水质模型.pptx
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4
水质模型的发展趋势
模型不确定性的分型 基于人工神经网络的水质模型 基于地理信息系统的水质模型的研究
5
研究水质模型的意义
河流水环境污染
河流水环境污染
2005年七大水系水质类别比较
湖泊（水库）水环境污染
2005 年重点湖库水质类别
水系
个数 Ⅰ类 Ⅱ类
三湖
3
0
0
大型淡水湖 10
0
1
城市内湖
BOD去除的影响，引入了BOD沉浮系数k3，
u
dL dx
(k1 k3 )L
u
dD dx
k1L k2D
这些模型最初被用于城市排水工程的设计和简单的水体自净作 用的研究。
QUAL-Ⅱ水质模型
由于排入河流中的污染物质，特别是营养物质，对于水生生 物的生存有密切的联系和影响，美国环境保护局特推荐使用 QUAL-Ⅱ水质模型，该模型是一种较复杂的氧平衡生态模型， 模拟下面13种水质项目，即温度，DO，BOD，藻类（以叶绿素 a衰计减）物，质PO和43三-，种NH不3，衰N减O2物-，质N，O3-并，建大立肠了杆差菌分，法一的种求可解任技选术的。可 QUAL-Ⅱ水质模型既可用于研究入流污水的负荷（数量、质量 和位置）对受纳河流水质的影响，也可用于研究非点源问题。 它既可作为稳态模型使用，也可作为动态模型使用，用于研 究藻类的生长和呼吸作用引起的DO的昼夜变化，或探索冲击 负荷（如泄露或季节性、周期性排污）的影响。因此，QUALⅡ水质模型是一个能较全面描述水生生态系统与水质组分之 间联系的比较成功的例子。模型包括13个相互关联的偏微分 方程系统，其关系如图所示。
水质模型 一、氧平衡模型 二、湖泊富营养化预测模型
吴志佳 陈奕丹 赵英豪 王彦 董玉刚
什么是水质模型？
水质模型（water quality model） 是根据物 质守恒原理, 利用数学的语言和方法描述参 加水循环的水体中水质组分所发生的物理、 化学、生物化学和生态学诸方面的变化、内 在规律和相互关系的数学模型。
近似假设
平衡性
稳定性
不
选择方法
满
意
结果比较
流域水质预测
流域水质管理与规划
流域污染控制
流域水质模型建立的一般步骤
模型的概化 （1）确定模型时空规模和范围 （2）识别主要因素和相互关系，选择适当变量 （3）研究变量的变化和相互作用，作合理近似假设 （4）形成模型的结构概念
模型的一般性质研究 平衡性研究、稳定性研究、灵敏性研究
参数估值 一般通过实验室模拟试验或将现场测定的数据代入模 型，选择最佳拟合值作为模型的参数值
模型率定 概念：检验所建立的模型是否具有预测功能的过程 常用方法：图形图示法、相关系数法、相对误差法等
模型的求解与应用 （1）选择求解技术，变换数学表达式以适合求解 常用求解技术： 解析解（理论研究） 数值解（工程技术问题） （2）在求解基础上，形成模型的输入和输出 （3）将已建立的模型应用于解决实际问题
这两个方程式是耦合的。当边界条件
L C
L0 , x C0 , x
0 0
时，式解析解为:
L C
L ek1x / u 0
Cs (Cs
C0 )ek2x / u
k1 L0 k1 k2
(ek1x / u
ek2x /u )
L mg/L
25
20
L mg/L
15
10
5
0
0
2
4
DOmg/L
6
8
DOmg/L
水质模型的发展阶段
1925-1960，S—P模型，BOD—DO耦合模型 1960—1965，新发展，引进空间变量，动力学系数、
温度 1965—1970，光和作用、藻类的呼吸作用，沉降，悬
浮，计算机的应用 1970 —1975，线性化体系，生态水质模型，有限元模
型，有限差分技术 最近30年，改善模型的可靠性和评价能力
水质模型的类型
水质模型可按其空间维数、时间相关性、数学方程的特征 以及所描述的对象、现象进行分类和命名。 从空间维数上可分为零维、一维、二维和三维模型； 从是否含有时间变量可分为动态和稳态模型； 从模型的数学特征可分为随机性、确定性模型和线性、非 线性模型； 从描述的水体、对象、现象、物质迁移和反应动力学性质 可分为河流、湖泊、河口、海湾、地下水模型；溶解氧、 温度、重金属、有毒有机物、放射性模型；对流、扩散模 型以及迁移、反应、生态学模型等。
5
0
0
大型水库 10
0
1
总计
28
0
2
2004年比例
0
8%
2005年比例
0
7%
Ⅲ类
0 2 0 4 6 18 % 21 %
Ⅳ类
0 2 0 1 3 15 % 11 %
Ⅴ类
0 2 2 1 5 22 % 18 %
劣Ⅴ类
3 3 3 3 12 37 % 43 %
主要 污染 指标
总氮 总磷
湖泊富营养化
2007年太湖蓝藻爆发事件
S-P模式的适用条件： ①河流充分混合段； ②污染物为耗氧性有机污染物； ③需要预测河流溶解氧状态； ④河流恒定流动； ⑤连续稳定排放。
17
S-P模型基本方程及其解
dL dt
k1L
dD dt
k1 L
k2D
式中: L—河水中的BOD值，mg/L； D—河水中的亏氧值，mg/L，是饱和溶解氧浓度
Cs（mg/L）与河水中的实际溶解氧浓度C（ mg/L）的差值； k1—河水中BOD衰减(耗氧)速度常数，1／d； k2—河水中的复氧速度常数，1／d； t—河水中的流行时间， d；
一、氧平衡模型
1.Streeter-Phelps模型（S-P模型） 2.Thomas模型（忽略离散作用） 3.QUAL-Ⅱ水质模型
S-P模型
BOD-DO耦合模型 S－P模型的基本假设是： ①河流中的BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应； ②反应速度是定常的； ③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。
8 7 6 5 4 3 2 1 0
10 X km
S-P 模型的临界点和临界点氧浓度
C
xc
k2
u
k1
Ln
k2 k1
1
(k2 k1
1)C S
L0
C0
Cs
(C s
C 0 )e k2xc / u
k1L0 (e k1xc / u k1 k2
e k2xc / u
Thomas模型
对一维静态河流，在S—P模型的基础上 考虑沉淀、絮凝、冲刷和再悬浮过程对
研究水质模型的意义与作用
模拟污染物在流域范围内迁移转化过程 查明污染物运移的时空分布规律 为流域水质预测、管理和规划决策等提供有力的技术
与方法支持Leabharlann Baidu
水质模型建立的方法与步骤
水质模型建立的步骤
不
选择变量
满
意
灵敏性
模型的概化
水质模型 一般性质研究
数据收集 数据再收集 选择求解技术
参数估计 模型的率定 模型的应用
水质模型的发展趋势
模型不确定性的分型 基于人工神经网络的水质模型 基于地理信息系统的水质模型的研究
5
研究水质模型的意义
河流水环境污染
河流水环境污染
2005年七大水系水质类别比较
湖泊（水库）水环境污染
2005 年重点湖库水质类别
水系
个数 Ⅰ类 Ⅱ类
三湖
3
0
0
大型淡水湖 10
0
1
城市内湖
BOD去除的影响，引入了BOD沉浮系数k3，
u
dL dx
(k1 k3 )L
u
dD dx
k1L k2D
这些模型最初被用于城市排水工程的设计和简单的水体自净作 用的研究。
QUAL-Ⅱ水质模型
由于排入河流中的污染物质，特别是营养物质，对于水生生 物的生存有密切的联系和影响，美国环境保护局特推荐使用 QUAL-Ⅱ水质模型，该模型是一种较复杂的氧平衡生态模型， 模拟下面13种水质项目，即温度，DO，BOD，藻类（以叶绿素 a衰计减）物，质PO和43三-，种NH不3，衰N减O2物-，质N，O3-并，建大立肠了杆差菌分，法一的种求可解任技选术的。可 QUAL-Ⅱ水质模型既可用于研究入流污水的负荷（数量、质量 和位置）对受纳河流水质的影响，也可用于研究非点源问题。 它既可作为稳态模型使用，也可作为动态模型使用，用于研 究藻类的生长和呼吸作用引起的DO的昼夜变化，或探索冲击 负荷（如泄露或季节性、周期性排污）的影响。因此，QUALⅡ水质模型是一个能较全面描述水生生态系统与水质组分之 间联系的比较成功的例子。模型包括13个相互关联的偏微分 方程系统，其关系如图所示。
水质模型 一、氧平衡模型 二、湖泊富营养化预测模型
吴志佳 陈奕丹 赵英豪 王彦 董玉刚
什么是水质模型？
水质模型（water quality model） 是根据物 质守恒原理, 利用数学的语言和方法描述参 加水循环的水体中水质组分所发生的物理、 化学、生物化学和生态学诸方面的变化、内 在规律和相互关系的数学模型。
近似假设
平衡性
稳定性
不
选择方法
满
意
结果比较
流域水质预测
流域水质管理与规划
流域污染控制
流域水质模型建立的一般步骤
模型的概化 （1）确定模型时空规模和范围 （2）识别主要因素和相互关系，选择适当变量 （3）研究变量的变化和相互作用，作合理近似假设 （4）形成模型的结构概念
模型的一般性质研究 平衡性研究、稳定性研究、灵敏性研究
参数估值 一般通过实验室模拟试验或将现场测定的数据代入模 型，选择最佳拟合值作为模型的参数值
模型率定 概念：检验所建立的模型是否具有预测功能的过程 常用方法：图形图示法、相关系数法、相对误差法等
模型的求解与应用 （1）选择求解技术，变换数学表达式以适合求解 常用求解技术： 解析解（理论研究） 数值解（工程技术问题） （2）在求解基础上，形成模型的输入和输出 （3）将已建立的模型应用于解决实际问题
这两个方程式是耦合的。当边界条件
L C
L0 , x C0 , x
0 0
时，式解析解为:
L C
L ek1x / u 0
Cs (Cs
C0 )ek2x / u
k1 L0 k1 k2
(ek1x / u
ek2x /u )
L mg/L
25
20
L mg/L
15
10
5
0
0
2
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DOmg/L
6
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DOmg/L
水质模型的发展阶段
1925-1960，S—P模型，BOD—DO耦合模型 1960—1965，新发展，引进空间变量，动力学系数、
温度 1965—1970，光和作用、藻类的呼吸作用，沉降，悬
浮，计算机的应用 1970 —1975，线性化体系，生态水质模型，有限元模
型，有限差分技术 最近30年，改善模型的可靠性和评价能力
水质模型的类型
水质模型可按其空间维数、时间相关性、数学方程的特征 以及所描述的对象、现象进行分类和命名。 从空间维数上可分为零维、一维、二维和三维模型； 从是否含有时间变量可分为动态和稳态模型； 从模型的数学特征可分为随机性、确定性模型和线性、非 线性模型； 从描述的水体、对象、现象、物质迁移和反应动力学性质 可分为河流、湖泊、河口、海湾、地下水模型；溶解氧、 温度、重金属、有毒有机物、放射性模型；对流、扩散模 型以及迁移、反应、生态学模型等。
5
0
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大型水库 10
0
1
总计
28
0
2
2004年比例
0
8%
2005年比例
0
7%
Ⅲ类
0 2 0 4 6 18 % 21 %
Ⅳ类
0 2 0 1 3 15 % 11 %
Ⅴ类
0 2 2 1 5 22 % 18 %
劣Ⅴ类
3 3 3 3 12 37 % 43 %
主要 污染 指标
总氮 总磷
湖泊富营养化
2007年太湖蓝藻爆发事件
S-P模式的适用条件： ①河流充分混合段； ②污染物为耗氧性有机污染物； ③需要预测河流溶解氧状态； ④河流恒定流动； ⑤连续稳定排放。
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S-P模型基本方程及其解
dL dt
k1L
dD dt
k1 L
k2D
式中: L—河水中的BOD值，mg/L； D—河水中的亏氧值，mg/L，是饱和溶解氧浓度
Cs（mg/L）与河水中的实际溶解氧浓度C（ mg/L）的差值； k1—河水中BOD衰减(耗氧)速度常数，1／d； k2—河水中的复氧速度常数，1／d； t—河水中的流行时间， d；
一、氧平衡模型
1.Streeter-Phelps模型（S-P模型） 2.Thomas模型（忽略离散作用） 3.QUAL-Ⅱ水质模型
S-P模型
BOD-DO耦合模型 S－P模型的基本假设是： ①河流中的BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应； ②反应速度是定常的； ③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。
8 7 6 5 4 3 2 1 0
10 X km
S-P 模型的临界点和临界点氧浓度
C
xc
k2
u
k1
Ln
k2 k1
1
(k2 k1
1)C S
L0
C0
Cs
(C s
C 0 )e k2xc / u
k1L0 (e k1xc / u k1 k2
e k2xc / u
Thomas模型
对一维静态河流，在S—P模型的基础上 考虑沉淀、絮凝、冲刷和再悬浮过程对
研究水质模型的意义与作用
模拟污染物在流域范围内迁移转化过程 查明污染物运移的时空分布规律 为流域水质预测、管理和规划决策等提供有力的技术
与方法支持Leabharlann Baidu
水质模型建立的方法与步骤
水质模型建立的步骤
不
选择变量
满
意
灵敏性
模型的概化
水质模型 一般性质研究
数据收集 数据再收集 选择求解技术
参数估计 模型的率定 模型的应用