1、1（五）地表水影响预测（五）地表水影响预测1.一般的原则一般的原则（1）在利用数学模型预测河流水质时：）在利用数学模型预测河流水质时：充分混合段充分混合段可采用可采用一维模型一维模型或或零维模型零维模型预测断面平均预测断面平均水质。水质。大、中河流一、二级评价，且在排放口下游大、中河流一、二级评价，且在排放口下游3-5km以以内有集中取水点或其他特别重要的环保目标时，均应内有集中取水点或其他特别重要的环保目标时，均应采用二维模型或其他模型预测混合过程段水质。采用二维模型或其他模型预测混合过程段水质。其他情况可根据工程、环境特点、评价工作等级及当其他情况可根据工程、环境特点、评价工作等级及当地环
2、保要求，决定地环保要求，决定是否采用是否采用二维模型。二维模型。2（2）河流水温和）河流水温和pH的预测的预测 河流河流水温水温可以采用一维模型预测断面平均值可以采用一维模型预测断面平均值或采用其他预测方法进行预测。或采用其他预测方法进行预测。pH视具体情况可以只采用零维模型预测。视具体情况可以只采用零维模型预测。3（3）小湖（库）小湖（库）可以采用零维数学模型预可以采用零维数学模型预测其平衡时的平均水质，测其平衡时的平均水质，大湖大湖应预测排放应预测排放口附近各点的水质。口附近各点的水质。（4）感潮河段、海湾）感潮河段、海湾42.河流和湖（库）水质预测河流和湖（库）水质预测 运用水质模型预测
3、河流水质时，常假设该河段运用水质模型预测河流水质时，常假设该河段内无支流，在预测时期内河段的水力条件是内无支流，在预测时期内河段的水力条件是稳态稳态的的且只在河流的起点有废水（或污染物）排入。且只在河流的起点有废水（或污染物）排入。在环境介质处于稳定流动状态和污染源连续排在环境介质处于稳定流动状态和污染源连续排放的条件下，环境中的污染物分布状况也是稳定的。放的条件下，环境中的污染物分布状况也是稳定的。这时，污染物在某一空间位置的浓度不随时间变化，这时，污染物在某一空间位置的浓度不随时间变化，这种不随时间变化的状态称为稳态。这种不随时间变化的状态称为稳态。这时这时5在某种条件下，如果所研究问题的
4、在某种条件下，如果所研究问题的时间尺度时间尺度大大，在这样一个时间尺度下的污染物浓度的平均，在这样一个时间尺度下的污染物浓度的平均值保持在相对稳定的状态下，这时，也可以通过值保持在相对稳定的状态下，这时，也可以通过取时间平均值取时间平均值，把，把动态问题动态问题按按稳态处理稳态处理。6Q,c0V,cQ,c（1）零维模型）零维模型 在某些特定条件在某些特定条件下，可以将所研究的下，可以将所研究的环境介质看作一个环境介质看作一个完完全混合的反应器全混合的反应器。在。在该空间的环境介质内，该空间的环境介质内，污染物是均匀分布的污染物是均匀分布的，即即在任何一个空间方在任何一个空间方向上都不存在浓度的
5、向上都不存在浓度的变化变化，进入的污染物进入的污染物能在瞬间内分散到空能在瞬间内分散到空间各部分间各部分。7 根据根据质量守恒原理质量守恒原理，可以写出反应器的平衡方，可以写出反应器的平衡方程，即零维模型：程，即零维模型：式中：式中：V反应器内介质的体积；反应器内介质的体积；Q进、出反应器的含污染物流体流量；进、出反应器的含污染物流体流量；c0输入介质中污染物浓度；输入介质中污染物浓度；c输出介质中污染物的浓度，即反应器中的输出介质中污染物的浓度，即反应器中的污染物浓度；污染物浓度；S污染物的源和汇；污染物的源和汇；r污染物的反应速度。污染物的反应速度。rVSQcQcdtdcV08对于一个对于
6、一个没有源、汇的反应器没有源、汇的反应器，即当，即当S=0时，上式可时，上式可以写成：以写成：如果污染物的反应符合如果污染物的反应符合一级反应动力学一级反应动力学的的衰减衰减规律，规律，即即r=-kc，则上式可以写作：，则上式可以写作：*式中，式中，k为污染物衰减速度常数。为污染物衰减速度常数。rVccQdtdcV)(0kcVccQdtdcV)(09小型湖泊（水库）小型湖泊（水库）在稳态条件下，在稳态条件下，得：，得：式中，式中，V/Q为水理论停留时间。为水理论停留时间。V库容；库容；Q进、出湖库含污染物流体流量；进、出湖库含污染物流体流量；k污染物的降解系数。污染物的降解系数。0dtdc10
7、例：一个库容例：一个库容1*105m3的水库，进水和出水流的水库，进水和出水流量为量为4*104m3/d，进水，进水BOD5=8mg/L，降解，降解系数系数k=0.5，河水可与库水迅速混合。求出，河水可与库水迅速混合。求出水的水的BOD5。c=3.6mg/L11（2）单纯混合模型）单纯混合模型 含污染物的废水排入河流，该河流无支流和其含污染物的废水排入河流，该河流无支流和其他排污口废水进入，在下游某点，如果废水和河水他排污口废水进入，在下游某点，如果废水和河水能在整个横断面上达到了能在整个横断面上达到了均匀完全均匀完全混合，则该点的混合，则该点的污染物浓度污染物浓度c可按下式计算。可按下式计算
8、。如果下游某点处于河流的混合段，废水和河水如果下游某点处于河流的混合段，废水和河水尚不能达到完全混合，则应采用式二维模型计算，尚不能达到完全混合，则应采用式二维模型计算，但但k=0。12例：河边拟建一工厂，排放含氯化物废水，例：河边拟建一工厂，排放含氯化物废水，流量流量2.83m3/s，含盐量，含盐量1300mg/L；该河平；该河平均流速均流速0.46m/s，平均河宽，平均河宽13.7m，平均水，平均水深深0.61m，含氯化物浓度，含氯化物浓度100mg/L。如该厂。如该厂废水排入河中能与河水迅速混合，问河水废水排入河中能与河水迅速混合，问河水氯化物能否超标（设地方标准为氯化物能否超标（设地方
9、标准为200mg/L）。）。c=609mg/L13（3）环境介质中污染物运动的基本模型）环境介质中污染物运动的基本模型 空气、水体和土壤等环境要素中随时发空气、水体和土壤等环境要素中随时发生着物质和能量的传递，可称这些要素为生着物质和能量的传递，可称这些要素为环境介质环境介质。空气和水体又称为流体介质。空气和水体又称为流体介质。污染物进入环境后，随着流体介质发生污染物进入环境后，随着流体介质发生推流迁移、分散稀释和降解转化推流迁移、分散稀释和降解转化运动。运动。14I 污染物在环境介质中的运动污染物在环境介质中的运动 i推流迁移推流迁移 在推流下，通过在推流下，通过x，y和和z方向的污染物质量
10、通量方向的污染物质量通量为：为：（1）式中式中ux,uy,uz在在x，y，z方向上环境介质流速方向上环境介质流速分量；分量；c污染物在环境介质中的浓度。污染物在环境介质中的浓度。15ii分散稀释分散稀释 污染物在环境介质中通过分散作用得到稀污染物在环境介质中通过分散作用得到稀释，分散的机理是：释，分散的机理是：分子扩散分子扩散、湍流扩散湍流扩散和和弥散作用弥散作用。在研究分散作用时，在研究分散作用时，假设污染物质点的动假设污染物质点的动力学特性与流体介质的质点一致力学特性与流体介质的质点一致。对于多数。对于多数能与流体介质混溶的分子态和胶体态的污染能与流体介质混溶的分子态和胶体态的污染物而言是
11、能满足这一要求的。物而言是能满足这一要求的。16 分子扩散分子扩散 分子扩散过程服从斐克（分子扩散过程服从斐克（Fick）第一定律，即分）第一定律，即分子扩散的质量通量与扩散物质的子扩散的质量通量与扩散物质的浓度梯度浓度梯度成正比：成正比：（2）式中式中 x，y，z方向的分子扩方向的分子扩散的污染物质量通量；散的污染物质量通量；Dm分子扩散系数；分子扩散系数；其余符号同前。其余符号同前。分子扩散是分子扩散是各向同性的各向同性的，式（，式（2）中的负号表示）中的负号表示质点的迁移指向负梯度方向。质点的迁移指向负梯度方向。17 湍流扩散湍流扩散 当流体的质点的紊流瞬时脉动速度为稳定的随当流体的质点
12、的紊流瞬时脉动速度为稳定的随机变量时，湍流扩散也可以用斐克第一定律描述：机变量时，湍流扩散也可以用斐克第一定律描述：（3）式中式中 x，y，z方向上湍流扩方向上湍流扩散的污染物质量通量；散的污染物质量通量；D1x,D1y,D1zx，y，z方向的湍流扩散系方向的湍流扩散系数；数；时段平均的污染物浓度。时段平均的污染物浓度。18 uu(t)时间时间tu（a）某空间位置的湍流流速）某空间位置的湍流流速u（t）与其时段平均流速）与其时段平均流速19 弥散作用弥散作用 弥散作用所导致的质量通量也可以用斐克第一定弥散作用所导致的质量通量也可以用斐克第一定律来描述：律来描述：（4）式中式中 x，y，z方向上
13、由弥散方向上由弥散作用所导致的污染物质量通量；作用所导致的污染物质量通量；D2x,D2y,D2zx，y，z方向上的弥散系数；方向上的弥散系数；湍流时平均浓度的空间平均值。湍流时平均浓度的空间平均值。在实际浓度计算中采用时段平均浓度的空间平均在实际浓度计算中采用时段平均浓度的空间平均值，通常认为值，通常认为 。20 u距离距离y uu（b）湍流时段平均流速与其空间平均流速）湍流时段平均流速与其空间平均流速21 常温下常温下分子扩散系数分子扩散系数Dm在水流中为在水流中为10-910-10m2/s，空气中为（，空气中为（1.41.8）*10-5 m2/s；湍流扩湍流扩散系数散系数D1x和和D1z在
14、海洋中分别为在海洋中分别为 10-210 m2/s和和 10-610-8 m2/s，在河流中为，在河流中为10-410-6 m2/s，在，在空气中分别为空气中分别为10-310 m2/s和和10-510-6 m2/s；湖；湖泊中泊中弥散作用弥散作用很小，而在流速较大的水体如河流很小，而在流速较大的水体如河流和河口中弥散作用很强，河流的弥散系数和河口中弥散作用很强，河流的弥散系数D2x在在10-210 m2/s左右，而河口的弥散系数很大，达到左右，而河口的弥散系数很大，达到10l03 m2/s。22iii降解和转化降解和转化 持久性污染物持久性污染物进入环境后，随着介质的推流迁进入环境后，随着介
15、质的推流迁移和分散稀释作用不断改变所处的空间位置，同移和分散稀释作用不断改变所处的空间位置，同时降低浓度，但其总量一般不发生改变。时降低浓度，但其总量一般不发生改变。非持久性污染物非持久性污染物进入环境后，除了随介质运动进入环境后，除了随介质运动改变空间位置和降低浓度外，还因降解和转化作改变空间位置和降低浓度外，还因降解和转化作用使浓度进一步降低（衰减）。用使浓度进一步降低（衰减）。23 II基本模型的推导基本模型的推导 i三维模型三维模型 设环境介质中任一点设环境介质中任一点P（x，y，z），在此点），在此点周围作一微元，其边长周围作一微元，其边长分别为分别为2dx，2dy,2dz。P点的流
16、速点的流速u（x，y，z），在三个方向上的分），在三个方向上的分量为量为ux，uy，和，和uz。c表示污染物的浓度。表示污染物的浓度。2dx2dy2dzP(x,y,z)xzy24则三个方向上的污染物质量通量为：则三个方向上的污染物质量通量为：xxxxxmmmmm4321yyyyymmmmm4321zzzzzmmmmm432125推流迁移推流迁移的通量为：的通量为：F1=u*c在三个方向上的分量分别为：在三个方向上的分量分别为：F1x=ux*c，F1y=uy*c，F1z=uz*c26 现将现将分子扩散分子扩散、湍流扩散湍流扩散和和弥散作用弥散作用项合并为项合并为扩散扩散弥散项弥散项。即。即（5）
17、（6）（7）简称简称Ex,Ey,Ez为为x,y,z方向的方向的扩散扩散弥散系数弥散系数或或混合系数混合系数。27扩散扩散弥散弥散作用在作用在x方向的质量通量为方向的质量通量为（8）在在y和和z方向的质量通量方向的质量通量 （9）在在x,y和和z方向的方向的总质量通量总质量通量 （10）28 在在x方向进入方向进入和和流出流出图中微元的物质通量为图中微元的物质通量为 两断面之间的通量差为两断面之间的通量差为 同样地，在同样地，在y和和z方向的通量差为和方向的通量差为和 在该微元中，无穷小时段内污染物质量的变化在该微元中，无穷小时段内污染物质量的变化为为)(4dxxFFdydzxx29根据根据质量
18、守恒定律质量守恒定律，得，得（11）将式将式1-10的关系带入的关系带入11中，得：中，得：（12）即即（13）或或（14）30考虑到环境流体介质中考虑到环境流体介质中由于物理、化学和生由于物理、化学和生物作用等引起污染物的增减物作用等引起污染物的增减，例如河流沿途的分，例如河流沿途的分散入流、出流，污染物的降解和沉降、扬起和吸散入流、出流，污染物的降解和沉降、扬起和吸附作用等；空气中其他污染源并入的污染物，地附作用等；空气中其他污染源并入的污染物，地面上植被和建筑物等地物吸收等，可将上述各项面上植被和建筑物等地物吸收等，可将上述各项合并作为一个附加的源合并作为一个附加的源汇项汇项S（x,y,
19、z,c,t）则式（则式（12）变为）变为 （15）31（五）地表水影响预测（五）地表水影响预测1.一般的原则一般的原则 2.河流和湖（库）水质预测河流和湖（库）水质预测（1）零维模型）零维模型（2）单纯混合模型）单纯混合模型（3）环境介质中污染物运动的基本模型）环境介质中污染物运动的基本模型 I 污染物在环境介质中的运动污染物在环境介质中的运动 II基本模型的推导基本模型的推导32i一维模型一维模型 如果污染物浓度如果污染物浓度只沿只沿x轴方向轴方向变化，在变化，在y轴轴和和z轴上浓度是均匀的，则式（轴上浓度是均匀的，则式（15）可以简化）可以简化为为一维模型一维模型。在均匀流场中在均匀流场中
20、ux和和Ex都可以作为常数，则都可以作为常数，则式（式（15）可以写作）可以写作（16）如果污染物的降解服从一级反应，在如果污染物的降解服从一级反应，在x方方向无其他源汇项，则向无其他源汇项，则S(x,c,t)=-kc。河水水质的模拟和预测常用一维模型河水水质的模拟和预测常用一维模型。-kc33ii二维模型二维模型 当在当在x和和y方向污染物的浓度都有变化时，方向污染物的浓度都有变化时，则式（则式（15）简化为）简化为二维模型二维模型：（17）大型的河流、河口、海湾、浅湖的水质大型的河流、河口、海湾、浅湖的水质模拟和预测，大气线源污染预测常用二维模模拟和预测，大气线源污染预测常用二维模型。型。
21、),(2222tcyxSycuxcuycExcEtcyxyx34（4）在）在稳态条件稳态条件下，一维模型在水环境预测中的应用下，一维模型在水环境预测中的应用 对于一般条件下的河流，对于一般条件下的河流，推流推流形成的污染物迁形成的污染物迁移作用要比移作用要比扩散扩散-弥散弥散作用大的多，在作用大的多，在稳态条件稳态条件下，下，扩散扩散-弥散弥散作用可以忽略，一维模型为：作用可以忽略，一维模型为：一维稳态模型在河流水质的模拟预测和规划中应一维稳态模型在河流水质的模拟预测和规划中应用较多的一类模型。用较多的一类模型。)411(2exp2x0ukEExuccxxx35例：一个改扩建工程拟向河流排放废
22、水，废水例：一个改扩建工程拟向河流排放废水，废水量量q=0.15m3/s，苯酚浓度为，苯酚浓度为30mg/L，河流，河流流量流量Q=5.5m3/s，流速，流速ux=0.3m/s，苯酚背景，苯酚背景浓度为浓度为0.5mg/L，苯酚的降解系数，苯酚的降解系数K=0.2d-1，纵向弥散系数纵向弥散系数Ex=10m2/s。假设下游无支流。假设下游无支流汇入，也无其他排污口，污水与河水迅速混汇入，也无其他排污口，污水与河水迅速混合。求排放点下游合。求排放点下游10km处苯酚浓度。处苯酚浓度。解：解：c0=1.28ug/L;c=1.19ug/L36（5）BOD-DO耦合模型耦合模型SP模型（最基本的）模型
23、（最基本的）基本假设：基本假设：BOD：DO：式中式中L河水中的河水中的BOD值；值；D河水中的氧亏量；河水中的氧亏量；k1河水中河水中BOD的衰减（耗氧）系数；的衰减（耗氧）系数；k2河流复氧系数；河流复氧系数；t河水流行时间。河水流行时间。37其解析解为：其解析解为：式中：式中：L0河流起始点的河流起始点的BOD值；值；D0河流起始点的氧亏值。河流起始点的氧亏值。38 上式表示河流的氧亏变化规律。如果以河流的上式表示河流的氧亏变化规律。如果以河流的溶解氧来表示，则溶解氧来表示，则式中：式中：c(O)河流中的溶解氧值；河流中的溶解氧值；c（Os）饱和溶解氧值，它是温度、盐饱和溶解氧值，它是温
24、度、盐度和大气压力的函数。度和大气压力的函数。在在101.32kPa压力下，淡水中的饱和溶解氧压力下，淡水中的饱和溶解氧浓度用下式表示：浓度用下式表示：T为温度为温度oC39上式称为上式称为S-P氧垂公式，根据该式绘制的溶解氧沿程变化曲氧垂公式，根据该式绘制的溶解氧沿程变化曲线（又称为氧垂曲线）见图，图中假设在排放点断面处污水线（又称为氧垂曲线）见图，图中假设在排放点断面处污水与河水完全混合。与河水完全混合。溶溶解解氧氧mg/Lt0污水排放点污水排放点D0氧垂曲线（氧垂曲线（DO）变化线）变化线DC复氧曲线复氧曲线耗氧曲线耗氧曲线t0tc流动时间流动时间饱和溶解氧浓度饱和溶解氧浓度c(Os)4
25、0溶溶解解氧氧mg/Lt0D0氧垂曲线（氧垂曲线（DO）变化线）变化线DC复氧曲线复氧曲线耗氧曲线耗氧曲线t0tc流动时间流动时间饱和溶解氧浓度饱和溶解氧浓度c(Os)41一般说，人们最关心的是溶解氧浓度最低点一般说，人们最关心的是溶解氧浓度最低点临界点。临界点。在临界点，河水的氧亏值最大，且变化在临界点，河水的氧亏值最大，且变化速率为零速率为零，则，则由此得：由此得：式中式中Dc临界点的氧亏值；临界点的氧亏值；tc由起始点到达临界点的流行时间。由起始点到达临界点的流行时间。42临界氧亏发生的时间临界氧亏发生的时间tc可以由下式计算可以由下式计算S-P模型在水质影响预测中应用最广，也可以用于模
26、型在水质影响预测中应用最广，也可以用于计算河段的最大容许排污量。计算河段的最大容许排污量。43练习：某河段流量练习：某河段流量Q216104m3 d-1，流速，流速v46km/d 水温水温T13.6 度，度，k10.94d1，k21.82d1。拟建项目排放。拟建项目排放Q110104m3/d，BOD5 为为500mg/L，溶解氧，溶解氧为为0的污水，上游河水的污水，上游河水BOD5为为0，溶解氧为，溶解氧为8.95 mg/L。若污水与河水迅速混合，求该。若污水与河水迅速混合，求该河段河段x6km 处河水的处河水的BOD5 和氧亏值。和氧亏值。44影影 响响 预预 测测 小小 结结（一）预测工作
27、的准备（一）预测工作的准备 1.预测条件的确定（范围、预测点确定、预测预测条件的确定（范围、预测点确定、预测时期、阶段）时期、阶段）（二）预测方法（二）预测方法（定性分析法定性分析法、定量预测法）、定量预测法）（三）污染源和水体的简化（三）污染源和水体的简化（四）（四）预测河段划分预测河段划分与混合过程段与混合过程段（五）地表水影响预测（五）地表水影响预测 1.一般的原则一般的原则45 2.河流和湖（库）水质预测（稳态）河流和湖（库）水质预测（稳态）（1）零维模型零维模型（2）单纯混合模型单纯混合模型 （3）环境介质中污染物运动的基本模型）环境介质中污染物运动的基本模型 推流迁移、分散稀释和降
28、解转化（定义）推流迁移、分散稀释和降解转化（定义）基本模型的推导（三维模型）基本模型的推导（三维模型）一维模型一维模型、二维模型、二维模型、BOD-DO耦合模耦合模型型SP模型模型46练习：练习：1、SP 模式模式CC0exp(-k1t)表征顺直河流水流表征顺直河流水流 。（1）恒定状态下无机盐类的衰减规律（）恒定状态下无机盐类的衰减规律（2）恒定状态下）恒定状态下需氧有机物的衰减规律需氧有机物的衰减规律（3）非恒定状态下无机盐的衰减规律（）非恒定状态下无机盐的衰减规律（4）非恒定状态）非恒定状态下需氧有机物的衰减规律下需氧有机物的衰减规律2、关于、关于SP 模式，下列说法正确的是模式，下列说
29、法正确的是。（1）是研究河流溶解氧与）是研究河流溶解氧与BOD 关系的最早的、最简单关系的最早的、最简单的耦合模型的耦合模型（2）其基本假设为氧化和复氧都是一级反应（）其基本假设为氧化和复氧都是一级反应（3）可以）可以用于计算河段的最大容许排污量用于计算河段的最大容许排污量（4）河流中的溶解氧不只是来源于大气复氧）河流中的溶解氧不只是来源于大气复氧473、下列对于点源一维水质模型、下列对于点源一维水质模型SP 模式的基本假模式的基本假设哪些说法正确设哪些说法正确。（1）氧化和复氧都是一级反应）氧化和复氧都是一级反应（2）反应速率常数）反应速率常数不是定常的不是定常的（3）反应的速率常数是定常的
30、）反应的速率常数是定常的（4）氧亏变化仅是水中有机物耗氧和通过液气界）氧亏变化仅是水中有机物耗氧和通过液气界面的大气复氧的函数面的大气复氧的函数484、一个拟建工厂，将废水经过处理后排入附近的一、一个拟建工厂，将废水经过处理后排入附近的一条河流中，已知现状条件下，河流中条河流中，已知现状条件下，河流中BOD5的浓度的浓度为为2.0mg/L，溶解氧浓度为，溶解氧浓度为8.0mg/L，河水水温为，河水水温为20oC，河流流量为，河流流量为14m3/s；排放的工业废水，；排放的工业废水，BOD5的浓度在处理前为的浓度在处理前为800mg/L，水温为，水温为20oC，流量为流量为3.5 m3/s，废水排放前经过处理使溶解氧浓，废水排放前经过处理使溶解氧浓度为度为4.0mg/L；假定废水与河水在排放口附近迅速；假定废水与河水在排放口附近迅速混合，混合后河道中平均水深达到混合，混合后河道中平均水深达到0.8m，河宽为，河宽为15.0m，参数，参数k1(20oC)=0.23d-1，k2(20oC)=3.0d-1，若河流溶解氧标准为若河流溶解氧标准为5.0mg/L，计算工厂排出废水，计算工厂排出废水允许进入河流的最高允许进入河流的最高BOD5浓度。浓度。
