1、污染物濃度分布模型水質(zhì)模型是一個(gè)用于描述物質(zhì)在水中混合、遷移等變化過(guò)程的數(shù)學(xué)方程，即描述水體中污染物與時(shí)間、空間的定量關(guān)系。水質(zhì)模型按照水域類型、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(dāng)污染物排放入水體中后，會(huì)經(jīng)歷一個(gè)混合的過(guò)程，直至完全混合均勻，如圖1所示。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(dòng)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(shí)，污染物在某一空間位置的濃度不隨時(shí)間變化，這種不隨時(shí)間變化的狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)。基于水質(zhì)運(yùn)移、擴(kuò)散、物質(zhì)降解等基礎(chǔ)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：

2、1.完全混合模型完全混合模型適合無(wú)支流和其他排污口進(jìn)入的河流，下游某點(diǎn)廢水和和河水中的持久性污染物在整個(gè)斷面上達(dá)到了均勻混合。在最早出現(xiàn)的水質(zhì)完全混合斷面有： 式中：Qh-河水流量，m3/s； Ch-河水背景段的污染物濃度，mg/L CP-廢水中污染物的濃度，mg/L QP-廢水的流量，m3/s C-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(gè)水庫(kù)看成一個(gè)完整的體系，當(dāng)污染物進(jìn)入這個(gè)體系后，立即均勻的分散到這個(gè)體系中，污染物的濃度不會(huì)隨時(shí)間的變化而變化。對(duì)于較淺、較窄的河流，如果不考慮污染物的降解時(shí)，當(dāng)滿足下列兩個(gè)條件之一時(shí)的環(huán)境問(wèn)題可化為零維模型

3、：(1)河水流量與污水流量之比大于20；(2)不需要考慮污水進(jìn)入水體的混合距離。此時(shí)，有： 式中：C-流出河段的污染物濃度，mg/L C0-完全混合模型計(jì)算出的濃度值，mg/L x-河段長(zhǎng)度，m k-污染物的衰減速率常數(shù) 1/d u-河水的流速，m/s t-兩個(gè)斷面之間的流動(dòng)時(shí)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(dāng)快，認(rèn)為斷面中的污染物的濃度是均勻的，或者是根據(jù)水質(zhì)管理的精確度要求不考慮混合過(guò)程而假設(shè)在排污口斷面瞬時(shí)完成充分混合。一維模型適用于符合一維動(dòng)力學(xué)降解規(guī)律的一般污染物，如氰、酚、有機(jī)毒物、重金屬、BOD、COD等單項(xiàng)指標(biāo)的污染物。其中估算混合過(guò)程長(zhǎng)度十分重要，如

4、果河段長(zhǎng)度大于下列計(jì)算結(jié)果時(shí)，可以用一維模型進(jìn)行模擬： 式中，L-混合過(guò)程的長(zhǎng)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/s2 I-河流坡度如果考慮彌散作用，一維穩(wěn)態(tài)模型的表達(dá)式為： 式中：C-下游某一點(diǎn)的污染物濃度，mg/L C0-完全混合斷面的污染物濃度，mg/L u-河水的流速 D-x方向上的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s k1-污染物降解的速率常數(shù)(1/d) x-下游某一點(diǎn)到排放點(diǎn)的距離，m如不考慮彌散作用，則有： 式中：C-下游某一點(diǎn)的污染物濃度，mg/L C0-完全混合斷面的污染物濃度，mg/L u-河水的流速，m/s k1-污染物

5、降解的速率常數(shù)(1/d) x-下游某一點(diǎn)到排放點(diǎn)的距離，m4.二維模型在利用數(shù)學(xué)模式預(yù)測(cè)河流水質(zhì)時(shí)，充分混合段可以采用一維模式或零維模式預(yù)測(cè)斷面平均水質(zhì)；混合過(guò)程段需采用二維模式進(jìn)行預(yù)測(cè)。混合過(guò)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(dāng)斷面上任意一點(diǎn)的濃度與斷面平均濃度之差小于平均濃度的5%時(shí)，可以認(rèn)為達(dá)到均勻分布。污水進(jìn)入水體后，不能在短距離內(nèi)達(dá)到全斷面濃度混合均勻的河流均應(yīng)采用二維模型。在實(shí)際應(yīng)用中，水面平均寬度超過(guò)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則有： 式中：x-預(yù)測(cè)點(diǎn)離排放點(diǎn)的距離，m y-預(yù)測(cè)點(diǎn)離

6、排放點(diǎn)的距離，m c-預(yù)測(cè)點(diǎn)(x，y)處污染物的濃度，mg/L cp-污水中污染物的濃度，mg/L Qp-污水流量，m3/s ch-河流上游污染物的濃度(本底濃度)，mg/L H-河流平均水深，m My-河流橫向混合(彌散)系數(shù)，m2/S u-河流流速，m/s B-河流平均寬度，m -圓周率。利用二維衰減模型則有： 式中，x-預(yù)測(cè)點(diǎn)離排放點(diǎn)的距離，m y-預(yù)測(cè)點(diǎn)離排放點(diǎn)的距離，m c-預(yù)測(cè)點(diǎn)(x，y)處污染物的濃度，mg/L cp-污水中污染物的濃度，mg/L Qp-污水流量，m3/s ch-河流上游污染物的濃度(本底濃度)，mg/L H-河流平均水深，m My-河流橫向混合(彌散)系數(shù)，m2

7、/S u-河流流速，m/s B-河流平均寬度，m -圓周率。5.計(jì)算機(jī)模型軟件近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，相繼開(kāi)發(fā)了越來(lái)越多的模擬軟件，廣泛應(yīng)用在河流或流域的點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染的研究上，以便對(duì)污染物在水體中的變化規(guī)律和變化趨勢(shì)給出全面清晰的模擬結(jié)果。5.1 主要的點(diǎn)源模型計(jì)算天然水體流動(dòng)狀態(tài)下污染物(重金屬和有機(jī)物)的擴(kuò)散遷移及濃度分布的計(jì)算機(jī)模型相當(dāng)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(kuò)散等過(guò)程。下面重點(diǎn)介紹一下WASP模型

8、。WASP(The Water Quality Analysis Simulation Program)是美國(guó)環(huán)保局Athens實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(jìn)行一維、二維和三維水質(zhì)分析模擬，同時(shí)采用開(kāi)放式設(shè)計(jì)，用戶可隨意寫(xiě)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(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)程序DYNHYD6和WASP4組成，兩個(gè)程序可以連接運(yùn)行，也可以分開(kāi)執(zhí)行。DYNHYD6是一個(gè)簡(jiǎn)單的“Link-mode”網(wǎng)絡(luò)水力動(dòng)態(tài)模型，可以處理變化潮汐周期、風(fēng)力和不穩(wěn)定流動(dòng)的水力動(dòng)態(tài)學(xué)，產(chǎn)生一個(gè)輸出文件，可以為WASP4提供流量和體積參數(shù)。WASP4是

9、水質(zhì)分析模擬程序，是一個(gè)動(dòng)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。WASP4在時(shí)空上追蹤某種水質(zhì)組分的變化。它由兩個(gè)子程序組成，有毒化學(xué)物模型TOXI4(The Toxic Chemical Model)和富營(yíng)養(yǎng)化模型EUTRO4(Eutrophication Model)，分別模擬兩類典型的水質(zhì)問(wèn)題：(1)傳統(tǒng)污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律(DO,BOD和富營(yíng)養(yǎng)化)；（2）有毒物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律(有機(jī)化學(xué)物、金屬、沉積物等)。TOXI4是有機(jī)化合物和重金屬在各類水體中遷移積累的動(dòng)態(tài)模型，采用了EXAMS的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，結(jié)合WASP遷移結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單的沉積平衡機(jī)理它可以預(yù)測(cè)溶

10、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(yíng)養(yǎng)化的模型的動(dòng)力學(xué)，結(jié)合WASP遷移結(jié)構(gòu)，該模型可預(yù)測(cè)DO、COD、BOD、富營(yíng)養(yǎng)化、碳、葉綠素a、氨、硝酸鹽、有機(jī)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(diǎn)源模型美國(guó)農(nóng)業(yè)部Knisel于1980年提出了CREAMS(Chemical，Runoff and Erosion from Agricultural Management Systems)模型，美國(guó)Purdue大學(xué)農(nóng)業(yè)工程系的Beasley and Huggin于1981年提出了ANSWERS(A real Nonpoint Source Wate

11、rshed Environment Response Simulation)模型。Willianms等人于 1985年提出了 SW RRB模型 ( Simulator for Water Resources in Rural Basins)。Johanson于 1981年提出了 HSPF水文模型 ( Hydro logical Simulation Program- FORTRAN) ,該模型能模擬流域任一點(diǎn)上徑流量、沉積物負(fù)荷和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度等隨時(shí)間的變化。 1986年美國(guó)農(nóng)業(yè)部提出了 AGNPS( Agricultural Nonpoint Source Pollution Model)模型，

12、該模型能模擬來(lái)自農(nóng)業(yè)水體的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和沉積物負(fù)荷等等以HSPF模型為例，它具有十分全面的功能，文獻(xiàn)結(jié)果與實(shí)際測(cè)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(huì)在多介質(zhì)中進(jìn)行遷移、擴(kuò)散。 80年代以來(lái) ,隨著人們對(duì)跨介質(zhì)環(huán)境問(wèn)題認(rèn)識(shí)的不斷深化 ,開(kāi)始提出了多介質(zhì)環(huán)境數(shù)學(xué)模型 ,并得到了廣泛的發(fā)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 ( Fugacity model) ,并發(fā)展了模型計(jì)算機(jī)軟件 ,該模型已廣泛用來(lái)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(duì)湖泊中的化學(xué)品在水、大氣、沉積物中的歸宿進(jìn)行了定量預(yù)測(cè) ,建立了 QSASI逸度模型