地表水环境影响预测公式

1页一、掌握常用河流水质预测模式的运用预测地表水水质变化的方法，大致可以分为四大类：数学模型法、物理模型法、类比分析法和专业判断法。1、数学模型法：一般情况数学模型法比较简单，应首先考虑；2、物理模型法：物理模型在地面水环境影响预测中主要指水工模型。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面水环境的水力特征和污染物迁移的物理过程，但需要有合适的试验场所和条件以及必要的基础数据，制作这种模型需要较多的人力、物力和时间。水工模型法只适用于解决个别特定问题或有现成模型可资利用的情况。水工模型应根据相似准则设计。在无法利用数学模式法预测，而评价级别比较高的，对预测要求比较严时，应用此方法。3、类比分析法：属于定性或半定量预测。对三级评价或二级评价的个别情况（如对地面水环境影响较小的水质参数或在地面水环境中迁移转化过程复杂而其影响又不太大的水质参数），由于评价时间短、无法取得足够的数据，不能利用数学模式法或物理型法预测建设项目的环境影响时可采用此法。建设项目对地面水环境的某些影响，如感官性状、有害物质在底泥中的累积释放等，目前尚无实用的定量预测方法，这种情况可以采用类比调查法。预测对象与类比调查对象之间应满足下要求：（a）两者地面水环境的水力、水文条件和水质状况类似；（b）两者的某种环境影响来源应具有相同的性质，其强度应比较接近或成比例关系。4、专业判断法：定性地反映建设项目的环境影响。当水环境影响问题较特殊，一般环评人员难以准确识别其环境影响特征或者无法利用常用方法进行环境影响预测，或者由于建设项目环境影响评价的时间无法满足采用上述其他方法进行环境影响预测等情况下，可选用此种方法。建设项目对地面水环境的某些影响（如感官性状，有毒物质在底泥中的累积和释放等）以及某些过程（如pH值的沿程恢复过程）等，目前尚无实用的定量预测方法，这种情况，当没有条件进行类比调查法时，可以采用专业判断法。2页在选择模型时，必须考虑以下几个重要的技术问题（1）水质模型的空间维数；（2）水质模型所描述（或所使用）的时间尺度；（3）污染负荷、源和汇；（4）模拟预测的河段范围；（5）流动及混合输移；（6）水质模型中的变量和动力学结构（1）空间维数①大多数的河流水质预测评价采用一维稳态模型，②对于大中型河流中的废水排放，横向浓度梯度（变化）较明显，需要采用二维模型进行预测评价。③在河流水质预测评价中，一般不采用三维模型。④预测范围内的河段分为上游河段、混合过程段和充分混合段。上游河段：排放口上游的河段。混合过程段：指排放口下游达到充分混合以前的河段。充分混合段：指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。需采用一维模式或零维模式预测断面平均水质。在混合过程段下游河段（x＞L），可以采用一维模型；在混合过程段（x≤L），应采用二维模型。在HJ/T2.3-93中给出了判定河流中达到横向均匀混合的计算公式。ghihBBuaBL)058.00065.0()6.04.0(式中：L—混合过程段长度，m；B—河流宽度，m；a—排放口距岸边的距离，m；u—河流断面平均流速，m/s；h—平均水深，m；g—重力加速度，9.81m/s2；i—河流坡度。大、中河流一、二级评价，且排放口下游3～5㎞以内有集中取水点或其他特别重要的环保目标时，均应采用二维模式预测混合过程段水质。⑤不考虑混合距离的重金属污染物、部分有毒物质及其他保守物质的下游浓度预测，可采用零维模型。⑥对于有机物降解性物质，当需要考虑降解时，可采用零维模型分段模型，但计算精度和实用性较差，最好用一维模型求解。3页（2）时间尺度在水质模型预测中使用的时间尺度，按逐渐增加水质模型复杂性的顺序出现，稳态、准稳态、动态；①动态：河流流量、污染物复合、温度等随时间变化；②稳态：之预测计算水质浓度的空间分布。③准稳态：一般瞬时、有限时段排放选择准稳态准稳态的预测通常是在稳态的基础上考虑部分随时间变化的因素；有以下集中状态变化的污染负荷——定常的河流流量（常用）定常的污染负荷——变化的河流流量定常的污染负荷——定常的河流流量——变化的其他环境因素河流水质预测，绝大多数选择稳态准稳态（3）污染负荷、源和汇一般而言，影响河流水质状况的污染负荷、源和汇包括下列各项（1）来自城市下水道系统的城市径流；（2）来自工矿企业（直接排入水体）的点源；（3）来自城市污水处理厂的点源；（4）非点源；（5）河流上游或支流带入的污染物（包括氧亏）；（6）河床内的源和汇（污染物沉寂、再悬浮、底泥耗氧、藻类产氧、耗氧等）（4）模拟预测的河段范围导则中按污水排放量和河流规模规定和河段的预测范围：①对于预计可能受到明显影响的重要水域应划入预测范围；②在预测溶解氧时，预测范围应包括溶解氧区域；③在预测的河段范围内，水文特征突然变化和水质突然变化出的上游、下游、重要水工建筑物附近、水文站附近、例行水质监测断面均是预测关心点。（5）流动及混合输移进行水质预测要求河流流量平衡。因此，需要考虑较重要的支流和污染源的流量。在某种情况下还要考虑地下水排泄和地表水补给对河流流量的影响。（6）模型中的变量和动力学机构一般水质模型按照污染物分为四类：①持久性污染物（在环境中难降解、毒性大、易长期积累的有毒物质）②非持久性污染物；③酸和碱（以PH表征）；④废热（以温度表示）对于非持久性污染物，一般采用一阶反应动力学来反应衰减规律。对持久性污染物，在沉降作用明显的河段，可近似采用非持久性污染物预测模式4页掌握利用数学模式预测各类地面水体水质时，模式的选用原则按不同的分类依据，水环境预测模型种类如下图所示：除此之外，按水质数学模式的求解方法及方程形式划分为解析解和数值解模式。（1）在水质混合区进行水质影响预测时，应选用二维或三维模式；在水质分布均匀的水域进行水质影响预测时，选用零维或一维模式。（2）对上游来水或污水排放的水质、水量随时间变化显著情况下的水质影响预测，应选用动态或准稳态模式：其他情况选用稳态模式。（3）矩形河流、水深变化不大的湖（库）及海湾，对于连续恒定点源排污的水质影响预测，二维以下一般采用解析解解模式；三维或非连续恒定点源排污（瞬时排放、有限时段排放）的水质影响预测，一般采用数值解模式。（4）稳态数值解水质模式适用于非矩形河流、水深变化较大的湖（库）和海湾水域连续恒定点源排污的水质影响预测。（5）动态数值解水质模式适用于各类恒定水域中的非连续恒定排放或非恒定水域中的各类污染源排放。（6）单一组分的水质模式可模拟的污染物类型包括：持久性污染物、非持久性污染物和废热（水温变化预测）；多组分耦合模式模拟的水质因子彼此间均存在一定的关联，如S－P模式模拟的DO和BOD。5页常用的河流水质模式及其选择表常用河流水质数学预测模式有：1.河流稀释混合模式2.河流的一维稳态水质模式3.Streeter-Phelps模式4.河流二维稳态水质模式5.常规污染物瞬时点源排放水质预测模式、6.有毒有害污染物（比重≤1）瞬时点源排放预测模式6页1.河流稀释混合模式（1）点源：河水、污水稀释混合方程。对于点源排放持久性污染物，河水与污水完全混合、反映河流稀释能力的方程为：式中：C—污水与河水混合后的浓度，mg／L；Cp—排放口处污染物的排放浓度，mg／L；Qp—排放口处的废水排放量，mg／s。Ch—河流上游某污染物的浓度，mg／L；Qh—河流上游的流量，mg／s；huBQh河流完全混合模式的适用条件：①河流充分混合段；②持久性污染物；③河流为恒定流动；④废水连续稳定排放（2）非点源方程：对于沿程有非点源（面源）分布入流的情形，可按非点源方程计算河段污染物的浓度：式中：Ws—沿程河段内（x＝0到x＝xs）非点源汇入的污染物总负荷量，kg/d；Q—下游x距离处河段流量，m3/s；Qs—沿程河段内（x＝0到x＝xs。）非点源汇入的水量，m3/s；xs—控制河段总长度，km；x—沿程距离（0≤x≤xs），km。（3）考虑吸附态和溶解态污染指标耦合模型当需要区分溶解态和吸附态的污染物在河流水体中的指标耦合，应加入分配系数的概念。分配系数Kp的物理意义是在平衡状态下，某种物质在固液两相间的分配比例。cXKp式中：c——溶解态浓度，mg/L；7页X——单位质量固体颗粒吸附的污染物质量，mg/mg；Kp——分配系数，L/mg。对于有毒有害污染物，在已知其在水体中的总浓度的情况下，溶解态的浓度可用考虑吸附态和溶解态污染指标耦合模型计算：6101SKccpT式中：c——溶解态浓度，mg/L；cT——总浓度，mg/L；S——悬浮固体浓度，mg/L；Kp——分配系数，L/mg。2.河流的一维稳态水质模式对于溶解态污染物，当污染物在河流横向方向上达到完全混合后，描述污染物的输移、转化的微分方程为：（6-6）式中：A——河流横断面面积：Q——河流流量；c——水质组分浓度；DL——综合的纵向离散系数；SL——直接的点源或非点源强度：SB——上游区域进入的源强；SK——动力学转化率，正为源，负为汇。设定条件：稳态（＝0），忽略纵向离散作用，则上述微分方程的解为：)86400exp(0xuKCC非持久性污染物，一阶反应动力学反应衰减规律式中：K—一阶反应动力学速度，1/d；（耗氧系数K1，复氧系数K2，沉降系数K3，（K1+K2），（K1+K3），对于持久性污染物，在沉降作用明显的河流中，可以采用综合消减系数K替代（K1+K3），这些K都可以往里面带，很重8页要的公式，只要是非持久性污染物，衰减的都是exp这个模式的）c0—初始浓度，mg/L；u—河流流速，m/s；x—沿河流方向距离，m；c—位于污染源（排放口）下游x处的水质浓度，mg/L。3.Streeter-Phelps模式S－P模式是研究河流溶解氧与BOD关系的最早的、最简单的耦合模型。它的基本假设为：①河流为一维恒定流，污染物在河流横断面上完全混合；②氧化和复氧都是一级反应，反应速率常数是定常的，氧亏的净变化仅是水中有机物耗氧和通过液-气界面的大气复氧的函数。Streeter-Phelps模式：其中，式中：Qp——废水排放量，m3/s；Qh——河流流量，m3/s；D——亏氧量即DOf-DO，mg/L；D0——计算初始断面亏氧量，mg/L；Dp——上游来水中溶解氧亏值，mg/L；Dh——污水中溶解氧亏值，mg/L；u——河流断面平均流速，m/s；X——沿程距离，m；c——沿程浓度，mg/L。DOf——溶解氧浓度，mg/L；DOf——饱和溶解氧浓度，mg/L；K1——耗氧系数，1/d；K2——复氧系数，1/d。①河流充分混合段；②污染物为耗氧性有机污染物；③需要预测河流溶解氧状态；④河流为恒定流动；9页⑤污染物连续稳定排放。氧垂曲线及相应概念：氧垂曲线沿河水流动方向的溶解氧分布为一悬索型曲线，通常称为氧垂曲线。氧垂曲线的最低点C称为临界氧亏点，临界氧亏点的亏氧量称为最大氧亏值。在临界亏氧点左侧，耗氧大于复氧，水中的溶解氧逐渐减少；污染物浓度因净化作用而逐渐减少。达到临界亏氧点时，耗氧和复氧平衡；*********临界点右侧，耗氧量因污染物浓度减少而减少，复氧量相对增加，水中溶解氧增多，水质逐渐恢复，如排入的耗氧污染物过多将溶解氧耗尽，则有机物受到厌氧菌的还原作用生成甲烷气体，同时水中存在的硫酸根离子将由于硫酸还原菌的作用而成为硫化氢，引起河水发臭，水质严重恶化。临界氧亏点xC的位置为：4.河流二维稳态水质模式（1）二维稳态水质方程①顺直均匀河流。②用累积流量坐标表示的二维水质方程。（2）连续点源的河流二维水质模式。注意：河流二维模型只需要掌握具体形式及适用条件，一般不涉及计算。（1）河流二维稳态模式与适用条件①平直、断面形状规则河流混合过程段；②持久性污染物；③河流为恒定流动；④连续稳定排放；10页（2）河流二维稳态混合累积流量模式与适用条件①弯曲河流、断面形状不规则河流混合过程段；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