多泥沙河流水质模型研究
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合 反 应 器 :多 泥 沙 河 流 中图分类号";2#3 文献标识码"<
=引 言
河流水质数学模型是描述河道水体中污染物随时间和空 间 迁 移 转 化 规 律 的 数 学 方 程.是 进 行 河 流 水 质 模 拟 预 测 与 水 污 染控制规划的重要工具0自 ’(#+年 >?@AA?A@和 BCADEF建立 第 一 个 河 流 水 质 模 型 以 来.河 流 水 质 模 型 的 研 究 一 直 是 国 内 外 学者所关注的一个重要课题0#$世纪 *$年代以来.随着水 环 境 问 题 研 究 的 深 入 和 相 关 学 科 及 计 算 机 的 发 展.水 质 模 型 的 研 究 在 深 度 和 广 度 上 都 取 得 了 很 大 的 进 展.至 今 已 有 各 种 河 流 水 质 模 型 0 G’.#H 然 而 .目 前 国 内 外 的 水 质 模 型 基 本 上 是 针 对和适用于含沙量较低的清水水域 的G%H0这 一 方 面 是 由 于 模 拟 需 用 的 物 质 浓 度 是 采 用 清 水 观 测 方 法 测 量 的.对 含 沙 的 浑 水 国 内 外 都 普 遍 规 定 需 将 水 样 过 滤 或 澄 清.用 清 水 中 的 物 质 浓度作为观测浓度0另一方面.由于受泥沙的突出影响.使 得 针对多泥沙河流的水质模拟变得十分复杂和困难0
差异Q
’ 水质模型识别
’^T 研究河段概况 污 染 物 在 水 体 中 的 迁 移 转 化 与 众 多 因 素 有 关&是 十 分 复
杂的过程Q在诸多影响因素中&河道的河床形态和河流 水 文g 水力学条件是重要的影响因素Q黄河孟津至花园口河段是典 型的多泥沙河段Q该河段河道宽浅&河宽受水量影响较 大&水 沙 冲 淤 变 化 及 主 流 摆 动 较 频 繁&属 典 型 的 宽 浅g游 荡 型 河 道Q 该 河 段 区 间 有 洛 河g新 蟒 河g沁 河 等 较 大 支 流 汇 入&两 岸 工 农 业 及 城 镇 生 活 引 g提 黄 河 用 水 量 较 大 Q根 据 河 段 的 汇 入 支 流 及 引提水节点情况&将孟津至花园口河段划分为孟津至洛黄 口g 洛 黄 口 至 汜 黄 口g汜 黄 口 至 邙 山 及 邙 山 至 花 园 口 等 d段 进 行 水质模型研究Q河段划分及各段汇流g引水情况见图 bQ ’^’ 水质模型的数学物理方程
度&BMNOPAGC为泥沙 !"#$%浓度&BMNMPIC为含沙量&MNOQ 根据实验数据 &按式JKL求得的 ARGC值 及 以 此 值 反 求 的 ARBC
与实测 ABC值的相对误差见表 SQ
表 T 计 算 UR>V及 U>V误 差 分 析 表 W4:32T 127X3576Y2==6=4,43Z7.7Y6=?43?X3452@UR7V4,@UR>V
泥 沙 对 河 流 水 质 模 拟 的 影 响.从 目 前 黄 河 实 际 情 况 与 研 究 所取得的成果来看.主要体现在以下 %个方面G*H0’-泥沙本 身作为具有很大不确定性的面污染源的产物以及泥沙能够解
吸 污 染 物 并 可 能 对 水 体 产 生 二 次 污 染 的 特 性.将 大 大 增 加 水 质模拟的难度和不确定性0#-水体含沙量变化的随机性 和 泥 沙 与 污 染 物 相 互 作 用 的 复 杂 性.不 仅 使 河 流 水 质 模 型 的 结 构 变 得 复 杂 .而 且 水 质 模 型 的 精 度 也 会 相 应 下 降 0%-在 水 质 模 拟 中.如 何 区 分 人 类 活 动 造 成 的 污 染 与 由 泥 沙 自 身 带 来 自 然 污 染 的 影 响 .仍 然 是 需 要 进 一 步 探 讨 的 课 题 0本 文 针 对 黄 河 泥 沙 含量高和主要是 567污染的特点.以典型河段黄河孟津至花 园口段为例开展多泥沙河流水质模型的研究0
多 泥 沙 河 流 含 沙 量 大&泥 沙 对 排 入 河 道 的 某 些 污 染 物 具 有强烈的h吸附自净i或h吸附载体i作用Q泥沙不仅影 响 水 体 感 观 性 状&而 且 给 水 体 造 成 物 理g化 学 及 微 生 物 污 染&同 时 对 水 体 中 污 染 物 的 迁 移 转 化g水 体 自 净 能 力 和 水 环 境 容 量 等 也
’-黄 河 泥 沙 中 存 在 大 量 有 机 质.黄 河 浑 水 中 56789含 量 随 含沙量增大呈显著上升态势0实验浑水 56789浓度与含沙 量关系见图 ’0
图 O 实验浑水 PQRST浓度与含沙量关系 UVWXO YZ[\]V^T_‘VabZ]cZZTZdaZeVfZT]\[PQRSTg^TgZT]e\]V^T
VTfhiijc\]Ze\Ti_ZiVfZT]g^TgZT]e\]V^T
#-用 相 同 的 水 样 和 沙 样 配 制 不 同 含 沙 量 级 样 品.去 除 泥
沙 后 清 水 的 56789浓 度 测 定 值 随 原 含 沙 量 的 增 大 呈 微 上 升 趋 势 056789浓度与含沙量的关系见图 #056789与含沙量的 相关系数为 $k2###.关系式为
O 泥沙对 PQRST的影响
根 据 水 质 模 型 建 模 的 需 要.采 集 黄 河 研 究 河 段 的 原 水 原 沙水样进行实验室模拟实验研究0实验采用黄河花园口原状 水/沙 样 品0样 品 送 回 实 验 室 后 尽 快 按 不 同 含 沙 量 级 配 制 样 品.然 后 用 高 锰 酸 盐 法 分 别 测 试 包 含 泥 沙 的 浑 水 样 和 过 滤 去 除 泥 沙 后 的 清 水 样0对 实 验 结 果 进 行 统 计 分 析.得 出 泥 沙 对 56789有 如 下 影 响 0
目前国内外开展多泥沙河流水污染方面的研究主要局限 于 机 理 研 究/规 律 性 研 究/实 验 室 研 究 和 重 金 属 在 水/沙 相 的 迁 移 转 化 规 律 研 究 等 方 面.与 泥 沙 有 关 的 水 质 模 型 的 研 究 相 对 较 少.这 其 中 又 以 关 于 重 金 属 和 有 毒 有 机 污 染 物 水 质 模 型 的 研 究 较 多 一 些0 其 中 有 代 表 性 的 水 质 模 型 有G3I2H"’-三 维 河流重金属迁移模型.是目前比较成熟的/可考虑重金属在 水 体 中 的 溶 解 态/悬 浮 泥 沙 和 沉 积 泥 沙 中 的 浓 度 以 及 它 们 之 间 的 吸 附 与 解 吸/沉 降 与 再 悬 浮 过 程 的 水 质 模 型:#-J;<8>& K模型.主要用于有毒有机物的模拟.但模型中考虑了泥沙 对
56789清水 l %X22(m $X$343’(n
)’-
式中 n为含沙量.opqr%0
%-从 系 统 观 点 出 发.将 多 泥 沙 河 流 含 悬 浮 泥 沙 水 样 视 为
一个系统.而清水/悬浮泥沙视为系统内的 #种不同 相0该 水
3+
uvw0d xv0d
安全与环境学报
第 d卷第 d期
体 浑 水 !"#$%测 定 值 和 清 水 中 !"#$%测 定 值 与 含 沙 量 之 间 的 关 系 &理 论 上 应 满 足
编号
ARGC
样品个数
NJBMH M[ SL
ARBC与 ABC的 相 对 误 差 范 围 N\
平均误差 N\
S
]^_‘K
Sa
[ bb^ac S‘^K
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K
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Baidu NhomakorabeaSe
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以上为用相同清水和泥沙配制不同含沙量级样品的实验 结 果Q式 JKL不 同 水 沙 组 合 情 况 下 仍 然 成 立&其 区 别 在 于&ARGC 值因来源泥沙不同和泥沙组分不同以及泥沙粒径不同而有所
第 3卷第 3期 #$$3年 2月
安全与环境学报 stu@9vDtw>vwA?xv9yJ9z{@t9rA9?
|tDX3 }tX3 <up.#$$3
文 章 编 号 "’$$(&*$(3)#$$3-$3&$$3+&$3
多泥沙河流水质模型研究!
胡国华
)长沙理工大学河海工程学院.长沙 3’$$4*-
摘 要"针对黄河泥沙含量大/泥沙对河流 56789浓度影响大的突出 特 点.运 用 模 拟 实 验 方 法.探 讨 了 泥 沙 对 56789浓 度 的 影 响.揭 示 了 浑水/清水中 56789浓度 与 含 沙 量 间 的 关 系0 研 究 表 明.黄 河 浑 水 中 56789浓 度 随 含 沙 量 增 大 呈 显 著 上 升 趋 势.而 去 除 泥 沙 后 清 水 56789浓 度 测 定 值 随 其 原 含 沙 量 增 大 呈 微 上 升 趋 势0 依 据 质 量 平 衡 原 理.建 立 了 充 分 考 虑 泥 沙 影 响 的 56789衰 减 经 验 模 型0 清 水 中 56789浓 度 的 变 化 采 用 完 全 混 合 反 应 器 概 念 来 模 拟.浑 水 中 56789 浓度通过清水中 56789浓度与泥沙中 56789浓度之和来量化 0模型 基本方程的求解采用稳态解析解0模型中的参数通过利用实际监测 数 据 及 室 内 实 验 结 果 与 优 化 结 合 的 方 法 确 定 0 同 时 .利 用 实 际 监 测 数 据 对 参 数 和 模 型 进 行 检 验 0 结 果 表 明 .模 型 结 构 合 理 .参 数 取 值 可 靠 . 模型精度较好0模型既能揭示汇流区间人为污染对河段水质的影响. 又可以反映作为面污染源的黄河泥沙对污染的影响 .可作为水质预测 的实用工具及规划管理的依据0 关 键词"环境工程:水质模型:56789:浑水:清水:含沙量:完全混
! 收稿日期"#$$%&’$&$( 作 者 简 介"胡 国 华 )’(*+, -.男.副 教 授.博 士.从 事 水 资 源/水 环 境和风险分析研究0
基金项目 万"水方利数部据水利技术开发基金项目)水 12*’(-
污染物的吸附/混合等 过 程:%->JL<ML< 模 型.是 目 前 用 于 重 金 属 和 有 机 化 合 物 的 功 能 较 强 的 动 态 模 式.它 考 虑 到 了 悬 浮 沉 积 物 的 迁 移 和 吸 附.并 且 分 别 计 算 不 同 颗 粒 物 的 粒 度 和 沉 降 过 程/沉 积 物 的 冲 刷 过 程 等:3-N<>B模 型.是 由 美 国 JB< 推 出 的 可 以 模 拟 泥 沙 与 重 金 属/有 毒 有 机 物 相 互 作 用 的 水 质 模 型.它 已 经 被 成 功 地 应 用 于 黄 河 中 游 重 金 属 和 有 毒 有 机 污 染 物 的 迁 移 转 化 模 拟 中G(I’’H0
律与在含沙量低的河流或清水河流中的有很大差异Q泥沙除 了 通 过 悬 移 质 对 水 体 !"#$%产 生 影 响 外&还 通 过 悬 移 质 与 底 质 之 间 的 交 换 对 !"#$%产 生 影 响Q当 河 床 发 生 冲 刷 时&部 分 底 质 通 过 再 悬 浮 变 为 悬 移 质P当 河 床 淤 积 时&部 分 悬 移 质 沉 降 于 底 质 中Q这 两 种 形 态 是 相 互 转 化 的&使 !"#$%浓 度 值 也 随之发生变化Q因此&在建立多泥沙河流水质模型时&必 须 考 虑泥沙沉降与再悬浮对 !"#$%的影响Q
图 ’ 实验清水 ()*+,浓度与含沙量关系图 -./0’ 12345.6,78.9:25;22,2<92=.>2,543()*+,?6,?2,5=45.6,
.,?324=;452=4,@72@.>2,5?6,?2,5=45.6,
ABCD AECF AGCH IC
JKL
式 中 ABC为 原 状 水 !"#$%浓 度 &BMNOPAEC为 清 水 !"#$%浓
具 有 很 大 的 万影方响 j数bkQ据因 而 &污 染 物 在 多 泥 沙 河 流 的 迁 移 转 化 规 de
图 l 河道模型化示意图 -./0l +6@232@@.4/=4> 6Y=.m2=?84,,23
河流水质模型的识别既依赖于研究河段水文水力学特性
=引 言
河流水质数学模型是描述河道水体中污染物随时间和空 间 迁 移 转 化 规 律 的 数 学 方 程.是 进 行 河 流 水 质 模 拟 预 测 与 水 污 染控制规划的重要工具0自 ’(#+年 >?@AA?A@和 BCADEF建立 第 一 个 河 流 水 质 模 型 以 来.河 流 水 质 模 型 的 研 究 一 直 是 国 内 外 学者所关注的一个重要课题0#$世纪 *$年代以来.随着水 环 境 问 题 研 究 的 深 入 和 相 关 学 科 及 计 算 机 的 发 展.水 质 模 型 的 研 究 在 深 度 和 广 度 上 都 取 得 了 很 大 的 进 展.至 今 已 有 各 种 河 流 水 质 模 型 0 G’.#H 然 而 .目 前 国 内 外 的 水 质 模 型 基 本 上 是 针 对和适用于含沙量较低的清水水域 的G%H0这 一 方 面 是 由 于 模 拟 需 用 的 物 质 浓 度 是 采 用 清 水 观 测 方 法 测 量 的.对 含 沙 的 浑 水 国 内 外 都 普 遍 规 定 需 将 水 样 过 滤 或 澄 清.用 清 水 中 的 物 质 浓度作为观测浓度0另一方面.由于受泥沙的突出影响.使 得 针对多泥沙河流的水质模拟变得十分复杂和困难0
差异Q
’ 水质模型识别
’^T 研究河段概况 污 染 物 在 水 体 中 的 迁 移 转 化 与 众 多 因 素 有 关&是 十 分 复
杂的过程Q在诸多影响因素中&河道的河床形态和河流 水 文g 水力学条件是重要的影响因素Q黄河孟津至花园口河段是典 型的多泥沙河段Q该河段河道宽浅&河宽受水量影响较 大&水 沙 冲 淤 变 化 及 主 流 摆 动 较 频 繁&属 典 型 的 宽 浅g游 荡 型 河 道Q 该 河 段 区 间 有 洛 河g新 蟒 河g沁 河 等 较 大 支 流 汇 入&两 岸 工 农 业 及 城 镇 生 活 引 g提 黄 河 用 水 量 较 大 Q根 据 河 段 的 汇 入 支 流 及 引提水节点情况&将孟津至花园口河段划分为孟津至洛黄 口g 洛 黄 口 至 汜 黄 口g汜 黄 口 至 邙 山 及 邙 山 至 花 园 口 等 d段 进 行 水质模型研究Q河段划分及各段汇流g引水情况见图 bQ ’^’ 水质模型的数学物理方程
度&BMNOPAGC为泥沙 !"#$%浓度&BMNMPIC为含沙量&MNOQ 根据实验数据 &按式JKL求得的 ARGC值 及 以 此 值 反 求 的 ARBC
与实测 ABC值的相对误差见表 SQ
表 T 计 算 UR>V及 U>V误 差 分 析 表 W4:32T 127X3576Y2==6=4,43Z7.7Y6=?43?X3452@UR7V4,@UR>V
泥 沙 对 河 流 水 质 模 拟 的 影 响.从 目 前 黄 河 实 际 情 况 与 研 究 所取得的成果来看.主要体现在以下 %个方面G*H0’-泥沙本 身作为具有很大不确定性的面污染源的产物以及泥沙能够解
吸 污 染 物 并 可 能 对 水 体 产 生 二 次 污 染 的 特 性.将 大 大 增 加 水 质模拟的难度和不确定性0#-水体含沙量变化的随机性 和 泥 沙 与 污 染 物 相 互 作 用 的 复 杂 性.不 仅 使 河 流 水 质 模 型 的 结 构 变 得 复 杂 .而 且 水 质 模 型 的 精 度 也 会 相 应 下 降 0%-在 水 质 模 拟 中.如 何 区 分 人 类 活 动 造 成 的 污 染 与 由 泥 沙 自 身 带 来 自 然 污 染 的 影 响 .仍 然 是 需 要 进 一 步 探 讨 的 课 题 0本 文 针 对 黄 河 泥 沙 含量高和主要是 567污染的特点.以典型河段黄河孟津至花 园口段为例开展多泥沙河流水质模型的研究0
多 泥 沙 河 流 含 沙 量 大&泥 沙 对 排 入 河 道 的 某 些 污 染 物 具 有强烈的h吸附自净i或h吸附载体i作用Q泥沙不仅影 响 水 体 感 观 性 状&而 且 给 水 体 造 成 物 理g化 学 及 微 生 物 污 染&同 时 对 水 体 中 污 染 物 的 迁 移 转 化g水 体 自 净 能 力 和 水 环 境 容 量 等 也
’-黄 河 泥 沙 中 存 在 大 量 有 机 质.黄 河 浑 水 中 56789含 量 随 含沙量增大呈显著上升态势0实验浑水 56789浓度与含沙 量关系见图 ’0
图 O 实验浑水 PQRST浓度与含沙量关系 UVWXO YZ[\]V^T_‘VabZ]cZZTZdaZeVfZT]\[PQRSTg^TgZT]e\]V^T
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#-用 相 同 的 水 样 和 沙 样 配 制 不 同 含 沙 量 级 样 品.去 除 泥
沙 后 清 水 的 56789浓 度 测 定 值 随 原 含 沙 量 的 增 大 呈 微 上 升 趋 势 056789浓度与含沙量的关系见图 #056789与含沙量的 相关系数为 $k2###.关系式为
O 泥沙对 PQRST的影响
根 据 水 质 模 型 建 模 的 需 要.采 集 黄 河 研 究 河 段 的 原 水 原 沙水样进行实验室模拟实验研究0实验采用黄河花园口原状 水/沙 样 品0样 品 送 回 实 验 室 后 尽 快 按 不 同 含 沙 量 级 配 制 样 品.然 后 用 高 锰 酸 盐 法 分 别 测 试 包 含 泥 沙 的 浑 水 样 和 过 滤 去 除 泥 沙 后 的 清 水 样0对 实 验 结 果 进 行 统 计 分 析.得 出 泥 沙 对 56789有 如 下 影 响 0
目前国内外开展多泥沙河流水污染方面的研究主要局限 于 机 理 研 究/规 律 性 研 究/实 验 室 研 究 和 重 金 属 在 水/沙 相 的 迁 移 转 化 规 律 研 究 等 方 面.与 泥 沙 有 关 的 水 质 模 型 的 研 究 相 对 较 少.这 其 中 又 以 关 于 重 金 属 和 有 毒 有 机 污 染 物 水 质 模 型 的 研 究 较 多 一 些0 其 中 有 代 表 性 的 水 质 模 型 有G3I2H"’-三 维 河流重金属迁移模型.是目前比较成熟的/可考虑重金属在 水 体 中 的 溶 解 态/悬 浮 泥 沙 和 沉 积 泥 沙 中 的 浓 度 以 及 它 们 之 间 的 吸 附 与 解 吸/沉 降 与 再 悬 浮 过 程 的 水 质 模 型:#-J;<8>& K模型.主要用于有毒有机物的模拟.但模型中考虑了泥沙 对
56789清水 l %X22(m $X$343’(n
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式中 n为含沙量.opqr%0
%-从 系 统 观 点 出 发.将 多 泥 沙 河 流 含 悬 浮 泥 沙 水 样 视 为
一个系统.而清水/悬浮泥沙视为系统内的 #种不同 相0该 水
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安全与环境学报
第 d卷第 d期
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以上为用相同清水和泥沙配制不同含沙量级样品的实验 结 果Q式 JKL不 同 水 沙 组 合 情 况 下 仍 然 成 立&其 区 别 在 于&ARGC 值因来源泥沙不同和泥沙组分不同以及泥沙粒径不同而有所
第 3卷第 3期 #$$3年 2月
安全与环境学报 stu@9vDtw>vwA?xv9yJ9z{@t9rA9?
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文 章 编 号 "’$$(&*$(3)#$$3-$3&$$3+&$3
多泥沙河流水质模型研究!
胡国华
)长沙理工大学河海工程学院.长沙 3’$$4*-
摘 要"针对黄河泥沙含量大/泥沙对河流 56789浓度影响大的突出 特 点.运 用 模 拟 实 验 方 法.探 讨 了 泥 沙 对 56789浓 度 的 影 响.揭 示 了 浑水/清水中 56789浓度 与 含 沙 量 间 的 关 系0 研 究 表 明.黄 河 浑 水 中 56789浓 度 随 含 沙 量 增 大 呈 显 著 上 升 趋 势.而 去 除 泥 沙 后 清 水 56789浓 度 测 定 值 随 其 原 含 沙 量 增 大 呈 微 上 升 趋 势0 依 据 质 量 平 衡 原 理.建 立 了 充 分 考 虑 泥 沙 影 响 的 56789衰 减 经 验 模 型0 清 水 中 56789浓 度 的 变 化 采 用 完 全 混 合 反 应 器 概 念 来 模 拟.浑 水 中 56789 浓度通过清水中 56789浓度与泥沙中 56789浓度之和来量化 0模型 基本方程的求解采用稳态解析解0模型中的参数通过利用实际监测 数 据 及 室 内 实 验 结 果 与 优 化 结 合 的 方 法 确 定 0 同 时 .利 用 实 际 监 测 数 据 对 参 数 和 模 型 进 行 检 验 0 结 果 表 明 .模 型 结 构 合 理 .参 数 取 值 可 靠 . 模型精度较好0模型既能揭示汇流区间人为污染对河段水质的影响. 又可以反映作为面污染源的黄河泥沙对污染的影响 .可作为水质预测 的实用工具及规划管理的依据0 关 键词"环境工程:水质模型:56789:浑水:清水:含沙量:完全混
! 收稿日期"#$$%&’$&$( 作 者 简 介"胡 国 华 )’(*+, -.男.副 教 授.博 士.从 事 水 资 源/水 环 境和风险分析研究0
基金项目 万"水方利数部据水利技术开发基金项目)水 12*’(-
污染物的吸附/混合等 过 程:%->JL<ML< 模 型.是 目 前 用 于 重 金 属 和 有 机 化 合 物 的 功 能 较 强 的 动 态 模 式.它 考 虑 到 了 悬 浮 沉 积 物 的 迁 移 和 吸 附.并 且 分 别 计 算 不 同 颗 粒 物 的 粒 度 和 沉 降 过 程/沉 积 物 的 冲 刷 过 程 等:3-N<>B模 型.是 由 美 国 JB< 推 出 的 可 以 模 拟 泥 沙 与 重 金 属/有 毒 有 机 物 相 互 作 用 的 水 质 模 型.它 已 经 被 成 功 地 应 用 于 黄 河 中 游 重 金 属 和 有 毒 有 机 污 染 物 的 迁 移 转 化 模 拟 中G(I’’H0
律与在含沙量低的河流或清水河流中的有很大差异Q泥沙除 了 通 过 悬 移 质 对 水 体 !"#$%产 生 影 响 外&还 通 过 悬 移 质 与 底 质 之 间 的 交 换 对 !"#$%产 生 影 响Q当 河 床 发 生 冲 刷 时&部 分 底 质 通 过 再 悬 浮 变 为 悬 移 质P当 河 床 淤 积 时&部 分 悬 移 质 沉 降 于 底 质 中Q这 两 种 形 态 是 相 互 转 化 的&使 !"#$%浓 度 值 也 随之发生变化Q因此&在建立多泥沙河流水质模型时&必 须 考 虑泥沙沉降与再悬浮对 !"#$%的影响Q
图 ’ 实验清水 ()*+,浓度与含沙量关系图 -./0’ 12345.6,78.9:25;22,2<92=.>2,543()*+,?6,?2,5=45.6,
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式 中 ABC为 原 状 水 !"#$%浓 度 &BMNOPAEC为 清 水 !"#$%浓
具 有 很 大 的 万影方响 j数bkQ据因 而 &污 染 物 在 多 泥 沙 河 流 的 迁 移 转 化 规 de
图 l 河道模型化示意图 -./0l +6@232@@.4/=4> 6Y=.m2=?84,,23
河流水质模型的识别既依赖于研究河段水文水力学特性