一维水质模型的适用条件

第三节水环境影响预测项目五：[例2]某项目地处低丘地带，山坡普遍为缓坡，一般在20º以下，丘与丘之间距离宽阔，连接亦无陡坡。据调查，纳污水体全长约65km，流域面积526.2km2，年平均流量6.8m3/s，河宽20～30m，枯水期1m3/s，环境容量很小。项目所在地位于该水体的中下游，纳污段水体功能为农业及娱乐用水。拟建排污口下游15km处为国家级森林公园，约26km处该水体汇入另一较大河流，且下游15km范围内无饮用水源取水点。工程分析表明，该项目污染物排放情况为：废水42048m3/d，其中含CODCr为2323.6kg/d，BOD5为680.3kg/d，SS为1449.8kg/d，NH3-N为63.62kg/d。根据以上资料，回答以下问题：1、确定水环境影响评价工作等级。2、请制定一套合理的水环境质量现状调查监测方案。3、简要说明选用的水环境影响预测模式及其原因。解：1、二级（原因分析）2、监测断面（监测因子、调查范围、断面、采样点）3、水质模型内容要求1．熟悉地面水环境影响预测的方法类别；水污染物迁移2．熟悉水质均匀混合的定义与水质混合过程段的划分；3．掌握河流完全混合模式、点源一维水质模式，熟悉相应的适用条件；4．了解二维稳态混合模式；5．熟悉常用水质模型衰减系数的率定方法。一.水污染物在地表水中的输移、转化、扩散的主要过程1.1、概述水中污染物迁移与转化主要包括物理过程、化学过程、生物过程。(1)物理过程（作用）只对水中污染物的存在位置变化产生作用，而不对其性质变化产生作用。其主要过程（作用）包括：移流（推流、对流）、扩散（包括紊动扩散和离散等）、沉降或再悬浮，以上过程（及作用）常称稀释混合。(2)化学过程（作用）主要是水中污染物在不同化学反应过程（作用）下，其污染物的性质发生变化（如：有机变无机、高分子变低分子、溶解物生成难溶物等）。其主要过程（作用）包括：氧化或还原、分解或化合、溶解或再析出、酸碱中和、混凝及吸附等。(3)生物过程（作用）水中污染物在水中生物（主要是水中微生物）的作用下，其性质或存在位置（状态）发生变化。其主要过程就是水生物对水中污染物的利用过程。主要原因是水中生物将某种（些）污染物作为自己的食物及营养（能量）的来源，它们消耗利用了水中的这种（些）污染物，起到了净化水质的作用。1.2、河流中污染物对流和扩散（1）对流（也称移流、推流等）主要是说水中污染物受到水流运动作用，随水体流动一同迁移的情况。（2）扩散（包括离散、弥散等）主要是说水中污染物由高浓度区向低浓度区的迁移。它包括分子态扩散、水流紊动扩散和水流不均匀的离散等.(3)混合（也称稀释混合）主要是说水中污染物分布由不均匀到均匀的过程（作用）。从排污口至水质均匀混合前的水域，称为混合区。排污口排放的污染物其影响水域的边界（即受排放污水影响水域与没有受到排放污水影响水域相接的边界线）称为污染带（河流、湖库）或污染锋面（海洋）。由于一般河流的河宽远大于水深，因此污染物进入水体后垂向（沿水深方向）容易混合均匀，且水体流动（流速）对污染物的迁移作用要大于扩散。因此，如要进行污染带（或超标水域）预测时，常采用二维模式，在实用水质模型公式中，①纵向（沿水流方向）主要考虑对流作用②横向（沿河宽方向）仅考虑扩散作用③垂向一般为水质分布均匀。二、地面水环境影响预测1.评价地面水环境影响的原则2.建设项目地面水环境影响预测时期的划分原则3.拟预测水质参数筛选的原则4.各类地面水环境水体简化和污染源简化的有关要求1.评价地面水环境影响的原则原则上可以采用：单项水质参数评价方法或多项水质参数综合评价方法；(1)单项水质参数评价：以法律、法规、标准为以据，评定、评价。(2)多项水质参数综合评价方法与水质参数与环境现状综合评价相同。2.建设项目地面水环境影响预测时期的划分原则(1)预测时期一般划分为：建设期、运行期、服务期满后；(2)所有项目应预测生产运行阶段对地面水环境的影响，包括正常排放和不正常排放；(3)大型项目根据：项目特点、评价等级、水环境特点、当地环保要求决定是否预测建设期的影响；(4)同理决定是否预测服务期满后预测（个别）；(5)一、二级评价预测自净能力最小和一般两个时段的环境影响；(6)三级或二级（时间较短）只预测自净能力最小时段的环境影响。（1）在现状调查的水质参数中筛选；（2）拟预测参数应既说明问题又不过多（一般少于现状参数）；（3）根据：工程分析、环境现状、评价等级当地环保要求四点进行筛选；（4）不同时期（建设期、运行期、服务期满后）参数不一定相同；（5）也可用水质参数排序指标（ISE）选取。3.拟预测水质参数筛选的原则hhsppQccQcISE)(污染物排放指标hhsppQccQcISE)(ISE-污染物排放指标Cp---污染物排放浓度，mg/LQp---污水排放量，m3/sCs---污染物排放标准，mg/LCh---河流上游污染物浓度,mg/LQh---河水的流量，m3/sISE越大说明该建设项目对河流中该项水质参数的影响越大（1）河流简化要求：断面宽深比≥20，视为矩形河流；大中河流弯曲较大（系数大于1.3）视为弯曲河流，否则简化为平直河流；大中河流水深变化很大且评价等级较高（例一级）视为非矩形河流，其它简化为矩形河流；小河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。某河段的实际长度与该河段直线长度之比，称为该河段的河流弯曲系数。可用下式表示：Ka=L/lKa为弯曲系数,L为河段实际长度（公里）；l为河段的直线长度（公里）。弯曲系数Ka值越大，河段越弯曲。河流弯曲系数大对航运及排洪不利。4.各类地面水环境水体简化和污染源简化的有关要求例：河流断面宽深比（）可视为矩形河流。A＝15B≥20C＝10D＜10年均流量155，平均宽150，平均水深5.5，最大弯曲系数1.8，断面形状沿程变化不大，可按（）简化。A矩形平直河流B矩形弯曲河流C平直河流D非矩形河流地面水环评工作等级划分中（）计入污水排放量A间接冷却水B循环水C含污染物极少的清净下水D热量大的冷却水（2）对于江心洲、浅滩的简化：三级评价：按无江心洲、浅滩简化；二级评价：江心洲位于充分混合段，按无江心洲简化；一级评价：江心洲较大，可分段简化；较小可不考虑；位于混合段，可分段简化；人工控制河流可视为水库或河流分段简化。（3）河口的简化：除要求很高（一级评价），河流感潮段一般可按潮周平均、高潮平均和低潮平均三种，简化为稳态进行预测。河流汇合部可分为支流、汇合前主流、汇合后主流三段分别预测；河口断面沿程变化较大时，分段预测，口外滨海段可视为海湾。（4）湖泊与水库的简化：湖泊、水库简化为大湖（库）、小湖（库）、分层湖（库）等三种情况：一级评价时，中湖（库）停留时间较短，按小湖（库）对待；三级评价时，中湖（库）可按按小湖（库）对待，停留时间很长时也可按大湖（库）对待；二级评价时，简化可视具体情况而定。（5）海湾的简化：预测一般只考虑潮汐作用，不考虑波浪作用；一级评价时：海流（风海流）较强时，可以考虑海流对水质影响，潮流简化为平面二维非恒定流场；三级评价时：只考虑潮周期的平均情况；较大的海湾可视为封闭海湾；注入海湾的河流：大河及一、二级评价应考虑对海湾流场和水质影响；小河及三级评价中，可视为点源。（6）污染源的简化：分排放形式简化和排放规律简化二类；排放形式可简化为点源和面源；排放规律可简化为连续恒定排放和非连续恒定排放；通常将排放规律简化为连续恒定排放；点源位置（排放口）：排入河流两排放口间距较小时，简化为一个排放口，其位置假定在二者之间，排放量为二者之和；(两排污口距离小于等于预测河段长度的1/20为近，两排污口距离大于预测距离的1/5为远)排入大湖（库）两排放口间距较小时，简化方式与上相同；排入小湖（库）的所有排放口简化为一个，排放量为总和；排入海湾类似。三、地表水环境影响预测方法1．专业判断法2．类比调查法3．模型计算法（1）物理模型法利用相似原理，按一定比例缩小实际模型，进行水质模拟实验。（2）数学模型法：利用表征水体净化机制的数学方程预测建设项目引起的水体水质变化，给出定量的预测结果，但依赖参数的有效性及模型的合理性。四、预测河段划分与混合过程段完全混合段是指污染物浓度在断面上均匀分布的河段。混合过程段是指排放口下游达到充分混合以前的河段。上游河段均匀混合断面的判定：当断面上任一点浓度与断面平均浓度之差小于平均浓度的5％时，可以认为达到均匀混合；一、二级评价，且排放口下游3－5公里内有集中取水口或特别重要的环保项目，均应采用二维模式五、水质模型（一）分类1.水质模式按使用时间分为：动态、稳态、准稳态（准动态）；2.水质模式按使用空间分为：零维、一维、二维、三维；3.水质模式按模拟水质组分为：单一组分、耦合组分模式；4.按数学模式求解方法分为：解析解、数值解；5.数学模式使用按水利条件分为：恒定、动态、时段平均；6.点污染源排放分为：连续恒定排放、非连续恒定排放（瞬时排放、有限时段排放）；按水质模型的空间维数分：分为零维、一维、二维、三维水质模型。1.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的，描述这种情况的水质模型称为零维的水质模型。2.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，这种水质模型称为一维水质模型。3.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，这种水质模型称为两维水质模型。4.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。解析解模式适用于恒定水域中点源连续恒定排放，其中二维解析模式只适用于矩形河流或水深变化不大的湖泊、水库；稳态数值模式适用于非矩形河流、水深变化较大的浅水湖泊、水库水域内的连续恒定排放；动态数值模式适用于各类恒定水域中非连续恒定排放或非恒定水域中的各类排放；单一组分水质模型中可模拟持久性污染物、非持久性污染物、酸碱污染、废热；（二）、河流常用水质模型（1）零维模型（P86）零维是一种理想状态，把所研究的水体如一条河或一个水库看成一个完整的体系，当污染物进入这个体系后，立即完全均匀地分散到这个体系中，污染物的浓度不会随时间的变化而变化。零维水质模型的适用条件：在同时满足以下情况下，可以把预测水体简化为“零维”进行预测。上游来水流量稳定、水质是均匀的。河水流量与污水流量之比大于10－20。不考虑污水进入水体的混合距离。当预测因子比较稳定，难降解或降解项可以忽略不计、且评价等级比较低时，可以考虑采用零维模型。废水排入河流后与河水迅速完全混合，则混合后的污染物浓度为：式中：C——废水与河水完全混合的浓度（mg/L）Cp——排污口上游河流中污染物浓度（mg/L）Qp——河流的流量（mg/s）Ch——废水中的污染物浓度（mg/L）Qh——排入河流的废水流量（mg/s）hphhppQQQcQcc河流完全混合模式适用条件：河流充分混合段；持久性污染物；河流恒定流动；废水连续稳定排放。（2）完全混合模型【例题】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，上游来水含氯化物100mg/L，该厂废水如果排入河中能与河水迅速混合，问河水氯化物是否超标？（设地方标准为200mg/L）。※※※注意：如果废水中含有的是持久性污染物，虽然废水与河水完全混合的时间很长，但也可应用该公式计算。一维水质模型的适用条件：某一水团沿水流运动方向移动，同时存在于该水团中的污染物亦随之移动，在运动过程中，污染物由于降解或转化成其它形式而发生浓度变化，这一变化往往与河流状态有关如：水温、溶解氧浓度等等。一维模型适用的假设条件是横向和垂直方向混合相当快，认为断面中的污染物浓度是均匀的。（3）一维水质模型a.一维稳态水质模型：在均匀河段上定