第三章水环境化学-第四节水质模型介绍
合集下载
环境化学复习总结全部(戴树桂)
第三章：水环境化学第一节：天然水的基本特征及污染物的存在形式1.水中八大离子：K+，Ca+，Na+，Mg+，HCO3-，NO3-，Cl-，SO4(2-)2.气体在水中的溶解度服从Henry定律：一种气体在液体中的溶解度正比于液体所接触的该种气体的分压。
溶解度【X（aq）】=K H×p G K H为气体一定温度下Henry定律常数，p G分压3.氧在水中的溶解度CO2的溶解度P150页4.：BOD（生化需氧量）：在一定体积水中有机物降解所需消耗的氧的量。
BOD5=DO1-DO55.碳酸平衡P152-P157计算题重点区域★★★6.水中污染物的分布和存在形态：A.有机污染物：农药（有机氯、磷，氨基甲酸醇），多氯联苯PCBs，卤代脂肪烃，醚类，单环芳香族化合物，苯酚类和甲酚类，钛酸酯类，多环芳烃PAH，亚硝胺和其他化合物B.金属污染物：镉，汞，铅，砷，铬，铜，锌，铊等7.优先污染物：有毒物质品种繁多，在众多的污染物中筛选出潜在危险大的作为优先研究和控制对象。
8.水中的营养元素：N,P,C,O和微量元素9.水体富营养化：生物所需的N,P等营养物质大量进入湖泊，河口等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，鱼类及其他生物大量死亡的现象。
10.N/P>100,贫营养化；N/P<10，富营养化；第二节：水中无机污染物的迁移转化一，颗粒物与水之间的迁移：1水中颗粒物类别：矿物微粒和黏土矿物，金属水合氧化物，腐殖质，水体悬浮沉积物2.水环境中胶体颗粒物的吸附作用类别：表面吸附，离子交换吸附，专属吸附。
3.表面吸附：胶体具有巨大的比表面积和表面能，因此固液界面存在表面吸附作用，属于物理吸附。
4.离子交换吸附：环境中大部分胶体带负电荷，容易吸附阳离子，在吸附过程中，胶体每吸附一部分阳离子，同时也放出等量的其他阳离子。
5.专属吸附：除了化学键的作用外，尚有加强的憎水键和范德华力或氢键在起作用。
第三章水质模型
水质模型
1.1 水质模型的主要问题和分类
一、 问题 (1)为了避免一条河流产生厌氧而使水质保持 在给定的条件，应当在何处建立污水处理厂? 多大规模、什么样的处理效率才能保证溶解 氧浓度不低于水质标准? (2)为了合理地利用某一区域的水资源，该区 域应当发展何种工业以及多大规模的工业才 能使该地区的水资源得以充分利用并保证水 资源不至于受污染。
C0 1 k1x
Q
u
2019/11/25
25
例题2：河流的零维模型
• 有一条比较浅而窄的河流，有一段长1km的河段，稳 定排放含酚废水1.0m3/s;含酚浓度为200mg/L，上游 河水流量为9m3/s，河水含酚浓度为0，河流的平均流 速为40km/d，酚的衰减速率常数k＝2 1/d，求河段出 口处的河水含酚浓度为多少？
• 水质模型的分类：
1、按水域类型：河流、河口、河网、湖泊 2、按水质组分：单一组分、耦合组分（BOD-DO模型）、
多重组分（比较复杂，如综合水生态模型） 3、按水力学和排放条件：稳态模型、非稳态模型
水质模型按 空间维数分类
零维水质模型 一维水质模型 二维水质模型 三维水质模型
2019/11/25
0
水质模型
(4)按水质组分是否作为随机变量，可分为随 机模型和确定性模型。
水质模型还可以按模型的其他特征分类。如 按水质组分的迁移特性，可分为对流模型， 扩散模型和对流－扩散模型。按水质组分的 转化特性可分为纯迁移模型，纯反应模型和 迁移－反应模型等。
0
水质模型
1.2 水质模型的发展及建立步骤
一、水质模型的发展过程 第一阶段(1925-1965年)：开发了比较简单的 生物化学需氧量(BOD)和溶解氧(DO)的双线 性系统模型，对河流和河口的水质问题采用 了一维计算方法进行模拟。 第二阶段(1965-1970年)：研究发展BOD—DO 模型的多维参数估值，将水质模型扩展为六 个线性系统模型。发展河流、河口、湖泊及 海湾的水质模拟，方法从一维发展到二维。
河流水质模型
D0－河流起始点的氧亏值
Dc－临界点的氧亏值
复氧曲线 耗氧曲线
tc—由起始点到临界点的流经时间
tc
时间t
溶解氧氧垂曲线
临界点氧亏值: Kd L0
dD 0 dt
Dc=
A
Kd tc Ka
B
C
#2022
S-P模型的修正型
一、多河段水质模型的概化
水质模型的解析解是在均匀和稳定的水流条件 下取得的，划分断面的原则：
V-水的体积
欧康奈尔 （ D.O’·Conner ）和多宾斯（W·Dobbins）在
1958年提出根据河流的流速、水深计算大气复氧速度常数
的方法：
KL = C
uxn Hm
饱和溶解氧浓度Cs是温度、盐度和大气压力的函数。在 760mmHg压力下，淡水中的饱和溶解氧浓度为
T为0c
468 Cs = 31.6 + T
x ux
）〕
5. 含氮有机物排入河流后，同样发生生物化学氧化过程：
LN =LN〔0 exp（-KN
x ）〕
ux
三、大气复氧
水中溶解氧的主要来源是大气。氧气由大气进入水 中的质量பைடு நூலகம்递速度：
dC dt
=
KLA V
(Cs - C)
C-河流水中溶解氧的浓度
Cs-河流水中饱和溶解氧的浓度 KL-质量传递系数 A-气体扩散的表面积
CK HERE TO ADD A TITLE
三章 河流水质模型
单击此处添加文本具体内容 演讲人姓名
添加标题 河流中的基本水质问题
添加标题 多河段水质模型
添加标题 河口水质模型
添加标题 单一河段水质模型
添加标题 其它河流水质模型
第三章 第四节_水质模型
3--176
cT cS cP cW 3--110
cW
cT K pcp
1
RT
KT cT KPcP 1
ln 2
t1
2
KT
(cP KP 1)
这一关系说明，吸着的净效应是降低有机毒物从水中消失的总速率，另外还可以
看到颗粒物的吸着将增加半衰期。
20
3. 稳态时的浓度（动态平衡）
假设: 有机毒物输入水体的速率为 RI, 有机毒物在水环境中消失的速率为 RL
化合物迁移转化过程：
负载过程（输入过程）：人为排放，大气沉降，陆地 径流
形态过程 ：酸碱平衡、吸着作用 迁移过程：沉淀-溶解作用、对流作用 、挥发作用 、
沉积作用 转化过程：生物降解 、光解作用、水解作用、氧化还
原 生物积累过程：生物浓缩 、生物放大
18
1. 有机物的消失速率
有机物因转化和挥发从水环境中消失速率（RT）是各 消失速率（Ri）的总和：
S-P模式的适用条件： ①河流充分混合段；
②污染物为耗氧性有机污染物；
③需要预测河流溶解氧状态；
④河流恒定流动；
⑤连续稳定排放。
6
（1）零维水质模型（完全混合模型）
零维是一种理想状态，把所研究的水体如一条河或一 个水库看成一个完整的体系，当污染物进入这个体系 后，立即完全均匀地分散到这个体系中，污染物的浓 度不会随时间的变化而变化。
7
零维水质模型（河流完全混合模型）
废水排入河流后与河水迅速完全混合，则混合后的污染物浓度为
8
河流完全混合模式的适用条件
①河流充分混合段； ②持久性污染物； ③河流恒速流动； ④废水连续稳定排放。
9
（2）一维水质模型
第三章 水环境化学(&4)
溶 解 氧 污水排放点 河流BOD＝L0 D0 Dc
饱和溶解氧浓度ρs
氧垂曲线
极限溶解氧： K1 L0 K1 xc ρc = ρs − exp(− ) K2 u K1 L0 K1 xc Dc = exp(− ) K2 u
DO
复氧曲线
耗氧曲线
xc 溶解氧氧垂曲线
距离x
2．Thomas模型(忽略离散作用)
第三章 水环境化学
第三节 水质模型
水质模型原理是根据质量守恒原理，污染物在水环 境中的物理、化学和生物过程的各种模型，大体经 历了三个发展阶段：简单的氧平衡模型阶段、形态 模型阶段和多介质环境结合生态模型阶段。
一、氧平衡模型
1．Streeter—Phelps模型(S—P模型) RL = RT + RD + Ro
有机物的稳态浓度为：
CT = ( RI − Ro − RD )( K p C p + 1) / KT
P262-263 习题
28、29、31、32、33
在S—P模型的基础上，增加固悬浮物的沉淀 和上浮引起的BOD的变化速率(K3L0)，则：
二、湖泊富营养化模型
目前常采用的有多元相关模型、输入输出模型、富 营养化预测模型和扩散模型。 前三种模型实际上只能预测未来湖泊水质的平均发 展趋势，而扩散模型可反映湖泊水质的空间变化， 预测污水人湖口附近局部水域可能出现的严重污染 程度。 实际应用时可根据湖泊的污染特征和基础资料等情 况选用相应模型。
有机物的消失速率
有机物由于各种转化过程和挥发过程消失的总 速率(RT)是各消失速率（ Ri ）的总和。
RT = ∑ Ri = c ∑( K i • Εi )
Ki—第i过程的速率常数； Ei —对于第i过程在动力学上起重要作用的环境参数(例 如，水体pH，光强，细菌总数等)
饱和溶解氧浓度ρs
氧垂曲线
极限溶解氧： K1 L0 K1 xc ρc = ρs − exp(− ) K2 u K1 L0 K1 xc Dc = exp(− ) K2 u
DO
复氧曲线
耗氧曲线
xc 溶解氧氧垂曲线
距离x
2．Thomas模型(忽略离散作用)
第三章 水环境化学
第三节 水质模型
水质模型原理是根据质量守恒原理，污染物在水环 境中的物理、化学和生物过程的各种模型，大体经 历了三个发展阶段：简单的氧平衡模型阶段、形态 模型阶段和多介质环境结合生态模型阶段。
一、氧平衡模型
1．Streeter—Phelps模型(S—P模型) RL = RT + RD + Ro
有机物的稳态浓度为：
CT = ( RI − Ro − RD )( K p C p + 1) / KT
P262-263 习题
28、29、31、32、33
在S—P模型的基础上，增加固悬浮物的沉淀 和上浮引起的BOD的变化速率(K3L0)，则：
二、湖泊富营养化模型
目前常采用的有多元相关模型、输入输出模型、富 营养化预测模型和扩散模型。 前三种模型实际上只能预测未来湖泊水质的平均发 展趋势，而扩散模型可反映湖泊水质的空间变化， 预测污水人湖口附近局部水域可能出现的严重污染 程度。 实际应用时可根据湖泊的污染特征和基础资料等情 况选用相应模型。
有机物的消失速率
有机物由于各种转化过程和挥发过程消失的总 速率(RT)是各消失速率（ Ri ）的总和。
RT = ∑ Ri = c ∑( K i • Εi )
Ki—第i过程的速率常数； Ei —对于第i过程在动力学上起重要作用的环境参数(例 如，水体pH，光强，细菌总数等)
《水环境化学》水质模型
第四节 水质模型
水质模型的基本原理： 污染物在水环境中的物理化学和生物过程遵守质 量守恒定律，模型发展大体经历了简单的氧平衡 模型阶段、形态模型阶段和多介质环境结合生态 模型阶段。
第四节 水质模型
氧平衡模型
1。 Streeter-Phelps 模型
水体有机污染物（浓度用BOD表示）消耗速率为
L t
便可得出有机毒物在系统内的浓度和半衰期。
K1L
u
L x
K1L
Fick第二定律，河流的离散导致的BOD的变化为
u
L x
Ex
2L x 2
则BOD变化速率为：
L
2L
u x Ex x2 K1L
3．菲克第二定律：解决溶质浓度随时间变化的情况
两个相距dx垂直x轴的平面组成的微体积，J1、J2为进入、
流出两平面间的扩散通量，扩散中浓度变化为 c，则单元体
1
Z (q /V )
2. OECD公式
1
1
7
0.5
Z
V qv
0.6
1
第四节 水质模型
三、有毒污染物的归趋模型 摒弃经验参数，在模型中只出现表征化合物固有性 质的参数（实验室测定，与时间地点无关）和表征 环境特征所测量的参数。 主要考察动力学过程 酸碱平衡，水解，生物降解，光解作用，挥发，沉 淀-溶解作用，吸附解吸作用，生物浓缩，沉积作用 以及污水排放等uxEx2
x 2
K2(s
) K1L
第四节 水质模型
1。 Streeter-Phelps 模型
若忽略河流离散作用
u
L x
K1L
u
x
K2(s
) K1L
t时刻BOD和溶解氧的值分别为
水质模型的基本原理： 污染物在水环境中的物理化学和生物过程遵守质 量守恒定律，模型发展大体经历了简单的氧平衡 模型阶段、形态模型阶段和多介质环境结合生态 模型阶段。
第四节 水质模型
氧平衡模型
1。 Streeter-Phelps 模型
水体有机污染物（浓度用BOD表示）消耗速率为
L t
便可得出有机毒物在系统内的浓度和半衰期。
K1L
u
L x
K1L
Fick第二定律，河流的离散导致的BOD的变化为
u
L x
Ex
2L x 2
则BOD变化速率为：
L
2L
u x Ex x2 K1L
3．菲克第二定律：解决溶质浓度随时间变化的情况
两个相距dx垂直x轴的平面组成的微体积，J1、J2为进入、
流出两平面间的扩散通量，扩散中浓度变化为 c，则单元体
1
Z (q /V )
2. OECD公式
1
1
7
0.5
Z
V qv
0.6
1
第四节 水质模型
三、有毒污染物的归趋模型 摒弃经验参数，在模型中只出现表征化合物固有性 质的参数（实验室测定，与时间地点无关）和表征 环境特征所测量的参数。 主要考察动力学过程 酸碱平衡，水解，生物降解，光解作用，挥发，沉 淀-溶解作用，吸附解吸作用，生物浓缩，沉积作用 以及污水排放等uxEx2
x 2
K2(s
) K1L
第四节 水质模型
1。 Streeter-Phelps 模型
若忽略河流离散作用
u
L x
K1L
u
x
K2(s
) K1L
t时刻BOD和溶解氧的值分别为
水质模型
湖泊富营养化
湖泊的富营养化是由磷、氮的化合物过多排放引起的 污染。主要表现为水体中藻类的大量繁殖，严重影响 了水质。
24
湖泊水质污染预测模型对于预测湖泊水质 发展趋势及提出相应的防治对策有着重要 的意义。 目前常采用的有多元相关模型、输入输出 模型、富营养化预测模型和扩散模型。前 三种模型实际上只能预测未来湖泊水质的 平均发展趋势，而扩散模型可以反映湖泊 水质的空间变化，预测污水入湖口附近局 部水域可能出现的严重污染程度。实际应 用时可根据湖泊的污染特征和基础资料等 情况选用相应模型。
26
为了求得在均匀混合条件下，V稳定时上述方 程的解，Vollenweider，Dillon，合田健和经济 合作与发展组织（OECD）还分别求得以下湖 水总磷质量浓度的计算公式。
1.Vollenweider公式 ρ=ρ1（1＋√ Z／Q）-1 式中：ρ——湖水按容积加权的年平均总磷质量浓度，mg/L； ρ1——流入湖泊水量按流量加权的年平均总磷质量浓 度（包括入湖河道，湖区径流和湖面降水的总 量），mg/L； Z——湖泊的平均水深，可用湖泊容积（V）除以湖泊 相应的表面积求得，m； Q——湖泊单位面积上的水量负荷，可用湖泊的年流 入水量（qm）除以湖泊的表面积（A）来求得， t/（m2· a）。
17
S-P模型基本方程及其解
dL k1 L dt dD k1 L k 2 D dt
式中: L—河水中的BOD值，mg/L； D—河水中的亏氧值，mg/L，是饱和溶解氧浓度 Cs（mg/L）与河水中的实际溶解氧浓度C（ mg/L）的差值； k1—河水中BOD衰减(耗氧)速度常数，1／d； k2—河水中的复氧速度常数，1／d； t—河水中的流行时间， d；
3.合田健公式 L ρ= ——————-----Z（qV/V+α)
第三章水环境化学
总含盐量(TDS)：
TDS=[K++Na++Ca2++Mg2+]+[HCO3-+NO3-+Cl-+SO42-
2、天然水的性质
(Characteristic of Natural Waters) （1）碳酸平衡(Balance of H2CO3) 水体中存在四种化合态：
CO2、CO32-、HCO3-、H2CO3
第三章 水环境化学
(Water Environmental Chemistry)
本章重点
1、无机污染物在水体中进行沉淀-溶解、氧化-还原、 配合作用、吸附-解吸、絮凝-沉淀的基本原理;
2、计算水体中金属存在形态;
3、pE计算;
4、有机污染物在水体中的迁移转化过程和分配系数、 挥发速率、水解速率、光解速率和生物降解速率的 计算方法。
农药
有机氯 有机磷
多氯联苯 (PCBS) 卤代脂肪烃 醚
单环芳香族化合物 苯酚类和甲酚类 酞酸酯类 多环芳烃（PAH) 亚硝胺和其他化合物
2、金属污染物 (Metal Pollutant)
Cd、 Hg、 Pb、 As、 Cr、 Cu、 Zn、 Tl、 Ni、 Be
第二节 水中无机污染物的迁移转化
强酸 弱酸 强酸弱碱盐
总酸度= [H+]+ [ HCO3-] +2[H2CO3*] - [ OH-] CO2酸度= [H+]+ [H2CO3*] - [CO32-] - [ OH-] 无机酸度= [H+]- [ HCO3-]-2 [CO32-] - [ OH-]
二、水中污染物的分布及存在形态
1、有机污染物 (Organic Pollutant)
TDS=[K++Na++Ca2++Mg2+]+[HCO3-+NO3-+Cl-+SO42-
2、天然水的性质
(Characteristic of Natural Waters) （1）碳酸平衡(Balance of H2CO3) 水体中存在四种化合态：
CO2、CO32-、HCO3-、H2CO3
第三章 水环境化学
(Water Environmental Chemistry)
本章重点
1、无机污染物在水体中进行沉淀-溶解、氧化-还原、 配合作用、吸附-解吸、絮凝-沉淀的基本原理;
2、计算水体中金属存在形态;
3、pE计算;
4、有机污染物在水体中的迁移转化过程和分配系数、 挥发速率、水解速率、光解速率和生物降解速率的 计算方法。
农药
有机氯 有机磷
多氯联苯 (PCBS) 卤代脂肪烃 醚
单环芳香族化合物 苯酚类和甲酚类 酞酸酯类 多环芳烃（PAH) 亚硝胺和其他化合物
2、金属污染物 (Metal Pollutant)
Cd、 Hg、 Pb、 As、 Cr、 Cu、 Zn、 Tl、 Ni、 Be
第二节 水中无机污染物的迁移转化
强酸 弱酸 强酸弱碱盐
总酸度= [H+]+ [ HCO3-] +2[H2CO3*] - [ OH-] CO2酸度= [H+]+ [H2CO3*] - [CO32-] - [ OH-] 无机酸度= [H+]- [ HCO3-]-2 [CO32-] - [ OH-]
二、水中污染物的分布及存在形态
1、有机污染物 (Organic Pollutant)
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第四节 水质模型
水质模型，是一个用于描述物质在水环境中的混合、 迁移、扩散和转化过程（包括物理、化学、生物作用过 程）的数学方程（或方程组） .
水质模型的基本原理是质量守恒原理；建立水质模 型的目的是用来描述污染物数量与水环境影响因素之间 的定量关系，从而为水质分析、预测和水环境管理提供 基础的量化依据。
本节讨论的水质模型主要是：氧平衡模型、湖泊富 营养化模型和有毒有机污染物归趋模型。
一、氧平衡模型
1. Streeter-Phelps（S-P）模型（河流水质自净模型）
S-P模型的建立基于两项假设： （1）只考虑好氧微生物参加的有机物降解反应，并 认为该反应为一级反应。 （2）河流中的耗氧只是有机物降解反应引起的。有 机物的降解反应速率与河水中溶解氧(DO)的减少速 率相同，大气中的氧进入水体的复氧速率与河水中 的亏氧量 D 成正比。
极限距离：
极限溶解氧：
（DC为极限氧亏）
2．托马斯(Thomas)模型
对于一维静态河流，在S—P模型的基础上考虑沉淀、絮 凝、冲刷和再悬浮过程对BOD变化的影响，引入了BOD沉 浮系数k3 dL
u -(k1 k3 ) L dx u dD k L - k D 1 2 dx
湖泊水质模型的类型：
湖泊水质模型可划分为：多元相关模型；输入输出 模型；富营养化预测模型和扩散模型，这里仅讨论富 营养化预测模型。
2. 富营养化预测模型 对于停留时间很长、水质基本处于稳定状态的中小 型湖泊和水库，可视为一个均匀混合的水体。 沃兰伟德假定，湖泊中某种营养物的浓度随时间的 变化率，是输入、输出和在湖泊内沉积的该种营养物量 的函数，用质量平衡方程表示就是：
湖泊富营 养物质的 变化
=
单位时间输 入湖泊营养 物质的量
—
单位时间输 出湖泊营养 物质的量
—
单位时间 营养物质 沉积的量
即：
简化可得：
dc V ( ) I P - qc - P V c dt
dc I P - (P W P ) c dt V
式中：c - 湖水平均总磷浓度 mg/L, IP－ 输入湖泊磷的浓度 g/d PW - 水力冲刷系数 PW = q / V (d-1) q - 出湖河道流量 m3/d, V－ 湖泊容积 m3 λ P - 磷的沉降速率常数 d-1 t - 河水入湖时间 d
水中营养物质的来源 雨水： 雨水中硝酸盐的含量在 0.16 -1.06 mg/L 间，氨 氮含量在 0.04 - 1.70 mg/L 间，大面积湖泊和水库从雨 水受纳氮数量相当可观。 农业排水： 土壤中的氮、磷通过地表水径流被引入到湖 泊、水库。 城市污水：包括：排泄物、食品污物，含磷洗涤剂。污水厂 通过厌氧处理污泥的方法可去除20－50％的氮和大部分的磷 ，但在污水处理中也使用到多种含氮、磷的化学试剂，如氯 胺、有机絮凝剂、无机助絮凝剂、多聚磷酸钠等。 其他来源：包括工业废水等。
形态过程 酸碱平衡：PH 值、有机酸碱分数 (离子、分子)，挥发 作用等。 吸着-解吸平衡：有机物滞留在悬浮颗粒物或沉积物上 的过程最终将影响其归趋。
迁移过程 沉淀-溶解作用：有机或无机物溶解度对其迁移转化可 利用性的影响，将改变迁移的速率。 对流作用：水流作用使污染物进入（排出）特定水生 生态系统。 挥发作用：大气、水中浓度分布。 沉积作用：底部沉积物的吸附-解吸。
有机污染物迁移转化的动力学机理 表征化合物固有性质：可由实验室测得。 模型中的水 质参数：
（溶解度,蒸汽 压，辛醇－水分配系数等）
表征环境特征：取决于实际水环境。
(水流量,流速,pH,水温,风速,细菌数,光强等）
化合物迁移转化过程：
负载过程（输入过程）
来源：污水人为排放， 大气沉降，陆地径流 等将有机毒物引入水 体。
S-P模型的基本方程为：
式中:L—河水中的BOD值，mg/L； D—河水亏氧值，mg/L,是饱和溶解氧浓度Cs （mg/L） 与实际溶解氧浓度C（mg/L）的差值D=CS-C； k1—河水耗氧速度常数，1／d； k2—河水复氧速度常数，1／d； u—河水平均流速km/d; x-顺河水流动方向的纵向距离km。
转化过程 生物降解：微生物代谢将改变污染物和它们的毒性。 光解作用：破坏有毒有机物分子的结构。 水解作用：使污染物分子变成简单分子，低毒或无毒化 合物。 氧化还原：微生物催化氧化,光催化氧化,均将改变有机 分子的结构。
令边界条件: t = 0, C = C0 对上式积分可得:
；
t=t, C = C
当时间足够长，利用上面的积分解可求取湖泊、 水库中污染物(营养物)的平衡浓度.
在水质分析和水质预测中,利用该式可求出湖泊、 水库中污染物达到一指定浓度CT所需时间t0。
三、有毒有机物的归趋模型
通过研究水环境中各种有机毒物的动力学模型，可 以预测污染物在环境中浓度的时空分布，以及通过各种 迁移转化过程后的最终归趋，这对合理使用有机有毒物 质意义重大。
当边界条件
L L0 , x 0 C C0 , x 0
S-P模型基本方程的解析解为:
S-P 模型的临界点和临界点氧浓度
以S-P解析解中溶解氧C对距离作图可得一条下垂曲线， 称为氧垂曲线。 氧垂曲线最低点所对应的溶解氧，称为极限溶解氧Cc，出 现Cc的距离称为极限距离xc； 在极限距离处xc，溶解氧变化率为零，由S-P方程可得：
当边界条件
L L0 , x 0 C C0 , x 0
求取解析解可得：
二、水体富营养化预测模型
湖泊(水库)的水质特征： 水的停留时间较长（可达数月至数年），属于缓流水域， 其中的化学和生物学过程保持一个比较稳定的状态。 进入湖泊和水库中的营养物质在其中容易积累，致使水 质发生富营养化。 在水深较大的湖、库中，水温和水质是竖向分层的。 1．水体的富营养化问题 指在人类活动的影响下，氮、磷等生物所需营养物质大 量进入湖泊、水库、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮 游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，引起鱼 类及其他生物大量死亡的现象。
水质模型，是一个用于描述物质在水环境中的混合、 迁移、扩散和转化过程（包括物理、化学、生物作用过 程）的数学方程（或方程组） .
水质模型的基本原理是质量守恒原理；建立水质模 型的目的是用来描述污染物数量与水环境影响因素之间 的定量关系，从而为水质分析、预测和水环境管理提供 基础的量化依据。
本节讨论的水质模型主要是：氧平衡模型、湖泊富 营养化模型和有毒有机污染物归趋模型。
一、氧平衡模型
1. Streeter-Phelps（S-P）模型（河流水质自净模型）
S-P模型的建立基于两项假设： （1）只考虑好氧微生物参加的有机物降解反应，并 认为该反应为一级反应。 （2）河流中的耗氧只是有机物降解反应引起的。有 机物的降解反应速率与河水中溶解氧(DO)的减少速 率相同，大气中的氧进入水体的复氧速率与河水中 的亏氧量 D 成正比。
极限距离：
极限溶解氧：
（DC为极限氧亏）
2．托马斯(Thomas)模型
对于一维静态河流，在S—P模型的基础上考虑沉淀、絮 凝、冲刷和再悬浮过程对BOD变化的影响，引入了BOD沉 浮系数k3 dL
u -(k1 k3 ) L dx u dD k L - k D 1 2 dx
湖泊水质模型的类型：
湖泊水质模型可划分为：多元相关模型；输入输出 模型；富营养化预测模型和扩散模型，这里仅讨论富 营养化预测模型。
2. 富营养化预测模型 对于停留时间很长、水质基本处于稳定状态的中小 型湖泊和水库，可视为一个均匀混合的水体。 沃兰伟德假定，湖泊中某种营养物的浓度随时间的 变化率，是输入、输出和在湖泊内沉积的该种营养物量 的函数，用质量平衡方程表示就是：
湖泊富营 养物质的 变化
=
单位时间输 入湖泊营养 物质的量
—
单位时间输 出湖泊营养 物质的量
—
单位时间 营养物质 沉积的量
即：
简化可得：
dc V ( ) I P - qc - P V c dt
dc I P - (P W P ) c dt V
式中：c - 湖水平均总磷浓度 mg/L, IP－ 输入湖泊磷的浓度 g/d PW - 水力冲刷系数 PW = q / V (d-1) q - 出湖河道流量 m3/d, V－ 湖泊容积 m3 λ P - 磷的沉降速率常数 d-1 t - 河水入湖时间 d
水中营养物质的来源 雨水： 雨水中硝酸盐的含量在 0.16 -1.06 mg/L 间，氨 氮含量在 0.04 - 1.70 mg/L 间，大面积湖泊和水库从雨 水受纳氮数量相当可观。 农业排水： 土壤中的氮、磷通过地表水径流被引入到湖 泊、水库。 城市污水：包括：排泄物、食品污物，含磷洗涤剂。污水厂 通过厌氧处理污泥的方法可去除20－50％的氮和大部分的磷 ，但在污水处理中也使用到多种含氮、磷的化学试剂，如氯 胺、有机絮凝剂、无机助絮凝剂、多聚磷酸钠等。 其他来源：包括工业废水等。
形态过程 酸碱平衡：PH 值、有机酸碱分数 (离子、分子)，挥发 作用等。 吸着-解吸平衡：有机物滞留在悬浮颗粒物或沉积物上 的过程最终将影响其归趋。
迁移过程 沉淀-溶解作用：有机或无机物溶解度对其迁移转化可 利用性的影响，将改变迁移的速率。 对流作用：水流作用使污染物进入（排出）特定水生 生态系统。 挥发作用：大气、水中浓度分布。 沉积作用：底部沉积物的吸附-解吸。
有机污染物迁移转化的动力学机理 表征化合物固有性质：可由实验室测得。 模型中的水 质参数：
（溶解度,蒸汽 压，辛醇－水分配系数等）
表征环境特征：取决于实际水环境。
(水流量,流速,pH,水温,风速,细菌数,光强等）
化合物迁移转化过程：
负载过程（输入过程）
来源：污水人为排放， 大气沉降，陆地径流 等将有机毒物引入水 体。
S-P模型的基本方程为：
式中:L—河水中的BOD值，mg/L； D—河水亏氧值，mg/L,是饱和溶解氧浓度Cs （mg/L） 与实际溶解氧浓度C（mg/L）的差值D=CS-C； k1—河水耗氧速度常数，1／d； k2—河水复氧速度常数，1／d； u—河水平均流速km/d; x-顺河水流动方向的纵向距离km。
转化过程 生物降解：微生物代谢将改变污染物和它们的毒性。 光解作用：破坏有毒有机物分子的结构。 水解作用：使污染物分子变成简单分子，低毒或无毒化 合物。 氧化还原：微生物催化氧化,光催化氧化,均将改变有机 分子的结构。
令边界条件: t = 0, C = C0 对上式积分可得:
；
t=t, C = C
当时间足够长，利用上面的积分解可求取湖泊、 水库中污染物(营养物)的平衡浓度.
在水质分析和水质预测中,利用该式可求出湖泊、 水库中污染物达到一指定浓度CT所需时间t0。
三、有毒有机物的归趋模型
通过研究水环境中各种有机毒物的动力学模型，可 以预测污染物在环境中浓度的时空分布，以及通过各种 迁移转化过程后的最终归趋，这对合理使用有机有毒物 质意义重大。
当边界条件
L L0 , x 0 C C0 , x 0
S-P模型基本方程的解析解为:
S-P 模型的临界点和临界点氧浓度
以S-P解析解中溶解氧C对距离作图可得一条下垂曲线， 称为氧垂曲线。 氧垂曲线最低点所对应的溶解氧，称为极限溶解氧Cc，出 现Cc的距离称为极限距离xc； 在极限距离处xc，溶解氧变化率为零，由S-P方程可得：
当边界条件
L L0 , x 0 C C0 , x 0
求取解析解可得：
二、水体富营养化预测模型
湖泊(水库)的水质特征： 水的停留时间较长（可达数月至数年），属于缓流水域， 其中的化学和生物学过程保持一个比较稳定的状态。 进入湖泊和水库中的营养物质在其中容易积累，致使水 质发生富营养化。 在水深较大的湖、库中，水温和水质是竖向分层的。 1．水体的富营养化问题 指在人类活动的影响下，氮、磷等生物所需营养物质大 量进入湖泊、水库、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮 游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，引起鱼 类及其他生物大量死亡的现象。