[指南]地表水环境影响预测公式

一、掌握常用河流水质预测模式的运用

性污染物，在沉降作用明显的河段，可近似采用非持久性污染物预测模式

按不同的分类依据，水环境预测模型种类如下图所示：

除此之外，按水质数学模式的求解方法及方程形式划分为解析解和数值解掌握利用数学模式

模式。

预测各类地面水体

（1）在水质混合区进行水质影响预测时，应选用二维或三维模式；在水质水质时，模式的选

分布均匀的水域进行水质影响预测时，选用零维或一维模式。

用原则

（2）对上游来水或污水排放的水质、水量随时间变化显著情况下的水质影

响预测，应选用动态或准稳态模式：其他情况选用稳态模式。

（3）矩形河流、水深变化不大的湖（库）及海湾，对于连续恒定点源排污

的水质影响预测，二维以下一般采用解析解解模式；三维或非连续恒定点

源排污（瞬时排放、有限时段排放）的水质影响预测，一般采用数值解模

式。

（4）稳态数值解水质模式适用于非矩形河流、水深变化较大的湖（库）和

海湾水域连续恒定点源排污的水质影响预测。

（5）动态数值解水质模式适用于各类恒定水域中的非连续恒定排放或非恒

定水域中的各类污染源排放。

（6）单一组分的水质模式可模拟的污染物类型包括：持久性污染物、非持

久性污染物和废热（水温变化预测）；多组分耦合模式模拟的水质因子彼此

间均存在一定的关联，如S－P模式模拟的DO和BOD。

常用的河流水质模式及其选择表

常用河流水质数学预测模式有：1.河流稀释混合模式

2.河流的一维稳态水质模式

3.Streeter-Phelps模式

4.河流二维稳态水质模式

5.常规污染物瞬时点源排放水质预测模式、

6.有毒有害污染物（比重≤1）瞬时点源排放预测模式

1.河流稀释混合模（1）点源：河水、污水稀释混合方程。对于点源排放持久性污染物，河水

式 与污水完全混合、反映河流稀释能力的方程为：

式中：C —污水与河水混合后的浓度，mg ／L ； C p —排放口处污染物的排放浓度，mg ／L ； Q p —排放口处的废水排放量，mg ／s 。 C h —河流上游某污染物的浓度，mg ／L ； Q h —河流上游的流量，mg ／s ；h u B Q h ??= 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河流为恒定流动； ④废水连续稳定排放

（2）非点源方程：对于沿程有非点源（面源）分布入流的情形，可按非点源方程计算河段污染物的浓度：

式中：

W s —沿程河段内（x ＝0到x ＝x s ）非点源汇入的污染物总负荷量，kg/d ； Q —下游x 距离处河段流量，m 3/s ；

Q s —沿程河段内（x ＝0到x ＝x s 。）非点源汇入的水量，m 3/s ； x s —控制河段总长度，km ； x —沿程距离（0≤x≤x s ），km 。

（3）考虑吸附态和溶解态污染指标耦合模型

当需要区分溶解态和吸附态的污染物在河流水体中的指标耦合，应加入分配系数的概念。

分配系数K p 的物理意义是在平衡状态下，某种物质在固液两相间的分配比例。

c

X K p =

式中：

c ——溶解态浓度，mg/L ；

X ——单位质量固体颗粒吸附的污染物质量，mg/mg ； K p ——分配系数，L/mg 。

对于有毒有害污染物，在已知其在水体中的总浓度的情况下，溶解态的浓度可用考虑吸附态和溶解态污染指标耦合模型计算：

6

101-??+=

S K c c p T

式中：

c ——溶解态浓度，mg/L ； c T ——总浓度，mg/L ； S ——悬浮固体浓度，mg/L ； K p ——分配系数，L/mg 。

2.河流的一维稳态水质模式

对于溶解态污染物，当污染物在河流横向方向上达到完全混合后，描述污染物的输移、转化的微分方程为：

（6-6） 式中：

A ——河流横断面面积： Q ——河流流量； c ——水质组分浓度； D L ——综合的纵向离散系数； S L ——直接的点源或非点源强度： S

B ——上游区域进入的源强；

S K ——动力学转化率，正为源，负为汇。 设定条件：稳态（＝0），忽略纵向离散作用，则上述微分方程的解为：

)86400exp(

0x u

K

C C -?= 非持久性污染物，一阶反应动力学反应衰减规律

式中：

K —一阶反应动力学速度，1/d ；（耗氧系数K1，复氧系数K2，沉降系数K3，

（K1+K2），（K1+K3），对于持久性污染物，在沉降作用明显的河流中，可以采用综合消减系数K 替代（K1+K3），这些K 都可以往里面带，很重要的公式，只要是非持久性污染物，衰减的都是exp 这个模式的） c 0—初始浓度，mg/L ；

u

—河流流速，m/s；

x—沿河流方向距离，m；

c—位于污染源（排放口）下游x处的水质浓度，mg/L。

3.Streeter

-Phelps模式

S－P模式是研究河流溶解氧与BOD关系的最早的、最简单的耦合模型。

它的基本假设为：

①河流为一维恒定流，污染物在河流横断面上完全混合；

②氧化和复氧都是一级反应，反应速率常数是定常的，氧亏的净变化仅是水

中有机物耗氧和通过液-气界面的大气复氧的函数。

Streeter-Phelps模式：

其中，

式中：

Q p——废水排放量，m3/s；

Q h——河流流量，m3/s；

D——亏氧量即DO f-DO，mg/L；

D0——计算初始断面亏氧量，mg/L；

D p——上游来水中溶解氧亏值，mg/L；

D h——污水中溶解氧亏值，mg/L；

u——河流断面平均流速，m/s；

X——沿程距离，m；

c——沿程浓度，mg/L。

DO f——溶解氧浓度，mg/L；

DO f——饱和溶解氧浓度，mg/L；

K1——耗氧系数，1/d；

K2——复氧系数，1/d。

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河流为恒定流动；

⑤污染物连续稳定排放。

氧垂曲线及相应概念：

氧垂曲线

沿河水流动方向的溶解氧分布为一悬索型曲线，通常称为氧垂曲线。

氧垂曲线的最低点C称为临界氧亏点，临界氧亏点的亏氧量称为最大氧亏

值。

在临界亏氧点左侧，耗氧大于复氧，水中的溶解氧逐渐减少；污染物浓度因净化作用而逐渐减少。

达到临界亏氧点时，耗氧和复氧平衡；*********

临界点右侧，耗氧量因污染物浓度减少而减少，复氧量相对增加，水中溶解氧增多，水质逐渐恢复，如排入的耗氧污染物过多将溶解氧耗尽，则有

机物受到厌氧菌的还原作用生成甲烷气体，同时水中存在的硫酸根离子将由

于硫酸还原菌的作用而成为硫化氢，引起河水发臭，水质严重恶化。

临界氧亏点x C的位置为：

4.河流二维稳态水

质模式

（1）二维稳态水质方程

①顺直均匀河流。

②用累积流量坐标表示的二维水质方程。

（2）连续点源的河流二维水质模式。

注意：河流二维模型只需要掌握具体形式及适用条件，一般不涉及计算。

（1）河流二维稳态模式与适用条件

①平直、断面形状规则河流混合过程段；

②持久性污染物；

③河流为恒定流动；

④连续稳定排放；

（2）河流二维稳态混合累积流量模式与适用条件

①弯曲河流、断面形状不规则河流混合过程段；

②持久性污染物；

③河流为恒定流动；

二、湖泊、水库

知识点：

1.湖泊（水库）水环境影响预测方法

(1）湖泊、水库水质箱模式

式中V—湖泊中水的体积、m3，

Q—平衡时流入与流出湖泊的流量，m3／a；

C E—流入湖泊的水量中水质组分浓度，g／m3；c—湖泊中水质组分浓度，g／m3；

Sc—如非点源一类的外部源或汇m3；

r（c）—水质组分在湖泊中的反应速率。

（2）湖泊、水库富营养化预测模型（磷负荷模型）① Vollenweider（沃伦伟德）负荷模型

式中[P］—磷的年平均浓度，mg／m3；

L p—年总磷负荷／水面面积，mg／m2；

q—年入流水量／水面面积，m3／m2；

T R—容积／年出流水量，m3／m3。

② Dillon(迪龙)负荷模型

式中［P］—春季对流时期磷平均浓度，mg／L；

—磷滞留系数；

—为平均深度，m；

q0—湖泊出流水量，m3／a；

[P]0—出流磷浓度，mg／L；

N—入流源数目；

q i—由源i的入湖水量，m3／a；

［P］i—入流i的磷浓度，mg／L。

（3）常用湖泊（水库）水质模式与适用条件

?湖泊完全混合衰减模式的适用条件：

①小湖（库）；

②非持久性污染物；

③污染物连续稳定排放；

④预测需反应随时间的变化时采用动态模式，只需反映长期平均浓度时采用平衡模式。

?湖泊推流衰减模式的适用条件：

①大湖、无风条件； ②非持久性污染物；

③污染物连续稳定排放。

三.河口、海湾水环境影响预测方法

（1）潮汐河流一维水质预测模式

①一维的潮汐河流水质方程 ②一维潮汐平均的水质方程

（2）海湾二维水质预测模式

①海湾二维水质模式 ②海湾潮流模式

四、掌握河流水质预测参数的确定方法

知识点：

河流水质模型参数的确定方法有：

公式计算和经验估值、室内模拟实验测定、现场实测、水质数学模型测定。

1.单参数测定方法

（1）复氧系数K 2的单独估值方法—经验公式法

①欧康那－道宾斯公式

②欧文斯等人经验式

③丘吉尔经验式

（2）耗氧系数K 1的单独估值方法

①实验室测定法

h u i K K /)5411.0('11++=

式中：'1K —实验室测定的耗氧系数；

i—河流底面坡度；

u—流速；

h—水深。

②两点法

式中：C A—断面A或r=r A时的污染物平均浓度。

C B—断面B或r=r B时的污染物平均浓度。

③多点法（m≥3）

（3）K1、K2的温度校正

温度常数取值范围：

（4）混合系数的经验公式单独估算法

①泰勒法求横向混合系数

②费希尔法求纵向离散系数

（5）混合系数的示踪试验测定法

定义：

示踪实验法是向水体中投放示踪物质，追踪测定其浓度变化，据此计算所需要的各环境水力参数的方法。

示踪物质有无机盐类、萤光染料和放射性同位素等。

示踪物质的选择应满足以下要求：

①在水体中不沉降、不降解，不产生化学反应；

②测定简单准确；

③经济；

④对环境无害。

示踪物质的投放方式有瞬时投放、有限时段投放和连续恒定投放三种。

连续恒定投放时，其投放时间（从投放到开始取样的时间）应大于1.5x m/u（x m为投放点到最远取样点的距离）。瞬时投放具有示踪物质用量少，作业时间短，投放简单，数据整理容易等优点。

2.多参数优化法

定义：多参数优化法是根据实测的水文、水质数据，利用优化方法同时确定多个环境水力学参数的方法。

多参数优化法所需数据：

①各测点的位置，各排放口的位置，河流分段的断面位置。

②水文方面：u，Q h，H，B，I，u max。

③水质方面：拟预测水质参数在各测点的浓度以及数学模式中所涉及的参数。

④各测点的取样时间。

⑤各排放口的排放量、排放浓度。

⑥支流的流量及其水质。

3.沉降系数K3和综合削减系数K的估值方法

①利用两点法确定K1＋K3或K；

②利用多点法确定K1十K3或K；

③利用多参数优化法确定K3、K。

六、掌握常用河流、湖泊、水库、水环境影响预测

稳态模式（一维、二维）要求的基础资料及参数（预测条件）

1.预测的设计水文条件

在水环境影响预测时应考虑水体自净能力不同的多个阶段。

对于内陆水体，自净能力最小的时段一般是枯水期，个别水域由于面源污染严重也可能在丰水期；对于北方河流，冰封期的自净能力最小，情况特殊。

在进行预测时需要确定拟预测时段的设计水文条件，如河流十年一遇连续天枯水流量，河流多年平

均枯水期月平均流量等。

2.受纳水体的水质状况

按照评价工作等级要求和建设项目外排污水对受纳水体水质影响的特性，确定相应水期及环境水文条件下的水质状况及水质预测因子的背景浓度。一般采用环评实测水质成果数据或者利用收集到的现有水质监测资料数据。

3.拟预测的排污状况

一般分废水正常排放（或连续排放）和不正常排放（或瞬时排放、有限时段排放）两种情况进行预测。两种排放情况均需确定污染物排放源强以及排放位置和排放方式。

4.水质模型参数和边界条件

在利用水质模型进行水质预测时，需要根据建模、验模的工作程序确定水质模型参数的数值。

确定水质模型参数的方法有实验测定法、经验公式估算法、模型实测法、现场实测法等。对于稳态模型，需要确定预测计算的水动力、水质边界条件；对于动态模型或模拟瞬时排放、有限时段排放等，还需要确定初始条件。