常用河流水质数学模型与适用条件.ppt

1、第四章 地表水环境影响评价,4.1 基本概念 4.2 相关水环境标准 4.3 地表水环境影响评价工作程序 4.4 地表水环境影响评价等级及范围 4.5 地表水环境现状调查与评价 4.6 地表水环境影响预测 4.7 地表水环境影响评价,4.6 地表水环境影响预测,*拟预测水质参数的筛选 水体自净的基本原理 地表水环境影响预测的时期和阶段 地表水环境和污染源的简化 地表水环境影响预测的方法 水质数学模式的类型与选用原则 *常用河流水质数学模型与适用条件 水质模型参数的确定方法,拟预测水质参数的筛选,在现状调查的水质参数中筛选； 拟预测参数应既说明问题又不过多（一般少于现状调查参数）； 根据工程分析

2、、环境现状、评价等级和当地环保要求筛选； 不同时期参数不一定相同； * 对河流，可用水质参数排序指标（ISE）选取预测水质因子：,ISE是负值或越大，说明拟建项目排污对河流中该项水质参数的影响越大！,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 ：评价河段的水质浓度， mg/L； Q p建设项目废水排放量，m3/s； Q h评价河段的流量， m3/s；,4.6 地表水环境影响预测,拟预测水质参数的筛选 水体自净的基本原理 地表水环境影响预测的时期和阶段 地表水环境和污染源的简化 地表水环境影响预测的方法 水质数学模式的类型与选用原则 常用河流水

3、质数学模型与适用条件 水质模型参数的确定方法,地表水环境影响预测是以一定的预测方法为基础的，而这种方法的理论基础是水体的自净特性。 水体自净：水体可以在其环境容量范围内，经过自身的物理、化学和生物作用，使受纳的污染物浓度不断降低，逐渐恢复原有的水质。(P66),水体自净的基本原理,物理自净：混合稀释、自然沉淀 化学自净：氧化还原反应 生物自净：水中微生物（尤其是细菌）作用,Ex： 纵向混合系数，m2/s； E y：横向混合系数，m2/s； E z：垂向混合系数，m2/s； K3: 沉降系数，1/d；,水体的耗氧和复氧过程,水体耗氧过程：,含碳化合物被氧化； 含氮化合物被氧化； 水生植物（如藻类

4、）的呼吸作用； 河床底泥耗氧；,水体复氧过程：,大气中的氧气不断溶于水中 水生植物的光合作用产氧,K1：耗氧系数，单位 1/d； K2：复氧系数，单位 1/d；,4.6 地表水环境影响预测,拟预测水质参数的筛选 水体自净的基本原理 地表水环境影响预测的时期和阶段 地表水环境和污染源的简化 地表水环境影响预测的方法 水质数学模式的类型与选用原则 常用河流水质数学模型与适用条件 水质模型参数的确定方法,地表水环境简化（P96）,河流简化：矩形平直河流，矩形弯曲河流和非矩形河流。,河流断面宽深比20，可视为矩形河流； 大中河流预测河段弯曲系数较大（1.3）视为弯曲河流，否则简化为平直河流； 大中河流

5、水深变化很大且评价等级较高（如一级）视为非矩形河流，其他简化为矩形河流； 小河一般可简化为矩形平直河流。 河流水文、水质有急剧变化河段，在急剧变化之处分段，分别简化。,湖泊与水库的简化：大湖（库）、小湖（库）、分层湖（库）。,水深10m且分层期较长（如30d）的湖泊、水库可视为分层湖（库）。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以简化为河流。,污染源的简化（P96）,污染源简化包括排放方式的简化和排放规律的简化。 污染源排放方式简化：点源和面源,无组织排放或从多个间距很近的排放口排水时，也可以简化为面源； 排入河流的两排放口间距较近时，可简化为一个，其位置假设在两排

6、放口之间，排放量为二者之和。 排入小湖（库）的所有排放口可简化为一个，其排放量是所有排放量之和。排入大湖（库）的两排放口间距较近时，可以简化成一个，其位置假设在两排放口之间，排放量为两者之和。,4.6 地表水环境影响预测,拟预测水质参数的筛选 水体自净的基本原理 地表水环境影响预测的时期和阶段 地表水环境和污染源的简化 地表水环境影响预测的方法 水质数学模式的类型与选用原则 常用河流水质数学模型与适用条件 水质模型参数的确定方法,地表水环境影响预测的方法（P95）,物理模型法,类比调查法,主要指水工模型。水工模型法定量性较高，再现性较好，能反映出比较复杂的地表水环境的水力特征和污染物迁移的物理

7、过程。但需要合适的试验场所和条件以及必要的基础数据，需较多人力、物力和时间。,专业判断法,半定量或定性预测。注意预测对象与类比对象的相似性。,数学模式法,定性预测。建设项目对地表水环境某些影响无法定量预测，也没有条件采用类比调查时采用。,4.6 地表水环境影响预测,拟预测水质参数的筛选 水体自净的基本原理 地表水环境影响预测的时期和阶段 地表水环境和污染源的简化 地表水环境影响预测的方法 水质数学模式的类型与选用原则 常用河流水质数学模型与适用条件 水质模型参数的确定方法,水质数学模式的类型与选用原则,水质数学模式 按水质分布状况分：零维、一维、二维、三维； 按来水和排污随时间的变化分：动态、

8、稳态、准稳态（准动态）； 按拟预测水质组分分：单一组分模式、耦合组分模式； 按求解方法及方程形式分：解析解模式、数值解模式；,水质影响预测模式的选用（P97） 主要考虑水体类型和排污状况、环境水文条件及水力学特征、污染物的性质及水质分布状态、评价等级等方面。,4.6 地表水环境影响预测,拟预测水质参数的筛选 水体自净的基本原理 地表水环境影响预测的时期和阶段 地表水环境和污染源的简化 地表水环境影响预测的方法 水质数学模式的类型与选用原则 *常用河流水质数学模型与适用条件 水质模型参数的确定方法,1. *河流混合过程段长度（P73）,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

9、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。,常用河流水质数学模型与适用条件,1. 河流混合过程段长度（P73）,*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

10、.1m/s，I=9，试计算混合过程污染带长度。,*2. 河流完全混合模式（P71）,适用条件： （1）河流充分混合段；（3）河流为恒定流动； （2）持久性污染物； （4）废水连续稳定排放。,c污染物浓度，mg/L； cp污染物排放浓度，mg/L； ch河流来水污染物浓度，mg/L； Qp废水排放量，m3/s； Qh河流来水流量， m3/s；,常用河流水质数学模型与适用条件,例题2（P72）： 河边拟建一工厂，排放含氯化物废水，流量2.83m3/s，含盐量1300mg/L；该河流平均流速0.46m/s，平均河宽13.7m，平均水深0.61m，含氯化物浓度100mg/L。如该厂废水排入河中能与河水

11、迅速混合，问河水氯化物是否超标（设地方标准为200mg/L）？,解： ch100mg/L，Q h0.4613.70.613.84m3/s cp=1300mg/L，Q p=2.83m3/s,*3. 河流一维稳态模式,c 计算断面的污染物浓度，mg/L； c0计算初始点污染物浓度，mg/L； t断面间水团传播时间，d； K水质综合消减系数，1/d； u河流流速， m/s； x从计算初始点到下游计算断面的距离，m；,常用河流水质数学模型与适用条件,或,一般方程式为：,e：自然对数的底 ，2.718,*3. 河流一维稳态模式,* 适用条件： （1）河流充分混合段； （3）河流为恒定流动； （2）非持久

12、性污染物； （4）废水连续稳定排放。,c 计算断面的污染物浓度，mg/L； c0计算初始点污染物浓度，mg/L； K1耗氧系数，1/d； K3污染物的沉降系数，1/d； u河流流速， m/s； x从计算初始点到下游计算断面的距离，m；,常用河流水质数学模型与适用条件,或,例题3：一河段的K 断面处有一岸边污水排放口稳定地向河流排放污水，其污水特征为：Qp=19440m3/d，BOD5（p）=81.4mg/L，河水Qh=6.0m3/s，BOD5（h）=6.16mg/L，u=0.1m/s，K1=0.3/d，如果忽略污染物质在混合过程段内的降解和沿程河流水量的变化，在距完全混合断面10km 的下游某

13、段处，河流中BOD5 浓度是多少？,解： Qp=19440/86400=0.225m3/s 计算起始点处完全混合后的BOD 的浓度,8.88mg/L,=6.275 mg/L,在距完全混合断面10km 的下游某段处，河流中BOD5 浓度是6.275 mg/L,常用河流水质数学模型与适用条件,*4. Streeter Phelps (S-P)模式,建立S-P模式的基本假设： （1）河流中的BOD衰减和溶解氧的复氧都是一级反应； （2）反应速度是定常的； （3）河流中的耗氧是由BOD衰减引起的，而河流中的溶解氧来源则是大气复氧。,S-P模式的适用条件：（1）河流充分混合段； （2）污染物为耗氧有机污

14、染物； （3）需要预测河流溶解氧状态； （4）河流为恒定流动； （5）污染物连续稳定排放。,常用河流水质数学模型与适用条件,*4. Streeter Phelps (S-P)模式,CBOD0计算初始断面的BOD浓度，mg/L; D0计算初始断面亏氧量，即断面DO浓度与DOf之差，mg/L； Dh上游来水中溶解氧的氧亏值，mg/L； Dp污水中溶解氧的氧亏值，mg/L；,*4. Streeter Phelps (S-P)模式,D亏氧量，即饱和溶解氧浓度与溶解氧浓度的差值，mg/L； cBODBOD的浓度，mg/L； K1耗氧系数，1/d； K2大气复氧系数，1/d； x从计算初始点到下游计算断面

15、的距离，m,氧垂公式,氧垂曲线：根据氧垂公式绘制的溶解氧沿程变化曲线。（P75）,*4. Streeter Phelps (S-P)模式,计算最大氧亏点临界点,tc由起始点到达临界点的流行时间。,xc临界点到计算初始点的距离，m。,*4. Streeter Phelps (S-P)模式,S-P模式在水质影响预测中应用最广，也可用于计算河段的最大容许排污量。,在S-P模式基础上，结合河流自净过程中的不同影响因素，人们提出了一些修正型。例如托马斯引入悬浮物沉降作用对BOD衰减的影响；多宾斯坎普提出了考虑底泥耗氧和光合作用复氧的模型；奥康纳进一步考虑含氮污染物的影响；1989年美国EPA推出了QUA

16、L2E，这是一维水质模型，全面考虑河流自净的机理，可以模拟15种以上不同的水质参数的变化，如水温、有机磷、有机氮、肠杆菌等。,5. 河流二维稳态混合模式,适用条件： （1）平直、断面形状规则河段混合过程段； （2）持久性污染物； （3）河流为恒定流动； （4）连续稳定排放； （5）对于非持久性污染物，需采用相应的衰减模式。,常用河流水质数学模型与适用条件,5. 河流二维稳态混合模式,c (x ,y)(x, y)点污染源垂直平均浓度，mg/L； H平均水深，m； B河流宽度，m； a排放口与岸边的距离，m； My横向混合系数，m2/s； x, y笛卡儿坐标系的坐标，m；,岸边排放：,常用河流水质

17、数学模型与适用条件,5. 河流二维稳态混合模式,c (x ,y)(x, y)点污染源垂直平均浓度，mg/L； H平均水深，m； B河流宽度，m； a排放口与岸边的距离，m； My横向混合系数，m2/s； x, y笛卡儿坐标系的坐标，m；,非岸边排放：,2,常用河流水质数学模型与适用条件,6. 河流二维稳态混合累积流量模式,常用河流水质数学模型与适用条件,适用条件：（1）弯曲河流、断面形状不规则河段混合过程段； （2）持久性污染物； （3）河流为恒定流动； （4）连续稳定排放； （5）对于非持久性污染物，需采用相应的衰减模式。,岸边排放：,c（x, q）（x,q）处污染物垂向平均浓度，mg/L；

18、 Mq累积流量坐标系下的横向混合系数； x,q累积流量坐标系的坐标；,4.6 地表水环境影响预测,拟预测水质参数的筛选 水体自净的基本原理 地表水环境影响预测的时期和阶段 地表水环境和污染源的简化 地表水环境影响预测的方法 水质数学模式的类型与选用原则 常用河流水质数学模型与适用条件 水质模型参数的确定方法,水质模型参数的确定方法,水质模型参数确定的方法类别：,实验室测定法 公式计算法（包括经验公式、模型求解等） 现状实测法 示踪剂法,（1）实验室测定法 K1=K1 +(0.11+54 I )u/H 式中：K1耗氧系数，1/d； K1试验室测定的耗氧系数，1/d； I河流底坡或地面坡度，； u

19、河水流速，m/s； H平均水深，m。 在实际应用中， K1 仍然写作 K1,耗氧系数K1单独估值方法（P83）,（2）两点法(现场实测法),式中：c A、c B为A、B断面上污染物的平均浓度， x为A、B断面间的距离。,耗氧系数K1单独估值方法（P83）,复氧系数K2的单独估值方法经验公式法（P84）,（1）奥康纳多宾斯，简称奥多公式：,cz17,cz17,cz谢才系数 I河流坡度 n河床糙率 Dm分子扩散系数,0.1H0.6m u 1.5m/s,0.6H8m 0.6u1.8m/s,（2）欧文斯等人经验式,（3）丘吉尔经验式,复氧系数K2的单独估值方法经验公式法（P84）,K1 、K2的温度校

20、正,K1或2（T）K1或2（20）（T-20）,温度常数的取值范围,对于K1， 1.021.06，一般取1.047 对于K2， 1.0151.047，一般取1.024,(1)泰勒法求Ey(适用于河流) Ey=(0.058H+0.0065B)(gHI)1/2 B/H100 式中：B河流宽度； g重力加速度； (2)爱尔德法求Ex(适用于河流) Ex=5.93H(gHI)1/2,混合系数的经验公式（P82）,混合系数的示踪试验测定法（P82）,示踪物质有： 无机盐类（ NaCl、LiCl） 荧光染料（如工业碱性玫瑰红） 放射性同位素等。 示踪物质应满足以下要求： 具有在水体中不沉降、不降解、不产生化学反应 测定简单准确， 经济 对环境无害 示踪物质的投放有瞬时投放、有限时段投放和连续恒定投放。