1、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 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：),(tXfc 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 0dtdJ 非稳态扩散：通量J随时间而变化。Fick 第二定律0dtdJ 在稳态扩散的条件下，单位时
2、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。扩散通量，J，atoms/(m2s)或kg/(m2s)扩散系数，D，m2/s；浓度梯度，atoms/(m3m)或kg/(m3m)“-”号表示扩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。dxdcDJmdxdc 热流，傅立叶定律，电流，欧姆定律，物质流，费克定律，dxdTkQdxdEIdxdcDJm 三维费克第一定律 三维费克第二定律哈尔米顿算子,kjizyxcDJm拉普拉斯算子,22222222zyxcDJtcm 流体流动引起的物质通量 浓度变化，vcJadcv,0v)v(adadaddtdcc
3、Jtc不可压缩流体cDJtctctcmdifad2vJcad 湍流具有高扩散性，湍流中的扩散通量 污染物浓度的时间演化cDccJJJJmtadvvcDccJtc2)(vv 类比分子扩散，将湍流通量模式化 最后得到湍流扩散方程cDvctcDKctc2)()v(湍流扩散系数tD 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:xcDQL 一般情况mtLDDDKmtLDDD2.化学过程氧化-还原反应混凝沉淀-吸附3.生物作用 垂向混合区 横向混合区 纵向混合区 1.污水排入海水，污水层厚度通常为2m，污水从排除口到它的前沿须行进h
4、0855.0lg226.1lgQA的关系：扩散面积与排放量之间.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24m。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。.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，
5、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。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 （1）污水水质、水量（2）排污状况 分正常排放（或连续排放）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 /ppphpphhc QcQQcmg LQcmg LQcmg L3 33
6、 3式中，完全混合的水质浓度，式中，完全混合的水质浓度，上游来水设计流量，m/s上游来水设计流量，m/s设计水质浓度，设计水质浓度，污水设计流量，m/s污水设计流量，m/s设计排水浓度，设计排水浓度，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 xxs),km86.4pphhsssphsc Qc QxWcQxQQQQQxx 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。/ppXKccXKL mg式中，
7、溶解态浓度，mg/L式中，溶解态浓度，mg/L单位质量固体颗粒吸附的污染物量，mg/kg单位质量固体颗粒吸附的污染物量，mg/kg分配系数，分配系数，(3).考虑吸附作用 对需区分溶解态浓度的污染物，可用下式计算式中：c溶解态浓度,mg/L CT总浓度,mg/L SS悬浮固体浓度，mg/L6101SSKccpT（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。（2）混合长度的计算公式 当评
8、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。排放口距岸边距离式中，aEBuaBgHIBHBuaBLy)6.04.0()0065.0058.0()6.04.0()()LLKAcQccD AASASTxxx 在稳态（），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：0t距离处的水质浓度下游距排污口沿河流方向距离河流流速，式中xcmxsmuQQQcQccuKxcceueeuu,/);/()()86400/exp(0
9、0011 012022100exp86400expexpexp864008640086400()/(),()/()pphhphpphhphxccKK cxxxDKKDKKKuuucc QC QQQBODDD QD QQQ其中，浓度其中，浓度，溶解浓度，溶解浓度1120012121ln86400KKKCDKKKKuxc临界氧亏点位置（1）二维水质方程 顺直均匀河流。描述污染物的稳态二维对流扩散的基本方程为：22222x222yMKcMyM*u*xyKyyycccuMMSxxycxccuMxyhuhghJ若忽略纵向扩散项，上式成为：若忽略纵向扩散项，上式成为：横向扩散系数可近似用下式估计：横向扩散
10、系数可近似用下式估计：横向混合无量纲常数横向混合无量纲常数平均水深平均水深 用累计流量坐标表示的二维水质方程 累计流量的定义当地垂向平均流速；河流横断面的形状系数时的累计流量；距一岸的横向距离为umyqhudymyqycyyc0)(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：22/1/cxcccxyxxcxccccMKcmuxqqMmh u MmmuMK uK muccMKc uxq 式中，称为横向混合因子；式中，称为横向混合因子；河流纵向形状系数，；河流纵向形状系数，；断面平均流速。断面平均流速。设为常数，并用近似代替，则上式成为：设为常数，并用近似代替，则上式成为：（2
11、）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。河岸的反射次数。相应于式中，nQQccyQqpQqpQxMppnppnuKxcceeascssccnss;/);(/;/;/4)2(exp42exp)4(exp/2222/1 在岸边排放，即ys=0(ps=0)；上述方程成为：nnpuKxcc4)2(exp)(exp/22/1在大多数情况下可以忽略河岸反射的影响，即n=04exp)(exp/22/1puKxcc 岸边浓度为：uKxccexp)()0,(2/1（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
12、均流速为u=Q/A，瞬时源源强为M，0001)(/0),()(),0(0)0,(0022tttQMctctctcxcKcxcDxcUtcL式中，初始和边界条件：利用（t)函数的特性和拉氏变换，得到方程的解 tDutxuKxuDctxcLL4expexp/4),(22/120 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：VcrSQcQcdtVdccE)(V-湖泊中水的体积,m3Q-平衡时流入与流出湖泊的流量，m3/acE-流入湖泊的水中水质组份浓度，g/m3c湖泊中水质组分浓度，g/m3Sc-非点源的外部源或汇，m
13、3r(c)水质组分在湖泊中的反应速率。在无非点源的外部源和汇，Sc=0;且r(c)=-Kc，在稳态条件下,dc/dt=0,QVttKtccE/11水力停留时间，式中，2.湖泊（水库）的富营养化预测方法（1）Vollenweider负荷模型)1(RpTQLp式中，p磷的年平均浓度，mg/m3 L年总磷负荷/水面面积，mg/(a.m2)Q年入流量/水面积，m3/(a.m2)TR容积/年出流量，m3/(a.m3)（2）Dillon 负荷模型Dillon和Rigler 收集了南安达略湖等18个湖的数据，提出适合估算春季对流时期磷的湖内平均浓度的磷负荷模型：)1(RpTLp式中，p春季对流时期磷平均浓度
14、，mg/L 磷的滞留系数，Niiipqpq1001 q0湖泊出流流量，m3/a;p0出流磷浓度，mg/L;N入流源数目；qi由源i的入湖水量，m3/a;pI入流i的磷浓度，mg/L;mAV平均深度，,/1.潮汐河流一维水质预测模式（1）一维潮汐河流水质方程（2）一维潮平均的水质方程 对上式进行潮周平均：KBLxASSSAxcAExxQctAc)()()(潮平均径流量潮汐周期时间；式中，fKBLxfUTSASSAxcEAxxcUATcA)()()(3)一维潮平均方程的解析解 对于均匀的潮汐河流及水质组分为一级动力学反应的情形,潮平均稳态方程为:方程的形式解为:cKxcExcUxf潮平均流量式中，
15、ffxfeefxxfQKEQQccKEqEUJxJccUU2/1202/120/41/412)exp(/2.潮汐河口二维水质预测模式，负为汇。动力学转化率，正为源由边界输入的源强；直接的点源或非点源；纵向、横向系数流速垂向平均的纵向、横向水质组分浓度；式中，KBLyxKBLyxSSSEEvucSSSyctEyxctExxcvxcutc,)()(一、河流水质模型的选择河流及污染物特征适用的水质模式持久性污染物（连续排放）完全混合河段河流完全混合模式横向混合过程段（1）河流二维稳态混合模式（2）河流二维稳态累积流量模式沉淀作用明显的河段河流一维稳态模式，沉降作用近似为cKdtdc3非持久性污染物（
16、连续排放）完全混合河段河流一维稳态模式，一级动力学方程 横向混合阶段（1）河流二维稳态混合衰减模式（2）河流二维稳态累计流量衰减模式沉淀作用明显的河段河流一维稳态模式，考虑沉降作用的反应方程式为cKdtdc1cKKdtdc)(31溶解氧河流一维DO-BOD耦合模式瞬时源（或有限时段源）中、小河流河流一维准稳态模式（流量定常-污染负荷变化）大型河流河流二维稳态模式 水质模型中各个参数，包括K1、K2、Ex、Ey等的数值的确定，即为水质模型的标定。这些参数的估值可以单个进行，也可以同时进行；单个估值可以实测估值，应用经验式计算或借用类似水体的经验数据。一、混合系数估值 1.经验公式 （1）通用公式
17、:一个流量恒定、无河湾的顺直河段，如果河宽很大，而水深相对较浅，其垂向和横向混合系数Ez、Ey和纵向混合系数Ex可按下面的公式估算：式中：H平均水深，m u*-摩阻流速，m/s，u*=（gHI)1/2 I水力坡度 g重力加速度*HuEzz*HuEyy*HuExx 不同的河流条件下，系数x、y 变化很大。一般河流的 z 在0.067左右。y的情况较复杂，Fisher统计分析了许多矩形明渠资料，得出y=0.1-0.2，平均为0.15，有些灌溉渠道达0.25。我国根据一些实测数据，可得 Taylor公式 y=0.058H+0.0065B,B/H100 式中H、B分别为河流断面的平均水深和水面宽度。在
18、天然河流中，x的变化幅度很大，对于河宽15-60m的河流x=140-300。（2）爱尔德（Elder）公式（适用于河流）（3）Fischer纵向离散系数21)(93.5gHIHEx*/011.022huBuDL 2.示踪试验 示踪试验法是向水体中投放示踪物质，追踪测定其浓度变化，利用水力模型分析计算环境水力学参数。二、耗氧系数k1的估值 1.实验室测定修正法 （1）原理：实验室测定k1的理想方法是用自动BOD测定仪，描绘出要研究河段水样的BOD历程曲线。在没有自动测定仪时，可将同一种水样分10瓶或更多瓶放入20培养箱中培养，分别测定1到10天或更长时间的BOD值。根据)1(11tkBODBOD
19、ea用级数展开24)(6)(21 13121111tktktktketk又因为6.21)(6)(21)61(312111311tktktktktktk两式很接近，故311)61()(tktktyaBODtkktYtaaBODBOD)6()()(3/13/213/113/1或3/13/213/116,)(aaBODBODkbka令3111,6akabKaBOD则 （2）实验室测定值的修正 实验室测定的k1值可直接用于湖泊或水库的模拟，用于河流或河口需作修正。包士柯（R.Bosko，1966）年提出应按河流的纵向底坡、平均流速和水深对k1值进行修正。HuIkk/)5411.0(11 tkBODBO
20、Deac1,)1(11曲线利用BODetkBODBODaln1,1BBODABODtk 此法应用的条件是在断面A和B之间无废水和支流流入。为了减少测定误差，可多选几个断面，得到几个k1值，然后取平均。用以上方法求得的k1值，实际上包括了沉降和再悬浮耗氧速率（k3)。1.奥康纳-多宾斯（Oconner-Dobbins)公式：)17,)(294)20(2/32/12zmCHuDk度)17,824)20(25.125.05.02zmCHIDk度)17,)(294)20(2/32/12zmCHuDk度 式中，谢才系数 611HnCz 分子扩散系数Dm=1.77410-41.037(T-20)I河流底坡
21、 n河床粗糙度 H水深 u平均流速 2.欧文斯等人（Owens,etal)的经验公式 smuHuk/5.134.585.167.0)20(2度3.丘吉尔（Churchill)公式 smumHHuk/8.16.0,86.003.5673.1696.0)20(2度 在水质现状监测的基础上对地表水水质进行评价。1.评价标准 地表水的评价标准采用地表水环境质量标准（GB3838-2002）或相应地方标准。2.单因子评价指标 iiiSI/由于溶解氧和pH与其它水质参数的性质不同，其评价指数要特殊一些。溶解氧的评价指数*,DODODODODODODOjsjsjI*,910DODODODODOjjjI DO
22、s饱和溶解氧浓度 DOjj点的溶解氧浓度 *DO溶解氧的评价标准 pH的评价指数0.70.70.70.7,0.70.7,jsujjpHjsdjjpHpHpHpHIpHpHpHI 式中：IpH,j-j点的pH标准指数单元 pHjj点的pH监测值 pHsd评价标准中规定的pH下限 pHsu评价标准中规定的pH上限 水质参数的标准型指数单元大于“1”，表明该水质分数超过了规定的水质标准。已经不能满足使用功能的要求，名为超标。3.综合评价指数法 为了使监测得到的各种水质参数数据能综合反映水体的水质，可以根据水体水质数据的统计特点选用以下指数。幂指数法1,10,11miiijwijmijwIIIi加权平
23、均法1,11miiijmiijwIwI2/1121miijjImI向量模法算术平均值法miijImI11式中，Ijj点的综合评价指数 Wi水质分数i的权值 Ii水质分数i的指标（标准指数）m水质分数的个数 Iij污染物i在j点的水质指数 以上各指数中，幂指数法适用于各水质分数的标准指数相差较大的场合；加权平均法一般用在水质分数的标准指数相差不大的情况，而向量模法用于突出污染最重的水质分数的影响的情况。试根据S-P模型,证明当k1=k2时,浓度为起点的氧亏浓度和、；为临界氧亏发生的时间为氧亏；式中，BODLDtDkLDttktkLDcc001001101)exp()(湖泊是指天然形成的，水库是由
24、拦河筑坝形成的,它们的水流状况类似。其水力特征为湖流混合作用和波浪运动和波漾。（1）湖流：是指湖水在水力坡度、密度梯度和风力作用下产生沿一定方向的缓慢流动，湖流经常呈水平环状（湖水较浅场合）和垂直环状运动（湖水较深）（2）混合：指在风力和水力坡度作用下产生的湍流混合和由湖水密度差引起的对流混合作用。（3）波浪：主要由风引起，又称风浪。（4）波漾：是在复杂的外力作用下，湖中水位有节奏的升降变化。水在湖泊中的停留时间较长，一般可达数月至数年。湖泊中的化学和生物学过程保持一个比较稳定的状态。由湖泊中心至湖边，由于水深的不同而产生明显的水生植物分层，在浅水区生长挺水植物（茎叶伸出水面），如茭白，芦苇、
25、香蒲等，往深处，扎根湖底、但茎叶不露出水面的沉水植物，如苔草等。由于湖泊水库属于相对封闭的水环境，进入湖泊水库的营养物质在其中容易不断积累，致使湖泊发生富营养化。在水深较大的湖泊中，水温和水质是竖向分层的（图），随着一年四季的气温变化，湖泊水温的竖向分布也呈有规律的变化（图）。夏季气温高，湖库表层的水温也高，由于湖库的水流缓慢，上层的热量只能有扩散向下传递，因而形成自上而下的温度梯度，整个湖库处于稳定状态。秋末冬初，由于气温的急剧下降，使得湖泊表层的水温也急剧下降，同时导致表层水的密度的增加，当表层水的密度比地层水密度大时，就出现了水质的上下循环，这种水质循环称为翻塘，使湖库水质均匀分布。翻塘
26、现象也发生在春末夏初。与上述的湖泊水质特征相应，湖泊水质模型分为箱式模型、分层箱式模型和温度及水质竖向分布的分层模型。(1)污染物混合降解模型 对于停留时间很长、水质基本处于稳定状态的中小湖泊，可以简化为一个均匀混合的水体，其质量平衡方程表示为：污染物衰减速率常数出入湖、库流量，时间污染物的平均排入量污染物浓度湖库容积式中：KKWQtWVVQdtdV110VWdtdVQVQVWVQWqqWtVQWVQetttpptKKeeKWWKK则平衡浓度为，污染物浓度达到平衡时当时间足够长，湖库中则对于持久性污染物，则湖库中污染物起始浓度废水排放量浓度拟建项目废水中污染物现有污染物排入量式中：,0,0)1
27、()()(exp1100010011 溶解氧模型增氧量式中未考虑浮游植物的其它因素耗氧量鱼类耗氧速率鱼类密度素好氧总量湖库的生物和非生物因饱和溶解氧浓度污水中溶解氧浓度大气复氧系数式中：BrABrARRDORDODOVQdtdDOsDODODOKKs0022)()(水域宽阔的大湖，点污染源排入湖泊时，污染往往出现在入湖口附近水域。这时湖泊水质模型应考虑扩散作用，污染物在湖水中成圆锥形扩散，水质模型宜采用极坐标系。根据湖水中的移流和扩散过程，用质量平衡原理可得下列湖泊水质模型。扩散角扩散区平均水深度所求计算点的污染物浓的距离湖中某计算点离排污口排入湖中的废水量式中：HrqErrHqEdtdrrr
28、rr221)(积分：cacBODBODBODBODkdtddtd1)(1（1）有机物的好氧生物降解：呈一级反应 式中：BODct 时刻剩余碳化需氧量，mg/l BODa水中总的碳化需氧量，mg/l BODa已降解的BOD，mg/l k1碳化衰减速率系数，1/d t时间tkBODBODBODBODeaac11)()1(11tkBODBODea 水中氨氮氧化为硝酸盐的过程称为硝化作用，硝化反应也呈一级反应tkBODBODNNne 由于含氮有机物的降解过程中，硝化作用滞后于碳化需氧量衰减耗氧过程，故在一个水体中考虑碳化和硝化的总耗氧量时，式可写成：)1()(2tkBODBODBODBODNNnNe
29、温度对碳化和硝化速率常数的影响。)1()(2atkBODBODNNe 式中：a硝化滞后的时间 BODN水中总的硝化需氧量值，mg/l BODnt时刻剩余的硝化需氧量值，mg/l KN硝化速率系数，1/d 式中：1=1.047 T=10-35 N=1.08 T=10-3020120,1,1TTkk2020,TNNTNkk 水中的藻类和其他水生植物在光合作用停止后的呼吸作用耗氧，其耗氧的速率为RdtdBOD3R-水生植物呼吸消耗水中溶解氧的速率系数 底泥耗氧的主要原因是由于底泥中的耗氧物质返回到水中和底泥顶层耗氧物质的氧化耗氧，底泥耗氧的机理目前还尚未完全阐明。费尔用阻尼反应来表达底泥的耗氧速率：
30、ddBODbcBODBODkdtddtdb1)1(4 水体中的溶解氧被不断消耗的同时，大气中的氧气不断溶于水，水生植物的光合作用产氧等作用使水中的溶解氧水平得到一定程度的恢复。氧气由大气进入水体的传质速率与水体的氧亏量成正比。氧亏量D=DOs DO,这里DOs为该水温下水体的饱和溶解氧浓度，DO为水体中的溶解氧浓度。DDkdtd2 式中：k2大气复氧速率常数，是河流水深，流态及温度的函数。r大气复氧速率常数的温度系数，通常为1.0242020,2,2trTkk 光合作用的速率与光照强度成正比，平均为：式中：P-一天中产氧速率的平均值；o 光合作用产氧量。Ptp)(0 从理论上说，污染物在水体中
31、的迁移、转化过程要用三维水质模型来进行描述。但是，实际应用中多采用一维和二维模型。对于污染物浓度在河流断面上分布比较均匀的中小型河流，一般采用一维模型；对于污染物在垂向比较均匀而在纵向和横向分布不均匀的大河常采用二维模型，对于小型湖泊可采用更为简化的零维模型，即在该水体内污染物浓度是均匀分布的。1.完全混合模型零维模型 当废水排入河流后能与河水迅速完全混合时，则混合后的污染物浓度（o)为：式中：Q河流流量，m3/s 1 排污口上游河流中污染物浓度，mg/l 2 废水中污染物浓度，mg/l q 废水流量，m3/sqQqQ210 在河流流量和其它水力条件不变的稳定条件下，可以采用一维模型进行污染物
32、浓度预测。022kxuxExx 对于非持久性或可降解污染物，若给定X=0时，=0则上式的解：)411(2exp20 xxxxukEExu 对于多数河流，纵向弥散可以忽略：)exp(0 xukx式中：ux河流的平均流速，m/d或m/s Ex纵向混合系数，m2/s K污染物的衰减系数，1/d,1/s X河水从排污口向下游流径的距 离，m 河水中溶解氧浓度（DO）是决定水质洁净程度的重要指标之一，排入河流中的BOD在降解过程中不断消耗DO，而大气中的氧气不断向河水中复氧，1925年H.Streerer和E.Phelps提出了描述一维河流中BOD降解和DO消长变化规律的模型，简称S-P模型。即：BOD
33、BODkdtd1DBODDkkdtd21tkBODBODe10tkDtktkBODDeeekkk20210121tkDtktkBODDODDODOeeekkkss20210121021DBODDkkdtdcctkBODDekk1021)(1 ln1001121212BODDckkkkkkkt人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
