的方法类别：实验室测定法实验室测定法公式计算法（包括经验公式、模型求解等）公式计算法（包括经验公式、模型求解等）现状实测法现状实测法示踪剂法示踪剂法（1）实验室测定法）实验室测定法 K1=K1 +(0.11+54 I )u/H式中：式中：K1耗氧系数，耗氧系数，1/d； K1试验室测定的耗氧系数，试验室测定的耗氧系数，1/d； I河流底坡或地面坡度，河流底坡或地面坡度，； u河水流速，河水流速，m/s； H平均水深，平均水深，m。 在实际应用中，在实际应用中， K1 仍然写作仍然写作 K1耗氧系数耗氧系数K1单独估值方法单独估值方法1186400l

51、nlnAABBccuKtcxc（2）两点法）两点法(现场实测法现场实测法)式中：式中：c A、c B为为A、B断面上污染物的平均浓度，断面上污染物的平均浓度， x为为A、B断面间的距离。断面间的距离。耗氧系数耗氧系数K1单独估值方法单独估值方法复氧系数复氧系数K2的单独估值方法的单独估值方法经验公式法经验公式法（1）奥康纳多宾斯，简称奥多公式：）奥康纳多宾斯，简称奥多公式：1/61zcHn1/22(20)3/2()294mD uKHcz170.50.252(20)1.25824mDIKHcz17cz谢才系数谢才系数I河流坡度河流坡度n河床糙率河床糙率H平均水深，平均水深，m。Dm分子扩散系数分

52、子扩散系数00.671.852(20)5.34CuKH0.1H0.6m u 1.5m/s0.6962(20)1.6735.03CuKH0.6H8m0.6u1.8m/s（2）欧文斯等人经验式）欧文斯等人经验式 （3）丘吉尔经验式）丘吉尔经验式 复氧系数复氧系数K2的单独估值方法的单独估值方法经验公式法经验公式法K1 、K2的温度校正的温度校正K1或或2（T）K1或或2（20）（T-20）温度常数温度常数的取值范围的取值范围对于对于K1， 1.021.06，一般取，一般取1.047对于对于K2， 1.0151.047，一般取，一般取1.024(1)泰勒法求泰勒法求Ey(适用于河流适用于河流)Ey=

53、(0.058H+0.0065B)(gHI)1/2 B/H100式中：式中：B河流宽度；河流宽度； g重力加速度；重力加速度；(2)爱尔德法求爱尔德法求Ex(适用于河流适用于河流)Ex=5.93H(gHI)1/2混合（扩散）系数的经验公式混合（扩散）系数的经验公式混合（扩散）系数的示踪试验测定法混合（扩散）系数的示踪试验测定法示踪物质有：示踪物质有：p 无机盐类（无机盐类（ NaCl、LiCl）p 荧光染料（如工业碱性玫瑰红）荧光染料（如工业碱性玫瑰红）p 放射性同位素等。放射性同位素等。示踪物质应满足以下要求：示踪物质应满足以下要求： 具有在水体中不沉降、不降解、不产生化学反应具有在水体中不沉

54、降、不降解、不产生化学反应 测定简单准确，测定简单准确， 经济经济 对环境无害对环境无害 示踪物质的投放有瞬时投放、有限时段投放和连续恒定投放。示踪物质的投放有瞬时投放、有限时段投放和连续恒定投放。 向水体中投放示踪物质，追踪测定其浓度变化，据以计算向水体中投放示踪物质，追踪测定其浓度变化，据以计算所需要的各环境水力学参数的方法。所需要的各环境水力学参数的方法。第第3节节 湖泊与水库水质模型湖泊与水库水质模型v湖泊水库的水质特征湖泊水库的水质特征v营养源与营养负荷营养源与营养负荷v湖库水质模型湖库水质模型湖泊水库的水质特征湖泊水库的水质特征l流速小，与河流相比湖泊和水库中的水流处于相对静流速小

55、，与河流相比湖泊和水库中的水流处于相对静止状态；止状态；l停留时间长，湖泊与水库中的水流交换周期比较长，停留时间长，湖泊与水库中的水流交换周期比较长，属于静水环境；属于静水环境；l水生生态系统相对比较封闭；水生生态系统相对比较封闭；l主要水质问题是富营养化；主要水质问题是富营养化；l水质的分层分布。水质的分层分布。典型湖泊水温垂向分层示意图典型湖泊水温垂向分层示意图A A表层表层B B斜温层斜温层C C下层下层Z Z夏季夏季 冬季冬季T污染来源与途径污染来源与途径 l污染源污染类型污染类型 污染物来源污染物来源 外源污染物外源污染物点源点源工业废水工业废水 城镇生活污水城镇生活污水 固体废物处

56、置场固体废物处置场 面源面源矿区地表径流矿区地表径流 城镇地表径流城镇地表径流 农牧区地表径流农牧区地表径流 大气降尘大气降尘 大气降水大气降水水体投饵养殖水体投饵养殖 水面娱乐活动废弃物水面娱乐活动废弃物 水土流失及土壤侵蚀水土流失及土壤侵蚀 内源污染物内源污染物 底泥及沉积物底泥及沉积物l污染物入湖途径污染物入湖途径点源污染点源污染非点源污染非点源污染地下水地下水河渠河渠降尘降尘降水降水养殖投饵养殖投饵流域入地表面流域入地表面湖泊水库湖泊水库 利贝希最小值定律利贝希最小值定律 ( ( 最小量的最小量的 Liebig Liebig 法律法律 ) ) 植物生植物生长取决于外界提供给它的所需养料

57、中数量最少的一种。长取决于外界提供给它的所需养料中数量最少的一种。l主要营养源与营养负荷计算主要营养源与营养负荷计算l 地表径流的营养负荷地表径流的营养负荷式中：式中：Ijl第第 j 种营养物质的负荷，种营养物质的负荷， g/a； Ai 第第 i 种土地利用类型的面积，种土地利用类型的面积， m2 ； Eij 第第 i 种土地利用类型的单位面积上第种土地利用类型的单位面积上第 j 种污染物种污染物的流失量，的流失量， g/m2 ； m 土地利用类型的总数。土地利用类型的总数。miijijlEAI1营养源和营养负荷营养源和营养负荷l降水的营养负荷降水的营养负荷 式中，式中， Ijp 由降水输入的

58、第由降水输入的第 j 种污染物的负荷，种污染物的负荷， g/a；As 湖湖,库的水面面积，库的水面面积， m2 ； Cj 第第 j 种种营养物在降水中的含量；营养物在降水中的含量； P 年降水量，年降水量， m/a。l人为因素排放的营养负荷人为因素排放的营养负荷生活污水生活污水 式中，式中， IjsIjs 流入湖泊或水库的污水中含有的第流入湖泊或水库的污水中含有的第 j j 种营养物的负荷，种营养物的负荷， g/ag/a； S S 产生污水的人数，产生污水的人数，人；人； EjsEjs 每人每年产生的第每人每年产生的第 j j 种营养物的量，种营养物的量， g/g/人人.a.a。sjjpPAC

59、IjsjsSEIl工业污水工业污水Ijk 第第 k 种工业废水中第种工业废水中第 j 种营养物的负荷，种营养物的负荷， g/a； Qk 第第 k 种工业废水的排放量，种工业废水的排放量， m3/a； Ejk 第第 k 种种废水中第废水中第 j 种营养物的含量，种营养物的含量， g/m3 ； n 含第含第 j 种种营养物的污染源数。营养物的污染源数。l内部营养负荷内部营养负荷I ji 湖泊底泥释放的第湖泊底泥释放的第 j 种营养物的负荷，种营养物的负荷， g/；A 底泥底泥量，量，m3; Cjn 底泥第底泥第 j 种营养物的含量，种营养物的含量， g/m3 ； kj 底泥释放第底泥释放第 j 种

60、营养物质的速率常数。种营养物质的速率常数。nkjkkjkEQI1jnsjjnCAkIl湖泊、水库的总营养负荷：湖泊、水库的总营养负荷：l 式中，式中， Ij 湖泊湖泊,水库第水库第 j 种污染物的种污染物的总负荷。总负荷。jnjkjsjpjljIIIIII湖库环境预测模式湖库环境预测模式l完全混合箱式模型（零维）完全混合箱式模型（零维）l分层湖分层湖(库库)箱式模型（零维）箱式模型（零维）l湖泊水质扩散模型（一维或二维）湖泊水质扩散模型（一维或二维）湖库完全混合箱式模型湖库完全混合箱式模型 沃伦威德尔模型沃伦威德尔模型l概述创始创始：沃伦威德尔（：沃伦威德尔（R.A.Vollenweider）