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第三節 河流水質模型的應用

知識點一：河流水質模型選擇

從理論上考慮，水質模型應該包括在所模擬的河流水體中對水質組分起重要作用的現象和過程；以實用性和經濟性考慮，最好是選擇使用簡便、通用，又能滿足所研究的特定水質問題的模型。

在選擇模型時，必須考慮以下幾個重要的技術問題：

(1)水質模型的空間維數；

(2)水質模型所描述（或所使用）的時間尺度；

(3)污染負荷、源和匯；

(4)模擬預測的河段范圍；

(5)流動及混合輸移；

(6)水質模型中的變量和動力學結構。

1．水質模型的空間維數

大多數的河流水質預測評價采用一維穩態模型，對于大中型河流中的廢水排放，橫向濃度梯度（變化）較明顯，需要采用二維模型進行預測評價。

在河流水質預測評價中，一般不采用三維模型。

如果污染物進入水域后，在一定范圍內經過平流輸移、縱向離散和橫向混合后達到充分混合，或者根據水質管理的精度要求允許不考慮混合過程而假定在排污口斷面瞬時完成均勻混合，即假定水體內在某一斷面處或某一區域之外實現均勻混合，則可采用水質模型進行預測評價。

在hj/t2.3-1993中給出了判定河流中達到橫向均勻混合的計算公式(6-52)。在混合過程段下游河段（x>l），可以采用一維模型；在混合過程段（x≤l），應采用二維模型。

不考慮混合距離的重金屬污染物、部分有毒物質及其他保守物質的下游濃度預測，可采用零維模型。

對于有機物降解性物質，當需要考慮降解時，可采用零維模型分段模型，但計算精度和實用性較差，最好用一維模型求解。

例題：一均勻穩態河段，河寬b=100m，平均水深h=2m，流速u=0.5m／s，平均底坡i=0.0005。一個擬建項目以岸邊和河中心兩種方案排放污水的完全混合距離分別是( a )。

 a．26374.7m，6 593.7m    b．17394.7m，7903.6m

c．6 593.7m，26374.7m    d．27875.3m，6694.8m

答案：a

解析：

2．水質模型的時間尺度

在水質預測中使用的時間尺度，按逐漸增加水質模型復雜性的順序列出如下：

(1)穩態；

(2)準穩態；

(3)動態。

在穩態預測中，只預測計算水質濃度的空間分布。當采用在一定時段內平均的污染負荷、河流流量等作為定常條件時，預測得到的水質濃度分布是該時段的真實水質濃度的平均值。

如在建設項目環評中采用預測的污染源強、多年平均枯水期月平均流量進行預測，得到的是相應于多年平均枯水期月平均流量條件下的水質濃度值。

準穩態的預測通常是在穩態的基礎上考慮部分隨時間變化的因素。

準穩態可以有以下幾種狀態：

◆定常污染負荷一變化的河流流量；

◆變化的污染負荷一定常河流流量；

◆定常污染負荷一定常河流流量一變化的其他環境參數。

在建設項目環評中常需要考慮的準穩態是“變化的污染負荷一定常河流流量”狀況，如在設計河流水文條件、污染物事故排放的水質影響預測。

在動態預測中，河流流量、污染物負荷和溫度等均隨時間變化，預測計算得到的水質濃度隨時間和空間而變化。

在河流水質預測評價中，絕大多數情況下采用穩態或準穩態進行預測。

3．模擬預測的河段范圍

在hj/t2.3-1993中按污水排放量和河流規模確定了河段的預測范圍。

從技術上考慮，對于預計可能受到明顯影響的重要水域應劃入預測范圍；在預測溶解氧時，預測的范圍應包括溶解氧區域。在預測的河段范圍內，水文特征突然變化和水質突然變化處的上游、下游、重要水工建筑物附近、水文站附近、例行水質監測斷面均是模擬預測的關心點。

4．流動及混合輸移

需要考慮較重要的支流和污染源的流量。在某些情況下，還需要考慮地下水排泄和地表水下滲補給對河流流量的影響。除了與水質數據相對應的流量（包括設計流量）外，還需要有相應流量下的河流橫斷面面積、水深和流速等。

對于單向河流而言，在利用穩態模型進行預測時，縱向離散作用與對流輸移作用相比很小，在模型中不考慮縱向離散的影響；但利用準穩態模型進行瞬時源或有限時段源的影響預測時，需要考慮縱向離散系數。

在利用二維穩態模型進行預測時，需要收集河道地形、水力學特征沿河流橫斷面方向變化的數據，同時需要考慮橫向混合系數。

5．模型中的變量和動力學結構

按照污染物在水環境中輸移、衰減的特點，一般利用水質模型進行預測評價的污染物可以分為四類：

(1)持久性污染物（在水環境中難降解、毒性大、易長期累積的有毒物質）；

(2)非持久性污染物；

(3)酸和堿（以ph值表征）；

(4)廢熱（以溫度表征）。

對于非持久性污染物，一般采用一階反應動力學來反映衰減規律。

對于持久性污染物，在沉降作用明顯的河段，一般可以近似地采用非持久性污染物相應的預測模式。

例題：按照污染物在水環境中輸移、衰減的特點，一般利用水質模型進行預測評價的污染物可以分（     ）

a持久性污染物                b非持久性污染物   

c酸和堿（以ph值表征）d廢熱（以溫度表征）

答案：abcd

解析：般利用水質模型進行預測評價的污染物可以分為四類：持久性污染物（在水環境中難降解、毒性大、易長期累積的有毒物質）、非持久性污染物、酸和堿（以ph值表征）、廢熱（以溫度表征）。

6．常用的河流水質模式選擇

常用的河流水質模式及其選擇見表6-1。

表6-1常用的河流水質模式

知識點二：河流水質模型參數的確定方法

河流水質模型參數的確定方法包括：公式計算和經驗估值、室內模擬實驗測定、現場實測、水質數學模型率定。

1．單參數測定方法

(1)耗氧系數k₁的單獨估值方法。

a)實驗室測定法。

試驗數據的處理建議采用最小二乘法或作圖法

b)兩點法。

(2)復氧系數k2的單獨估值方法——經驗公式法。

a)歐康那·道賓斯（o'connor-dobbins，簡稱歐-道）公式。

b)歐文斯等人( owens,et．al)經驗式。

c)丘吉爾( churchill)經驗式。

(3)k₁、k₂的溫度校正。

 

(5)混合系數的示蹤試驗測定法。

示蹤試驗法是向水體中投放示蹤物質，追蹤測定其濃度變化，據此計算所需要的各環境水力參數的方法。示蹤物質有無機鹽類(naci、lici)、熒光染料（如工業堿性玫瑰紅）和放射性同位素等，示蹤物質的選擇應滿足如下要求：

①具有在水體中不沉降、不降解，不產生化學反應的特性；

②測定簡單準確；

③經濟；

④對環境無害。

示蹤物質的投放方式有瞬時投放、有限時段投放和連續恒定投放。

數據整理建議采用擬合曲線法

例題： 示蹤試驗法中的示蹤物質的選擇應滿足（    ）條件

a對環境無害          b具有在水體中不沉降、不降解，不產生化學反應的特性

c測定簡單準確        d經濟

答案：abcd

解析：示蹤物質有無機鹽類(naci、lici)、熒光染料（如工業堿性玫瑰紅）和放射性同位素等，示蹤物質的選擇應滿足如下要求：①具有在水體中不沉降、不降解，不產生化學反應的特性；②測定簡單準確；③經濟；④對環境無害。

2．多參數優化法

多參數優化法是根據實測的水文、水質數據，利用優化方法同時確定多個環境水力學參數的方法。為了提高解的合理性，可以采取如下措施：

(1)根據經驗限制各環境水力學參數的取值范圍，確定初值；

(2)降低維數，可用其他方法確定的參數盡量用其他方法確定。

3．沉降系數k₃和綜合削減系數k的估值方法

k3和k的估值可以采用單參數或多參數估值方法：

①利用兩點法確定k₁+k₃或k；

②利用多點法確定k₁+k₃或k；

③利用多參數優化法確定k₃、k。

知識點三：水質數學模型的標定與檢驗

1．水質模型標定與檢驗的概念

水質模型的標定與檢驗，實際上是實測的水質數據與模型計算的水質分布的比較。這些“比較”所包括的內容和條件如下：

(1)各實測的水質數據系列與根據其相應條件（例如污染負荷、流量、水溫等）計算的水質數據（所有重要的水質組分）的比較；

 (2)對于所有的水質數據系列和取得某一數據系列的所有河段，均應使用相同的負荷組分、速率系數和輸移系統；

(3)負荷、源、匯、反應速率和輸移在時間上和在空間位置上應該是長期不變的；除非系統的變量是與所定義的過程相互聯系的，或者是能直接測量的（例如流量、水溫等）；

(4)要有兩個或更多的相似條件下的計算水質濃度和實測水質濃度的比較；

(5)必須在將來的計算中將使用的時間和空間尺度進行比較。

最后一條的含意是穩態、準穩態和動態模型的計算水質必須與相對應的實測水質數據進行比較。例如，動態模型必須相應于動態數據來標定和驗證，即，在t=0的數據用于模型的初始條件，在t=t_l，t=t₂，…，t=t_n進行計算值和實測值的比較。

2．水質模型的標定

利用選擇的水質模型，對于各實測水質數據相對應的污染負荷、流量和水溫條件進行水質計算，調整反應速率和第ii類污染負荷的數值，使計算值與實測值相符，并得到一組一致性的模型參數。

在水質模型的標定中常用的三個方法是：平均值的比較，回歸分析和相對誤差。

(1)平均值的比較：在多組相應的污染負荷、輸移（流量、擴散）和水溫條件下，實測數據的平均值與計算平均值的比較。可以使用“學生”概率密度函數進行平均值比較；

(2)回歸分析：計算值與實測值之間的回歸分析方程為：

在這里，假定計算值是已知的并具有確定性，而e是x的測量誤差；

相對誤差：相對誤差的計算公式為：

相對誤差可在空間或時間上聚合，并可計算誤差的累積頻率。

3．水質模型的檢驗

模型的檢驗是利用與標定模型所用的數據無關的污染負荷、流量和水溫資料進行水質計算，驗證模型計算的結果與現場實測數據是否較好地相符。

檢驗模型與標定模型所用的實測資料是無關的。在許多情況下，要求在標定模型后進行模型檢驗所需要的現場實測和數據收集工作。

在模型檢驗中要求考慮水質參數（速率）的靈敏度分析。

如果計算值與實測值之間有相對均勻的偏離，通常就說明在模型標定時確定的這些系數適用于較大范圍的污染負荷、流量和水溫條件下的水質計算。

如果計算值有很明顯的變化或沒有變化，則需要再進行多組次的流量、水溫和污染負荷條件下的實測值和計算值的比較，以確定合適的系數值。

一般地，在模型檢驗時，不要調整反應速率和第ii類污染源數值。如果需要調整這些參數，則應該重新進行模型的標定工作。

例題:：水質模型的標定中常用的方法有（   ）

a  平均值的比較   

b 回歸分析    

c 相對誤差    

d混合系數經驗法

答案：abc

解析：在水質模型的標定中常用的三個方法是：平均值的比較，回歸分析和相對誤差。