教案--第5章 水质预测模型

水环境影响预测模型
水质模型的分类 按时间特性分类 动态模型 静态模型 按水域类型分：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 海湾水质模型 按描述水质组分的多少分类： 单一组分模型 多组分水质模型
按水质组分分类分： 耗氧有机物模型(BOD—DO模型)
单一组分的水质模型
难降解有机物水质模型
自顶端入口附近排入废水的狭长湖泊或循环利用湖水的小 湖，可以分别按各自的特点考虑。
污染源简化
污染源包括排放方式和排放规律的简化
点源 排放方式 面源 排放规律
连续恒定排放 非连续恒定排放
在预测中，通常可以把排放规律简化为连续恒定排放。
污染源简化
对于点源排放位置的处理，有如下情况： 排入河流的两排放口的间距较小时，可以简化为一个排放口， 其位置假设在两排放口之间，其排放量为两者之和； 排入小湖（库）的所有排放口可以简化为一个排放口，其排 放量为所有排放量之和； 排入大湖（库）的两排放口的间距较小时，可以简化为一个 排放口，其位置假设在两排放口之间，其排放量为两者之和； 无组织排放可以简化为面源，从多个间距很近的排放口分别 排放污水时，可以简化为面源。
河口的简化
河流交汇处 河口 河流感潮河段 河口外滨海段 湖、库汇合处 河流感潮段 受潮汐作用影响较明显的河段。可以将落潮时最大 断面平均流速与涨潮时最小断面平均流速之差等于 0.05m/s的断面作为其与河流的界线
河口的简化
简化方法： 除个别要求很高（如一级评价）的情况外，河流感潮段一 般可按潮周平均、高潮平均和低潮平均三种情况，简化为稳 态进行预测； 河流汇合部分可以分为支流、汇合前主流、汇合后主流三 段分别进行环境影响预测。小河汇入大河时，把小河看成点 源； 河流与湖泊、水库的汇合部分可以按照河流与湖泊、水库 两部分分别预测其环境影响； 河口断面沿程变化较大时，可以分段进行环境影响预测；
＝779.0m
所以混合过程段长度为779.0m。
稳态条件下基本模型的解析解

什么是稳态？ 1、河流河床截面积、流速、流量不随时间变化 2、污染物的输入量、弥散系数不随时间变化 3、河流无支流和其他排污口废水进入
河流的充分混合模型
Ch Qh CP QP C QE QP
式中：Qh－河水流量， m3/s； Ch－河水背景断的污染物浓度， mg/L； CP－废水中污染物的浓度， mg/L； QP－废水的流量， m3/s； C－完全混合的水质浓度， mg/L。
完全混合模型适用条件



稳态：河流为恒定流（流量、流速不随时间变化） 废水连续稳定排放 下游某点废水和河水在整个断面上达到了均匀混合 持久性的污染物 该河流无支流和其他排污口进入
例题：完全混合模型

计划在河边建一座工厂，该厂将以2.83m3/s的流量 排放废水，废水中总溶解固体（总可滤残渣和总不 可滤残渣）浓度为1300mg/L，该河流平均流速为 0.457m/，平均河宽为13.72m，平均水深为0.61m， 总溶解固体浓度为310mg/L，如果该工厂的废水排 入河中能与河水迅速混合，那么总溶解固体的浓度 是否超标（设标准为500mg/L）？


第1节 预测条件的确定
预测水质参数的筛选
对河流，可按下式将水质参数排序后从中选取预测 水质因子。
ISE=CpQp／(Cs-Ch)QhБайду номын сангаас
ISE-水质参数的排序指标 Cp-建设项目水污染物的排放浓度，mg/L Cs-水污染物的评价标准限值，mg/L Ch-评价河段污染物的浓度，mg/L Qp-建设项目的废水排放量，m3/s Qh-评价河段的流量，m3/s
河口外滨海段可视为海湾。
湖、库的简化
简化为大湖（库）、小湖（库）、分层湖（库） 简化方法 评价等级为1级时，中湖（库）可以按大湖（库）对待，停 留时间较短时也可以按小湖（库）对待； 评价等级为3级时，中湖（库）可以按小湖（库）对待，停 留时间很长时也可按大湖（库）对待；
评价等级为2级时，如何简化视具体情况而定；
ISE值是负值或越大，说明拟建项目排污对该项水质参数 的污染影响越大。
第1节 预测条件的确定
预测范围和预测点位的确定
预测范围与地表水环境现状调查的范围相同或略 小（特殊情况也可略大）。预测点的数量和位置 应根据受纳水体和建设项目的特点、评价等级以 及当地的环保要求确定。
预测点的确定


零维模型稳态解
C0 C Q kV / Q
稳态条件下的河流的零维模型
C0 C0 C x 1 kt 1 k( ) 86400u
式中：C－流出河段的污染物浓度，mg/L; C0-完全混合模型计算出的浓度值， mg/L; x－河段长度，m。 k-污染物的衰减速率常数 1/d； u－河水的流速，m/s; t－两个断面之间的流动时间。
预测方法与水质数学模型
预测方法
数学模式法：给出定量的预测结果。一般情况此方法较 简单，应首先考虑。
物理模型法：此方法能反映比较复杂的水环境特点，且 定量化程度较高，再现性好。但需要有相应的试验条件和 较多的基础数据，且制作模型要耗费大量的人力、物力和 时间。
类比分析法：此种预测方法属于定性或半定量性质。 专业判断法：定性地反映建设项目的环境影响。
第5章 地表水环境预测与影响评价
水质预测模型 河流水质模型 河口水质模型 湖库水质模型 水污染负荷预测 地表水影响评价
第1节 预测条件的确定

预测时段
地表水环境预测应考虑水体自净能力不同的各个时段（水 期）。通常将其划分为自净能力最小、一般、最大三个阶 段（如：枯水期、平水期、丰水期）。 一、二级评价，应分别预测水体自净能力最小和一般两个 时段的环境影响。冰封期较长的水域，当其水体功能为生 活饮用水、食品工业用水水源或渔业用水时，还应预测冰 封期的环境影响。 三级评价或二级评价时间较短时，可以只预测自净能力最 小时段的环境影响。
k1 x C ( x) C0 exp u
河流的一维模型 [考虑弥散的一维稳态模型]
u C C0 exp[ (1 m) x] 2D

4k1 D m 1 2 86400u
式中：C－下游某一点的污染物浓度， mg/L ； C0－完全混合断面的污染物浓度， mg/L；
例题：河流的零维模型

有一条比较浅而窄的河流，有一段长1km的河段， 稳定排放含酚废水1.0m3/s;含酚浓度为200mg/L， 上游河水流量为9m3/s，河水含酚浓度为0，河流 的平均流速为40km/d，酚的衰减速率常数k＝2 1/d，求河段出口处的河水含酚浓度为多少？
答案：21 mg/L
河流一维模型
一维模型稳态解
一维稳态模型的解：二阶线性偏微分方程
2C C Dx ux kC 0 2 x x
Dx u x k 0
2
C Ae Be
1 x
2 x
X＜0
X≥0
一维模型稳态解
对于不受潮汐影响的内陆河，扩散、离散相对于移流作 用很小，即Dx近似为0，所以，排污对于上游（x＜0） 的浓度变化没有影响，引起排污口下游河流污染物浓度 的变化为：
已确定的敏感点；
环境现状监测点；
水文条件和水质突变处的上、下游； 水源地，重要水工建筑物及水文站附近； 在河流混合过程段选择几个代表性段面； 排污口下游可能超标的点位附近。
河流简化
矩形平直河流、矩形弯曲河流、非矩形河流 具体简化方法如下： 河流断面宽深比≥20时，可视为矩形河流； 大中河流断面上水深变化很大且评价等级较高（如一级评 价）时，可以视为非矩形河流并应调查其流场？，其他情况 均可简化为矩形河流； 大中河流中，预测河段弯曲较大（如其最大弯曲系数＞1.3） 时，可视为弯曲河流，否则可以简化为平直河流； 小河可以简化为矩形平直河流； 河流水文特征或水质有急剧变化的河段，可在急剧变化之 处分段，各段分别进行简化。
重金属迁移转化水质模型
按水力学和排放条件分：稳态模型
非稳态模型
按水质模型的空间维数分类： 零维模型
一维模型 二维模型
三维模型
第2节 河流水质模型
河流完全混合模型、一维稳态模型、S-P模型（适用 于河流的充分混合段）
托马斯模型（适用于沉降作用明显的河流充分混合 段）
二维稳态混合模式和二维稳态衰减模式（适用于平 直河流的混合过程段） 二维稳态累积流量模式和二维稳态衰减累积流量模 式（适用于弯曲河流的混合过程段）
u－河水的流速，m/s；
D－x方向上的扩散系数， m2/s ； k1－污染物降解的速率常数（1/d）； x－下游某一点到排放点的距离，m。
河流的一维模型 [忽略弥散的一维稳态模型]
x C C0 exp(k1 ) 86400u

式中： C－下游某一点的污染物浓度，mg/L； C0－完全混合断面的污染物浓度，mg/L ；
河流简化
对于江心洲等按以下原则进行简化 ①评价等级为3级时，江心洲、浅滩等均可按无江心 洲、浅滩情况对待； ②评价等级为2级时，江心洲位于充分混合段，可以 按无江心洲对待； ③评价等级为1级且江心洲较大时，可分段进行简化， 江心洲较小时可不考虑，江心洲位于混合过程段， 可分段进行简化。 人工控制河流根据水流情况可以视其为水库，也可 以视其为河流，分段进行简化。
式中，B——河流宽度，m； a——排放口距岸边的距离，m；
1 2
u——河流断面的平均流速，m/s；
H——平均水深，m； g——重力加速度，9.8m/s2；
I——河流坡度，‰。
例题1：
一河段的K 断面处有一岸边污水排放口稳定地向河流排放 污水，其河水特征为：B=50.0m， H 均=1.2m，u=0.1m/s，
水深＞10m且分层期较长（如大于30天）的湖泊、水库可 视为分层湖（库）；
湖、库的简化
串联型湖泊可以分为若干区，各区分别按上述情况简化； 不存在大面积回流区和死水区且流速较快，水力停留时间 较短的狭长湖泊可简化为河流。其岸边形状和水文特征值变 化较大时还可以进一步分段； 不规则形状的湖泊、水库可根据流场的分布情况和几何形 状分区；
I=9‰，试计算混合过程污染带长度。
解: 混合过程段长度：
x
(0.4 B 0.6a) Bu
1 2
(0.058H 0.0065B)( gHI ) (0.4 50.0 0.6 0) 50.0 0.1 (0.058 1.2 0.0065 50.0) 9.8 1.2 9‰
u－河水的流速，m/s；
k1－污染物降解的速率常数（1/d）； x－下游某一点到排放点的距离，m。
例题：河流的一维模型

一个改扩工程拟向河流排放废水，废水量为 0.15 m3/s，苯酚浓度为30mg/L,河流流量为5.5 m3/s，流速为0.3 m/s，苯酚背景浓度为 0.5mg/L，苯酚的降解系数k＝0.2/d，纵向弥 散系数D为10 m2/s。求排放点下游10km处的苯 酚浓度。
当污染物在河流横向上达到完全混合后，分析污 染物在纵向即水流方向输移、转化的变化情况时用 一维模型
一维模型适用条件

河流充分混合段（河流横断面上达到完全混合）； 非持久性污染物（溶解态污染物）； 河流为恒定流； 废水连续稳定排放。 适用于符合一维动力学降解规律的一般污染物，如氰、酚、有机毒 物、重金属、BOD、COD等单项指标的污染物。
u x——x方向流速，m/s； B ——河流宽度，m； Ey——横向扩散系数，m2/s。
河中心排放
岸边排放
x=0.1uxB2/Ey
x=0.4uxB2/Ey
常用河流水质数学模型与适用条件
河流混合过程段长度
*河流混合过程段长度可由下式估算（经验公式）：
x (0.4B 0.6a) Bu (0.058H 0.0065B)( gHI )
污水注入点
完全混合点
背景段
混合段
均匀混合段
L
混合段总长度 污水注入点 背景段 均匀混合段 既是污水注入点，也是完全混合点
瞬间完全混合
污水注入点
背景段 混合段
没有完全混合点
L
混合段总长度
常用河流水质数学模型与适用条件
1. *河流混合过程段长度
预测范围内河段分充分混合段、混合过程段和排污口上游河段。 充分混合段：污染物浓度在断面上均匀分布的河段。当断面上任 意一点的浓度与断面平均浓度之差小于平均浓度的5％时，可以 认为达到均匀分布。 混合过程段：指排放口下游达到充分混合以前的河段。 河流混合过程段长度可由下式计算（理论公式）：