水环境数学模型 ppt课件
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湖泊水环境修复技术PPT课件
38
湖泊水库内源污染控制技术
湖泊水库沉积物原位处理技术
原位覆盖
原位封闭
类型
原位钝化
原位化学
原位生物
•在污染沉积物表面覆盖
一层固体物质，如沙子、 卵石和粘土等，依次隔离 污染沉积物和水体，将污 染封闭在沉积物中，达到 控制沉积污染内源的目的
University of Shanghai for Science and Technology
水平异常提高，破坏了水生生 态系统结构
藻类爆发，水体缺氧，水生动 表现 物等水生生物大量死亡；湖泊
水库沼泽化；藻类在代谢死亡 过程中释放毒理强的藻毒素
University of Shanghai for Science and Technology
3
我国富营养化湖泊水库的共同特征：
总氮和总磷浓度高 透明度差 水体叶绿素过高
示耐污染的种类数，C表示在调查区内独有的 种类数，则硅藻生物指数按下式计算：
I 2A B 2C 100 A B C
University of Shanghai for Science and Technology
17
5.2.3.综合模型
利用数学模型达到以下目的： 掌握水体内部有关物理、化学和生物过程的认 识 预测不同条件下的水体变化趋势 预测各种管理和工程技术措施对水体的影响
21
前置库工程剖面图
湖泊水库外源污anghai for Science and Technology
22
前置库技术
前置库是指利用天然水塘或人工水库的蓄水 功能将因表层土壤中的污染物（营养物质） 淋溶而产生的径流污水截留在水库（塘）中， 不让其直接进入所要保护的水体，经沉淀自 然净化后用于日常农灌。
湖泊水库内源污染控制技术
湖泊水库沉积物原位处理技术
原位覆盖
原位封闭
类型
原位钝化
原位化学
原位生物
•在污染沉积物表面覆盖
一层固体物质，如沙子、 卵石和粘土等，依次隔离 污染沉积物和水体，将污 染封闭在沉积物中，达到 控制沉积污染内源的目的
University of Shanghai for Science and Technology
水平异常提高，破坏了水生生 态系统结构
藻类爆发，水体缺氧，水生动 表现 物等水生生物大量死亡；湖泊
水库沼泽化；藻类在代谢死亡 过程中释放毒理强的藻毒素
University of Shanghai for Science and Technology
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我国富营养化湖泊水库的共同特征：
总氮和总磷浓度高 透明度差 水体叶绿素过高
示耐污染的种类数，C表示在调查区内独有的 种类数，则硅藻生物指数按下式计算：
I 2A B 2C 100 A B C
University of Shanghai for Science and Technology
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5.2.3.综合模型
利用数学模型达到以下目的： 掌握水体内部有关物理、化学和生物过程的认 识 预测不同条件下的水体变化趋势 预测各种管理和工程技术措施对水体的影响
21
前置库工程剖面图
湖泊水库外源污anghai for Science and Technology
22
前置库技术
前置库是指利用天然水塘或人工水库的蓄水 功能将因表层土壤中的污染物（营养物质） 淋溶而产生的径流污水截留在水库（塘）中， 不让其直接进入所要保护的水体，经沉淀自 然净化后用于日常农灌。
水环境容量计算方法-课件
技术指南中的概念定义
在给定水域范围和水文条件，规定排污方式和水质目标的前提下，单位时间内该水域最大允许纳污量，称作水环境容量。 从上述定义可知，水环境容量主要决定于三个要素：水资源量、水环境功能区划和排污方式。
要素之一：水资源量
从某种意义上讲，水资源量是水环境容量基础； 为了确保用水安全，水环境容量计算采用的是较高保证率的水文设计条件； 并不是所有的水资源量都用来计算环境容量。
5、混合区约束容量分析（二维）
现状排污口污染负荷：8440t/a;污染带长度580米； 污染带100米允许污染负荷：3500t/a
6、确定环境容量
环境管理规定； 考虑二维，利用一维确定总容量。 扣除面源、内源，考虑安全系数，得出环境容量。
第四部分 水环境容量校核
方法1：水资源量校核法
对比各个水系水资源量和水环境容量计算结果，若差距较大，需仔细分析； 将同一水系各个河段（地市）的计算条件连在一起进行计算，比较总体结果与各段结果的差距。
4、水质模型
根据水环境功能区的实际情况，环境容量计算一般用一维水质模型。对有重要保护意义的水环境功能区、断面水质横向变化显著的区域或有条件的地区，可采用二维水质模型计算。在模型计算时尤其是对于大江大河的水环境容量计算，必须结合混合区或污染带的范围进行容量计算。
零维模型
计算稀释容量。污染物进入河流水体后，在污染物完全均匀混合断面上，污染物的指标无论是溶解态的、颗粒态的还是总浓度，其值均可按节点平衡原理来推求。对河流，零维模型常见的表现形式为河流稀释模型；对于湖泊与水库，零维模型主要有盒模型。 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；
在给定水域范围和水文条件，规定排污方式和水质目标的前提下，单位时间内该水域最大允许纳污量，称作水环境容量。 从上述定义可知，水环境容量主要决定于三个要素：水资源量、水环境功能区划和排污方式。
要素之一：水资源量
从某种意义上讲，水资源量是水环境容量基础； 为了确保用水安全，水环境容量计算采用的是较高保证率的水文设计条件； 并不是所有的水资源量都用来计算环境容量。
5、混合区约束容量分析（二维）
现状排污口污染负荷：8440t/a;污染带长度580米； 污染带100米允许污染负荷：3500t/a
6、确定环境容量
环境管理规定； 考虑二维，利用一维确定总容量。 扣除面源、内源，考虑安全系数，得出环境容量。
第四部分 水环境容量校核
方法1：水资源量校核法
对比各个水系水资源量和水环境容量计算结果，若差距较大，需仔细分析； 将同一水系各个河段（地市）的计算条件连在一起进行计算，比较总体结果与各段结果的差距。
4、水质模型
根据水环境功能区的实际情况，环境容量计算一般用一维水质模型。对有重要保护意义的水环境功能区、断面水质横向变化显著的区域或有条件的地区，可采用二维水质模型计算。在模型计算时尤其是对于大江大河的水环境容量计算，必须结合混合区或污染带的范围进行容量计算。
零维模型
计算稀释容量。污染物进入河流水体后，在污染物完全均匀混合断面上，污染物的指标无论是溶解态的、颗粒态的还是总浓度，其值均可按节点平衡原理来推求。对河流，零维模型常见的表现形式为河流稀释模型；对于湖泊与水库，零维模型主要有盒模型。 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；
水环境数学模型
（一） 基本控制方程 圣 • 维南方程组包括连续性方程和动量方程。 在渐变流流程s方向上取ds微元段为控制体积，由 质量守恒定律和动量守恒定律分别推导，并引入 渐变流静压分布的特性，以及速度沿断面均匀分 布的假定，可得明渠一维流动的连续性方程：
A Q 0 t s 明渠一维流动的动量方程为:
（3）以z、v为应变量的组合形式
z z A v v v iv M t s B s B v v z v2 v g g 2 t s s C R
WASP4水动力模型及其数值方法 —— 基于“道—节”网络的河流水动力模 型系统 WASP4(Water Ouality Analysis Simulation Programme Version 4)是 美国联邦环境保护局阿申斯环境研究 实验室开发的水动力与水质分析模拟 程序。
（5）实际流体与理想流体 根据流体的粘滞性，可以将其分为 理想流体和粘性流体。对于理想流体， 其分子粘性系数为零，从而其运动学粘 性系数也为零。对于自然水体的水动力 模型应将流体视为粘性流体。
（6）布辛尼斯克（Boussinesq）近似 这是流体力学、大气科学、水动力学研 究中研究热力流动（热对流）问题中常用的 一种近似处理。这一假设由法国19世纪物理 学家J. Boussinesq提出，该假设认为：除非 热膨胀造成浮力外，流体可以视为不可压缩 的。 在我们水环境问题中，我们采用 Boussinesq近似，则认为在水平方向上不考 虑密度差，而仅在垂直方向上才考虑。一般 地说，对于浅层流体的缓慢流动，由于其水 平方向上的密度差较小，均可采用 Boussinesq近似。
国际上将水质模型发展的基本历程分为四 个阶段： 第一阶段（1925年~1965年）：开发了比较 简单的BOD—DO双线性系统模型。采用一 维计算方法。 第二阶段（1965年~1970年）：继续研究发 展BOD—DO模型的多维参数估计问题，水 质模型的基本框架发展为六个线性系统。 计算方法从一维推进到二维。除了继续研 究河流、河口水质问题外，开始模拟计算 湖泊、水库及海湾的环境问题。
流域水质模型与模拟课件
K1L0 K1 K2
(e 1x
e2x )
2
u 2E
1
1
4EK2 u2
（2）忽略河流的弥散作用，则为
解析解
u
dL dx
K1 L
u
dC dx
K1L
K2
Cs
C
L
K1 x
L0e u
L0 e K1t
C
Cs
Cs C0
ek2t k1L0 k1 k2
e e k1t
k2t
氧垂曲线
溶解氧沿程变化曲线被称为氧垂曲线
案例分析——S-P模型
向一条河流稳定排放污水，污水排放量 Qp = 0.2 m3/s， BOD5 浓度为 30 mg/L，河流流量 Qh = 5.8 m3/s，河水平均 流速 v = 0.3 m/s，BOD5 本底浓度为 0.5 mg/L，BOD5降解 的速率常数 k1 = 0.2 d-1，纵向弥散系数 D = 10 m2/s，假定 下游无支流汇入，也无其他排污口，试求排放点下游5 km 处的 BOD5 浓度。
定义 把一个连续的一维空间划分成若干个子空间，每一个 子空间都作为一个完整混合反应器，将上一个反应器 的输出视为下一个反应器的输入
设 C1，C2，…，Ci 为相应河段的污染物浓度，每一个河 段的浓度表达式
C1
C10 1 KdV1
Q1
C2
C20 1 KdV2
Q2
Ci
Ci 0 1 KdVi
河流水质变化过程
河流水质变化过程
河流水质模型分类（按维数） 零维 一维 二维 三维
第三章 河流水质模型
零维水质模型
定义 污染物进入河流水体后，在污染物完全均匀混合断面 上，污染物的指标无论是溶解态的、颗粒态的还是总 浓度，其值均可按节点平衡原理来推求。对河流，零 维模型常见的表现形式为河流稀释模型。
第四章-水环境质量评价PPT课件
15
16
表中把单一项目或污染物的含量分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、 Ⅴ级。评分时，一般分别给予10、8、6、4、2分。 10分最理想，2分最差。（表中Ⅰ级除DO、BOD、 COD、Cu外，其它均为饮用水标准； DO、BOD、 COD是根据大量监测资料确定的； Cu为水产用水标 准； Ⅱ级除ABS外，等于或小于水产用水标准； Ⅲ级 为地面水标准； Ⅳ级为农田灌溉用水标准；大于农田 灌溉用水标准的数值为Ⅴ级。）
A=BODi/BOD0+CODi/COD0+NH3Ni/NH3-N0-DOi/DO0
式中：A-综合污染评价指数 BODi、BOD0-BOD的实测值和评价标准 CODi、COD0-COD的实测值和评价标准 NH3-Ni、NH3-N0的实测值和评价标准 DOi、DO0的实测值和评价标准
8
上面的式子也可改写成：
39
2．预测方法的选择 预测建设项目对水环境的影响，应尽量利用成熟、
(2)计算式
WQI=∑分级值/ ∑权重值
规定WQI值用整数表示，这样就将水质指数分成从0-
10的11个等级,数值越大，则水质越好。（10：天然
纯净水；0：腐败的原污水）
11
12
2、布朗水质指数
1970年，R.M.Brown等发表了评价水质污染的水质指数 （WQI）。他们对35种水质参数征求142位水质管理专家的 意见，选取了11种重要水质参数。即溶解氧、BOD5、混浊 度、总固体、硝酸盐、磷酸盐、pH、温度、大肠杆菌、杀 虫剂、有毒元素等。然后由专家进行不记名投票，确定每个 参数的相对重要权系数。
分级标准
P
k i1
Ci C si
P ＜0.2 =0.2 ～0.5 =0.5 ～1.0 =1.0～5.0
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表中把单一项目或污染物的含量分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、 Ⅴ级。评分时，一般分别给予10、8、6、4、2分。 10分最理想，2分最差。（表中Ⅰ级除DO、BOD、 COD、Cu外，其它均为饮用水标准； DO、BOD、 COD是根据大量监测资料确定的； Cu为水产用水标 准； Ⅱ级除ABS外，等于或小于水产用水标准； Ⅲ级 为地面水标准； Ⅳ级为农田灌溉用水标准；大于农田 灌溉用水标准的数值为Ⅴ级。）
A=BODi/BOD0+CODi/COD0+NH3Ni/NH3-N0-DOi/DO0
式中：A-综合污染评价指数 BODi、BOD0-BOD的实测值和评价标准 CODi、COD0-COD的实测值和评价标准 NH3-Ni、NH3-N0的实测值和评价标准 DOi、DO0的实测值和评价标准
8
上面的式子也可改写成：
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2．预测方法的选择 预测建设项目对水环境的影响，应尽量利用成熟、
(2)计算式
WQI=∑分级值/ ∑权重值
规定WQI值用整数表示，这样就将水质指数分成从0-
10的11个等级,数值越大，则水质越好。（10：天然
纯净水；0：腐败的原污水）
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2、布朗水质指数
1970年，R.M.Brown等发表了评价水质污染的水质指数 （WQI）。他们对35种水质参数征求142位水质管理专家的 意见，选取了11种重要水质参数。即溶解氧、BOD5、混浊 度、总固体、硝酸盐、磷酸盐、pH、温度、大肠杆菌、杀 虫剂、有毒元素等。然后由专家进行不记名投票，确定每个 参数的相对重要权系数。
分级标准
P
k i1
Ci C si
P ＜0.2 =0.2 ～0.5 =0.5 ～1.0 =1.0～5.0
分布式流域水文模型[优质PPT]
![分布式流域水文模型[优质PPT]](https://img.taocdn.com/s3/m/7a665810ed630b1c59eeb5ce.png)
分散性流域水文模型:
考虑了流域内降雨的空间分布,但是没有或很少考虑下垫面不均匀性的模型。 这种模型只是进行了分散(分单元)计算，没有考虑各单元模型参数随其下垫面条 件的不同而变异。
半分布式流域水文模型:
考虑下垫面的空间不均匀性,但是没有考虑降雨的空间分布,其模型输入仍为面平 均雨量;或考虑降雨的空间分布,没有全面考虑下垫面的空间不均匀性的模型。
2019/6/26
松散耦合型分布式流域水文模型
这类模型在每个单元网格上应用现有的集总式概念性流域模型 推求净雨，并进行汇流演算,推求出口断面的流量过程。汇流演算 一般采用水文学或水力学方法。模型参数主要根据历史洪水资料分析 率定,并结合地形和地貌数据量测和分析得到。
优缺点
2019/6/26
紧
优点
1.能涉及水文现象的本质或物理机制; 2.模型参数的确定对洪水历史资料依赖不大.
雷达 测雨
2019/6/26
分布式流域水文模型
计算机系统 分布式流域水文模型的系统框架图
地理信息 统计
分类
紧密耦合型分布式流域水文模型
紧密耦合型分布式流域水文模型,又称分布式数学物理流域水文模型.此种模 型主要的水文物理过程均采用质量、能量和动量守恒的偏微分方程描述(如坡面 洪水波、不饱和、饱和渗流等方程).相邻网格单元之间的时、空间关系用 水动力学的连续方程来建立，采用有限差分方法对方程求解；同时模型也 采用了一些通过实验得到的经验关系。
文学研究热点之一，其原因有以下几个方面：
1.地理信息系统（ GIS）技术的不断完善，使得描述下垫面 因子复杂的空间分布有了强有力的工具;
2.计算机技术和数值分析理论的进一步发展，为用数值方法 求解描述复杂的流域产汇流过程的偏微分方程奠定了基础;
考虑了流域内降雨的空间分布,但是没有或很少考虑下垫面不均匀性的模型。 这种模型只是进行了分散(分单元)计算，没有考虑各单元模型参数随其下垫面条 件的不同而变异。
半分布式流域水文模型:
考虑下垫面的空间不均匀性,但是没有考虑降雨的空间分布,其模型输入仍为面平 均雨量;或考虑降雨的空间分布,没有全面考虑下垫面的空间不均匀性的模型。
2019/6/26
松散耦合型分布式流域水文模型
这类模型在每个单元网格上应用现有的集总式概念性流域模型 推求净雨，并进行汇流演算,推求出口断面的流量过程。汇流演算 一般采用水文学或水力学方法。模型参数主要根据历史洪水资料分析 率定,并结合地形和地貌数据量测和分析得到。
优缺点
2019/6/26
紧
优点
1.能涉及水文现象的本质或物理机制; 2.模型参数的确定对洪水历史资料依赖不大.
雷达 测雨
2019/6/26
分布式流域水文模型
计算机系统 分布式流域水文模型的系统框架图
地理信息 统计
分类
紧密耦合型分布式流域水文模型
紧密耦合型分布式流域水文模型,又称分布式数学物理流域水文模型.此种模 型主要的水文物理过程均采用质量、能量和动量守恒的偏微分方程描述(如坡面 洪水波、不饱和、饱和渗流等方程).相邻网格单元之间的时、空间关系用 水动力学的连续方程来建立，采用有限差分方法对方程求解；同时模型也 采用了一些通过实验得到的经验关系。
文学研究热点之一，其原因有以下几个方面：
1.地理信息系统（ GIS）技术的不断完善，使得描述下垫面 因子复杂的空间分布有了强有力的工具;
2.计算机技术和数值分析理论的进一步发展，为用数值方法 求解描述复杂的流域产汇流过程的偏微分方程奠定了基础;
环境课件废水生物处理系统数学模型
2.1.3 过程参数（组分）
COD：
SI 溶解态惰性有机物质 SS 快速生物降解有机物 XI 颗粒态惰性有机物 XS 颗粒态慢速生物降解基质
N：
SNH 氨态氮（NH3-N）； SNO 硝态氮（NO2-N+NO3-N） SND 溶解态可生物降解有机氮 XND 颗粒态可生物降解有机氮
XB，H 异养微生物量
1
1 YA
3AKN SN H SH NH KO,S AO SOXB,A
4.异养菌的衰减 XB,H XPX SXND
-1
fp 1-fp iXB-fpiXP
4 bHXB,H
5. 自异养菌的衰减 XB,A XPX SXND
-1
fp 1-fp iXB-fpiXP
5 bAXB,A
6.溶解性有机氮的氨化
SND SNH SALK
SS
SNO
SNH SALK
XB，H
1 YH
1 1 2.86YH 2.86
-iXB 1YH iXB
142.86YH 14
1
2 H K S S S S S K O K ,H O ,H S O K N S N O S N O O gX B ,H
自养菌好氧生长
iXBfPiXP
bHXB.H
iX BfPiX P
bAXB.A
1
-1
1 14
kaSND XB.H
1
-1
k X X S X B .H
S O
h K X X S X B .HK O .H S O
K O .H S NO H K O .H S OK N S O NO B .H
XND
7
XS
0.05
0.08
A2O工艺原理及流程.ppt
Hohai University
（二）数学模型特征 数学模型的主要特征是高度的抽象性和应用的广泛性。 在建立数学模型的过程中，需要对研究对象的本质进行高度
的抽象，将研究对象本质属性用数学符号和整套运算规则来表 述，以反映事物的实际结构和运动规律。
数学模型的抽象性赋予了数学模型更为广阔的应用范围， 使得一个具体模型既可应用于不同的环境要素问题的研究中， 也可应用于同一环境要素的不同层面上。
灰箱模型又称半机理模型，是介于白箱与黑箱模型之间，既包 含机理部分，又包含经验部分，是一半经验、半机理的模型。
（二）建模的基本过程 1、数据收集分析 2、模型结构的识别 3、模型参数的估计 4、模型的检验和灵敏度分析
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（三）模型的应用
Hohai University
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1、物理过程 污染物在水体中的输移、混合、扩散稀释、沉降、 悬浮、吸附 、解吸、挥发等对污染物的分布形式有影响而对污染物总量不产生 影响的过程。 2、生化作用 污染物排入水体后，会在水体中各类细菌的作用下产生一系列 生物化学反应，这一方面可以使一些有机污染物得到氧化分解而衰 减；另一方面也使水体中的溶解氧不断消耗。
有机物（BOD）的氧化分解曲线如下图所示：
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250 200 100
02
2 1
5
10
20
1.含碳化合物分解曲线；2.硝化曲线
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3. 水体的耗氧与复氧过程 （1）水体的耗氧 ①河水中含碳化合物的氧化分解引起耗氧 ②河水中含氮化合物的氧化分解引起耗氧 ③河床底泥中的有机物在缺氧条件下，发生厌氧分解，产生有 机酸和甲烷、二氧化碳、氨等气体，当这些物质释放到水体中 时，消耗水中的氧 ④晚间光合作用停止时，水生植物（如藻类）因呼吸作用而耗 氧 （2）水体的复氧 ①上游河水或有潮汐河段海水所带来的溶解氧 ②排入水体的废水所带来的溶解氧 ③大气复氧 ④光合作用
《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
《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。
水环境数学模型PPT课件
Ix 1 E m C x, Iy 1 E m C y, Iz1 E m C z
– 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。
-
33
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
-
26
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
-
24
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
-
39
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
– 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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33
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
-
26
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
-
24
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
-
39
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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• 特征：抽象性与局限性 • 分类：动态模型和稳态模型、线性与非线性模
型、确定性模型与随机模型、模拟模型和规律 模型、参数模型和分布模型
数学模型的建立
• 对模型的要求
– 足够的精度 – 可操作、实用 – 依据充分 – 存在可控变量
• 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
根据被模拟水质的物理、化学、生物变化规律， 建立反映模拟物质与其它因素间相互联系的模 型结构；
率定模型参数； 模型检验；
水文循环中水的污染与自净
• 水循环：水的三态转换； • 自净的三化过程：物理、化学、生物过程；
– 物理净化：污染物在水体中混合、稀释、沉淀、吸附、 凝聚、向大气挥发和病菌死亡等物理作用过程；
水环境数学模型
薛联青 2011年10月
水环境系统建模
Simulation与仿真 建立水环境数学模型的目的
了解水环境系统内部因子变化规律 对水环境系统变化进行定性定量描述 规划、管理、决策需要
水环境系统模拟任务
量化、优化、决策、控制
水环境模拟涉及主要问题
❖ 水流运动 ❖ 污染物在水中的迁移转化 ❖ 水体的耗氧和复氧过程 ❖ 河流水质模型 ❖ 湖泊与水库水质模型 ❖ 面源污染分析 ❖ 水污染控制系统规划
i1
i1
为了使偏差的平方和最b
m
于是得到：
n
n
n
n
xi yi xi xi2 yi
b
i1
i1
i1
n
2
xi
n
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i1
xi2
i1
i1
n
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xi yi n xi yi
m
i 1
n
i 1
i 1
xi 2 n n xi2
i1
i 1
• 多元线性回归：对于自变量的数目大于等于2
– 化学净化：污染物在水中由于分解化合、氧化还原、 酸碱反应等化学作用下浓度降低或丧失毒性等现象。
– 生物净化：水体微生物群，在分泌的酶作用下，使污 染物分解和转化为无害物质的现象。
水体污染物
• 好氧有机物 • 可溶性盐类和酸、碱物质 • 重金属污染 • 有毒化学品 • 悬浮固体 • 油类污染 • 热污染 • 放射性污染 • 病源微生物污染
– 参数估值 – 模型检验与修正 – 模型应用于反馈
参数估值
• 图解法：适用于线性关系
•
y= a+bx
• 一元线性回归
• 假设条件
– 自变量没有误差，因变量存在测量误差
– 各测量点拟合最好的直线，为各点至直线的 因变量偏差的平方和最小的直线，即
di yi yi'yi (bmix)
n
n
Z di2 yi (bmix)2
IV 一般工业用水区及人体非接触的娱乐用水区； V 农业用水区和一般景观要求水域；
第二讲 数学模型概述
❖定义与分类 ❖数学模型的建立 ❖模型的参数估值 ❖模型的检验与误差分析 ❖灵敏度分析
定义与分类
• 定义：根据观察到的现象，归结成一套反映其
数量关系的数学公式与具体算法，用以描述对 象的运动规律。
附近一定范围内，则可以认为模型的模拟结果是合格
的该方法多用于模型计算误差较大的场合。
• 相关系数法：用相关系数来衡量曲线的拟合程度，适
用于线性程度高的模型。
n
yi y yi' y'
r i1
n
2n
yi' y'
2
yi y
i1
i1
式中： yi , y 分别表示实测值和实测值的平均值； 分别y表i , ,示y ,计算值和计算值的平均值。
第一讲 绪 论
• 水环境分析 • 水文循环过程中水的污染和自净 • 水体污染物及水体功能、水质标准 • 水环境质量的度量与评价
定义：
• 水环境模拟及分析：是在研究河流、湖泊、
水库、海洋等水体的水质变化机理和规律基 础上，建立水环境模拟预测等模型，根据将 来的排污、水文气象等条件，对未来水环境 状况进行预测分析。
水功能区划及纳污能力计算
水域：国家自然保护区、生活饮用水、水源保护区、渔 类保护区、灌溉水源区等。
水体功能与水质标准；如《地面水环境质量标准》 其中: I 主要适用于源头区，国家自然保护区；
II 集中式生活饮用水水源地一级保护区， 珍贵鱼类 保护区等；
III 集中式生活饮用水水源地二级保护区，一般鱼 类保护区及游泳区；
– 状态与目标对参数的灵敏度，即研究参数变化对状态 变量和目标产生的影响。
的线性模型，可以采用多元线性回归方法求解。
yab1x1b2x2
ayb1x1b2x2
b1
122 122
b2
211 122
上式中：
1
n
y i y i x 1i x 1
i1
n
2 y i y i x 2 i x 2 i1
n
1
x 1 i x 1 2
i1
n
2
x 2 i x 2 2
水环境模拟模型
确定性模型模拟 不确定性模拟
随机方法 概率统计方法 灰色模型 人工神经网络法 马尔柯夫法 自组织法 多元回归等
水环境系统模拟及污染控制发展
综合水质模型的完善 基于地理信息系统平台的研究 模拟预测的不确定性（敏感性）分析 基于可视化技术和ＶＲ技术的研究 水环境模拟及修复技术
水环境分析内容
水环境：是自然环境的一个重要组成部分，指自 然界各类水体，如河流、湖泊、水库、海洋、地 下水、空中水等的数量、质量状态的总和；
水量：降水、蒸发、下渗、径流的变化； 水质：泥沙、水温、溶解氧、有机物、无机物、
重金属、水生生物等； 水环境：水量与水质的统一；
分析过程
针对要解决的水环境问题，收集有关的水文、 气象、水质观测、实验资料和污染负荷情况；
r 在 0 到 1 之间， r 值越大，拟合程度越高。
• 相对误差法
ei
yi yi, yi
式中， yi 为实测值， yi,为对应的计算值
灵敏度分析
• 灵敏度分析的意义
– 估算模型计算结果的偏差 – 有利于根据需要探讨建立高灵敏度或低灵敏度的模型 – 可以用来确定合理的设计裕量
• 环境系统的两种灵敏度分析
i1
n
x 1 i x 1 x 2 i x 2 i1
最优化方法：原理与线性回归方法类似 网格法：在可以预先估计参数区间的情况下，
将各个参数的区间等分，在所有顶点处计算 目标值，并比较目标值的大小，选优。 经验公式法
模型的检验
• 图形表示法：如果测量值与计算值的交点位于 45o线
型、确定性模型与随机模型、模拟模型和规律 模型、参数模型和分布模型
数学模型的建立
• 对模型的要求
– 足够的精度 – 可操作、实用 – 依据充分 – 存在可控变量
• 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
根据被模拟水质的物理、化学、生物变化规律， 建立反映模拟物质与其它因素间相互联系的模 型结构；
率定模型参数； 模型检验；
水文循环中水的污染与自净
• 水循环：水的三态转换； • 自净的三化过程：物理、化学、生物过程；
– 物理净化：污染物在水体中混合、稀释、沉淀、吸附、 凝聚、向大气挥发和病菌死亡等物理作用过程；
水环境数学模型
薛联青 2011年10月
水环境系统建模
Simulation与仿真 建立水环境数学模型的目的
了解水环境系统内部因子变化规律 对水环境系统变化进行定性定量描述 规划、管理、决策需要
水环境系统模拟任务
量化、优化、决策、控制
水环境模拟涉及主要问题
❖ 水流运动 ❖ 污染物在水中的迁移转化 ❖ 水体的耗氧和复氧过程 ❖ 河流水质模型 ❖ 湖泊与水库水质模型 ❖ 面源污染分析 ❖ 水污染控制系统规划
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为了使偏差的平方和最b
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于是得到：
n
n
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xi yi xi xi2 yi
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m
i 1
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xi 2 n n xi2
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i 1
• 多元线性回归：对于自变量的数目大于等于2
– 化学净化：污染物在水中由于分解化合、氧化还原、 酸碱反应等化学作用下浓度降低或丧失毒性等现象。
– 生物净化：水体微生物群，在分泌的酶作用下，使污 染物分解和转化为无害物质的现象。
水体污染物
• 好氧有机物 • 可溶性盐类和酸、碱物质 • 重金属污染 • 有毒化学品 • 悬浮固体 • 油类污染 • 热污染 • 放射性污染 • 病源微生物污染
– 参数估值 – 模型检验与修正 – 模型应用于反馈
参数估值
• 图解法：适用于线性关系
•
y= a+bx
• 一元线性回归
• 假设条件
– 自变量没有误差，因变量存在测量误差
– 各测量点拟合最好的直线，为各点至直线的 因变量偏差的平方和最小的直线，即
di yi yi'yi (bmix)
n
n
Z di2 yi (bmix)2
IV 一般工业用水区及人体非接触的娱乐用水区； V 农业用水区和一般景观要求水域；
第二讲 数学模型概述
❖定义与分类 ❖数学模型的建立 ❖模型的参数估值 ❖模型的检验与误差分析 ❖灵敏度分析
定义与分类
• 定义：根据观察到的现象，归结成一套反映其
数量关系的数学公式与具体算法，用以描述对 象的运动规律。
附近一定范围内，则可以认为模型的模拟结果是合格
的该方法多用于模型计算误差较大的场合。
• 相关系数法：用相关系数来衡量曲线的拟合程度，适
用于线性程度高的模型。
n
yi y yi' y'
r i1
n
2n
yi' y'
2
yi y
i1
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式中： yi , y 分别表示实测值和实测值的平均值； 分别y表i , ,示y ,计算值和计算值的平均值。
第一讲 绪 论
• 水环境分析 • 水文循环过程中水的污染和自净 • 水体污染物及水体功能、水质标准 • 水环境质量的度量与评价
定义：
• 水环境模拟及分析：是在研究河流、湖泊、
水库、海洋等水体的水质变化机理和规律基 础上，建立水环境模拟预测等模型，根据将 来的排污、水文气象等条件，对未来水环境 状况进行预测分析。
水功能区划及纳污能力计算
水域：国家自然保护区、生活饮用水、水源保护区、渔 类保护区、灌溉水源区等。
水体功能与水质标准；如《地面水环境质量标准》 其中: I 主要适用于源头区，国家自然保护区；
II 集中式生活饮用水水源地一级保护区， 珍贵鱼类 保护区等；
III 集中式生活饮用水水源地二级保护区，一般鱼 类保护区及游泳区；
– 状态与目标对参数的灵敏度，即研究参数变化对状态 变量和目标产生的影响。
的线性模型，可以采用多元线性回归方法求解。
yab1x1b2x2
ayb1x1b2x2
b1
122 122
b2
211 122
上式中：
1
n
y i y i x 1i x 1
i1
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2 y i y i x 2 i x 2 i1
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1
x 1 i x 1 2
i1
n
2
x 2 i x 2 2
水环境模拟模型
确定性模型模拟 不确定性模拟
随机方法 概率统计方法 灰色模型 人工神经网络法 马尔柯夫法 自组织法 多元回归等
水环境系统模拟及污染控制发展
综合水质模型的完善 基于地理信息系统平台的研究 模拟预测的不确定性（敏感性）分析 基于可视化技术和ＶＲ技术的研究 水环境模拟及修复技术
水环境分析内容
水环境：是自然环境的一个重要组成部分，指自 然界各类水体，如河流、湖泊、水库、海洋、地 下水、空中水等的数量、质量状态的总和；
水量：降水、蒸发、下渗、径流的变化； 水质：泥沙、水温、溶解氧、有机物、无机物、
重金属、水生生物等； 水环境：水量与水质的统一；
分析过程
针对要解决的水环境问题，收集有关的水文、 气象、水质观测、实验资料和污染负荷情况；
r 在 0 到 1 之间， r 值越大，拟合程度越高。
• 相对误差法
ei
yi yi, yi
式中， yi 为实测值， yi,为对应的计算值
灵敏度分析
• 灵敏度分析的意义
– 估算模型计算结果的偏差 – 有利于根据需要探讨建立高灵敏度或低灵敏度的模型 – 可以用来确定合理的设计裕量
• 环境系统的两种灵敏度分析
i1
n
x 1 i x 1 x 2 i x 2 i1
最优化方法：原理与线性回归方法类似 网格法：在可以预先估计参数区间的情况下，
将各个参数的区间等分，在所有顶点处计算 目标值，并比较目标值的大小，选优。 经验公式法
模型的检验
• 图形表示法：如果测量值与计算值的交点位于 45o线