教案--第5章 水质预测模型

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C
C0
exp[
u 2D
(1
m)
x]
m 1 4k1D 86400u 2
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• 式中：C－下游某一点的污染物浓度， mg/L ； C0－完全混合断面的污染物浓度， mg/L； u－河水的流速，m/s； D－x方向上的扩散系数， m2/s ； k1－污染物降解的速率常数（1/d）； x－下游某一点到排放点的距离，m。
当河段长度大 于L，可采用0 维或一维模型
u－河流断面平均流速； H－平均水深； g－重力加速度， 9.81 m/s2 ； I－河流坡度。
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例题
某河流预测河段平均宽度50.0米，平均水深＝1.2 米，河底坡度0.90/00，平均流速0.1m/S，排放口 到岸边距离0米，混合过程段长度是多少米？
L＝
(0.4 50 0.6 0) 50 0.1
2463（米）
(0.0581.2 0.0065 50) 9.81.2 0.0009
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河流的一维模型
可根据河流水流特点分两种情况，即不 考虑弥散作用和考虑弥散作用。
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河流的一维模型 [考虑弥散的一维稳态模型]
2、一维模型
适用于符合一维动力学降解规律 的一般污染物，如氰、酚、有机毒 物、重金属、BOD、COD等单项 指标的污染物。
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一维模型适用条件
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 污染物的浓度是均匀的。或者是根据 水质管理的精确度要求允许不考虑混 合过程而假设在排污口断面瞬时完成 充分混合。
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二、水环境功能区划分——方法与步骤
1. 系统分析 水环境保护功能区划分的目的，就是提出明确的水质保 护目标并最终加以实现。确定该水质目标的过程是一个系统 分析过程。确定环境保护目标的系统分析过程图
2. 划分步骤 水环境功能区划分可分为 4个阶段： 技术准备、定性判断、定量决策、综合评价。
三、水污染控制单元
举例
四、水环境污染控制规划模型
在水污染控制系统规划中，规划方法的选择是决定规划 成败的关键，也是规划的核心内容。根据解决水污染问题 的途径，可将水污染控制系统规划分为两大类：
1. 系统的最优化问题 2. 规划方案的模拟选优问题
四、水环境污染控制规划模型
1. 最优化问题 所谓水污染控制系统的最优化问题，就是利用数学规划方
一 、水环境容量 ——设计条件
水环境容量的设计条件是根据已出现过的各种环境条件和 污染条件，如水文、水温、流速、流量、水质、排污浓度和排 污量等，考虑各种可预测到的未来变化范围，寻求最不利于控 制污染的自然条件，并提出这种自然条件下的环境目标条件及 其他约束条件。
平均化过程是设计条件的主要过程，即在稳态条件下平均 化，或在概率分布条件下平均化。由此构成了两类设计条件： 随机（或概率分布）设计条件和稳态（或定常）设计条件。
水污染控制单元划分 牛栏江小流域及其水污染控制单元划分
根据牛栏江小流域系统特征，在污染负荷分析的基础上，将牛 栏江划分为3个水污染控制单元。 控制单元I（工业污染重点控制区）：牛栏江上游流入该单元的 天然径流较小，且该段河床的渗透性较强，根据城市功能分区， 寻甸县的工业绝大部分都分布在该单元的集水区内，该单元特 征为天然水量小、河床渗透强、未来污染强度大。 控制单元II（生活点源污染重点控制区）：该单元流经县城任德 镇，城镇人口较多，县城的工业和生活污水主要汇入该单元内， 从而大大增加了牛栏江的污染负荷。 控制单元III（水质恢复区）：单元内产业结构以农业为主，基 本无工业，可考虑作为牛栏江的自净河段，充分利用河段水体 自净作用，以便减轻牛栏江出水水质对下游带来的不利影响。

可靠的洪水预报对防止洪水灾害具有特别重要的作用。例如在河流 防洪抢险中，需要及时预报出防洪地点即将出现的洪峰水位、流量，以 便在洪峰到来之前，迅速加高加固堤防、转移可能受淹的群众和物资， 动用必要的防洪设施（如分洪、蓄洪等），把洪水灾害减小到最低限度。
在水库管理中，可以利用洪水预报，使上游来的洪水与区间洪水的 高峰段彼此错开（称错峰），即下游洪水很大时，水库把上游来的洪水 暂时蓄存起来，待下游洪峰过后，再加大水库泄量，把上游来的洪水放
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二、水文预报的预见期
水文预报的预见期，是指预报发布时刻与预报要素出现时刻之间的时 距。预见期随水文预报方法不同而异。以流域降雨径流法预报为例，从降 雨到达地面转变为出口断面的流量所经历的流域汇流时间，就是该方法所 能提供的预见期。
水文预报按其预见期的长短，可分为短期水文预报与中长期水文预报。 但预见期的长短，并没有明确的界限，习惯上把主要由水文要素作出的预 报称为短期预报；把包括气象预报性质在内的水文预报称为中长期预报。 利用河流水文要素自身的长期演变统计规律，或利用影响河流水文要素长 期演变的某些气象、天文等物理因子，对径流趋势作出预报或估计称为长 期预报。
1、短期洪水预报； 2、水文实时预报方法； 3、枯水预报； 4、水文预报精度评定； 5、施工水文预报。 研究目的： 根据水文预报的目的和预见期，能够选择水文预报的方法以及预报的 要素，并对水文预报的精度做出评价。
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第一节 概述
一、水文预报的重要性
水文预报是指根据水文现象的演变规律，利用实测的水文气象资料， 预测未来的水文要素变化，编制预报方案的一门科学，它是水文学的一 个重要组成部分。在防范水旱灾害、防洪枪险中，水文预报能事先提供 洪水的发生和发展变化的信息，是水利事业的耳目。随着现代化科技的 发展，在充分利用水资源的实际工作中，水文预报的应用也更为广泛。

我国现行的《水文情报预报规范（SL250-2000）
（2）进行作业预报 将现时发生的水文气象信息， 经过预报方案算出即将发生的水文预 报要素大小和出现时间，及时将信息发布出去，这个过程称为作业预报。 若现时水文气象信息是通过自动化采集、自动传送到预报中心的计算机 内，由计算机直接按存储的水文预报模型程序计算出预报结果。这样的 作业预报称为联机作业实时水文预报。
第二节 短期洪水预报
1、基本原理 相应水位：河段上下站同次 洪水过程线上同位相的水位。 相应流量：处于同一位相点 上下站的流量。
如图5-5所示的上游a点洪峰水 位和下游a‘点洪峰水位，该洪峰在 此河段的传播时间为。 图5-5 上下游站相应水位过程 线示意图
第二节 短期洪水预报
如无区间入流： Q下，t Q上，t QL L 河段上下游两站的距离； Q上，t t时刻的上游站流量；
f Z上，t
如：已知某日 5 时上 游站洪峰水位为 132.24m ，查得下游 站 洪 峰 水 位 为 68.30m ，洪水波的 传播时间为 21h ，即 预报下游站次日 2 时 将出现洪峰水位 68.3m。
图5-6 相应洪峰水位及传播时间关系曲线图
二、合成流量法
合成流量法按照上游干、支流各 站的传播时间，把各站同时刻到达下 游站的流量叠加起来得合成流量，然 后建立合成流量与下游站相应流量的 关系曲线。
三、流量演算法
流量演算法是在圣维南方程组简化的基础上，利用河槽的水量平衡 方程替代连续性方程，用河段的蓄泄关系替代动力方程， 然后联立求解， 将河段的入流过程演算为出流过程的方法。 1、基本原理 河段流量演算是由以下两个基本公式 组成：
Q
河槽时段水量平衡方程（图5-10）
上， 1

已知下游断面的水位-流量关系曲线（Q=f(Z下)）、上游断面的水位-面积曲线 （A上=f(Z上)）、收缩断面的水位-面积关系曲线（Ac=f(Z下)），用试错法建立壅水 后围堰上游的水位流量关系曲线，步骤如下：
（1）分级定流量值，查Q=f(Z下)曲线得相应的Z下值。 （2）由Z下值查Ac=f(Z下)曲线得相应的Ac值。 （3）由Q和Ac值计算vc和acvc2/2g值。 （4）假定上游壅水高度ΔZ’，按Z上+ ΔZ’值查A上=f(Z上)曲线，得相应的A上值。
某时刻上游站的水位（流量）预报一定时间后下游站的水位（流量）。 河道相应水位（流量）预报的基本关系式：
某上下游站同位相水位示意图
2、河段洪水预报
2）洪峰水位（流量）预报 对于区间来水比例不大、河槽稳定的河段，若 没有回水顶托等外界因素影响，那么在上、下游站 相应水位（流量）过程线上，可以找到相应的特征 点：峰、谷、涨落洪段的反曲点等，利用这些相应 特征点的水位（流量）即可制作预报曲线图（如下 图所示）。
水利部水文局水文情报预报中心
二、短期洪水预报
短期洪水预报包括降雨径流预报、河段洪水预报以及考虑实时修正的实时洪水 预报。
降雨径流预报是指按降雨径流形成过程的原理，利用流域内的降雨资料预报出 流域出口断面的洪水过程。
河段洪水预报是指以河槽洪水波运动理论为基础，由河道上游断面的水位、流 量过程预报下游断面的水位和流量过程。
三、施工洪水预报
2、分期围堰明渠截流期水位、流量预报
（1）龙口上、下游水位和流速极限预报 龙口过水断面的水流要素一般都按水力学中的宽顶堰计算，并分为自由出流
和淹没出流两种情况。相关计算公式可参阅水力学有关书籍。 （2）初蓄期的水库水位与出流量预报 围堰合龙后，工程进入初蓄期，边施工边蓄水，坝前蓄水陡增，水位上升。

5.2地表水环境影响预测与评价
二、水环境现状调查与监测
2. 调查时间
1）根据当地水文资料初步确定河流、湖泊、水库的丰水期、平水 期、枯水期，同时确定最能代表这三个时期的季节或月份。遇 气候异常年份，要根据流量实际变化情况确定。对有水库调节 的河流，要注意水库放水或不放水时的水量变化。
2）评价等级不同，对调查时期的要求亦有所不同。 3）当被调查的范围内面源污染严重，丰水期水质劣于枯水期时，
5 水环境影响预测与评价
本章主要内容
水体概述 地表水环境影响预测与评价 地下水环境影响预测与评价
5 水环境影响预测与评价
学习要求
了解水体的相关知识及影响水体污染的主要水文 因素； 掌握水环境影响评价等级确定的原则、方法； 掌握水质预测模型及模型有关参数的估算方法； 掌握建设项目对水环境影响的预测及评价。
概念
水体污染是指一定量的污水、废水、各种废弃物等污染物质进 入水域，超出了水体的自净和纳污能力，从而导致水体及其底泥的 物理、化学性质和生物群落组成发生不良变化，破坏了水中固有的 生态系统和水体的功能，从而降低水体使用价值的现象。
水污染源和污染物
凡是对水环境质量可以造成有害影响的物质和能量输入的来源， 统称水污染源；输入的物质和能量，称为污染物或污染因子。水污 染源分类见下表。
地表水环境影响评价工作等级划分的分级方法见下表
5.2地表水环境影响预测与评价
例题：
某地拟新建一纺织印染厂，建成后其废水 排放量为3800m3/d,废水中的主要污染物为色 度、SS、COD、BOD5、硫化物、苯胺类等。 其废水经处理达标后排入项目附近的大新河， 大新河平均流量为19m3/s.根据当地水环境功能 区划，大新河流经项目附近河段执行GB38382002Ⅲ类水标准（非划定保护区）。请划分该 项目地表水环境影响评价工作等级。

湖泊富营养化
湖泊的富营养化是由磷、氮的化合物过多排放引起的 污染。主要表现为水体中藻类的大量繁殖，严重影响 了水质。
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湖泊水质污染预测模型对于预测湖泊水质 发展趋势及提出相应的防治对策有着重要 的意义。 目前常采用的有多元相关模型、输入输出 模型、富营养化预测模型和扩散模型。前 三种模型实际上只能预测未来湖泊水质的 平均发展趋势，而扩散模型可以反映湖泊 水质的空间变化，预测污水入湖口附近局 部水域可能出现的严重污染程度。实际应 用时可根据湖泊的污染特征和基础资料等 情况选用相应模型。
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为了求得在均匀混合条件下，V稳定时上述方 程的解，Vollenweider，Dillon，合田健和经济 合作与发展组织（OECD）还分别求得以下湖 水总磷质量浓度的计算公式。
1.Vollenweider公式 ρ=ρ1（1＋√ Z／Q）-1 式中：ρ——湖水按容积加权的年平均总磷质量浓度，mg/L； ρ1——流入湖泊水量按流量加权的年平均总磷质量浓 度（包括入湖河道，湖区径流和湖面降水的总 量），mg/L； Z——湖泊的平均水深，可用湖泊容积（V）除以湖泊 相应的表面积求得，m； Q——湖泊单位面积上的水量负荷，可用湖泊的年流 入水量（qm）除以湖泊的表面积（A）来求得， t/（m2· a）。
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S-P模型基本方程及其解
dL k1 L dt dD k1 L k 2 D dt
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衰减(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；
3.合田健公式 L ρ= ——————-----Z（qV/V+α)

❖一个化合 物与水作用
通常产生较
小的、简单 的有机产物
涉及减少或增 加电子在内的 有机污染物以 及金属的反响 都强烈地影响 环境参数
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生物累积过程
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生物浓缩作用：通 过可能的手段如通 过鱼鳃的吸附作用， 将有机污染物摄取 至生物体
第十三页，共18页。
生物放大作用：高 营养级生物以消耗 摄取有机毒物进入 生物体的低营养级 生物为食物，使生 物体中有毒物的浓 度随营养级的提高 而逐步增大
❖ 其次，模型中既要有化合物固有性质的参数，又要有表征环境特征的参数， 这样似乎应为二级反响式。但如果一但环境定下来了，那么速率的方程就又 变成准一级反响式了。为此假定有机物的存在不改变环境参数，例如不会改 变水体的pH值、对光(duì guāng)的吸附系数和细菌总数等。由于污染物在 水环境中的浓度很低，这个假定也是符合实际情况的
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负载过程(guò ché ng)〔输入过程(guò ché ng)〕 污水排放速率、大气沉降以及地表径流引入有机毒物至天然水体均将直 接影响污染物在水中的浓度
形态过程：
酸碱平衡：天然水 中pH值决定着有 机酸或碱以中性态 或离子态存在的分 数，因而影响挥发 及其他作用
RT=∑Ri=c∑(Ki·Ei) 式中：Ki—第i过程的速率(sùlǜ)常数； Ei—对于第i过程在动力学上起重要租用的环境参数〔例如，水体pH值、光强、细菌总数 等〕；
c—化合物的浓度 环境参数在一定的环境地区和时间内就保持不变，这样Ki〔Ei) 就可以用准一级反响速率 (sùlǜ)常数表示
RT=c∑ki
❖
V—湖泊容积，m3

的洪水未到来之前，先打开泄洪闸门腾空一部分库容，以
便洪水来临时能蓄存更多的水量；当洪水即将结束时，预 知近期没有很大的洪水入库，则可超蓄洪水尾部的一些水 量，用于多发电、多灌溉，使现有工程发挥更多的效益。
华南理工大学水利水电工程系黄国如
5.1.2
水文预报的分类
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1、按预报的项目，水文预报可分为
径流预报：预报的要素主要是水位和流量，水位预报指的是预报
5.2.1 河段中的洪水波运动
1、洪水波
流域上大量降水产生的净雨沿坡地迅速汇集，注入河槽， 由于降雨量
时空分布不均匀、河网干支流和分布形状的不同，以及水流汇集速度
的快慢，河道接纳的水量沿程不同，使河道沿程水面发生高低起伏的 一种波动，称为洪水波。
2、附加比降
附加比降是洪水波的主要特征之一。附加比降i是指洪水波水面比降i 与同水位稳定流水面比降i0之差，即i= i-i0 。
当涨洪时，i>0，
落洪时，i<0 稳定流时， i=0
华南理工大学水利水电工程系黄国如
3、河段洪水波的传播与变形
由于河槽的调蓄作用，洪水波向下游传播过程中，不断发生变形， 在沿棱柱形河槽运动中其变形有两种形态：
洪水波展开：洪水波在传播过程中，波长不断加大，波高不断减小的
现象称为洪水波的展开，即A2C2>A1C1，h2< h1。 洪水波扭曲：洪水波在传播过程中，波前水量不断向波后转移的现象
施工水文预报：在工程施工期间要进行的特殊预报项目。
华南理工大学水利水电工程系黄国如
5.1.3
（1）制定预报方案
水文预报工作的基本程序
分析预报要素的形成规律，建立由过去的

水环境预测模型种类
水环境预测模型种类
1、按来水和排污随时间变化情况：
动态上游来水活污水排放的水质水量随时间变化显著情况下
稳态（其他情况选用稳态模式）；
准稳态
2、按水质分布状况：
零维（只考虑时间）水质分布均匀的水域进行水质影响预测；
一维（考虑时间、水流）
二维（考虑时间、水流、横向）在水质混合区进行水质影响预测；
三维（考虑时间、水流、横向、垂向）
3、按模拟预测的水质组分：
单一组分：可模拟的污染物包括持久性污染物、非持久性污染物和废热；
多组分耦合模式：模拟的水质因子彼此间存在一定的关联（如S-P模式）；
4、按水质数学模式求解方法和方程形式：
解析解：矩形河流、水深变化不大的湖（库）及海湾，对于连续恒定
点源排污，二维以下采用；
数值解：三维或非连续恒定点源排污（瞬时、有限时段排放）；
稳态数值解：非矩形河流、水深变化较大的湖（库）和海湾水域连续恒定点源排污；
动态数值解：各类恒定水域中的非连续恒定排放或非恒定水域中的个二类污染源排放；
5、按污染物类型：持久性污染物扩散模型；
非持久性污染物扩散模型；
6、按地表水体类型：河流水质预测模型；
湖泊（水库）水质预测模型；
河口水质预测模型；海湾水质预测模型等；。