水體中污染物濃度分布模型

1、污染物濃度分布模型水質(zhì)模型是一個(gè)用于描述物質(zhì)在水中混合、遷移等變化過(guò)程的數(shù)學(xué)方程,即描述水體中污染物與時(shí)間、空間的定量關(guān)系.水質(zhì)模型根據(jù)水域類型、水質(zhì)組分、水力學(xué)以及排放條件等不同因素劃分具有不同的分類.當(dāng)污染物排放入水體中后,會(huì)經(jīng)歷一個(gè)混合的過(guò)程,直至完全混合均勻,如圖1所示.污水完全注入點(diǎn)混率點(diǎn)背景段I混合段I均勻混合段L-既是污水注入點(diǎn)又是完全混合點(diǎn)瞬間完全混合背景段I均勻混合段污水注入點(diǎn)無(wú)完全混合點(diǎn)背景段I混合段圖1污染物排放入水體中混合示意圖在環(huán)境介質(zhì)中處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)和污染源穩(wěn)定排放的條件下,環(huán)境中的污染物分布狀況也是穩(wěn)定的.這時(shí),污染物在某一空間位置的濃度不隨時(shí)間變化,這種不隨時(shí)

2、間變化的狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài).基于水質(zhì)運(yùn)移、擴(kuò)散、物質(zhì)降解等根底理論,產(chǎn)生了眾多穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的水質(zhì)模型.下面將介紹四種主要的水質(zhì)模型以及各自的適用范圍：1 .完全混合模型完全混合模型適合無(wú)支流和其他排污口進(jìn)入的河流,下游某點(diǎn)廢水和和河水中的持久性污染物在整個(gè)斷面上到達(dá)了均勻混合.在最早出現(xiàn)的水質(zhì)完全混合斷面有：C-ChQhCPQPQeQp式中：Qh-河水流量,m3/s；Ch-河水背景段的污染物濃度,mg/LCp-廢水中污染物的濃度,mg/LQp-廢水的流量,m3/sC-完全混合的水質(zhì)濃度,mg/L2 .零維模型零維是一種理想狀態(tài),把所研究的水體如一條河流或一個(gè)水庫(kù)看成一個(gè)完整的體系,當(dāng)污染物進(jìn)入這個(gè)體系

3、后,立即均勻的分散到這個(gè)體系中,污染物的濃度不會(huì)隨時(shí)間的變化而變化.對(duì)于較淺、較窄的河流,如果不考慮污染物的降解時(shí),當(dāng)滿足以下兩個(gè)條件之一時(shí)的環(huán)境問(wèn)題可化為零維模型：(1)河水流量與污水流量之比大于20;(2)不需要考慮污水進(jìn)入水體的混合距離.此時(shí),有：C0C0C1kt1k(X)86400u式中：C-流出河段的污染物濃度,mg/LCo-完全混合模型計(jì)算出的濃度值,mg/Lx-河段長(zhǎng)度,mk-污染物的衰減速率常數(shù)1/du-河水的流速,m/st-兩個(gè)斷面之間的流動(dòng)時(shí)間3 .一維模型一維模型適用的假設(shè)條件是橫向和垂直方向混合相當(dāng)快,認(rèn)為斷面中的污染物的濃度是均勻的,或者是根據(jù)水質(zhì)治理的精確度要求不考

4、慮混合過(guò)程而假設(shè)在排污口斷面瞬時(shí)完成充分混合.一維模型適用于符合一維動(dòng)力學(xué)降解規(guī)律的一般污染物,如氟、酚、有機(jī)毒物、重金屬、BOD、COD等單項(xiàng)指標(biāo)的污染物.其中估算混合過(guò)程長(zhǎng)度十分重要,如果河段長(zhǎng)度大于以下計(jì)算結(jié)果時(shí),可以用一維模型進(jìn)行模擬：,(0.4B-0.6a)uBL二(0.058H0.0065B).gHI式中,L-混合過(guò)程的長(zhǎng)度B-河流寬度A-排放口距岸邊的距離u-河流斷面平均流速H-平均水深g-重力加速度,9.81m/s2I-河流坡度如果考慮彌散作用,一維穩(wěn)態(tài)模型的表達(dá)式為:d4kiDm=1+286400uu.C=C0exp元1-mx式中：C-下游某一點(diǎn)的污染物濃度,mg/LC0-完

5、全混合斷面的污染物濃度,mg/Lu-河水的流速D-x方向上的擴(kuò)散系數(shù),m2/sk1-污染物降解的速率常數(shù)(1/d)x-下游某一點(diǎn)到排放點(diǎn)的距離,m如不考慮彌散作用,那么有：xC=C0exp(k1)86400u式中：C-下游某一點(diǎn)的污染物濃度,mg/LC0-完全混合斷面的污染物濃度,mg/Lu-河水的流速,m/sk1-污染物降解的速率常數(shù)(1/d)x-下游某一點(diǎn)到排放點(diǎn)的距離,m4 .二維模型在利用數(shù)學(xué)模式預(yù)測(cè)河流水質(zhì)時(shí),充分混合段可以采用一維模式或零維模式預(yù)測(cè)斷面平均水質(zhì)；混合過(guò)程段需采用二維模式進(jìn)行預(yù)測(cè).混合過(guò)程段位于完全混合段之前,完全混合段是指污染物濃度在斷面上均勻分布的河段,當(dāng)斷面上任

6、意一點(diǎn)的濃度與斷面平均濃度之差小于平均濃度的5%時(shí),可以認(rèn)為到達(dá)均勻分布.污水進(jìn)入水體后,不能在短距離內(nèi)到達(dá)全斷面濃度混合均勻的河流均應(yīng)采用二維模型.在實(shí)際應(yīng)用中,水面平均寬度超過(guò)200m的河流均應(yīng)采用二維模型.二維模型包括二維穩(wěn)態(tài)模型以及二維衰減模型利用二維混合模型那么有：/、xCpQpuuy2一u(2B-y)2lc(x,y尸Ch+,<exp+expHjnMyxu工I4MyxJ_4MyxJj式中：x-預(yù)測(cè)點(diǎn)離排放點(diǎn)的距離,my-預(yù)測(cè)點(diǎn)離排放點(diǎn)的距離,mmg/Lc-預(yù)測(cè)點(diǎn)x,y處污染物的濃度,mg/Lcp-污水中污染物的濃度,mg/LQp-污水流量,m3/sch-河流上游污染物的濃度本底

7、濃度,H-河流平均水深,mMy-河流橫向混合彌散系數(shù),m2/Su-河流流速,m/sB-河流平均寬度,m冗-圓周率.一u(2B-y)exp-2uy4MyX,利用二維衰減模型那么有：,、xCpQp4Myxj|cx,y=expIKiCh：exp-86400UH二Myxu式中,x-預(yù)測(cè)點(diǎn)離排放點(diǎn)的距離,my-預(yù)測(cè)點(diǎn)離排放點(diǎn)的距離,mc-預(yù)測(cè)點(diǎn)x,y處污染物的濃度,mg/Lcp-污水中污染物的濃度,mg/LQp-污水流量,m3/sch-河流上游污染物的濃度本底濃度,mg/LH-河流平均水深,mMy-河流橫向混合彌散系數(shù),m2/Su-河流流速,m/sB-河流平均寬度,m冗-圓周率.5.計(jì)算機(jī)模型軟件近年來(lái)

8、,隨著計(jì)算機(jī)的開(kāi)展,相繼開(kāi)發(fā)了越來(lái)越多的模擬軟件,廣泛應(yīng)用在河流或流域的點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染的研究上,以便對(duì)污染物在水體中的變化規(guī)律和變化趨勢(shì)給出全面清楚的模擬結(jié)果.5.1 主要的點(diǎn)源模型計(jì)算天然水體流動(dòng)狀態(tài)下污染物重金屬和有機(jī)物的擴(kuò)散遷移及濃度分布的計(jì)算機(jī)模型相當(dāng)多.例如,WASP4、DYNTOX、SARAH-2、EXAMS-II、RIVER、PRZM、RIMOD、QUAL2E.其中WASP4和EXAMS-II等模型還能模擬水體和沉積物之間的相互作用,包括再懸浮、沉淀和擴(kuò)散等過(guò)程.下面重點(diǎn)介紹一下WASP模型.WASP(TheWaterQualityAnalysisSimulationProgr

9、am)是美國(guó)環(huán)保局Athens實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一種水質(zhì)分析模擬程序.它采用可變水質(zhì)組分模型研究方法,可進(jìn)行一維、二維和三維水質(zhì)分析模擬,同時(shí)采用開(kāi)放式設(shè)計(jì),用戶可隨意寫(xiě)入附加程序使之適應(yīng)于特殊條件.WASP4是WASP的第4版,它有兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)程序DYNHYD6和WASP4組成,兩個(gè)程序可以連接運(yùn)行,也可以分開(kāi)執(zhí)行.DYNHYD6是一個(gè)簡(jiǎn)單的“Link-mode網(wǎng)絡(luò)水力動(dòng)態(tài)模型,可以處理變化潮汐周期、風(fēng)力和不穩(wěn)定流動(dòng)的水力動(dòng)態(tài)學(xué),產(chǎn)生一個(gè)輸出文件,可以為WASP4提供流量和體積參數(shù).WASP4是水質(zhì)分析模擬程序,是一個(gè)動(dòng)態(tài)模型模擬體系,它基于質(zhì)量守恒原理,將研究的水質(zhì)組分在水體中以某種形式存在

10、.WASP4在時(shí)空上追蹤某種水質(zhì)組分的變化.它由兩個(gè)子程序組成,有毒化學(xué)物模型TOXI4(TheToxicChemicalModel)和富營(yíng)養(yǎng)化模型EUTRO4(EutrophicationModel),分別模擬兩類典型的水質(zhì)問(wèn)題：(1)傳統(tǒng)污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律(DO,BOD和富營(yíng)養(yǎng)化)；(2)有毒物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律(有機(jī)化學(xué)物、金屬、沉積物等).TOXI4是有機(jī)化合物和重金屬在各類水體中遷移積累的動(dòng)態(tài)模型,采用了EXAMS的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu),結(jié)合WASP遷移結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單的沉積平衡機(jī)理它可以預(yù)測(cè)溶解態(tài)和吸附態(tài)化學(xué)物質(zhì)在河流中的變化情況.EUTRO4采用了POTOMAC富營(yíng)養(yǎng)化的模型的動(dòng)力學(xué),結(jié)合WASP

11、遷移結(jié)構(gòu),該模型可預(yù)測(cè)DO、COD、BOD、富營(yíng)養(yǎng)化、碳、葉綠素a、氨、硝酸鹽、有機(jī)氮、正磷酸鹽等物質(zhì)在河流中的變化情況.5.2主要的非點(diǎn)源模型美國(guó)農(nóng)業(yè)部Knisel于1980年提出了CREAMS(Chemical,RunoffandErosionfromAgriculturalManagementSystems淞型,美國(guó)Purdue大學(xué)農(nóng)業(yè)工程系的BeasleyandHuggin于1981年提出了ANSWERS(ArealNonpointSourceWatershedEnvironmentResponseSimulation型.Willianms等人于1985年提出了SWRRB模型(Simu

12、latorforWaterResourcesinRuralBasins).Johanson于1981年提出了HSPF水文模型(HydrologicalSimulationProgram-FORTRAN),該模型能模擬流域任一點(diǎn)上徑流量、沉積物負(fù)荷和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度等隨時(shí)間的變化.1986年美國(guó)農(nóng)業(yè)部提出了AGNPS(AgriculturalNonpointSourcePollutionModel)模型,該模型能模擬來(lái)自農(nóng)業(yè)水體的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和沉積物負(fù)荷等等以HSPF模型為例,它具有十分全面的功能,文獻(xiàn)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值符合的很好.5.3 多介質(zhì)環(huán)境數(shù)學(xué)模型排放到環(huán)境中的污染物會(huì)在多介質(zhì)中進(jìn)行遷移、擴(kuò)散.80年代以來(lái),隨著人們對(duì)跨介質(zhì)環(huán)境問(wèn)題熟悉的不斷深化,開(kāi)始提出了多介質(zhì)環(huán)境數(shù)學(xué)模型,并得到了廣泛的開(kāi)展.1979年Mackay將逸度的概念引入多介質(zhì)環(huán)境數(shù)學(xué)模型,提出了逸度模型(Fugacitymodel),并開(kāi)展了模型計(jì)算機(jī)軟件,該模型已廣泛用來(lái)模擬有毒化學(xué)物質(zhì)在環(huán)境各相中的分布與遷移.如1983年Mackay等人用逸度模型對(duì)湖泊中的化學(xué)品在水、大氣、沉積物中的歸宿