第三章水环境化学-第四节水质模型介绍
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。
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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。
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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。
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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）。
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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)
第三章水环境化学-第四节水质模型介绍
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。
2.吸着过程对有机物消失的影响 有机物在颗粒物上的吸着会降低有机物在水中的浓度， 吸着也会发生转化（如微生物转化代谢），但在这里 不考虑转化过程或转化很慢（比溶液中慢），并且吸 着过程具有可逆性。 当有机物含量很低时，它在水和颗粒物之间的分配往 往可以用分配系数(KP)来表示：
CS KP CW
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。
生物积累过程 生物浓缩：通过可能的生物浓缩手段（如鱼腮吸附）， 摄取有机物进入生物体。 生物放大：高营养级生物以低营养级生物为食物，使生 物体中有机毒物的浓度随营养级的提高而逐步增大。
CT CS CP CW
Cs、Cw分别为有机毒物在颗粒物和水中的平衡浓度; CT、CP分别为单位体积水溶液有机毒物和颗粒物总浓度。
将上式代入
RT Ki [C] KT [C]
KT CT RT K P CP 1
ln 2 t1 (CP K P 1) KT 2
则
3.稳态时的浓度（动态平衡） 假设: 有机毒物输入水体的速率 RI,有机毒物在水环 境中消失的速率 RL 当 RI = RL 时，有机毒物就达到稳态浓度
《水质模型》课件
确保数据质量
实际监测的水质数据质量直接影 响验证与评估的结果，因此要确 保数据的准确性和可靠性。
多种方法综合评估
单一的验证与评估方法可能存在 局限性，应采用多种方法进行综 合评估。
误差的可接受范围
应根据实际情况确定误差的可接 受范围，判断模型是否满足实际 应用的需求。
PART 06
水质模型的应用案例
总结词
预测不同水文条件下的水质变化
详细描述
通过建立水质模型，可以预测在不同水文条件下的水质变 化，为水资源管理和调度提供决策依据，确保供水安全。
水质模型在湖泊中的应用案例
总结词
模拟湖泊中污染物的分布、迁移和归宿
详细描述
水质模型在湖泊中的应用主要集中在模拟湖泊中污染物的 分布、迁移和归宿，探究不同污染物在湖泊中的扩散、转 化和归宿规律，为湖泊污染治理提供科学依据。
总结词
模拟地下水与地表水的相互关系
详细描述
地下水与地表水之间存在密切的相互关系，水质模型可以 模拟地下水与地表水的相互关系，探究不同因素之间的相 互作用和影响机制，为水资源管理和保护提供决策支持。
建立水质模型的常用软件和工具
MATLAB
01
一款功能强大的数学计算软件，可用于水质模型的建立、模拟
和数据分析。
MIKE
02
一款专业的水质模拟软件，具有强大的三维模拟功能和可视化
界面。
HYDSIM
03
一款针对河流、湖泊等水体的水质模拟软件，适用于一维和二
维模型的建立。
PART 04
水质模型的参数估计
水质模型在地下水中的应用案例
总结词
预测地下水中污染物的扩散和迁移
详细描述
地下水是重要的水资源之一，水质模型在地下水中的应用 主要集中在预测地下水中污染物的扩散和迁移，评估地下 水水质状况和变化趋势，为地下水保护提供科学依据。