第三章 第四节_水质模型

1、1第四节第四节 水质模型水质模型第三章第三章 水环境化学水环境化学 (Water Environmental Chemistry)2 水质模型水质模型（water quality model） 根据物质守恒原根据物质守恒原理理用数学的语言和方法用数学的语言和方法描述参加描述参加水循环的水体中水质组分水循环的水体中水质组分所发生的所发生的物理、化学、生物化学和生态学物理、化学、生物化学和生态学诸方面的变化、诸方面的变化、内在规律和相互关系的内在规律和相互关系的数学模型数学模型。 水质模型（水质模型（water quality model） 描述环境污染物在水中的描述环境污染物在水中的运动和迁移转

2、化运动和迁移转化规律，为水规律，为水资源保护服务。它可用于实现水质模拟和评价，进行水质资源保护服务。它可用于实现水质模拟和评价，进行水质预报和预测，制订污染物排放标准和水质规划以及进行水预报和预测，制订污染物排放标准和水质规划以及进行水域的水质管理等，域的水质管理等，是实现水污染控制的有力工具是实现水污染控制的有力工具。 3水质模型的类型水质模型的类型1、从空间维数上分 零维、一维、二维和三维模型 2、是否含有时间变量（上游来水和排污随时间的变化情况） 可分为动态和稳态模型 3、从模型的数学特征 随机性、确定性模型和线性、非线性模型 4、从描述的水体、对象、现象、物质迁移和反应动力学性质可分为

3、 河流、湖泊、河口、海湾、地下水模型；溶解氧、温度、重金属、有毒有机物、放射性模型；对流、扩散模型以及迁移、反应、生态学模型等 。4水质模型的理论：水质模型的理论：质量平衡理论，灰色理论质量平衡理论，灰色理论 随机理论、模糊理论随机理论、模糊理论水质模型的应用：水质模型的应用：过程模拟、水环境质量评价、环境行为预测、水生过程模拟、水环境质量评价、环境行为预测、水生生物污染分析、水资源科学管理规划、水环境保护生物污染分析、水资源科学管理规划、水环境保护5水质模型的发展阶段水质模型的发展阶段n1925-1960，SP模型模型，BODDO耦合模型耦合模型 n （简单的氧平衡模型阶段）（简单的氧平衡模

4、型阶段）n19601965，新发展，新发展，引进空间变量引进空间变量，动力学系数动力学系数、温度温度 （形态模型阶段）（形态模型阶段）n19651970，光合作用、藻类的呼吸作用，沉降，悬，光合作用、藻类的呼吸作用，沉降，悬浮，浮，计算机的应用计算机的应用n1970 1975，线性化体系，生态水质模型，线性化体系，生态水质模型，有限元模有限元模型，有限差分技术型，有限差分技术 （多介质环境结合生态模型阶段）（多介质环境结合生态模型阶段）n最近最近30年，年，改善模型的可靠性和评价能力改善模型的可靠性和评价能力6一、S-P模型 SP模型的基本假设是：河流中的BOD的衰减和DO的复氧都是一级反应；

5、（复氧速度与氧亏成正比。） 反应速度是恒定的；河流中的耗氧是由BOD衰减引起的，而河流中的溶解氧来源则是大气复氧。 S - P模型只考虑了有机物降解和大气复氧对DO的影响，没有考虑有机物沉浮、底泥吸附等对DO的影响，因此其结果与实际有一定的差别。有很多学者对其进行了改进，主要有以3种模型：( 1 ) Thomas模型：对一维稳态河流，在S-P模型基础上增加了一项因悬浮物的沉淀与浮所引起的BOD速率变化。( 2 ) CampDobbins模型：在Thomas的基础，增加了底泥释放BOD和地表径流所引起的BOD变化速率和藻类光合作用和呼吸作用以及地表径流引起的溶解氧速率变化。( 3 ) Oconn

6、or模型：假定总的BOD是由含碳BOD(CBOI)和含氮BOD(NBOD)两项组成，模型不仅考虑了含碳化合物的耗氧，而且也考虑了含氮化合物的耗氧。S-P模式的适用条件：模式的适用条件：河流充分混合段； 污染物为耗氧性有机污染物；需要预测河流溶解氧状态； 河流恒定流动；连续稳定排放。7（1）零维水质模型（完全混合模型）零维水质模型（完全混合模型） 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，立即完全均匀地分散到这个体系中，污染物的浓度不会随时间的变化而变化。8废水排入河流后与河水迅速完全混合，则混合后的污染物浓度为废水排入河流后与河水迅速完全混

7、合，则混合后的污染物浓度为零维水质模型（河流完全混合模型）零维水质模型（河流完全混合模型）9河流充分混合段；持久性污染物；河流恒速流动；废水连续稳定排放。河流完全混合模式的适用条件河流完全混合模式的适用条件10（2）一维水质模型）一维水质模型 某一水团沿某一水团沿水流运动方向移动水流运动方向移动，同时存在于该水团中，同时存在于该水团中的污染物亦随之移动，在运动过程中，污染物由于降的污染物亦随之移动，在运动过程中，污染物由于降解或转化成其它形式而发生浓度变化，这一变化往往解或转化成其它形式而发生浓度变化，这一变化往往与河流状态有关如：与河流状态有关如：水温、溶解氧浓度水温、溶解氧浓度等等，一维模

8、等等，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浓度是均匀的。为断面中的污染物浓度是均匀的。)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；河流恒速流动；河流恒速流动；废水连续稳定排放废水连续稳定排放河流一维稳态模式的适用条件：河流一维稳态模式的适用条件：n该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。（3）二维水质模型）二维水质模型 河流的混合稀释二维模型均匀混合段混合段背景段 河水流量QE (

9、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最早出现的水质完全混合断面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。二维模型二维模型14 15二、水体富营养化预测模型二、水体富营养化预测模型(Prediction Model of Eutrophic Water Body) 水体的富营养化是由磷、氮的化合物过多排放引水体的富营养化是由磷、氮的化合物过多排放引起的污染

10、。主要表现为水体中藻类的大量繁殖，严重起的污染。主要表现为水体中藻类的大量繁殖，严重影响了水质。影响了水质。湖水营养化程度湖水营养化程度总磷总磷 是指正磷酸盐、聚合磷酸盐、可水解磷酸盐以是指正磷酸盐、聚合磷酸盐、可水解磷酸盐以 及有机磷的总浓度。及有机磷的总浓度。总氮总氮 是指水体中氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮和有机氮是指水体中氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮和有机氮 的总浓度。的总浓度。叶绿素含量叶绿素含量 是指水体中绿色物质的含量。是指水体中绿色物质的含量。16富营养化预测模型富营养化预测模型cVqcIdtdcVPP)(cPVIdtdcPWP)(式中：c 湖水平均总磷浓度 mg/L, IP 输入湖泊磷的浓

11、度 g/d PW 水力冲刷系数 PW = q / V，d-1 q 出湖河道流量 m3/d, V 湖泊容积 m3 P 磷的沉降速率常数 d-1 t 河水入湖时间 d三、有毒有机物的归趋模型三、有毒有机物的归趋模型 对于一种有机物，仅仅看它的毒性是不够的，还必须考察它进入环境分解为无害物的速度快慢如何。因此研究水环境中各种有机毒物的预测模型十分重要。 这种模型主要研究化合物的各种迁移转化过程的机理，并且特别着重动力学的研究。如图所示，可以把图中这些迁移转化过程归纳为如下几个过程：18 化合物迁移转化过程：化合物迁移转化过程：n负载过程负载过程（输入过程）（输入过程）：人为排放，大气沉降，陆地：人为

12、排放，大气沉降，陆地径流径流n形态过程形态过程 ：酸碱平衡、吸着作用酸碱平衡、吸着作用n迁移过程：迁移过程：沉淀沉淀-溶解作用、对流作用溶解作用、对流作用 、挥发作用、挥发作用 、 沉积作用沉积作用 n转化过程：转化过程：生物降解生物降解 、光解作用、水解作用、氧化还、光解作用、水解作用、氧化还原原n生物积累过程：生物积累过程：生物浓缩生物浓缩 、生物放大、生物放大 19n有机物因转化和挥发从水环境中消失速率（有机物因转化和挥发从水环境中消失速率（RT）是各）是各消失速率（消失速率（Ri）的总和：）的总和：T()iiiRRcKETiTRcKK c式中：Ki-第i过程的速率常数 Ei-对于第i过

13、程在动力学上起重要作用的环境参数（如水体pH，光强，细菌总数等） c-化合物的浓度。 如果环境中有机物浓度很低，不对环境产生影响，那么环境参数在一定环境地区和时间内保持不变，这样 Ki(Ei) 就可以用准一级反应速率常数来表示，则：TvmbPhK= K() K () K () K ()iK其中： 挥发生物降解光降解水解12ln2TtK1. 有机物的消失速率20c ()SPWKc颗粒物（水）TSPWcc ccTiTRcKK c1TTTPPK cRK c12ln2(1)PPTtc KK2. 吸着作用的影响吸着作用的影响 除了转化和挥发会使有机物消失外，在颗粒物上的吸着也能降低有机物在水中的浓度。3-1763-110这一关系说明，吸着的净效应是降