河流水质数学模型

2、2011年十大水系水质类别比例
长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河、浙闽片河流、西南 诸河与内陆诸河十大水系监测得469个国控断面中Ⅰ~Ⅲ类、Ⅳ~Ⅴ类 与劣Ⅴ类水质断面比例分别为61、0%、25、3%与13、7%。主要污 染指标为化学需氧量、五日生化需氧量与总磷。
3、 河流中有机污染物得相关情况
L0kd
2、3 S-P模型得修正模型
1925年,Street-Phelps提出BOD-DO偶合模型以后,水质模型得研究在很长 一段时间里进展缓慢。到了20世纪60年代,由于环境污染得加剧,水质问题引起 人们得关注,水质模型得研究也获得了快速发展。20世纪60~80年代就是水质 模型得快速发展时期。
2、2不考虑弥散作用得稳态解 当不考虑弥散作用,即弥散系数ks=0时,(1)式变化为
u C x
K1C
解上述方程得
K1 x
C C0e u
二维模型:如果模拟得河流水面较宽(超过200m),则按一维模型 计算结果可能误差较大,因此需采用二维模型计算。
3、二维情况下河流水环境容量模型
一个均匀河段得起始断面,从排污口连续稳定得向河流排
ksy
2C y 2
Байду номын сангаас
K1C
三、河流水质模型
(一)一维河流水质模型 1、河段划分 2、单一河段水质模型 3、多河段水质模型
(二)二维河流水质模型 4、正交曲线坐标系统 5、断面累积流量曲线 6、BOD模型 7、DO有限单元模型
1、河段划分
河流作为地球上分布最广泛得一种水体,其最显
著得特点就就是其在三维空间尺度上存在着巨大 得差异,并且其沿程得水文条件一般变化都较大。
B
ks
) e(kd ks )t
ekat
kd ka
( kd
B ka
P kd
)(1
ekat
)
D0ekat
2、4 QUAL-Ⅱ河流水质综合模型
由于污染物在水中得迁移转化就是一种物理得、化学
得与生物学得极其复杂得综合过程,因此要全面描述水体 得水质就必须研究水生生态系统与水质组分之间得联系, 就需要对多组合得综合体系建立水质模型。20世纪70年代, 美国建立了不少综合水质模型。其中最早得两个模型就是 QUAL-Ⅰ与QUAL-Ⅱ。
二、河流水环境容量模型
1、可概化为零维得河流水环境容量模型 2、一维情况下河流水环境容量模型 3、二维情况下河流水环境容量模型
大家学习辛苦了，还是要坚持
继续保持安静
1、可概化为零维得河水完全混合基本方程
在河流就是稳态,排污一定,污染物在河段内均匀混合,污 染物为持久性、不分解、不沉淀,河流无支流与其它排污 口时,通常采用完全混合模型,模型公式 如下:
3、1氧平衡指标
氧平衡指标就是影响水体水质变化得一个关键性指标,它表示水体中溶解 氧得情况,水体中有机物得含量不易直接测定,一般以有机物在氧化过程中所消 耗得溶解氧或氧化剂得含量来间接反映有机物得数量与危害程度。
常用得氧平衡指标有溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、总 需氧量(TOD)。
Q2i Q1i Q3i Qi
Q1i Q2,i1
L2iQ2i L1i (Q1i Q3i ) LiQi
根据S-P模型写出由i-1断面至i断面之间得ＢＯＤ衰减关系:
河段划分
河段划分得主要原则就就是保持所分割得河段 中水质参数不变。河段得划分就是通过在适当得 位置设置计算断面实现得。断面设置得方法就是:
①在河流断面形状变化处,例如由宽变窄处或由窄变宽处,由 深变浅处或由浅变深处,这些河段得变化会引起流速及水 质参数得变化;
②支流或污水汇入处,由于流量得输入会导致流速得变化,也 会导致污染物浓度得变化;
3、3水体得耗氧与复氧
(1)影响水体中氧消耗得主要因素 ①水中有机物在微生物作用下发生碳化分解与硝化分解; ②底泥有机物耗氧; ③水生生物得呼吸作用; ④其她还原性物质得氧化作用。 (2)影响复氧与增氧得因素 ①水流中得氧; ②大气复氧,即大气中得氧在水体中得溶解与扩散; ③自养型水生植物光合作用产生得氧。
放污水,由于河流水深相对很浅,近似假定污水排入后即刻
在水深方向均匀混合,这种情况下,
C 0, C 0,
t
z
二维稳态污染物质弥散方程为
u
C x
v
C y
ksx
2C x2
ksy
2C y 2
K1C
均匀河段,在水深变化不大得情况下,横向流速v=0,纵向弥 散项远小于对流项,可以忽略,则上式可简化为
u
C x
QUAL-Ⅱ就是一个具有多种用途得河流水质模型,它能 按照使用者得要求,以各种组合方式描述以下十三中水质 参数:⑴溶解氧;⑵生化需氧量;⑶水温;⑷叶绿素a(藻类);⑸ 氨氮;⑹亚硝酸氮;⑺硝酸氮;⑻可溶性磷;⑼大肠杆菌; ⑽任 选得一种可降解物质;⑾三种任选得不降解物质。可以把 这个模型应用于既有主流又有支流得均匀河段。
(2)生化需氧量
生化需氧量(BOD)就是水样中得有机物在生物化学分解过程中所消耗氧得 量。它就是以水样在一定温度(20℃)下,在密闭容器中保存一定时间(一般为五 日)后溶解氧得减少量来表示,五日得BOD值记为BOD5 。
3、2耗氧有机物及来源
耗氧有机物主要就是指溶解性与颗粒性碳 水化合物、蛋白质、油脂、氨基酸、脂肪 酸、酯类等有机物。这类有机物在水中可 被微生物利用与分解,转化为二氧化碳、水 与氮。由于在被微生物分解得过程中消耗 水体中大量得溶解氧,因此被称为耗氧有机 物。
河流水质数学模型
一、河流概况 二、河流水环境容量模型 三、河流水质模型 四、河流水质数学模型得发展趋势
一、河流概况
1、地表水环境质量标准 2、2011年十大水系水质类别比例 3、河流中有机污染物概况
1、地表水环境质量标准
依据地表水水域环境功能与保护目标,按功能高低依次划分为五类: Ⅰ类 主要适用于源头水、国家自然保护区; Ⅱ类 主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生
式中M为所考察得物质质量, g; C为组分浓度, g/ m3;x为 所考察得距离,m; t为时间,s; Ax 为距离x处得河流断面面 积分,得m外2; 部DL源为与纵汇向,g弥/s散。系数,m2/s;…u为平均流速,m/s; s为组
3、多河段水质模型
3、1 BOD多河段矩阵模型 3、2 BOD-DO偶合矩阵模型
在托马斯模型得基础上,考虑了底泥分解与光合作用得影 响:
dL dt (kd ks )L B
dD dt
kd
L
kaD
P
式中,B表示底泥分解对水中BOD得贡献速度;P表示藻类
光合作用得产氧速度。康布模型得解析解为:
L
(L0
kd
B
ks
)e(kd
ks )t
kd
B
ks
D
ka
kd (kd
ks )
(L0
kd
(1)溶解氧
溶解氧就是指溶解于水中得游离氧,常以DO来表示,就是反映水体中存在 氧得数量指标。天然水体中溶解氧数量一般以5~10mg/L,受到严重污染得水 体,溶解氧含量几乎接近于零,水质将严重恶化,因为当好氧有机物排入水体后, 会被好氧微生物分解,使水体中溶解氧急剧下降,造成水体中溶解氧得缺乏,如 果水体中溶解氧耗尽,有机物又会被厌氧微生物分解,发生腐败现象,产生甲烷、 硫化氢等恶臭物质,因此掌握水体中溶解氧得含量对分析水质污染、自净能力 都有重要意义。
S-P模型得基本形式为:
dL dt kd L
dD dt kd L ka D
式中,L表示河流得BOD值;D表示河流得氧亏值;kd表示河流得BOD衰减速度常 数;ka表示河流得复氧速度常数;t表示河流得流行时间。 上式得解析为:
L L0ekd t
D
kd L0 ka kd
e kd t
ekat +D0e-kat
③取水口处,由于水量得变化导致水流速度得变化;
④其她,例如现有得或历史得水文、水质监测断面处,在这些 地方设置断面,可以共享有关得水文、水质资料;在码头、 桥涵附近设立断面可以便于采样作业等。
一维河流概化示意图
2、单一河段水质模型
2、1 S-P模型 2、2 氧垂曲线 2、3 S-P模型得修正模型 2、4 QUAL-Ⅱ河流水质综合模型
式中:C一污水与河水混合后得浓度(mg／L); cp一河流上游某污染物浓度(mg／L); Qp一河流上游流量(m ／s); Qh一排放口处污水量(m ／s); ch一排放口污染物浓度(mg／L)。
一维模型:对于较长河流,当污染物在横向与垂
弥散:两种流体接触时,某种物质
向得浓度分布不均衡性可以忽略时,可用一维
从含量较高得流体中向含量较低
模型来模拟河水得水质与计算水环境容量。
得流体迁移,使两种流体分界面处
形成过度混合带,混合带不断发展
2、一维情况下河流水环境容量模型扩 即大 为,弥趋散向现于象成。为均质得混合物质,
设河流中污染物一维对流弥散方程为
C t
u
C x
ks
2C x2
k1C
(1)
式中ks为弥散系数(表征流动水体中污染物在沿水流 方向弥散得速率系数);k1为污染物得降解系数;C为 排污口下游处得浓度解(mg／L) ; X为沿河段得纵向 距离m;u为河水流速(m/s)。
2、1稳态解
稳态就是指均匀河段定常排污条件,即过水断面、流速、
流量等都不随时间变化, C 0
此时(1)式变化为
t
d 2C dx2
u ks
dc dx
K1 ks
C
0
通过解析得稳态解为
当x≥0时, 当x＜0时,
C
C0e2 x , 2
u 2ks
(1 )
C
C0e1x , 1
u 2ks
(1 )
C0为污染物进入河水完全混合得初始浓度(mg／L);
式中,L0与D0分别为河流起点得BOD与OD(氧亏)值。
2、2 氧垂曲线
根据S-P模型绘制得溶解氧沿程变化曲线称为氧垂曲线。
令:
dD dt
kd L
ka Dc
0
可以得到临界点得氧亏值与临界点距污水排放点得时间 (距离)
Dc
kd ka
L e kd tc 0
tc
ka
1 kd
ln
ka kd
1
D0 ka kd
该模型假设在河流中得物质主要迁移方式就是平移与弥散, 且认为 这种迁移只发生在河道或水道得纵轴方向上, 因此就是一维水质综合 模型。同时考虑了水质组分间得相互作用以及组分外部源与汇对组分 浓度得影响。对任意得水质变量C, 方程可写为如下形式(方程右边得4 项分别代表扩散、平流、组分反应与组分外部源汇项)
(1)托马斯模型
在S-P模型得基础上,引进沉淀作用对BOD去除得影响:
dL dt
kd
ks
L
dD dt
kd
L
ka D
式中,ks表示沉淀与再悬浮速度常数。 托马斯修正式得解就是:
L
L e(kd ks )t 0
D
ka
kd L0 (kd
ks )
e(kd ks )t
ekat
D0 e ka t
(2)康布模型
物栖息地、鱼虾类产场、仔稚幼鱼得索饵场等; Ⅲ类 主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬
场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区; Ⅳ类 主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触得娱乐用水区; Ⅴ类 主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。
对应地表水上述五类水域功能,将地表水环境质量标准基本项目标 准值分为五类,不同功能类别分别执行相应类别得标准值。水域功能类 别高得标准值严于水域功能类别低得标准值。同一水域兼有多类使用 功能得,执行最高功能类别对应得标准值。实现水域功能与达功能类别 标准为同一含义。
2、1 S-P模型
(1) Street-Phelps模型就是最早出现得河流水质模型,它得核心内容就是建立河流 中主要得耗氧过程(BOD耗氧)与复氧过程(大气复氧)之间得偶合关系。S-P模 型得主要假设为:①河流中得耗氧过程源于水中BOD,且BOD得衰减符合一级反 应动力学;②河流中溶解氧得来源就是大气复氧;③耗氧与复氧得反应速度定常。
3、1 BOD多河段矩阵模型 河流水质特点之一就是上游每一个排放口对下
游任何一个断面都会产生影响,而下游对上游不会 有影响。因此,河流断面得水质都可以瞧成上游每 一个断面得污染物与本断面污染物输入输出得影 响得总与。 根据S-P模型,可以写出河流中BOD得变化规律:
L L0ekd t
根据连续性原理,可以写出每一个断面得流量Q与Ｂ ＯＤ得平衡关系:
上述环境质量基本模型都就是建立在均匀流场这 一基本假设基础上得,而从河流全程这一宏观角度 上瞧,几乎没有一条河流可称得上就是均匀流场,因 此,只能通过将河流分段,使每一河段尽量满足流态 稳定这一基本条件,分别建立单一河段得水质模型, 再将各河段模型通过质量平衡原则联系在一起,这 样就可以组建整条河流得水质联立模型。