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第4章：河流水质模型 本章将涉及到如下内容： §4-1 河流中的基本水质问题 §4-2 单一河段水质模型 §4-3 多河段水质模型 §4-4 其它河流水质模型 §4-1 河流中的基本水质问题 §4-1 河流中的基本水质问题 污染物与河水的混合 生物化学分解 大气复氧过程 光合作用 藻类的呼吸作用 底栖动物和沉淀物的耗氧 §4-1 河流中的基本水质问题 1. 污染物与河水的混合 污水排入河流之后，从污水排放口到污染物在河流横断面上达到均匀分布，通常要经历竖向混合与横向混合两个阶段。 由于河流的深度通常要比其宽度小很多，污染物进入河流后，在比较短的距离内就达到了竖向的均匀分布，亦即完成竖向混合过程。完成竖向混合所需距离大约是水深的数倍至数十倍(粗略估计)。 在竖向混合阶段，河流中发生的物理作用十分复杂，它涉及到污水与河水之间的质量交换、热量交换与动量交换等问题。在竖向混合阶段（同时）也在发生横向的混合作用。 §4-1 河流中的基本水质问题 从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称为横向混合阶段(粗略估计) 。 在直线均匀河道中，横向混合的主要水动力是横向弥散作用；在弯道中，由于水流形成的横向环流，大大加速了横向混合的进程。完成横向混合所需的距离要比竖向混合大得多。 §4-1 河流中的基本水质问题 在横向混合完成之后，污染物在整个断面上达到均匀分布(相对的、动态的)。如果没有新的污染物输入，守恒污染物质将一直保持恒定的断面浓度；非守恒断面污染物质则由于生物化学等作用产生浓度变化（主要指浓度减小），但在整个断面上的分布始终（大体上）是均匀的。 §4-1 河流中的基本水质问题 在竖向混合阶段，由于所研究的问题涉及到空间三个方向，竖向混合问题又称为三维混合问题，相应的横向混合问题称为二维混合问题，完成横向混合以后的问题称为一维混合问题。 如果研究的河段很长，而水深，水面宽度都相对很小，一般可以简化为一维混合问题。处理一维混合问题要比二维、三维混合问题简单得多。 §4-1 河流中的基本水质问题 2. 生物化学分解 河流中的有机物由于生物降解所产生的生物化学需氧量变化可以用一级反应式表达： §4-1 河流中的基本水质问题 的数值是温度的函数，它和温度之间的关系可以表示为： §4-1 河流中的基本水质问题 在试验室中测定生化需氧量和时间的关系，可以估计 值。 河流中的生化需氧量（BOD）衰减速度常数 的值可以由下式确定： §4-1 河流中的基本水质问题 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衰减速率常数分别为 和 ；则 、 和 之间存在如下关系： §4-1 河流中的基本水质问题 包士柯（K.Bosko，1966）研究了河流中生化作用的BOD衰减速度常数 和试验室中的数值 之间关系，提出如下计算式： §4-1 河流中的基本水质问题 河床活度系数 表4-1 §4-1 河流中的基本水质问题 如果有机物在河流中的变化符合一级反应规律，在河流流态稳定时，河流中BOD的变化规律可以表示为： §4-1 河流中的基本水质问题 含氮有机物排入河流之后，同样发生生物化学氧化过程，可以表示如下： §4-1 河流中的基本水质问题 的数值取决于溶解氧含量、河水的PH值，水温等因素。含氮有机物的硝化过程分为两个阶段：亚硝化（将氨氮氧化为亚硝酸盐氮）阶段和硝化（将亚硝酸盐氮进一步氧化成硝酸盐氮）阶段。进入河流的有机氮转化为硝酸盐氮的动力学过程可以用下述方程表示。（略，可参见书） §4-1 河流中的基本水质问题 3. 大气复氧过程 水中溶解氧主要来源是大气、氧气由大气进入水中质量传递速度可以表示为： §4-1 河流中的基本水质问题 对于河流 ， ， 是平均水深，（ ）表示河水中的溶解氧不足量，称为氧亏，用D表示，则式（4-21）可以写作： §4-1 河流中的基本水质问题 是河流流态及温度等的函数。如果以20℃作为基准，则任意温度时的大气复氧速度常数可以写为： §4-1 河流中的基本水质问题 欧康奈尔(D.O’Conner)和多宾斯(W.Dobbins)在1958年提出了根据河流的流速、水深计算大气复氧速度常数的方法，其一般形式为： §4-1 河流中的基本水质问题 很多学者对式（4-24）中的参数C、n、m进行了研究，表4-3列出了部分研究成果。 §4-1 河流中的基本水质问题