第四章地表水环境影响评价

dJ 0 dt
稳态扩散与非稳态扩散
• 非稳态扩散：通量J随时间而变化。
dJ 0 dt
• Fick 第二定律
Fick 第一定律
• 在稳态扩散的条件下，单位时间内通过垂直于扩 散方向的单位面积的扩散物质量（通称扩散通量）
与该截面处的浓度梯度成正比。
Jm

D
dc dx
• 扩散通量，J，atoms/(m2·s)或kg/(m2·s)
(3).考虑吸附作用 分配系数Kp的物理意义是在平衡状态下,某种物 质在固液两相间的分配比例。
Kp

X c
式中，c 溶解态浓度，mg/L
X 单位质量固体颗粒吸附的污染物量，mg/kg
K p 分配系数，L / mg
• (3).考虑吸附作用 • 对需区分溶解态浓度的污染物，可用下式计算
• 扩散系数，D，m2/s； • 浓度梯度，dc ，atoms/(m3·m)或kg/(m3·m) • “-”号表示扩dx散方向为浓度梯度的反方向，即扩散
由高浓度向低浓度区进行。
自然规律的相似性
• 热流，傅立叶定律， Q k dT dx
• 电流，欧姆定律， I dE
dx
•
物质流，费克定律，
• 一般情况
K DL Dt Dm
DL Dt Dm
一、水体中污染物的迁移与转化概 述
2.化学过程 ●氧化-还原反应 ●混凝沉淀-吸附 3.生物作用
二、河流中污染物的对流和扩散混合
• 垂向混合区 • 横向混合区 • 纵向混合区
三、海水中污染物的混合扩散
• 1.污水排入海水，污水层厚度通常为１～2m， 污水从排除口到它的前沿须行进１～２h．
D0 (DpQp DhQh ) /(Qp Qh )，溶解浓度
3.Steeter-Phelps 模式
临界氧亏点位置
xc

86400u K 2 K1
ln

K2 K1
1
D0 C0

K 2 K1 K1

氧垂曲线
氧垂曲线
4.河流二维水质模式
• （1）二维水质方程 • ① 顺直均匀河流。描述污染物的稳态二维对流扩散的
Jad cv
• 浓度变化，
c t
ad

J ad

(cv)
v 0, 不可压缩流体
dc v c dt ad
对流-扩散方程
c t
c t ad
c t dif
Jm
2.河流一维稳态水质模型
•
在稳态（
0 t
），忽略纵向离散作用，一
级反应动力学方程-Kc, 河流无侧旁入流，河流
断面面积为常数，上游来流量Qu, 上游来流水 质浓度cu, 污染源排放流量Qe, 污染物排放浓度 ce, 则上述微分方程的解为：
式 uc 中c0河 ce0 x流 p((流cuK速xQ，/u8m64c/0esQ0ue )) /(Qu Qe ); x 沿河流方向距离, m c 下游距排污口x距离处的水质浓度
式中：c—溶解态浓度,mg/L CT—总浓度, mg/L SS—悬浮固体浓度，mg/L
2.河流一维稳态水质模型
• （1）完全混合距离 在实际河流中，污染物从排污口排出后要 与河水完全混合需要一定的纵向距离，这 个距离称为混合长度。 当某一断面上任意点的浓度与断面平均浓 度之比介于0.95-1.05之间时，称该断面已 达到横向混合，由排放点至完成横向断面 混合的距离称为完全混合距离。
基本方程为：
u
c x

Mx
2c x 2

My
2c y 2

SK
若忽略纵向扩散项Mx
2c ，上式成为： x 2
c
2c
u x M y y2 Kc
横向扩散系数My可近似用下式估计：
M y y hu * y 横向混合无量纲常数
h—平均水深
u* g hJ
4.河流二维水质模式
Jm
D dc dx
Fick 第二定律
• 三维费克第一定律
Jm Dc i j k, 哈尔米顿算子
x y z
• 三维费克第二定律
c t

J m

D2c
2

2 x 2

2 y 2

2 z 2
,
拉普拉斯算子
对流
• 流体流动引起的物质通量
扩散面积与排放量之间的关系： lg A 1.226 lg Q 0.0855
三、海水中污染物的混合扩散
２.温排水 温排水入海后不久就和水体垂直混合均匀。温排 水一般只影响到浅表层2~4m。
3.溢油 溢油动力学过程一般划分为扩展过程和漂移过程 扩展过程：在溢油的最初数十小时内，扩展过程 占支配地位，这种支配地位随时间而逐渐变弱。 扩展过程主要受惯性力、重力、黏性力和表面张 力的控制。
• 岸边浓度为：
c( ,0)
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c
()1/ 2
exp

Kx u

（3）瞬时点源的河流二维模型 设定条件：河流为顺直均匀的一维河流，流 量为Q，横断面积为A，断面平均流速为 u=Q/A，瞬时源源强为M，
4.河流二维水质模式
c t
U
c x

DL
2c x 2
Kc
• （2）连续点源的河流水质模式
• 设定条件：河宽为B，在离岸边距离为ys处有一连 续点源，源强为QeCe。
c
/ c

exp
Kx u
(4 ) 1/ 2




n
exp
2n ps
4
p2
exp
(2n
ps
4
p)2

式中， M c x / Q2;
p qc / Q;
ps qcs / Q(相应于ys );
ca ce Qe / Q; n 河岸的反射次数。
4.河流二维水质模式
• 在岸边排放，即ys=0(ps=0)；上述方程成为：
c / c

exp
Kx ()1/2
u

n

exp


( p 2n)2
4

在大多数情况下可以忽略河岸反射的影响， 即n=0
c / c

exp
Kx ()1/2
u
exp
p2
4

4.河流二维水质模式
Mc
c qc


Kcmx
/u
式中，M c

mx
huM
，称为横向混合因子；
y
mx 河流纵向形状系数，mx 1；
u 断面平均流速。
设M c为常数，并用K / u近似代替K mx / u，则上式成为：
c x

Mc
2c qc 2

Kc
/u
4.河流二维水质模式
第二节 水环境影响预测方法
一、预测方法概述 预测方法分为三大类：数学模拟法、物理模
拟法和类比分析法。 （1）数学模拟法 利用水体净化机制的数学
模型预测水质的变化。 （2）物理模拟法 依据相似理论，在一定的
环境模型上进行水质模拟试验。 （3）类比分析法
二、预测条件确定
• （1）污水水质、水量 • （2）排污状况 分正常排放（或连续排放）
Jad
v c D2c
湍流扩散
• 湍流具有高扩散性，湍流中的扩散通量
J J ad J t Jm v c c' v' Dc
• 污染物浓度的时间演化
c J (cv) c' v' D2c
t
湍流扩散
• 类比分子扩散，将湍流通量模式化
3.Steeter-Phelps 模式
c

c0
exp


K1
x 86400



D

K1c0 K2 K1
exp


K1
x 86400u


exp

K2
x 86400u


D0
exp

K2
x 86400u

其中，c0 (cpQp ChQh ) /(Qp Qh ), BOD浓度
c'v' Dtc
Dt 湍流扩散系数 • 最后得到湍流扩散方程
c (cv) (K D)2c t
纵向离散
• 由于流场速度梯度而应起的纵向混合称为离散。 • 层流流场有离散作用，湍流流场也有离散作用。 • 均可采用费克定律的形式进行模式化:
Q

DL
c x
总的纵向扩散系数
(2)非点源
c cpQp chQh xWs
Q
xs 86.4Q
Q

Qp
Qh

Qs xs
x
式中，Ws——沿程河段内（x=0到x=xs)非点 源汇入的污染物总负荷量，kg/d；
Q—下游x距离处河段流量, m3/s ；
Qs—沿程河段内（x=0到x=xs)非点源汇入的 污染物总负荷量;
xs—控制河段总长度，km; x——沿程距离（0≤x≤xs), km
初始和边界条件：
c c
( x,0) (0, t )

0
c0
(t )
c(, t ) 0
式中，c0 M / Q

(t )

1 0
t 0 t 0
利用δ（t)函数的特性和拉氏变换，得到方程的解
c(x,t)
c0
4DL / u2
1/ 2
exp
2.河流一维稳态水质模型
河流一维水质模型通式
( Ac) T

(Qc) x

x

DL
A
c x


ASL

ASK
式中： A—河流断面面积 Q—河流流量 c—水质组分浓度 DL—纵向离散系数 SL—点源或非点源强度 SB—上游区域进入的源强 SK—动力学转化率，正为源，负为汇。
第四章 地表水环境影响评价
第一节 水体中污染物的迁移与转化 第二节 水环境影响预测方法 第三节 河流水质模型的应用 第四节 水质模型的标定 第五节 水质现状评价
第一节 水体中污染物的迁移与转化
一、水体中污染物的迁移与转化概述 1.物理过程——混合稀释和自然沉淀 混合作用主要有下面三部分作用构成 ●扩散(包括分子扩散和紊流扩散） ●移流 ●离散
2.河流一维稳态水质模型
• （2）混合长度的计算公式
(0.4B 0.6a)Bu
(0.4B 0.6a)Bu
L

(0.058H 0.0065B) gHI
Ey
式中，a 排放口距岸边距离
• 当评价河段长度大于混合长度时，既可采用 一维水质模型。当评价河段长度小于混合长 度时，应采用二维水质模型。
• ②用累计流量坐标表示的二维水质方程 • 累计流量的定义
y
mqqccy(y)距河一0流m岸横yh的断ud横面y 向的距形离状为系y数时；的累计流量；
u 当地垂向平均流速；
4.河流二维水质模式
• 引入累计流量坐标qc(y)，代替直角坐标y，得相 应的水质方程为：
c x

qc
三、海水中污染物的混合扩散
３.溢油 扩展过程分为三阶段：惯性-重力阶段；重力-黏性阶段；黏
性-表面张力阶段。扩展过程的一个明显特征是它的各向 异性，如在主风向上，油膜被拉长，在油膜的迎风面上形 成堆积等。 漂移过程是油膜在外界动力场（如风应力、油水界面切应力 等）驱动下的整体运动，其运动速度由三部分组成，即潮 流、风海流、风浪余流，其中前两者不会因油膜的存在而 发生大的变化。
Kx u


exp

x ut2
4DLt

四、湖泊水环境影响预测方法
• 1.湖泊、水库的盒式模型 • 以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程中，
往往可以把湖泊看作一个完全混合反应器，其基本方程 为：
Vdc dt
和不正常排放（瞬时排放、有限时段排放） 两种情况进行预测。 • （3）水文条件 枯水期、丰水期及冰冻期 • （4）模型参数和边界及初始条件
三、常用河流水质预测方法
1.正常设计条件下河流稀释混合模型 （1）点源 稀释混合方程
c cpQp Qp Qh
式中，c 完全混合的水质浓度，mg / L Qp 上游来水设计流量，m3/s cp 设计水质浓度，mg / L Qh 污水设计流量，m3/s ch 设计排水浓度，mg / L
分子扩散
分子扩散的定义：分子扩散是一种 由原子或分子热运动引起的物质 传输过程。或：原子或离子迁移 的微观过程以及由此引起的宏观 现象。 浓度场：
c f (X,t)
稳态扩散与非稳态扩散
• 稳态扩散：单位时间内通过垂直于给定方向的单 位面积的净原子数（称为通量）不随时间变化。
• Fick第一定律