水质模型与水环境容量

1、第四章 水质模型与水环境容量1、污染物质在水中有哪些运动形式？污染物质在水中运动的形式，可以分为两大类：一类是随流输移运动，一类是扩散运动。在随流输移运动中，污染物服从水体的总体流动特征，产生从一处到另一处的大范围运动（包括主流方向以及垂直主流方向）。而扩散运动则是使污染物质在水体中得到分散和混和的物理机制，按物理机制的不同，扩散运动包括分子扩散、紊动扩散和剪切流离散。此外，在工程实际当中遇到的水体大都是具有固体边界的（大面积水体中的局部污染问题除外），而污染物在边界附近，将产生所谓边界反射问题，而且这种反射作用往往对污染物的分布产生重要影响，不可忽略。2、什么是水质模型和环境容量？水质模型，

2、是一个用于描述物质在水环境中的混合、迁移的，包括物理、化学、生物作用过程的数学方程，该方程（或方程组）用来描述污染物数量与水环境之间的定量关系，从而为水质评价、预测和环境影响分析提供基础的量化依据。环境对污染物的容纳也有一定限度，这个限度我们称之为环境容量或者环境负荷量，超过了这个限度，环境就可能遭到破坏。水环境容量则是指在满足一定的水环境质量标准的前提下，水体能够容纳污染物的最大负荷量。水环境容量的推求同样是以污染物在水体中的输移扩散规律以及水质模型为基础的，是对污染物基本运动规律的实际应用。水环境容量的计算，从本质上讲就是由水环境标准出发，反过来推求水环境在此标准下所剩的污染物允许容纳余量

3、，其中包含了在总量控制的情况下，对纳污能力的估算和再分配。3、什么是水质模型？水质模型是一个用于描述污染物质在水环境中的混合、迁移过程的数学方程或方程组。建立水质模型，首先要针对所研究污染的性质选择合适的变量，明确这些变量的变化趋势以及变量相互作用的实质；然后用数学方程或方程组予以描述，建立模型，利用数学方法求解；最终与实际资料对比、验证，修改、提炼模型，以解决实际问题。4、分子扩散运动的费克定律有哪些主要内容？（1）费克（fick）第一定律费克（fick）第一定律提出单位时间内，通过单位面积的溶解物质与溶质浓度在该面积法线方向的梯度成比例，扩散强度与污染物自身特性有关。 （51）式中：Qx为

4、在x方向单位时间通过单位面积的扩散物质的质量简称通量；C为扩散物质的浓度（单位体积流体中的扩散物质的质量）；为扩散物质在x方向的浓度梯度；Dm为分子扩散系数，与扩散物的种类和流体温度有关，具有L2/T的量纲。式中的负号表示扩散物质的扩散方向为从高浓度向低浓度，与浓度梯度相反。（2）费克（fick）第二定律在水体中取微分六面体，对其应用质量守恒定律（见图5-1），可以得到三维分子扩散方程，它在直角坐标下的一般形式为： （52）式中：为污染物浓度在水环境中随时间的变化率。、分别为污染物在x，y，z方向上的通量，与fick第一定律中的意义相同。将（51）式代入（52）式并移项，得： （53）式中：D

5、x、Dy、Dz 分别为沿x、y、z方向的分子扩散系数，在各项同性情况下，DmDxDyDz，此时，方程（53）变为： （54）上式即为各向同性情况下的三维分子扩散方程，是费克第二定律的特殊形式。5、移流扩散可分为哪些阶段？从运动阶段上考察，移流扩散大致分为三个阶段：第一阶段为初始稀释阶段。该阶段主要发生在污染源附近区域，其运动主要为沿水深的垂向浓度逐渐均匀化。第二阶段为污染扩展阶段。该阶段中，污染物在过水断面上，由于存在浓度梯度，污染由垂向均匀化向过水断面均匀化发展。第三阶段为纵向离散阶段。该阶段中，由于沿水流方向的浓度梯度作用，以及断面上流速分布，出现了沿纵向的移流扩散，该扩散又反过来影响了断

6、面的浓度分布，从而与第二阶段的运动相互作用。6、如何求解水质模型？水质模型主要有如下求解方法：（1）理论解析解将问题简化后，方程变为低维、低阶、线性的形式，可以用数理方程中的标准方法进行求解，包括量纲分析方法、变量替换法、镜像法等。（2）数值解法（数值模拟方法）如果问题本身无法简化，则可以将连续的方程离散化，采用差分法、有限元方法、有限体积法等，求解有限个网格节点上的函数值。数值模拟方法有许多优点，例如：可解决高阶非线性问题，不受场地和比尺限制，可在短时间内测试各种可能方案等。而且由于当前计算机技术的高度发展，数值模拟方法有着更加广阔的前景和应用范围。（3）物理模型这是传统的解决流体力学问题的

7、方法，同样适用于水环境问题的解决。在实物模型中，可以直接观测流动和扩散现象，测量所关心的污染物浓度分布。物理模型方法比较直观，而且对于一些未能建立数学方程的复杂问题，只要抓住支配扩散的主要因素，即可得到较为符合实际的结果。该方法的不足之处在于对概化的灵敏度较高，而且由于物理模型往往需要大量试验材料，因此可能花费较多的经费。（4）原型观测、类比分析在天然流场中，对实际的污染物形成的浓度场进行观测。由于该方法较之前面几种方法缺乏预测性，因此，一般用来确定解析方法或者数值模拟方法中需要的扩散系数等参数，或用于验证物理模型和数学模型的可靠性及类似水环境问题的类比分析。7、如何理解镜像法？镜像法，就是将

8、边界当成虚拟的镜面，在边界的另一侧放置一个虚拟的污染源，其强度和与边界的距离与实际污染源完全相同，此时，边界就可以去掉，这样，我们就把解决边界反射问题转化为两个污染源的叠加问题。要使用镜像法解决边界问题，需要满足边界处污染物“净通量为零”的条件，而虚拟污染源的放置正好满足这个基本条件。由叠加原理，我们将两个瞬时点源的叠加浓度场用下式表示： （516）对于污染源在岸边排放的情况：即L0，代入上式得到： （517）受影响后的分布从式（517）可以看出：若污染源就在岸边，则其形成的污染浓度场中任一点的浓度都为没有边界时的两倍。8、试述水质模型的定义、研究目的及分类？水质模型是一个用于描述污染物质在水

9、环境中的混合、迁移过程的数学方程或方程组。求解方法很多，对于简单可解情况，可以求出其解析解；对于复杂情况，则可能采取数值解法。因此水质模型解的精度及可靠性不会超过其方程本身。进行水质模型研究的主要目的，在现阶段主要是用于点源排放的纳污问题。随着社会的发展和水处理技术的进步，点源污染的影响相对变得越来越小，而非点源污染，例如农业和城市污染变得越来越重要，水质模型也向预测非点源污染问题发展。根据具体用途和性质，水质模型的分类标准如下：（1）以管理和规划为目的，水质模型可分为四类，即河流水质模型、河口水质模型（加入了潮汐作用）、湖泊（水库）水质模型以及地下水水质模型。其中河流水质模型研究比较成熟，有

10、较多成果，且能更加真实的反映实际水质行为，因此应用比较普遍。（2）根据水质组分，水质模型可以分为单一组分、耦合的和多重组分的三类。其中BODDO耦合模型能够较成功地描述受有机污染地水质变化情况。多组分水质模型比较复杂，它考虑地水质因素更多，例如水生生态模型等。（3）根据水体的水力学和排放条件是否随时间变化，可以把水质模型分为稳态模型的和非稳态的模型。对于这两类模型，其研究的主要任务是模型的边界条件，即在何种条件下水质能够尽可能处于较好状态。稳态水质模型可以用于模拟水质的物理、化学和水力学过程；而非稳态模型则用于计算径流、暴雨过程中水质的瞬时变化。（4）根据研究水质维度，可把水质模型分为零维、一

11、维、二维、三维水质模型。其中零维水质模型较为粗略，仅为对于流量的加权平均，因此常常用作其他维度模型的初始值和估算值，而三维水质模型虽然能够精确反映水质变化，但是受到紊流理论研究的局限，还在继续理论研究当中。一维和二维模型则可根据研究区域的情况适当选择，并可以满足一般应用要求的精度。9、试述水质模型建模的一般步骤？水质模型是一个用于描述污染物质在水环境中的混合、迁移过程的数学方程或方程组。求解方法很多，对于简单可解情况，可以求出其解析解；对于复杂情况，则可能采取数值解法。因此水质模型解的精度及可靠性不会超过其方程本身。（1）模型概化针对所研究污染的性质选择关心的变量，明确这些变量的变化趋势以及变

12、量的相互作用，在保证能够反映实际状况的同时，力求所建模型尽可能简单。（2）模型性质研究对模型的稳定性、平衡性以及灵敏性进行研究。其中稳定性是指模型是否能够收敛，而灵敏性是指当模型中参数变化时，其结果产生的差别是否在允许范围之内。（3）参数估计对于模型中的一些需要通过实验或者实测数据进行确定的参数，要考虑这些实测资料能否全面、正确反映参数值，以及这些实测数据是否齐全，是否容易得到，对于无法通过实测数据反算的参数，需要重新设立参数，或者寻找其间接依赖关系。参数估计是水质模型中重要的一环。（4）模型验证若只用一套数据确定模型，则该模型不能具有预测功能，因此，需要用另一套或者几套实测数据来验证所建模型

13、。如果检验结果具有良好的一致性，则该模型具有预测功能，否则需要重新返回到第三步，调整参数。（5）模型应用这也是建立模型的目的。可以用所建模型，对研究区域及其类似区域的污染进行模拟和预测，以控制水质，防止污染。如果所建模型后来被实际数据证明是正确的，则说明水质模型的方法是正确的，可以更高的概率用于污染预测。反之，需要修改模型，以便解决问题。10、试述水质预测的方法？预测水质变化的方法，一般有三种：根据经验进行的专家判断法；从已兴建的类似工程进行类比法；模拟方法。在初评中多使用前两种方法，其结果都是定性结论，最好也是半定量的。但这种定性分析方法在很多方面可以满足影响评价的要求，也可给出影响大小的等

14、级。另外水环境中包括各方面的问题，有些问题不是都能通过定量指标来描述的，或尚没有满意的定量预测方法，所以也只能给出定性结论。因此在水质预测中对定性分析法应给预足够重视，片面追求定量结果有时是不必要或不可能的。前两种方法将在环境影响评价中预以评述。水质的定量预测目前多采用水质模拟(数学模拟或物理模拟)，最常用的是采用数学模拟即水质数学模型进行预测，在进行预测时一定要注意水文特征值和污染源的变化发展情况。11、试述水环境容量的定义、影响因素、分类及作用。一定的环境在人类生存和生态系统不致受害的情况下，对污染物的容纳也有一定的限度。这个限度便称之为环境容量或环境负荷量。水环境容量则是特指在满足水环境

15、质量标准的要求下，水体容纳污染物的最大负荷量，因此又称做水体负荷量或纳污能力。水环境容量是建立在水质目标和水体稀释自净规律的基础上，因此它与水环境的空间特性，运动特性、功能，本底值，自净能力及污染物特性、排放数量及排放方式等多种因素有关。例如当某河段内排污口位置和排放方式已定时，河段的环境容量可表示为： (570)式中：W河段水环境容量，常用某段时间的污染物总量表示；Cb河段污染物的自然背景值。(本底值)多以无污染的上游来水中污染物浓度表示做为确定W的初始条件；CN河段水质标准，它取决于该河段社会使用价值；Q,s,q,t分别表示河段流量，长度，污水排放流量及时间，它们均与该河段的环境特性和河段

16、稀释自净能力有关。从水体稀释、自净的物理实质看，水环境容量由两部分组成，即差值容量和同化容量。前者出于水体的稀释作用，而后者是各种自净作用的综合去污容量。从控制污染的角度看，水环境容量可从两方面反映：一是绝对容量，即某一水体所能容纳某污染物的最大负荷量，它不受时间的限制；一是年(日)容量，即在水体中污染物累积浓度不超过环境标准规定的最大容许值的前提下，每年(日)水体所能容纳某污染物的最大负荷量。年(日)容量受时间限制，并且和水体的本底值、水质标准及净化能力有关。实用上则根据具体情况，采用其中较适宜的一种。河流、湖泊、水库是最常见的三种贮水体，通常也主要研究推求这三者的水环境容量。水环境容量的主

17、要作用是：对排污进行控制，利用水体自净能力进行环境规划。12、试述水环境容量的m值计算法。m值计算法既是浓度控制法的改进(直接推求允许排放浓度)，也是总量控制法的简化。它适用于确定受毒性较小的污染物和其他有机污杂物影响的水环境容量，即确定这些污染物的排放标准。此方法从河段水环境质量标准出发，根据河段水量与混合物的质量守恒原理，推求河段内各排污口允许排放浓度，同时也规定出排污流量。如，大河流量为Q，一侧岸边某排污口排污流量为q，排污浓度为Cd，排污口附近上下两断面的污染物浓度分别为Co和CN，如果忽略污染物的衰减作用，只考虑稀释，则应有： 那么： 若取CN为符合环境要求的水质标准(浓度)，并令Q

18、/q，C0/CN，符合水环境要求的允许排放浓度即为： 再令m1+-标准稀释系数，则: 上式只适用于1的情况，表面看这似乎只是对排放浓度的控制，而实质上对污水排放流量的控制已隐含在确定m值过程中，即由清污水流量比来控制q值。对河段中有多个排污口相距又不太远时，可把它们合并为一个排污口考虑。总污水控制流量就是各排污口控制流量之和，即qq1+q2+qn；而各排污口排放浓度控制都用相同的值。m值计算法没有直接考虑衰减作用，但从中可以看出：此式右端第二项反映了由流量比Q/q控制的稀释作用，即允许超过的值是通过控制排污流量q来实现的。当qQ，Cd2CN-Co；当qQ时，CdCN，即排污标准必须达到水质控制标准：Wp=·q·t=86.4·q，式中：mg/l，qm3/s，Wpkg/d。13、试述水环境容量的安全容积法。研究表明：湖