水体中污染物浓度分布模型.docx

污染物浓度分布模型
水质模型是一个用于描述物质在水中混合、迁移等变化过程的数学方程，即描述水体中污染物与时间、空间的定量关系。水质模型按照水域类型、水质组分、水力学以及排放条件等不同因素划分具有不同的分类。当污染物排放入水体中后，会经历一个混合的过程，直至完全混合均匀，如图1所示。

图1污染物排放入水体中混合示意图
在环境介质中处于稳定流动状态和污染源稳定排放的条件下，环境中的污染物分布状况也是稳定的。这时，污染物在某一空间位置的浓度不随时间变化，这种不随时间变化的状态称为稳态。基于水质运移、扩散、物质降解等基础理论，产生了众多稳态环境下的水质模型。下面将介绍四种主要的水质模型以及各自的适用范围：
1.完全混合模型
完全混合模型适合无支流和其他排污口进入的河流，下游某点废水和和河水中的持久性污染物在整个断面上达到了均匀混合。在最早出现的水质完全混合断面有：

式中：Qh-河水流量，m3/s；
Ch-河水背景段的污染物浓度，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

2.零维模型
零维是一种理想状态，把所研究的水体如一条河流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，立即均匀的分散到这个体系中，污染物的浓度不会随时间的变化而变化。
对于较浅、较窄的河流，如果不考虑污染物的降解时，当满足下列两个条件之一时的环境问题可化为零维模型：(1)河水流量与污水流量之比大于20；(2)不需要考虑污水进入水体的混合距离。此时，有：

式中：C-流出河段的污染物浓度，mg/L
C0-完全混合模型计算出的浓度值，mg/L
x-河段长度，m
k-污染物的衰减速率常数1/d
u-河水的流速，m/s
t-两个断面之间的流动时间

3.一维模型
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不考虑混合过程而假设在排污口断面瞬时完成充分混合。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。其中估算混合过程长度十分重要，如果河段长度大于下列计算结果时，可以用一维模型进行模拟：

式中，L-混合过程的长度
B-河流宽度
A-排放口距岸边的距离
u-河流断面平均流速
H-平均水深
g-重力加速度，9.81m/s2
I-河流坡度
如果考虑弥散作用，一维稳态模型的表达式为：

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
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
如不考虑弥散作用，则有：

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
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

4.二维模型
在利用数学模式预测河流水质时，充分混合段可以采用一维模式或零维模式预测断面平均水质；混合过程段需采用二维模式进行预测。混合过程段位于完全混合段之前，完全混合段是指污染物浓度在断面上均匀分布的河段，当断面上任意一点的浓度与断面平均浓度之差小于平均浓度的5%时，可以认为达到均匀分布。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。在实际应用中，水面平均宽度超过200m的河流均应采用二维模型。二维模型包括二维稳态模型以及二维衰减模型
利用二维混合模型则有：

式中：x-预测点离排放点的距离，m
y-预测点离排放点的距离，m
c-预测点(x，y)处污染物的浓度，mg/L
cp-污水中污染物的浓度，mg/L
Qp-污水流量，m3/s
ch-河流上游污染物的浓度(本底浓度)，mg/L
H-河流平均水深，m
My-河流横向混合(弥散)系数，m2/S
u-河流流速，m/s
B-河流平均宽度，m
π-圆周率。
利用二维衰减模型则有：

式中，x-预测点离排放点的距离，m
y-预测点离排放点的距离，m
c-预测点(x，y)处污染物的浓度，mg/L
cp-污水中污染物的浓度，mg/L
Qp-污水流量，m3/s
ch-河流上游污染物的浓度(本底浓度)，mg/L
H-河流平均水深，m
My-河流横向混合(弥散)系数，m2/S
u-河流流速，m/s
B-河流平均宽度，m
π-圆周率。
5.计算机模型软件
近年来，随着计算机的发展，相继开发了越来越多的模拟软件，广泛应用在河流或流域的点源和非点源污染的研究上，以便对污染物在水体中的变化规律和变化趋势给出全面清晰的模拟结果。
5.1主要的点源模型
计算天然水体流动状态下污染物(重金属和有机物)的扩散迁移及浓度分布的计算