教案--第5章 水质预测模型.

第5章 地表水环境预测与影响评 价 l水质预测模型 Ø河流水质模型 Ø河口水质模型 Ø湖库水质模型 Ø水污染负荷预测 l地表水影响评价 第1节 预测条件的确定 l预测时段 地表水环境预测应考虑水体自净能力不同的各个时段（水 期）。通常将其划分为自净能力最小、一般、最大三个阶段 （如：枯水期、平水期、丰水期）。 ü一、二级评价，应分别预测水体自净能力最小和一般两个 时段的环境影响。冰封期较长的水域，当其水体功能为生活 饮用水、食品工业用水水源或渔业用水时，还应预测冰封期 的环境影响。 ü三级评价或二级评价时间较短时，可以只预测自净能力最 小时段的环境影响。 第1节 预测条件的确定 l预测水质参数的筛选 对河流，可按下式将水质参数排序后从中选取预测 水质因子。 ISE=CpQp(Cs-Ch)Qh ISE-水质参数的排序指标 Cp-建设项目水污染物的排放浓度，mg/L Cs-水污染物的评价标准限值，mg/L Ch-评价河段污染物的浓度，mg/L Qp-建设项目的废水排放量，m3/s Qh-评价河段的流量，m3/s ISE值是负值或越大，说明拟建项目排污对该项水质参数 的污染影响越大。 第1节 预测条件的确定 l预测范围和预测点位的确定 预测范围与地表水环境现状调查的范围相同或略 小（特殊情况也可略大）。预测点的数量和位置 应根据受纳水体和建设项目的特点、评价等级以 及当地的环保要求确定。 预测点的确定 Ø 已确定的敏感点； Ø 环境现状监测点； Ø 水文条件和水质突变处的上、下游； Ø 水源地，重要水工建筑物及水文站附近； Ø 在河流混合过程段选择几个代表性段面； Ø 排污口下游可能超标的点位附近。 矩形平直河流、矩形弯曲河流、非矩形河流 具体简化方法如下： Ø 河流断面宽深比20时，可视为矩形河流； Ø 大中河流断面上水深变化很大且评价等级较高（如一级评 价）时，可以视为非矩形河流并应调查其流场？，其他情况 均可简化为矩形河流； Ø 大中河流中，预测河段弯曲较大（如其最大弯曲系数1.3 ）时，可视为弯曲河流，否则可以简化为平直河流； Ø 小河可以简化为矩形平直河流； Ø 河流水文特征或水质有急剧变化的河段，可在急剧变化之 处分段，各段分别进行简化。 河流简化 Ø 对于江心洲等按以下原则进行简化 评价等级为3级时，江心洲、浅滩等均可按无江心 洲、浅滩情况对待； 评价等级为2级时，江心洲位于充分混合段，可以 按无江心洲对待； 评价等级为1级且江心洲较大时，可分段进行简化 ，江心洲较小时可不考虑，江心洲位于混合过程段 ，可分段进行简化。 人工控制河流根据水流情况可以视其为水库，也可 以视其为河流，分段进行简化。 河流简化 河流感潮段 受潮汐作用影响较明显的河段。可以将落潮时最大 断面平均流速与涨潮时最小断面平均流速之差等于 0.05m/s的断面作为其与河流的界线 河口的简化 河口 河流交汇处 河流感潮河段 河口外滨海段 湖、库汇合处 简化方法： Ø 除个别要求很高（如一级评价）的情况外，河流感潮段一般 可按潮周平均、高潮平均和低潮平均三种情况，简化为稳态 进行预测； Ø 河流汇合部分可以分为支流、汇合前主流、汇合后主流三段 分别进行环境影响预测。小河汇入大河时，把小河看成点源 ； Ø 河流与湖泊、水库的汇合部分可以按照河流与湖泊、水库两 部分分别预测其环境影响； Ø 河口断面沿程变化较大时，可以分段进行环境影响预测； Ø 河口外滨海段可视为海湾。 河口的简化 简化方法 Ø 评价等级为1级时，中湖（库）可以按大湖（库）对待，停 留时间较短时也可以按小湖（库）对待； Ø 评价等级为3级时，中湖（库）可以按小湖（库）对待，停 留时间很长时也可按大湖（库）对待； Ø 评价等级为2级时，如何简化视具体情况而定； Ø 水深10m且分层期较长（如大于30天）的湖泊、水库可视 为分层湖（库）； 湖、库的简化 简化为大湖（库）、小湖（库）、分层湖（库） Ø 串联型湖泊可以分为若干区，各区分别按上述情况简化； Ø 不存在大面积回流区和死水区且流速较快，水力停留时间较 短的狭长湖泊可简化为河流。其岸边形状和水文特征值变化 较大时还可以进一步分段； Ø 不规则形状的湖泊、水库可根据流场的分布情况和几何形状 分区； Ø 自顶端入口附近排入废水的狭长湖泊或循环利用湖水的小湖 ，可以分别按各自的特点考虑。 湖、库的简化 污染源包括排放方式和排放规律的简化 污染源简化 排放方式 点源 面源 排放规律 连续恒定排放 非连续恒定排放 在预测中，通常可以把排放规律简化为连续恒定排放。 对于点源排放位置的处理，有如下情况： Ø 排入河流的两排放口的间距较小时，可以简化为一个排放口， 其位置假设在两排放口之间，其排放量为两者之和； Ø 排入小湖（库）的所有排放口可以简化为一个排放口，其排放 量为所有排放量之和； Ø 排入大湖（库）的两排放口的间距较小时，可以简化为一个排 放口，其位置假设在两排放口之间，其排放量为两者之和； Ø 无组织排放可以简化为面源，从多个间距很近的排放口分别排 放污水时，可以简化为面源。 污染源简化 预测方法与水质数学模型 预测方法 Ø 数学模式法：给出定量的预测结果。一般情况此方法较 简单，应首先考虑。 Ø 物理模型法：此方法能反映比较复杂的水环境特点，且 定量化程度较高，再现性好。但需要有相应的试验条件和 较多的基础数据，且制作模型要耗费大量的人力、物力和 时间。 Ø 类比分析法：此种预测方法属于定性或半定量性质。 Ø 专业判断法：定性地反映建设项目的环境影响。 水环境影响预测模型 水质模型的分类 按时间特性分类 动态模型 静态模型 按水域类型分：河流水质模型 河口水质模型(受潮汐影响) 湖泊水质模型 水库水质模型 海湾水质模型 按描述水质组分的多少分类： 单一组分模型 多组分水质模型 按水质组分分类分： 耗氧有机物模型(BODDO模型) 单一组分的水质模型 难降解有机物水质模型 重金属迁移转化水质模型 按水力学和排放条件分：稳态模型 非稳态模型 按水质模型的空间维数分类： 零维模型 一维模型 二维模型 三维模型 第2节 河流水质模型 Ø 河流完全混合模型、一维稳态模型、S-P模型（适用 于河流的充分混合段） Ø 托马斯模型（适用于沉降作用明显的河流充分混合段 ） Ø 二维稳态混合模式和二维稳态衰减模式（适用于平直 河流的混合过程段） Ø 二维稳态累积流量模式和二维稳态衰减累积流量模式 （适用于弯曲河流的混合过程段） 均匀混合段混合段背景段 污水注入点完全混合点 L 混合段总长度 均匀混合段背景段 污水注入点 瞬间完全混合 既是污水注入点，也是完全混合点 混合段背景段 污水注入点没有完全混合点 L 混合段总长度 1. *河流混合过程段长度 预测范围内河段分充分混合段、混合过程段和排污口上游河段。 充分混合段：污染物浓度在断面上均匀分布的河段。当断面上任 意一点的浓度与断面平均浓度之差小于平均浓度的5时，可以认 为达到均匀分布。 混合过程段：指排放口下游达到充分混合以前的河段。 河流混合过程段长度可由下式计算（理论公式）： 河中心排放 x=0.1uxB2/Ey 岸边排放 x=0.4uxB2/Ey u xx方向流速，m/s； B 河流宽度，m； Ey横向扩散系数，m2/s。 常用河流水质数学模型与适用条件 河流混合过程段长度 *河流混合过程段长度可由下式估算（经验公式）： 式中，B河流宽度，m； a排放口距岸边的距离，m； u河流断面的平均流速，m/s； H平均水深，m； g重力加速度，9.8m/s2； I河流坡度，。 常用河流水质数学模型与适用条件 例题1： 一河段的K 断面处有一岸边污水排放口稳定地向河流排放 污水，其河水特征为：B=50.0m， H 均=1.2m，u=0.1m/s， I=9，试计算混合过程污染带长度。 解: 混合过程段长度： 779.0m 所以混合过程段长度为779.0m。 稳态条件下基本模型的解析解 l什么是稳态？ 1、河流河床截面积、流速、流量不随时间变化 2、污染物的输入量、弥散系数不随时间变化 3、河流无支流和其他排污口废水进入 河流的充分混合模型 式中：Qh河水流量， m3/s； Ch河水背景断的污染物浓度， mg/L； CP废水中污染物的浓度， mg/L； QP废水的流量， m3/s； C完全混合的水质浓度， mg/L。 完全混合模型适用条件 l稳态：河流为恒定流（流量、流速不随时间变化） l废水连续稳定排放 l下游某点废水和河水在整个断面上达到了均匀混合 l持久性的污染物 l该河流无支流和其他排污口进入 例题：完全混合模型 l计划在河边建一座工厂，该厂将以2.83m3/s的流量 排放废水，废水中总溶解固体（总可滤残渣和总不可 滤残渣）浓度为1300mg/L，该河流平均流速为0.457m/ ，平均河宽为13.72m，平均水深为0.61m，总溶解固体 浓度为310mg/L，如果该工厂的废水排入河中能与河水 迅速混合，那么总溶解固体的浓度是否超标（设标准 为500mg/L）？ 答案：731mg/L，超标0.46倍 零维模型稳态解 稳态条件下的河流的零维模型 式中：C流出河段的污染物浓度，mg/L; C0-完全混合模型计算出的浓度值， mg/L; x河段长度，m。 k-污染物的衰减速率常数 1/d； u河水的流速，m/s; t两个断面之间的流动时间。 例题：河流的零维模型 l有一条比较浅而窄的河流，有一段长1km的河段， 稳定排放含酚废水1.0m3/s;含酚浓度为200mg/L，上 游河水流量为9m3/s，河水含酚浓度为0，河流的平 均流速为40km/d，酚的衰减速率常数k2 1/d，求 河段出口处的河水含酚浓度为多少？ 答案：21 mg/L 一维模型适用条件 l河流充分混合段（河流横断面上达到完全混合）； l非持久性污染物（溶解态污染物）； l河流为恒定流； l废水连续稳定排放。 l适用于符合一维动力学降解规律的一般污染物，如氰、酚、有机毒 物、重金属、BOD、COD等单项指标的污染物。 河流一维模型 l当污染物在河流横向上达到完全混合后，分析污 染物在纵向即水流方向输移、转化的变化情况时用 一维模型 一维稳态模型的解：二阶线性偏微分方程 X0 X0 一维模型稳态解 对于不受潮汐影响的内陆河，扩散、离散相对于移流作 用很小，即Dx近似为0，所以，排污对于上游（x0） 的浓度变化没有影响，引起排污口下游河流污染物浓度 的变化为： 一维模型稳态解 河流的一维模型 考虑弥散的一维稳态模型 l式中：C下游某一点的污染物浓度， mg/L ； C0完全混合断面的污染物浓度， mg/L； u河水的流速，m/s； Dx方向上的扩散系数， m2/s ； k1污染物降解的速率常数（1/d）； x下游某一点到排放点的距离，m。 河流的一维模型 忽略弥散的一维稳态模型 l式中： C下游某一点的污染物浓度，mg/L； C0完全混合断面的污染物浓度，mg/L ； u河水的流速，m/s； k1污染物降解的速率常数（1/d）； x下游某一点到排放点的距离，m。 例题：河流的一维模型 l一个改扩工程拟向河流排放废水，废水量为 0.15 m3/s，苯酚浓度为30mg/L,河流流量为5.5 m3/s，流速为0.3 m/s，苯酚背景浓度为0.5mg/L ，苯酚的降解系数k0.2/d，纵向弥散系数D为10 m2/s。求排放点下游10km处的苯酚浓度。 答案：考虑弥散作用，1.19mg/L; 忽略弥散作用，1.19mg/L。 可以看出，在稳态条件下，忽略弥散系数与考 虑弥散系数的差异很小，常可以忽略。 河流一维BOD-DO模型 l反应耗氧有机物和水中溶解氧状况 l预测某一时刻水中剩余BOD浓度和氧亏值。 水体的耗氧与复氧过程 l耗氧过程： ØBOD耗氧 （CBOD、NBOD耗氧） Ø底泥耗氧（沉积