1、水質模型與水環(huán)境容量課程輔導第四章水質模型與水環(huán)境容量1、污染物質在水中有哪些運動形式?污染物質在水中運動的形式，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）。而擴散運動則是使污染物質在水體中得到分散和混和的物理機制，按物理機制的不同，擴 散運動包括分子擴散、紊動擴散和剪切流離散。此外，在工程實際當中遇到的 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 產生重要影響，不可忽略。2、

2、分子擴散運動的費克定律有哪些主要內容？（1）費克（fick ）第一定律費克（fick ）第一定律提出單位時間內，通過單位面積的溶解物質與溶 質濃度在該面積法線方向的梯度成比例，擴散強度與污染物自身特性有關。Qx Dm：Xx1式中：Qx為在x方向單位時間通過單位面積的擴散物質的質量簡稱通量；C為擴散物質的濃度（單位體積流體中的擴散物質的質量）；三為擴散物質在exX方向的濃度梯度；Dm為分子擴散系數，與擴散物的種類和流體溫度有關， 具有L2/T的量綱。式中的負號表示擴散物質的擴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散方程， 是

3、費克第二定律的特殊形 式。3、移流擴散可分為哪些階段？ 從運動階段上考察，移流擴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。 第二階段為污染擴展階段。 該階段中， 污染物在過水斷面上， 由于存在濃 度梯度，污染由垂向均勻化向過水斷面均勻化發(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， 出現了沿縱 向的移流擴散， 該擴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、如何求解水質模型？水質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

4、為低維、低階、線性的形式，可以用數理方程 中的標準方法進行求解，包括量綱分析方法、變量替換法、鏡像法等。（2）數值解法（數值模擬方法）差分法、有限元方法、有限體積法等。數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，可在短時間內測試各種 可能方案等。而且由于當前計算機技術的高度發(fā)展，數值模擬方法有著更加 廣闊的前景和應用范圍。（3）物理模型 這是傳統的解決流體力學問題的方法，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散現象，測量所關心的污染物濃度分 布。物理模型方法比較直觀，而且對于一些未能建立數學方程的復雜問題， 只要抓住支配擴散的主要因素，即可

5、得到較為符合實際的結果。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驗材料， 因此可能花費較多的經費。（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行觀測。由于該方法較 之前面幾種方法缺乏預測性， 因此， 一般用來確定解析方法或者數值模擬方法 中需要的擴散系數等參數， 或用于驗證物理模型和數學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， 就是將邊界當成虛擬的鏡面， 在邊界的另一側放置一個虛擬的污 染源，其強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化為兩個污染源

6、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、試述水質模型的定義、研究目的及分類？ 水質模型是一個用于描述污染物質在水環(huán)境中的混合、 遷移過程的數學 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 于復雜情況，則可能采取數值解法。因此水質模型解的精度及可靠性不會超 過其方程本身。進行水質模型研究的主要目的， 在現階段主要是用于點源排放的納污問 題。隨著社會的發(fā)展和水處理技術的進步，點源污染的影響相對變得越來越 小，而非點源污染，例如農業(yè)和城市污染變得越來越重要，水質模型也向預 測非點源污染

7、問題發(fā)展。根據具體用途和性質，水質模型的分類標準如下： （1）以管理和規(guī)劃為目的，水質模型可分為四類，即河流水質模型、 河口水質模型 （加入了潮汐作用） 、湖泊 （水庫）水質模型以及地下水水質模 型。其中河流水質模型研究比較成熟，有較多成果，且能更加真實的反映實 際水質行為，因此應用比較普遍。（2）根據水質組分，水質模型可以分為單一組分、耦合的和多重組分 的三類。其中 BOD DO 耦合模型能夠較成功地描述受有機污染地水質變化 情況。多組分水質模型比較復雜，它考慮地水質因素更多，例如水生生態(tài)模 型等。（3）根據水體的水力學和排放條件是否隨時間變化，可以把水質模型 分為穩(wěn)態(tài)模型的和非穩(wěn)態(tài)的模型。

8、對于這兩類模型，其研究的主要任務是模 型的邊界條件，即在何種條件下水質能夠盡可能處于較好狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)水質模 型可以用于模擬水質的物理、化學和水力學過程；而非穩(wěn)態(tài)模型則用于計算 徑流、暴雨過程中水質的瞬時變化。（4）根據研究水質維度，可把水質模型分為零維、一維、二維、三維水 質模型。其中零維水質模型較為粗略，僅為對于流量的加權平均，因此常常 用作其他維度模型的初始值和估算值，而三維水質模型雖然能夠精確反映水 質變化，但是受到紊流理論研究的局限，還在繼續(xù)理論研究當中。一維和二 維模型則可根據研究區(qū)域的情況適當選擇， 并可以滿足一般應用要求的精度。7、試述水質模型建模的一般步驟？（1）模型概化 針對所

9、研究污染的性質選擇關心的變量，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）模型性質研究 對模型的穩(wěn)定性、平衡性以及靈敏性進行研究。其中穩(wěn)定性是指模型 是否能夠收斂，而靈敏性是指當模型中參數變化時，其結果產生的差別是否 在允許范圍之內。（ 3）參數估計 對于模型中的一些需要通過實驗或者實測數據進行確定的參數，要考慮這些實測資料能否全面、正確反映參數值，以及這些實測數據是否齊全， 是否容易得到，對于無法通過實測數據反算的參數，需要重新設立參數，或 者尋找其間接依賴關系。參數估計是水質模型中重要的一環(huán)。（4）模型驗證 若只用一套數據確定模

10、型，則該模型不能具有預測功能，因此，需要 用另一套或者幾套實測數據來驗證所建模型。如果檢驗結果具有良好的一致 性，則該模型具有預測功能，否則需要重新返回到第三步，調整參數。（ 5）模型應用 如果所建模型后來被實際數據證明是正確的，則說明水質模型的方法 是正確的，可以更高的概率用于污染預測。反之，需要修改模型，以便解決 問題。8、試述水質預測的方法？預測水質變化的方法，一般有三種：根據經驗進行的專家判斷法； 從已興建的類似工程進行類比法；模擬方法。在初評中多使用前兩種方法， 其結果都是定性結論， 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

11、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 標來描述的，或尚沒有滿意的定量預測方法，所以也只能給出定性結論。因 此在水質預測中對定性分析法應給預足夠重視，片面追求定量結果有時是不 必要或不可能的。前兩種方法將在環(huán)境影響評價中預以評述。水質的定量預測目前多采用水質模擬 （數學模擬或物理模擬 ） ，最常用的 是采用數學模擬即水質數學模型進行預測，在進行預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)境負荷量。水環(huán)境容量則 是特指

12、在滿足水環(huán)境質量標準的要求下，水體容納污染物的最大負荷量，因 此又稱做水體負荷量或納污能力。水環(huán)境容量是建立在水質目標和水體稀釋自凈規(guī)律的基礎上，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、 排放數量及排放方式等多種因素有關。從水體稀釋、 自凈的物理實質看， 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)境標準

13、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荷量。 年（日）容量受時間限制， 并且和水體的本底值、水質標準及凈化能力有關。實用上則根據具體情況， 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： 對排污進行控制， 利用水體自凈能力進行環(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 （ 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污雜物影響的 水環(huán)境容量，即確定這些污染物的排放標準。此方法從河段水環(huán)境質量標準出發(fā)，

14、根據河段水量與混合物的質量守恒原理，推求河段內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, 側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，則應有：Cn Q q AC°Q Cdq那么：Cd =1 qCN Q q C°Q |-Cn - CN _C° Q =Cn 1 Q -Q Co qq qCN若取Cn為符合環(huán)境要求的水質標準 （濃度），并令Q/q = y , Co/Cn= 3 ,符合水環(huán)境要求的允許排放濃度即為：Cd =CN 1再令m= 1+丫 - 丫 3 標準稀

15、釋系數，則：Cd二mCN上式只適用于3 w 1的情況，表面看這似乎只是對排放濃度的控制，而 實質上對污水排放流量的控制已隱含在確定m值過程中，即由清污水流量比丫來控制q Ji-1對河段中有多個排污口相距又不太遠時，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q= q1+q2+qn；而各排污口排放濃度控制都用相同的Cd逬m值計算法沒有直接考慮衰減作用，但從Cd =CN CN -C° Q/q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Cd超過C n的值是通過控制排污流量q農實衛(wèi)鬥o當q= Q Cd= 2CN-C°當qQ時，Cd

16、= Cn,即排污標準必須達到水質控制標準：Vp=Cd q t=86.4 Cd - q，式中：Cd mg/l , q m/s , W kg/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。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、庫負荷量等于該水體最大容許負荷量時的湖、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)境質量標 準的污染物排放總量進行計算。取枯水期湖泊容積等于安全容積，則其計算 公式為:1JW Cn -Co VKCnV CNqLt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變化情況。若水位年內 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)境質量標準濃度（mg/l）;G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湖泊污染物質自然衰減系數（1/