2015-0008水污染模拟预测和评价20151213

6
单纯混合河流水质模型
C C 0 Q0 C w q Q0 q
零维湖泊水质模型(P212 6-25)
Cn C0 Q 1 k u
n

1 kt '
C0
n
例 1：
河边拟建一工厂，排放含氯化物浓度1300mg/L 的废水，流量2.83m3/s；该河平均流速0.46m/s， 平均河宽13.7m，平均水深0.61m，含氯化物浓度 100mg/l。该厂废水排入河中能与河水迅速混合， 问河水氯化物是否超标？（氯化物的地方标准为 200mg/l）
2
污染物的转化降解过程
• • • • • 沉淀作用； 气液交换作用； 吸附作用； 化学转化； dC kC 生物作用---------dt C C0 e kt
水体中氧平衡
• 有机物降解耗氧 • 氨氮硝化耗氧 • 底泥耗氧 • 大气复氧
dC k1C dt
dC k N N dt
第八章水污染模拟、预测和评价
第一节
水环境污染环境行为 的基本概念
污染物质在河流中的混合与扩散
废水排入水体后，最先发生的过程是混合稀释。对大多数保 守污染物混合稀释是它们迁移的主要方式之一。对易降解污染物 混合稀释也是它们迁移的重要方式之一。水体的混合稀释、扩散 能力，与其水体的水文特征密切相关。
1
• 污水排入河流的入河口称为污水注入点。污水注入点以下的 河段，污染物在断面上的浓度分布是不均匀的，靠入河口一 侧的岸边浓度高，远离排放口对岸的浓度低。随着河水的流 逝，污染物在整个断面上的分布逐渐均匀。 • 污水注入点的上游称为初始段，或背景河段；污水注入点到 完全混合点之间的河段称为非均匀混合段；最早出现水质； 完全混合断面的位置称为完全混合点。 • 完全混合点的下游河段称为均匀混合段，污染物浓度在整个 断面上变为均匀一致的断面，称为水质完全混合断面
污染物在均匀流场中的扩散水质模型
污染物可以分为两大类：守恒污染物（惰性）和非守恒污染物。 守恒污染物：污染物进入环境以后，随着介质的运动不断地变 换所处的空间位置，还由于分散作用不断向周围扩散而降低其 初始浓度，但它不会因此而改变总量，不发生衰减。如重金属、 很多高分子有机化合物等。 非守恒污染物：污染物进入环境以后，除了随着环境介质流动 而改变位置，并不断扩散而降低浓度外，还因自身的衰减而加 速浓度的下降。这种污染物称为非守恒污染物。如在环境因素 的作用下，由于化学的或生物化学的反应而不断衰减的
等式两边除
x y z t 0 , 得：
c u x , y , z c x , y , z u x x x , y , z c x x , y , z x x t u y x , y , z c x , y , z u y x , y y , z c x , y y , z y u z x , y , z c x , y , z u z x , y , z z c x , y , z z z
分散作用由 x向进入微元的物质量： D X x , y , z 分散作用由 分散作用由 分散作用由 分散作用由 分散作用由
c x , y , z y z t x c x x , y , z x向流出微元的物质量： D X x x , y , z y z t x c x , y , z y向进入微元的物质量： D y x , y , z x z t y c x , y y , z y向流出微元的物质量： D y x , y y , z x z t x c x , y , z z 向进入微元的物质量： D z x , y , z x y t z c x , y , z z z 向流出微元的物质量： D z x , y , z z x y t z
10
对微元进行物料平衡： 微元的物料变化量 推流引起的变化量 分散引起的变化量 xyzc ux x, y, zcx, y, zyzt ux x x, y, zcx x, y, zyzt
cx, y, z cx x, y, z Dx x, y, z yzt Dx x x, y, z yzt x x
7Fra Baidu bibliotek
解：
C
C0Q0 Cw q Q0 q 100 0.46 13.7 0.61 1300 2.83 0.46 13.7 0.61 2.83

609mg / L 200mg / L
污染物质在河流中的扩散传质基本方程
污染物质在河流中的迁移总起来可分为两类，即推流 和扩散。推流也称平流、随流输移。推流是指污染物质随 水质点的流动一起移到新的位置。扩散可分为分子扩散、 湍流扩散、剪切流离散（弥散）和对流扩散。
当废水在岸边排入河流时，废水靠岸边向下游流去，经过相当长的 距离才能达到完全混合。在非均匀混合段的废水排入一侧的岸边形成 一个污染带。当完全混合距离无实测数据时，可参考下表确定。 表中列举出了许多河流在岸边集中排入废水时，污水与河水达到完 全混合所需的时间。经验统计的结果表明，所需时间与河水实际流速 的乘积为完全混合距离。
1．分子扩散
分子扩散是指物质分子的随机运动（即布朗运动）而 引起的物质迁移或分散现象。当水体中污染物质浓度分布 不均匀时，污染物质将会从浓度高的地方向浓度低的 地方移动。分子扩散过程服从 费克第一定律。 J E
x M
x
8
即以扩散方式通过单位截面积的质量流量与扩散物质 的浓度梯度成正比。 分子扩散系数一般很小。分子扩散引起的物质迁 移与其它因素引起物质迁移相比，分子扩散在水环境 影响评价中往往被忽略。 2．湍流扩散 当河流做湍流运动时，随机的湍流作用引起污染 物的扩散，称为湍流扩散。 湍流扩散所引起的污染物质量通量与浓度梯度成 正比。湍流扩散系数比 分子扩散系数大7～8个数量级。 因此，在河流中污染物的迁移 I x Ex 是以湍流为主的。
11
c uc uc uc c c c D X D y Dz t x y z x x y y z z 在均匀条件下u和D均为常数，则： c c c c 2c 2c 2c u x uy uz Dx 2 D y 2 Dz 2 t x y z x y z
dC R dt
dD k 2 D D Cs C Cs 饱和溶解氧 dt
dC P dt
• 藻类光合作用增氧
3
第二节
水污染混合和水质模型
河流水质模型
河流水质模型是描述水体中污染物随时间和空间 迁移转化规律的数学方程。 1、水质模型的分类： 按时间特性分：分为动态模型和静态模型。 描写水体中水质组分的浓度随时间变化的水质模 型称为动态模型。 描述水体中水质组分的浓度不随时间变化的水质 模型称为静态模型。
uz x, y, zcx, y, zxyt uz x, y, z zcx, y, z zxyt
uy x, y, zcx, y, zxzt uy x, y y, zcx, y y, zxzt


cx, y, z cx, y y, z Dy x, y, z xzt Dy x, y y, z xzt y x cx, y, z cx, y, z z Dz x, y, z xyt Dz x, y, z z xyt z z
按描述水质组分的多少分：分为单一组分和多组分 的水质模型。 水体中某一组分的迁移转化与其它组分没有关系， 描述这种组分迁移转化的水质模型称为单一组分的水 质模型。 水体中一组分的迁移转化与另一组分（或几个组 分）的迁移转化是相互联系、相互影响的，描述这种 情况的水质模型称为多组分的水质模型。
5
按水体的类型可分为：河流水质模型、河口水质模型 （受潮汐影响）、湖泊水质模型、水库水质模型和海 湾水质模型等。河流、河口水质模型比较成熟，湖、 海湾水质模型比较复杂，可靠性小。 按水质组分可分为：耗氧有机物模型（BOD—DO模 型） ，无机盐、悬浮物、放射性物质等 单一组分的水质模型，难降解有机物水质模型，重金 属迁移转化水质模型。
x
4．对流扩散 对流扩散指由于温度差或密度分层不稳定性面引 起的铅直方向对流运动所伴随的污染物迁移。
9
一维河流水质模型
z Δz (x,y,z) y Δx Δy
0
x
推流作用由x向进入微元的物质量： u x x, y, z c x, y, z yzt 推流作用由y向进入微元的物质量： u x, y, z c x, y, z xzt 推流作用由z向进入微元的物质量： u x, y, z cx, y, z xyt
c x , y , z c x x , y , z D x x x , y , z D x x , y , z x x x c x , y , z c x , y y , z D y x , y y , z D y x , y , z y x y c x , y , z c x , y , z z D z x , y , z D z x , y , z z z z z
4
按水质模型的空间维数分：分为零维、一维、二维、 三维水质模型。
零维的水质模型：把考察的水体看成是一个完全混合 反应器时，即水体中水质组分的浓度是均匀分布的 一维水质模型：描述水质组分的迁移变化在一个方向 上是重要的，另外两个方向上是均匀分布的 两维水质模型：描述水质组分的迁移变化在两个方向 上是重要的，在另外的一个方向上是均匀分布的 三维水质模型：描述水质组分迁移变化在三个方向进 行的水质模型。
推流作用由x向流出微元的物质量： u x x x, y, z c x x, y, z yzt 推流作用由y向流出微元的物质量： u x, y y, z cx, y y, z xzt 推流作用由z向流出微元的物质量： u x, y, z z cx, y, z z xyt
x
3．剪切流离散 当垂直于流动方向的横断面上流速分布不均匀或 者说有流速梯度存在的流动称为剪切流。剪切流离散 又称弥散，它是由于横断面上各点的实际流速不等而 引起的。 剪切流离散同样可以类比分子扩散，其引起的质 量通量可用下式表示： 式中 ：Dx——剪切流离散系 J x Dx 数，或称弥漫系数，m2／s。
一维稳定条件，再考虑降解和转化：
C 2C 0 u x Dx 2 k1C x x 2 C C 即： Dx 2 u x k1C 0 x x