水质模型与水环境容量(精)

水质模型与水环境容量

课程辅导

第四章 水质模型与水环境容量

1、污染物质在水中有哪些运动形式？

污染物质在水中运动的形式，可以分为两大类：一类是随流输移运动，一类是扩散运动。在随流输移运动中，污染物服从水体的总体流动特征，产生从一处到另一处的大范围运动（包括主流方向以及垂直主流方向）。而扩散运动则是使污染物质在水体中得到分散和混和的物理机制，按物理机制的不同，扩散运动包括分子扩散、紊动扩散和剪切流离散。此外，在工程实际当中遇到的水体大都是具有固体边界的（大面积水体中的局部污染问题除外），而污染物在边界附近，将产生所谓边界反射问题，而且这种反射作用往往对污染物的分布产生重要影响，不可忽略。

2、分子扩散运动的费克定律有哪些主要内容？

（1）费克（fick ）第一定律

费克（fick ）第一定律提出单位时间内，通过单位面积的溶解物质与溶质浓度在该面积法线方向的梯度成比例，扩散强度与污染物自身特性有关。 x

m x x c D Q ∂∂-= 式中：Q x 为在x 方向单位时间通过单位面积的扩散物质的质量简称通量；C 为扩散物质的浓度（单位体积流体中的扩散物质的质量）；x c ∂∂为扩散物质在x 方向的浓度梯度；D m 为分子扩散系数，与扩散物的种类和流体温度有关，具有[L 2/T]的量纲。式中的负号表示扩散物质的扩散方向为从高浓度向低浓度，与浓度梯度相反。

（2）费克（fick ）第二定律

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂=∂∂222222z c y c x c D t c m 上式即为各向同性情况下的三维分子扩散方程，是费克第二定律的特殊形

式。

3、移流扩散可分为哪些阶段？

从运动阶段上考察，移流扩散大致分为三个阶段：第一阶段为初始稀释阶段。该阶段主要发生在污染源附近区域，其运动主要为沿水深的垂向浓度逐渐均匀化。第二阶段为污染扩展阶段。该阶段中，污染物在过水断面上，由于存在浓度梯度，污染由垂向均匀化向过水断面均匀化发展。第三阶段为纵向离散阶段。该阶段中，由于沿水流方向的浓度梯度作用，以及断面上流速分布，出现了沿纵向的移流扩散，该扩散又反过来影响了断面的浓度分布，从而与第二阶段的运动相互作用。

4、如何求解水质模型？

水质模型主要有如下求解方法：

（1）理论解析解

将问题简化后，方程变为低维、低阶、线性的形式，可以用数理方程

中的标准方法进行求解，包括量纲分析方法、变量替换法、镜像法等。

（2）数值解法（数值模拟方法）

差分法、有限元方法、有限体积法等。数值模拟方法有许多优点，例如：可解决高阶非线性问题，不受场地和比尺限制，可在短时间内测试各种

可能方案等。而且由于当前计算机技术的高度发展，数值模拟方法有着更加

广阔的前景和应用范围。

（3）物理模型

这是传统的解决流体力学问题的方法，同样适用于水环境问题的解决。

在实物模型中，可以直接观测流动和扩散现象，测量所关心的污染物浓度分布。物理模型方法比较直观，而且对于一些未能建立数学方程的复杂问题，

只要抓住支配扩散的主要因素，即可得到较为符合实际的结果。该方法的不

足之处在于对概化的灵敏度较高，而且由于物理模型往往需要大量试验材料，

因此可能花费较多的经费。

（4）原型观测、类比分析

在天然流场中，对实际的污染物形成的浓度场进行观测。由于该方法较

之前面几种方法缺乏预测性，因此，一般用来确定解析方法或者数值模拟方法

中需要的扩散系数等参数，或用于验证物理模型和数学模型的可靠性及类似水

环境问题的类比分析。

5、如何理解镜像法？

镜像法，就是将边界当成虚拟的镜面，在边界的另一侧放置一个虚拟的污染源，其强度和与边界的距离与实际污染源完全相同，此时，边界就可以去掉，这样，我们就把解决边界反射问题转化为两个污染源的叠加问题。

要使用镜像法解决边界问题，需要满足边界处污染物“净通量为零”的条件，而虚拟污染源的放置正好满足这个基本条件。

6、试述水质模型的定义、研究目的及分类？

水质模型是一个用于描述污染物质在水环境中的混合、迁移过程的数学方程或方程组。求解方法很多，对于简单可解情况，可以求出其解析解；对于复杂情况，则可能采取数值解法。因此水质模型解的精度及可靠性不会超过其方程本身。

进行水质模型研究的主要目的，在现阶段主要是用于点源排放的纳污问题。随着社会的发展和水处理技术的进步，点源污染的影响相对变得越来越小，而非点源污染，例如农业和城市污染变得越来越重要，水质模型也向预测非点源污染问题发展。

根据具体用途和性质，水质模型的分类标准如下：

（1）以管理和规划为目的，水质模型可分为四类，即河流水质模型、河口水质模型（加入了潮汐作用）、湖泊（水库）水质模型以及地下水水质模型。其中河流水质模型研究比较成熟，有较多成果，且能更加真实的反映实际水质行为，因此应用比较普遍。

（2）根据水质组分，水质模型可以分为单一组分、耦合的和多重组分的三类。其中BOD－DO耦合模型能够较成功地描述受有机污染地水质变化情况。多组分水质模型比较复杂，它考虑地水质因素更多，例如水生生态模型等。

（3）根据水体的水力学和排放条件是否随时间变化，可以把水质模型分为稳态模型的和非稳态的模型。对于这两类模型，其研究的主要任务是模型的边界条件，即在何种条件下水质能够尽可能处于较好状态。稳态水质模型可以用于模拟水质的物理、化学和水力学过程；而非稳态模型则用于计算径流、暴雨过程中水质的瞬时变化。

（4）根据研究水质维度，可把水质模型分为零维、一维、二维、三维水质模型。其中零维水质模型较为粗略，仅为对于流量的加权平均，因此常常用作其他维度模型的初始值和估算值，而三维水质模型虽然能够精确反映水