环境影响评价讲授地表水环境影响评价.pptx

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1、第四章第四章 地表水环境影响评价地表水环境影响评价第一节第一节 地表水体的污染和自净地表水体的污染和自净一、地表水资源一、地表水资源二、水体污染二、水体污染1.点污染源点污染源 点污染源排放的废水量和污染物可以从管点污染源排放的废水量和污染物可以从管道或沟渠中直接量测流量和采样分析组分浓度道或沟渠中直接量测流量和采样分析组分浓度确定，在经费和其他条件有限制时，常采用排确定，在经费和其他条件有限制时，常采用排污指标污指标(例如排放系数例如排放系数)推算的方法推算的方法。第1页/共100页居住区生活污水量计算式，式中：居住区生活污水量计算式，式中：QS居住区生活污水量，居住区生活污水量，L/s；q

2、每人每日的排水定额，每人每日的排水定额，L/(人人d)；N设计人口数，人；设计人口数，人；Ks总变化系数总变化系数(1.51.7)。工业废水量计算式，式中：工业废水量计算式，式中：m单位产品废水量，单位产品废水量，L/t；M该产品的日产量，该产品的日产量，t；Ki总变化系数，根据工艺或经验决总变化系数，根据工艺或经验决定；定；t 工厂每日工作时数，工厂每日工作时数，h。第2页/共100页2.非点污染源非点污染源非点污染源：非点污染源：非点污染源又称面源，是指分散非点污染源又称面源，是指分散或均匀地通过岸线进入水体的废水和自然降水或均匀地通过岸线进入水体的废水和自然降水通过沟渠进入水体的废水通过

3、沟渠进入水体的废水。主要包括城镇排水、农田排水和农村生活主要包括城镇排水、农田排水和农村生活废水、矿山废水、分散的小型禽畜饲养场废水，废水、矿山废水、分散的小型禽畜饲养场废水，以及大气污染物通过重力沉降和降水过程进入以及大气污染物通过重力沉降和降水过程进入水体等所造成的污染废水水体等所造成的污染废水。非点源污染情况复杂，其污染影响较难定非点源污染情况复杂，其污染影响较难定量，但又不能忽视，特别是对点源已进行有效量，但又不能忽视，特别是对点源已进行有效控制后，非点源污染会日益突出。控制后，非点源污染会日益突出。第3页/共100页(1)城市非点污染源负荷估计：城市非点污染源负荷估计：城市非点污染源

4、负荷来源：城市非点污染源负荷来源：城市雨水下水道及城市雨水下水道及合流制下水道的溢流。合流制下水道的溢流。污染物自城市街道经排污染物自城市街道经排水系统进入受纳水体。水系统进入受纳水体。城市非点源污染物被暴雨冲刷到接受水体的负城市非点源污染物被暴雨冲刷到接受水体的负荷的计算：荷的计算：基本程序：首先估计暴雨事件中基本程序：首先估计暴雨事件中暴雨径流的大暴雨径流的大小小（径流深度和径流面积的乘积），从而确定（径流深度和径流面积的乘积），从而确定暴雨的冲刷率暴雨的冲刷率，进而估计径流冲刷到受纳水体，进而估计径流冲刷到受纳水体的的沉积物负荷沉积物负荷，然后根据，然后根据沉积物中污染物浓度沉积物中污染

5、物浓度计算计算污染物负荷污染物负荷，或者根据，或者根据固体废物与污染物固体废物与污染物的统计相关关系的统计相关关系计算污染物负荷。计算污染物负荷。第4页/共100页暴雨径流深度的估计：暴雨径流深度的估计：RCRPDs 式中：式中：R 总暴雨径流深度，总暴雨径流深度，cm；CR 总径流系数；总径流系数；P 降雨量，降雨量，cm；Ds 洼地存水，洼地存水，Cm。总径流系数的估算方法：总径流系数的估算方法：粗略估算式：粗略估算式：式中：式中：I不透水区百分数；不透水区百分数；按照不同坡度计算的不透水区按照不同坡度计算的不透水区(指指屋面、沥青和水泥路面或广场、庭院等屋面、沥青和水泥路面或广场、庭院等

6、)的径流的径流系数系数。第5页/共100页准确计算式：准确计算式：式中：式中：Fi各种类型地区所占的面积；各种类型地区所占的面积；i对应的径流系数。对应的径流系数。洼地存水洼地存水Ds的粗略估计：的粗略估计：径流中冲刷到接受水体的颗粒物负荷：在总径流中冲刷到接受水体的颗粒物负荷：在总暴雨径流估算出来后，可估算暴雨冲刷率。暴雨径流估算出来后，可估算暴雨冲刷率。一一般认为般认为1 h内总径流为内总径流为1.27 cm时，可冲走时，可冲走90的的街道表面颗粒物（沉积物）街道表面颗粒物（沉积物）。第6页/共100页暴雨径流中冲刷的固体负荷：暴雨径流中冲刷的固体负荷：式中：式中：Ysw暴雨冲刷到受纳水体

7、的颗粒物负荷；暴雨冲刷到受纳水体的颗粒物负荷；te 等效的累积天数，等效的累积天数，d；Ysu街道表面颗粒物日负荷量，街道表面颗粒物日负荷量，kgd。式中：式中：tr从最后一次暴雨事件算起的天数，从最后一次暴雨事件算起的天数，d；ts从最后一次清扫街道算起的天数，从最后一次清扫街道算起的天数，d；s街道清扫频率。街道清扫频率。第7页/共100页式中：式中：Lsu颗粒物日负荷率，颗粒物日负荷率，kg(kmd)；Lst街道边沟长，约等于街道边沟长，约等于2倍的街道长，倍的街道长，km。街道表面颗粒物日负荷取决于多种因素，街道表面颗粒物日负荷取决于多种因素，如交通强度、区域地表覆盖物的形式、径流量如

8、交通强度、区域地表覆盖物的形式、径流量和降雨强度、灰尘沉降量、前期干旱时间、城和降雨强度、灰尘沉降量、前期干旱时间、城市街道清扫频率和清扫质量等。市街道清扫频率和清扫质量等。第8页/共100页径流中冲刷到受纳水体的有机污染负荷：径流中冲刷到受纳水体的有机污染负荷：用颗粒固体负荷乘上浓度因子计算有机物负荷：用颗粒固体负荷乘上浓度因子计算有机物负荷：式中：式中：You有机污染物的日负荷量，有机污染物的日负荷量，kgd；单位转换因子，单位转换因子，10-6；Ysu总颗粒物固体日负荷量，总颗粒物固体日负荷量，kgd；Cou有机污染物在颗粒物中的浓度，有机污染物在颗粒物中的浓度，gg。城市降雨径流问题是

9、个十分复杂的问题，城市降雨径流问题是个十分复杂的问题，与水分循环的每一个环节都有关系，并与多种与水分循环的每一个环节都有关系，并与多种因素相关，如降水过程、大气污染、土地使用、因素相关，如降水过程、大气污染、土地使用、人类污染特征、自然特点等。由于变化性大、人类污染特征、自然特点等。由于变化性大、随机性强、偶然因素多，尚未掌握其规律性。随机性强、偶然因素多，尚未掌握其规律性。第9页/共100页(2)农田径流污染负荷估算：农田径流污染负荷估算：第一种方法：避开污染物在农田表面实际迁移第一种方法：避开污染物在农田表面实际迁移过程的变化，仅通过采集和分析各个集水区的过程的变化，仅通过采集和分析各个集

10、水区的径流水样计算进入某一水环境中某种污染物总径流水样计算进入某一水环境中某种污染物总量，其公式如下：量，其公式如下：式中：式中：M某种污染物输出总量，某种污染物输出总量，kg；i第第i小时的该种污染物浓度，小时的该种污染物浓度，kgm3；Qi第第i小时的径流量，小时的径流量，m3；n观测的总时数，观测的总时数，h；j第第j个农田集水区；个农田集水区；m集水区总数。集水区总数。第10页/共100页第二节第二节 污染物质在河流中的混合与扩散污染物质在河流中的混合与扩散一、污染物质在河流中的混合一、污染物质在河流中的混合 废水排入水体后，最先发生的过程是混合废水排入水体后，最先发生的过程是混合稀释

11、稀释。对大多数保守污染物混合稀释是它们迁。对大多数保守污染物混合稀释是它们迁移的主要方式之一。对易降解的污染物混合稀移的主要方式之一。对易降解的污染物混合稀释也是它们迁移的重要方式之一。水体的混合释也是它们迁移的重要方式之一。水体的混合稀释、扩散能力，与其水体的水文特征密切相稀释、扩散能力，与其水体的水文特征密切相关。关。1河流的混合稀释模型河流的混合稀释模型 当废水进入河流后，便不断地与河水发生当废水进入河流后，便不断地与河水发生混合交换作用，使保守污染物浓度沿流程逐渐混合交换作用，使保守污染物浓度沿流程逐渐降低，这一过程称为混合稀释过程降低，这一过程称为混合稀释过程。第11页/共100页污

12、水排入河流的入河口称为污水排入河流的入河口称为污水注入点污水注入点。污水。污水注入点以下的河段，污染物在断面上的浓度分注入点以下的河段，污染物在断面上的浓度分布是不均匀的，靠入河口一侧的岸边浓度高，布是不均匀的，靠入河口一侧的岸边浓度高，远离排放口对岸的浓度低。随着河水的流逝，远离排放口对岸的浓度低。随着河水的流逝，污染物在整个断面上的分布逐渐均匀。污染物在整个断面上的分布逐渐均匀。污染物浓度在整个断面上变为均匀一致的断面，污染物浓度在整个断面上变为均匀一致的断面，称为称为水质完全混合断面水质完全混合断面。最早出现水质完全混合断面的位置称为完全混最早出现水质完全混合断面的位置称为完全混合点合点

13、。污水注入点的上游称为污水注入点的上游称为初始段初始段，或或背景河段背景河段；污水注入点到完全混合点之间的河段称为污水注入点到完全混合点之间的河段称为非均非均匀混合段匀混合段；完全混合点的下游河段称为完全混合点的下游河段称为均匀混合段均匀混合段。第12页/共100页 设河水流量为设河水流量为Q，水质完全混合断面以前，水质完全混合断面以前，任一非均匀混合断面上参与和废水混合的河水任一非均匀混合断面上参与和废水混合的河水流量为流量为Qi。把参与和废水混合的河水流量。把参与和废水混合的河水流量Qi与与该断面河水流量该断面河水流量Q的比值定义为的比值定义为混合系数混合系数，以，以表示：表示：把参与和废

14、水混合的河水流量把参与和废水混合的河水流量Qi与废水流与废水流量量q的比值定义为的比值定义为稀释比稀释比，以，以n表示：表示：第13页/共100页非均匀混合断面上的污染物平均浓度计算公式：非均匀混合断面上的污染物平均浓度计算公式：式中：式中：Q河流的流量，河流的流量，m3s；1排污口上游河流中污染物浓度，排污口上游河流中污染物浓度，mgL；q排人河流的废水流量，排人河流的废水流量，m3s；2废水中的污染物浓度，废水中的污染物浓度，mgL。在水质完全混合断面以下的任一断面的在水质完全混合断面以下的任一断面的、n和和i均为常数。均为常数。第14页/共100页 当废水在岸边排入河流时，废水靠岸边向当

15、废水在岸边排入河流时，废水靠岸边向下游流去，经过相当长的距离才能达到完全混下游流去，经过相当长的距离才能达到完全混合。在非均匀混合段的废水排入一侧的岸边形合。在非均匀混合段的废水排入一侧的岸边形成一个污染带。当完全混合距离成一个污染带。当完全混合距离Ln无实测数据无实测数据时，可参考下表确定。表中列举出了许多河流时，可参考下表确定。表中列举出了许多河流在岸边集中排入废水时，污水与河水达到完全在岸边集中排入废水时，污水与河水达到完全混合所需的时间。混合所需的时间。从表中查取所需时间与河水从表中查取所需时间与河水实际流速的乘积为完全混合距离实际流速的乘积为完全混合距离。第15页/共100页二、污染

16、物质在河流中的扩散二、污染物质在河流中的扩散 污染物质在河流中的迁移总起来可分为两污染物质在河流中的迁移总起来可分为两类，即推流和扩散类，即推流和扩散。推流也称平流、随流输移。推流也称平流、随流输移。推流是指污染物质随水质点的流动一起移到新推流是指污染物质随水质点的流动一起移到新的位置的位置。扩散可分为分子扩散、湍流扩散、剪扩散可分为分子扩散、湍流扩散、剪切流离散（弥散）和对流扩散切流离散（弥散）和对流扩散。1分子扩散分子扩散 分子扩散是指物质分子的随机运动（即布分子扩散是指物质分子的随机运动（即布朗运动）而引起的物质迁移或分散现象朗运动）而引起的物质迁移或分散现象。当水。当水体中污染物质浓度

17、分布不均匀时，污染物质将体中污染物质浓度分布不均匀时，污染物质将会从浓度高的地方向浓度低的会从浓度高的地方向浓度低的地方移动。分子扩散过程服从地方移动。分子扩散过程服从费克第一定律。费克第一定律。第16页/共100页即即以扩散方式通过单位截面积的质量流量与扩以扩散方式通过单位截面积的质量流量与扩散物质的浓度梯度成正比散物质的浓度梯度成正比。分子扩散系数一般很小。分子扩散引起的分子扩散系数一般很小。分子扩散引起的物质迁移与其它因素引起物质迁移相比，分子物质迁移与其它因素引起物质迁移相比，分子扩散在水环境影响评价中往往被忽略。扩散在水环境影响评价中往往被忽略。2湍流扩散湍流扩散 当河流做湍流运动时

18、，随机的湍流作用引当河流做湍流运动时，随机的湍流作用引起污染物的扩散，称为湍流扩散起污染物的扩散，称为湍流扩散。湍流扩散所引起的污染物质量通量与浓度湍流扩散所引起的污染物质量通量与浓度梯度成正比。湍流扩散系数比梯度成正比。湍流扩散系数比分子扩散系数大分子扩散系数大78个数量级。个数量级。因此，在河流中污染物的迁移因此，在河流中污染物的迁移是以湍流为主的。是以湍流为主的。第17页/共100页3剪切流离散剪切流离散 当垂直于流动方向的横断面上流速分布不当垂直于流动方向的横断面上流速分布不均匀或者说有流速梯度存在的流动称为剪切流。均匀或者说有流速梯度存在的流动称为剪切流。剪切流离散又称弥散，它是由于

19、横断面上各点剪切流离散又称弥散，它是由于横断面上各点的实际流速不等而引起的的实际流速不等而引起的。剪切流离散同样可以类比分子扩散，其引剪切流离散同样可以类比分子扩散，其引起的质量通量可用下式表示：起的质量通量可用下式表示：式中式中：Dx剪切流离散系剪切流离散系数，或称弥漫系数，数，或称弥漫系数，m2s。4对流扩散对流扩散 对流扩散指由于温度差或密度分层不稳定对流扩散指由于温度差或密度分层不稳定性面引起的铅直方向对流运动所伴随的污染物性面引起的铅直方向对流运动所伴随的污染物迁移迁移。第18页/共100页 在自然界的水体中，各种形式扩散常常交在自然界的水体中，各种形式扩散常常交织在一起发生，除上述

20、污染物几种主要迁移方织在一起发生，除上述污染物几种主要迁移方式以外，还存在着冲刷、淤积和悬浮等多种形式以外，还存在着冲刷、淤积和悬浮等多种形式式。除分子扩散外，所有各种迁移方式都和水。除分子扩散外，所有各种迁移方式都和水体流动特性有密切联系，因此，要研究物质的体流动特性有密切联系，因此，要研究物质的扩散输移规律应和研究水体的流动特性紧紧联扩散输移规律应和研究水体的流动特性紧紧联系在一起。系在一起。5移流扩散方程移流扩散方程 从流动的水体中，取一微分六面体。按照从流动的水体中，取一微分六面体。按照物质守恒原理，从微分六面体流进与流出的污物质守恒原理，从微分六面体流进与流出的污染物质量之差应当等于

21、同时段内微分六面体内染物质量之差应当等于同时段内微分六面体内质量的增量，从而导出三维的移流扩散方程为：质量的增量，从而导出三维的移流扩散方程为：第19页/共100页对于二维问题，移流扩散方程为：对于二维问题，移流扩散方程为：第20页/共100页对于一维问题，移流扩散方程为：对于一维问题，移流扩散方程为：基本模型的求解因环境问题的复杂，往往基本模型的求解因环境问题的复杂，往往求解起来很困难，通常是利用有限差分法和有求解起来很困难，通常是利用有限差分法和有限元法求其数值解。限元法求其数值解。第21页/共100页第三节第三节 河流和河口水质模型河流和河口水质模型 河流是沿地表的线形低凹部分集中的经常

22、河流是沿地表的线形低凹部分集中的经常性或周期性水流。较大的叫河（或江），较小性或周期性水流。较大的叫河（或江），较小的叫溪。河口是河流注入海洋、湖泊或其他河的叫溪。河口是河流注入海洋、湖泊或其他河流的河段，可以分为入海河口、入湖河口及支流的河段，可以分为入海河口、入湖河口及支流河口。流河口。应用水质模型预测河流水质时，应用水质模型预测河流水质时，常假设该常假设该河段内无支流，在预测时期内河段的水力条件河段内无支流，在预测时期内河段的水力条件是稳态的和只在河流的起点有恒定浓度和流量是稳态的和只在河流的起点有恒定浓度和流量的废水（或污染物）排入的废水（或污染物）排入。如果在如果在河段内有支流汇入，

23、而且沿河有多河段内有支流汇入，而且沿河有多个污染源，这时应将河流划分为多个河段采用个污染源，这时应将河流划分为多个河段采用多河段模型多河段模型。第22页/共100页2河流水质模型河流水质模型 河流水质模型是描述水体中污染物随时间河流水质模型是描述水体中污染物随时间和空间迁移转化规律的数学方程。和空间迁移转化规律的数学方程。1、水质模型的分类：、水质模型的分类：按时间特性分：按时间特性分：分为动态模型和静态模型分为动态模型和静态模型。描写水体中水质组分的浓度随时间变化的描写水体中水质组分的浓度随时间变化的水质模型称为动态模型水质模型称为动态模型。描述水体中水质组分的浓度不随时间变化描述水体中水质

24、组分的浓度不随时间变化的水质模型称为静态模型的水质模型称为静态模型。按水质模型的空间维数分：按水质模型的空间维数分：分为零维、一维、分为零维、一维、二维、三维水质模型二维、三维水质模型。当把所考察的水体看成是一个完全混合反当把所考察的水体看成是一个完全混合反应器时，即水体中水质组分的浓度是均匀分布应器时，即水体中水质组分的浓度是均匀分布第23页/共100页的，描述这种情况的水质模型称为零维的水质的，描述这种情况的水质模型称为零维的水质模型模型。描述水质组分的迁移变化在一个方向上是描述水质组分的迁移变化在一个方向上是重要的，另外两个方向上是均匀分布的，这种重要的，另外两个方向上是均匀分布的，这种

25、水质模型称为一维水质模型水质模型称为一维水质模型。描述水质组分的迁移变化在两个方向上是描述水质组分的迁移变化在两个方向上是重要的，在另外的一个方向上是均匀分布的，重要的，在另外的一个方向上是均匀分布的，这种水质模型称为两维水质模型这种水质模型称为两维水质模型。描述水质组分迁移变化在三个方向进行的描述水质组分迁移变化在三个方向进行的水质模型称为三维水质模型水质模型称为三维水质模型。按描述水质组分的多少分：按描述水质组分的多少分：分为单一组分和多分为单一组分和多组分的水质模型组分的水质模型。水体中某一组分的迁移转化与其它组分水体中某一组分的迁移转化与其它组分第24页/共100页没有关系，描述这种组

26、分迁移转化的水质模型没有关系，描述这种组分迁移转化的水质模型称为单一组分的水质模型称为单一组分的水质模型。水体中一组分的迁移转化与另一组分（或水体中一组分的迁移转化与另一组分（或几个组分）的迁移转化是相互联系、相互影响几个组分）的迁移转化是相互联系、相互影响的，描述这种情况的水质模型称为多组分的水的，描述这种情况的水质模型称为多组分的水质模型质模型。按水体的类型可分为：按水体的类型可分为：河流水质模型、河口水河流水质模型、河口水质模型（受潮汐影响）、湖泊水质模型、水库质模型（受潮汐影响）、湖泊水质模型、水库水质模型和海湾水质模型等水质模型和海湾水质模型等。河流、河口水质。河流、河口水质模型比较

27、成熟，湖、海湾水质模型比较复杂，模型比较成熟，湖、海湾水质模型比较复杂，可靠性小。可靠性小。按水质组分可分为：按水质组分可分为：耗氧有机物模型（耗氧有机物模型（BODDO模型）模型），无机盐、悬浮物、放射性物质等，无机盐、悬浮物、放射性物质等第25页/共100页单一组分的水质模型，难降解有机物水质模型，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重金属迁移转化水质模型。水质模型的选择：水质模型的选择：选择水质模型必须对所研究的水选择水质模型必须对所研究的水质组分的迁移转化规律有清楚地了解。因为水质组分质组分的迁移转化规律有清楚地了解。因为水质组分的迁移的迁移(扩散和平流扩散

28、和平流)取决于水体的水文特性和水动力学取决于水体的水文特性和水动力学特性。在流动的河流中，平流迁移往往占主导地位，特性。在流动的河流中，平流迁移往往占主导地位，对某些组分可以忽略扩散项；在受潮汐影响的河口中，对某些组分可以忽略扩散项；在受潮汐影响的河口中，扩散是主导的迁移现象，扩散项必须考虑而不能忽略。扩散是主导的迁移现象，扩散项必须考虑而不能忽略。对这两者选择的模型就不应一样。对河床规整，断面对这两者选择的模型就不应一样。对河床规整，断面不变，污染物排人量不变的水体，可选用静态模型。不变，污染物排人量不变的水体，可选用静态模型。为了减少模型的复杂性和减少所需的资料，对河流系为了减少模型的复杂

29、性和减少所需的资料，对河流系统的水质模型往往选用静态的。但这种选择不能充分统的水质模型往往选用静态的。但这种选择不能充分评价时便输入对河流系统的影响。选择的水质模型必评价时便输入对河流系统的影响。选择的水质模型必须反映所研究的水质组分，应用条件和现实条件接近。须反映所研究的水质组分，应用条件和现实条件接近。第26页/共100页2、污染物在均匀流场中的扩散水质模型、污染物在均匀流场中的扩散水质模型 进入环境的污染物可以分为两大类：守恒进入环境的污染物可以分为两大类：守恒污染物（惰性污染物）和非守恒污染物。污染物（惰性污染物）和非守恒污染物。守恒污染物守恒污染物：污染物进入环境以后，随着介质：污染

30、物进入环境以后，随着介质的运动不断地变换所处的空间位置，还由于分的运动不断地变换所处的空间位置，还由于分散作用不断向周围扩散而降低其初始浓度，但散作用不断向周围扩散而降低其初始浓度，但它不会因此而改变总量，不发生衰减。这种污它不会因此而改变总量，不发生衰减。这种污染物称为守恒污染物。如重金属、很多高分子染物称为守恒污染物。如重金属、很多高分子有机化合物等。有机化合物等。非守恒污染物非守恒污染物：污染物进入环境以后，除了随：污染物进入环境以后，除了随着环境介质流动而改变位置，并不断扩散而降着环境介质流动而改变位置，并不断扩散而降低浓度外，还因自身的衰减而加速浓度的下降。低浓度外，还因自身的衰减而

31、加速浓度的下降。这种污染物称为非守恒污染物。这种污染物称为非守恒污染物。第27页/共100页非守恒物质的衰减有两种方式：非守恒物质的衰减有两种方式：一种是由其自一种是由其自身的运动变化规律决定的身的运动变化规律决定的；如放射性物质的蜕；如放射性物质的蜕变；变；另一种是在环境因素的作用下，由于化学另一种是在环境因素的作用下，由于化学的或生物化学的反应而不断衰减的的或生物化学的反应而不断衰减的，如可生化，如可生化降解的有机物在水体中微生物作用下的氧化分降解的有机物在水体中微生物作用下的氧化分解过程。解过程。守恒污染物在均匀流场中的扩散方程守恒污染物在均匀流场中的扩散方程 对于守恒污染物在运动过程中

32、不发生衰减，对于守恒污染物在运动过程中不发生衰减，在上述移流扩散方程中应有在上述移流扩散方程中应有S0。在均匀流场。在均匀流场中，流速应为常数，扩散参数也应为常数。因中，流速应为常数，扩散参数也应为常数。因此，移流扩散方程式有下列形式：此，移流扩散方程式有下列形式：二维空间扩散方程式为：二维空间扩散方程式为：第28页/共100页一维空间扩散方程式为：一维空间扩散方程式为：扩散方程的解扩散方程的解对于瞬时点源，守恒污染物在均匀无限大流场对于瞬时点源，守恒污染物在均匀无限大流场中，污染物浓度呈高斯分布。若设坐标原点在中，污染物浓度呈高斯分布。若设坐标原点在污染物排放点，则有：污染物排放点，则有：二

33、维扩散方程的解：二维扩散方程的解：第29页/共100页一维扩散方程的解为：一维扩散方程的解为：对于守恒污染物，实际应用中，在不需要考虑对于守恒污染物，实际应用中，在不需要考虑其横向均匀混合时间的情况下，通常假设其可其横向均匀混合时间的情况下，通常假设其可以瞬间混合完毕，而采用完全混合公式来计算以瞬间混合完毕，而采用完全混合公式来计算河流断面的污染物浓度。河流断面的污染物浓度。对非守恒污染物，在河流的流量和其他水对非守恒污染物，在河流的流量和其他水文条件不变的稳态条件下，可以采用一维模型文条件不变的稳态条件下，可以采用一维模型进行污染物浓度预测。进行污染物浓度预测。第30页/共100页 对于非持

34、久性或可降解污染物，若给定对于非持久性或可降解污染物，若给定x0，0，上式解为：，上式解为：对于一般条件下的河流，推流形成的污染物迁对于一般条件下的河流，推流形成的污染物迁移作用要比弥散作用大得多，在稳态条件下，弥散移作用要比弥散作用大得多，在稳态条件下，弥散作用可以忽略，则有：作用可以忽略，则有：式中：式中：ux河流的平均流速，河流的平均流速，md或或ms；Ex废水与河水的纵向混合系数，废水与河水的纵向混合系数，m2d或或m2s；K污染物的衰减系数，污染物的衰减系数，1d或或1s；x河水河水(从排放口从排放口)向下游流经的距离，向下游流经的距离，m。第31页/共100页例例1 一个改扩建工程

35、拟向河流排放废水，废水一个改扩建工程拟向河流排放废水，废水量量q0.15m3s，苯酚浓度为，苯酚浓度为30gL，河流流，河流流量量Q5.5m3s，流速，流速u0.3ms，苯酚背景浓，苯酚背景浓度为度为 0.5 g L，苯酚的降解（衰减）系数，苯酚的降解（衰减）系数K0.2d-1，纵向弥散系数，纵向弥散系数Ex10m2s。求排放点。求排放点下游下游10km处的苯酚浓度。处的苯酚浓度。解解 计算起始点处完全混合后的初始浓度：计算起始点处完全混合后的初始浓度：（1）考虑纵向弥散条件下的下游）考虑纵向弥散条件下的下游10km处的浓度：处的浓度：第32页/共100页（2）忽略纵向弥散时的下游）忽略纵向弥

36、散时的下游10km处的浓度：处的浓度：由此看出，由此看出，在稳态条件下，忽略纵向弥散在稳态条件下，忽略纵向弥散系数与考虑纵向弥散系数的差异可以忽略。系数与考虑纵向弥散系数的差异可以忽略。对水面宽阔的河流受纳污对水面宽阔的河流受纳污(废废)水后的混合水后的混合过程和污染物的衰减可用二维模型预测；对于过程和污染物的衰减可用二维模型预测；对于水面又宽又深和流态复杂的河流水质预测宜采水面又宽又深和流态复杂的河流水质预测宜采用三维模型。用三维模型。第33页/共100页 3污染物与河水完全混合所需距离污染物与河水完全混合所需距离 污染物从排污口排出后要与河水完全混合污染物从排污口排出后要与河水完全混合需一

37、定的纵向距离，这段距离称为混合过程段需一定的纵向距离，这段距离称为混合过程段。当某一断面上任意点的浓度与断面平均浓当某一断面上任意点的浓度与断面平均浓度之比介于度之比介于0.95 至至1.05 之间时，称该断面已达之间时，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到横向混合，由排放点至完成横向断面混合的距离称为完成横向混合所需的距离距离称为完成横向混合所需的距离。当采用河中心排放时所需的完成横向混合当采用河中心排放时所需的完成横向混合的距离为：的距离为：在岸边上排时：在岸边上排时：第34页/共100页二、二、BODDO耦合模型耦合模型 河水中溶解氧浓度河水中溶解氧浓度(DO)是决定水

38、质洁净程是决定水质洁净程度的重要参数之一，而排入河流的度的重要参数之一，而排入河流的 BOD在衰减在衰减过程中将不断消耗过程中将不断消耗DO，与此同时空气中的氧气，与此同时空气中的氧气又不断溶解到河水中。又不断溶解到河水中。描述一维河流中描述一维河流中BOD 和和DO消长变化规律消长变化规律的模型的模型(SP模型模型)。建立。建立SP模型的基本假设模型的基本假设如下：如下：河流中的河流中的BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应；级反应；反应速度是定常的；反应速度是定常的；河流中的耗氧是由河流中的耗氧是由BOD衰减引起的，而河流衰减引起的，而河流中的溶解氧来源则是大气复

39、氧。中的溶解氧来源则是大气复氧。第35页/共100页S P方程：方程：临界氧亏发生的时间：临界氧亏发生的时间：该方程是应用最广的河流水质中该方程是应用最广的河流水质中BODDO预测模型。预测模型。第36页/共100页SP模型的修正模型：模型的修正模型：SP模型的假设是不模型的假设是不完全符合实际的。为了计算河流水质的某些特完全符合实际的。为了计算河流水质的某些特殊问题，人们在殊问题，人们在 SP 模型的基础上附加了一些模型的基础上附加了一些新的假设，推导出了一些新的模型。新的假设，推导出了一些新的模型。（1）托马斯）托马斯(Thomas)模型模型 对一维静态河流，在对一维静态河流，在SP模型的

40、基础上，模型的基础上，为了考虑沉淀、絮凝、冲刷和再悬浮过程对为了考虑沉淀、絮凝、冲刷和再悬浮过程对BOD去除的影响，引入了去除的影响，引入了BOD沉浮系数沉浮系数k3，BOD变化速度为变化速度为k3L。由以下的基本方程组。由以下的基本方程组(忽忽略扩散项略扩散项)：第37页/共100页解得：解得：（2）多宾斯）多宾斯坎普坎普(DobbinsCamp)模型模型 对一维静态河流，在托马斯模型的基础上，对一维静态河流，在托马斯模型的基础上，多宾斯多宾斯坎普提出了两条新的假设：坎普提出了两条新的假设：考虑地面径流和底泥释放考虑地面径流和底泥释放BOD所引起的所引起的BOD变化速率，该速率以变化速率，该

41、速率以R表示。表示。考虑藻类光合作用和呼吸作用以及地面径考虑藻类光合作用和呼吸作用以及地面径流所引起的溶解氧变化速率，该速率以流所引起的溶解氧变化速率，该速率以P表示。表示。多宾斯多宾斯坎普采用以下基本方程组：坎普采用以下基本方程组：第38页/共100页三、污染物在河口中的混合和衰减模型三、污染物在河口中的混合和衰减模型 入海河口受海洋潮汐和上游河流来水双重入海河口受海洋潮汐和上游河流来水双重作用。海潮上溯与上游下泄的水流相汇形成强作用。海潮上溯与上游下泄的水流相汇形成强烈的混合作用。烈的混合作用。一般污染比较严重的河口都是工业集中的一般污染比较严重的河口都是工业集中的城市或水陆交通枢纽。在无

42、组织排放的条件下，城市或水陆交通枢纽。在无组织排放的条件下，河口将受纳许多排放口废水。在通航的河口，河口将受纳许多排放口废水。在通航的河口，其宽度一般都较大，也比较深，污染物要完成其宽度一般都较大，也比较深，污染物要完成横向混合仍需要经过较长的距离。横向混合仍需要经过较长的距离。当只需了解污染物在当只需了解污染物在个潮汐周期内的个潮汐周期内的平均浓度时，可以采用本节中介绍的河流相应平均浓度时，可以采用本节中介绍的河流相应情况的模型，其混合系数情况的模型，其混合系数Ey可以采用式可以采用式(467)的泰勒公式。的泰勒公式。第39页/共100页 如果要求污染物与河口水混合过程中浓度如果要求污染物与

43、河口水混合过程中浓度随时间变化情况，则应采用二维动态混合数值随时间变化情况，则应采用二维动态混合数值模型预测：首先通过实测得到断面上各测点流模型预测：首先通过实测得到断面上各测点流速与断面平均流速的相关关系，同时用一维非速与断面平均流速的相关关系，同时用一维非恒定流方程数值模型计算出沿程各断面平均流恒定流方程数值模型计算出沿程各断面平均流速，这样就可得到河口的流场分布。速，这样就可得到河口的流场分布。二维动态混合物数值模型的微分方程见式：二维动态混合物数值模型的微分方程见式：第40页/共100页四、河口和河网水质模型四、河口和河网水质模型 河口是入海河流受潮汐作用影响明显的河河口是入海河流受潮

44、汐作用影响明显的河段。段。潮汐对河口水质的双重影响：潮汐对河口水质的双重影响：上游下泄的水流相汇，形成强烈的混合作用，上游下泄的水流相汇，形成强烈的混合作用，使污染物的分布趋于均匀使污染物的分布趋于均匀；由于潮流的顶托作用，延长了污染物在河口由于潮流的顶托作用，延长了污染物在河口的停留时间，有机物的降解会进一步消耗水中的停留时间，有机物的降解会进一步消耗水中的溶解氧，使水质下降的溶解氧，使水质下降。此外，潮汐也使河口的含盐量增加。此外，潮汐也使河口的含盐量增加。第41页/共100页 河口模型比河流模型复杂，求解也比较困河口模型比河流模型复杂，求解也比较困难。对河口水质有重大影响的评价项目，需要

45、难。对河口水质有重大影响的评价项目，需要预测污染物浓度随时间的变化。这时应采用水预测污染物浓度随时间的变化。这时应采用水力学中的非恒定流的数值模型，以差分法计算力学中的非恒定流的数值模型，以差分法计算流场，再采用动态水质模型，预测河口任意时流场，再采用动态水质模型，预测河口任意时刻的水质。当排放口的废水能在断面上与河水刻的水质。当排放口的废水能在断面上与河水迅速充分混合，则也可用一维非恒定流数值模迅速充分混合，则也可用一维非恒定流数值模型计算流场，再用一维动态水质模型预测任意型计算流场，再用一维动态水质模型预测任意时刻的水质。对河口水质有重大影响，但只需时刻的水质。对河口水质有重大影响，但只需

46、预测污染物在一个潮汐周期内的平均浓度，这预测污染物在一个潮汐周期内的平均浓度，这时可以用一维潮周平均模型预测。时可以用一维潮周平均模型预测。一维（潮周平均）河口水质模型如下：一维（潮周平均）河口水质模型如下：第42页/共100页式中：式中：r污染物的衰减速率，污染物的衰减速率，g/(m3.d)；s系统外输入污染物的速率，系统外输入污染物的速率，g/(m3.d)；ux不考虑潮汐作用，由上游来水不考虑潮汐作用，由上游来水(净泄量净泄量)产生的流速，产生的流速，m/s。假定假定s0和和rK1，对排放点上游（对排放点上游（x0）对排放点下游（对排放点下游（x 0）第43页/共100页 第三节第三节 湖

47、泊湖泊(水库水库)水质数学模型水质数学模型 湖泊（水库）水流状态分为前进和振动两类。湖泊（水库）水流状态分为前进和振动两类。前者指湖流和混合作用，后者指波动和波漾。前者指湖流和混合作用，后者指波动和波漾。(1)湖流：指湖水在水力坡度、密度梯度和风湖流：指湖水在水力坡度、密度梯度和风力等作用下产生沿一定方向的缓慢流动。湖流经力等作用下产生沿一定方向的缓慢流动。湖流经常呈水平环状运动（多出现在湖水较浅的场合）常呈水平环状运动（多出现在湖水较浅的场合）和垂直环状运动和垂直环状运动(湖水较深时湖水较深时)。(2)混合：指在风力和水力坡度作用下产生的混合：指在风力和水力坡度作用下产生的湍流混合和由湖水密

48、度差引湍流混合和由湖水密度差引 起的对流混合作用。起的对流混合作用。(3)波动：主要由风引起的，又称风浪。波动：主要由风引起的，又称风浪。(4)波漾：是在复杂的外力作用下，湖中水位波漾：是在复杂的外力作用下，湖中水位有节奏的升降变化。有节奏的升降变化。第44页/共100页湖泊湖泊(水库水库)的水质特征：的水质特征：水的停留时间较长（可达数月至数年），属于水的停留时间较长（可达数月至数年），属于缓流水域缓流水域，其中的化学和生物学过程保持一个比其中的化学和生物学过程保持一个比较稳定的状态较稳定的状态。进入湖泊和水库中的营养物质在其中容易不断进入湖泊和水库中的营养物质在其中容易不断积累积累，致使水

49、质发生富营养化致使水质发生富营养化。在水深较大的湖、库中，水温和水质是竖向分在水深较大的湖、库中，水温和水质是竖向分层的层的。湖泊水质模型分为描述湖、库营养状况的湖泊水质模型分为描述湖、库营养状况的箱箱式模型式模型、分层箱式模型分层箱式模型和描述温度与水质竖向分和描述温度与水质竖向分布的布的分层模型分层模型。第45页/共100页一、完全混合模型一、完全混合模型 完全混合模型属箱式模型，也称沃兰伟德完全混合模型属箱式模型，也称沃兰伟德(Vollenwelder)模型。模型。对于停留时间很长、水质基本处于稳定状态对于停留时间很长、水质基本处于稳定状态的中小型湖泊和水库，可以简化为一个均匀混合的中小

50、型湖泊和水库，可以简化为一个均匀混合的水体。沃兰伟德假定，湖泊中某种营养物的浓的水体。沃兰伟德假定，湖泊中某种营养物的浓度随时间的变化率，是输入、输出和在湖泊内沉度随时间的变化率，是输入、输出和在湖泊内沉积的该种营养物量的函数，可以用质量平衡方程积的该种营养物量的函数，可以用质量平衡方程表示：表示：1污染物污染物(营养物营养物)混合和降解模型混合和降解模型第46页/共100页式中：式中：V湖、库的容积，湖、库的容积，m3；污染物或水质参数的浓度，污染物或水质参数的浓度，mgL；污染物或水质参数的平均排入量，污染物或水质参数的平均排入量，mgs；t时间，时间，s；Q出入湖、库流量，出入湖、库流量