第三节河流水质模型演示文稿
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3 河流水质模型
c t
0
，因此得到
数学模型
2 c c ux Kc 0 D x 2 x x c x x c0 0 c x 0
运用数学物理方程的求解方法，可以求得其解析解：
污染源
u x
Dx
K
x 0 c c0
0
x
图2.1 河流中一维扩散示例图
由式（2.27）和（2.28）可得到断面任一点浓度与断面 平均浓度的比值：
c c 1 4 {exp( y
2 2
4 B
) exp[
(B y) 4 B
2
2
] exp[
(B y) 4 B
2
2
]} ( 2 . 29 )
式中 :
Dxx uxB
2
根据定义，当污染物达到岸边时，c
t0 c max
1
c max
2
t1
t2
x m 2 x
c max
n
tn
x0
x1
xm
x m 2 x
xn
x
图2.６扩散过程态图
例题1：一项扩建工程向河流排放废水，废水量
为 Q2=0.15m3/s ，主要污染物苯酚浓度为30 ug/L ， 河流量 Q1=5.5 m3/s，流速0.3m/s，纵向弥散系数为 Dx=10m2/s 。苯酚在原河流中监测浓度为 0.5 ug/L， 它的降解系数K=0.2d-1（如图）。求：下游10km处苯 酚浓度 ？ 解： (1)计算起始处完全混合后的初始浓度
0 . 0137
x 0 . 0137 u x B Dy
2
c
0 . 05
可以求出
【完美版】教案水质预测模型PPT资料
➢河流汇合部分可以分为支流、汇合前主流、汇合后主流三 段分别进行环境影响预测。小河汇入大河时，把小河看成点 源；
➢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；
➢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；
《水质模型》课件
确保数据质量
实际监测的水质数据质量直接影 响验证与评估的结果，因此要确 保数据的准确性和可靠性。
多种方法综合评估
单一的验证与评估方法可能存在 局限性，应采用多种方法进行综 合评估。
误差的可接受范围
应根据实际情况确定误差的可接 受范围，判断模型是否满足实际 应用的需求。
PART 06
水质模型的应用案例
总结词
预测不同水文条件下的水质变化
详细描述
通过建立水质模型，可以预测在不同水文条件下的水质变 化，为水资源管理和调度提供决策依据，确保供水安全。
水质模型在湖泊中的应用案例
总结词
模拟湖泊中污染物的分布、迁移和归宿
详细描述
水质模型在湖泊中的应用主要集中在模拟湖泊中污染物的 分布、迁移和归宿，探究不同污染物在湖泊中的扩散、转 化和归宿规律，为湖泊污染治理提供科学依据。
总结词
模拟地下水与地表水的相互关系
详细描述
地下水与地表水之间存在密切的相互关系，水质模型可以 模拟地下水与地表水的相互关系，探究不同因素之间的相 互作用和影响机制，为水资源管理和保护提供决策支持。
建立水质模型的常用软件和工具
MATLAB
01
一款功能强大的数学计算软件，可用于水质模型的建立、模拟
和数据分析。
MIKE
02
一款专业的水质模拟软件，具有强大的三维模拟功能和可视化
界面。
HYDSIM
03
一款针对河流、湖泊等水体的水质模拟软件，适用于一维和二
维模型的建立。
PART 04
水质模型的参数估计
水质模型在地下水中的应用案例
总结词
预测地下水中污染物的扩散和迁移
详细描述
地下水是重要的水资源之一，水质模型在地下水中的应用 主要集中在预测地下水中污染物的扩散和迁移，评估地下 水水质状况和变化趋势，为地下水保护提供科学依据。
流域水质模型与模拟
饱和溶解氧浓度 Cs 是温度、盐度和大气压力的函数，在 760 mmHg 压 力（常压）下，淡水中的饱和溶解氧浓度可以用下式计算（T 为温度）
Cs
468 31.6 T
临界溶解氧浓度
1
Cc
Cs
L0 f
f
1
f
1 Cs C0
L0
1 f
BOD浓度
L
K1 x
L0e u
L0e K1t
t
x u
解答：
污水排入河流后排放口所在河流断面初始浓度可用完全混合模型计算：
c0
Qhch Qpcp Qh Qp
5.8 0.5 0.230 5.8 0.2
1.483
计算考虑纵向弥散条件下的下游5 km处的浓度：
c
c0
exp
v 2D
(1
m)x
c0
exp
v 2D
(1
1
4k1D v2
)x
1.483exp
（3）对于有机物降解性物质，当需要考虑降解时，可 采用零维模型分段模拟，但计算精度和实用性较差，最 好用一维模型求解。
河流稀释混合方程
C CP Qp CE QE Qp QE
第三章 河流水质模型
一维水质模型
单一河段水质模型
单一河段涵义：只有一个排放口时称该河段为单一 河段
坐标：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
饱20
9.069 8 (mg/L)
临界溶解氧浓度
1
Cc
9.0698
20 0.505 1.01
1.01
0.505
1
1.01 0.505
1
9.069 8 20
河流水质模型PPT课件
x1 x1
C 0 Q q —河段起始端旁侧入流(支流或排污口)的i流1 量； x1
Q—上i 游1 来水的污染物浓度；
q—x 旁1侧入流的污染物浓度。
均匀混合模型适用于均匀河段，要求 足够小，否则会造成较大误差。
C i 1
C x1
x
第10页/共74页
李光炽
水质模型
5.3 一维BOD-DO水质模型
第27页/共74页
李光炽
水质模型
5.4 一维河流水质模拟
对于一条实际河流应用水质模型进行水质模拟和水质预测时，首先应对河流水量水 质的基本数据和资料进行如下分析和整理。 (1)河流的径流量。河流的径流量对稀释作用和自净能力有重要影响。天然河流的 径流量一般变化幅度较大，而污水流量变化幅度小，因而在河道的枯水季节，河流 的水质状况较差。
第4页/共74页
李光炽
水质模型
5.2 均匀混合水质模型(零维水质模型)
均匀混合水质模型是把一个水体，如一个河段，看作是一个均匀混合的反应器。假 定入流进入反应器后立即均匀分散，各水团完全均匀混合。其质量平衡方程为
V
C t
QC0
QC
S
r(C)V
式中 V — 反应器内水的体积；Q — 反应器入
流及出流流量；C0、C － 入流及反应器内污染物浓 度；r(C) － 反应器内过程的反应速率，与C有关；
F2 exp[ K 2 x / ux ]
第23页/共74页
李光炽
水质模型
上述式称Dobbins-Camp修正式。如果R＝O，P=O，则成为Thomas修正式；如果只 R=0，P=O，K3=O，则成为Streeter-Phelps基本模型。 同样可求解溶解氧的临界 距离xc：
流域水质模型与模拟课件第三章
模型形式
u
dL dx
Ks
d2L dx2
K1L
u
dC dx
Ks
d 2C dx2
K1L
K2 Cs
C
L( x) |x0 L0 , L() 0 C ( x) |x0 C0 , C ( ) Cs
（1）考虑弥散作用，解析解为
L
L0e 1x
C
Cs
(Cs
1
u 2E
1
C0 )e2x
（3）对于有机物降解性物质，当需要考虑降解时，可 采用零维模型分段模拟，但计算精度和实用性较差，最 好用一维模型求解。
河流稀释混合方程
CCPQp CE QE Qp QE
第三章 河流水质模型
一维水质模型
单一河段水质模型
单一河段涵义：只有一个排放口时称该河段为单一 河段
坐标：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
适用条件 符合下列两个条件之一的环境问题可概化为零维问题： （1）河水流量与污水流量之比大于10~20 （2）不需考虑污水进入水体的混合距离
解决问题 （1）不考虑混合距离的重金属污染物、部分有毒物质 等其他保守物质的下游浓度预测与允许纳污量的估算。
（2）像有机物降解性物质的降解项可忽略时，可采用 零维模型。
3 .3m 76 g/L
多宾斯—康布（Dobbins-Camp）模型
模型形式
u
dL dx
(K1
K 3)L
R
u
dC dx
K1L
K 2 (Cs C ) P
L x0 L0
C
x0 C0
解析解
LL0F1K1 RK3(1F1) CCs(CsC0)F2K1K K3 1K2L0K1 RK3(F1F2)K P2K2(K K11R K3)(1F2)
【2019年整理】第三节河流水质模型3
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： 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 Kc＝ Kd + Ks
2. DO模型
3.4 其他河流水质模型
一.综合水质模型
BOD和DO只反映河流中最简单的水质关系。为了较详尽的描 述河流的水质状态，需要引进更多的变量。综合水质模型就是 在BOD－DO耦合模型的基础上发展起来的多组分水质模型。 QUAL-II模型是美国EPA1973年组织开发的，可以描述河流 的动态和稳态特征。
Dc=
Kd L0 e-Kd tc Ka
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
河流水质模型
李光炽
水质模型
第四步：模型的验证，应用所建立的模型， 模拟实际已发生过的过程。如果计算结果和 实测结果相比较，达到预期的精度，则认为 所建立的模型具有预测的能力，是成功的。 应用于参数估值的实测数据与应用于模型检 验的实测数据应是相互独立的。为了建立具 有预测能力的模型，我们通常用另一套观测 而获得的数据来检验所建立的模型。如果检 验结果具有良好的一致性，认为模型具有预 测的功能，否则应对模型参数和模型结构进 行修正，直至得到满意的模拟结果。
李光炽
水质模型
二、建立水质模型的步骤
第一步：确定模型的结构，这是一个对实际 水环境问题加以抽象和概化的过程。这一步 包括有关变量的选择，分析这些变量如何变 化以及相互作用，形成模型的结构概念，选 择适当的数学表述形式，确定初始条件和边 界条件。一个模型只需能表现其特性的有关 变量，模型只是真实事件的一个近似表达而 并不是完全真实。为了解数学方程，一定要 使所建立的模型尽发电厂有热水排 入河流，它将对水生生态系统产生什么样的 影响? (4)含高浓度的磷的废物排入某一湖泊，使湖 泊(或水库)产生富营养化，必须除去多少磷才 能使湖泊不产生富营养化? (5)国家需要建立一个核能基地，在什么情况 下对人类环境产生什么程度的影响。
李光炽
李光炽
水质模型
(3)按模型变量的多寡，即按模型所表述的水 质组分的数目，可有单组分水质模型和多组 分模型。当模型变量为BOD或COD时，有时 称有机污染水质模型。当模型变量为BOD和 DO时，称BOD-DO耦合模型。当模型变量扩 大到水生生物时，称水生生态模型。生态模 型是一个非常综合的模型，它不仅包括化学、 生物的过程，而且亦包括水质输运以及各种 水质因素的变化过程。模型变量及其数目的 选择，主要取决于模型应用的目的以及对于 实际资料和实测数据拥有的程度。
水质模型
第四步：模型的验证，应用所建立的模型， 模拟实际已发生过的过程。如果计算结果和 实测结果相比较，达到预期的精度，则认为 所建立的模型具有预测的能力，是成功的。 应用于参数估值的实测数据与应用于模型检 验的实测数据应是相互独立的。为了建立具 有预测能力的模型，我们通常用另一套观测 而获得的数据来检验所建立的模型。如果检 验结果具有良好的一致性，认为模型具有预 测的功能，否则应对模型参数和模型结构进 行修正，直至得到满意的模拟结果。
李光炽
水质模型
二、建立水质模型的步骤
第一步：确定模型的结构，这是一个对实际 水环境问题加以抽象和概化的过程。这一步 包括有关变量的选择，分析这些变量如何变 化以及相互作用，形成模型的结构概念，选 择适当的数学表述形式，确定初始条件和边 界条件。一个模型只需能表现其特性的有关 变量，模型只是真实事件的一个近似表达而 并不是完全真实。为了解数学方程，一定要 使所建立的模型尽发电厂有热水排 入河流，它将对水生生态系统产生什么样的 影响? (4)含高浓度的磷的废物排入某一湖泊，使湖 泊(或水库)产生富营养化，必须除去多少磷才 能使湖泊不产生富营养化? (5)国家需要建立一个核能基地，在什么情况 下对人类环境产生什么程度的影响。
李光炽
李光炽
水质模型
(3)按模型变量的多寡，即按模型所表述的水 质组分的数目，可有单组分水质模型和多组 分模型。当模型变量为BOD或COD时，有时 称有机污染水质模型。当模型变量为BOD和 DO时，称BOD-DO耦合模型。当模型变量扩 大到水生生物时，称水生生态模型。生态模 型是一个非常综合的模型，它不仅包括化学、 生物的过程，而且亦包括水质输运以及各种 水质因素的变化过程。模型变量及其数目的 选择，主要取决于模型应用的目的以及对于 实际资料和实测数据拥有的程度。
河流水模型
3
Qi a Q Qi aQ n q q
混合过程段的混合系数a 是河 流沿程距离 x 的函数，
2.3 aQ q Ln lg ( 1 a ) q
1 exp(b) a( x) 1 (Q / q) exp(b)
3 守恒污染物在均匀流场中的扩散模型
[例1] 一个改扩建工程拟向河流排放废水，废水 量q＝0.15m3／s，苯酚浓度为30μg／L，河流流 量Q＝5.5m3／s，流速u＝0.3m／s，苯酚背景浓 度为 0.5 μg ／L，苯酚的降解（衰减）系数K＝ 0.2d-1，纵向分散系数Ex＝10m2/s，横向剪切分 散系数Ey＝1 m2/s，河道宽100m。求排放点下 游10km处的苯酚浓度。
污染物质在河流中的扩散 污染物质在河流中的迁移总起来可分为两类，即推流和扩 散。推流也称平流、随流输移。推流是指污染物质随水质点的 流动一起移到新的位置。扩散可分为分子扩散、湍流扩散、剪 切分散（弥散）和对流扩散。 1．分子扩散 分子扩散是指物质分子的随机运动（即布朗运动）而引起 的物质迁移或分散现象。当水体中污染物质浓度分布不均匀时， 污染物质将会从浓度高的地方向浓度低的地方移动。分子扩散 过程服从费克第一定律。即以扩散方式通过单位截面积的质量 流量与扩散物质的浓度梯度成正比。 分子扩散系数一般很小。分子扩散引起的物质迁移与其它 因素引起物质迁移相比，分子扩散在水环境影响评价中往往被 忽略。
2Q
完成横向均匀混合的距离
断面上河对岸浓度达到同一断面最 大浓度的5％，定义为污染物到达对岸。 这一距离称为污染物到达对岸的纵向 距离，
0.0675 uB Lb Dy
2
若断面上最大浓度与最小浓度之差不超过5％，认为达到均匀混合。 完成横向均匀混合的断面的距离称为完全混合距离。
Qi a Q Qi aQ n q q
混合过程段的混合系数a 是河 流沿程距离 x 的函数，
2.3 aQ q Ln lg ( 1 a ) q
1 exp(b) a( x) 1 (Q / q) exp(b)
3 守恒污染物在均匀流场中的扩散模型
[例1] 一个改扩建工程拟向河流排放废水，废水 量q＝0.15m3／s，苯酚浓度为30μg／L，河流流 量Q＝5.5m3／s，流速u＝0.3m／s，苯酚背景浓 度为 0.5 μg ／L，苯酚的降解（衰减）系数K＝ 0.2d-1，纵向分散系数Ex＝10m2/s，横向剪切分 散系数Ey＝1 m2/s，河道宽100m。求排放点下 游10km处的苯酚浓度。
污染物质在河流中的扩散 污染物质在河流中的迁移总起来可分为两类，即推流和扩 散。推流也称平流、随流输移。推流是指污染物质随水质点的 流动一起移到新的位置。扩散可分为分子扩散、湍流扩散、剪 切分散（弥散）和对流扩散。 1．分子扩散 分子扩散是指物质分子的随机运动（即布朗运动）而引起 的物质迁移或分散现象。当水体中污染物质浓度分布不均匀时， 污染物质将会从浓度高的地方向浓度低的地方移动。分子扩散 过程服从费克第一定律。即以扩散方式通过单位截面积的质量 流量与扩散物质的浓度梯度成正比。 分子扩散系数一般很小。分子扩散引起的物质迁移与其它 因素引起物质迁移相比，分子扩散在水环境影响评价中往往被 忽略。
2Q
完成横向均匀混合的距离
断面上河对岸浓度达到同一断面最 大浓度的5％，定义为污染物到达对岸。 这一距离称为污染物到达对岸的纵向 距离，
0.0675 uB Lb Dy
2
若断面上最大浓度与最小浓度之差不超过5％，认为达到均匀混合。 完成横向均匀混合的断面的距离称为完全混合距离。
演示文稿河流水质数学模型
弥散：两种流体接触时，某种物 质从含量较高的流体中向含量较 低的流体迁移，使两种流体分界
面处形成过度混合带，混合带不
2.一维情况下河流水环境容量模型
断发展扩大，趋向于成为均质的 混合物质，即为弥散现象。
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)
式方中向k弥s为散弥的散速系率数系(数表)征；流k1动为水污体染中物污的染降物解在系沿数水；流C 为排污口下游处的浓度解(mg／L) ； X为沿河段的 纵向距离m；u为河水流速(m/s)。
B
ks
D
ka
kd (kd
ks )
(L0
kd
B
ks
)
e(kd ks )t
ekat
kd ka
( kd
B ka
P kd
)(1
ekat )
D0ekat
第二十三页，共45页。
2.4 QUAL-Ⅱ河流水质综合模型 由于污染物在水中的迁移转化是一种物理的、化学的和生物
学的极其复杂的综合过程，因此要全面描述水体的水质就必须 研究水生生态系统和水质组分之间的联系，就需要对多组合的
③取水口处，由于水量的变化导致水流速度的变化； ④其他，例如现有的或历史的水文、水质监测断面处，在这些地方设
置断面，可以共享有关的水文、水质资料；在码头、桥涵附近设 立断面可以便于采样作业等。
第十七页，共45页。
一维河流概化示意图
第十八页，共45页。
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模型的修正模型
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
《河流水质模型》课件
详细描述
该河流的水质模拟主要针对有机物和重金属进行，通过建立水质模型，预测不同排放量对水质的影响 ，为河流治理提供科学依据。
案例二：某水库的水质模拟
总结词
该水库具有高营养盐水平，主要污染物 为氮、磷等营养盐。
VS
详细描述
该水库的水质模拟主要针对氮、磷等营养 盐进行，通过建立水质模型，预测不同排 放量对水库富营养化的影响，为水库的生 态恢复提供技术支持。
模型的参数与变量
参数
污染物排放量、河流流量、水体 容量、污染物降解系数等。
变量
河流水质浓度、污染物排放量、 河流流量等。
模型的建立过程
确定模型的目标和范围。
选择合适的数学模型，如 一维水质模型、二维水质 模型等。
收集相关数据和资料，包 括河流水质监测数据、污 染物排放数据等。
建立数学方程，包括质量 守恒方程、污染物降解方 程等。
利用数据可视化技术，如热力图、散点图等，将复杂的数据以易于理解的方式呈 现，帮助用户更好地理解结果。
结果的误差分析
误差来源
分析模型结果的误差来源，如数据采 集误差、模型参数不确定性等，以便 更好地了解误差的构成。
误差评估
通过比较模型结果与实际观测数据， 对误差进行定量评估，判断模型的准 确性和可靠性。
结果的优化与改进
模型参数优化
根据结果分析，对模型参数进行优化调整，以提高模型的预测精度和稳定性。
模型改进建议
基于结果分析，提出对模型的改进建议，如改进模型结构、增加数据输入等，以提升模型的性能和适用范围。
05 河流水质模型的案例分析
CHAPTER
案例一：某河流的水质模拟
总结词
该河流具有中等污染程度，主要污染物为有机物和重金属。
该河流的水质模拟主要针对有机物和重金属进行，通过建立水质模型，预测不同排放量对水质的影响 ，为河流治理提供科学依据。
案例二：某水库的水质模拟
总结词
该水库具有高营养盐水平，主要污染物 为氮、磷等营养盐。
VS
详细描述
该水库的水质模拟主要针对氮、磷等营养 盐进行，通过建立水质模型，预测不同排 放量对水库富营养化的影响，为水库的生 态恢复提供技术支持。
模型的参数与变量
参数
污染物排放量、河流流量、水体 容量、污染物降解系数等。
变量
河流水质浓度、污染物排放量、 河流流量等。
模型的建立过程
确定模型的目标和范围。
选择合适的数学模型，如 一维水质模型、二维水质 模型等。
收集相关数据和资料，包 括河流水质监测数据、污 染物排放数据等。
建立数学方程，包括质量 守恒方程、污染物降解方 程等。
利用数据可视化技术，如热力图、散点图等，将复杂的数据以易于理解的方式呈 现，帮助用户更好地理解结果。
结果的误差分析
误差来源
分析模型结果的误差来源，如数据采 集误差、模型参数不确定性等，以便 更好地了解误差的构成。
误差评估
通过比较模型结果与实际观测数据， 对误差进行定量评估，判断模型的准 确性和可靠性。
结果的优化与改进
模型参数优化
根据结果分析，对模型参数进行优化调整，以提高模型的预测精度和稳定性。
模型改进建议
基于结果分析，提出对模型的改进建议，如改进模型结构、增加数据输入等，以提升模型的性能和适用范围。
05 河流水质模型的案例分析
CHAPTER
案例一：某河流的水质模拟
总结词
该河流具有中等污染程度，主要污染物为有机物和重金属。
第六章水文模型.ppt
新安江（三水源）流域水文模型
新安江三水源模型简介
流域蒸发： 三层模式 土壤含水量：递推公式 流域产流： 蓄满产流模式 分水源： 自由水水库 坡面汇流： 线性水库 河网汇流： 无因次时段单位线 河道汇流： 马斯京根法
流域三层蒸发模式
WUm WLm
上层蒸发 Eu=EP EP=βE水
下层蒸发
AU+R≥SmmF
Rs Fr R S SmFr
Rss=SmFrKss Fr
Rg=SmFrKg Fr
AU+R<SmmF
Rs
Fr
R
S
SmF
SmF [1
(R AU )]1EX SmmF
Rss
(R
S
Rs Fr
)Kss Fr
Rg
(R
S
Rs Fr
)K g Fr
坡面汇流线性水库
Rg
Rss
C1
0.5t Kx K Kx 0.5t
C2
K K
Kx 0.5t Kx 0.5t
新安江模型参数
流域产流：β、Wm、b、WU、WL、C 分水源： Sm、EX、Kss、Kg 坡面汇流：KKss、KKg 河网汇流：K，n 河道汇流：K、x
E水
P
新
β
安
Ep
Wm、WUm、WLm、C
江
TRg TRg，i+1 = KKgTRg,i +(1- KKg)Rg,i TRss,i+1 = KKssTRss,i +(1- KKss)Rss,i
TRss
河网汇流无因次时段单位线
u
t
河道汇流马斯京根法
Q下，2 ＝ Ｃ０Q上，2 ＋Ｃ１ Q上，1 ＋Ｃ２ Q下，1
3 河流水质模拟1
3 河流水质模拟3.1污染物进入河流中有关反应3.1.1污染物与河水的混合污水排入河流后，根据污水与河水的混合情况，一般化分为两个过程段：一是混合过程段，二是均匀混合段。
混合过程段包括竖向混合和横向混合，当污染物在河流某段面的坚直方向上混合均匀时，称污染物完成了竖向混合；当污染物在某断面的横方向上均匀混合时，就完成了横向混合，一般完成横向混合所需要的距离远大于竖向混合所需要的距离，所以污染物混合过程段长度一般等于污染物横向混合段长度。
污染物在竖向混合过程段中浓度的变化采用三维模式描述，在横向混合过程段中浓度的变化采用二维模式描述，污染物在均匀混合段的浓度变化可用一维模式来描述，本章讨论的河流水质模型主要指污染物在均匀混合段的浓度变化数学模型。
3.1.2生物化学分解河流中有机物由于生物降解产生的浓度变化可用一级反应式表达： L=L 0e -kt （3-1） 式中：k ——降解速度常数河流中的生化需氧量（BOD ）衰减过度常数K 的值可由下式确定：K=t 1ln （BA L L） （3-2）式中L A 、L B ——河流上游断面A 和下游断面B 处的BOD 浓度；t ——河水在两断面间的流经时间。
3.1.3大气复氧水中溶解氧的主要来源是大气，大气复氧符合菲克第一定律，于是有：H K L=dtdo （O s -O ） （3-3） 上式中，（O s -O ）表示河水中溶解氧的不足量，称为氧亏，用D 表示。
故有H K L −=dtdDD=-K a D （3-4）式中， K a ——大气复氧系数；d -1K L ——氧气的质量传递系数；H ——河流的平均水深，m ； O s ——河水的饱和溶解氧；水中饱和洛解氧浓度是温度、盐度和大气压力的函数，在760mmHg 压力下，淡水中的饱和溶解氧为：O s =t6.31468+ （3-5）3.1.4光合作用水生植物的光合作用是河流溶解氧的另一个来源。
（t∂∂O）P =P （一天中产氧的平均速度mg/l •d ） （3-6） 3.1.5藻类的呼吸作用藻类的呼吸要消耗水中的溶解氧r Ot(∂∂=-R （mg/l •d ） （3-7） 光合作用产氧速度和呼吸作用的耗氧速度可用黑自瓶实验得到白瓶：t C C ∆−)(2401=P-R-K c L 0 （3-8）黑瓶：tC C ∆−)(2402=-R-K c L 0 (3-9)式中：Co ——试验开始时瓶中的洛解氧浓度；C 1，C 2——试验终了时白、黑两瓶DO 的浓度； K c ——BOD 降解速度常数（d -1）； L o ——实验开始时的BOD 浓度。
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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
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。
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
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：
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
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
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
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
）〕
5. 含氮有机物排入河流后，同样发生生物化学氧化过程：
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
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
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。
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
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。
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
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：
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
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
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
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
）〕
5. 含氮有机物排入河流后，同样发生生物化学氧化过程：
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
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
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。