《湖庫水環(huán)境數(shù)值模型構(gòu)建技術(shù)規(guī)范》

ICS

CCS

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

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湖庫水環(huán)境數(shù)值模型構(gòu)建技術(shù)規(guī)范

Technicalstandardforestablishingmathematicalwaterenvironmentmodels

oflakeandreservoir

（征求意見稿）

20□□-□□-□□發(fā)布20□□-□□-□□實(shí)施

中華環(huán)保聯(lián)合會(huì)發(fā)布

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1適用范圍

本文件規(guī)定了湖泊、水庫進(jìn)行以水質(zhì)評(píng)估、分析、預(yù)測(cè)為目的數(shù)值模型選擇、資料收集、

構(gòu)建、率定驗(yàn)證、模擬計(jì)算及結(jié)果合理性分析等工作方面的技術(shù)要求。

本文件適用于大型水庫（含大型水電工程、大型水利樞紐工程）、深水型湖泊的水質(zhì)演

化過程數(shù)值模擬相關(guān)工作。

本文件適用于湖泊、水庫水質(zhì)的常規(guī)數(shù)值分析、水質(zhì)突發(fā)事件應(yīng)急分析及水質(zhì)專項(xiàng)研究

分析。

中小型水庫、淺水湖泊可參照使用。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期

的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括

所有的修改單）適用于本文件。

GB3838地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

GB/T25173水域納污能力計(jì)算規(guī)程

SL/T278水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范

NB/T10233水電工程水文設(shè)計(jì)規(guī)范

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

湖庫水質(zhì)waterqualityofreservoirsandalakes

湖泊、水庫水體在環(huán)境作用下表現(xiàn)出來的綜合特征，即水體的物理性質(zhì)和化學(xué)成分。

3.2

水質(zhì)數(shù)值模型mathematicalmodelofwaterquality

描述水體中水質(zhì)變化規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，以物質(zhì)守恒原理為基礎(chǔ)，反映污染物排放與水

體質(zhì)量的定量關(guān)系，主要用于水體污染特性、水體納污容量的研究和水質(zhì)預(yù)測(cè)。

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3.3

缺氧區(qū)anoxiczone

水體中的溶解氧（DO）濃度小于2.0mg/L的區(qū)域。

4湖庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬的基本流程

圖1湖庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬基本流程圖

4.1現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

針對(duì)需要開展數(shù)學(xué)模擬的湖庫對(duì)象，開展必要的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。根據(jù)數(shù)值模擬工作需要，開

展詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集。

4.2模擬對(duì)象水動(dòng)力學(xué)、水質(zhì)狀況初步分析

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針對(duì)需要開展數(shù)學(xué)模擬的湖庫對(duì)象，開展水動(dòng)力學(xué)、水質(zhì)特征初步分析，結(jié)合模擬工作

的目的和需求，初步判斷能體現(xiàn)模擬對(duì)象水動(dòng)力學(xué)、水質(zhì)特征的關(guān)鍵時(shí)段、過程和區(qū)域等。

4.3湖庫水質(zhì)模擬數(shù)值模型選擇

針對(duì)需要開展模擬的湖庫對(duì)象及模擬工作目的，選擇適當(dāng)?shù)乃h(huán)境數(shù)值模型。

4.4數(shù)值模型的構(gòu)建

根據(jù)模擬對(duì)象湖庫的基本特征、模擬工作的技術(shù)要求，開展模擬區(qū)域的概化，確定模擬

工作的初始條件、邊界條件、模擬工況、模擬精度等。

4.5湖庫水環(huán)境數(shù)值模型參數(shù)的確定、率定與驗(yàn)證

確定模型所需的主要參數(shù)取值，選取區(qū)域?qū)崪y(cè)水文、水質(zhì)數(shù)據(jù)，對(duì)構(gòu)建的數(shù)值模型開展

率定和驗(yàn)證工作，修正模型主要參數(shù)取值。

4.6湖庫水體水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬

在率定驗(yàn)證后的模型基礎(chǔ)上，針對(duì)數(shù)學(xué)模擬的工作目的及設(shè)定模擬因子、邊界條件，確

定模擬工況，對(duì)湖庫水體水質(zhì)開展數(shù)學(xué)模擬。

4.7湖庫水體水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬結(jié)果合理性分析

對(duì)模型模擬的水質(zhì)結(jié)果展開合理性分析，確定結(jié)果的可用性和準(zhǔn)確性。

5模型的基礎(chǔ)資料要求

5.1基本要求

開展湖庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬前，應(yīng)以湖庫所在流域區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)，收集湖庫所在流域區(qū)域的基

礎(chǔ)資料，主要包括但不限于下列內(nèi)容：湖庫基本情況、自然地理、氣象水文、湖庫水下地形、

湖庫水質(zhì)狀況、湖庫水質(zhì)管理要求、污染源基本情況等。

5.2基礎(chǔ)資料要求

5.2.1湖庫基本情況資料主要包括湖泊地理位置、水庫建設(shè)地點(diǎn)、湖庫規(guī)模、水庫開發(fā)方式、

湖庫水文基本情況、水位變動(dòng)特征、水庫運(yùn)行調(diào)度方案等。

5.2.2自然地理資料主要包括地形地貌圖、水系圖，河流特征，流域面積，土地利用，水資

源分區(qū)、水文地質(zhì)資料等。

5.2.3氣象水文資料主要包括湖庫周邊的氣象與水文站名錄和分布圖及相應(yīng)站點(diǎn)的氣象水

文資料，包括降水量、蒸發(fā)量，實(shí)測(cè)和天然徑流系列、河流水沙參數(shù)等。

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5.2.4湖庫形態(tài)資料主要包括湖（庫）盆形態(tài)，湖庫流態(tài)，湖泊水下地形基本特征，水下地

形或斷面地形數(shù)據(jù)等。

5.2.5水環(huán)境基礎(chǔ)資料主要包括湖庫所在區(qū)域的國(guó)控、省控水質(zhì)斷面分布情況、水質(zhì)狀況、

達(dá)標(biāo)情況、水功能區(qū)劃及水質(zhì)目標(biāo)、排污口位置、排放特點(diǎn)、污水排放量、排放濃度、主要

污染物等。

5.2.6水資源開發(fā)利用資料主要包括湖庫既有取水口、引水口、飲用水水源保護(hù)區(qū)基本情況、

湖庫水資源開發(fā)利用情況、取用水戶分布及開發(fā)利用情況，取用水過程等。

5.2.7一致性及可靠性分析。對(duì)收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行數(shù)據(jù)一致性分析。應(yīng)明確模型采用

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的來源，保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性。

6湖庫水體水動(dòng)力學(xué)、水質(zhì)狀況初步分析

6.1湖庫水體水動(dòng)力學(xué)狀況分析

6.1.1應(yīng)根據(jù)模擬湖庫的水系、位置、面積、容積、幾何形態(tài)、主要功能、人為運(yùn)行調(diào)度方

式、所在區(qū)域氣象特征等，初步分析湖庫水動(dòng)力學(xué)總體特征。

6.1.2展開分析的湖庫水動(dòng)力學(xué)總體特征可包括湖庫水體的水量平衡狀況和水動(dòng)力學(xué)主要特

點(diǎn)。

6.1.3湖庫水體的水量平衡狀況包括水體的總?cè)莘e、年內(nèi)容積變化情況、水量補(bǔ)給來源、補(bǔ)

給方式和補(bǔ)給量，水量泄放去向、泄放方式和泄放量、水體蒸發(fā)滲漏量、水體置換率等。

6.1.4湖庫水體的水動(dòng)力學(xué)主要特點(diǎn)包括水體水面寬度、特征水位、年內(nèi)水位和水面寬度變

化情況、水體總體流場(chǎng)分布特征、流動(dòng)特征等。

6.1.5開展湖庫水體水動(dòng)力學(xué)狀況分析時(shí)應(yīng)特別關(guān)注可能引起水體水動(dòng)力學(xué)顯著變化的關(guān)鍵

區(qū)域，如水體匯合口、泄水口、地形顯著變化處等。

6.2湖庫水質(zhì)狀況初步分析

6.2.1應(yīng)根據(jù)模擬湖庫的來水水質(zhì)狀況、模擬水體水質(zhì)狀況、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)情況、水體主要

污染因子、水體匯水區(qū)污染特征、水體內(nèi)源污染狀況等，初步評(píng)估水體水質(zhì)狀況。

6.2.2應(yīng)根據(jù)模擬湖庫水體水動(dòng)力學(xué)狀況分析成果，結(jié)合模擬湖庫水體污染特征、氣象條件

（氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度等）等分析水體熱分層狀況、氧分層狀況、污染物釋放特征，判斷

水體的水質(zhì)影響敏感區(qū)，初步確定水質(zhì)數(shù)值模擬應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。

6.2.3對(duì)于湖泊、水庫水體分層情形，即湖庫水質(zhì)代表性指標(biāo)（如水溫、溶解氧或其他水質(zhì)

指標(biāo)）隨水體深度而變化，呈層狀分布的現(xiàn)象。可根據(jù)湖庫水體自表層至底層的表層、躍層

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和底層三個(gè)主要部分，在進(jìn)行湖庫水質(zhì)狀況初步分析時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注水體分層的年內(nèi)分布時(shí)

間、水體垂向分層結(jié)構(gòu)特征、不同水層的位置、厚度、水質(zhì)因子指標(biāo)的變化梯度等。

6.2.4對(duì)于水體缺氧狀態(tài)導(dǎo)致磷、鐵、錳等元素加速釋放情況下，若水體內(nèi)氨氮濃度明顯上

升變化，在進(jìn)行湖庫水質(zhì)狀況初步分析時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注水體缺氧區(qū)的出現(xiàn)時(shí)間、位置、面積、

厚度等。

6.2.5應(yīng)將影響水體水質(zhì)狀況的缺氧區(qū)作為湖庫水質(zhì)模擬的關(guān)鍵區(qū)域。

6.2.6在進(jìn)行湖庫水質(zhì)狀況初步分析時(shí)，可輔以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方式確定水體水質(zhì)垂向?qū)踊癄顟B(tài)、

缺氧區(qū)特征、水體主要污染狀況等。

7湖庫水環(huán)境數(shù)值模型構(gòu)建

7.1模型的選擇

7.1.1湖庫水環(huán)境模型應(yīng)優(yōu)先采用數(shù)值解模型，在模擬湖庫水域形態(tài)規(guī)則、水流均勻且排污

穩(wěn)定時(shí)可以采用解析解模型。

7.1.2應(yīng)根據(jù)模擬工作的目的、精度要求等選擇合適的模型種類。

7.1.3當(dāng)湖庫水體水流交換作用較充分、污染物質(zhì)分布基本均勻時(shí)可選用零維模型。

7.1.4污染物在斷面上均勻混合的河道型水庫宜選用縱向一維模型。

7.1.5垂向分層不明顯的淺水湖庫宜選用平面二維模型。

7.1.6存在垂向分層，水平（橫向、縱向）分布差異不明顯的深水湖庫，宜選用垂向一維模

型。

7.1.7橫向分布差異不明顯，存在垂向分層及縱向差異的深水型湖庫宜選用立面二維模型。

7.1.8垂向及水平分布差異明顯的深水型湖庫宜選用三維模型。

7.2模型初始條件的設(shè)定

7.2.1初始條件（水文、水質(zhì)、水溫等）設(shè)定應(yīng)滿足所選用模型的基本要求，需合理確定初

始條件，控制預(yù)測(cè)結(jié)果不受初始條件的影響。

7.2.2當(dāng)初始條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響在短時(shí)間內(nèi)無法有效消除時(shí)，應(yīng)延長(zhǎng)模擬計(jì)算的初始時(shí)

間，必要時(shí)應(yīng)開展初始條件敏感性分析。

7.3模型模擬因子的選擇

7.3.1應(yīng)根據(jù)湖庫現(xiàn)狀情況下的水文基本特征或數(shù)學(xué)模擬工作的具體需求，確定模型的水文

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模擬因子，可包括湖庫水位（水深）、流速、流量與徑流過程等。

7.3.2可結(jié)合湖庫所在水環(huán)境控制單元或區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，確定模型的水質(zhì)模擬因子，

可包括水體常規(guī)水質(zhì)因子、特征污染因子，也可根據(jù)數(shù)學(xué)模擬的具體要求選擇因子。

7.3.3當(dāng)湖庫水體可能出現(xiàn)水體富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)，模擬因子還應(yīng)包括與富營(yíng)養(yǎng)化有關(guān)的因子（如

總磷、總氮、葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)和透明度等）。

7.4模型邊界條件及工況的設(shè)定

7.4.1模型水文邊界條件：可根據(jù)湖庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬的需求設(shè)定相應(yīng)的水文邊界條件，水文

邊界條件主要包括入湖（庫）支流水量過程、降雨徑流過程、湖（庫）蓄水量變化過程、湖

（庫）水位過程、湖（庫）出水流量過程、湖庫與地下水的水量交換過程等。為保證計(jì)算結(jié)

果安全，可采用湖庫近10年最低月平均水位或90%保證率最枯月平均水位相應(yīng)的蓄水量或

水庫死庫容相應(yīng)的蓄水量作為不利枯水條件。

7.4.2模型水質(zhì)邊界條件：可根據(jù)湖庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬的需求設(shè)定相應(yīng)的水質(zhì)邊界條件，水質(zhì)

邊界條件主要包括入湖庫支流水質(zhì)過程、湖庫周邊排污口排污過程、面源污染過程、湖庫水

質(zhì)變化過程、湖庫內(nèi)源污染釋放過程，大氣污染沉降過程，湖庫與地下水的水質(zhì)交換過程等。

水質(zhì)邊界條件應(yīng)覆蓋模擬范圍內(nèi)的所有與湖庫水體水環(huán)境相關(guān)的污染源。當(dāng)開展水質(zhì)突發(fā)事

件應(yīng)急分析時(shí)，還應(yīng)包括水質(zhì)突發(fā)事件排污邊界條件。

7.4.3模型氣象邊界條件：可根據(jù)模擬范圍內(nèi)或附近的常規(guī)氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理確定。

氣象邊界條件可采用多年平均氣象資料或典型年實(shí)測(cè)氣象資料數(shù)據(jù)。氣象邊界條件數(shù)據(jù)應(yīng)包

括氣溫、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、降雨量、云量、風(fēng)向、風(fēng)速等。

7.4.4可根據(jù)湖庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬的需求合理確定模擬計(jì)算工況。當(dāng)應(yīng)用模型進(jìn)行湖庫水質(zhì)預(yù)

測(cè)預(yù)報(bào)時(shí)，應(yīng)根據(jù)需求合理設(shè)定模型相關(guān)邊界條件。

8模型參數(shù)的確定、率定與驗(yàn)證

8.1基本要求

8.1.1應(yīng)在應(yīng)用模型開展模擬工作前，確定模型主要參數(shù)取值。

8.1.2為保證湖庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在應(yīng)用數(shù)值模型前應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)水文、水質(zhì)數(shù)

據(jù)對(duì)模型關(guān)鍵水動(dòng)力學(xué)、水質(zhì)參數(shù)開展率定與驗(yàn)證。經(jīng)過率定驗(yàn)證的數(shù)值模型方可開展相關(guān)

數(shù)值模擬工作。

8.1.3水動(dòng)力及水質(zhì)模型參數(shù)包括水文及水力學(xué)參數(shù)、水質(zhì)（包括水溫及富營(yíng)養(yǎng)化）參數(shù)等。

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其中水文及水力學(xué)參數(shù)包括糙率等；水質(zhì)參數(shù)包括污染物綜合衰減系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、耗氧系

數(shù)、復(fù)氧系數(shù)、蒸發(fā)散熱系數(shù)等。

8.2參數(shù)的確定與率定、驗(yàn)證

8.2.1模型參數(shù)確定和取值可采用類比、經(jīng)驗(yàn)公式、實(shí)驗(yàn)室測(cè)定、物理模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

及模型率定驗(yàn)證等，可以采用多類方法比對(duì)確定模型參數(shù)。當(dāng)采用數(shù)值解模型時(shí)，宜采用模

型參數(shù)率定、驗(yàn)證法核定模型參數(shù)取值。

8.2.2模型參數(shù)率定、驗(yàn)證法分為參數(shù)率定和參數(shù)驗(yàn)證兩部分。

8.2.3在進(jìn)行參數(shù)率定時(shí)，應(yīng)通過模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，調(diào)整和確定模型主要

參數(shù)取值。

8.2.4模型參數(shù)率定后，應(yīng)采用與模型參數(shù)率定不同組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)已確定參數(shù)的適用性和可

靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

8.2.5模型參數(shù)率定、驗(yàn)證采用的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)選用模型模擬計(jì)算范圍內(nèi)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類

型、精度可根據(jù)模型模擬工作的需求確定。

8.2.6應(yīng)在湖庫模擬計(jì)算范圍內(nèi)選取多點(diǎn)開展模型參數(shù)的率定、驗(yàn)證工作，選取的點(diǎn)位數(shù)量

可根據(jù)模擬范圍進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，一般不少于3個(gè)。

8.2.7可應(yīng)用水面面積、水深、流速、流量及主要水質(zhì)預(yù)測(cè)因子的模擬結(jié)果作為參數(shù)率定、

驗(yàn)證的依據(jù)。當(dāng)采用二維或三維模型時(shí)，可輔以開展流場(chǎng)分析。

8.2.8模型率定、驗(yàn)證應(yīng)分析模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的擬合情況，闡明模型參數(shù)取值的合理性，

可采用模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果間的相對(duì)誤差，均方根誤差等參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果擬合程度進(jìn)行判斷。

9湖庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬及結(jié)果合理性分析

9.1湖庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬

9.1.1湖庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬內(nèi)容一般包括水動(dòng)力學(xué)狀況模擬和水質(zhì)狀況模擬。

9.1.2湖庫水動(dòng)力學(xué)狀況模擬結(jié)果一般主要包括湖庫水體平面及垂向流場(chǎng)時(shí)空變化過程、湖

庫水體水位時(shí)空變化過程、湖庫水體關(guān)鍵區(qū)域水體水動(dòng)力學(xué)時(shí)空變化過程、湖庫泄水過程對(duì)

水體水動(dòng)力狀況的影響過程、洪水對(duì)湖庫水體水動(dòng)力狀況的影響過程等。

9.1.3在湖庫水動(dòng)力學(xué)狀況模擬時(shí)應(yīng)考慮降水、蒸發(fā)、風(fēng)場(chǎng)等氣象要素非均勻性特征對(duì)模擬

區(qū)域水動(dòng)力學(xué)狀況的影響?？刹捎媚M區(qū)域范圍內(nèi)多個(gè)氣象站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型邊界條件進(jìn)

行校核。

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9.1.4湖庫水質(zhì)狀況模擬結(jié)果一般主要包括湖庫水體垂向水溫結(jié)構(gòu)及熱分層過程、湖庫水體

垂向溶解氧結(jié)構(gòu)及氧分層過程、湖庫水體溶解氧狀況及年內(nèi)水體缺氧狀況，湖庫水體水質(zhì)狀

況及水功能區(qū)達(dá)標(biāo)情況、湖庫水體關(guān)鍵區(qū)域水質(zhì)時(shí)空變化過程、湖庫水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)變化

過程等。

9.1.5可將湖庫水體的常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、水功能區(qū)控制斷面、水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)、水質(zhì)水量突變處

等作為水質(zhì)模擬的重點(diǎn)區(qū)域。

9.1.6可應(yīng)用湖庫水環(huán)境數(shù)值模型對(duì)湖庫水體水環(huán)境狀況開展預(yù)測(cè)與未來變化趨勢(shì)分析。

9.2湖庫水質(zhì)數(shù)學(xué)模擬結(jié)果合理性分析

9.2.1數(shù)學(xué)模擬計(jì)算成果的內(nèi)容、精度和深度應(yīng)滿足相應(yīng)工作的技術(shù)要求。

9.2.2應(yīng)根據(jù)模擬對(duì)象區(qū)域環(huán)境基本特征、模擬工況、模擬工作目標(biāo)等對(duì)模型的模擬結(jié)果開

展合理性分析。

9.2.3采用模型進(jìn)行水體水動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，可對(duì)模型計(jì)算的關(guān)鍵影響區(qū)域和重要影響時(shí)段的

流場(chǎng)、流態(tài)、關(guān)鍵斷面流速分布等模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

9.2.4采用模型進(jìn)行水體水質(zhì)分析時(shí)，在必要的情況下可對(duì)模擬結(jié)果開展質(zhì)量或熱量守恒分

析。

9.2.5可采用不同模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。

8

T/ACEF□□□－202X

附錄A

（資料性）

常用數(shù)學(xué)模型基本方程及解法

A.1零維數(shù)學(xué)模型

A.1.1均勻混合模型

基本方程為：

dC

V=W?QC+f(C)V（A.1）

dt

式中：V—水體體積，m3；C—污染物濃度，mg/L；W—單位時(shí)間污染物排放量，g/s；

Q—水量平衡時(shí)流入與流出湖（庫）的流量，m3/s；f(C)—生化反應(yīng)項(xiàng)，g/(m3·s)。

如果生化過程可以用一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)表示，f(C)=?kC，上式存在解析解，當(dāng)穩(wěn)定時(shí)：

W

C=（A.2）

Q+kV

式中：k——污染物綜合衰減系數(shù)，1/s；

其他符號(hào)說明同式（E.1）。

A.1.2狄龍模型

描述營(yíng)養(yǎng)物平衡的狄龍模型：

I（1?R）L（1?R）

[P]=pp=pp

rVrh（A.3）

q[P]

=?aa

Rp1（A.4）

qi[P]i

r=Q/V（A.5）

式中：湖（庫）中氮、磷的平均濃度，；單位時(shí)間進(jìn)入湖（庫）的氮（磷）

[P]—mg/LIp—

9

T/ACEF□□□－202X

質(zhì)量，；單位時(shí)間、單位面積進(jìn)入湖（庫）的氮、磷負(fù)荷量，2；湖（庫）

g/aLp—g/(m·a)V—

容積，3；平均水深，；湖（庫）年出流水量，3；氮、磷在湖（庫）中

mh—mQ—m/aRp—

33

的滯留率；qa—年出流的水量，m/a；qi—年入流的水量，m/a；[P]a—年出流的氮（磷）

平均濃度，mg/L；[P]i—年入流的氮（磷）平均濃度，mg/L。

A.2垂向一維數(shù)學(xué)模型

適用于模擬預(yù)測(cè)水溫在面積較小、水深較大的水庫或湖泊水體中，除太陽輻射外沒有其

他熱源交換的狀況。

水量平衡的基本方程為：

?(wA)

=(u?u)B（A.6）

?io

z

水溫?cái)?shù)學(xué)模型的基本方程為：

?T1?1??TB1?(φA)

+(wAT)=(AD)+(uT?uT)?

???tz?iiooρ?

tAzAzzACPAz

（A.7）

式中：T—水溫，℃；w—垂向流速，m/s；A—垂向水面面積，m2；—水溫垂向

Dtz

紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；—入流流速，m/s；—出流流速，m/s；—入流水溫，℃；

uiuoTiTo

—出流水溫，℃；B—水面寬度，m；ρ—水的密度，kg/m3；—水的比熱，J/(kg·℃)；

CP

2

φ—太陽熱輻射通量，J/(m·s)；z—笛卡爾坐標(biāo)系X向的坐標(biāo)，m；t—時(shí)間，s。

A.3平面二維數(shù)學(xué)模型

適用于模擬預(yù)測(cè)物質(zhì)在寬淺水體（大河、湖庫、入海河口及近岸海域）中，在垂向均勻

混合的狀況。

?h?(uh)?(vh)

++=0（A.8）

?t?x?y

10

T/ACEF□□□－202X

?u?u?u?(h+z)gu2+v2τ?2u?2u

+u+v=?gb+fv??u+sx+A+

????2ρm?2?2

txyxCzhhxy

?v?v?v?(h+z)gu2+v2τ?2v?2v

+u+v=?gb?fu??v+sy+A+

????2ρm?2?2

txyyCzhhxy

（A.9）

式中：h——水深，m；u—對(duì)應(yīng)于x軸的平均流速分量，m/s；v—對(duì)應(yīng)于y軸的平均

=Ω?

流速分量，m/s；zb—河底高程，m；f—科氏系數(shù)，f2sin，1/s；g—重力加速度，

21/2τττ=2ρ2α

m/s；Cz—謝才系數(shù)，m/s；sx、sy—分別為水面上的風(fēng)應(yīng)力，sxrawsin，

τ=2ρ2α2ρ3α

syrawcos，r為風(fēng)應(yīng)力系數(shù)，a為空氣密度，kg/m，w為風(fēng)速，m/s，為風(fēng)方

ρ2

向角；—水的密度，kg/m3；Am—水平渦動(dòng)粘滯系數(shù)，m/s；x—笛卡爾坐標(biāo)系X向的坐

標(biāo)，m；y—笛卡爾坐標(biāo)系Y向的坐標(biāo)，m；t—時(shí)間，s。

水溫?cái)?shù)學(xué)模型的基本方程為：

?()hT?()uhT?()vhT??T??T

++=++（A.10）

DtxhDtyhST

?t?x?y?x?x?y?y

T2

式中：—水溫，℃；Dtx—水溫縱向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，m/s；Dty—水溫橫向紊動(dòng)擴(kuò)散系

22

數(shù)，m/s；ST—溫度源項(xiàng)，m·℃/s；水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的基本方程為：

?()hC?()uhC?()vhC??C??C

++=+++

DxhDyhhf(C)S

?t?x?y?x?x?y?y

（A.11）

2

式中：C—污染物濃度，mg/L；Dx—污染物縱向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，m/s；Dy—污染物橫

向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；S—源（匯）項(xiàng)強(qiáng)度，g/(m2·s)；f()C—污染物生化反應(yīng)項(xiàng)，g/(m3·s)；

1

T/ACEF□□□－202X

A.4立面二維數(shù)學(xué)模型

水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的基本方程為：

?(Bu)?(Bw)

+=0（A.32）

?x?z

?(Bu)?(Bu2)?(Bwu)B?P??u??uτ

+++=(BA)+(BA)?wx

?t?x?zρ?x?xh?x?zz?zρ

（A.13）

?P

+ρg=0（A.14）

?z

式中：B—寬度，m；u—縱向流速，m/s；w—垂向流速，m/s；P—壓力，Pa；ρ

322

—水體密度，kg/m；Ah—水平方向的渦粘性系數(shù)，m/s；Az—垂直方向的渦粘性系數(shù)，m/s；

τ2X

wx—邊壁阻力，N；g—重力加速度，m/s；x—笛卡爾坐標(biāo)系向的坐標(biāo)，m；y—笛

卡爾坐標(biāo)系Y向的坐標(biāo)，m；t—時(shí)間，s。

水溫?cái)?shù)學(xué)模型的基本方程為：

?(BT)????T??T1?(Bφ)

+(BuT)+(BwT)=(BD)+(BD)+（）

????tx??tz?ρ?A.15

txzxxzzCpz

式中：T—水溫，℃；—橫向的水溫紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；—垂向的水溫紊動(dòng)

DtxDtz

擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；φ—太陽熱輻射通量，J/(m2·s)；—水的比熱，J/(kg·℃)；

Cp

水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的基本方程為：

?(BC)????C??C

+(BuC)+(BwC)=(BD)+(BD)+S+Bf(C)（A.16）

?t?x?z?xx?x?zz?z

2

式中：C—污染物濃度，mg/L；Dx—橫向污染物紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，m/s；Dz—垂向污染

物紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；S—源(匯)項(xiàng)，g/(m2·s)；f()C—污染物反應(yīng)項(xiàng)，g/(m3·s)；

12

T/ACEF□□□－202X

A.5三維數(shù)學(xué)模型

水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的基本方程為：

?u?v?w

++=0（A.47）

???σ

xy

?u?(u2)?(uv)?(uw)1?P??u??u??u

++++=(A)+(A)+(A)+2θvsin?

?t?x?y?zρ?x?xh?x?yh?y?zz?z

（A.18）

?v?(uv)?(v2)?(vw)1?P??v??v??v

++++=(A)+(A)+(A)?2θusin?

?t?x?y?zρ?y?xh?x?yh?y?zz?z

（A.19）

?P

+ρg=0（A.50）

?z

式中：u—縱向流速，m/s；v—橫向流速，m/s；w—垂向流速，m/s；P—壓力，Pa；

ρ32

—水體密度，kg/m；Ah—水平方向的渦粘性系數(shù)，m/s；Az—垂直方向的渦粘性系數(shù)，

m2/s；θ—地球自轉(zhuǎn)角速度，ω/s；?—當(dāng)?shù)鼐暥?；g—重力加速度，m/s2；x—笛卡爾坐標(biāo)系

X向的坐標(biāo)，m；y—笛卡爾坐標(biāo)系Y向的坐標(biāo)，m；z—笛卡爾坐標(biāo)系Z向的坐標(biāo)，m；t

—時(shí)間，s。

水溫?cái)?shù)學(xué)模型的基本方程為：

?T?(uT)?(vT)?(wT)??T??T??Tφ

+++=(D)+(D)+(D)+（）

?????tx??ty??tz?ρA.21

txyzxxyyzzCp

式中：T—水溫，℃；—X方向上的水溫紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；—Y方向上的水

DtxDty

溫紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；—Z方向上的水溫紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；φ—熱交換反應(yīng)式，

Dtz

J/(m2·s)；ρ—水體密度，kg/m3；—水的比熱，J/(kg·℃)；

Cp

1

T/ACEF□□□－202X

水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的基本方程為：

?C?(uC)?(vC)?(wC)??C??C??C

+++=(D)+(D)+(D)+S+f(C)

?t?x?y?z?xx?x?yy?y?zz?z

（A.22）

2

式中：C—污染物濃度，mg/L；Dx—X方向上的污染物紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，m/s；Dy—

22

Y方向上的污染物紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，m/s；Dz—Z方向上的污染物紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，m/s；S—

源(匯)項(xiàng)，g/(m2·s)；f()C—污染物生化反應(yīng)項(xiàng)，g/(m3·s)；

14

T/ACEF□□□－202X

附錄B

（資料性）

常見污染物轉(zhuǎn)化過程的一般描述

本標(biāo)準(zhǔn)列出了常見污染物轉(zhuǎn)化過程的一般性描述方法，可以根據(jù)評(píng)價(jià)水域的實(shí)際情況進(jìn)

行選取或者進(jìn)行一定的調(diào)整。對(duì)于不同空間維數(shù)的數(shù)學(xué)模型，這些表達(dá)式中與某些系數(shù)相關(guān)

的空間變量應(yīng)有相應(yīng)的變化。

B.1持久性污染物

如果污染物在水體中難以通過物理、化學(xué)及生物作用進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并且污染物在水體中是

溶解狀態(tài)，可以作為非降解物質(zhì)進(jìn)行處理。

f(C)=0（B.6）

B.2化學(xué)需氧量（COD）

=?

f(C)kCODC（B.2）

式中：C—COD濃度，mg/L；kCOD—COD降解系數(shù)，1/s。

B.3五日生化需氧量（BOD5）

=?

f(C)k1C（B.3）

式中：C—BOD5濃度，mg/L；k1—耗氧系數(shù)，1/s。

B.4溶解氧（DO）

S

f(C)=?kC+k(C?C)?o（B.4）

1b2sh

式中：濃度，；耗氧系數(shù)，；復(fù)氧系數(shù)，；的

C—DOmg/Lk1—1/sk2—1/sCb——BOD

濃度，；飽和溶解氧的濃度，；底泥耗氧系數(shù)，2；水深，。

mg/LCS—mg/LS0—g/(m·s)h—m

B.5氮循環(huán)

水體中的氮包括氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮三種形態(tài)，三種形態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以

表示為：

S

f(N)=?bN+NH（B.5）

NH1NHh

1

T/ACEF□□□－202X

f(N)=bN?bN（B.6）

NO21NH2NO2

f(N)=bN（B.7）

NO32NO2

式中：N、N、N—分別為氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮濃度，mg/L；b、

NHNO2NO31

b2—分別為氨氮氧化成亞硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮氧化成硝酸鹽氮的反應(yīng)速率，1/s；SNH—

氨氮的底泥(沉積)釋放率，g/(m2·s)；h—水深，m。

B.6總氮(TN)

S

f(C)=?kC+TN（B.8）

TNh

式中：C—TN濃度，mg/L；kTN—總氮的綜合沉降系數(shù)，1/s；STN—總氮的底泥釋放

(沉積)系數(shù)，g/(m2·s)；h—水深，m。

B.7磷循環(huán)

水體中的磷可以分為無機(jī)磷和有機(jī)磷兩種形態(tài)，兩種形態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以表示為：

S

f(C)=?GCA+cC+PS（B.9）

PSPPSPPPDh

S

f(C)=DCA?cC+PD（B.10）

PDPPDPPPDh

式中：CPS—無機(jī)磷濃度，mg/L；CPD—有機(jī)磷濃度，mg/L；GP—浮游植物生長(zhǎng)速率，

1/s；AP—浮游植物磷含量系數(shù)；cP—有機(jī)磷氧化成無機(jī)磷的反應(yīng)速率，1/s；DP—浮游植

2

物死亡速率，1/s；SPS—無機(jī)磷的底泥釋放(沉積)系數(shù)，g/(m·s)；SPD—有機(jī)磷的底泥釋放

(沉積)系數(shù)，g/(m2·s)。

B.8總磷(TP)

S

f(C)=?kC+TP（B.11）

TPh

式中：C——TP濃度，mg/L；

kTP——總磷的綜合沉降系數(shù)，1/s；

2

STP——總磷的底泥釋放(沉積)系數(shù)，g/(m·s)；

16

T/ACEF□□□－202X

h——水深，m。

B.9葉綠素a(Chl-a)

=?

f(C)(GPDP)C（B.12）

=μ???

GPmaxf(T)f(L)f(TP)f(TN)（B.13）

式中：C—葉綠素a濃度，mg/L；—浮游植物生長(zhǎng)速率，1/s；—浮游植物死亡

GPDP

速率，1/s；μ—浮游植物最大生長(zhǎng)速率，1/s；、、、—分別

maxf(T)f(L)f(TP)f(TN)

為水溫、光照、TP、TN的影響函數(shù)，可以根據(jù)評(píng)價(jià)水域的實(shí)際情況以及基礎(chǔ)資料條件選擇

適合的函數(shù)形式。

B.10重金屬

泥沙對(duì)水體重金屬污染物具有顯著的吸附和解吸作用，因此重金屬污染物的模擬需要考

慮泥沙沖淤、吸附解吸的影響。一般情況下，泥沙淤積時(shí)，吸附在泥沙上的重金屬由懸浮相

轉(zhuǎn)化為底泥相，對(duì)水相濃度影響不大；泥沙沖刷時(shí)，水體中重金屬濃度會(huì)發(fā)生一定的變化。

吸附解吸作用可以采用動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行描述，由于吸附作用一般歷時(shí)較短，也可以采用吸附

熱力學(xué)方程描述。

目前重金屬污染物數(shù)學(xué)模型還在發(fā)展當(dāng)中，可以根據(jù)工作的實(shí)際情況，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，

選擇適宜的模型。

B.11熱排放

kC

f(C)=?T+qT（B.14）

ρ0

CP