水環(huán)境網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)課件

1、（五）地表水影響預(yù)測(cè)1.一般的原則（1）在利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)河流水質(zhì)時(shí)：充分混合段可采用一維模型或零維模型預(yù)測(cè)斷面平均水質(zhì)。大、中河流一、二級(jí)評(píng)價(jià)，且在排放口下游3-5km以內(nèi)有集中取水點(diǎn)或其他特別重要的環(huán)保目標(biāo)時(shí)，均應(yīng)采用二維模型或其他模型預(yù)測(cè)混合過(guò)程段水質(zhì)。其他情況可根據(jù)工程、環(huán)境特點(diǎn)、評(píng)價(jià)工作等級(jí)及當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求，決定是否采用二維模型。1（2）河流水溫和pH的預(yù)測(cè)河流水溫可以采用一維模型預(yù)測(cè)斷面平均值或采用其他預(yù)測(cè)方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。pH視具體情況可以只采用零維模型預(yù)測(cè)。2（3）小湖（庫(kù)）可以采用零維數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)其平衡時(shí)的平均水質(zhì)，大湖應(yīng)預(yù)測(cè)排放口附近各點(diǎn)的水質(zhì)。 （4）感潮河段、海灣32.河流和

2、湖（庫(kù)）水質(zhì)預(yù)測(cè) 運(yùn)用水質(zhì)模型預(yù)測(cè)河流水質(zhì)時(shí)，常假設(shè)該河段內(nèi)無(wú)支流，在預(yù)測(cè)時(shí)期內(nèi)河段的水力條件是穩(wěn)態(tài)的且只在河流的起點(diǎn)有廢水（或污染物）排入。 在環(huán)境介質(zhì)處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)和污染源連續(xù)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)間變化的狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)。這時(shí)4在某種條件下，如果所研究問(wèn)題的時(shí)間尺度大，在這樣一個(gè)時(shí)間尺度下的污染物濃度的平均值保持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下，這時(shí)，也可以通過(guò)取時(shí)間平均值，把動(dòng)態(tài)問(wèn)題按穩(wěn)態(tài)處理。5Q,c0V, cQ, c（1）零維模型 在某些特定條件下，可以將所研究的環(huán)境介質(zhì)看作一個(gè)完全混合的反應(yīng)器。在該空間的環(huán)境介質(zhì)內(nèi)

3、，污染物是均勻分布的，即在任何一個(gè)空間方向上都不存在濃度的變化，進(jìn)入的污染物能在瞬間內(nèi)分散到空間各部分。6 根據(jù)質(zhì)量守恒原理，可以寫(xiě)出反應(yīng)器的平衡方程，即零維模型：式中：V反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)的體積； Q進(jìn)、出反應(yīng)器的含污染物流體流量； c0輸入介質(zhì)中污染物濃度； c輸出介質(zhì)中污染物的濃度，即反應(yīng)器中的污染物濃度； S污染物的源和匯； r污染物的反應(yīng)速度。7對(duì)于一個(gè)沒(méi)有源、匯的反應(yīng)器，即當(dāng)S=0時(shí)，上式可以寫(xiě)成：如果污染物的反應(yīng)符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的衰減規(guī)律，即r = -kc，則上式可以寫(xiě)作： *式中，k為污染物衰減速度常數(shù)。8小型湖泊（水庫(kù)）在穩(wěn)態(tài)條件下， ，得：式中，V/Q為水理論停留時(shí)間。V庫(kù)容；

4、 Q進(jìn)、出湖庫(kù)含污染物流體流量； k污染物的降解系數(shù)。9例：一個(gè)庫(kù)容1*105m3的水庫(kù)，進(jìn)水和出水流量為4*104m3/d，進(jìn)水BOD5=8mg/L，降解系數(shù)k=0.5，河水可與庫(kù)水迅速混合。求出水的BOD5。c=3.6mg/L10（2）單純混合模型 含污染物的廢水排入河流，該河流無(wú)支流和其他排污口廢水進(jìn)入，在下游某點(diǎn)，如果廢水和河水能在整個(gè)橫斷面上達(dá)到了均勻完全混合，則該點(diǎn)的污染物濃度c可按下式計(jì)算。 如果下游某點(diǎn)處于河流的混合段，廢水和河水尚不能達(dá)到完全混合，則應(yīng)采用式二維模型計(jì)算，但k=0。11例：河邊擬建一工廠，排放含氯化物廢水，流量2.83m3/s，含鹽量1300mg/L；該河平均

5、流速0.46m/s，平均河寬13.7m，平均水深0.61m，含氯化物濃度100mg/L。如該廠廢水排入河中能與河水迅速混合，問(wèn)河水氯化物能否超標(biāo)（設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)為200mg/L）。c = 609mg/L12（3）環(huán)境介質(zhì)中污染物運(yùn)動(dòng)的基本模型 空氣、水體和土壤等環(huán)境要素中隨時(shí)發(fā)生著物質(zhì)和能量的傳遞，可稱這些要素為環(huán)境介質(zhì)?？諝夂退w又稱為流體介質(zhì)。 污染物進(jìn)入環(huán)境后，隨著流體介質(zhì)發(fā)生推流遷移、分散稀釋和降解轉(zhuǎn)化運(yùn)動(dòng)。13I 污染物在環(huán)境介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng) i推流遷移 在推流下，通過(guò)x，y和z方向的污染物質(zhì)量通量為：（1） 式中ux, uy, uz在x，y，z方向上環(huán)境介質(zhì)流速分量； c污染物在環(huán)境介質(zhì)中

6、的濃度。14ii分散稀釋 污染物在環(huán)境介質(zhì)中通過(guò)分散作用得到稀釋，分散的機(jī)理是：分子擴(kuò)散、湍流擴(kuò)散和彌散作用。 在研究分散作用時(shí)，假設(shè)污染物質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)特性與流體介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)一致。對(duì)于多數(shù)能與流體介質(zhì)混溶的分子態(tài)和膠體態(tài)的污染物而言是能滿足這一要求的。15分子擴(kuò)散 分子擴(kuò)散過(guò)程服從斐克（Fick）第一定律，即分子擴(kuò)散的質(zhì)量通量與擴(kuò)散物質(zhì)的濃度梯度成正比： （2）式中 x，y，z方向的分子擴(kuò)散的污染物質(zhì)量通量； Dm分子擴(kuò)散系數(shù)； 其余符號(hào)同前。 分子擴(kuò)散是各向同性的，式（2）中的負(fù)號(hào)表示質(zhì)點(diǎn)的遷移指向負(fù)梯度方向。16湍流擴(kuò)散 當(dāng)流體的質(zhì)點(diǎn)的紊流瞬時(shí)脈動(dòng)速度為穩(wěn)定的隨機(jī)變量時(shí)，湍流擴(kuò)散也可以用斐克

7、第一定律描述： （3）式中 x，y，z方向上湍流擴(kuò)散的污染物質(zhì)量通量； D1x, D1y, D1zx，y，z方向的湍流擴(kuò)散系數(shù)； 時(shí)段平均的污染物濃度。17 uu(t)時(shí)間t（a）某空間位置的湍流流速u（t）與其時(shí)段平均流速18彌散作用 彌散作用所導(dǎo)致的質(zhì)量通量也可以用斐克第一定律來(lái)描述：（4）式中 x，y，z方向上由彌散作用所導(dǎo)致的污染物質(zhì)量通量； D2x, D2y, D2zx，y，z方向上的彌散系數(shù)； 湍流時(shí)平均濃度的空間平均值。 在實(shí)際濃度計(jì)算中采用時(shí)段平均濃度的空間平均值，通常認(rèn)為 。19 u距離y uu（b）湍流時(shí)段平均流速與其空間平均流速20 常溫下分子擴(kuò)散系數(shù)Dm在水流中為10-

8、910-10m2/s，空氣中為（1.41.8）*10-5 m2/s；湍流擴(kuò)散系數(shù)D1x和D1z在海洋中分別為 10-210 m2/s和 10-610-8 m2/s，在河流中為10-410-6 m2/s，在空氣中分別為10-310 m2/s和10-510-6 m2/s；湖泊中彌散作用很小，而在流速較大的水體如河流和河口中彌散作用很強(qiáng)，河流的彌散系數(shù)D2x在10-210 m2/s左右，而河口的彌散系數(shù)很大，達(dá)到10l03 m2/s 。21iii降解和轉(zhuǎn)化 持久性污染物進(jìn)入環(huán)境后，隨著介質(zhì)的推流遷移和分散稀釋作用不斷改變所處的空間位置，同時(shí)降低濃度，但其總量一般不發(fā)生改變。 非持久性污染物進(jìn)入環(huán)境后

9、，除了隨介質(zhì)運(yùn)動(dòng)改變空間位置和降低濃度外，還因降解和轉(zhuǎn)化作用使?jié)舛冗M(jìn)一步降低（衰減）。22 II基本模型的推導(dǎo) i三維模型 設(shè)環(huán)境介質(zhì)中任一點(diǎn)P（x，y，z），在此點(diǎn)周圍作一微元，其邊長(zhǎng)分別為2dx，2dy, 2dz。 P點(diǎn)的流速u（x，y，z），在三個(gè)方向上的分量為ux，uy，和uz。 c表示污染物的濃度。2dx2dy2dzP(x,y,z)xzy23則三個(gè)方向上的污染物質(zhì)量通量為：24推流遷移的通量為：F1=u*c在三個(gè)方向上的分量分別為：F1x=ux*c ，F(xiàn)1y=uy*c ，F(xiàn)1z=uz*c25 現(xiàn)將分子擴(kuò)散、湍流擴(kuò)散和彌散作用項(xiàng)合并為擴(kuò)散彌散項(xiàng)。即 （5） （6） （7） 簡(jiǎn)稱Ex,

10、Ey, Ez為x, y, z方向的擴(kuò)散彌散系數(shù)或混合系數(shù)。26擴(kuò)散彌散作用在x方向的質(zhì)量通量為（8）在y和z方向的質(zhì)量通量 （9）在x, y和z方向的總質(zhì)量通量 （10）27 在x方向進(jìn)入和流出圖中微元的物質(zhì)通量為 兩斷面之間的通量差為 同樣地，在y和z方向的通量差為和 在該微元中，無(wú)窮小時(shí)段內(nèi)污染物質(zhì)量的變化為28根據(jù)質(zhì)量守恒定律，得 （11）將式1-10的關(guān)系帶入11中，得： （12）即 （13）或 （14）29考慮到環(huán)境流體介質(zhì)中由于物理、化學(xué)和生物作用等引起污染物的增減，例如河流沿途的分散入流、出流，污染物的降解和沉降、揚(yáng)起和吸附作用等；空氣中其他污染源并入的污染物，地面上植被和建筑物

11、等地物吸收等，可將上述各項(xiàng)合并作為一個(gè)附加的源匯項(xiàng)S（x, y, z, c, t）則式（12）變?yōu)?（15）30（五）地表水影響預(yù)測(cè)1.一般的原則 2.河流和湖（庫(kù)）水質(zhì)預(yù)測(cè)（1）零維模型（2）單純混合模型（3）環(huán)境介質(zhì)中污染物運(yùn)動(dòng)的基本模型 I 污染物在環(huán)境介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng) II基本模型的推導(dǎo)上節(jié)課內(nèi)容回顧31i一維模型 如果污染物濃度只沿x軸方向變化，在y軸和z軸上濃度是均勻的，則式（15）可以簡(jiǎn)化為一維模型。 在均勻流場(chǎng)中ux和Ex都可以作為常數(shù)，則式（15）可以寫(xiě)作（16） 如果污染物的降解服從一級(jí)反應(yīng)，在x方向無(wú)其他源匯項(xiàng)，則S(x, c, t) = - kc。河水水質(zhì)的模擬和預(yù)測(cè)常用一

12、維模型。 -kc32ii二維模型 當(dāng)在x和y方向污染物的濃度都有變化時(shí)，則式（15）簡(jiǎn)化為二維模型：（17） 大型的河流、河口、海灣、淺湖的水質(zhì)模擬和預(yù)測(cè)，大氣線源污染預(yù)測(cè)常用二維模型。33（4）在穩(wěn)態(tài)條件下，一維模型在水環(huán)境預(yù)測(cè)中的應(yīng)用 對(duì)于一般條件下的河流，推流形成的污染物遷移作用要比擴(kuò)散-彌散作用大的多，在穩(wěn)態(tài)條件下，擴(kuò)散-彌散作用可以忽略，一維模型為： 一維穩(wěn)態(tài)模型在河流水質(zhì)的模擬預(yù)測(cè)和規(guī)劃中應(yīng)用較多的一類模型。34例：一個(gè)改擴(kuò)建工程擬向河流排放廢水，廢水量q=0.15m3/s，苯酚濃度為30mg/L，河流流量Q=5.5m3/s，流速ux=0.3m/s，苯酚背景濃度為0.5mg/L，苯

13、酚的降解系數(shù)K=0.2d-1，縱向彌散系數(shù)Ex=10m2/s。假設(shè)下游無(wú)支流匯入，也無(wú)其他排污口，污水與河水迅速混合。求排放點(diǎn)下游10km處苯酚濃度。解：c0=1.28ug/L; c=1.19ug/L35（5）BOD-DO耦合模型SP模型（最基本的）基本假設(shè)：BOD：DO：式中L河水中的BOD值； D河水中的氧虧量； k1河水中BOD的衰減（耗氧）系數(shù)； k2河流復(fù)氧系數(shù)； t河水流行時(shí)間。36其解析解為：式中：L0河流起始點(diǎn)的BOD值； D0河流起始點(diǎn)的氧虧值。37 上式表示河流的氧虧變化規(guī)律。如果以河流的溶解氧來(lái)表示，則式中：c(O)河流中的溶解氧值； c（Os）飽和溶解氧值，它是溫度、鹽

14、度和大氣壓力的函數(shù)。 在101.32kPa壓力下，淡水中的飽和溶解氧濃度用下式表示： T為溫度oC38上式稱為S-P氧垂公式，根據(jù)該式繪制的溶解氧沿程變化曲線（又稱為氧垂曲線）見(jiàn)圖，圖中假設(shè)在排放點(diǎn)斷面處污水與河水完全混合。溶解氧mg/Lt0污水排放點(diǎn)D0氧垂曲線（DO）變化線DC復(fù)氧曲線耗氧曲線t0tc流動(dòng)時(shí)間飽和溶解氧濃度c(Os)39溶解氧mg/Lt0D0氧垂曲線（DO）變化線DC復(fù)氧曲線耗氧曲線t0tc流動(dòng)時(shí)間飽和溶解氧濃度c(Os)40一般說(shuō)，人們最關(guān)心的是溶解氧濃度最低點(diǎn)臨界點(diǎn)。在臨界點(diǎn)，河水的氧虧值最大，且變化速率為零，則由此得：式中Dc臨界點(diǎn)的氧虧值； tc由起始點(diǎn)到達(dá)臨界點(diǎn)的

15、流行時(shí)間。41臨界氧虧發(fā)生的時(shí)間tc可以由下式計(jì)算S-P模型在水質(zhì)影響預(yù)測(cè)中應(yīng)用最廣，也可以用于計(jì)算河段的最大容許排污量。42練習(xí)：某河段流量Q216104m3 d-1，流速v46km/d 水溫T13.6 度，k10.94d1，k21.82d1。擬建項(xiàng)目排放Q110104m3/d，BOD5 為500mg/L，溶解氧為0的污水，上游河水BOD5為0，溶解氧為8.95 mg/L。若污水與河水迅速混合，求該河段x6km 處河水的BOD5 和氧虧值。43影 響 預(yù) 測(cè) 小 結(jié)（一）預(yù)測(cè)工作的準(zhǔn)備1.預(yù)測(cè)條件的確定（范圍、預(yù)測(cè)點(diǎn)確定、預(yù)測(cè)時(shí)期、階段）（二）預(yù)測(cè)方法（定性分析法、定量預(yù)測(cè)法）（三）污染源和

16、水體的簡(jiǎn)化（四）預(yù)測(cè)河段劃分與混合過(guò)程段（五）地表水影響預(yù)測(cè)1.一般的原則442.河流和湖（庫(kù)）水質(zhì)預(yù)測(cè)（穩(wěn)態(tài)）（1）零維模型（2）單純混合模型 （3）環(huán)境介質(zhì)中污染物運(yùn)動(dòng)的基本模型推流遷移、分散稀釋和降解轉(zhuǎn)化（定義）基本模型的推導(dǎo)（三維模型）一維模型、二維模型、BOD-DO耦合模型SP模型45練習(xí)：1、SP 模式CC0exp(-k1t)表征順直河流水流 。（1）恒定狀態(tài)下無(wú)機(jī)鹽類的衰減規(guī)律（2）恒定狀態(tài)下需氧有機(jī)物的衰減規(guī)律（3）非恒定狀態(tài)下無(wú)機(jī)鹽的衰減規(guī)律（4）非恒定狀態(tài)下需氧有機(jī)物的衰減規(guī)律2、關(guān)于SP 模式，下列說(shuō)法正確的是 。（1）是研究河流溶解氧與BOD 關(guān)系的最早的、最簡(jiǎn)單的耦合模型（2）其基本假設(shè)為氧化和復(fù)氧都是一級(jí)反應(yīng)（3）可以用于計(jì)算河段的最大容許排污量（4）河流中的溶解氧不只是來(lái)源于大氣復(fù)氧463、下列對(duì)于點(diǎn)源一維水質(zhì)模型SP 模式的基本假設(shè)哪些說(shuō)法正確 。（1）氧化和復(fù)氧都是一級(jí)反應(yīng) （2）反應(yīng)速率常數(shù)不是定常的（3）反應(yīng)的速率常數(shù)是定常的（4）氧虧變化僅是水中有機(jī)物耗氧和通過(guò)液氣界面的大氣復(fù)氧的函數(shù)474、一個(gè)擬建工廠，將廢水經(jīng)過(guò)處理后排入附近的一