青岛科技大学环境评价4第四章ppt课件.ppt
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1、4水环境质量评价,4.2水环境影响评价,4.2.1 河流水质模型简介4.2.2 河流的混合稀释模型4.2.3 守恒污染物在均匀流场中的扩散模型4.2.4 Streeter-Phelps(S-P)模型4.2.5河流水质模型中参数估值,4.2.1 河流水质模型,污染物在河流中的迁移转化过程,水体中污染物的迁移,按时间特性分类,分动态模型和静态模型。按空间维数分:分为零维、一维、二维、三维水质模型。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。描述水质组分的迕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
2、型称为一维水质模型。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,这种水质模型称为二维水质模型。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。,河流水质模型简介,水质模型类型,a、完全混合模式的适用条件:河流充分混合段;持久性污染物;河流为恒定流;废水连续稳定排放。b、一维稳态模式的适用条件:河流充分混合段;非持久性污染物;河流为恒定流;废水连续稳定排放。c、二维稳态混合模式的适用条件:平直河流、断面形状规则的河流混合过程段;持久性污染物;河流为恒定流;连续稳定排放;对于非持久性污染物,需采用相应的衰减模式。,河流水质模型适用条件,d、二维稳态混
3、合累积流量模式的适用条件:弯曲河流、断面形状不规则河流的混合过程段;持久性污染物;河流为恒定流;连续稳定排放;对于非持久性污染物,需采用相应的衰减模式。 e、S-P模式的适用条件:河流充分混合段;污染物为耗氧性有机污染物;需要预测河流溶解氧状态;河流为恒定流;污染物连续稳定排放。f、河流混合过程段计算模式:适用于排污口下混合过程段长度的界定。一般情况下,评价河段分为:排污口上游河段、充分混合段、混合过程段; 通过混合过程段长度计算,来判断预测河段的水质混合情况,合理选择水质预测模型。,4.2.2 河流的混合稀释模型,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
4、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,纵向(沿水流方向)主要考虑对流作用,横向(沿河宽方向)仅考虑扩散作用,垂向一般认为水质分布均匀。,均匀混合段,混合段L?,背景段,河水Qp(m3/s),染物浓度Cp(mg/L),污染物浓度Ch (mg/L)废水流量 Qh(m3/s),污染物浓度C? (mg/L)总流量 Qh+Qp(m3/s),污染物浓度Cx ?(mg/L)总流量 Qh+Qp(m3/s),预测范围内的河段可分为上游河段(背景段)、混合过程段和充分(均匀)混合段。,C废水与河水混合后的浓度,mg/L;
5、Cp河流上游某污染物的浓度,mg/L;Qp河流上游的流量,m3/s:Ch排放口处污染物的浓度,mg/L;Qh排放口处的污水量,m3/s。,(4-30),混合均匀段的浓度C,完成横向均匀混合的距离,断面上河对岸浓度达到同一断面最大浓度的5,定义为污染物到达对岸。这一距离称为污染物到达对岸的纵向距离。,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,可认为达到均匀分布。完成横向均匀混合的断面的距离称为完全混合距离。,混合过程段极限的长度用下式估算:Lmax混合过程段极限长度(m);B河段平均河流(断面)宽度(m);a排污口与近岸水边的距离(m);u河
6、段(断面)平均流速(m/s);H河段平均(断面)水深(m);g重力加速度(m/s2),9.8 m/s2 ;J河段河流坡度,m/m。充分混合段选择零维模式(持久性污染物)或一维模式(非持久性污染物);混合过程段应采用二维模式。,混合过程段污染物浓度 Ci 及混合段长度 L,一河段的上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:QE=19440m3/d,BOD5(E)=81.4mg/L。河流水环境参数值为:Qp6.0 m3/s,BOD5(p)6.16mg/L,B50.0m,H1.2m,u0.1m/s,J0.9,K1=0.3/d。试计算混合过程段(污染带)长度。如果忽略污染物质在该段
7、内的降解和沿程河流水量的变化,在距完全混合断面10km的下游某断面处,河水中的BOD5浓度是多少?,解答:根据混合过程长度L的计算公式:一岸边污水排放口a=0,=,=2463m,污水的流量为:19440/(360024)=0.225 m3/s初始混合浓度C0= (CpQP + CEQE)/(QE +QP)= 6.166.0+81.40.225/ (0.225+6.0)=8.88mg/L 达到10km的下游历经的时间t=101000/0.1=100000s=1.157dC=C0 exp(-kt)=8.88 exp(-0.31.157)=6.28 mg/L混合过程段(污染带)长度为2463m。 距
8、完全混合断面10km的下游某断面处, 污水中的BOD5浓度是6.28 mg/L。,水质完全混合模型适用条件:河流是稳态的,定常排污,即河床截面积、流速、流量及污染物的输入量不随时间变化;污染物在整个河段内均匀混合,即河段内各点污染物浓度相等,污染物能在瞬间分布到空间的各个部位;废水的污染物为持久性物质,不分解也不沉淀;河流无支流和其它排污口废水进入。,计划在河边建一厂,该厂将以2.83m3/s的流量排放废水,废水中总溶解固体浓度为1300mg/L,该河流平均流速v为0.457m/s,平均河宽W为13.72m,平均水深h为0.61m,总溶解固体C0为310mg/L,问该工厂的废水排入河后,总溶解
9、固体的浓度是否超标(设标准为500 mg/L)?,P135例题,解答:Cp=310mg/L Ch=1300 mg/L Qh=2.83 m3/s河流的流量为:Qp=vWh=0.45713.720.61=3.82m3/s 根据完全混合模型混合后的浓度为:C=(CpQp+ChQh)/(Qp+Qh)=731.8mg/L 因此河水中的总溶解固体浓度是超标的(731.8mg/L500 mg/L)。,4.2.3 守恒污染物在均匀流场中的扩散模型,1均匀流场中的扩散方程,在均匀流场中的一维扩散方程为:,水深方向(z方向) 均匀混合,x 方向和 y 方向存在浓度梯度时,二维扩散方程:,Dx x 坐标方向的弥散系
10、数;ux x方向的流速分量;Dy y 坐标方向的弥散系数;uy y方向的流速分量。,2 无限大均匀流场中移流扩散方程的解,若在无限大均匀流场中,坐标原点设在污染物排放点,污染物浓度的分布呈高斯分布,则任意一点(x,y)污染物浓度为:,Q 是连续点源的源强 (mg/s);h 为河流平均深度,m;Dy 为纵向弥散系数,m2/s;u为流速,m/s。,河宽为 B,只计河岸一次反射时的二维静态河流岸边排放连续点源水质模型的解为,3考虑河岸反射时移流扩散方程的解,C(x,y)(x,y)点污染物垂向平均浓度,mg/L;H平均水深,m;B河流宽度,m;a排放口与近岸水边的距离,m;My横向混合系数,m2/s;
11、Ch河流水质背景浓度(mg/L)。,岸边排放,非岸边排放,适用条件:平直、断面形状规则河流混合过程段;持久性污染物;河流为恒定流动;连续稳定排放;对于非持久性污染物,需采用相应的衰减模式。,例题:连续点源单位时间守恒污染物排放量为100mg/s,河流水深1.5m,流速0.3m/s,横向弥散系数Dy=5m2/s,求(1)无边界约束条件下,x=2000m, y=10m处的污染物浓度;(2)在岸边排放,河流宽度无穷大, x=2000m, y=10m处的污染物浓度;(3)岸边排放,河宽B=100m时x=2000m, y=10m处的污染物浓度。,(1)无边界约束条件,,=0.3434mg/L,(2)在岸
12、边排放,河流宽度无穷大,浓度应为第一种情况的2倍,即0.6868mg/L.,(3)在岸边排放,河流宽度=100m,代入计算取2次反射得:C(x,y)=4.10mg/L如果P=4次, C3(x,y)=4.38mg/L,4.2.4 非守恒污染物在均匀流场中的扩散模型,1零维水质模型的基本方程,零维水质模型的基本思想是把一个水体,如一个河段、一个湖泊、一个水库或一个局部水域看作一个完全混合的反应器,流进该系统后立即完全分散到整个系统中,其各水团是完全混合均匀的。,反应器,C0,根据质量守衡可写出完全混合反应器的平衡方程,即零维模型,V反应器内水的体积(L);Q流量(m3/s);C0、C分别为流入和器
13、内的污染物浓度(mg/L);S系统内源和汇的总和(mg/s);r(c) 反应器化学反应速率(mg/s.L)S=0时,,假设反应器符合一级反应动力学衰减,r(c)=-kC则:,k1 一级反应速率常数(1/s)在稳定条件下, 则:0Q(C0-C)-k1CV,此模型适用于较浅、较窄的河流或水库,零维模型的应用条件所研究的环境介质看作是一个完全混合的反应器,进入的污染物能在瞬间分布到空间的各个部位,达到污染物的均匀分布。对于河流常用零维模型解决的问题有:不考虑混合距离的重金属污染物、部分有毒物质等其他持久性污染物的下游浓度预测。有机物降解物质的降解项可忽略时,可采用零维模型。对于有机物降解性物质,需考
14、虑降解时,可采用零维模型分段模拟,但精度和实用性较差,最好用一维模型求解。,例题:一水库容量为1105m3,进水和出水的流量均为4104m3/d,降解系数k=0.5,进水BOD=8mg/L,河水与库水可迅速混合,求出水的BOD浓度是多少?,答:完全混合时,C0=8mg/L进水与库容水完全混合需要的时间:V/Q=1105/4104=2.5d根据公式:C=C0/(1+kt)=8/(1+0.51105/4104)=3.56mg/L,例题:有一条比较浅而窄的河流,有一段长1km的河段,稳定排放含酚废水Qh=1.0m3/s,含酚浓度为Ch=200mg/L,上游河水流量为Qp9m3/s,河水含酚浓度为Cp
15、=0,河流的平均流速为v40km/d,酚的衰减速率系数为K=2 d-1,求河段出口处的含酚浓度为多少?,解答:河段起始断面河水中含酚浓度为:C0=(CpQp+ChQh)/(Qp+Qh)=(90+1200)/(9+1)=20mg/L河段出口处含酚浓度为:1km河段以v40km/d流过所经历的停留时间为:t=1/40(d)C=,=19.0476 mg/L,2.一维模型,一维水质模型,一维河流静态水质模型基本方程,。,Dx弥散系数,单位,m2/s;u流速,m/s,x距离,m;k1降解系数,s-1(非d-1)。,忽略扩散项,沿程的坐标x=ut, dC/dt=-k1C , 这是一个二阶线性常微分方程 代
16、入初始条件 x=0, C=C0方程的解为,u河流的平均流速,m/d或m/s; K1污染物的衰减系数,l/d或l/s; x河水向下游流经的距离,m。,例题:一个改扩工程拟向河流排放废水,废水量Qh0.15m3s,苯酚浓度为Ch=30mg/L,河流流量Qp5.5m3s,流速vx=0.3m/s,苯酚背景浓度Cp=0.5mg/L,苯酚的降解系数K=0.2d-1,纵向弥散系数Dx=10m2/s。求排放点下游10km处的苯酚浓度。,解:计算起始处完全混合后的初始浓度得到:C0= =1.28mg/L,考虑纵向弥散条件下,下游10km处的苯酚浓度:t=L/v=10000/(0.386400)=0.3858d,
17、m=,=1.0005143,=1.28exp,=1.18497 mg/L,)=1.18495 mg/L,由此可见,在稳态条件下,忽略纵向弥散系数与考虑纵向弥散系数的差异可以忽略不计(相差仅0.0002%)。,忽略纵向弥散时下游10km处的苯酚浓度:=1.28exp(-,作业题:一河段上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:QE=19440m3/d,CODCr(E)=100mg/L。河流水环境参数值为:Qp6.0 m3/s, CODCr(P)12mg/L, u0.1m/s, Kc=0.5/d。假设污水进入河流后立即与河水均匀混合,在距排污口下游10km的某断面处,河水中CO
18、Dcr浓度是多少?,4.2.5 Streeter-Phelps(S-P)模型,S-P模型基本方程及其解S-P模型建立基于两项假设:只考虑好氧微生物参加的BOD衰减反应,并认为该反应为一级反应。河流中的耗氧只是BOD衰减反应引起的。BOD的衰减反应速率与河水中溶解氧(DO)的减少速率相同,复氧速率与河水中的亏氧量 D 成正比。,式中:L河水中的BOD值,mg/L;D河水中的亏氧值,mg/L,是饱和溶解氧浓度Cs 与河水中的实际溶解氧浓度C的差值;k1河水中BOD衰减(耗氧)速度常数,1d;k2河水中的复氧速度常数,1d;t河水中的流行时间, d。,S-P模型的基本方程,这两个方程式是耦合的,当边
19、界条件,时,解析解为:,在排污口下游河水中,DO含量因有机物生物氧化的脱氧作用而显著下降,又由于下游大气复氧和生物光合作用等而使DO含量增加。下垂曲线的临界点(氧垂点),其DO含量最小。,溶氧下垂曲线,2S-P 模型的临界点和临界点氧浓度,讨论 S-P 模型临界点氧浓度求出负值怎么办。系统分析方法如何应对模型的失效,(2)溶解氧浓度公式:O = Os (Os O0) exp(-k2x/u) + k1 C0/(k1 k2) exp(-k1x/u) exp(-k2x/u) ,O河水(从排放口)向下游任意距离处的溶解氧浓度(mg/L); Os河水的饱和溶解氧浓度(mg/L);O0河水与污水混合后的溶
20、解氧浓度(mg/L);K2复氧系数,l/d或l/s,3S-P 模型的修正型,(1)托马斯(Thomas)模型对一维静态河流,在SP模型的基础上考虑沉淀、絮凝、冲刷和再悬浮过程对BOD去除的影响,引入了BOD沉浮系数k3,(2)多宾斯坎普(DobbinsCamp)模型一维静态河流, 考虑地面径流和底泥释放BOD所引起的BOD变化速率,该速率以 R表示。考虑藻类光合作用和呼吸作用以及地面径流所引起的溶解氧变化速率,以 P表示。,(3)奥康纳(OConnon)模型,式中,kn 硝化BOD衰减速度常数, 1/d ;kn 硝化BOD衰减速度常数,1/d ;Lc0, 河流x=0 处,含碳有机物BOD浓度,
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