生化需氧量 (BOD) 和溶解氧 (DO) 是反映水质受到有机污染程度的综合指标, 决定水质洁净程度的重要参数之一。当有机污染物排入水体后, BOD浓度便迅速上升, 水体中的水生植物和微生物吸取有机物并分解时, 消耗水体中的溶解氧, 使溶解氧下降, 同时水生植物的光合作用要放出氧气, 空气也不断向水中补充溶解氧量, 因此微生物吸取BOD的过程是在耗氧和复氧同时作用下进行的。当微生物吸取、分解BOD的速率和大气复氧的速率相等时, 交点为临界点, 此点的溶解氧最少, 亏氧量最大, 该点在排放口以下多少距离出现, 以及溶解氧浓度为多大是水质预测中必须掌握的资料。
BOD-DO模型描述了河流中BOD和DO的消长变化规律, 是比较成熟的水质模型, 其中由斯特里特和菲尔普斯提出的S-P模型用于描述一维稳态河流中的BOD-DO的变化规律, 迄今仍得到广泛的应用, 也是各种修正和复杂模型的先导和基础。
1 S-P模型
1.1 S-P模型的建立及其解
S-P模型是建立在如下三项假设基础上的。
(1) 河流中的BOD衰减反应和溶解氧的复氧都是一级反应, 即反应速率与反应物浓度的一次方成正比。
(2) 反应速度是恒定的。
(3) 水体中溶解氧的减少只是由于BOD降解引起的, 其减少速率与BOD降解速率相同;而河流中溶解氧的来源则是大气复氧, 复氧速率与氧亏成正比。
由上述假设, 稳态的一维S-P模型的基本方程为:
式中:L为河水中的BOD值, mg/L;D为河水中的亏氧值, m g/L, 是饱和溶解氧浓度Cs与河水中的实际溶解氧浓度C的差值;k1为BOD耗氧速度常数, 1/d k2为复氧速度常数, 1/d;t为流经时间s。若记L0, Lt分别为初始时刻 (t=0) (或上断面) 和下游断面BOD浓度, 则k1可由方程计算得到。若记L为断面平均BOD浓度, D0, Dt分别为初始时刻 (t=0) 0 (或上断面) 和下游断面的氧亏量, 则k2可由方程计算得到。
这两个方程式是耦合的。当边界条件
时, 其解析解为
任意时刻下游断面的BOD浓度可由下式求得:
如果以河流的溶解氧来表示, 那么:
式中:O, sO分别为河流的溶解氧值和饱和溶解氧值。 (3) 式称为S-P氧垂公式, 根据该式绘制的溶解氧沿程变化曲线称为氧垂曲线, 如图1所示。
1.2 临界点及其指标
一般的, 人们最关心的是溶解氧浓度最低点——临界点, 此时水质最差。在临界点, 河水的氧亏值最大且变化率为零, 即
那么得到临界点的氧亏值Dc为式中tc为临界氧亏出现的时间, 可按下式计算
设u为河水平均流速, m/s, 则临界距离xc可有下式计算:
此时相应的最大氧亏称为临界氧亏;对应的溶解氧浓度称为临界溶解氧浓度, 记为Cc。令则得:
f为水体的自净系数, 为复氧常数与耗氧常数之比, 反映水体中溶解氧自净作用的快慢, 是衡量一条河流环境容量的一个指标。
2 实例分析
2009年国务院批复同意江西省《鄱阳湖生态经济区规划》, 发展以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳与生态经济已上升为国家战略层面。然而近年来由于流域内过度的工业开发和不科学的农业生产, 鄱阳湖水质已出现逐步恶化的倾向。对鄱阳湖流域注入河流过去和现状的水质进行研究, 摸清鄱阳湖水质变化趋势, 更好地预测未来的水质变化情况, 可以有效地为鄱阳湖的综合治理提供科学依据, 对鄱阳湖水环境管理和规划具有重大意义。
2.1 控制断面选择
鄱阳湖入湖河流之一饶河的水质由于河道径流量变化和沿途生活污水的排入, 对鄱阳湖的造成一定影响。根据上游污染源的分布及现有例行监测断面情况, 选择姚公渡和相距34km的入湖口龙口断面作为水质影响预测控制断面。
2.2 预测因子选择
鄱阳湖水质总体上较好, 但有机污染物质、营养物质入湖数量比较大, 主要是因为入湖河流流域经济发展和人口增长, 大量的工农业废水和生活污水排进河流, 汇入鄱阳湖。因此选择BOD和DO作为预测因子。
2.3 参数确定
水质模型里涉及很多参数, 这些参数很大程度上影响到预测效果, 所以参数确定至关重要。通过查阅文献资料, 运用经验公式, 并基于水质监测数据来确定模型参数, 对其进行汇总分析, 如表1所示。
2.4 预测结果
预测初始值取姚公渡断面水质监测数据, 水温数据采用日平均气温, 流速数据采用湖水丰、平、枯三期平均值。参数值取表1的确定结果。DO和BOD这两个指标的水质预测曲线如图2、图3所示。现将预测值和相应的实测值做一个误差分析, 结果如表2所示。
由表2看出, 各水质指标预测值与实测值的误差均控制在±20%之内, 最小误差为-0.56%, 最大误差为-15.71%。根据《水污染物排放许可证技术报告编写指南》对模型精度要求, 其误差应控制在±40%以内, 说明本模型满足精度要求, 能比较客观地反映研究流域污染物浓度与时间和空间的关系, 预测结果具有较高的可信度。
摘要：BOD-DO模型是定量描述水体污染物时空变化的一种数学表达式。论文将此模型应用于鄱阳湖入湖河流的水质预测, 并通过实例的应用分析, 将预测值与实测值对比, 证明此模型应用于河流水质预测, 理论合理, 方法简便, 易于应用。
关键词：BOD-DO模型,水质预测,鄱阳湖
参考文献
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