水质模型与水环境容量(精)

1、水质模型与水环境容量课程辅导第四章水质模型与水环境容量1、污染物质在水中有哪些运动形式?污染物质在水中运动的形式，可以分为两大类：一类是随流输移运动， 一类是扩散运动。在随流输移运动中，污染物服从水体的总体流动特征，产生 从一处到另一处的大范围运动（包括主流方向以及垂直主流方向）。而扩散运动则是使污染物质在水体中得到分散和混和的物理机制，按物理机制的不同，扩 散运动包括分子扩散、紊动扩散和剪切流离散。此外，在工程实际当中遇到的 水体大都是具有固体边界的（大面积水体中的局部污染问题除外），而污染物在边界附近，将产生所谓边界反射问题，而且这种反射作用往往对污染物的分布 产生重要影响，不可忽略。2、

2、分子扩散运动的费克定律有哪些主要内容？（1）费克（fick ）第一定律费克（fick ）第一定律提出单位时间内，通过单位面积的溶解物质与溶 质浓度在该面积法线方向的梯度成比例，扩散强度与污染物自身特性有关。Qx Dm：Xx1式中：Qx为在x方向单位时间通过单位面积的扩散物质的质量简称通量；C为扩散物质的浓度（单位体积流体中的扩散物质的质量）；三为扩散物质在exX方向的浓度梯度；Dm为分子扩散系数，与扩散物的种类和流体温度有关， 具有L2/T的量纲。式中的负号表示扩散物质的扩散方向为从高浓度向低浓 度，与浓度梯度相反。（2）费克（fick ）第二定律上式即为各向同性情况下的三维分子扩散方程， 是

3、费克第二定律的特殊形 式。3、移流扩散可分为哪些阶段？ 从运动阶段上考察，移流扩散大致分为三个阶段：第一阶段为初始稀释阶 段。该阶段主要发生在污染源附近区域， 其运动主要为沿水深的垂向浓度逐渐均 匀化。 第二阶段为污染扩展阶段。 该阶段中， 污染物在过水断面上， 由于存在浓 度梯度，污染由垂向均匀化向过水断面均匀化发展。第三阶段为纵向离散阶段。 该阶段中， 由于沿水流方向的浓度梯度作用， 以及断面上流速分布， 出现了沿纵 向的移流扩散， 该扩散又反过来影响了断面的浓度分布， 从而与第二阶段的运动 相互作用。4、如何求解水质模型？水质模型主要有如下求解方法：（1）理论解析解 将问题简化后，方程变

4、为低维、低阶、线性的形式，可以用数理方程 中的标准方法进行求解，包括量纲分析方法、变量替换法、镜像法等。（2）数值解法（数值模拟方法）差分法、有限元方法、有限体积法等。数值模拟方法有许多优点，例 如：可解决高阶非线性问题，不受场地和比尺限制，可在短时间内测试各种 可能方案等。而且由于当前计算机技术的高度发展，数值模拟方法有着更加 广阔的前景和应用范围。（3）物理模型 这是传统的解决流体力学问题的方法，同样适用于水环境问题的解决。在实物模型中，可以直接观测流动和扩散现象，测量所关心的污染物浓度分 布。物理模型方法比较直观，而且对于一些未能建立数学方程的复杂问题， 只要抓住支配扩散的主要因素，即可

5、得到较为符合实际的结果。该方法的不 足之处在于对概化的灵敏度较高， 而且由于物理模型往往需要大量试验材料， 因此可能花费较多的经费。（4）原型观测、类比分析 在天然流场中，对实际的污染物形成的浓度场进行观测。由于该方法较 之前面几种方法缺乏预测性， 因此， 一般用来确定解析方法或者数值模拟方法 中需要的扩散系数等参数， 或用于验证物理模型和数学模型的可靠性及类似水 环境问题的类比分析。5、如何理解 镜像法 ？镜像法， 就是将边界当成虚拟的镜面， 在边界的另一侧放置一个虚拟的污 染源，其强度和与边界的距离与实际污染源完全相同，此时，边界就可以去 掉，这样，我们就把解决边界反射问题转化为两个污染源

6、的叠加问题。要使用镜像法解决边界问题， 需要满足边界处污染物 “净通量为零” 的条 件，而虚拟污染源的放置正好满足这个基本条件。6、试述水质模型的定义、研究目的及分类？ 水质模型是一个用于描述污染物质在水环境中的混合、 迁移过程的数学 方程或方程组。求解方法很多，对于简单可解情况，可以求出其解析解；对 于复杂情况，则可能采取数值解法。因此水质模型解的精度及可靠性不会超 过其方程本身。进行水质模型研究的主要目的， 在现阶段主要是用于点源排放的纳污问 题。随着社会的发展和水处理技术的进步，点源污染的影响相对变得越来越 小，而非点源污染，例如农业和城市污染变得越来越重要，水质模型也向预 测非点源污染

7、问题发展。根据具体用途和性质，水质模型的分类标准如下： （1）以管理和规划为目的，水质模型可分为四类，即河流水质模型、 河口水质模型 （加入了潮汐作用） 、湖泊 （水库）水质模型以及地下水水质模 型。其中河流水质模型研究比较成熟，有较多成果，且能更加真实的反映实 际水质行为，因此应用比较普遍。（2）根据水质组分，水质模型可以分为单一组分、耦合的和多重组分 的三类。其中 BOD DO 耦合模型能够较成功地描述受有机污染地水质变化 情况。多组分水质模型比较复杂，它考虑地水质因素更多，例如水生生态模 型等。（3）根据水体的水力学和排放条件是否随时间变化，可以把水质模型 分为稳态模型的和非稳态的模型。

8、对于这两类模型，其研究的主要任务是模 型的边界条件，即在何种条件下水质能够尽可能处于较好状态。稳态水质模 型可以用于模拟水质的物理、化学和水力学过程；而非稳态模型则用于计算 径流、暴雨过程中水质的瞬时变化。（4）根据研究水质维度，可把水质模型分为零维、一维、二维、三维水 质模型。其中零维水质模型较为粗略，仅为对于流量的加权平均，因此常常 用作其他维度模型的初始值和估算值，而三维水质模型虽然能够精确反映水 质变化，但是受到紊流理论研究的局限，还在继续理论研究当中。一维和二 维模型则可根据研究区域的情况适当选择， 并可以满足一般应用要求的精度。7、试述水质模型建模的一般步骤？（1）模型概化 针对所

9、研究污染的性质选择关心的变量，明确这些变量的变化趋势以 及变量的相互作用，在保证能够反映实际状况的同时，力求所建模型尽可能 简单。（2）模型性质研究 对模型的稳定性、平衡性以及灵敏性进行研究。其中稳定性是指模型 是否能够收敛，而灵敏性是指当模型中参数变化时，其结果产生的差别是否 在允许范围之内。（ 3）参数估计 对于模型中的一些需要通过实验或者实测数据进行确定的参数，要考虑这些实测资料能否全面、正确反映参数值，以及这些实测数据是否齐全， 是否容易得到，对于无法通过实测数据反算的参数，需要重新设立参数，或 者寻找其间接依赖关系。参数估计是水质模型中重要的一环。（4）模型验证 若只用一套数据确定模

10、型，则该模型不能具有预测功能，因此，需要 用另一套或者几套实测数据来验证所建模型。如果检验结果具有良好的一致 性，则该模型具有预测功能，否则需要重新返回到第三步，调整参数。（ 5）模型应用 如果所建模型后来被实际数据证明是正确的，则说明水质模型的方法 是正确的，可以更高的概率用于污染预测。反之，需要修改模型，以便解决 问题。8、试述水质预测的方法？预测水质变化的方法，一般有三种：根据经验进行的专家判断法； 从已兴建的类似工程进行类比法；模拟方法。在初评中多使用前两种方法， 其结果都是定性结论， 最好也是半定量的。 但这种定性分析方法在很多方面可以满足影响评价的要求，也可给出影响大 小的等级。另

11、外水环境中包括各方面的问题，有些问题不是都能通过定量指 标来描述的，或尚没有满意的定量预测方法，所以也只能给出定性结论。因 此在水质预测中对定性分析法应给预足够重视，片面追求定量结果有时是不 必要或不可能的。前两种方法将在环境影响评价中预以评述。水质的定量预测目前多采用水质模拟 （数学模拟或物理模拟 ） ，最常用的 是采用数学模拟即水质数学模型进行预测，在进行预测时一定要注意水文特 征值和污染源的变化发展情况。9、试述水环境容量的定义、影响因素、分类及作用。一定的环境在人类生存和生态系统不致受害的情况下，对污染物的容纳 也有一定的限度。这个限度便称之为环境容量或环境负荷量。水环境容量则 是特指

12、在满足水环境质量标准的要求下，水体容纳污染物的最大负荷量，因 此又称做水体负荷量或纳污能力。水环境容量是建立在水质目标和水体稀释自净规律的基础上，因此 它与水环境的空间特性， 运动特性、功能， 本底值， 自净能力及污染物特性、 排放数量及排放方式等多种因素有关。从水体稀释、 自净的物理实质看， 水环境容量由两部分组成， 即差值容 量和同化容量。前者出于水体的稀释作用，而后者是各种自净作用的综合去 污容量。 从控制污染的角度看， 水环境容量可从两方面反映： 一是绝对容量， 即某一水体所能容纳某污染物的最大负荷量， 它不受时间的限制； 一是年 （ 日） 容量，即在水体中污染物累积浓度不超过环境标准

13、规定的最大容许值的前提 下，每年（ 日） 水体所能容纳某污染物的最大负荷量。 年（日）容量受时间限制， 并且和水体的本底值、水质标准及净化能力有关。实用上则根据具体情况， 采用其中较适宜的一种。河流、湖泊、水库是最常见的三种贮水体，通常也 主要研究推求这三者的水环境容量。水环境容量的主要作用是： 对排污进行控制， 利用水体自净能力进行环 境规划。10、试述水环境容量的 m 值计算法。m 值计算法既是浓度控制法的改进 （ 直接推求允许排放浓度 ），也是总量 控制法的简化。它适用于确定受毒性较小的污染物和其他有机污杂物影响的 水环境容量，即确定这些污染物的排放标准。此方法从河段水环境质量标准出发，

14、根据河段水量与混合物的质量守恒原理，推求河段内各排污口允许排放浓度，同时也规定出排污流量。如，大河流量为Q, 侧岸边某排污口排污流量为q，排污浓度为 Cd,排污口附近上下两断面的污染物浓度分别为Co和Cn,如果忽略污染物的衰减作用，只考虑稀释，则应有：Cn Q q AC°Q Cdq那么：Cd =1 qCN Q q C°Q |-Cn - CN _C° Q =Cn 1 Q -Q Co qq qCN若取Cn为符合环境要求的水质标准 （浓度），并令Q/q = y , Co/Cn= 3 ,符合水环境要求的允许排放浓度即为：Cd =CN 1再令m= 1+丫 - 丫 3 标准稀

15、释系数，则：Cd二mCN上式只适用于3 w 1的情况，表面看这似乎只是对排放浓度的控制，而 实质上对污水排放流量的控制已隐含在确定m值过程中，即由清污水流量比丫来控制q Ji-1对河段中有多个排污口相距又不太远时，可把它们合并为一个排污口考虑。总污水控制流量就是各排污口控制流量之和，即q= q1+q2+qn；而各排污口排放浓度控制都用相同的Cd逬m值计算法没有直接考虑衰减作用，但从Cd =CN CN -C° Q/q中可以看出：此式右端第二项反映了由流量比Q/q控制的稀释作用，即允许Cd超过C n的值是通过控制排污流量q农实卫鬥o当q= Q Cd= 2CN-C°当qQ时，Cd

16、= Cn,即排污标准必须达到水质控制标准：Vp=Cd q t=86.4 Cd - q，式中：Cd mg/l , q m/s , W kg/d。11、试述水环境容量的安全容积法。研究表明：湖、库水环境容量主要与其蓄水量（容水体积）有关。因此防止水体污染就必须保证有一定的安全库容。这样才能使湖、库水体发挥其净 化功能，使水体中污染物控制在安全水平以下。通常把这种安全库容，即实 际入湖、库负荷量等于该水体最大容许负荷量时的湖、库蓄水量，称之为防 止污染的临界库容。湖、库水体的环境容量也可按能维持某种水环境质量标 准的污染物排放总量进行计算。取枯水期湖泊容积等于安全容积，则其计算 公式为:1JW Cn -Co VKCnV CNqLt式中：W湖泊水体环境容量（g/d）； t枯水期时间（d），它取决于湖水位年内变化情况。若水位年内 变幅较大， t取6090天；若湖水位常年稳定， t取90150天。 Cn 某污染物的水环境质量标准浓度（mg/l）;G湖中该污染物的起始浓度（mg/l）;V湖泊的安全容积（m3）;q在安全容积期间，从湖泊排出的流量（m3/d）;K湖泊污染物质自然衰减系数（1/