1、水質(zhì)模型與水環(huán)境容量課程輔導(dǎo)第四章 水質(zhì)模型與水環(huán)境容量1、污染物質(zhì)在水中有哪些運動形式？污染物質(zhì)在水中運動的形式，可以分為兩大類：一類是隨流輸移運動，一類是擴(kuò)散運動。在隨流輸移運動中，污染物服從水體的總體流動特征，產(chǎn)生從一處到另一處的大范圍運動（包括主流方向以及垂直主流方向）。而擴(kuò)散運動則是使污染物質(zhì)在水體中得到分散和混和的物理機(jī)制，按物理機(jī)制的不同，擴(kuò)散運動包括分子擴(kuò)散、紊動擴(kuò)散和剪切流離散。此外，在工程實際當(dāng)中遇到的水體大都是具有固體邊界的（大面積水體中的局部污染問題除外），而污染物在邊界附近，將產(chǎn)生所謂邊界反射問題，而且這種反射作用往往對污染物的分布產(chǎn)生重要影響，不可忽略。2、分子擴(kuò)散

2、運動的費克定律有哪些主要內(nèi)容？（1）費克（fick）第一定律費克（fick）第一定律提出單位時間內(nèi)，通過單位面積的溶解物質(zhì)與溶質(zhì)濃度在該面積法線方向的梯度成比例，擴(kuò)散強(qiáng)度與污染物自身特性有關(guān)。 式中：Qx為在x方向單位時間通過單位面積的擴(kuò)散物質(zhì)的質(zhì)量簡稱通量；C為擴(kuò)散物質(zhì)的濃度（單位體積流體中的擴(kuò)散物質(zhì)的質(zhì)量）；為擴(kuò)散物質(zhì)在x方向的濃度梯度；Dm為分子擴(kuò)散系數(shù)，與擴(kuò)散物的種類和流體溫度有關(guān)，具有L2/T的量綱。式中的負(fù)號表示擴(kuò)散物質(zhì)的擴(kuò)散方向為從高濃度向低濃度，與濃度梯度相反。（2）費克（fick）第二定律 上式即為各向同性情況下的三維分子擴(kuò)散方程，是費克第二定律的特殊形式。3、移流擴(kuò)散可分為

3、哪些階段？從運動階段上考察，移流擴(kuò)散大致分為三個階段：第一階段為初始稀釋階段。該階段主要發(fā)生在污染源附近區(qū)域，其運動主要為沿水深的垂向濃度逐漸均勻化。第二階段為污染擴(kuò)展階段。該階段中，污染物在過水?dāng)嗝嫔?，由于存在濃度梯度，污染由垂向均勻化向過水?dāng)嗝婢鶆蚧l(fā)展。第三階段為縱向離散階段。該階段中，由于沿水流方向的濃度梯度作用，以及斷面上流速分布，出現(xiàn)了沿縱向的移流擴(kuò)散，該擴(kuò)散又反過來影響了斷面的濃度分布，從而與第二階段的運動相互作用。4、如何求解水質(zhì)模型？水質(zhì)模型主要有如下求解方法：（1）理論解析解將問題簡化后，方程變?yōu)榈途S、低階、線性的形式，可以用數(shù)理方程中的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行求解，包括量綱分析方法、

4、變量替換法、鏡像法等。（2）數(shù)值解法（數(shù)值模擬方法）差分法、有限元方法、有限體積法等。數(shù)值模擬方法有許多優(yōu)點，例如：可解決高階非線性問題，不受場地和比尺限制，可在短時間內(nèi)測試各種可能方案等。而且由于當(dāng)前計算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，數(shù)值模擬方法有著更加廣闊的前景和應(yīng)用范圍。（3）物理模型這是傳統(tǒng)的解決流體力學(xué)問題的方法，同樣適用于水環(huán)境問題的解決。在實物模型中，可以直接觀測流動和擴(kuò)散現(xiàn)象，測量所關(guān)心的污染物濃度分布。物理模型方法比較直觀，而且對于一些未能建立數(shù)學(xué)方程的復(fù)雜問題，只要抓住支配擴(kuò)散的主要因素，即可得到較為符合實際的結(jié)果。該方法的不足之處在于對概化的靈敏度較高，而且由于物理模型往往需要大量試

5、驗材料，因此可能花費較多的經(jīng)費。（4）原型觀測、類比分析在天然流場中，對實際的污染物形成的濃度場進(jìn)行觀測。由于該方法較之前面幾種方法缺乏預(yù)測性，因此，一般用來確定解析方法或者數(shù)值模擬方法中需要的擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)，或用于驗證物理模型和數(shù)學(xué)模型的可靠性及類似水環(huán)境問題的類比分析。5、如何理解鏡像法？鏡像法，就是將邊界當(dāng)成虛擬的鏡面，在邊界的另一側(cè)放置一個虛擬的污染源，其強(qiáng)度和與邊界的距離與實際污染源完全相同，此時，邊界就可以去掉，這樣，我們就把解決邊界反射問題轉(zhuǎn)化為兩個污染源的疊加問題。要使用鏡像法解決邊界問題，需要滿足邊界處污染物“凈通量為零”的條件，而虛擬污染源的放置正好滿足這個基本條件。6、試

6、述水質(zhì)模型的定義、研究目的及分類？水質(zhì)模型是一個用于描述污染物質(zhì)在水環(huán)境中的混合、遷移過程的數(shù)學(xué)方程或方程組。求解方法很多，對于簡單可解情況，可以求出其解析解；對于復(fù)雜情況，則可能采取數(shù)值解法。因此水質(zhì)模型解的精度及可靠性不會超過其方程本身。進(jìn)行水質(zhì)模型研究的主要目的，在現(xiàn)階段主要是用于點源排放的納污問題。隨著社會的發(fā)展和水處理技術(shù)的進(jìn)步，點源污染的影響相對變得越來越小，而非點源污染，例如農(nóng)業(yè)和城市污染變得越來越重要，水質(zhì)模型也向預(yù)測非點源污染問題發(fā)展。根據(jù)具體用途和性質(zhì)，水質(zhì)模型的分類標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）以管理和規(guī)劃為目的，水質(zhì)模型可分為四類，即河流水質(zhì)模型、河口水質(zhì)模型（加入了潮汐作用）、湖泊

7、（水庫）水質(zhì)模型以及地下水水質(zhì)模型。其中河流水質(zhì)模型研究比較成熟，有較多成果，且能更加真實的反映實際水質(zhì)行為，因此應(yīng)用比較普遍。（2）根據(jù)水質(zhì)組分，水質(zhì)模型可以分為單一組分、耦合的和多重組分的三類。其中BODDO耦合模型能夠較成功地描述受有機(jī)污染地水質(zhì)變化情況。多組分水質(zhì)模型比較復(fù)雜，它考慮地水質(zhì)因素更多，例如水生生態(tài)模型等。（3）根據(jù)水體的水力學(xué)和排放條件是否隨時間變化，可以把水質(zhì)模型分為穩(wěn)態(tài)模型的和非穩(wěn)態(tài)的模型。對于這兩類模型，其研究的主要任務(wù)是模型的邊界條件，即在何種條件下水質(zhì)能夠盡可能處于較好狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型可以用于模擬水質(zhì)的物理、化學(xué)和水力學(xué)過程；而非穩(wěn)態(tài)模型則用于計算徑流、暴雨過

8、程中水質(zhì)的瞬時變化。（4）根據(jù)研究水質(zhì)維度，可把水質(zhì)模型分為零維、一維、二維、三維水質(zhì)模型。其中零維水質(zhì)模型較為粗略，僅為對于流量的加權(quán)平均，因此常常用作其他維度模型的初始值和估算值，而三維水質(zhì)模型雖然能夠精確反映水質(zhì)變化，但是受到紊流理論研究的局限，還在繼續(xù)理論研究當(dāng)中。一維和二維模型則可根據(jù)研究區(qū)域的情況適當(dāng)選擇，并可以滿足一般應(yīng)用要求的精度。7、試述水質(zhì)模型建模的一般步驟？（1）模型概化針對所研究污染的性質(zhì)選擇關(guān)心的變量，明確這些變量的變化趨勢以及變量的相互作用，在保證能夠反映實際狀況的同時，力求所建模型盡可能簡單。（2）模型性質(zhì)研究對模型的穩(wěn)定性、平衡性以及靈敏性進(jìn)行研究。其中穩(wěn)定性是

9、指模型是否能夠收斂，而靈敏性是指當(dāng)模型中參數(shù)變化時，其結(jié)果產(chǎn)生的差別是否在允許范圍之內(nèi)。（3）參數(shù)估計對于模型中的一些需要通過實驗或者實測數(shù)據(jù)進(jìn)行確定的參數(shù)，要考慮這些實測資料能否全面、正確反映參數(shù)值，以及這些實測數(shù)據(jù)是否齊全，是否容易得到，對于無法通過實測數(shù)據(jù)反算的參數(shù)，需要重新設(shè)立參數(shù)，或者尋找其間接依賴關(guān)系。參數(shù)估計是水質(zhì)模型中重要的一環(huán)。（4）模型驗證若只用一套數(shù)據(jù)確定模型，則該模型不能具有預(yù)測功能，因此，需要用另一套或者幾套實測數(shù)據(jù)來驗證所建模型。如果檢驗結(jié)果具有良好的一致性，則該模型具有預(yù)測功能，否則需要重新返回到第三步，調(diào)整參數(shù)。（5）模型應(yīng)用如果所建模型后來被實際數(shù)據(jù)證明是正確

10、的，則說明水質(zhì)模型的方法是正確的，可以更高的概率用于污染預(yù)測。反之，需要修改模型，以便解決問題。8、試述水質(zhì)預(yù)測的方法？預(yù)測水質(zhì)變化的方法，一般有三種：根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行的專家判斷法；從已興建的類似工程進(jìn)行類比法；模擬方法。在初評中多使用前兩種方法，其結(jié)果都是定性結(jié)論，最好也是半定量的。但這種定性分析方法在很多方面可以滿足影響評價的要求，也可給出影響大小的等級。另外水環(huán)境中包括各方面的問題，有些問題不是都能通過定量指標(biāo)來描述的，或尚沒有滿意的定量預(yù)測方法，所以也只能給出定性結(jié)論。因此在水質(zhì)預(yù)測中對定性分析法應(yīng)給預(yù)足夠重視，片面追求定量結(jié)果有時是不必要或不可能的。前兩種方法將在環(huán)境影響評價中預(yù)以評述。

11、水質(zhì)的定量預(yù)測目前多采用水質(zhì)模擬(數(shù)學(xué)模擬或物理模擬)，最常用的是采用數(shù)學(xué)模擬即水質(zhì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測，在進(jìn)行預(yù)測時一定要注意水文特征值和污染源的變化發(fā)展情況。9、試述水環(huán)境容量的定義、影響因素、分類及作用。一定的環(huán)境在人類生存和生態(tài)系統(tǒng)不致受害的情況下，對污染物的容納也有一定的限度。這個限度便稱之為環(huán)境容量或環(huán)境負(fù)荷量。水環(huán)境容量則是特指在滿足水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求下，水體容納污染物的最大負(fù)荷量，因此又稱做水體負(fù)荷量或納污能力。水環(huán)境容量是建立在水質(zhì)目標(biāo)和水體稀釋自凈規(guī)律的基礎(chǔ)上，因此它與水環(huán)境的空間特性，運動特性、功能，本底值，自凈能力及污染物特性、排放數(shù)量及排放方式等多種因素有關(guān)。從水體稀釋

12、、自凈的物理實質(zhì)看，水環(huán)境容量由兩部分組成，即差值容量和同化容量。前者出于水體的稀釋作用，而后者是各種自凈作用的綜合去污容量。從控制污染的角度看，水環(huán)境容量可從兩方面反映：一是絕對容量，即某一水體所能容納某污染物的最大負(fù)荷量，它不受時間的限制；一是年(日)容量，即在水體中污染物累積濃度不超過環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大容許值的前提下，每年(日)水體所能容納某污染物的最大負(fù)荷量。年(日)容量受時間限制，并且和水體的本底值、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及凈化能力有關(guān)。實用上則根據(jù)具體情況，采用其中較適宜的一種。河流、湖泊、水庫是最常見的三種貯水體，通常也主要研究推求這三者的水環(huán)境容量。水環(huán)境容量的主要作用是：對排污進(jìn)行控制，利

13、用水體自凈能力進(jìn)行環(huán)境規(guī)劃。10、試述水環(huán)境容量的m值計算法。m值計算法既是濃度控制法的改進(jìn)(直接推求允許排放濃度)，也是總量控制法的簡化。它適用于確定受毒性較小的污染物和其他有機(jī)污雜物影響的水環(huán)境容量，即確定這些污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)。此方法從河段水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，根據(jù)河段水量與混合物的質(zhì)量守恒原理，推求河段內(nèi)各排污口允許排放濃度，同時也規(guī)定出排污流量。如，大河流量為Q，一側(cè)岸邊某排污口排污流量為q，排污濃度為Cd，排污口附近上下兩斷面的污染物濃度分別為Co和CN，如果忽略污染物的衰減作用，只考慮稀釋，則應(yīng)有： 那么： 若取CN為符合環(huán)境要求的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(濃度)，并令Q/q，C0/CN，符合水環(huán)境

14、要求的允許排放濃度即為： 再令m1+-標(biāo)準(zhǔn)稀釋系數(shù)，則: 上式只適用于1的情況，表面看這似乎只是對排放濃度的控制，而實質(zhì)上對污水排放流量的控制已隱含在確定m值過程中，即由清污水流量比來控制q值。對河段中有多個排污口相距又不太遠(yuǎn)時，可把它們合并為一個排污口考慮。總污水控制流量就是各排污口控制流量之和，即qq1+q2+qn；而各排污口排放濃度控制都用相同的值。m值計算法沒有直接考慮衰減作用，但從中可以看出：此式右端第二項反映了由流量比Q/q控制的稀釋作用，即允許超過的值是通過控制排污流量q來實現(xiàn)的。當(dāng)qQ，Cd2CN-Co；當(dāng)qQ時，CdCN，即排污標(biāo)準(zhǔn)必須達(dá)到水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)：Wp=·q&

15、#183;t=86.4·q，式中：mg/l，qm3/s，Wpkg/d。11、試述水環(huán)境容量的安全容積法。研究表明：湖、庫水環(huán)境容量主要與其蓄水量(容水體積)有關(guān)。因此防止水體污染就必須保證有一定的安全庫容。這樣才能使湖、庫水體發(fā)揮其凈化功能，使水體中污染物控制在安全水平以下。通常把這種安全庫容，即實際入湖、庫負(fù)荷量等于該水體最大容許負(fù)荷量時的湖、庫蓄水量，稱之為防止污染的臨界庫容。湖、庫水體的環(huán)境容量也可按能維持某種水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的污染物排放總量進(jìn)行計算。取枯水期湖泊容積等于安全容積，則其計算公式為： 式中：W湖泊水體環(huán)境容量(g/d)；t枯水期時間(d)，它取決于湖水位年內(nèi)變化情況。若水位年內(nèi)變幅較大，t取6090天；若湖水位常年穩(wěn)定，t取90150天。CN 某污染物的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)濃度(mg/l)；C0湖中該污染物的起始濃度(mg/l)；V湖泊的安全容積(m3)；q在安全容積期間，從湖泊排出的流量(m3/d)；K湖泊污染物質(zhì)自然衰