第三节 河流水质模型(3)

1．河流中的基本水质问题2．单一河段水质模型3．多河段水质模型4．其它河流水质模型5．河口水质模型3.1河流中的水质问题一、污染物与河水的混合污染物排入河流后，从污水排放口到污染物在河流横断面上达到均匀分布，通常需经历竖向混合和横向混合两个阶段。竖向混合——污染物进入河流后，在较短距离内即达到竖向的均匀分布横向混合——污染物达到竖向均匀分布到污染物在整个断面上达到均匀分布的过程注：直道中，主要动力为横向弥散作用;弯道中，横向环流大大加速了横向扩散竖向混合：三维混合问题横向混合：二维混合问题完成两种混合后混合问题位移为混合问题保守物质将一直保持断面浓度；非保守性物质由于生物化学等作用产生浓度变化，但在整个断面分布始终是均匀的。二、生物化学分解1.河流中的有机物经过生物降解所产生的浓度变化，可由一级反应式表示：L=L0e-Kc*tL－t时刻有机物的剩余生物化学需氧量L0－初始时刻有机物的总生物化学需氧量Kc—含碳有机物的降解速度常数，为温度的函数实验室测定Kc值：通过实验室中测定生化需氧量（BOD）和时间的关系2.1961年，托马斯（H·Thomas）提出了河流中BOD衰减的另一个原因—沉淀，如果反映生化作用和沉淀作用的BOD衰减速度常数分别为Kd和Ks，则Kc＝Kd+Ks3.1966年，K·Bosko研究了河流中生化作用的BOD衰减速度常数Kd和实验室的数值Kc之间的关系：η为河床活度常数，综合反映河流对有机物生化降解作用的影响。4.稳态河流中BOD的变化规律满足下式：5.含氮有机物排入河流后，同样发生生物化学氧化过程：Kd＝Kc+uxHLc=L0〔exp（-Kcxux）〕LN=LN0〔exp（-KNxux）〕三、大气复氧水中溶解氧的主要来源是大气。氧气由大气进入水中的质量传递速度：C-河流水中溶解氧的浓度Cs-河流水中饱和溶解氧的浓度KL-质量传递系数A-气体扩散的表面积V-水的体积dtdC=KLAV(Cs-C)欧康奈尔（D.O’·Conner）和多宾斯（W·Dobbins）在1958年提出根据河流的流速、水深计算大气复氧速度常数的方法：饱和溶解氧浓度Cs是温度、盐度和大气压力的函数。在760mmHg压力下，淡水中的饱和溶解氧浓度为T为0cKL=CuxnHmCs=46831.6+T四、光合作用水生植物的光合作用是河流溶解氧的另一个重要来源。欧康奈尔假定光合作用的速度随着光照强度的变化而变化。中午光照强度最大时，产氧速度最快，夜晚没有光照时，产氧速度为零。五、藻类的呼吸作用藻类的呼吸作用要消耗河水中的溶解氧，通常把藻类呼吸耗氧速度看作是常数.六、底栖动物和沉淀物的耗氧底泥耗氧的主要原因是由于底泥中的耗氧物返回到水中和底泥顶层耗氧物质的氧化分解.3.2单一河段水质模型定义：在所研究的河段内只有一个排放口时称该河段为单一河段坐标：在研究单一河段时，一般把排放口置于河段的起点，即定义排放口处的纵向坐标x＝0.S-P模型—描述河流水质的第一个模型，由斯特里特（H•Streeter）和菲而普斯（E•Phelps）在1925年建立。基本假设：河流中的BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应，反应速度为常数；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氧垂公式O—河流中的溶解氧值Os—饱和溶解氧值L0－河流起始点的BOD值D0－河流起始点的氧亏值Dc－临界点的氧亏值tc—由起始点到临界点的流经时间耗氧曲线复氧曲线氧垂曲线tc时间t溶解氧DO饱和溶解氧浓度Cs污水排放点河流BOD＝L0溶解氧氧垂曲线DcD0O=Os-D=Os-Ka-Kd[e-Kdt-e-Kat]-D0e-KatKdL0临界点氧亏值:Dc=Kae-KdtcKdL00dtdDS-P模型的修正型卡普修正式上游来量及旁侧入流叠加托马斯修正式考虑泥沙、悬浮固体对有机物的吸附沉降，化学絮凝沉降及水流冲刷再悬浮。托曼修正式考虑断面流速和浓度分布不均匀而引起的剪切流纵向分散。杜宾斯修正式考虑底泥释放或沿程地表径流加入的BOD浓度沃康纳修正式认为BOD5不能反映有机污染物BOD的总量3.3多河段水质模型一、多河段水质模型的概化水质模型的解析解是在均匀和稳定的水流条件下取得的，划分断面的原则：a）河流断面形状发生剧烈变化处b）支流或污水的输入处c）河流取水口处d）其他需要设立断面的地方二、多河段BOD模型及DO模型的建立1.BOD模型河流水质的特点之一是上游每一个排放口排放的污染物对下游每一断面的水质都会产生一个增量，而下游的水质对下游不会产生影响。因此，河流每一个断面的水质状态都可以视为上游每一个断面排放污染物和本断面排放污染物的影响的总和。2.DO模型3.4其他河流水质模型一.综合水质模型BOD和DO只反映河流中最简单的水质关系。为了较详尽的描述河流的水质状态，需要引进更多的变量。综合水质模型就是在BOD－DO耦合模型的基础上发展起来的多组分水质模型。QUAL-II模型是美国EPA1973年组织开发的，可以描述河流的动态和稳态特征。二.重金属水质模型进入河流的重金属，除了前面提到的基本运动过程外，还存在悬浮物的吸附和解吸附作用，重金属的存在形态还与水流的PH值有关。3.5河口水质模型河口的水质特征河口：入海河流受到潮汐作用的一段水体。受到潮汐的影响，水质显示出明显的时空特征河口水质特征：由海潮带来大量的溶解氧，与上游下泄的水流相汇，形成强烈的混合作用，使污染物分布更趋近均匀。由于潮汐的顶托作用，延长了污染物在河口的停留时间，有机物的降解会进一步降低水中的溶解氧，使水质下降。潮汐使河口含盐量增加。河口一维解析模型比之河流水质模型，河口水质模型则更为复杂，求解也困难。潮汐作用使得水流在涨潮时向上游流动，尽管在整个潮周期里净水流是向下游流动的。