水环境容量计算

污染物运动变化的基本模型
1．零维模型 根据质量守衡 可写出完全混 合反应器的平 衡方程,即零维 模型
适用条件 1河流是稳态的定常排污，即河床截面积 、流速、流量即污染物的输入量不随时间 变化 2污染物在整个河段内均匀混合、及河段 内各点污染物浓度相同 3污染物为持久性污染物
S
Q,C0
V,C
Q,C
连续流完全混合反应器
水环境容量概念
水环境容量：
在给定水域和水文、水力学条件，排污口位置的条件下，满 足水域某一水质标准的排污口最大排放量，叫做该水域在上 述条件下的所能容纳的污染物质总量，通称水域允许纳污量 或水环境容量。 ——《排放水污染总量控制技术规范》
水质模型研究进展

第一阶段（20世纪20年代中期至70年代初期）
f x uxc; f y u y c; f z uz c
分散作用
污染物在环境介质中的分散作用包含三个内容:分子扩散,湍流扩散和弥散 分子扩散是分子随机运动引起的质点分散运动。可用Fick第一定律描述： —式中I1x，I1y，I1z分别为污染物沿x、y、z三个方向的分散迁移通量。 —Em 是分子扩散系数。分子扩散是各向同性的，式中负号表示质点的迁移指向负梯度方向 湍流扩散是湍流流场中质点的各种状态（流速、压力、浓度等）的瞬时值相对于其时平 均值的随机脉动而导致的分散现象。当流体的质点的湍流瞬时脉动速度为稳定随机变量 时，湍流扩散规律可以用Fick第一定律描述： —式中I2x，I2y，I2Z分别为x、y、z方向上由湍流扩散所导致的污染物质量通量； —式中Ex，Ey，EZ分别为，x、y、z方向的湍流扩散系数；由于湍流的特点，湍流扩散系数是 各向异性的。 弥散作用是由于横断面上实际的流速分布不均匀引起的，在用断面平均流速描述实际运 动时，就必须考虑一个附加的，由流速不均匀引起的作用，弥散作用扩散规律也可以用 Fick第一定律描述： —式中I3x，I3y，I3Z分别为x、y、z方向上由弥散所导致的污染物质量通量； —式中Dx，Dy，DZ分别为x、y、z方向的弥散系数；
源（汇）
变化时间项：表征污染物在水中迁移转化过程引起污染物浓度随时间的变化 对流项：表征水中污染物由于对流运动引起的变化量 扩散项：表征水中污染物由于分子扩散和湍流扩散作用引起的变化量 源汇项：表征水中污染物由于物理、化学、生化等作用引起的降解、沉降、 吸附、或增生引起的增加（源）或减少（汇）
推流迁移
1 主要集中于对氧平衡的研究，也涉及一些非耗氧物质 2 属于一维稳态研究，代表模型：1925年Streeter和Phelps提出了第一个水质模型，即 河流BOD-DO模 型；美国环保局提出QUAL-Ⅰ、QUAL-Ⅱ模型，该阶段可称为考虑水质项目不多的一维稳态模型阶段

第二阶段（20世纪70年代初期至80年代中期）
是水质模型发展最快的阶段，出现了以多维模型、形态模拟、多介质模拟、动态模拟等为特征的多种模 型研究，代表模型：湖泊水库一维动态模型LAKECO、WRMMS、DYRESM及三维模型；河流水质模型 WAPS诞生，能进行一维、二维、三维动态水质模拟；该阶段水质评价和标准的制定推动了形态模拟的 研究与发展，如20世纪80年代，Forstner、Lawrence分别进行了重金属、有机物的形态模拟研究； 1979年Machay首次提出多介质模拟逸度的算法
移流扩散方程
基本模型如下(该模型是对污染物在水体中迁移转化过程的概化)：
N c c c c c c c u v w ( Ex ) (Ey ) ( EZ ) Se t x y z x x y y Z Z e 1
时间变化相
对流项
扩散项
分散作用
分子扩散、湍流扩散和弥散这三种作用均具相似的运动特征，可以看作 是由污染物的浓度梯度引起的运动，并均可用 Fick 第一定律描述。由于 这些模型中，无法仅由机理分析来确定分散系数的数值，因此属于灰箱 模型。分散系数只有根据实验结果来确定。由实验获得的结果表明，分 子扩散系数的数值在大气中的量级为 1.6×10-5m2/s；在河流中为 105m2/s ～ 10-4m2/s；湍流扩散系数的数值则要大得多，在大气中的量级 为 2×10-1 m2/s ～10-2m2/s (垂直方向) 和101 m2/s ～105m2/s (水平方 向)；在海洋中的量级为 2×10-5 m2/s ～10-2m2/s (垂直方向) 和102 m2/s ～104m2/s (水平方向)；在河流中的量级为10-2m2/s～100m2/s。 弥散作用只有在取湍流时平均值的空间平均值才发生，因此它大多发生 在河流中。一般在河流中弥散系数的数值量级101 m2/s ～104m2/s。
V-河流流速 Q河流流量 S污染物源（汇） K耗氧系数 C污染物浓度
V
dC Q(C 0 C ) S KCV dt
移流扩散方程
运用数学模型时采用的坐标系以污染物排放点为原点，x轴、y轴为水平 方向，其中x方向与主流方向一致，y方向与主流方向垂直，z轴铅直向上 污染物在水体中分布的基本模型如下：
Baidu Nhomakorabea
第三阶段（20世纪80年代中期至今）
1 1985年Cohen正式提出多介质模型，代表模型：多介质箱式模型、植物跟去模型、水生食物链积 累 模型、递度模型 2 代表河流模型有：一维稳态QUAL模型；动态WAPS模型得到进一步更新，为适用于河流、水库、河 口、海岸的通用 模拟框架，主要用于计算天然水体重金属分布形态 3 考虑水质模型与面源模型的对接 4 多种新技术方法，如：随机数学、模糊数学、人工神经网络、3s技术等引入水质模型研究
N c c c c c c c u v w ( Ex ) ( E y ) ( EZ ) Se t x y z x x y y Z Z e 1
u为x方向（纵向）水流速度； v为y方向（横向）随流速度； w为z方向（垂向）水流速度 Ex为x方向（纵向）扩散系数； Ey为y方向（横向）扩散系数； Ez为z方向（垂向）扩散系数 Se为污染物源、汇的强度


推流迁移是指在气流或水流作用下污染物产生的转移 作用。推流作用只改变污染物的位置而不改变污染物 的浓度。描写推流迁移运动状态的变量主要有污染物 浓度 c，气流或水流速度 u(ux，uy，uz)。 推流作用下，污染物在x，y，z 三个方向上的推流迁 移通量fx， fy，fz，分别可以用迁移通量模型求出：