第三节河流水质模型演示文稿
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第三节河流水质模型演示文 稿
（优选）第三节河流水质模 型
3.1 河流中的水质问题
一、污染物与河水的混合
污染物排入河流后，从污水排放口 到污染物在河流横断面上达到均匀分布， 通常需经历竖向混合和横向混合两个阶 段。
竖向混合——污染物进入河流后，在较短距离内 即达到竖向的均匀分布
横向混合——污染物达到竖向均匀分布到污染物 在整个断面上达到均匀分布的过程
LN =LN0〔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 水中的质量传递速度：
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
V-水的体积
欧康奈尔 （ D.O’·Conner ）和多宾斯（W·Dobbins）在1958
氧
DO
氧垂曲线 复氧曲线 耗氧曲线
tc—由起始点到临界点的流经时间
tc 溶解氧氧垂曲线
时间t
临界点氧亏值:
dD 0 dt
Dc=
Kd L0 Ka
e-Kd tc
S-P模型的修正型 卡普修正式 上游来量及旁侧入流叠加 托马斯修正式 考虑泥沙、悬浮固体对有机物的吸附沉降，化学 絮凝沉降及水流冲刷再悬浮。 托曼修正式 考虑断面流速和浓度分布不均匀而引起的剪切 流纵向分散。 杜宾斯修正式 考虑底泥释放或沿程地表径流加入的BOD浓度 沃康纳修正式 认为BOD5不能反映有机污染物BOD的总量
3.3 多河段水质模型
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：
a）河流断面形状发生剧烈变化处 b）支流或污水的输入处 c） 河流取水口处 d）其他需要设立断面的地方
二、多河段BOD模型及DO模型的建立
1. BOD模型 河流水质的特点之一是上游每一个排放口排放的污
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
四、光合作用
水生植物的光合作用是河流溶解氧的另一个重要来源。
欧康奈尔假定光合作用的速度随着光照强度的变化而变 化。中午光照强度最大时，产氧速度最快，夜晚没有光照时， 产氧速度为零。
S-P氧垂公式
O= Os-D = Os-
Kd L0 Ka - Kd
[e-Kd t - e-Ka t] - D0 e-Ka t
污水排放点 河流BOD＝L0
饱和溶解氧浓度Cs
O—河流中的溶解氧值 Os —饱和溶解氧值 L0－河流起始点的BOD值 D0－河流起始点的氧亏值 Dc－临界点的氧亏值
溶
D0
解
Dc
注： 直道中，主要动力为横向弥散作用; 弯道中，横向环流大大加速了横向扩散
竖向混合：三维混合问题 横向混合：二维混合问题 完成两种混合后混合问题位移为混合问题
保守物质将一直保持断面浓度； 非保守性物质由于生物化学等作用产生浓度变化， 但在整个断面分布始终是均匀的。
二、生物化学分解
1. 河流中的有机物经过生物降解所产生的浓度变化，可 由一级反应式表示：
Kc＝ Kd + Ks
3. 1966年， K·Bosko研究了河流中生化作用的BOD衰减速度 常数Kd和实验室的数值Kc之间的关系：
Kd＝ Kc +
ux
H
η为河床活度常数，综合反映河流对有机物生化降解作 用的影响。
4. 稳态河流中BOD的变化规律满足下式：
Lc=L0〔exp（-Kc
x ux
）〕
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
5. 含氮有机物排入河流后，同样发生生物化学氧化过程：
五、藻类的呼吸作用
藻类的呼吸作用要消耗河水中的溶解氧，通常把藻类呼 吸耗氧速度看作是常数.
六、底栖动物和沉淀物的耗氧
底泥耗氧的主要原因是由于底泥中的耗氧物返回到水中 和底泥顶层耗氧物质的氧化分解.
3.2 单一河段水质模型
定义：在所研究的河段内只有一个排放口时称该河段为单一河段 坐标：在研究单一河段时，一般把排放口置于河段的起点，即定
义排放口处的纵向坐标x＝0.
S-P模型—描述河流水质的第一个模型，由斯特里特（H • Streeter）和菲而普斯（E • Phelps）在1925年建立。
基本假设：河流中的BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应，反 应速度为常数；河流中的耗氧是由BOD衰减引起的，而河流中 的溶解氧来源则是大气复氧。
L=L0 e -Kc*t
L－t时刻有机物的剩余生物化学需氧量 L －初始时刻有机物的总生物化学需氧量
0 Kc —含碳有机物的降解速度常数，为温度的函数
实验室测定Kc值：通过实验室中测定生化需氧量（BOD）和时间的关系
2. 1961年，托马斯（H·Thomas）提出了河流中BOD衰减的 另一个原因—沉淀，如果反映生化作用和沉淀作用的BOD衰减 速度常数分别为Kd和Ks，则
染物对下游每一断面的水质都会产生一个增量，而下游 的水质对下游不会产生影响。
因此，河流每一个断面的水质状态都可以视为上游 每一个断面排放污染物和本断面排放污染物的影响的总 和。
2. DO模型
（优选）第三节河流水质模 型
3.1 河流中的水质问题
一、污染物与河水的混合
污染物排入河流后，从污水排放口 到污染物在河流横断面上达到均匀分布， 通常需经历竖向混合和横向混合两个阶 段。
竖向混合——污染物进入河流后，在较短距离内 即达到竖向的均匀分布
横向混合——污染物达到竖向均匀分布到污染物 在整个断面上达到均匀分布的过程
LN =LN0〔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 水中的质量传递速度：
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
V-水的体积
欧康奈尔 （ D.O’·Conner ）和多宾斯（W·Dobbins）在1958
氧
DO
氧垂曲线 复氧曲线 耗氧曲线
tc—由起始点到临界点的流经时间
tc 溶解氧氧垂曲线
时间t
临界点氧亏值:
dD 0 dt
Dc=
Kd L0 Ka
e-Kd tc
S-P模型的修正型 卡普修正式 上游来量及旁侧入流叠加 托马斯修正式 考虑泥沙、悬浮固体对有机物的吸附沉降，化学 絮凝沉降及水流冲刷再悬浮。 托曼修正式 考虑断面流速和浓度分布不均匀而引起的剪切 流纵向分散。 杜宾斯修正式 考虑底泥释放或沿程地表径流加入的BOD浓度 沃康纳修正式 认为BOD5不能反映有机污染物BOD的总量
3.3 多河段水质模型
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：
a）河流断面形状发生剧烈变化处 b）支流或污水的输入处 c） 河流取水口处 d）其他需要设立断面的地方
二、多河段BOD模型及DO模型的建立
1. BOD模型 河流水质的特点之一是上游每一个排放口排放的污
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
四、光合作用
水生植物的光合作用是河流溶解氧的另一个重要来源。
欧康奈尔假定光合作用的速度随着光照强度的变化而变 化。中午光照强度最大时，产氧速度最快，夜晚没有光照时， 产氧速度为零。
S-P氧垂公式
O= Os-D = Os-
Kd L0 Ka - Kd
[e-Kd t - e-Ka t] - D0 e-Ka t
污水排放点 河流BOD＝L0
饱和溶解氧浓度Cs
O—河流中的溶解氧值 Os —饱和溶解氧值 L0－河流起始点的BOD值 D0－河流起始点的氧亏值 Dc－临界点的氧亏值
溶
D0
解
Dc
注： 直道中，主要动力为横向弥散作用; 弯道中，横向环流大大加速了横向扩散
竖向混合：三维混合问题 横向混合：二维混合问题 完成两种混合后混合问题位移为混合问题
保守物质将一直保持断面浓度； 非保守性物质由于生物化学等作用产生浓度变化， 但在整个断面分布始终是均匀的。
二、生物化学分解
1. 河流中的有机物经过生物降解所产生的浓度变化，可 由一级反应式表示：
Kc＝ Kd + Ks
3. 1966年， K·Bosko研究了河流中生化作用的BOD衰减速度 常数Kd和实验室的数值Kc之间的关系：
Kd＝ Kc +
ux
H
η为河床活度常数，综合反映河流对有机物生化降解作 用的影响。
4. 稳态河流中BOD的变化规律满足下式：
Lc=L0〔exp（-Kc
x ux
）〕
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
5. 含氮有机物排入河流后，同样发生生物化学氧化过程：
五、藻类的呼吸作用
藻类的呼吸作用要消耗河水中的溶解氧，通常把藻类呼 吸耗氧速度看作是常数.
六、底栖动物和沉淀物的耗氧
底泥耗氧的主要原因是由于底泥中的耗氧物返回到水中 和底泥顶层耗氧物质的氧化分解.
3.2 单一河段水质模型
定义：在所研究的河段内只有一个排放口时称该河段为单一河段 坐标：在研究单一河段时，一般把排放口置于河段的起点，即定
义排放口处的纵向坐标x＝0.
S-P模型—描述河流水质的第一个模型，由斯特里特（H • Streeter）和菲而普斯（E • Phelps）在1925年建立。
基本假设：河流中的BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应，反 应速度为常数；河流中的耗氧是由BOD衰减引起的，而河流中 的溶解氧来源则是大气复氧。
L=L0 e -Kc*t
L－t时刻有机物的剩余生物化学需氧量 L －初始时刻有机物的总生物化学需氧量
0 Kc —含碳有机物的降解速度常数，为温度的函数
实验室测定Kc值：通过实验室中测定生化需氧量（BOD）和时间的关系
2. 1961年，托马斯（H·Thomas）提出了河流中BOD衰减的 另一个原因—沉淀，如果反映生化作用和沉淀作用的BOD衰减 速度常数分别为Kd和Ks，则
染物对下游每一断面的水质都会产生一个增量，而下游 的水质对下游不会产生影响。
因此，河流每一个断面的水质状态都可以视为上游 每一个断面排放污染物和本断面排放污染物的影响的总 和。
2. DO模型