水环境模拟预测建模过程与案例_
教案--第5章 水质预测模型
h
28
一维模型稳态解
一维稳态模型的解：二阶线性偏微分方程
Dx
2C x 2
ux
C x
kC
0
Dx2 ux k 0
C Ae 1x Be 2x
X＜0
X≥0
h
29
一维模型稳态解
对于不受潮汐影响的内陆河，扩散、离散相对于移流作用很小，即Dx近似 为0，所以，排污对于上游（x＜0）的浓度变化没有影响，引起排污口下游 河流污染物浓度的变化为：
ISE值是负值或越大，说明拟建项目排污对该项水质参数的污染影响越大。
h
3
第1节 预测条件的确定
预测范围和预测点位的确定
预测范围与地表水环境现状调查的范围相同或略小（特殊情况也 可略大）。预测点的数量和位置应根据受纳水体和建设项目的特 点、评价等级以及当地的环保要求确定。
h
4
预测点的确定
➢ 已确定的敏感点；
河流混合过程段长度可由下式计算（理论公式）：
河中心排放 岸边排放
x=0.1uxB2/Ey x=0.4uxB2/Ey
u x——x方向流速，m/s； B ——河流宽度，m； Ey——横向扩散系数，m2/s。
h
19
常用河流水质数学模型与适用条件
河流混合过程段长度
*河流混合过程段长度可由下式估算（经验公式）：
➢大中河流中，预测河段弯曲较大（如其最大弯曲系数＞1.3）时，可视为弯曲河 流，否则可以简化为平直河流；
➢小河可以简化为矩形平直河流；
➢河流水文特征或水质有急剧变化的河段，可在急剧变化之处分段，各段分别进 行简化。
h
6
河流简化
➢对于江心洲等按以下原则进行简化 ①评价等级为3级时，江心洲、浅滩等均可按无江心洲、浅滩情况对待； ②评价等级为2级时，江心洲位于充分混合段，可以按无江心洲对待； ③评价等级为1级且江心洲较大时，可分段进行简化，江心洲较小时可 不考虑，江心洲位于混合过程段，可分段进行简化。 人工控制河流根据水流情况可以视其为水库，也可以视其为河流，分 段进行简化。
MIKE21教程(2024)
在模型中考虑堤防的溃决过程，模拟溃堤后洪水的演进情况，为防 洪决策提供科学依据。
洪水风险图制作
基于洪水演进模拟结果，制作洪水风险图，标识出不同淹没深度的区 域，为洪水风险管理提供支持。
2024/1/30
28
河道整治方案评估
河道地形建模
利用MIKE21建立河道地形模型， 包括河床地形、河岸地形等，为 后续整治方案评估提供基础数据 。
简要介绍多模型耦合技术的概念、原理及其在MIKE21中 的应用。
01
耦合模型构建
详细阐述如何构建多模型耦合系统，包 括模型选择、接口设计、数据传输等关 键步骤。
02
2024/1/30
03
耦合案例分析
通过具体案例，展示多模型耦合技术 在解决实际问题中的优势和应用效果 。
35
自定义函数编写及应用举例
2024/1/30
自定义函数编写方法
介绍如何在MIKE21中编写自定义函数，包括函数结 构、语法规则、调试技巧等。
自定义函数应用举例
通过实例演示自定义函数在MIKE21模拟过程中的具 体应用，如边界条件设置、源汇项处理等。
自定义函数优化建议
提供一些优化自定义函数的建议，以提高模拟效率 和准确性。
36
拓展模块介绍及功能展示
污染物扩散模拟
MIKE21可模拟污染物在水体中的扩散过程 ，包括对流、扩散、衰减等作用。
污染源识别
通过分析模拟结果，可识别出主要污染源及 其贡献率。
2024/1/30
扩散路径分析
可追踪污染物的扩散路径，为污染防控提供 决策支持。
32
环境影响评价辅助工具
模拟预测环境影响
通过模拟预测，可评估项目对环境的影响程 度及范围。
课件-(7水环境数学模型及预测)
人类活动的热排放
主要为火力发电厂、冶炼厂等冷却水的排放，可按随水 流迁移的热交换公式进行计算
6
5.1.2水体与大气的热交换
A R E C
辐射热通量
R I RI G RG S I G S
I为入射的太阳短波辐射通量；RI为被水面反射的太阳辐 射通量；G为入射的大气长波辐射通量；RG为G被水面反 射的大气辐射通量；S为水面发出的长波辐射热通量，单 位均为J/(m2.h)
12
5.1.3河流水温模型
程序步骤如下：
（1）计算上断面的初始水温。进入上断面的热量有干流 来水和支流来水带来的热量及排污热量，与水流充分混 合后，得到从上断面流入本河段的起始水温T0
W q T0 TI Tx TI QC p Q
热污染源引起 的水温变化 支流引起的水 温变化
9
5.1.3河流水温模型
类似于一维水质基本方程，可以写出河流 纵向一维水温迁移转化基本方程：
T T 2T u E 2 ST t x x
E为热量在水中的扩散、离散系数；ST为微元河段关于水 温的源漏项。一般河流中的扩离散作用远小于移流作用， 可忽略不计，则上式可简化为
T T u ST t x
20
5.2.2 QUAL - Ⅱ河流水质综合模型
各水质变量之间的相互关系
1-大气复氧作用；2-河底生物的耗氧；3-碳化合物BOD耗氧；4-光合 作用产氧；5-氨氮氧化耗氧；6-亚硝酸盐氮氧化耗氧；7-碳化合物 BOD的沉淀；8-浮游植物对硝酸盐氮的吸收；9-浮游植物对磷酸盐磷 的吸收；10-浮游植物代谢产生磷酸盐磷；11-浮游植物的死亡和沉淀； 12-浮游植物代谢产生氨氮；13-底泥释放氨氮；14-氨氮转化为亚硝 21 酸盐氮；15-亚硝酸盐转化为硝酸盐；16-底泥释放磷
水质预测模型与应用
• p--代表预测模型中采用的时序数据本身的滞后数(lags)
to-Regressive项。
tegrated项。 Average项。
,也叫做AR/Au
• d--代表时序数据需要进行几阶差分化（0,1,2），才是稳定的，也叫In
• q--代表预测模型中采用的预测误差的滞后数(lags)，也叫做MA/Moving
ARIMA （p，d，q）建模步骤
• • •
1.获取被观测系统时间序列数据； 2.对数据绘图，观测是否为平稳时间序列；对于非平稳时间序列要先进行d阶 差分运算，化为平稳时间序列； 3.经过第二步处理，已经得到平稳时间序列。要对平稳时间序列分别求得其自 相关系数ACF 和偏自相关系数PACF ，通过对自相关图和偏自相关图的分析， 得到最佳的阶层 p 和阶数 q
只与上一时刻的位置，
ARIMA （p，d，q）模型的特例
• ARIMA(1,0,0) = first-order autoregressive model • 一阶自回归模型 • p=1,d=0,q=0。说明时序数据是稳定的和自相关的。一个时刻的值只与
上一个时刻的值有关。
自适应变步长BP神经网络（ABPM）应用
• 4.水质预测的神经网络模型
自适应变步长BP神经网络（ABPM）应用
• 上游的水质变化将影响下游的水质变化,以上流断面的水质检测指标为
输入,以表1和2中的13组数据为样本,选取前10组数据用于训练网络,后3 组用于检验,利用训练好的网络模型对主要水质指标(COD、NH+4- N、TN、 TP)分别进行模拟计算。
水质预测模型与应用—渠冰
基于MIKE软件的水体污染扩散模拟—杨昱昊
水环境模拟技术的研究与应用
水环境模拟技术的研究与应用近年来，随着全球气候的变化和人类活动的不断增加，水环境的质量问题也越来越严重。
为了保护水资源和改善水环境，水环境模拟技术应运而生。
水环境模拟技术是指利用数学模型对水体的生态、水质等环境特征进行模拟和预测。
该技术已经被广泛应用于水质监测、环保规划、污染防治等领域，并且在实践中取得了良好的效果。
一、水环境模拟技术的研究现状目前，水环境模拟技术已经成为环境科学领域中的重要研究方向之一。
该技术主要包括数学模型搭建、数据采集和处理、模型预测和优化等环节。
其中，数学模型的建立是水环境模拟技术的核心。
水环境模拟技术常见的数学模型有：物理模型、统计模型、神经网络模型、遗传算法模型等。
物理模型利用水动力、水热、水质等物理现象来描述水文变化和水环境特征的变化，其计算精度高，但需要大量的实测数据和大量的计算量。
统计模型则是利用统计方法来描述水环境特征的变化，其比较简单，但对数据预处理要求较高。
神经网络模型利用神经网络的模拟和学习能力来预测水环境特征的变化，其具有一定的自学习能力，但对数据质量和样本量要求较高。
遗传算法模型则是一种优化模型，主要用于优化模型的参数。
该模型可以从一组可能的参数中找到最优解，但对模型的结构和参数设定要求较高。
总的来说，各种数学模型各有优缺点，在实际应用中需要根据具体的应用场景选择合适的数学模型。
此外，水环境模拟技术还需要与地理信息系统（GIS）、遥感技术、人工智能等技术相结合，以提高模型的精度和效率。
二、水环境模拟技术的应用水环境模拟技术的应用广泛，可以用于水质监测、环保规划、污染防治等领域。
以下是水环境模拟技术在不同领域的应用举例。
1、水质监测水环境模拟技术可以用于水质监测中，通过建立水质模型，预测水质状况和污染来源，为相关部门制定管理措施提供科学依据。
比如，在以农业为主的山区，农业活动导致水质下降，建立水质模型可以对农业活动的影响进行分析，制定科学的水资源管理方案。
基于EFDC模型的深圳湾水环境模拟与预测研究
基于EFDC模型的深圳湾水环境模拟与预测研究基于EFDC模型的深圳湾水环境模拟与预测研究1. 引言深圳湾是深圳市著名的海湾景区，也是重要的港口和工业区域。
随着城市发展和人口增加，深圳湾的水环境面临着严峻的挑战。
为了有效管理和保护深圳湾的水环境质量，开展深入的研究至关重要。
本文基于EFDC模型对深圳湾的水环境进行模拟与预测研究，旨在为深圳湾水环境管理提供科学依据和决策支持。
2. EFDC模型简介2.1 EFDC模型介绍EFDC（Environmental Fluid Dynamics Code）是一种流体动力学模型，广泛应用于水体和大气领域的数值模拟。
它能够模拟水体中的水动力学、水质变化以及污染物传输等过程，通过模拟和预测水环境变化，为环境管理和保护提供科学依据。
2.2 EFDC模型在水环境模拟中的应用EFDC模型已经在全球范围内的许多水体中得到了成功的应用，包括湖泊、河流、海岸和海洋等。
它能够模拟水体中的物理过程、生态过程和化学过程，并提供准确的预测结果。
在水环境模拟研究中，EFDC模型已被广泛应用于水动力学、水质模拟和污染物传输等方面。
3. 深圳湾的水环境特点3.1 地理和环境特点深圳湾位于广东省深圳市境内，东临东莞市虎门镇，西临珠海市，南依珠江口，北临深圳市中心。
它是珠江三角洲的重要组成部分，周边环境复杂多变。
3.2 水动力学特点深圳湾水域潮汐明显，潮汐幅度大，涨潮潮位高，退潮潮位低。
此外，湾内还存在一定的海流，海岸线曲线多，湾内存在不同尺度的涡旋和潮波。
3.3 水质特点受人类活动和自然因素影响，深圳湾的水体常常受到污染。
主要污染源包括工业废水、农业面源污染和城市污水。
水质参数中溶解氧、氨氮、总磷等指标常常存在超标现象。
4. EFDC模型在深圳湾水环境模拟中的应用4.1 模型建立针对深圳湾的地理特点和水动力学特点，我们根据实测数据和地理信息系统，建立了准确且可靠的深圳湾水体网格模型。
该模型包括湾区的网格划分、陆地和海洋界面边界条件的设定和参数的调整等。
湖水污染问题的数学建模与求解
中国传媒大学2010 学年第一学期数学建模与数学实验课程数学建模与数学实验题目Pristine湖污染问题的建模与求解学生姓名学号班级学生所属学院任课教师教师所属学院成绩Pristine湖污染问题的建模与求解摘要本文讨论了湖水污染浓度变化趋势的预测问题。
通过分析水流输入输出湖泊的过程，建立了湖水污染浓度随时间变化的含参变量的微分方程模型，在河水污染浓度恒定和自然净化速率呈线性关系的情况下，求得其精确解，带入具体数据得到结论：在PCA声称的河水污染浓度下，湖的环境不会恶化；在工作人员实地测得的河水浓度下，湖的环境将会恶化。
同时建立了计算机模拟模型，带入具体数值，运用时间步长法来仿真模拟了在湖水污染浓度稳定以前湖水每天的变化情况，输出自PCA建厂以来每年的湖水污染浓度，得到与微分方程模型相同的结论。
在全停产和半停产时，通过前面的两个模型可以计算湖水污染浓度在自然净化影响下的恢复到净化指标所需的年限。
并可得到结论：在半停产状态下，在选定的自然净化速率常数的约束下，只有当河水污染浓度降至原来的3.15%（自然净化速率呈线性关系），4.7%（自然净化速率呈指数关系），才有可能使河水在100年内恢复至0.001mol/l，然后给出整改建议。
一、问题重述Pure河是流入Pristine湖的唯一河流。
50年前PCA公司在此河旁建起一个生产设施并投入运行。
PCA将为处理的湖水排入河中，导致Pristine湖被污染。
PCA公司声称：已排放的废水的标准多年从未改变切不会对湖的环境有影响。
10L，流入（流出）的水流速度为149.1L/年。
现已知：Pristine湖的湖容量为15PCA公司声称河水污染浓度仅为0.001mol/L，自工厂以来没有改变过。
讨论下列问题：（1）建立数学模型用PCA提供的公开数据判断湖的环境是否会恶化；（2）以目前湖水污染浓度0.03mol/L，和河水污染浓度0.05mol/L为新数据判断湖的环境是否会恶化；二、模型的合理假设和符号系统2.1 模型的合理假设（1）降水量和增发量相等；（2）湖中流入量和流出量相等且一直未变；（3）污水量远小于河水注入量，且污水与河水混合均匀；（4）湖水混合均匀，且流入污水的扩散速度无限大；（5）湖内除Pure河外，无其他污染源；二三2.2 符号系统0ρ：河水污染浓度mol/L ；ρ：湖水污染物浓度mol/L ；V ：湖泊容量1510L ；c ：自然净化速率mol/（L 。
课件-(7水环境数学模型及预测)
27
5.2.3 水环境模型的多参数同时优 化估算法
水质模型多参数同时优化估算的基本原理及步骤
(3)由实测序列值和模型模拟序列值之差的某一范数构成 一目标函数，例如
对于BOD
对于DO
Jb K
h
J b
n i 1 n i b n r i 1 j 1 n r
1 1 f
18
5.2.1 河流一维BOD-DO模型
托马斯BOD-DO模型
在S-P模型的基础上考虑了一项因悬浮物沉淀与上浮对 BOD速率变化的影响，增加了一个沉浮系数K3.
多宾斯-坎普 BOD-DO模型
在托马斯模型的基础上，进一步考虑底泥释放和地表径 流作用，其作用变化率为R；藻类光合作用及呼吸作用耗 氧引起的DO变化，其作用变化率以P表示。
5.2.2 QUAL - Ⅱ河流水质综合模型
河流系统的概化
先分段，然后再分节，节的长度即为空间步长。这样就把一个河流 系统概化为由一系列节、段连接和组成系统。节与节之间通过对流 扩散作用联系在一起
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5.2.2 QUAL - Ⅱ河流水质综合模型
模型方程
C C QC Sint Sext EA t Ax x Ax
E为河流纵向离散系数；Sint为水质变量C的内部源汇项（如生化反应 等）；Sext为外部的源汇项（如支流入汇等）。源汇项的具体计算， 须结合实际情况确定。
23
5.2.2 QUAL - Ⅱ河流水质综合模型
水力学计算
Q qx i x i
qx为第i个计算单元的单位河长旁侧入流流量，于是可求得各河段的流量。 流速u和水深H可用经验公式得到：
2 水环境模拟和预测
产酸细菌
有机酸
产甲烷细菌
CH4+CO2
（3）硫酸根离子在硫酸还原菌作用下变成硫化氢
（1）在好气（有氧）条件下，好气性微生物利用水中的溶解氧使有机物发 生好气分解，这是水体中有机物生物氧化的主要途径。
BOD(mg/l)
250
200 100
0
LN LC
①碳化曲线 3
②硝化曲线
L0(N) L0(C)
5
两个阶段：
水环境与生态工程学（上）
水环境模拟和预测是在研究河流湖泊水库海洋等水体水质变化机理和规律的 基础上，建立水环境模拟预测模型，模拟已发生的水质变化过程，并且根据 将来的水文气象和排污条件，预测未来环境状态，为水污染防治和水环境治 理提供决策依据。
收集资料 理化模型 模拟 预测 率定参数
检验模型 预测评价
复氧： 复氧速度和氧亏（饱和 DO浓度―DO浓度）成 正比
边界条件：
L x 0 L0 O x 0 O0
dL d 2L u K 2 k1 L dx dx dO d 2O u K 2 k1 L k2 Os O dx dx
① 考虑离散：
4 Kk u L L0 exp 1 x 1 1 2 1 1 2K u k1 L0 O Os Os O exp 1 x k k exp 1 x exp 2 x 4 Kk2 u 1 2 2 2 K 1 1 u 2
• 生物从环境中摄取重金属可以经过食物链的生物放大作用，积蓄性强
8. 有毒物质
——酚类、有机农药、聚氯联苯多、环芳烃类……
酚类化合物：使蛋白质凝固，作用于神经系统，影响水生生物的生长和繁殖。
地表水环境数值模拟与预测——efdc建模技术及案例实训
地表水环境数值模拟与预测——efdc建模技术及案例实训地表水环境数值模拟与预测是一种基于数学方法和计算机模型的技术，可以对地表水环境的水质、水量及水流动态进行模拟与预测，为水环境管理和决策提供科学依据。
在这项技术中，EFDC （Environmental Fluid Dynamics Code）建模技术是一种常用且广泛应用的方法。
EFDC建模技术使用数值模型来模拟地表水环境中的水动力过程，以及与水质有关的物理、化学和生物过程。
该技术基于Navier-Stokes 方程、质量守恒方程和相关的物理学原理，结合网格划分和离散计算方法，通过计算机程序来模拟和预测水体的运动和混合过程。
EFDC建模技术可以对各种复杂的水体系统进行建模，如河流、湖泊、水库、沿海区域等。
通过收集和整理相关的水动力、水质和水生态学数据，可以对水环境进行定量的数值模拟和预测。
利用该技术，可以研究水体中的水流速度、水位变化、溶解氧、水温、营养盐、悬浮物、有机物等物理、化学和生物参数的空间和时间分布规律。
EFDC建模技术在实际应用中有着广泛的应用场景。
例如，可以用于评估工业废水排放对水体的影响，预测水污染物的扩散和转移路径，指导水资源规划和管理，优化水环境监测网络布局，并提供紧急事件应急响应等。
此外，EFDC建模技术还可以与其他模型和数据集成，提高模拟和预测的准确性和可靠性。
例如，可以将EFDC模型与水质模型、生态模型和气象模型等进行耦合，以获得更全面和综合的水环境模拟结果。
总之，EFDC建模技术是一种重要的工具，可以对地表水环境进行数值模拟和预测，为水环境管理和决策提供科学依据。
随着该技术的不断发展和完善，相信将在未来对水环境保护和可持续发展起到越来越重要的作用。
水利工程中的水文建模与预测技术
输出结果：预测 未来的降水、径 流等水文要素
水文预测的分类
定性预测：基 于经验和专业 知识进行预测
相关分析法：分 析变量之间的相
关性进行预测
定量预测：利用 数学模型和统计
方法进行预测
动态预测：考虑 时间因素，预测
未来水文情况
趋势外推法： 根据历史数据 预测未来趋势
模糊预测：处理 不确定性和模糊
性，进行预测
深度学习在水文 建模与预测中的 应用
强化学习在水文 建模与预测中的 应用
迁移学习在水文 建模与预测中的 应用
分布式水文模型与区域水资源管理
分布式水文模型在水资源管 理中的应用
分布式水文模型与区域水资 源管理的关系
分布式水文模型的概念和特 点
分布式水文模型在水资源管 理中的发展趋势和挑战
气候变化对水文建模与预测的影响及应对策略
水库调度中的水文建模
水库调度的重要性：保障水资源合理利用，防止洪涝灾害
水文建模的目的：预测水库入库流量，为水库调度提供依据
水文建模的方法：水文统计法、水文数值模拟法等 水文建模的应用：制定水库调度方案，优化水资源配置，提高水库运行效 率
水文模型在水利工程规划设计中的应用
水文模型在水利工 程规划设计中的作
常用水文预测方法
水文统计法：通过历史Hale Waihona Puke 文数据，建立统计模型进行预测
水文数值模拟法：利用数 学模型和计算机模拟，预 测水流和污染物传输过程
水文信息融合法：结合多 种水文数据和信息，提高
预测准确性
水文人工智能法：利用机 器学习、深度学习等方法， 实现水文预测的自动化和
智能化
5
水利工程中的水文预测技术
模型选择等
【完美版】教案水质预测模型PPT资料
➢河流与湖泊、水库的汇合部分可以按照河流与湖泊、水库 两部分分别预测其环境影响；
➢河口断面沿程变化较大时，可以分段进行环境影响预测；
➢河口外滨海段可视为海湾。
湖、库的简化
简化为大湖（库）、小湖（库）、分层湖（库）
水环境影响预测模型
水质模型的分类 按时间特性分类 动态模型 静态模型 按水域类型分：河流水质模型 河口水质模型(受潮汐影响) 湖泊水质模型 水库水质模型 海湾水质模型 按描述水质组分的多少分类： 单一组分模型 多组分水质模型
按水质组分分类分： 耗氧有机物模型(BOD—DO模型) 单一组分的水质模型 难降解有机物水质模型 重金属迁移转化水质模型
教案水质预测模型
第1节 预测条件的确定
预测时段
地表水环境预测应考虑水体自净能力不同的各个时段（水 期）。通常将其划分为自净能力最小、一般、最大三个阶 段（如：枯水期、平水期、丰水期）。 ✓ 一、二级评价，应分别预测水体自净能力最小和一般两个 时段的环境影响。冰封期较长的水域，当其水体功能为生 活饮用水、食品工业用水水源或渔业用水时，还应预测冰 封期的环境影响。 ✓ 三级评价或二级评价时间较短时，可以只预测自净能力最 小时段的环境影响。
例题：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3/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？
答案：21 mg/L
河流一维模型
河流简化
矩形平直河流、矩形弯曲河流、非矩形河流 具体简化方法如下： ➢河流断面宽深比≥20时，可视为矩形河流；
2024版(参考资料)MIKE21
水库调度与运行管理
通过MIKE21模拟水库调度过程，优化水库运行方案，提高水资源 利用效率。
水资源保护规划
基于MIKE21的水质模拟功能，制定水资源保护规划，提出水环境 治理和保护措施。
18
生态环境保护应用案例
2024/1/26
生态需水评估
利用MIKE21评估河流、湖泊等水域的生态需水量，保障生态系统 健康运行。
水生态修复规划
结合MIKE21的模拟结果，制定水生态修复规划，提出生态补水、 水生生物恢复等措施。
水环境容量核定
通过MIKE21计算水域的水环境容量，为污染物总量控制提供依据， 促进水环境改善。
19
床沙质泥沙
床沙质泥沙的输运通过床面变形和推移质运动来 描述。
泥沙浓度分布
模型能够模拟泥沙浓度在垂向上的分布，以及其 对水流和河床的影响。
2024/1/26
9
水质模型
2024/1/26
对流扩散方程
01
MIKE21水质模型基于对流扩散方程描述污染物的输运过程。
源汇项处理
02
模型能够考虑点源和面源污染物的输入，以及污染物的衰减和
2024/1/26
监测模型的运行状态，及时 处理运行过程中出现的问题 和异常；
对模拟结果进行后处理和可 视化展示，以便更好地分析 和理解模拟结果。
15
04
CATALOGUE
MIKE21在水利工程中应用案例
2024/1/26
16
防洪减灾应用案例
1 2
洪水模拟与预测 利用MIKE21进行洪水演进模拟，预测洪峰流量、 水位和淹没范围，为防洪决策提供科学依据。
河流水环境的模拟分析与控制研究
河流水环境的模拟分析与控制研究引言河流是人类赖以生存的重要资源，不仅是生态系统的组成部分，而且是重要的经济和社会资源。
然而，随着城市化和工业化的不断加速，河流水环境日益恶化，成为城市可持续发展面临的重大问题之一。
因此，对河流水环境进行模拟分析与控制研究具有重要现实意义。
一、河流水环境模拟分析1. 模型建立对于河流水环境的模拟分析，必须建立可靠的模型。
常见的河流水环境模型有数学模型和物理模型。
数学模型是利用数理方法对河流水环境进行描述和预测的模型，常见的数学模型有动力学模型、水动力模型和水文模型等。
在实际应用中，往往需要结合不同的数学模型，建立综合模型，以满足不同的需要。
2. 参数估计为了使模型具有较好的预测能力，需要对模型中的参数进行估计。
参数估计的方法有经验公式法、试验法和统计学方法等。
其中，统计学方法是一种比较有效的参数估计方法，可以利用观测数据对模型参数进行估计，以提高模型的可靠性。
3. 外部影响因素在对河流水环境进行模拟分析时，需要考虑外部影响因素对河流水环境的影响，例如气候、降雨、水量变化、人为干扰等。
这些影响因素的作用通常是通过对模型中的边界条件进行设定来实现的。
二、河流水环境控制研究1. 污染源控制水污染是城市化和工业化的必然产物，在河流水环境控制研究中，污染源的控制是一项重要工作。
为了控制污染源的排放，可以采用法规、政策和技术等手段。
例如，加强工业管理、推广环保技术、加强环保宣传等。
2. 水资源保护水资源是河流水环境的重要组成部分，在城市化和工业化的发展过程中，水资源的保护和合理利用至关重要。
为了保护水资源，可以加强对水资源的监测和管理，推广合理用水技术和节约用水措施等。
3. 生态环境修复生态环境修复是对河流水环境进行控制的重要手段之一。
通过生态修复技术，可以恢复生态环境，提高水质水量，促进水生态系统的完整性和稳定性。
例如，对于被污染的河流进行植被恢复、沉积物清理和其他生态修复措施等。
(2024年)MIKE11简单实例操作教程
模型优化和决策支持
2024/3/26
模型优化技术
介绍常用的模型优化技术及其在MIKE11中的应用，如遗传算法、 粒子群优化等。
决策支持系统集成
阐述如何将MIKE11与优化算法、决策支持系统等集成，以提供更 高效的决策支持。
案例分析
通过具体案例展示模型优化和决策支持在MIKE11中的应用，如水 库调度优化、水资源配置决策支持等。
导入观测数据
使用MIKE11的数据导入工具，将观测数据导入到MIKE11项目中。 在导入过程中，需设置时间格式、数据列对应关系等参数。
预处理观测数据
对导入的数据进行清洗，包括删除重复值、处理缺失值、异常值识 别与处理等。
导入DEM数据
使用GIS软件（如ArcGIS、QGIS）将DEM数据转换为MIKE11支持的 格式，并导入到项目中。
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MIKE11高级功能应用
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多模型耦合技术
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耦合概念介绍
阐述多模型耦合的基本原理和必要性，以及在 MIKE11中的实现方式。
耦合步骤详解
详细介绍在MIKE11中进行多模型耦合的具体步 骤，包括模型准备、耦合设置、运行调试等。
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耦合案例分析
通过具体案例展示多模型耦合技术在MIKE11中 的应用，如水文模型与水质模型的耦合等。
打开已有模型或数据文件
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基本操作技巧
复制/粘贴数据或模型参数
打印当前文件或模型结果
保存当前模型或数据文件
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Ctrl+S
Ctrl+C/Ctrl+V Ctrl+P
水环境治理项目模型模拟及数据分析的应用困扰和探索与实践
• 东风湖流域工程总体布局及问题针对 补水工程： 从洞庭湖补水 /供水水源水库补水 （政策风险）
• 2.2 东风湖流域工程设计分析
截污纳管工程：新建截污管线约12.12km（含吉家湖），
管径DN800~DN1500
解决现状污水直排带来的点源污染对水体影响
流域范围内仍存在32个污水直排口，旱季入湖污水量达3.2 万方/天
各入东风湖水资源量：
污水厂尾水：5万方/天 处理设施出水：1 万方/天 散排、直排污水：约3.22 万方/天
污水入湖量占
总入湖水量55%
流域内径流量：平水年入湖径流量1464.1万方/年
现状东风湖耗水量：蒸发渗漏耗水量532.25万方/年。 东风湖每年向洞庭湖排水量3067.15 万方/年。
• 东风湖流域污染负荷情况
解决现状污水处理设施尚无法满足流域内污水的消纳
流域管网建设不完善，污水处理厂规模无法满足需求，污水部分通 过应急设施处理后入湖，尾水水质稳定性难以保障。
湖泊生态清淤及隔堤拆除工程：工程疏浚范围约2.52
km2，平均清淤0.48 m，清淤工程量122.49 万m3；拆除渍 堤、连通水系等措施进行湖形优化，实现水系连通
中湖
地面散排和 直排污水
上湖
一体化设施处理站出水： 1万方/天
地面散排和直排污水
马濠污水厂出水： 5 万方/天
污水箱涵出水溢流：2 万方/天（约）
• 2.1 东风湖现状分析及问题识别
现状上湖与中湖、下湖不连通，湖体排水路线：
东风湖排水路线： 1、上湖排水路线：上湖——洞庭大道桥——撇洪 渠——东风湖排涝泵站排水闸——洞庭湖 2、中湖、下湖排水路线：中湖——隔堤开口——下 湖——下湖排水闸——东风湖排涝泵站排水闸——洞 庭湖
《水环境数学模型》课件
VS
数据处理的挑战
水环境系统的数据通常具有高度的复杂性 和不确定性，需要进行大量的数据处理和 分析工作。这需要专业的数据处理和分析 技能，增加了数据处理的难度和成本。
模型验证和校准
模型验证的挑战
验证水环境数学模型的准确性和可靠性是一个具有挑战性的任务。需要大量的实验和观测数据来验证 模型的准确性和可靠性，增加了验证的难度和成本。
详细描述
通过建立水量模型，可以预测降雨、 蒸发等自然因素和人类活动对水量的 影响，有助于水资源管理和防洪减灾 。
水动力模拟
总结词
水动力模拟是水环境数学模型的一个重要应用，用于模拟水体的流动和动力过 程。
详细描述
通过建立水动力模型，可以模拟水流的速度、方向、波高等参数，有助于了解 水体的流动规律和变化趋势。
水环境数学模型
目录
• 引言 • 水环境数学模型的基本原理 • 水环境数学模型的应用 • 水环境数学模型的发展趋势和挑
战 • 结论
01
引言
目的和背景
目的
水环境数学模型是用来描述水体中各种物理、化学和生物过 程的数学工具，其目的是预测水环境的变化，为环境保护和 治理提供科学依据。
背景
随着人类活动的不断增加，水环境面临着越来越大的压力。 为了更好地保护和治理水环境，需要深入研究水环境的各种 过程和影响因素，而数学模型是进行这种研究的有效手段之 一。
模型，这增加了模型的复杂性和计算成本。
03
多过程模拟的挑战
水环境系统涉及多种物理、化学和生物过程，如水流、扩散、化学反应
、生物降解等。为了准确模拟这些过程，需要建立更为复杂的数学模型
，这增加了模型的复杂性和计算成本。
数据获取和处理
湖水污染问题的数学建模与求解
中国传媒大学2010学年第一学期数学建模与数学实验课程数学建模与数学实验题目Pristine湖污染问题的建模与求解学生姓名学号班级学生所属学院任课教师教师所属学院成绩Pristine湖污染问题的建模与求解摘要本文讨论了湖水污染浓度变化趋势的预测问题。
通过分析水流输入输出湖泊的过程，建立了湖水污染浓度随时间变化的含参变量的微分方程模型，在河水污染浓度恒定和自然净化速率呈线性关系的情况下，求得其精确解，带入具体数据得到结论：在PCA声称的河水污染浓度下，湖的环境不会恶化；在工作人员实地测得的河水浓度下，湖的环境将会恶化。
同时建立了计算机模拟模型，带入具体数值，运用时间步长法来仿真模拟了在湖水污染浓度稳定以前湖水每天的变化情况，输出自PCA建厂以来每年的湖水污染浓度，得到与微分方程模型相同的结论。
在全停产和半停产时，通过前面的两个模型可以计算湖水污染浓度在自然净化影响下的恢复到净化指标所需的年限。
并可得到结论：在半停产状态下，在选定的自然净化速率常数的约束下，只有当河水污染浓度降至原来的%（自然净化速率呈线性关系），%（自然净化速率呈指数关系），才有可能使河水在100年内恢复至l，然后给出整改建议。
一、问题重述Pure河是流入Pristine湖的唯一河流。
50年前PCA公司在此河旁建起一个生产设施并投入运行。
PCA将为处理的湖水排入河中，导致Pristine湖被污染。
PCA公司声称：已排放的废水的标准多年从未改变切不会对湖的环境有影响。
现已知：Pristine 湖的湖容量为1510L ，流入（流出）的水流速度为149.1L/年。
PCA 公司声称河水污染浓度仅为L ，自工厂以来没有改变过。
讨论下列问题：（1）建立数学模型用PCA 提供的公开数据判断湖的环境是否会恶化； （2）以目前湖水污染浓度L ，和河水污染浓度L 为新数据判断湖的环境是否会恶化；二、模型的合理假设和符号系统模型的合理假设（1）降水量和增发量相等；（2）湖中流入量和流出量相等且一直未变；（3）污水量远小于河水注入量，且污水与河水混合均匀； （4）湖水混合均匀，且流入污水的扩散速度无限大； （5）湖内除Pure 河外，无其他污染源；符号系统0ρ：河水污染浓度mol/L ； ρ：湖水污染物浓度mol/L ；V ：湖泊容量1510L ；c ：自然净化速率mol/（L 。
水环境数学模型PPT课件
– 式中: I 分别表示 x ，y ，z方向上的污染物扩散通量； Em 为分子扩散系数m2/s，C是时均浓度。
-
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紊动扩散作用输移
– 湍流扩散：湍流流场中质点的瞬时值相对 于平均值的随机脉动导致的分散现象。
• 解：t=2d处的BOD5为：
L L 0 e k d 0 t 1e 0 5 .1 2 1.2 2 m 8 /L g
BOD对 kd 的灵敏度为：
SL kd
ddkdLkd0.1kLd00.20
-
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BOD的变化幅度：
LL SkL d kk d0 d(0.2) (1% 0)2%
由 kd 的不确定性引起的BOD变化值：
– 定义：在θ＝θ0 附近，状态变量 x （或目标 Z ）相对于原值 x*(或 Z*)的变化率和参数 θ相对于θ0 的变化率的比值
– 状态对参数的灵敏度：
Sx x x 0 xx0
– 目标对参数的灵敏度
SZ ZZ 0 Z Z0
-
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当Δθ 0 时，可忽略高阶微分项，得：
Sx dx d Nhomakorabea 0断面最小浓度和最大浓度之差在5%以内作为 达到完全混合的标准；
估算顺直河流中达到断面完全混合的距离的计 算公式： 河流中心排污：L 0.1uB2 / Ey
岸边排污： L 0.4uB2 / Ey
L-排污口到断面完全混合的距离 U-河流断面平均流速；Ey-横向扩散系数
-
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吸附与解吸
• 吸附：水中溶解的污染物或胶状物,当与悬浮于
• 建模过程
– 数据收集与分析模型结构选择： 白箱模型、黑箱模型、灰箱模型
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从均衡的角度出发模拟的地下水均衡变化与实际要基本相符
识别的水文地质参数要符合实际水文地质条件
（五）模型的识别、检验及预测
模型的识别、检验及预测
The end...
物的运动。这种追溯跟踪方法可以用来描述给定时间内井的截获区。
(三)数学模型的选择和模拟模型
2.数值模拟模型 主要包括：区域剖分、边界条件处理、 源汇项、水文地质参数确定
(三)数学模型的选择和模拟模型
2.数值模拟模型 （1）区域剖分 研究采用简单的正交网格布置。在水平尺度上,模拟范围大小
为36km×28km, 在垂向尺度上, 以实际机井取水深度为限, 设
（二）建立水文地质概念模型----以华北平原为例
在分析研究区水文地质条件的基础上建立研究区三维水文
地质概念模型包括含水层结构概化、边界条件概化和水力 特性确定。
侧向边界：研究区西部和北部山区与平原自然分界线概化为流量 边界；模型深层的山前边界在本次计算中概化为隔水边界；南部
及东南部以黄河为边界，模型第1层与黄河有水力联系，概化为流
第1含水层和第2含水层通过微弱的越流交换物质和能量，其越流量由
相邻两层的水位差及垂向渗透系数、含水层厚度决。
（二）建立水文地质概念模型----以华北平原为例 水力特性确定
从空间上看，研究区地下水流整体上以水平运动为主、垂向运动为辅，地下水
系统符合质量守恒定律和能量守恒定律；在常温常压下地下水运动符合达西定 律；考虑2个含水层之间的流量交换，地下水运动可以概化为空间三维流；地
(三)数学模型的选择和模拟模型
2.数值模拟模型 （3）源汇项处理
地下水系统的源汇项是指其补给项和排泄项。在均衡区内
地下水补给项主要包括有降水入渗补给量、农业回灌量、 侧向补给量、河流渗漏量；地下水排泄项主要包括开采量 和潜水蒸发量。源汇项处理的目的在于确定地下水的各个 补排项随时间和空间的变化规律，为建立地下水流数值模
当边界条件复杂，要给出定量数据有困难时，应 通过专门的抽水试验来了解，也可以留待识别模 型时来验证或修正边界条件。
（二）建立水文地质概念模型
在弄清水文地质条件基础上，如掌握含水层的层次、性 质、相互之间的水动力联系、地下水的流向、边界条件等 内容后，通过对实体进行概化，建立地下水水质模型。
根据水文地质条件和地下水资源评价的目的，对实际
置为200m。由于模拟范围较大, 网格布置需要综合考虑模拟 精度与模拟效率; 参照以往研究结果, 经过率定, 最终确定网 格长宽均为500m。网格垂向尺度根据含水层实际厚度确定, 潜水含水层40～60m, 隔水层3～20m, 其下均为承压含水层。
这种网格布置方式, 有利于简化问题, 适应于数据稀缺条件下
源汇条件数据
降水及灌溉用水的下渗回补、地表水体的下渗 补给、农用机井、工业及生活用机井的抽取
（一）数据搜集与数据库建立
区域边界定义了计算区域的范围, 而边界条件的给定 对于地下水资源的评价结果有着较大的影响, 因而查明 边界空间分布形状以及边界的性质, 给出边界值, 是运 用数值法进行地下水资源评价的重要工作。
平渗透系数和包气带的给水度；第二含水层、第三含水层
主要的水文地质参数为渗透系数、释水系数。
（四）求解数学模型 四、求解数学模型
一般采用数值模拟求解地下水污染模型，因此需要进行相
应问题的计算机编程，编程的内容取决于所处理的具体问 题的条件和所使用的计算机性能。使用前应准备好程序要 求输入的数据。
（五）模型的识别、检验及预测
1. 数学模型的选择
研究区地下水中的氯代烃的迁移转化考虑的主要因素
有对流、弥散、吸附及生物降解过程，二维方向上氯 代烃污染物浓度随时间的变化用以下方程表示:
(三)数学模型的选择和模拟模型
1. 数学模型的选择
国外的数值模拟软件随着计算机技术的发展，为了适应
数值模拟技术的大量应用，国外出现了众多地下水模 拟软件,主要有： FEFLOW、GMS、Visual MODFLOW等。
储和恢复的可能性（8）计算矿坑涌水的影响（9）预测海水入 侵造成的影响。
但是软件并不适合某些复杂的地质条件不饱和流动密度变化的
流动、热对流等棘手问题。
GMS软件介绍
是由美国Brigham Young University的环境模型研究室和美国军队排
水工程试验工作站集成了MODFLOW、MODPATH、MT3DMS、PEST 等软件包，基本上可以涵盖地下水流模拟的所有内容。
的快速评估。
(三)数学模型的选择和模拟模型
2.数值模拟模型 （2）边界条件处理
根据2001年12月研究区内统测的地下水位监测资料，按照
内插法和外推法获得各层初始水位。整个研究区是一个相 对完整的地下水系统西部及北部的山区和平原区之间的自 然分界线作为侧向流入边界南及东南部黄河处理为流量边界 东部渤海边界处理为一类水头边界。
的水质条件进行简化，这一过程称为水文地质条件的 概化。
（二）建立水文地质概念模型----以华北平原为例
在分析研究区水文地质条件的基础上建立研究区三维水文 地质概念模型包括含水层结构概化、边界条件概化和水力
特性确定。
结合含水层组的划分，概念模型中，将
含水岩组在垂向上概化为3个含水层
（二）建立水文地质概念模型----以华北平原为例
下水系统的垂向运动是由层间水头差异引起的；地下水系统的输入输出随时间、
空间变化，故地下水为非稳定流；参数随空间变化，体现了系统的非均质性， 所以含水介质概化为非均质各向同性介质。
综上所述，研究区可概化成非均质、水平方向各向同性、垂向存在变异空间 三维结构、非稳定地下水流系统，即地下水系统的概念模型。
Modular three-dimensional groundwater flow model Groundwater Modeling System Finite Element subsurface FLOW system
FEFLOW软件介绍
由德国WASY公司开发的，它是迄今为止功能最为齐全的地下水模 拟软件包之一，可用于：
(三)数学模型的选择和模拟模型
1. 数学模型的选择主要取决于研究的目的、所要求的精 度和已有或可能取得的基础资料。
如当研究区域的污染源，局部或中等规模的问题，而且精度要求较高， 则要采用对流-弥散型模型，因为这类模型可预测污染物在包气带土层
或含水层中的时空云翼规律，具有普遍性。
(三)数学模型的选择和模拟模型
在分析研究区水文地质条件的基础上建立研究区三维水文
地质概念模型包括含水层结构概化、边界条件概化和水力 特性确定。
研究区分层： 根据第四系地层与碳酸盐地层的分布关系，同时考虑岩溶 的垂直分带特征，将研究区分为三层，第一层，无压水面至其下50米 深度；第二层无压水面至其下50—80米标高水平面；第三层，80米标 高水平面至160米标高水平面。
数据搜集与数据库建立
地下水质概念模型的建立 数学模型的选择 求解数学模型 模型的识别、检验及预测
（一）数据搜集与数据库建立
地质基础数据
地下水水文数据
研究区地形地貌、气象、主要河流及湖泊等 查明含水层在空间上的分布情况；含水介质 厚度；含水介质透水性、储水性变化情况, 做出含水层非均质分区图，即根据渗透系数K 和给水度进行分区；查明主含水层与其它含 水层的水力联系
水环境模拟预测建模过程
中国科学院大学
2013年1月
主要内容
水环境模拟建模概述
地下水数值模拟过程
一 概述
模拟预测建模基本上就是合成一种实际的或抽象的系统，
这个系统的输出被认定为在一定程度上接近原型的输出。
模拟模型用来再现原型的某些特点，然后按一定的目标函
数对所选的方法或政策进行评价。
二 地下水数值模拟过程
1）模拟地下水区域流场及地下水资源规划和管理方案 2）模拟矿区露天开采或地下开采对区域地下水的影响及其最优对策 方案 3）模拟由于近海岸地下水开采或者矿区抽排地下水引起的海水或深 部盐水入侵问题 4）模拟非饱和带以及饱和带地下水流及其温度分布问题。模拟污染 物在地下水中迁移过程及其时间空间分布规律 5）结合降水-径流模型联合动态模拟“降雨-地表水-地下水”水资 源系统分析水资源系统各组成部分之间的相互依赖关系研究水资 源合理利用以及生态环境保护的影响方案等
MODFLOW是美国地质调查局于80年代开发出的一套专门用于孔隙介质
中地下水流动的三维有限差分数值模拟软件。已被广泛用来模拟井流、 河流、排泄、蒸发和补给对非均质和复杂边界条件的水流系统的影响。
MODPATH是确定给定时间内稳定或非稳定流中质点运移路径的三维示
踪模型。它和MODFLOW一起使用, 根据MODFLOW计算出来的流场, MODPATH可以追踪一系列虚拟的粒子来模拟从用户指定地点溢出污染
Visual MODFLOW软件介绍
由加拿大Waterloo水文地质公司开发研制，是目前国际上最为
流行且被各国同行一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟的 标准可视化专业软件系统。
应用范围有：（1）评价地下水安全供水量（2）评价地下水修
复系统（3）优化灌溉抽水量（4）圈划水源保护区（5）模拟自 然降解过程（6）确定风险评估的暴露途径（7）确定含水层存
拟模型准备数据。
(三)数学模型的选择和模拟模型
2.数值模拟模型 （4）水文地质参数确定
水文地质参数是表征含水介质储水能力、释水能力和地下水
运动能力的指标。对于华北平原这个典型的大区域，水文 地质条件极其复杂，水文地质参数区各含水层组差别较大， 为了能更详细地刻画研究区水文地质条件，给出了不同含 水层的参数值范围，第一含水层主要的水文地质参数为水
量边界；其他层位概化为隔水边界；东部以渤海海岸线为边界模 型第1层概化为水位边界，下伏其他各层定为隔水边界。