水體中污染物濃度分布模型

1、污染物濃度分布模型水質(zhì)模型是一個用于描述物質(zhì)在水中混合、遷移等變化過程的數(shù)學(xué)方程,即描述水體中污染物與時間、空間的定量關(guān)系.水質(zhì)模型根據(jù)水域類型、水質(zhì)組分、水力學(xué)以及排放條件等不同因素劃分具有不同的分類.當污染物排放入水體中后,會經(jīng)歷一個混合的過程,直至完全混合均勻,如圖1所示.污水完全注入點混率點背景段I混合段I均勻混合段L-既是污水注入點又是完全混合點瞬間完全混合背景段I均勻混合段污水注入點無完全混合點背景段I混合段圖1污染物排放入水體中混合示意圖在環(huán)境介質(zhì)中處于穩(wěn)定流動狀態(tài)和污染源穩(wěn)定排放的條件下,環(huán)境中的污染物分布狀況也是穩(wěn)定的.這時,污染物在某一空間位置的濃度不隨時間變化,這種不隨時

2、間變化的狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài).基于水質(zhì)運移、擴散、物質(zhì)降解等根底理論,產(chǎn)生了眾多穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的水質(zhì)模型.下面將介紹四種主要的水質(zhì)模型以及各自的適用范圍：1 .完全混合模型完全混合模型適合無支流和其他排污口進入的河流,下游某點廢水和和河水中的持久性污染物在整個斷面上到達了均勻混合.在最早出現(xiàn)的水質(zhì)完全混合斷面有：C-ChQhCPQPQeQp式中：Qh-河水流量,m3/s；Ch-河水背景段的污染物濃度,mg/LCp-廢水中污染物的濃度,mg/LQp-廢水的流量,m3/sC-完全混合的水質(zhì)濃度,mg/L2 .零維模型零維是一種理想狀態(tài),把所研究的水體如一條河流或一個水庫看成一個完整的體系,當污染物進入這個體系

3、后,立即均勻的分散到這個體系中,污染物的濃度不會隨時間的變化而變化.對于較淺、較窄的河流,如果不考慮污染物的降解時,當滿足以下兩個條件之一時的環(huán)境問題可化為零維模型：(1)河水流量與污水流量之比大于20;(2)不需要考慮污水進入水體的混合距離.此時,有：C0C0C1kt1k(X)86400u式中：C-流出河段的污染物濃度,mg/LCo-完全混合模型計算出的濃度值,mg/Lx-河段長度,mk-污染物的衰減速率常數(shù)1/du-河水的流速,m/st-兩個斷面之間的流動時間3 .一維模型一維模型適用的假設(shè)條件是橫向和垂直方向混合相當快,認為斷面中的污染物的濃度是均勻的,或者是根據(jù)水質(zhì)治理的精確度要求不考

4、慮混合過程而假設(shè)在排污口斷面瞬時完成充分混合.一維模型適用于符合一維動力學(xué)降解規(guī)律的一般污染物,如氟、酚、有機毒物、重金屬、BOD、COD等單項指標的污染物.其中估算混合過程長度十分重要,如果河段長度大于以下計算結(jié)果時,可以用一維模型進行模擬：,(0.4B-0.6a)uBL二(0.058H0.0065B).gHI式中,L-混合過程的長度B-河流寬度A-排放口距岸邊的距離u-河流斷面平均流速H-平均水深g-重力加速度,9.81m/s2I-河流坡度如果考慮彌散作用,一維穩(wěn)態(tài)模型的表達式為:d4kiDm=1+286400uu.C=C0exp元1-mx式中：C-下游某一點的污染物濃度,mg/LC0-完

5、全混合斷面的污染物濃度,mg/Lu-河水的流速D-x方向上的擴散系數(shù),m2/sk1-污染物降解的速率常數(shù)(1/d)x-下游某一點到排放點的距離,m如不考慮彌散作用,那么有：xC=C0exp(k1)86400u式中：C-下游某一點的污染物濃度,mg/LC0-完全混合斷面的污染物濃度,mg/Lu-河水的流速,m/sk1-污染物降解的速率常數(shù)(1/d)x-下游某一點到排放點的距離,m4 .二維模型在利用數(shù)學(xué)模式預(yù)測河流水質(zhì)時,充分混合段可以采用一維模式或零維模式預(yù)測斷面平均水質(zhì)；混合過程段需采用二維模式進行預(yù)測.混合過程段位于完全混合段之前,完全混合段是指污染物濃度在斷面上均勻分布的河段,當斷面上任

6、意一點的濃度與斷面平均濃度之差小于平均濃度的5%時,可以認為到達均勻分布.污水進入水體后,不能在短距離內(nèi)到達全斷面濃度混合均勻的河流均應(yīng)采用二維模型.在實際應(yīng)用中,水面平均寬度超過200m的河流均應(yīng)采用二維模型.二維模型包括二維穩(wěn)態(tài)模型以及二維衰減模型利用二維混合模型那么有：/、xCpQpuuy2一u(2B-y)2lc(x,y尸Ch+,<exp+expHjnMyxu工I4MyxJ_4MyxJj式中：x-預(yù)測點離排放點的距離,my-預(yù)測點離排放點的距離,mmg/Lc-預(yù)測點x,y處污染物的濃度,mg/Lcp-污水中污染物的濃度,mg/LQp-污水流量,m3/sch-河流上游污染物的濃度本底

7、濃度,H-河流平均水深,mMy-河流橫向混合彌散系數(shù),m2/Su-河流流速,m/sB-河流平均寬度,m冗-圓周率.一u(2B-y)exp-2uy4MyX,利用二維衰減模型那么有：,、xCpQp4Myxj|cx,y=expIKiCh：exp-86400UH二Myxu式中,x-預(yù)測點離排放點的距離,my-預(yù)測點離排放點的距離,mc-預(yù)測點x,y處污染物的濃度,mg/Lcp-污水中污染物的濃度,mg/LQp-污水流量,m3/sch-河流上游污染物的濃度本底濃度,mg/LH-河流平均水深,mMy-河流橫向混合彌散系數(shù),m2/Su-河流流速,m/sB-河流平均寬度,m冗-圓周率.5.計算機模型軟件近年來

8、,隨著計算機的開展,相繼開發(fā)了越來越多的模擬軟件,廣泛應(yīng)用在河流或流域的點源和非點源污染的研究上,以便對污染物在水體中的變化規(guī)律和變化趨勢給出全面清楚的模擬結(jié)果.5.1 主要的點源模型計算天然水體流動狀態(tài)下污染物重金屬和有機物的擴散遷移及濃度分布的計算機模型相當多.例如,WASP4、DYNTOX、SARAH-2、EXAMS-II、RIVER、PRZM、RIMOD、QUAL2E.其中WASP4和EXAMS-II等模型還能模擬水體和沉積物之間的相互作用,包括再懸浮、沉淀和擴散等過程.下面重點介紹一下WASP模型.WASP(TheWaterQualityAnalysisSimulationProgr

9、am)是美國環(huán)保局Athens實驗室開發(fā)的一種水質(zhì)分析模擬程序.它采用可變水質(zhì)組分模型研究方法,可進行一維、二維和三維水質(zhì)分析模擬,同時采用開放式設(shè)計,用戶可隨意寫入附加程序使之適應(yīng)于特殊條件.WASP4是WASP的第4版,它有兩個獨立的計算機程序DYNHYD6和WASP4組成,兩個程序可以連接運行,也可以分開執(zhí)行.DYNHYD6是一個簡單的“Link-mode網(wǎng)絡(luò)水力動態(tài)模型,可以處理變化潮汐周期、風力和不穩(wěn)定流動的水力動態(tài)學(xué),產(chǎn)生一個輸出文件,可以為WASP4提供流量和體積參數(shù).WASP4是水質(zhì)分析模擬程序,是一個動態(tài)模型模擬體系,它基于質(zhì)量守恒原理,將研究的水質(zhì)組分在水體中以某種形式存在

10、.WASP4在時空上追蹤某種水質(zhì)組分的變化.它由兩個子程序組成,有毒化學(xué)物模型TOXI4(TheToxicChemicalModel)和富營養(yǎng)化模型EUTRO4(EutrophicationModel),分別模擬兩類典型的水質(zhì)問題：(1)傳統(tǒng)污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律(DO,BOD和富營養(yǎng)化)；(2)有毒物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律(有機化學(xué)物、金屬、沉積物等).TOXI4是有機化合物和重金屬在各類水體中遷移積累的動態(tài)模型,采用了EXAMS的動力學(xué)結(jié)構(gòu),結(jié)合WASP遷移結(jié)構(gòu)和簡單的沉積平衡機理它可以預(yù)測溶解態(tài)和吸附態(tài)化學(xué)物質(zhì)在河流中的變化情況.EUTRO4采用了POTOMAC富營養(yǎng)化的模型的動力學(xué),結(jié)合WASP

11、遷移結(jié)構(gòu),該模型可預(yù)測DO、COD、BOD、富營養(yǎng)化、碳、葉綠素a、氨、硝酸鹽、有機氮、正磷酸鹽等物質(zhì)在河流中的變化情況.5.2主要的非點源模型美國農(nóng)業(yè)部Knisel于1980年提出了CREAMS(Chemical,RunoffandErosionfromAgriculturalManagementSystems淞型,美國Purdue大學(xué)農(nóng)業(yè)工程系的BeasleyandHuggin于1981年提出了ANSWERS(ArealNonpointSourceWatershedEnvironmentResponseSimulation型.Willianms等人于1985年提出了SWRRB模型(Simu

12、latorforWaterResourcesinRuralBasins).Johanson于1981年提出了HSPF水文模型(HydrologicalSimulationProgram-FORTRAN),該模型能模擬流域任一點上徑流量、沉積物負荷和營養(yǎng)鹽濃度等隨時間的變化.1986年美國農(nóng)業(yè)部提出了AGNPS(AgriculturalNonpointSourcePollutionModel)模型,該模型能模擬來自農(nóng)業(yè)水體的營養(yǎng)物質(zhì)和沉積物負荷等等以HSPF模型為例,它具有十分全面的功能,文獻結(jié)果與實際測量值符合的很好.5.3 多介質(zhì)環(huán)境數(shù)學(xué)模型排放到環(huán)境中的污染物會在多介質(zhì)中進行遷移、擴散.80年代以來,隨著人們對跨介質(zhì)環(huán)境問題熟悉的不斷深化,開始提出了多介質(zhì)環(huán)境數(shù)學(xué)模型,并得到了廣泛的開展.1979年Mackay將逸度的概念引入多介質(zhì)環(huán)境數(shù)學(xué)模型,提出了逸度模型(Fugacitymodel),并開展了模型計算機軟件,該模型已廣泛用來模擬有毒化學(xué)物質(zhì)在環(huán)境各相中的分布與遷移.如1983年Mackay等人用逸度模型對湖泊中的化學(xué)品在水、大氣、沉積物中的歸宿