资源与环境化学 第三章 第二部分(水污染化学).ppt

水质模型的分类 分类 依据 模型性质 研究对象 水质组分 水质系统状态 数学方程的解 反应动力学 空间维数 按研究对象：河流、河口（潮汐和非潮汐）、湖泊（水库）、非点源 按模型涉及的水质组分：单一组分、耦合和多重组分 按水质系统的状态：稳态和非稳态 根据所描述的数学方程的解：准理论、随机 按反应动力学：纯反应型、惰性物质的纯迁移型、迁移反应型、生态 按水质模拟的空间维数：零维、一维、二维、三维 按模型性质：黑箱、白箱、灰箱 水质模型的发展阶段 1925～1960，S—P模型，BOD—DO耦合模型 1960～1965，引进空间变量，动力学系数、温度 1965～1970，光和作用、藻类的呼吸作用，沉降，悬浮，计算机的应用 1970 ～1975，线性化体系，生态水质模型，有限元模型，有限差分技术 最近40年，改善模型的可靠性和评价能力 模型不确定性的分型 基于人工神经网络的水质模型 基于地理信息系统的水质模型的研究 零维水质模型（完全混合模型） 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。 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 适用条件 ①河流充分混合段； ②持久性污染物； ③河流恒定流动； ④废水连续稳定排放 式中：Qh－河水流量， m3/s； Ch－河水背景断的污染物浓度， mg/L； CP－废水中污染物的浓度， mg/L； QP－废水的流量， m3/s； C－完全混合的水质浓度， mg/L。 河流一维稳态水质模型 某一水团沿水流移动，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。 河流一维稳态模式的适用条件： ①河流充分混合段； ②非持久性污染物； ③河流恒定流动； ④废水连续稳定排放 Streeter-Phelps模型（S-P模型） BOD-DO耦合模型，是第一个模型，用于描述一维稳态河流中的 BOD－DO 变化规律，由斯特里特(H.Streeter)和菲尔普斯(E.Phelps)在1925年提出的，简称S-P模型。 S-P模型迄今仍得到广泛的应用，也是各种修正和复杂模型的先导和基础。 模型假设 只考虑耗氧微生物参加的BOD消耗反应，并认为该反应为一级反应。即: s = - k1L 河流氧耗只由BOD衰减引起，BOD的衰减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氧亏量D成正比 在初始时间t=0时，溶解在水中的氧是饱和的 河流断面上每一点的反应速度是恒定的 S-P模式的五个适用条件 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； 河流恒定流动； 连续稳定排放。 临界氧亏 最大氧亏 污水排入 河流DO浓度 氧垂曲线 距离或时间 饱和DO浓度 BOD曲线 水质最差点 亏氧量为饱和溶解氧浓度与实际溶解氧浓度之差 当BOD随污水进入河流后，由于耗氧微生物的生物氧化作用，其浓度逐渐降低，而水中的DO则被消耗，逐渐降低。与此同时，河流还存在着复氧作用，在氧消耗的同时，还不断有氧气进入水体，如下图所示： 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 （mg/L）与河水中的实际溶解氧浓度C(mg/L)的差值； k1—河水中BOD耗氧速度常数，1/d； k2—河水中的复氧速度常数，1/d； 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。当边界条件： 时，其解析解为: 氧垂曲线示意图 S-P 模型的临界点和临界点氧浓度 一般最关心的是溶解氧浓度最低点（临界点），此时水质最差。在临界点，河水的氧亏值最大，且变化率为0。 式中:L0—河流起始点的BOD值，mg/L； D0—河流起始点的亏氧值，mg/L； k1—河水中BOD耗氧速度常数，1/d； k2—河水中的复氧速度常数，1/d； t c— 由起始点到达临界点的流行时间， d。 S－P模型的缺陷 回顾一下S－P模型的假设条件。 影响溶解氧的主要因素包括： （1）大气复氧 （2）光合作用 （3）呼吸作用 （4）有机污染物氧化作用 底泥释放BOD 地表径流（BOD和DO） 悬浮物的沉降可去除部分BOD