排水工程下册(第1篇)word版

1、 第二节水体自净的基本规律一、水体的自净作用污染物在进入天然水体后，通过物理、化学和生物因素的共同作用，使污染物的总量减少或浓度降低，曾受污染的天然水体部分地或完全地恢复原状。这种现象称为水体净化或水体自净。如果排入水体的污染物超过水体的净化能力，就会导致水体的污染。水体自净过程非常复杂，按机理可分为3类：（1）物理净化：污染物通过稀释、扩散、混合、沉淀和挥发等作用，使浓度降低；（2）化学净化：通过水体的氧化还原、酸碱反应、分解化合、吸附与凝聚（属物理化学作用）等作用，使污染物质的存在形态发生变化和浓度降低；（3）生物净化：通过水体中的水生生物、微生物的生命活动，使污染物质的存在状态发生变化，

2、污染总量和浓度降低，最主要的是微生物对有机污染物的氧化分解作用，以及对有毒污染物的转化。图2-2水体的物理净化作用过程图（一）物理净化作用物理净化只能降低污染物在水中的浓度，而不能减少污染物的总量。物理净化作用过程见图2-2所示。1稀释与扩散（1）污染物进入天然水体后，被水体水混合，使浓度降低称为稀释。如图2-2所示，污染物进入水体后，在水流动的过程中，逐渐被河水稀释，然后在下游某个断面处，与河水完全混合。在该断面处，污染物浓度分布均匀且远低于排污口处的浓度。大江、大河因宽度大，可能不易出现完全混合断面，而在排污口一侧下游形成稳定的污染带。影响稀释的两种运动形式：（1）污染物质顺水流方向仗方向

3、）运动，称为，平流”或“对流”，即沿纵向X,横向y和深度方向z运动的统称。水体内任意单位面积上的移流率O1可用下式推求：O=U(x,t)C(x,t)或O=U(x,y,z,t)C(x,y,z,t)(2-1)i式中】污染物质的“平流”或“对流”率，mg/（m2s）；U、C分别为水体断面平均流速与污染物平均浓度，m/s，mg/L。（2）污染物进入水体后，在水体中产生浓度梯度场，污染物由高浓度区向低浓度区迁移，这种运动称为“扩散”。扩散包括分子扩散与紊动扩散。湖泊、水库等静水体，在没有风生流、异重流（由浓度差、温度差引起）、行船等产生的紊动作用影响时，扩散的主要方式是分子扩散。而流动水体的扩散方式主要

4、是紊动扩散。分子扩散能力远小于紊动扩散，故分子扩散常忽略不计。扩散作用符合虎克定律，可用下式推求污染物质顺流向x的扩散通量值O2：2-2)O=-D竺2xdx式中O2顺流向x的扩散通量值，mg/（m2s）；DxxdCdx为顺流向X的紊动扩散系数，m2/s；为顺流向x的浓度梯度，mg/m4；表示沿污染浓度减少方向扩散。如果研究的是三维方向的扩散通量则可写成：O2=-(DdC+DdC+D竺)xdxydyzdz2-3)D，D，DxyzdCdCdCdx，dy，dz式中O；顺流向x的扩散通量值，mg/（m2s）；为x，y，z向的紊动扩散系数，m2/s为顺流向x的浓度梯度，mg/m4；表示沿污染浓度减少方向

5、扩散。因此，对流和扩散是同时存在、相互影响的运动形式。2.混合Q指污水与水体水的混合状况。对于河流，决定于混合系数a=混，Q为与污水相混Q混总合的河流流量，Q为河流的总流量。河流形状、污水排放形式(包括排污口特征、排放方式，总排污流量等)。计算断面的混合系数的最简便公式为：2-4)a=计算Cl5005:125:1456825:1125:110121520125:1600:125303550600:1506070100注：当污水在河心进行集中排污时，表列距离可缩短至2/3；当进行分散式排放时表列距离可缩短至1/3。完全混合断面污染物平均浓度为：2-5)式中Cw原污水中某污染物的浓度,mg/L；q

6、污水流量，m3/s；河水中该污染物的浓度，mg/L；Q河水流量，m3/s。若原污水中没有该污染物，且河水流量远大于污水流量时,上式可简化为：Cqwn2-6)式中naQ河水与污水的稀释比n=-q3.沉淀沉淀使水体中的浓度降低，但增加了水体底泥的浓度，如果长期沉淀积累，一旦受到暴雨冲刷，可造成对河水的二次污染，故需慎重对待沉淀作用。沉淀作用的大小可用下式表达：2-7)式中C水中可沉淀污染物浓度，mg/L；k3沉降速率常数（沉淀系数），如果k3取负值，表示已沉降物质再被冲起，d-i。二）化学净化作用1氧化还原作用：这是水体自净的主要化学作用。水体中的溶解氧可与污染物发生激烈的氧化反应。使水中某些重金

7、属离子被氧化成难溶物而沉淀（如铁、锰等被氧化成氢氧化铁、氢氧化锰而沉淀），有些被氧化成各种酸根而随水迁移（如硫离子被氧化成硫酸根离子等）还原反应也对水体起着净化作用，但多数情况下是由微生物作用进行的。2酸碱反应天然水体由于含有多种物质，故不呈中性，PH值在68之间。当含酸或含碱污水排入后，PH发生变化，造成对污染物的净化作用，如在碱性的条件下，已沉淀于底泥的三价铬可氧化成六价铬（如K2CrO4）。又如硫化砷（AsS,As2S3）在酸性或中性的天然水中是难溶性物质，沉淀到底泥中，在碱性天然水中能够生成硫代亚砷酸盐（AsS+3）成为溶解性物质。3吸附与凝聚属于物理化学作用，产生这种净化作用的原因在

8、于天然水中存在着大量具有很大表面能并带电荷的胶体微粒。胶体微粒有使能量变为最小及同性相斥、异性相吸的物理现象，它们将吸附和凝聚水体中各种阴、阳离子，然后扩散或沉降，达到净化的目的。在天然水体中，净化的主要作用是物理作用与化学作用，生物化学作用较少（三）生物化学净化作用物理净化作用与化学净化作用，只能使污染物的存在场所与存在形态发生变化，使水体中的存在浓度降低，但不减少污染物的总量。而生物化学净化可使污染物的总量降低，使水体得到真正的净化，如图2-3所示。在块世祭卄卜绘反氓甫柞滞耳丄*NhjrCH图2-3天然水体中含氮有机物生物化学净化示意图经一系列生物化学作用后，最终使有机污染物无机化，由有害

9、向无害转化。图2-3、图2-4说明了生物化学作用对有机物降解的复杂示意过程。化学和生物化学净化机制的定量模式，有待进一步研究。目前只能对污水排入河流后,通过一定时间或流经一定距离，其生物化学净化量的多少，用下列模型表达。SKC式中S每日生物化学净化量，mg/（Ld）；C可生物降解污染物初始浓度，mg/L；K该污染物的生物化学降解速率常数d-1。二、水体质基本模型水体水质包括水体中污染物质的物理、化学和生物化学的迁移与转化过程。这种迁移和转化受水体本身复杂运动的影响，因此，常用的水体模型主要考虑物质在水体中的物理迁移过程。至于化学及生物化学的转化过程则采用综合的方法处理，然后将它和物理迁移过程叠

10、加。水体水质基本模型有5种分类方法：（1）按水体运动的空间分为一维、二维和三维；（2）按水质组成分为单变量和多变量型；（3）按时间相关性分为稳态（与时间无关）和动态（与时间有关）型；（4）按数学特征分为有线与非线型，确定性与随机性型等；（5）按水体类型可分为河流、湖泊水库、河口、海湾与地下水等的水质模型。水体水质变化的预测与预报的常用水质模型是水体运动的空间三维、二维或一维模型。（一）三维水体水质模型（Brooks模型）污染物在水体三维空间内因水流运动与污染物质量扩散引起的浓度降低规律可用三维水体水质模型即布洛克斯（Brooks）模型来描述:dCdt(ococOCro2C小o2C小o2C)u+

11、u+u+D+D+DIxOxyOyzOzJ(xox2yoy2zoz2丿2-9)式（2-9）右侧第一括弧项是由水体水流导致的污染物质改变量，它不仅有x向的改变量u孚，也有y与z方向的改变量u学，u甞；第二括弧项是污染物质的扩散项,xexyoyzoz也包括X、y、z方向的扩散量；第三项工S是水体中某污染物浓度的增减项，包括降解项或旁侧污染物进入量，是C，x、y、z、t的函数。式中C污染物浓度，mg/L；t时间，d；u，u，uxyz分别是x，y，z方向的水流运动速度，m/s；D，D，Dxyz分别是X，y，z方向的紊动扩散系数,m3/s；Z-如上述。三维模型求解非常困难，工程应用困难。（二）二维水体水质

12、模型设水体水质在z向（即水体深度方向）分布均匀，即污染物质在z向的输移和扩散量为oC零，亍二0，而且不考虑旁侧的进入量YS=0，则可简化为二维水体水质模型oc(ococ)o2co2c、u+u+D+Dot(xoxyoy丿xox2yoy2丿2-10)三、二维水体水质模型的应用1.污水在河流中的扩散稀释及应用污水在河流中的扩散稀释，可视做横向流速u二0，纵向扩散系数D与纵向流速u相yxx比，其稀释作用甚微，可忽略不计。横向扩散系数Dy视为常数。则式（2-10）的偏微分方程解为:C(x,y)二expy22c2c22-11)2-12)2-13)2-14)D=ahu*yyu*=yighi式中C坐标点（x,

13、y）处的污染物浓度，mg/L；M排放源的强度，g/s；h河流平均水深，m；U河流平均流速，m/s；b横向均方差；y无因次横向弥散系数；yu*摩阻流速，m/s；i河流平均水力坡度g重力加速度，m/s2；exp、y22b2y指数函数，即e2b2。2-15)2-16)2-17)2-18)污水排放口下游x公里处污染云横向增量式中T河水流到x处所需时间（s）。x竖向混合系数为：d=0.067hu*z污水在竖向与河水完全混合所需时间为：h2T=0.4za此时污水的升流高度为：L=uTzz式（2-11）是集中排放计算式，如为分散排放，则排放源的强度应为M/n，n为排放孔数。分散排放扩散稀释见图2-5。显然x

14、轴处浓度最大，其增量为:AC(x,0)=a+n=1述expI-i=1V(2-19)nhJ2兀UQy(2-20)式中i=1、2、孚；图2-5分散排放扩散稀释图y=pi；ip排放孔间距。设河流污染物浓度基值为Cb，则在排污口下游x处的最大浓度为:(2-21)C=C+ACmaxb排放口下游x处扩散器两端的浓度增量为:=a+艺aexpIi=1V、y.22q2y丿(2-22)式中L扩散器长度，m。(2-23)C=C+AC1b1污染云边缘的浓度增量为ACx,V=Saexpj=o、y2j22y丿(2-24)L式中y.y=r+Pijj2(2-25)C=C+AC2b2【例题2-1】某市污水流量为5.4m3/s，

15、经一级处理后，用多孔扩散器排入大江，排放水的BOD5=280mg/L。该大江宽2000m，平均水深20m，枯水期日平均流量6000m3/s,平均流速0.16m/s,平均水力坡度6.7x10-6,江水BOD5基值为2.3mg/Lo在排污口下游8km处已建有集中式取水口，距岸边350m。计算污水排入后，对取水口水质的影响。【解】由于大江的宽度大，污水的BOD5浓度也较高，故取扩散器的长度为300m，分三段,每段长100m,三段的管径分别为DN2000mm,1600mm,1200mm,三段共设45个排出孔,孔径175mm,孔距6.5mm,在平均水深的1/3处喷入江中。扩散器的末端距岸边1000m。由

16、式（2-14）得u*=話ghi=98x20 x6.7x10-6=0.0362m/s式（2-16）得a=0.067hu*=0.067x20 x0.0362=0.0485m2/sz式（2-17）得h2202T=0.4-=0.4x=3300sza0.0485z式（2-18）得L=uT=0.16x3300=528mzz根据现场示踪测定，大江在该市河流段的a=0.5，故用式(2-13)yD=ahu*=0.5x20 x0.0362=0.362m2/syy每个排放孔的排放源强度为：M5.4x28033.6/m=33.6g/sn45表2-2根据题意要求,用式(2-11)式(2-24)计算出沿河流方向2km、4

17、km及集中取水口8km处二维水体水质摸型应用计算衷的BOD5浓度值。计算值列于表2-2。排放扩散器下游距离x(km)248流达时间T(s)x125002500050000扩散宽度增里Ly(m)380538760横向均方差byj9050181003620095135190a（mg/L）0.0440.0310.022浓度增量AC(mg/L)1.411.160.90最大浓度值C(mg/L)max3.713.463.2浓度增量AC1(mg/L)0.7C(mg/L)13.0AC(mg/L)20.04取水口处浓度C2(mg/L)2.3+0.04=2.34计算结果表明，取水口处于污染云的边缘，因江水基值BO

18、D5为2.30mg/L，由于污水的排入沿江水扩散至该处，BOD5浓度的增量为0.04mg/L，故该处的江水BOD5=2.3+0.04=2.34mg/L，仍属于二级水体(BOD53mg/L),认为是安全的。(二)污水排海的扩散稀释及应用由于海水的性质与江河不同，海水的含盐量髙，密度大，水层上下温差大，有潮汐与洋流的回荡。因此污水排人海湾后，扩散稀释存在着初始轴线稀释、输移扩散稀释与大肠菌群的衰亡稀释等。初始轴线稀释可用初始轴线稀释度表示。(1)当海水密度均匀时，污水喷出后，羽状流可一直浮升至海面:(伍quh丿-1(2-26)S=0.38(g)；hq-3c(2-27)图2-6初始轴线稀释式中S1初

19、始轴线稀释度;S无水流时，即u=0时的初始轴线稀释度;cPPg由干海水与污水密度差引起的重力加速度差值，g=ag；PaP海水密度;aP污水密度；0g重力加速度，9.81m/s2；h污水排放深度，m；q扩散器单位长度的排放量，mH(sm)；u海水流速，m/s。2)海水密度随深度呈线性分布时，即海水密度自海面向海底呈线性逐渐增加，污水喷入海水后，羽状流上升至一定高度z后，停止上升，此时污染云的密度比其上面的海max水的密度大。则式中zmax2Sqcuz丿maxS=0.31(g呎zc2q_3max污染云的最大浮升髙度，m。2z二6.25(gq)3maxPg(P-P)Ja2-28)2-29)2-30)

20、2.由于洋流引起的输移扩散海洋的流态较复杂，除主导洋流外，还有潮汐的影响。对干海域、或宽阔的海湾,可不考虑潮汐的回荡作用，否则就应考虑回荡对稀释扩散的影响。此外，污水中有机污染物在海水中的生物化学降解作用远小于洋流引起的输移扩散稀释作用。因此生化降解作用可略去不计。又因为经初始轴线稀释后，可视深度方向的浓度是均匀的，故也可用二维水质扩散模型计算。(1)不考虑回荡的影响根据式(2-10)，假设污染云随洋流的移动是单向的、连续的和均速的，污水的横向扩散混合可用具有水平扩散系数的扩散过程来描述，则Brooks求解式为：2-31)式中S输移扩散稀释度；2erfC)误差函数，erf)=2e弋2dg；兀0

21、 x排污口至下游某点的水平距离，m；系数，P=耳；uL排污口处（x=0）的涡流扩散系数,，E=4.64x10-4Li/3；0L扩散器长度，m。2）考虑回荡的影响对于不太宽的潮汐海口,污水在一段受纳海水内,经过几次回荡后才能移开排污口向外海方向输移，此时的S2为：式中C1S=C21u(L+L)hC+2nQCEyp0uL+L)h+2nQEy经初始稀释后,污染云轴线上的浓度,mg/L；-12-33)原污水口污染物的浓度,mg/L；排放的污水量,m3/s；海水中污染物的浓度,mg/L；涨潮流速,m/s；污染物在潮汐作用下的回荡次数。寺ut2-34)乙EiEiut-utn=4Fr-FiEr-EiK式中t

22、Ei第i个潮周的涨潮历时,s；tFi第i个潮周的落潮历时,s；uEiuFi分别为第i个潮周的涨、落潮流速,m/s；式中T涨落潮历时，T=,涨+1落;K观测的潮周期数。污染云经几次回荡后的横向增宽：2-35)横向扩散系数,m2/s。对于潮汐海口，D可用下式估算:式中u*海口摩阻流速，m/s。D=0.96hu*y2-36)式中i海床坡降；u*=pghi2-37)污水排污口深度，见图2-6。做规划设计时，从安全考虑，可忽略由横向扩散所增加的稀释作用或海口不宽，无充分空间让污染物横向扩散，即Ly=0，由此计算的扩散器长度，应满足氷质目标Cm的要求,uLhC+2nQCEp00；污水比海水重时a0a0p-

23、p0，反坡时AZ0p-pap0AZ1称为比重水头。02号喷孔的流量：q二CaJ2gE（2-49）2D22式中q2号喷孔的流量，m3/s；2a2号喷孔的面积，m2。2由1号喷孔流向2号喷孔的管内流速:qV=V+221兀（2-50）D24依照上述顺序，逐步地计算到最后一个喷孔，即第n个喷孔。可用计算机完成计算。【例题2-3】某城市的城市污水量为1.4m3/s，经一级处理后，B0D5=100mg/L，排海。海水的密度为1.026，污水的密度为0.999,近海海底坡度0.02，拟排海深度为10m,海洋的洋流流速：近海区洋流平均流逨力0.3m/s，方向与海岸垂直，岸边洋流流速为0.03m/s。最大潮差1

24、.5m。规划要求排污水后，憩潮时污染云轴线初始稀释sc。不得小于85,请设计排放管、扩散器及近岸海水BOD5浓度的增量。【解】排放管的计算：污水流量为1.4m3/s,若取排放管管径为DN=1200mm,钢管，由给水排水设计手册第一册，水力计算表得，管内流速为1.238m/s,1000i=1.294m。由于要求排海深度为10m,海底坡度为0.02，故排放管长度应为：10L=500m排0.02沿程水头损失为：1.294h=500 x=0.65m排1000oq=0.00486m3/(sm)扩散器计算：根据题意,海水密度均匀,所以污水排放后的初始稀释度用式(2-26)及式(2-27)计算,同时计算得扩

25、散器单位长度排放量。由式(2-27)S=0.38(g为hqcPPL026-0.9999810265/g=a0g=x9.81=0.265m/s2p0.999085=0.38(0.265*x10mxq-3得喷孔间距约为排海深度的1/3,所以间距为10/3=3.3m。故每个喷孔的排出量应为:q=3.3xq=3.3x0.00486=0.016m3/s1扩散器长度为：L二14二288m0.00486取扩散器长度300m。扩散器喷孔数用式(2-43)计算：二90个3L3x300m=h10因洋流方向垂直于海岸，故釆用T型扩散器，为了使扩散器内的流速均匀，分为三段,每段长100m,喷孔30个，见图2-11。j

26、=0C2ml23图2-11排放管与扩散器计算图I段：每旁长度50m,流量1.4T=0.7m3/s。若取管径为DN900mm,由水力计算表得,管内平均流速1.1m/s，属经济流速，所取管径合格，1000i=1.51m,：沿程水头损失为0.076m。每旁长度喷出流量为50mx0.00486m3/(sm)二0.243m3/s。II段：长度100m，进人II段的流量为0.7-0.243=0.457m3/s。若取管径DN=700mm,得管内平均流速为1.2m/s，属经济流速，1000i=2.4m,：沿程水头损失为0.24m。排放管起端所需总压力等于排放水深、各段沿程损失、自由水头、喷孔局部损失、T型三通

27、损失、最大潮差之和，即H=10+0.65+0.076+0.24+0.7+0.3+1.5+1.5=15m。总稀释度及近海岸处海水bod5增量:轴线初始稀释度由式(2-26)计算c(uh二71.7qJx85x0.00486”0.3x10,输移扩散稀释度用式(2-31)计算：扩散器至海岸边x=500m，由式(2-32)得44E=4.64x10-4xL3=4.64x10-4x3003=0.932m2/3/s0近海岸处洋流流速为0.03m/s。12EB=&uL12x0.9320.03x300二1.24由式(2-31)得S=2erf3/2：2ox)I3L丿erf3/21+-X1.24XI3300丿至海岸边

28、的总扩散度033=2.63S=SXS=71.7X2.63=188.6总12:.在海岸边处海水的BOD5增量C为:AC=BOD5=S100188.6=0.53mg/L可见，扩散器的水头损失是采用每段扩散器内的平均流速进行计算的，但由于喷孔不断喷出污水，所以每段扩散器内的沿程流量是不断减小，流速也不断减慢，故所需总水头及各喷孔排出的流量应逐孔逐段计算，计箅公式用式(2-44)至式(2-50)。四、河流氧垂曲线方程一一菲里普斯(Phelps)方程有机物质排人河流后，可被水中微生物氧化分解，同时消耗水中的溶解氧(DO)。所以,受有机物污染的河流，水中溶解氧的含量受有机污染物的降解过程控制。溶解氧含量是

29、使河流生态系统保持平衡的主要因素之一。溶解氧的急剧降低甚至消失，会影响水体生态系统平衡和渔业资源，当DOvlmg/L时，大多数鱼类便窒息而死，因此研究DO的变化规律具有重要的实际意义。一)氧垂曲线有机污染物排入河流后，经微生物降解而大量消耗水中的溶解氧，使河水亏氧；另一方面，空气中的氧通过河流水面不断地溶人水中，又会使溶解氧逐步得到恢复。所以耗氧与复氧是同时存在的，河水中的DO与BOD5浓度变化模式见图2-12。污水排入后，DO曲线呈悬索状下垂，故称为氧垂曲线；bod5曲线呈逐步下降状，直至恢复到污水排入前的基值浓度。图2-12河流中BOD5及DO的变化曲线(抚总詣保鉅谊割OUH氧垂曲线可分为

30、三段：第一段ao段，耗氧速率大于复氧速率，水中溶解氧含量大幅度下降，亏氧量增加，直至耗氧速率等于复氧速率。o点处，溶解氧量最低，亏氧量最大,称o点为临界亏氧点或氧垂点；第二段ob段，复氧速率开始超过耗氧速率，水中溶解氧量开始回升，亏氧量逐渐减少，直至转折点b；第三段b点以后，溶解氧含量继续回升，亏氧量继续减少，直至恢复到排污点前的状态。(二)氧垂曲线方程一菲里普斯方程的建立(1)有机物耗氧动力学美国学者斯蒂特-菲里普斯(Streeter-Phelps)于1925年对耗氧过程动力学研究分析后得出:当河流受纳有机污染物后，沿水流方向产生的输移有机物量远大于扩散稀释量，当河水流量与污水流量稳定，河水

31、温度不变时，则有机物生化降解的耗氧量与该时期河水中存在的有机物量成正比，即呈一级反应，属一维水体水质模型，其表达式为:(2-51)fdL=-KLTOC o 1-5 h zdt1t=0,L=Li0L=Lexp(Kt)t01(2-52)式中L0有机污染物总量，即氧化全部有机物所需要的氧量;Lt时刻水中残存的有机污染物量;tt时间，d；耗氧速率常数，k=0.434K。112 耗氧速率常数K或k因污水性质不同而异，须经实验确定。生活污水排入河流后，k111表2-3值见表2-3生活污水耗氧速率常数ki水温(C)0510152025K1值0.03990.05020.06320.07950.10.12603

32、00.15832-53)表2-3的关系，可用下式表达：k=k0(T-t2)或k=k0(T-t20)式中k,k,k12201212120120分别为温度T1、T2、T20时的的耗氧速率常数温度系数，0=L047；k202C时的温度系数，k20-0。2.溶解氧变化过程动力学通过河流水面与大气的接触，氧不断溶入河水中，当其他条件一定时，复氧速率与亏氧量成正比例：dD2-54)=KDdt2t=0,D=D0式中k2复氧速率常数；亏氧量，D二C0-CX；定温度下，水中饱和溶解氧，mg/L；C河水中溶解氧含量，mg/L。X菲里普斯对为有机物污染的河流中溶解氧变化过程动力学进行了研究后得出结论，河水中亏氧量的

33、变化速率是耗氧速率与复氧速率之和。在与耗氧动力学分析相同的前提条件下亏氧方程也属一级反应，可用一维水质模型表示：dD=kLkDdti2(2-55)t=0,D=0,L=L0式中k受污染河流的复氧速率常数，与水温、水文条件有关，其数值列于表2-4中。复氧常数k2值表2-4 水温（C）河流水文条件缓流水体流速小于1m/s水体流速大于1m/s水体急流水体100.170.4250.684150.110.1850.4600.740200.150.200.500.80250.2150.5400.865式（2-55）的解析式为：式中DtD二告-10-丄D0-10-221t时刻河流中亏氧量。2-56)式（2-5

34、6）称为河流中氧垂曲线方程式，即菲里普斯方程式。它的工程意义在于：1）用于分析受有机物污染的河水中溶解氧的变论动态，推求河流的自净过程及其环境容量，迸而确定可排入河流的有机物最大限量；（2）推算确定最大缺氧点即氧垂点的位置及到达时间，并依此制定河流水体防护措施。时:氧垂曲线到达氧垂点的时间，可通过方程式（2-56）求定，即当孚=0dtD(k-k)102kL2-57)，10kk21式中tc从排污点到氧垂点所需的时间，d。式（2-56）与式（2-57）在使用时应注意如下几点：1）公式只考虑了有机物生化耗氧和大气复氧两个因素，故仅适用于河流截面变化不大，藻类等水生植物和底泥影响可忽略不计的河段；2）

35、仅适用于河水与污水在排放点处完全混合的条件；3）所使用的k1，k2值必须与水温相适应4）如沿河有几个排放点，则应根据具体情况合并成一个排放点计算或逐段计算。按氧垂曲线方程计算，在氧垂点的溶解氧含量达不到地表水最低溶解氧含量要求时，则应对污水进行适当处理。故该方程式可用于确定污水处理厂的处理程度。 (三)氧垂曲线方程菲里普斯方程的应用氧垂曲线方程用于处理程度的确定与环境容量的计算，通过例题2-3说明。【例题2-3】某城市人口35万人，排水量标准150L/(pd),每人每日排放于污水中的BOD5为27g,换算成BODu为40g。河水流量为3m3/s，河水夏季平均水温为20C，在污水排放口前，河水溶

36、解氧含量为6mg/L,BOD5为2mg/L(B0Du=2.9mg/L)。根据溶解氧含量求该河流的自净容量和城市污水应处理的程度。排放污水中的溶解氧含量很低，可忽略不计。【解】/1)先确定各项原始数值排入河流的污水量为：q=350000 x0.150=52500m3/d污水排放口前河水中的亏氧量为：D=C一C=9.17-6.0=3.17mg/L,(20C时的饱和溶解氧量为9.17mg/L)。0 x污水排人河流后的最高允许亏氧量为：9.174.0二5.17mg/L(2)求污水与河水混合后的BODu及L0。根据表2-3,因水温为20C,k1=0.1,由表2-4,因流速较小，取k2=0.2，混合系数a

37、取0.5。最高允许亏氧量为5.17mg/L=Dt，采用式(2-56)时，仍有两个未知数t与L,因此可用式(2-57)进行试算：1)初步假设L0=15mg/L,代入式/2-57)得：3.17(0.20.1)1l10.2lg|订t一c0.1x150.2一0.1=1.98d2)将所得tc值代入式/2-56)求L0值：5.170.1L0(10-0-1x1.98一10-0.2x1.98)+3.17X10-0.2x1.980.2-0.15.17-1.27“L16.8mg/L3)00.232将计算所得的L0代入式/2-57),求出较为精确的tc值:lgJ0.23.17(0.2-0.1)-0.1x16.80.

38、2-0.1=2.1d4）将tc=2.1d代入式（2-56）,做第二次试算得:5.17二0.1L00.20.10-0.1X2.1一10-0.2x2.1)+3.17x10-0.2X2.1=16.5mg/Lr5.17-1.21L二00.245）第二次试算所得的L0=16.5mg/L,与第二次试算L0=16.8mg/L,非常接近，故可定L0=16.5mg/L。6）因河水本身含有BODu=2.9mg/L，因此水体能够接纳的污水所含的BODu为16.5-2.9=13.6mg/L。7）为了确保氧垂点处的溶解氧含量不低于4mg/L，河水每日可以接受的BODu总量（即水体的自净容量）为：13.6（3x0.5x8

39、6400+52500）=2476560g=2476.56kg8）每人每日能排入水体的BODu值为:2476560350000二7.08g9）因每人每日产生的BODu值为40g，排入水体前应去除的BODu量为：40-7.08=32.92g。329210）污水应达到的处理程度为x100=82.3%40-一亠宀40 x350000c”/.-）11）污水的BODu浓度为二266.7g/m3（mg/L丿12)排放污水的BODu允许浓度为266.7x(10.823)=48mg/L故污水必须采用生物处理,BODu的处理程度为82.3%。五、湖泊、水库水体水质摸型图2-13湖泊、水库扩散示意图湖泊、水库水体的

40、主要污染源有:点污染源（生活污水、工业废水集中排入）；非点污染源（雨水径流、农田灌溉水的回流等）；大气降尘等。湖泊、水库内的水流主要是：河流入流口附近；大量污水排放口附近；风生流、异重流（由温度差、密度差引起）；人类活动（如行船，灌溉抽水）造成的紊流。故湖泊、水库的水体运动与自净规律十分复杂。湖泊、水库的大小与水文条件不同，污水排入后，与湖水的混合情况可分为：完全混合型（即污水与湖水可完全混合），面积较小、水深较浅的湖泊存在这祌可能；非完全混合型，面积较大、水深较深的湖泊存在这种情况。本书主要论述非完全混合型的水体水质模型。（一）AB卡拉乌舍夫扩散模型AB卡拉乌舍夫采用圆柱坐标将二维水体水质模

41、型（见式2-10）简化为一维水质模型得:dCdt1dCrdtd2Cdr22-58)r=r,C=C00式中q入湖污水量，m3/d；C计算点污染物浓度，mg/L；H污染物扩散区湖水平均深度，m0污水在水体中扩散角度，开阔岸边垂直人流e=180，湖中心排放时，0=360；C0r0处（即排污口处），水体中污染物原有浓度或地面水环境质量标准（见附录10），mg/L；r湖泊某计算点离排污口距离，m;D湖水的紊流扩散系数。当排放量稳定，并代人边界条件r=r0,C=C,贝U式（2-58）的积分解为:2-59)=C-C1dr1-d)0d10d=1DH0（二）有机污染物自净方程前已述及，湖、库紊动扩散能力很小，可

42、以略去不计，只考虑平流作用和有机污染物的生物降解作用，贝可将式（2-58）中的扩散项略去，得：dC2-60)q=KCH4rdrr=0,C=Cl0式（2-60）的解为：C=Cexp0K0Hr2、2q丿2-61)式中K湖、库水的自净速率系数，d-i。（三）溶解氧方程湖、库水体中DO含量分布，主要决定于入湖、库污染物的生化耗氧与水体水面复氧；水生植物的光合作用产氧；其他增氧（如入湖、库河流的带入等）与耗氧（如水生动物的耗氧等）。为简化方程的数学表达式和便于求解，只考虑有机污染物的生化降解与大气复氧使用，由圆柱坐标作一维氧垂曲线方程：2-62)qdD=（kL-kD）Hrdr12r=0,D=D0式中k湖

43、、库水体的耗氧速率常数，d-1；1k湖、库水体的复氧速率常数，d-1；2D排污口处的亏氧量，mg/L。0式（2-62）的解为：kL10k-k21(e-nr2-e-mr2)+De-mr202-63)式中2qk0Hi2q第三节水环境保护水环境保护有量和质两个方面。以水质保护为主，合理利用水资源，通过规划提出各种措施与途径，使水体不受污染，以保证水资源的正常用途，满足水体主要功能对水质的要求。一、水体水质评价通过对水体的水质评价能够判明水体被污染的程度，为制定水体的综合防治方案提供科学依据。水质评价是根据监测取得的大量资料，対水体的水质所作出的综合性的定量评价。水质评价的主要目的是：（1）对不同地区

44、各个时期水质的变化趋势进行分析。（2）分析对工农业生产和生态系统的影响。（3）分析対人体健康的影响。单项污染指标的具体浓度值，仅能反映这项指标的瞬间水质状况，而不能反映由多种污染物共同排放所形成的复杂水质状况。故应采用综合指数对各种污染物的共同影响逬行评价。评价又可分为现状评价和预断评价。（一）现状评价目前常用的水质评价方法有：综合污染指数（K）法和水质质量系数（P）法。综合污染指数（K）法是表示各种污染物对水体综合污染程度的一种数量指标。计算式为：K=工二C（2-64）CiOi式中C地面水体各种污染物的统一最高允许指标，如对水库，此值为0.1；kC各种污染物的水环境质量标准，见附录十，mg/

45、L；OiC各种污染物的实测浓度，mg/L。i计算结果，如果K0.1时，表明河水中各种污染物的总含量已相当于一种有毒物质超过水环境质量标准，称为污染水体。污染水体又可分为轻度污染（K=0.10.2）、中度污染（K=0.20.3）和重度污染（K0.3）。【例题2-4】按酚、氰、砷、汞、铬等5项有毒物质指标，计算某河流的综合污染指数，并据此判定其污染程度。该河流按W类考虑。按中华人民共和国国家标准地面水环境质量标准(GB3838-88)(见附录十)：上述5项有毒物质的环境质量标准为：挥发酚VO.Olmg/L；总氰化物V0.2mg/L；总砷O.lmg/L；总汞0.001mg/L；铬0.05mg/L。通

46、过实测，该河流中各项浓度为：挥发酚未检出0.0015mg/L；总氰化物未检出0.0005mg/L；总砷未检出痕迹；汞未检出痕迹；铬0.00520.0176mg/L。【解】通过逐项计算最后叠加得该河流综合污染指数为K二工CC二0.05122作为被有机污染物的标志，A值越大，水质越差。(二)预断评价预断评价是指人类活动对水质可能产生的影响进行预先的断定和评价。在建立新的工业基地时必须进行这一工作。预断评价又分为一般评价和目标评价。一般评价是查明工业建设地区的环境现状、自净能力和环境容量，并以此作根据布置该地区的工业布局。目标评价系指估算生产污水的水量水质及对环境可能产生的影响。预断评价的数学模型和

47、生态系统模式，可参考有关文献。二、水环境容量水环境容量的定义：在满足水环境质量标准的要求下，水体最大允许污染负荷量，又称水体的纳污能力。它建立在水质目标和水体稀释与自净规律的基础之上。河流的水环境容量可用函数关系表达为：W二f(C,C,x,Q,q,t)(2-67)0N式中W水环境容量，用污染物浓度乘水量表示，也可用污染物总量表示；C水中污染物的原有含量，mg/L；0C水环境的质量标准，见附录十，mg/L；Nx,Q,q,t分别表示距离，河流流量，排放污水量和时间。水环境容量一般包括两部分：差值容量和同化容量、水体稀释作用属差值容量；自净作用的去污容量称同化容量。(一)河流水环境容量的推算中小河流

48、的水环境容量推算假设污染物沿河呈线性衰减，并且：(1)上游转输来的污物量是稳定的，即C是一定0的；(2)忽略河段中污染物的离散和沉降作用；(3)河流的流量是不变化的，计算时应选仅一个设计枯水期流量，以保证安全。图2-14单点排放水容量计算图图2-15多点排污水环境容量计算图河段中只有一个排污口(又称单点)的水环境容量推算，见图2-14。xW二86.4C(Q+q)-CQ+k-C(Q+q)(2-68)点N01u0(Cx或W=86.4nCQ+kC(Q+q)(2-69)称为稀释流量比,(c、才一CoQ称差值容量,点(Q0丿1u0 xkC(Q+q)称同化容量。1u0式中W单点河段水环境容量，kg/d；点

49、C河水中原有污染物浓度，mg/L；0C水环境的质量标准，见附录十，mg/L;Nk1污染物衰减系数，即耗氧系数，d-1;x，u沿河流经的距离（m）与平均水流速度，m/s。对于难降解污染物，没有同化容量项。有多个排污口（又称多点）的河段水环境容量推算，见图2-15。2-70)工W二86.4(C-C)Q+kCQXo+86.4C工q+C艺点N00100uNiN0i=1i=1Q1=Q0+和Q2=Q1+q2,Qi=Qi-1+qi式中Ax各排污口断面之间的间距。i沿河均与排入污水（又称面污染源）的容量推算，见图2-16。图2-16沿河均匀排入污水沿河均匀排入污水的容量推算公式由多点公式推出，即当nnAx=0

50、时，初始流i量即河流流量为Q，末端流量为。0NW=86.4（C-C）Q+C（Q-Q）+limkC尸Q兰=86.4（CQ-最大N00NN01NiuNNi=1iCQ）+Q0+QnCk-（2-71）002Niu大河流水环境容量的推算大河流的流量大，宽深比大，流速也大，排入的污水流量相对很少，当进行岸边排放时，污水常形成岸边污染带，污染物质在河道内的横向扩散系数与河道流量、流速、水深以及排 i 放形式有密切关系。水环境容量的计算方法一般采用简化后的二维扩散模型，即式（2-11）进行。沿河各排污口排放限量的确定（1）计算步骤：1）首先应对河流的历史和现状，污染源与污染物进行综合调查，并作现在评价；2）按

51、河流的自然条件与功能，将河流划分为若干河段；3）确定几项主要的水质指标，一般可选择DO,BOD,COD,NH3-N，酚及pH,TC等作为水质参数。根据地面水环境质量标准确定上述各指标的标准；4）确定排污口处的河流流量，从安全考虑，一般以90%95%频率的最枯月平均流量或连续7d最枯平均流量作为河流的设计流量;5）计算河流水环境容量，先确定数学模式与系数,然后计算河段现有各排污口的河流点容量及其总和；6）进行不同排放标准方案的经济效益和可行性比较,选择最优方案,确定向河流排污的削减总量及各排污口的合理分配率;7）按最优排放标准方案,对河段进行水质预测,即预先推出执行排放标准后的河段水质状况。（2

52、）关于削减总量的计算和分配削减总量用下式计算2-72)式中W削减总量,kg/d;kW*河段中每日排入河流的污染负荷综合,kg/d;乞W占多点排放的河段水环境容量综合，kg/d。AV、从式（2-72）可知：当W*Sw，W为正，说明该河已超负荷，各排污口应削减排污量，应削减的量按点k各排污口的污染物量比进行加权分配，即某排污口应削减量为2-73)（W）=WkikW*式中W某排污口每日排入河流的污染物量，kg/d;(W)该排污口应削减量，kg/d。ki污水排入河流后，各污染指标的变化计算：当污水排入河流后，排污口上游及排污口下游某断面，有机污染物浓度的变化可用下式计算：kx2-74)1-0.0116

53、-1-+0.0116u式中C排污口上游河水中某有机污染指标的浓度，mg/L；上C距排污口-处，该有机污染指标的浓度，mg/L；下W*该有机污染指标每日入河的负荷总量，kg/d；稀释流量比，【例题2-5】今有某城市的河流水体功能分段及水文资料，水质实测资料见表2-5及图2-17。图2-17河流水环境容量计算图河流功能分段、水文资料及水质实测资料表2-5 质量标准流量(m3/s)河流节点编号断面0-0支流1断面1-1排污口1断面2-2断面3-3排污口2支流2断面4-4断面5-5距离(km)功能BODDO河水2.53.04.54.56.07.58.010.0(mg/L)游览渔业水体(mg/L)41.

54、01.5P=90污水(%)1.00.5稀释流量比a0.80.830.920.810.75水质实测资料BODCOD(mg/L)(kg/d)(mg/L)(kg/d)2.52.050172.8432086.4259.27.5691.2972因Q=1m3/s=86400m3/d,.86400 x0.002kg/m3=172.8kg/d。因Q=1m3/s=86400m3/d,.86400 x0.008kg/m3=691.2kg/d。其他项计算相同。由表2-5实测资料及质量标准可知，断面1-1以上的河段，BOD,DO均能符合游览水环境质量标准。断面1-1以下河段，有两个排污口及直流2汇入。请按渔业用水标准

55、，见附录十四，计算排放标准。【解】根据各河段的流速、水文资料，选定各河段的耗氧系数k1与复氧系数k2值。见表2-6。参照表2-3，表2-4选定)。河流各河段的流速k、k2表表2-6河段编号流速(m/s)耗氧速率常数k1(d-1)复氧速率常数k2(d-1)河段长度(km)I0.450.250.603.0II0.400.300.551.5III0.350.350.501.5IV0.300.320.302.0V0.250.370.402.0求断面1-1处的BOD值:用式(2-74)计算断面1-1处的BOD值 BOD1-1(025x31728、二2.5I-0.0116x飞莎+0.0116齐卜08二皿m/L求第II河段排污口1前的BOD点容量：采用式（2-69）W=86.4（cn-