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第二節 地表水環境影響預測方法

知識點一：預測方法概述

1．預測方法簡介

預測地表水水質變化的方法，大致可以分為三大類：數學模式法、物理模型法和類比分析法。

類型	定義	優點	缺點
數學模式法	利用表達水體凈化機制的數學方程預測建設項目引起的水體水質變化。該法能給出定量的預測結果	比較簡便。	需一定的計算條件和輸入必要的參數，而且污染物在水中的凈化機制，很多方面尚難用數學模式表達。
物理模型法	依據相似理論，在一定比例縮小的環境模型上進行水質模擬實驗，以預測由建設項目引起的水體水質變化。	能反映比較復雜的水環境特點，且定量化程度較高，再現性好。	要有相應的試驗條件和較多的基礎數據，且制作模型要耗費大量的人力、物力和時間；污染物在水中的化學、生物凈化過程難于在實驗中模擬。

2．水質預測因子的篩選

水質影響預測的因子，應根據對建設項目的工程分析和受納水體的水環境狀況、評價工作等級、當地環境管理的要求等進行篩選和確定。

水質預測因子選取的數目應既能說明問題又不過多，一般應少于水環境現狀調查的水質因子數目。

篩選出的水質預測因子，應能反映擬建項目廢水排放對地表水體的主要影響和納污水體受到污染影響的特征。建設期、運行期、服務期滿后各階段可以根據具體情況確定各自的水質預測因子。

對于河流水體，可按下式將水質參數排序后從中選?。?/span>

ise=c_piq_pi/(c_si-c_hi)q_hi

式中：c_pi——水污染物i的排放濃度，mg/l；

q_pi——含水污染物z的廢水排放量，m³／s；

c_si——水污染物z的地表水水質標準，mg/l；

c_hi——評價河段水污染物i的濃度，mg/l；

q_hi——評價河段的流量，m³/s。

ise值是負值或者越大，說明擬建項目排污對該項水質因子的污染影響越大。

3．預測條件的確定

(1)受納水體的水質狀況。按照評價工作等級要求和建設項目外排污水對受納水體水質影響的特性，確定相應水期及環境水文條件下的水質狀況及水質預測因子的背景濃度。一般采用環評實測水質成果數據或者利用收集到的現有水質監測資料數據。

(2)擬預測的排污狀況。一般分廢水正常排放（或連續排放）和不正常排放（或瞬時排放、有限時段排放）兩種情況進行預測。兩種排放情況均需確定污染物排放源強以及排放位置和排放方式。

(3)預測的設計水文條件。在水環境影響預測時應考慮水體自凈能力不同的多個階段。對于內陸水體，自凈能力最小的時段一般為枯水期，個別水域由于面源污染嚴重也可能在豐水期；對于北方河流，冰封期的自凈能力很小，情況特殊。

(4)水質模型參數和邊界條件（或初始條件）。在利用水質模型進行水質預測時，需要根據建模、驗模的工作程序確定水質模型參數的數值。確定水質模型參數的方法有實驗測定法、經驗公式估算法、模型實測法、現場實測法等。對于穩態模型，需要確定預測計算的水動力、水質邊界條件；對于動態模型或模擬瞬時排放、有限時段排放等，還需要確定初始條件。

例題：2.水環境影響預測條件應確定下述內容：( )。

a．篩選擬預測的水質參數

b．擬預測的排污狀況

c．預測的設計水文條件

d．水質模型參數和邊界條件(或初始條件)

e．選擇確定預測方法

答案：bcd

解析：預測條件確定包括：受納水體的水質狀況、擬預測的排污狀況、預測的設計水文條件、水質模型參數和邊界條件（或初始條件）。

知識點二：河流水質數學模式預測方法

1．河流稀釋混合模式

(1)點源，河水、污水稀釋混合方程。對于點源排放持久性污染物，河水和污水完全混合、反映河流稀釋能力的方程為：

式中：c——完全混合的水質濃度，mg/l；

q_p——污水排放量，m³／s；

c_p——污染物排放濃度，mg/l；

q_h——上游來水流量，m³／s；

c_h——上游來水污染物濃度，mg/l。

(2)非點源方程。對于沿程有非點源（面源）分布入流的情形，可按下式計算河段污染物的濃度：

式中：w_s——沿程河段內（x=0到x=x_s）非點源匯入的污染物總負荷量，kg/d；

q——下游x距離處河段流量，m³／s；

q_s——沿程河段內（x=0到x= x_s）非點源匯入的水量，m³／s：

x_s——控制河段總長度，km；

x——沿呈距離(o≤x≤xs),km。

(3)考慮吸附態和溶解態污染指標耦合模型。當需要區分溶解態和吸附態的污染物在河流水體中的指標耦合，應加入分配系數的概念。

分配系數k_p的物理意義是在平衡狀態下，某種物質在固液兩相間的分配比例。

式中：c——溶解態濃度，mg/l；

x——單位質量固體顆粒吸附的污染物質量，mg/mg；

k_p——分配系數，l/mg。

對于有毒有害污染物，在已知其在水體中的總濃度的情況下，溶解態的濃度可用下式計算：

式中：c—— 溶解態濃度，mg/l；

ct——總濃度，mg/l；

s——懸浮固體濃度，mg/l；

k_p——分配系數，l/mg 。

2．河流的一維穩態水質模式

對于溶解態污染物，當污染物在河流橫向方向上達到完全混合后，描述污染物的輸移、轉化的微分方程為：

式中：a——河流橫斷面面積；

q——河流流量；

c——水質組分濃度；

d_l——綜合的縱向離散系數；

s_l——直接的點源或非點源強度；

b——上游區域進入的源強；

s_k——動力學轉化率，正為源，負為匯。

設定條件：穩態，忽略縱向離散作用，一階動力學反應速率k，河流無側旁入流，河流橫斷面面積為常數，上游來流量q_u，上游來流水質濃度c_u，污水排放流量q_e，污染物排放濃度c_e，則上述微分方程的解為：

式中：c₀——初始濃度，mg/l，計算式為c₀=(c_u·q_u+c_e·q_e)／(q_u+q_e)；

k——一階動力學反應速度，1/d；

u——河流流速，m/s;

x——沿河流方向距離，m；

c——位于污染源（排放口）下游x處的水質濃度，mg/l。

3．streeter-phelps模式

streeter-phelps模式（s-p模式）是研究河流溶解氧與bod（生化需氧量）關系的最早的、最簡單的耦合模型。s-p模式迄今仍得到廣泛的應用，也是研究各種修正模型和復雜模型的基礎。

它的基本假設為：河流為一維恒定流，污染物在河流橫斷面上完全混合；氧化和復氧都是一級反應，反應速率常數是定常的，氧虧的凈變化僅是水中有機物耗氧和通過液一氣界面的大氣復氧的函數。

streeter-phelps模式：

其中，

式中：q_p——廢水排放量，m³／s；

q_h——河流流量，m³／s；

d——虧氧量即dof-do,mg/l；

d_o——計算初始斷面虧氧量，mg/l；

d_h——上游來水中溶解氧虧值，mg/l；

d_p——污水中溶解氧虧值，mg/l；

u——河流斷面平均流速，m/s；

x——沿程距離，m；

c——沿程濃度，mg/l。

d_o——溶解氧濃度，mg/l；

do_f——飽和溶解氧濃度，mg/l；

k₁——耗氧系數，1/d；

k₂——復氧系數，1/d。

沿河水流動方向的溶解氧分布為一懸索型曲線，通常稱為氧垂曲線，如圖6-3所示。氧垂曲線的最低點c稱為臨界氧虧點，臨界氧虧點的虧氧量稱為最大虧氧值。

在臨界虧氧點左側，耗氧大于復氧，水中的溶解氧逐漸減少；污染物濃度因生物凈化作用而逐漸減少。達到臨界虧氧點時，耗氧和復氧平衡；

臨界點右側，耗氧量因污染物濃度減少而減少，復氧量相對增加，水中溶解氧增多，水質逐漸恢復。如排入的耗氧污染物過多將溶解氧耗盡，則有機物受到厭氧菌的還原作用生成甲烷氣體，同時水中存在的硫酸根離子將由于硫酸還原菌的作用而成為硫化氫，引起河水發臭，水質嚴重惡化。

臨界氧虧點x_c的位置為：

4．河流二維穩態水質模式

(1)二維穩態水質方程。

①順直均勻河流。描述溶解態污染物的二維對流擴散的基本方程為：

橫向混合系數m_y與河流平均水深 和摩阻流速u^*等因素有關。使用上可近似用下式估算：

式中，——平均水深；

a——橫向混合無量綱常數（0.6±50%）

u^*——，摩阻流速，通常約為平均流速的1%數量級；

g——重力加速度；

i——河流比降；

②用累積流量坐標表示的二維水質方程。

累積流量的定義為：

式中：q_c——距一岸的橫向距離為y時的累積流量；

m_y——河流橫斷面的形狀系數；

h——當地水深；

u——當地垂向平均流速；

y——橫向坐標。

y=0時，q_c(0)=0；y=b（河寬）時，q_c（b）=q（河流總流量）；q_c(y)沿橫向y方向的典型分布如圖6-4所示。

引入累積流量坐標q_c(y)，代替直角坐標y，相應的水質方程為：

式中：m_c——橫向混合因子，

m_x——河流縱向形狀系數，m_x≈1；

——橫斷面上的平均流速。

設m_c為常數，并用k/近似代替k·m_x/，則式（6-14）成為：

(2)連續點源的河流二維水質模式。

設定條件：河寬為b，在離岸邊距離為處有一連續點源，源強為m，水質組分c的一級動力學反應系數為k。

二維水質方程式(6-15)的解析解為：

式中：q——河流總流量；

u——平均流速；

q_cs——排放源的累積流量坐標；

n——河岸的反射次數。

在岸邊排放( q_cs=0)，忽視對岸反射作用（n=0），方程式(6-16)簡化為：

岸邊的濃度為：

離岸排放( q_cs≠o)，忽視遠岸反射作用(n=0)，方程(6-16)簡化為：

在環境影響評價中，若要求預測不同水期的水質影響時，需要根據具體情況分析是采用岸邊排放模式還是離岸排放模式進行預測計算。

5．常規污染物瞬時點源排放水質預測模式

(1)瞬時點源的河流一維水質模式。

設定條件：河流為順直均勻的一維河流，流量為q，橫斷面面積為a_c，斷面平均流速為u=q/a_c，縱向離散系數d_l，瞬時點源源強為m，水質組分c的一階動力學反應速率為k。

水質基本方程：

初始條件和邊界條件：

利用δ(t)函數的特性和拉氏變換，得到方程(6-20)的解：

在距離瞬時點源下游x處的污染物濃度峰值為：

(2)瞬時點源的河流二維水質模式。

瞬時點源河流二維水質一般基本方程為：

設定條件：河流寬度為b，瞬時點源源強m，點源離河岸一側的距離為y₀，方程的解析解為：

忽視河岸反射作用（n=0），方程(6-24)簡化為：

當瞬時點源在岸邊時，取y_o=0。

6．有毒有害污染物（比重ρ≤1）瞬時點源排放預測模式

采用瞬時點源排放模式預測有毒有害化學品事故泄漏進入水體的影響，首先需要判斷是否可以作為瞬時點源處理。

對于泄漏量m，可采用公式(6-26)計算將純化學品稀釋到溶解度所需要的水體水量，以判斷泄漏事故是否可以作為“瞬時點源”處理。

式中：m——泄漏總量，kg；

c_s——溶解度，mg/l；

v_o——水體體積，m³。

在泄漏點下游x處，假定p=0，化學品的峰值濃度為：

在時間t_s，處于各種形態的化學品量可用以下公式計算：

(1)溶解態污染物總量m_d。

知識點三：湖泊（水庫）水環境影響預測方法

1．湖泊、水庫水質箱模式

以年為時間尺度來研究湖泊、水庫的富營養化過程中，往往可以把湖泊看作一個完全混合反應器，其水質基本方程為：

當所考慮的水質組分在反應器內的反應符合一級反應動力學，而且是衰減反應時，則：

上式變為以下形式：

式中：k—— 一級反應速率常數，1／t。當反應器處于穩定狀態時，dc/dt=0，式(6-35)

變為下式：

2．湖泊（水庫）的富營養化預測模型

湖泊（水庫）中早期經典的營養鹽負荷預測模型有vollenweider模型和dillon模型等。

(1)vollenweider負荷模型。

vollenweider最早提出磷負荷與水體中藻類生物量存在一定關系，1976年提出營養物質負荷模型：

(2)dillon負荷模型。

dillon和rigler收集了南安大略18個湖的數據，提出適合估算春季對流時期磷的湖內平均濃度的磷負荷模型：

知識點四：河口海灣水環境影響預測方法

在潮汐河口和海灣中，最重要的質量輸移機理通常是水平面的輸移。因此，在淺水或受風和波浪影響很大的水體，在描述水動力學特性和水質組分的輸移時，通常忽略垂向輸移，將其看做二維系統來處理。在很多情況下，橫向輸移也是可以忽略的，此時，可以用一維模型來描述縱向水動力學特性和水質組分的輸移。

例題：潮汐河流中，最重要的質量輸移是( )，因此，可以用一維模型來描述質量的輸移。

a．水平輸移 b．垂向輸移

c．橫向輸移 d．混合輸移

答案：a

解析：在潮汐河口和海灣中，最重要的質量輸移機理通常是水平面的輸移。

1．潮汐河流一維水質預測模式

(1)一維的潮汐河流水質方程。

假定在垂向和橫向方向上的混合輸移是可以忽略的，即水質組分在縱向上的混合輸移是最重要的，此時，水質方程簡化為一維方程：