环境规划课件-水环境容量计算

水环境容量计算1排放方式自净稀释W自净W稀释W水环境容量水环境容量:反映流域的自然属性（水文特性），又反映人类对环境反映流域的自然属性（水文特性），又反映人类对环境的需求（水质目标）的需求（水质目标）水环境容量水环境容量=稀稀释容量（释容量（W稀释稀释）+自净容量（自净容量（W自净自净）两部分两部分稀释容量稀释容量:在给定水域的来水污染物浓度低于出水水质目标时，依靠稀在给定水域的来水污染物浓度低于出水水质目标时，依靠稀释作用达到水质目标所能承纳的污染物量释作用达到水质目标所能承纳的污染物量自净容量自净容量:由于沉降、生化、吸附等物理、化学和生物作用，给定水域由于沉降、生化、吸附等物理、化学和生物作用，给定水域达到水质目标所能自净的污染物量达到水质目标所能自净的污染物量2水环境容量基本特征水环境容量基本特征 n资资源源性性 水水环环境境容容量量是是一一种种自自然然资资源源能能容容纳纳一一定定量量的的污污染染物物也也能能满满足足人人类类生生产产、生生活活和和生生态态系系统统的的需需要要；水水环环境境容量是有限的可再生自然资源。容量是有限的可再生自然资源。n区区域域性性 受受各各类类区区域域的的水水文文、地地理理、气气象象条条件件等等因因素素的的影影响响，不不同同水水域域对对污污染染物物的的物物理理、化化学学和和生生物物净净化化能能力力存存在在明显的差异，导致水环境容量有明显的地域性特征。明显的差异，导致水环境容量有明显的地域性特征。n系统性系统性 河流、湖泊等水域一般处在大的流域系统中，水域河流、湖泊等水域一般处在大的流域系统中，水域与陆域、上游与下游、左岸与右岸构成不同尺度的空间生与陆域、上游与下游、左岸与右岸构成不同尺度的空间生态系统，因此，在确定局部水域水环境容量时，必须从流态系统，因此，在确定局部水域水环境容量时，必须从流域的角度出发，合理协调流域内各水域的水环境容量。域的角度出发，合理协调流域内各水域的水环境容量。3 影响要素 n水域特性水域特性几何特征（岸边形状、水底地形、水深或体积）；几何特征（岸边形状、水底地形、水深或体积）；水文特征（流量、流速、降雨、径流等）；水文特征（流量、流速、降雨、径流等）；化学性质（化学性质（pH值，硬度等）；值，硬度等）；物理自净能力（挥发、扩散、稀释、沉降、吸附）；物理自净能力（挥发、扩散、稀释、沉降、吸附）；化学自净能力（氧化、水解等）；化学自净能力（氧化、水解等）；生物降解（光合作用、呼吸作用）。生物降解（光合作用、呼吸作用）。n环境功能要求环境功能要求不不同同功功能能区区划划，对对水水环环境境容容量量的的影影响响很很大大：水水质质要要求求高高的的水水域域，水水环环境境容容量量小小；水水质质要要求求低低的的水水域域，水水环环境境容容量量大；大；4 影响要素 n污染物质污染物质不不同同污污染染物物本本身身具具有有不不同同的的物物理理化化学学特特性性和和生生物物反反应应规规律律，不不同同类类型型的的污污染染物物对对水水生生生生物物和和人人体体健健康康的的影影响响程度不同。不同的污染物具有不同的环境容量；程度不同。不同的污染物具有不同的环境容量；n排污方式排污方式一般来说，在其他条件相同的情况下一般来说，在其他条件相同的情况下集中排放的环境容量比分散排放小集中排放的环境容量比分散排放小瞬时排放比连续排放的环境容量小瞬时排放比连续排放的环境容量小岸边排放比河心排放的环境容量小岸边排放比河心排放的环境容量小因此，限定的排污方式是确定环境容量的一个重要确定因此，限定的排污方式是确定环境容量的一个重要确定因素。因素。5计算步骤1 n水域概化水域概化 将天然水域（河流、湖泊水库）概化成计算水域将天然水域（河流、湖泊水库）概化成计算水域n基础资料调查与评价基础资料调查与评价 水域水文资料（流速、流量、水位、体积等）水域水文资料（流速、流量、水位、体积等）水域水质资料（多项污染因子的浓度值）水域水质资料（多项污染因子的浓度值）收集水域内的排污口资料（废水排放量与污染物浓度）收集水域内的排污口资料（废水排放量与污染物浓度）支流资料（支流水量与污染物浓度）支流资料（支流水量与污染物浓度）取水口资料（取水量，取水方式）取水口资料（取水量，取水方式）污染源资料等（排污量、排污去向与排放方式）污染源资料等（排污量、排污去向与排放方式）并进行数据一致性分析，形成数据库。并进行数据一致性分析，形成数据库。6计算步骤2 n选选择择控控制制点点（或或边边界界）根根据据水水环环境境功功能能区区划划和和水水域域内内的的水水质质敏敏感感点点位位置置分分析析，确确定定水水质质控控制制断断面面的的位位置置和和浓浓度度控控制制标标准准。如如存存在在污污染染混混合合区区，则则需需根根据据环环境境管管理理的的要要求求确确定定污污染染混混合合区的控制边界。区的控制边界。n建建立立水水质质模模型型 选选择择零零维维、一一维维或或二二维维水水质质模模型型，并并确确定定模模型所需的各项参数。型所需的各项参数。n容容量量计计算算分分析析 应应用用设设计计水水文文条条件件和和上上下下游游水水质质限限制制条条件件进进行行水水质质模模型型计计算算，利利用用试试算算法法（根根据据经经验验调调整整污污染染负负荷荷分分布布反反复复试试算算，直直到到水水域域环环境境功功能能区区达达标标为为止止）或或建建立立线线性性规规划划模模型型（建建立立优优化化的的约约束束条条件件方方程程）等等方方法法确确定定水水域域的的水水环环境境容量。容量。n环境容量确定环境容量确定 在容量计算分析基础上，扣除非点源污染影在容量计算分析基础上，扣除非点源污染影响部分，则为实际环境管理可利用的水环境容量。响部分，则为实际环境管理可利用的水环境容量。7设计条件 n计算单元计算单元 水环境容量计算单元的划分，采用节点划分法水环境容量计算单元的划分，采用节点划分法 从保证重要水域水体功能角度出发，以大中城市及重要工从保证重要水域水体功能角度出发，以大中城市及重要工业区、工业企业生活等重要和敏感的区域或断面作为划业区、工业企业生活等重要和敏感的区域或断面作为划分节点，把河道划分为若干较小的计算单元进行水环境分节点，把河道划分为若干较小的计算单元进行水环境容量计算。容量计算。8n控制点控制点 一一般般情情况况下下，计计算算单单元元内内可可以以直直接接按按照照水水环环境境功功能能区区上下边界、监测断面上下边界、监测断面等设置控制点或节点。等设置控制点或节点。某一功能区划水域内存在多个常规性监测断面，某一功能区划水域内存在多个常规性监测断面，选取最高级别的监测断面选取最高级别的监测断面 最有代表性的监测断面最有代表性的监测断面 最能反映最大取水量取水口水质的监测断面。最能反映最大取水量取水口水质的监测断面。功能区划水域没有常规性监测断面，可以选择功能功能区划水域没有常规性监测断面，可以选择功能区的区的下断面下断面或者或者重要的用水点重要的用水点作为控制节点。作为控制节点。9控制断面的选取要注意以下几个问题控制断面的选取要注意以下几个问题n 断断面面不不要要设设在在排排污污混混合合区区内内（由由排排放放浓浓度度过过渡渡到到功功能能区区标准的排污混合区或过渡区）；标准的排污混合区或过渡区）；n断断面面一一定定要要反反映映敏敏感感点点的的水水质质。大大部部分分水水环环境境功功能能区区内内都都允允许许有有取取水水口口（饮饮用用水水、工工业业用用水水、农农业业用用水水）或或鱼鱼类类索索饵饵、产产卵卵等等活活动动区区存存在在，断断面面设设置置应应考考虑虑这这些些敏敏感感点的水质保护，以保证功能区真正达标。点的水质保护，以保证功能区真正达标。n断面要保证出境水质达标。断面要保证出境水质达标。10水文条件水文条件n河流河流指河段内的水位、流速和流量等条件；指河段内的水位、流速和流量等条件；n湖库湖库指湖库的水位、库容和流入流出条件；指湖库的水位、库容和流入流出条件；n一一般般条条件件下下，水水文文条条件件年年际际、月月际际变变化化非非常常大大。各各流流域域一一般般可可选选择择30Q10（近近10年年最最枯枯月月平平均均流流量量）作作为为设设计计流流量量条条件件，30V10（近近10年年最最枯枯月月平平均均库库容容）作作为为湖湖库库的设计库容。的设计库容。以下几类情况，可分别概化为：以下几类情况，可分别概化为：海海河河、黄黄河河等等北北方方各各流流域域由由于于枯枯水水月月流流量量太太小小或或可可能能断断流流，可可同同时时选选择择90Q10（近近10年年最最枯枯季季平平均均流流量量）或或90V10（近近10年年最最枯枯季季平平均均库库容容）作作为为参参考考设设计计水水文文条条件。件。长长江江、珠珠江江等等干干流流河河面面较较宽宽（200m），污污染染物物扩扩散散一一般般仅仅在在岸岸边边进进行行，不不影影响响到到河河流流对对岸岸。设设计计水水文文条条件件可可选选择择30Q10或或30V10，然然后后根根据据环环境境管管理理的的需需求求确确定定混混合合区区范范围围进进行行岸岸边边环环境境容容量量计计算算，以以混混合合区区水水环环境境容容量量作为可以实际利用的水环境容量数据。作为可以实际利用的水环境容量数据。11n其他河段设计流量的计算选取枯水期月平均流量作为计算其他河段设计流量的计算选取枯水期月平均流量作为计算样本样本n有闸坝控制的河段，关闸时间较长时，可以考虑近有闸坝控制的河段，关闸时间较长时，可以考虑近10年平年平均水位下的水体容积作为设计流量或最小下泄流量。均水位下的水体容积作为设计流量或最小下泄流量。n对于一般湖泊或水库，分别按照近对于一般湖泊或水库，分别按照近10年最低月平均水位水年最低月平均水位水位相应的蓄水量和死库容的蓄水量确定设计流量。位相应的蓄水量和死库容的蓄水量确定设计流量。n有条件的地区，可对丰平枯水期特征明显的河流，以及按有条件的地区，可对丰平枯水期特征明显的河流，以及按照最枯流量计算没有水环境容量的情况，按照分水期进行照最枯流量计算没有水环境容量的情况，按照分水期进行水环境容量的计算（需要注明对应的水期月份），汇总得水环境容量的计算（需要注明对应的水期月份），汇总得到全年的水环境容量。到全年的水环境容量。水文条件水文条件12边界条件边界条件n控控制制因因子子：COD和和氨氨氮氮主主要要控控制制因因子子.湖湖库库增增加加总总磷磷、总氮和叶绿素总氮和叶绿素a指标指标;n质量标准质量标准省省界界断断面面水水质质标标准准以以国国家家制制定定的的流流域域规规划划确确定定的的目目标标和和省界功能区水质目标为依据省界功能区水质目标为依据,省省内内断断面面水水质质标标准准以以水水环环境境功功能能区区划划为为水水环环境境容容量量计计算算的依据，跨市、县界的功能区协调方案由各省解决。的依据，跨市、县界的功能区协调方案由各省解决。需需要要国国家家协协调调省省际际水水环环境境功功能能区区目目标标差差异异和和目目标标水水质质的的，可以提交总局和技术指导组解决。可以提交总局和技术指导组解决。n设计流速设计流速：河流的设计流速为对应设计流量条件下的：河流的设计流速为对应设计流量条件下的流速。流速。13n本底浓度本底浓度参考上游水环境功能区标准，以对应国家环境质量标准的上限值（达到对应国家标准的最大值）为本底浓度（来水浓度）对于跨界水环境功能区本底浓度需要考虑国家和省（直辖市、自治区）政府部门规定的出、入断面浓度限值。n水质目标值水质目标值水环境功能区相应环境质量标准类别的上限值为水质目标值。n单位时间单位时间 一般指一年。最枯月或最枯季的环境容量换算为全年，作为功能区的年环境容量。排放浓度采用mg/l单位，流量采用m3/s单位，计算结果是瞬时允许污染物流量（mg/s）,需换算成年容量。边界条件边界条件14排污方式排污方式n当排污口污水排放流量较大（根据各区域特征确定）当排污口污水排放流量较大（根据各区域特征确定）现状排污口，必须作为独立的排污口处理。现状排污口，必须作为独立的排污口处理。n其他排污口，可以适当简化。其他排污口，可以适当简化。若排污口距离较近，可把多个排污口简化成集中的排若排污口距离较近，可把多个排污口简化成集中的排污口污口 排污口概化的重心计算：排污口概化的重心计算：X=（Q1C1X1+Q2C2X2+QnCnXn）/(Q1C1+Q2C2+QnCn)X：概化的排污口到功能区划下断面或控制断面的距离；：概化的排污口到功能区划下断面或控制断面的距离；Qn：第：第n个排污口（支流口）的水量；个排污口（支流口）的水量；Xn：第：第n个排污口（支流口）到功能区划下断面的距离；个排污口（支流口）到功能区划下断面的距离；Cn：第：第n个排污口（支流口）的污染物浓度；个排污口（支流口）的污染物浓度；15上界上界下界上界上界1 2 31 2 3下界下界1#排污口概化示意图排污口概化示意图16距离较远并且排污量均比较小的分散排污口，可概化距离较远并且排污量均比较小的分散排污口，可概化为非点源入河，仅影响水域水质本底值，不参与排污口为非点源入河，仅影响水域水质本底值，不参与排污口优化分配计算。优化分配计算。17水质模型水质模型n模型的类型模型的类型 零维模型 一维模型：二维模型：18零维模型零维模型n对河流，表现形式为河流稀释模型；对于湖泊与水库，对河流，表现形式为河流稀释模型；对于湖泊与水库，主要有盒模型主要有盒模型n符合下列两个条件之一的环境问题可概化为零维问题：符合下列两个条件之一的环境问题可概化为零维问题：河水流量与污水流量之比大于河水流量与污水流量之比大于1020；不需考虑污水进入水体的混合距离；不需考虑污水进入水体的混合距离；19常用零维模型解决的问题常用零维模型解决的问题n 对河流对河流不考虑混合距离的重金属污染物、部分有毒物质等其它保不考虑混合距离的重金属污染物、部分有毒物质等其它保守物质的下游浓度预测与允许纳污量的估算；守物质的下游浓度预测与允许纳污量的估算；有机物降解性物质的降解项可忽略时，可采用零维模型；有机物降解性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，当需要考虑降解时，可采用零维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拟，但计算精度和实用性较差，最好用一维模模型分段模拟，但计算精度和实用性较差，最好用一维模型求解。型求解。n对湖泊、水库对湖泊、水库不存在分层现象、无须考虑混合区范围的富营养化问题和不存在分层现象、无须考虑混合区范围的富营养化问题和热污染问题；热污染问题；可依流场、浓度场等分布规则进行分盒的湖泊和水库，其可依流场、浓度场等分布规则进行分盒的湖泊和水库，其环境问题均可按零维盒模型处理。环境问题均可按零维盒模型处理。20定常设计条件下河流稀释混合模型定常设计条件下河流稀释混合模型 n点源，河水、污水稀释混合方程点源，河水、污水稀释混合方程 C完全混合的水质浓度（完全混合的水质浓度（mg/L）；）；Qp,Cp上游来水设计水量（上游来水设计水量（m3/s）与设）与设计水质浓度（计水质浓度（mg/L）；）；QE,CE污水设计流量（污水设计流量（m3/s）与设计）与设计排放浓度（排放浓度（mg/L）；）；对对于于可可概概化化为为完完全全均均匀匀混混合合类类的的排排污污情情况况，排排污污口口与与控控制断面之间水域的允许纳污量计算公式为：制断面之间水域的允许纳污量计算公式为：单点源排放：单点源排放：式中：WC水域允许纳污量(g/L)；S控制断面水质标准(mg/L)21多点源排放多点源排放式中：QEi第i个排污口污水设计排放流量(m3/s)；n排污口个数22n考虑吸附态和溶解态污染指标耦合模型考虑吸附态和溶解态污染指标耦合模型 定常设计条件下河流稀释混合模型定常设计条件下河流稀释混合模型 对于需要区分出溶解态浓度的污染物，可用下式计算对于需要区分出溶解态浓度的污染物，可用下式计算式中：式中：C溶解溶解态浓度度(mg/L)；Cr总浓度度(mg/L)；SS悬浮固体浮固体浓度度(mg/L)；Kp分配系数分配系数(L/mg)。23概率分布设计条件下的河流稀释混合模型概率分布设计条件下的河流稀释混合模型n概率稀释模型把定常稀释模型中的大输入变量概率稀释模型把定常稀释模型中的大输入变量Qp、Cp、QE、CE等等设定为独立的随机变量，并服从对数正态分布，估算污水、河水混设定为独立的随机变量，并服从对数正态分布，估算污水、河水混合浓度的概率分布。合浓度的概率分布。n其基本表达式为：过矩量近似法或求积法，可以对公式进行求解。其基本表达式为：过矩量近似法或求积法，可以对公式进行求解。得出河水浓度的概率分布图得出河水浓度的概率分布图 排放浓度与超标率（排放浓度与超标率（Pr）关系）关系n在超标率计算时，假定排污总量中排污水量不变，改变排污浓度在超标率计算时，假定排污总量中排污水量不变，改变排污浓度,在给定达标率（或超标率）的条件下反推，乘以排污水量，可求出在给定达标率（或超标率）的条件下反推，乘以排污水量，可求出允许纳污量。允许纳污量。24湖泊、水库的盒模型湖泊、水库的盒模型n以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程时，可把湖以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程时，可把湖泊看作一个完全混合反应器，这样盒模型的基本方程为泊看作一个完全混合反应器，这样盒模型的基本方程为 V湖泊中水的体积（湖泊中水的体积（m3）；）；Q平衡时流入与流出湖泊的流量（平衡时流入与流出湖泊的流量（m3/a）；）；CE流入湖泊的水量中水质组分浓度（流入湖泊的水量中水质组分浓度（g/m3）；）；C湖泊中水质组分浓度（湖泊中水质组分浓度（g/m3）；）；Sc如非点源一类的外部源和汇（如非点源一类的外部源和汇（m3）；）；r(c)水质组分在湖泊中的反应速率。水质组分在湖泊中的反应速率。25如果反应器中只有反应过程，则如果反应器中只有反应过程，则Sc=0，则公式变为：，则公式变为：湖泊、水库的盒模型湖泊、水库的盒模型当反应器内的反应符合一级反应动力学，且是衰减反应时，则当反应器内的反应符合一级反应动力学，且是衰减反应时，则公式又变为以下形式K是一级反应速率常数（是一级反应速率常数（1/t）26湖泊、水库的盒模型湖泊、水库的盒模型当反应器处于稳定状态时，当反应器处于稳定状态时，dC/dt=0，可得到下式，可得到下式t=V/Q,t为停留时间为停留时间27类类别别数数据据注注释释水水力力数据数据河河流流流量流量Q设计流量如设计流量如7Q10横截面积横截面积A水深水深H由由于于稀稀释释容容量量的的原原因因，流流量量的的正正确确估估计计很很重重要要。由由于于模模型型是是在在设设计计条条件件下下进进行行的的，因因而而设设计计流流量量的的计计算算是是必必需需的的。当当河河流流被被视视为为完完全混合反应时，应计算全混合反应时，应计算A,H.湖湖泊泊水力停留时间水力停留时间tw平均深度平均深度H水体容积水体容积V湖泊表面积湖泊表面积Atw是是湖湖泊泊等等滞滞流流水水体体模模型型的的一一个个重重要要参参数数，由由V/Q计算计算污污染染源源数数据据污水流量污水流量QE污水外排浓度污水外排浓度CE悬浮固体浓度悬浮固体浓度SS背景浓度背景浓度CpQE、CE指设计条件下的外排流量和浓度指设计条件下的外排流量和浓度考考虑虑溶溶解解态态和和颗颗粒粒态态污污染染物物时时需需使使用用SS值值，常用于重金属常用于重金属零维模型数据和参数总结表零维模型数据和参数总结表28一维模型一维模型n对于河流而言，一维模型假定污染物浓度仅在河流纵向对于河流而言，一维模型假定污染物浓度仅在河流纵向上发生变化，主要适用于同时满足以下条件的河段：上发生变化，主要适用于同时满足以下条件的河段：宽浅河段；宽浅河段；污染物在较短的时间内基本能混合均匀；污染物在较短的时间内基本能混合均匀；污染物浓度在断面横向方向变化不大，横向和垂向的污污染物浓度在断面横向方向变化不大，横向和垂向的污染物浓度梯度可以忽略。染物浓度梯度可以忽略。29n在忽略离散作用时，一维稳态衰减规律的微分方程为：在忽略离散作用时，一维稳态衰减规律的微分方程为：式中：式中：u河流断面平均流速，河流断面平均流速，m/s；x沿程距离，沿程距离，km；K综合降解系数，综合降解系数，1/d；C沿程污染物浓度，沿程污染物浓度，mg/L；C0前一个节点后污染物浓度，前一个节点后污染物浓度，mg/L30二维模型二维模型 n当水中污染物浓度在一个方向上是均匀的，而在其余两个当水中污染物浓度在一个方向上是均匀的，而在其余两个方向是变化的情况下，一维模型不再适用，必须采用二维方向是变化的情况下，一维模型不再适用，必须采用二维模型模型 C（x,z）排污口对污染带内点（排污口对污染带内点（x,z）处浓度贡献值，）处浓度贡献值，mg/L；m河段入河排污口污染物排放速率，河段入河排污口污染物排放速率，g/s；u污染带内的纵向平均流速，污染带内的纵向平均流速，m/s；h污染带起始断面平均水深，污染带起始断面平均水深，m；Ey横向扩散系数，横向扩散系数，m2/s；x敏感点到排污口纵向距离，敏感点到排污口纵向距离，m；z敏感点到排污口所在岸边的横向距离，敏感点到排污口所在岸边的横向距离，m；K污染物降解系数，污染物降解系数，1/s；C0上游来水中污染物浓度，上游来水中污染物浓度，mg/L；圆周率。圆周率。31n适合于饮用水水源地河段的纳污能力计算适合于饮用水水源地河段的纳污能力计算n实际上，污水进入水体后，不能在短距离内达到全断面实际上，污水进入水体后，不能在短距离内达到全断面浓度混合均匀的河流均应采用二维模型。浓度混合均匀的河流均应采用二维模型。n实际应用中，水面平均宽度超过实际应用中，水面平均宽度超过200m的河流均应采用的河流均应采用二维模型计算。二维模型计算。32二维模型分类二维模型分类 按河流水文特征分：静止水体二维水质模型；平流段二维水质模型；感潮段二维水质模型；潮汐河网二维水质模型。按河流水文特征分：按河流水文特征分：（1 1）瞬时投放）瞬时投放瞬时岸边投放水质模型；瞬时江心投放水质模型。（2 2）连续投放）连续投放点源岸边连续投放水质模型；点源江心连续投放水质模型；线源岸边连续投放水质模型；线源江心连续排放水质模型。按投放方式分按投放方式分解析解二维水质模型数值解二维水质模型从解的形式分：从解的形式分：33几种二维水质模型和相应的解析解几种二维水质模型和相应的解析解 方程形式方程形式 1 1解析解解析解静止水体（如水库、湖泊）的突发性事故的中心排放情况浓度预测。适用条件适用条件34方程形式方程形式 2 2解析解解析解适用条件适用条件 按理论上来说，只适用于无限空间点源的瞬时投放，但实际应用中也可以应用到大江大河江心事故性排放的浓度估计几种二维水质模型和相应的解析解几种二维水质模型和相应的解析解 35方程形式方程形式3解析解解析解1适用条件适用条件可引用到大江大河江心事故性排放的浓度场预测 几种二维水质模型和相应的解析解几种二维水质模型和相应的解析解 解析解解析解2一侧有边界的可引用到大江大河岸边事故性排放的浓度场预测。一侧有边界的可引用到大江大河岸边事故性排放的浓度场预测。适用条件适用条件36方程形式方程形式4解析解解析解适用条件适用条件一般河流不考虑降解情况下的二维浓度场计算几种二维水质模型和相应的解析解几种二维水质模型和相应的解析解 37方程形式方程形式5解析解解析解适用条件适用条件用于预测有限空间突发性线源排放情况的浓度场预测 几种二维水质模型和相应的解析解几种二维水质模型和相应的解析解 38方程形式方程形式6解析解解析解1适用条件适用条件无边界影响的点源连续排放，适于大江河江心点源连续排放浓度场计算无边界影响的点源连续排放，适于大江河江心点源连续排放浓度场计算 几种二维水质模型和相应的解析解几种二维水质模型和相应的解析解 解析解解析解2无对岸影响的岸边排放，适用于大江河岸边点源连续排放浓度场计算无对岸影响的岸边排放，适用于大江河岸边点源连续排放浓度场计算解析解解析解3有对岸影响的岸边排放，适用于小河岸边点源连续排放浓度场计算有对岸影响的岸边排放，适用于小河岸边点源连续排放浓度场计算适用条件适用条件39湖库模型湖库模型当以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程时，往往可以把当以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程时，往往可以把湖泊看作一个完全混合反应器。这样的基本方程为湖泊看作一个完全混合反应器。这样的基本方程为当当所所考考虑虑的的水水质质组组分分在在反反应应器器内内的的反反应应符符合合一一级级反反应应动动力力学学，而而且是衰减反应时，则且是衰减反应时，则上式变为以下形式上式变为以下形式当反应处于稳定状态时，当反应处于稳定状态时，dC/dt=0，则，则40非点源模型非点源模型模型模型名称名称开发时开发时间间最新版本最新版本发布时间发布时间参数形式参数形式空间尺空间尺度度时间尺度时间尺度时间步时间步长长模型结构模型结构AGNPSAGNPS1987198719981998分散参数分散参数流域流域开始为单开始为单次暴雨，次暴雨，后发展为后发展为长期连续长期连续1d1dSCSSCS水文模型；通用土壤流失水文模型；通用土壤流失方程；氮、磷和方程；氮、磷和CODCOD负荷，不负荷，不考虑污染物平衡考虑污染物平衡HSPFHSPF1976197619961996(v.11)(v.11)集中参数集中参数流域流域长期连续长期连续1min1min到到1d1d斯坦福水文模型；侵蚀模型考斯坦福水文模型；侵蚀模型考虑雨滴溅蚀、径流冲刷侵蚀和虑雨滴溅蚀、径流冲刷侵蚀和沉积作用；污染物包括氮、磷沉积作用；污染物包括氮、磷和农药等，考虑复杂的污染物和农药等，考虑复杂的污染物平衡平衡ANSWEANSWERSRS1977197719961996分散参数分散参数流域流域开始为单开始为单次暴雨，次暴雨，后发展为后发展为长期连续长期连续暴雨期暴雨期为为60s60s，非暴，非暴雨期为雨期为1d1d水文模型考虑降雨初损、入渗、水文模型考虑降雨初损、入渗、坡面流和蒸发；侵蚀模型考虑坡面流和蒸发；侵蚀模型考虑溅蚀、冲蚀和沉积；早期并不溅蚀、冲蚀和沉积；早期并不考虑污染物迁移，后补充了氮、考虑污染物迁移，后补充了氮、磷子模型，复杂污染平衡磷子模型，复杂污染平衡41方程形式方程形式3解析解解析解1适用条件适用条件可引用到大江大河江心事故性排放的浓度场预测 几种二维水质模型和相应的解析解几种二维水质模型和相应的解析解 解析解解析解2一侧有边界的可引用到大江大河岸边事故性排放的浓度场预测。一侧有边界的可引用到大江大河岸边事故性排放的浓度场预测。适用条件适用条件42CREAMSCREAMS19791979集中参数集中参数 农田小区农田小区 长期连续长期连续1d1dSCSSCS水文模型，水文模型，Green-AmptGreen-Ampt入渗模型，入渗模型，蒸发；侵蚀模型考虑溅蚀、冲蚀、河蒸发；侵蚀模型考虑溅蚀、冲蚀、河道侵蚀和沉积；氮、磷负荷，简单污道侵蚀和沉积；氮、磷负荷，简单污染物平衡染物平衡GLEAMSGLEAMS19861986集中参数集中参数 农田小区农田小区 长期连续长期连续1d1d水文和侵蚀子模型与水文和侵蚀子模型与CREAMSCREAMS相同；污相同；污染物更多考虑农药地下迁移过程染物更多考虑农药地下迁移过程CNSCNS19811981集中参数集中参数 农田小区农田小区 长期连续长期连续水文水文1d1d污染污染物物1mon1monSCSSCS水文模型，入渗、蒸发，融雪；水文模型，入渗、蒸发，融雪；改进通用土壤流失方程；氮、磷负荷改进通用土壤流失方程；氮、磷负荷，简单污染物平衡，简单污染物平衡EPICEPIC19831983集中参数集中参数 农田小区农田小区 长期连续长期连续1d1dSCSSCS水文模型，入渗，蒸发，融雪；水文模型，入渗，蒸发，融雪；改进通用土壤流失方程；氮、磷负荷改进通用土壤流失方程；氮、磷负荷，复杂污染物平衡，复杂污染物平衡SEDIMOTSEDIMOT19841984集中参数集中参数流域流域单次暴雨单次暴雨3min3minSCSSCS水文模型，坡面流，河道流；侵水文模型，坡面流，河道流；侵蚀部分有两个模型，蚀部分有两个模型，MUSLEMUSLE和和SLOSSSLOSS；无污染物迁移子模型；无污染物迁移子模型非点源模型概述非点源模型概述43模型模型名称名称开发开发时间时间最新版最新版本发布本发布时间时间参数形参数形式式空间空间尺度尺度时间尺时间尺度度时间时间步长步长模型结构模型结构AGNPAGNPS S1987198719981998分散参分散参数数流域流域开始为开始为单次暴单次暴雨，后雨，后发展为发展为长期连长期连续续1d1dSCSSCS水文模型；通用土壤流失水文模型；通用土壤流失方程；氮、磷和方程；氮、磷和CODCOD负荷，不负荷，不考虑污染物平衡考虑污染物平衡HSPFHSPF1976197619961996(v.11)(v.11)集中参集中参数数流域流域长期连长期连续续1min1min到到1d1d斯坦福水文模型；侵蚀模型考斯坦福水文模型；侵蚀模型考虑雨滴溅蚀、径流冲刷侵蚀和虑雨滴溅蚀、径流冲刷侵蚀和沉积作用；污染物包括氮、磷沉积作用；污染物包括氮、磷和农药等，考虑复杂的污染物和农药等，考虑复杂的污染物平衡平衡ANSWANSWERSERS1977197719961996分散参分散参数数流域流域开始为开始为单次暴单次暴雨，后雨，后发展为发展为长期连长期连续续暴雨暴雨期为期为60s60s，非，非暴雨暴雨期为期为1d1d水文模型考虑降雨初损、入渗、水文模型考虑降雨初损、入渗、坡面流和蒸发；侵蚀模型考虑坡面流和蒸发；侵蚀模型考虑溅蚀、冲蚀和沉积；早期并不溅蚀、冲蚀和沉积；早期并不考虑污染物迁移，后补充了氮、考虑污染物迁移，后补充了氮、磷子模型，复杂污染平衡磷子模型，复杂污染平衡非点源模型概述非点源模型概述44SWRRBSWRRB1984198419931993集中参数集中参数流域流域长期连续长期连续1d1dSCSSCS水文模型，入渗，蒸发，融雪；水文模型，入渗，蒸发，融雪；改进通用土壤流失方程；氮、磷负改进通用土壤流失方程；氮、磷负荷，复杂污染物平衡荷，复杂污染物平衡ROTOROTO19901990集中参数集中参数大流域大流域长年连续长年连续1d1d河流水文和泥沙演算，水库水文和河流水文和泥沙演算，水库水文和泥沙演算泥沙演算CNPSCNPS19961996分散参数分散参数流域流域长期连续长期连续1d1dSCSSCS水文模型，入渗、蒸发；改进通水文模型，入渗、蒸发；改进通用土壤流失方程；氮、磷负荷，简用土壤流失方程；氮、磷负荷，简单污染物平衡单污染物平衡SWATSWAT1996199620002000集中参数集中参数流域流域长期连续长期连续1d1dSCSSCS水文模型，入渗，蒸发，融雪；水文模型，入渗，蒸发，融雪；改进通用土壤流失方程；氮、磷负改进通用土壤流失方程；氮、磷负荷，复杂污染物平衡荷，复杂污染物平衡LOADLOAD19961996分散参数分散参数流域流域长期连续长期连续1d1d产流系数法计算径流量；无侵蚀模产流系数法计算径流量；无侵蚀模型；统计模型计算型；统计模型计算BODBOD、TNTN、TPTP负荷负荷非点源模型概述非点源模型概述45参数推求方法参数推求方法 1)1)降解系数确定方法降解系数确定方法水团追踪试验水团追踪试验 选选择择合合适适的的河河段段，布布设设监监测测断断面面，确确定定试试验验因因子子。测测定定排排污污口口污污水水流流量量、污污染染物物浓浓度度（试试验验因因子子），测测定定试试验验河段的水温、水面宽、流速等。河段的水温、水面宽、流速等。根根据据流流速速，计计算算流流经经各各监监测测断断面面的的时时间间，按按计计算算的的时时间间在在各各断断面面取取样样分分析析，并并同同步步测测验验各各监监测测断断面面水水深深等等水水文文要素。要素。整理分析试验数据，计算确定污染物降解系数。整理分析试验数据，计算确定污染物降解系数。46实测资料反推法实测资料反推法用实测资料反推法计算污染物降解系数用实测资料反推法计算污染物降解系数首先要选择河段，分析上、下断面水质监测资料，首先要选择河段，分析上、下断面水质监测资料，其次分析确定河段平均流速，利用合适的水质模型计算污其次分析确定河段平均流速，利用合适的水质模型计算污染物降解系数，染物降解系数，采用临近时段水质监测资料验证计算结果，确定污染物降采用临近时段水质监测资料验证计算结果，确定污染物降解系数。解系数。河段选择时，为减少随机因素对计算结果的影响，应尽量河段选择时，为减少随机因素对计算结果的影响，应尽量选择没有排污口、支流口的河段作为计算河段，这样可排除选择没有排污口、支流口的河段作为计算河段，这样可排除入河污染物量和入河水量随机波动对水质监测结果的影响。入河污染物量和入河水量随机波动对水质监测结果的影响。K=（LnC1-LnC2）u/l其中：其中：C1、C2分别为河段上、下断面污染物浓度，分别为河段上、下断面污染物浓度，L为上下为上下断面距离，断面距离，U为流速。为流速。47类比法类比法国内外有关文献提及的部分河流污染物降解系数见表国内外有关文献提及的部分河流污染物降解系数见表在国内外的在国内外的24条河流中，条河流中，BOD5降解系数降解系数K值的下限或值的下限或变化范围变化范围0.35d-1的有的有17条，占条，占70.8%。根据以往的研究。根据以往的研究成果可知，成果可知，CODcr降解系数比降解系数比BOD5要小，约为要小，约为BOD5降降解系数的解系数的60%70%。约有约有70%以上的河流其以上的河流其CODcr降解系数在降解系数在0.200.25d-1分析借用分析借用 对对于于以以前前在在环环境境影影响响评评价价、环环境境规规划划、科科学学研研究究、专专题题分分析析等等工工作作中中可可供供利利用用的的有有关关数数据据、资资料料经经过过分分析析检验后采用。检验后采用。48序号序号K值值(d-1)国家国家河流河流研究人研究人10.30.4美国美国Willamette河河Revette20.5美国美国Bagmati河河Davis30.142.1美国美国Mile河河Cump40.0395.2美国美国Holston河河Kittrell50.32美国美国SanAntonio河河Texas60.420.98英国英国Trent河河Collinge70.56英国英国Tame河河Garland80.18英国英国Thames河河Wood90.53日本日本Yomo河河田村坦之田村坦之100.23日本日本寝屋川寝屋川杉木昭典杉木昭典110.19波兰波兰Odra河河Mamzack120.12.0德国德国Necker河河Hahn130.011.0法国法国Vienne河河Chevereau140.2墨西哥墨西哥Lerma河河Banks150.15以色列以色列Alexander河河Aefi160.31.0中国中国黄河黄河170.10.13中国中国漓江漓江叶长明叶长明180.35中国中国沱江沱江夏青夏青190.0150.13中国中国第一松花江第一松花江200.140.26中国中国第二松花江第二松花江210.23.45中国中国图门江图门江221.7中国中国渭河渭河230.882.52中国中国江苏清安河江苏清安河240.51.4中国中国丹东大沙河丹东大沙河492)不同水期、最枯月之间降解系数关系不同水期、最枯月之间降解系数关系水体温度高，降解系数大，不同水温条件下水体温度高，降解系数大，不同水温条件下K值估算关系式值估算关系式式中：式中：KTT时的时的K值，值，d-1T水温，水温，；K2020时的时的K值，值，d-1。50河流水环境容量计算方法河流水环境容量计算方法n河流概化河流概化 1不考虑混合区的水环境容量不考虑混合区的水环境容量污染物进入河流后，在一定范围内经过平流输移、纵向污染物进入河流后，在一定范围内经过平流输移、纵向离散和横向混合后达到充分混合，离散和横向混合后达到充分混合，根据水质管理的精度要求允许不考虑混合过程而假定在根据水质管理的精度要求允许不考虑混合过程而假定在排污口断面瞬时完成均匀混合，可按一维问题概化计算条排污口断面瞬时完成均匀混合，可按一维问题概化计算条件，建立水质模型。件，建立水质模型。51n河流一维水质模型由河段和节点两部分组成，河流一维水质模型由河段和节点两部分组成，n节点指河流上排污口、取水口、干支流汇合口等造成节点指河流上排污口、取水口、干支流汇合口等造成河道流量发生突变的点，水量与污染物在节点前后满河道流量发生突变的点，水量与污染物在节点前后满足物质平衡规律（忽略混合过程中物质变化的化学和足物质平衡规律（忽略混合过程中物质变化的化学和生物影响）。生物影响）。n河段指河流被节点分成的若干段，每个河段内污染物河段指河流被节点分成的若干段，每个河段内污染物的自净规律符合一阶反应规律。的自净规律符合一阶反应规律。52上界上界下界下界j#k#节点节点i河段河段i河流一维模型概化示意图河流一维模型概化示意图功能区内有功能区内有i个节点，则将河流分成个节点，则将河流分成i1个河段。在节点处，个河段。在节点处，要利用节点均匀混合模型进行节点前后的要利用节点均匀混合模型进行节点前后的物质守恒分析物质守恒分析，确，确定节点后的河段流量和污染物浓度。节点后的河段要以节点定节点后的河段流量和污染物浓度。节点后的河段要以节点平衡后的流量和污染物浓度为初始条件，按照一维降解规律平衡后的流量和污染物浓度为初始条件，按照一维降解规律计算到下一个节点前的污染物浓度。计算到下一个节点前的污染物浓度。53节点平衡方程节点平衡方程nQ干流混合后干流混合后Q干流混合前干流混合前Q支流支流Q排污口排污口Q取水口取水口考虑干流、支流、取水口、排污口均在同一节点的最复杂考虑干流、支流、取水口、排污口均在同一节点的最复杂情况，水量平衡方程为情况，水量平衡方程为污染物平衡方程为（忽略混合过程的不均匀性）：污染物平衡方程为（忽略混合过程的不均匀性）：54环境容量计算环境容量计算代入模型，得到一维模型水环境容量的计算公式代入模型，得到一维模型水环境容量的计算公式Wi第第i个排污口允许排放量，个排污口允许排放量，t/a；Ci河段第河段第i个节点处的水质本底浓度，个节点处的水质本底浓度，mg/l；C沿程浓度，沿程浓度，mg/l；Qi河道节点后流量，河道节点后流量，m3/s；Qj第第i节点处废水入河量，节点处废水入河量，m3/s；u第第i个河段的设计流速，个河段的设计流速，m/s；x计算点到第计算点到第i节点的距离，节点的距离，m。552考虑混合区的水环境容量考虑混合区的水环境容量在排放口下游指定一个限定区域，使污染物进行初始稀在排放口下游指定一个限定区域，使污染物进行初始稀释，在此区域内可以超过水质标准，这个区域称为混合区。释，在此区域内可以超过水质标准，这个区域称为混合区。混合区含有容许的意义，因此它具有位置、大小和形状混合区含有容许的意义，因此它具有位置、大小和形状三个要素。三个要素。56混合区位置混合区位置，是指按照国家的有关规定，有些严格保，是指按照国家的有关规定，有些严格保护的水域（一级水源保护区、自然保护区等水域）不能允护的水域（一级水源保护区、自然保护区等水域）不能允许混合区存在。许混合区存在。混合区大小混合区大小，是指允许混合区存在的水域，混合区边，是指允许混合区存在的水域，混合区边界不应该影响鱼类洄游通道和邻近功能区水质，一般来说，界不应该影响鱼类洄游通道和邻近功能区水质，一般来说，湖泊海湾内可存在不大于总面积为湖泊海湾内可存在不大于总面积为13km2的混合区，河的混合区，河口、大江大河的混合区可根据具体情况确定。口、大江大河的混合区可根据具体情况确定。混合区形状混合区形状，是指为便于混合区的管理，将混合区划，是指为便于混合区的管理，将混合区划定为比较简单的形状设置在水中，湖泊中一般允许一定半定为比较简单的形状设置在水中，湖泊中一般允许一定半径的圆形或椭圆形水域；在河流中，河道中一般允许一定径的圆形或椭圆形水域；在河流中，河道中一般允许一定范围的岸边窄长水域。范围的岸边窄长水域。57计算混合区的目的计算混合区的目的n目的在于限制混合区。目的在于限制混合区。n一方面使水体的自净能力得以体现，另一方面保证下一方面使水体的自净能力得以体现，另一方面保证下游功能区水质达到标准。游功能区水质达到标准。n在排放口与取水口发生矛盾时，在预测向大水体排放在排放口与取水口发生矛盾时，在预测向大水体排放污水的影响范围以及在研究改变排放方式的效果时，污水的影响范围以及在研究改变排放方式的效果时，都必须进行混合区范围计算。都必须进行混合区范围计算。58水环境容量计算公式水环境容量计算公式86.4为单位换算系数；为单位换算系数；W水环境容量，水环境容量，kg/d；Cs控制点水质标准，控制点水质标准，mg/L；C0上断面来水污染物设计浓度，上断面来水污染物设计浓度，mg/L；K污染物综合降解系数，污染物综合降解系数，1/d；h设计流量下污染带起始断面平均水深，设计流量下污染带起始断面平均水深，m;x1、x2概化排污口至上下游控制断面距离，概化排污口至上下游控制断面距离，km;u设计流量下污染带内的纵向平均流速，设计流量下污染带内的纵向平均流速，m/s；Eym2/s。59湖库水环境容量计算方法湖库水环境容量计算方法n不考虑混合区的水环境容量不考虑混合区的水环境容量 Wc为水环境容量，为水环境容量，t/a。V湖泊中水的体积（湖泊中水的体积（m3）；）；Q平衡时流入与流出湖泊的流量（平衡时流入与流出湖泊的流量（m3/s）；）；CE流入湖泊的水量中水质组分浓度（流入湖泊的水量中水质组分浓度（mg/l）；）；C湖泊中水质组分浓度（湖泊中水质组分浓度（mg/l）；）；K是一级反应速率常数（是一级反应速率常数（1/d）。）。60n虑混合区的水环境容量虑混合区的水环境容量 需要限定污染混合区边界进行混合区内的二维水质模拟需要限定污染混合区边界进行混合区内的二维水质模拟计算分析，以混合区边界为约束，得出环境容量计算分析，以混合区边界为约束，得出环境容量 61