河流、湖泊、水库、湿地水环境容量计算模型

水环境容量计算模型
1）河流水环境容量模型
水环境容量是在水资源利用水域内，在给定的水质目标、设计流量和水质条件的情况下，水体所能容纳污染物的最大数量。

按照污染物降解机理，水环境容量W 可划分为稀释容量W 稀释和自净容量W 自净两部分，即：
W W W =+稀释自净
稀释容量是指在给定水域的来水污染物浓度低于出水水质目标时，依靠稀释作用达到水质目标所能承纳的污染物量。

自净容量是指由于沉降、生化、吸附等物理、化学和生物作用，给定水域达到水质目标所能自净的污染物量。

河段污染物混合概化图如图。

根据水环境容量定义，可以给出该河段水环境容量的计算公式：
图 完全混合型河段概化图
0()i si i i W Q C C =-稀释
i i si i W K V C =⋅⋅自净
即：0()i i si i i i si W Q C C K V C =-+⋅⋅
考虑量纲时，上式整理成：
086.4()0.001i i si i i i si W Q C C K V C =-+⋅⋅
其中：
当上方河段水质目标要求低于本河段时：0i si C C =
当上方河段水质目标要求高于或等于本河段时：00i i C C =
式中：i W —第i 河段水环境容量（kg/d ）；
i Q —第i 河段设计流量（m 3/s ）；
i V —第i 河段设计水体体积（m 3）；
i K —第i 河段污染物降解系数（d -1）；
si C —第i 河段所在水功能区水质目标值（mg/L ）；
0i C —第i 河段上方河段所在水功能区水质背景值
（mg/L ）,取上游来水浓度。

若所研究水功能区被划分为n 个河段，则该水功能区的水环境容量是n 个河段水环境容量的叠加，即：
1n
i i W W ==∑
01131.536()0.000365n n
i si i i i i i i W Q C C K V C ===-+⋅⋅∑∑
式中：W —水功能区水环境容量（t/a ）；
其他符合意义和量纲同上。

2）湖泊、水库水环境容量计算模型
有机物COD 、氨氮的水环境容量模型：
在目前国内外的研究中，多采用完全均匀混合箱体水质模型来预测水库水体长期的动态变化，即将水库视为一个完全混合反应器时，有机物的容量计算模型可以用水体质量平衡基本方程计算。

水库中有机物容量模型如下：
C t kV S t C t Q t C t Q dt
dc c out in in )()()()()(V(t)++•-•= 假设条件：水量为稳态，出流水质混合均匀。

式中：V(t)——箱体在t 时刻的水量，m 3；
dt dc ——箱体水质参数COD 、氨氮的变化率；
)(t Q in ——t 时刻水库的入流水量，m 3/a ；
)(t Q out ——t 时刻水库的出流水量，m 3/a ；
)(t C in ——t 时刻水库的COD 、氨氮入流浓度值，mg/L ；
)(t C ——t 时刻水库的COD 、氨氮出流浓度值，mg/L ；
c S ——其他未计入的外部源和漏污染量；
k ——COD 、氨氮的综合降解系数。

由此模型推导出的COD 、氨氮环境容量的计算公式如下：
）（out KV Q Cs W +=
转换量纲后公式为：
6out 10*）（-+=KV Q Cs W
W ——水库环境容量，t/a ；
Cs ——水库功能区目标值，mg/L ；
out Q ——水库的出流水量，m 3/a ；
K ——COD 、氨氮的综合降解系数；
V ——水库死库容，m 3。

总氮总磷的水环境容量计算模型
水库中氮和磷等营养盐物质随时间的变化率，是输入、输出和在水库内沉积的该种污染物的量的函数，因此营养盐物质容量计算可采用沃伦威得尔模型(Vollen —welder)，即可以用质量平衡方程表示。

总氮总磷的水环境容量模型可采用吉柯奈尔-迪龙（Kirchner-Dillon ）水库营养物浓度预测模型，其形式如下：
εγ⋅--=V
R I dt )1(dC
式中：C —总氮总磷的浓度（g/m 3）；
I —总氮总磷的总负荷（g/a ）；
R —总氮总磷在水库中的滞留系数；
V —水库的容积；（m 3）；
γ—冲刷速度常数（a -1）；
γ=Qout/V ，式中Qout 为水库输出流量。

给定初始条件：当t=0时，C=Co ，可以求得上式的解析解：
πγγ-----=e V
Co V ]R 1I [R 1I C ）（）（ 假设水库的入流、出流与污染物的输入处于稳定状态，当∞→t ，可得上式的平衡浓度Cp ：
R
V Cp I V Cp -=-=1R 1I γγ）
（ 式中Cp —总氮总磷的平衡浓度（mg/L ）。

用总氮总磷的水环境质量标准来衡量。

滞留系数R 可以根据流入和流出支流的流量和营养物浓度近似计算：
Wi Wout QiPi outPout -=-=∑
∑1Q 1R 式中Qi 、Qout —水库输入和输出流量（m 3/a ）；
Pi 、Pout —水库输入和输出总氮总磷浓度（g/m ）；
Wi 、Wout —水库输入和输出总氮总磷量（g/a ）。

3）人工湿地水环境容量计算模型
湿地水环境容量计算模式如下：（出水达标情况下）
W 净化=净化C 进
式中：
净化
W -人工湿地工程净化量，kg/d ； 净化Q -人工湿地工程净化的废水量，m 3/s ；
进C -排入人工湿地工程的污染物浓度，mg/L 。