水质模型
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环境影响评价 水环境影响评价水质模型
持久性污染物；
河流为非恒定流动；
连续稳定排放；
对于非持久性污染物，需要采用相应的衰减模式。
4、 河流混合过程段与水质模式选择
预测范围内的河段可以分为充分混合段，混合过程段和上游河
段。
充分混合段：是指污染物浓度在断面上均匀分布的河段，当断
面上任意一点的浓度与断面平均浓度之差小于平均浓度的5%时， 可以认为达到均匀分布。
①岸边排放
c(x, q)
ch
H
cpQp
M q x
exp
q 22 4M qx
exp
(2Qh q)2 4M q x
式中：q=Huy
Mq=H2uMy c(x,q)－(x,q)处污染物垂向平均浓度，mg/L； Mq－累积流量坐标系下的横向混合系数； 适用条件：
弯曲河流、断面形状不规则河流混合过程段；
，
t
0 e t
eQ V K1 t 0
如 t 0
,则 t
1
ln 1
溶解氧模型
dDO dt
Q V
(DO0
DO)
K2
DOs
DO
R
其中
R rA B
（上模型方程没有考虑浮游植物的增氧量和排入湖或库的废水 带入的氧量。）
习题：P101： 3
4－4 水质模型的标定
混合系数估值
经验公式 • 流量恒定、河宽大、水较浅、无河湾的顺直河流：
M y xu
exp(
uy2 4M y x
)
exp
u2B
4M y
y x
2
2、非岸边排放
c(x,
y)
exp
K
x 86400u
c h
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。
第三章水质模型
水质模型
1.1 水质模型的主要问题和分类
一、 问题 (1)为了避免一条河流产生厌氧而使水质保持 在给定的条件，应当在何处建立污水处理厂? 多大规模、什么样的处理效率才能保证溶解 氧浓度不低于水质标准? (2)为了合理地利用某一区域的水资源，该区 域应当发展何种工业以及多大规模的工业才 能使该地区的水资源得以充分利用并保证水 资源不至于受污染。
C0 1 k1x
Q
u
2019/11/25
25
例题2：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1.0m3/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？
• 水质模型的分类：
1、按水域类型：河流、河口、河网、湖泊 2、按水质组分：单一组分、耦合组分（BOD-DO模型）、
多重组分（比较复杂，如综合水生态模型） 3、按水力学和排放条件：稳态模型、非稳态模型
水质模型按 空间维数分类
零维水质模型 一维水质模型 二维水质模型 三维水质模型
2019/11/25
0
水质模型
(4)按水质组分是否作为随机变量，可分为随 机模型和确定性模型。
水质模型还可以按模型的其他特征分类。如 按水质组分的迁移特性，可分为对流模型， 扩散模型和对流－扩散模型。按水质组分的 转化特性可分为纯迁移模型，纯反应模型和 迁移－反应模型等。
0
水质模型
1.2 水质模型的发展及建立步骤
一、水质模型的发展过程 第一阶段(1925-1965年)：开发了比较简单的 生物化学需氧量(BOD)和溶解氧(DO)的双线 性系统模型，对河流和河口的水质问题采用 了一维计算方法进行模拟。 第二阶段(1965-1970年)：研究发展BOD—DO 模型的多维参数估值，将水质模型扩展为六 个线性系统模型。发展河流、河口、湖泊及 海湾的水质模拟，方法从一维发展到二维。
第三章水环境化学-第四节水质模型介绍
第四节 水质模型
水质模型，是一个用于描述物质在水环境中的混合、 迁移、扩散和转化过程（包括物理、化学、生物作用过 程）的数学方程（或方程组） .
水质模型的基本原理是质量守恒原理；建立水质模 型的目的是用来描述污染物数量与水环境影响因素之间 的定量关系，从而为水质分析、预测和水环境管理提供 基础的量化依据。
本节讨论的水质模型主要是：氧平衡模型、湖泊富 营养化模型和有毒有机污染物归趋模型。
一、氧平衡模型
1. Streeter-Phelps（S-P）模型（河流水质自净模型）
S-P模型的建立基于两项假设： （1）只考虑好氧微生物参加的有机物降解反应，并 认为该反应为一级反应。 （2）河流中的耗氧只是有机物降解反应引起的。有 机物的降解反应速率与河水中溶解氧(DO)的减少速 率相同，大气中的氧进入水体的复氧速率与河水中 的亏氧量 D 成正比。
极限距离：
极限溶解氧：
（DC为极限氧亏）
2．托马斯(Thomas)模型
对于一维静态河流，在S—P模型的基础上考虑沉淀、絮 凝、冲刷和再悬浮过程对BOD变化的影响，引入了BOD沉 浮系数k3 dL
u -(k1 k3 ) L dx u dD k L - k D 1 2 dx
湖泊水质模型的类型：
湖泊水质模型可划分为：多元相关模型；输入输出 模型；富营养化预测模型和扩散模型，这里仅讨论富 营养化预测模型。
2. 富营养化预测模型 对于停留时间很长、水质基本处于稳定状态的中小 型湖泊和水库，可视为一个均匀混合的水体。 沃兰伟德假定，湖泊中某种营养物的浓度随时间的 变化率，是输入、输出和在湖泊内沉积的该种营养物量 的函数，用质量平衡方程表示就是：
水质模型，是一个用于描述物质在水环境中的混合、 迁移、扩散和转化过程（包括物理、化学、生物作用过 程）的数学方程（或方程组） .
水质模型的基本原理是质量守恒原理；建立水质模 型的目的是用来描述污染物数量与水环境影响因素之间 的定量关系，从而为水质分析、预测和水环境管理提供 基础的量化依据。
本节讨论的水质模型主要是：氧平衡模型、湖泊富 营养化模型和有毒有机污染物归趋模型。
一、氧平衡模型
1. Streeter-Phelps（S-P）模型（河流水质自净模型）
S-P模型的建立基于两项假设： （1）只考虑好氧微生物参加的有机物降解反应，并 认为该反应为一级反应。 （2）河流中的耗氧只是有机物降解反应引起的。有 机物的降解反应速率与河水中溶解氧(DO)的减少速 率相同，大气中的氧进入水体的复氧速率与河水中 的亏氧量 D 成正比。
极限距离：
极限溶解氧：
（DC为极限氧亏）
2．托马斯(Thomas)模型
对于一维静态河流，在S—P模型的基础上考虑沉淀、絮 凝、冲刷和再悬浮过程对BOD变化的影响，引入了BOD沉 浮系数k3 dL
u -(k1 k3 ) L dx u dD k L - k D 1 2 dx
湖泊水质模型的类型：
湖泊水质模型可划分为：多元相关模型；输入输出 模型；富营养化预测模型和扩散模型，这里仅讨论富 营养化预测模型。
2. 富营养化预测模型 对于停留时间很长、水质基本处于稳定状态的中小 型湖泊和水库，可视为一个均匀混合的水体。 沃兰伟德假定，湖泊中某种营养物的浓度随时间的 变化率，是输入、输出和在湖泊内沉积的该种营养物量 的函数，用质量平衡方程表示就是：
水质模型
2
水质模型的类型
1、从空间维数上 零维、一维、二维和三维模型 2、是否含有时间变量 可分为动态和稳态模型 3、从模型的数学特征 随机性、确定性模型和线性、非线性模型 4、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 。
第四节 水质模型 (Water Quality Model)
1
水质模型（ 水质模型（water quality model） ）
水质模型（ 水质模型（water quality model） 根据物质守恒原理用 ） 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、 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。 规律和相互关系的数学模型。 描述环境污染物在水中的运动和迁移转化规律， 描述环境污染物在水中的运动和迁移转化规律，为水资源 保护服务。它可用于实现水质模拟和评价，进行水质预报 保护服务。它可用于实现水质模拟和评价， 和预测， 和预测，制订污染物排放标准和水质规划以及进行水域的 水质管理等，是实现水污染控制的有力工具。 水质管理等，是实现水污染控制的有力工具。
4
水质模型的发展阶段
1925-1960，S—P模型，BOD—DO耦合模型 ， 模型， 模型 耦合模型 1960—1965，新发展，引进空间变量，动力学系数、 ，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 ，光和作用、藻类的呼吸作用，沉降， 浮，计算机的应用 1970 —1975，线性化体系，生态水质模型，有限元模 ，线性化体系，生态水质模型， 型，有限差分技术 最近30年 最近 年，改善模型的可靠性和评价能力
水质模型
湖泊富营养化
湖泊的富营养化是由磷、氮的化合物过多排放引起的 污染。主要表现为水体中藻类的大量繁殖，严重影响 了水质。
24
湖泊水质污染预测模型对于预测湖泊水质 发展趋势及提出相应的防治对策有着重要 的意义。 目前常采用的有多元相关模型、输入输出 模型、富营养化预测模型和扩散模型。前 三种模型实际上只能预测未来湖泊水质的 平均发展趋势，而扩散模型可以反映湖泊 水质的空间变化，预测污水入湖口附近局 部水域可能出现的严重污染程度。实际应 用时可根据湖泊的污染特征和基础资料等 情况选用相应模型。
26
为了求得在均匀混合条件下，V稳定时上述方 程的解，Vollenweider，Dillon，合田健和经济 合作与发展组织（OECD）还分别求得以下湖 水总磷质量浓度的计算公式。
1.Vollenweider公式 ρ=ρ1（1＋√ Z／Q）-1 式中：ρ——湖水按容积加权的年平均总磷质量浓度，mg/L； ρ1——流入湖泊水量按流量加权的年平均总磷质量浓 度（包括入湖河道，湖区径流和湖面降水的总 量），mg/L； Z——湖泊的平均水深，可用湖泊容积（V）除以湖泊 相应的表面积求得，m； Q——湖泊单位面积上的水量负荷，可用湖泊的年流 入水量（qm）除以湖泊的表面积（A）来求得， t/（m2· a）。
17
S-P模型基本方程及其解
dL k1 L dt dD k1 L k 2 D dt
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；
3.合田健公式 L ρ= ——————-----Z（qV/V+α)
二维水质模型定义
二维水质模型定义水质模型是通过对水体特定参数进行数学建模和模拟，来研究、预测和评估水体环境的变化和质量的方法。
水质模型的目的是更好地理解水体中的污染物传输、生态系统变化和水质改善措施的效果。
本文将重点讨论二维水质模型的定义、原理和应用。
二维水质模型是一种通过建立二维网格来模拟和分析水体内污染物及其水质变化的方法。
它考虑到水体的水平平面分布和水流运动，并使用物理方程和计算方法来模拟和预测水体中污染物的扩散和转运。
在二维水质模型中，水体被划分为若干个网格单元，每个单元代表一个小的空间区域。
通过测量和监测，可以获取水体的初始条件和边界条件，并将其输入到模型中。
随着时间的推移，模型根据初始条件、边界条件和物理方程进行计算和模拟，以得到水体中污染物的浓度和分布。
二维水质模型的基本原理是质量平衡方程和扩散方程。
质量平衡方程描述了污染物在水体中的产生、输入、输出和转化过程，扩散方程则描述了污染物的扩散和输运。
这些方程考虑了水体中物质的浓度、流速和水动力学特性，并使用数值方法进行离散化和求解。
通过这些模型的建立和求解，可以预测不同情况下水质的变化，如污染物浓度的分布、水体的富营养化程度、溶解氧的含量等。
二维水质模型在水环境管理和水资源规划中具有广泛的应用。
它可以用于评估污染事件的影响、指导水体治理和保护措施的制定，并预测未来水质的变化趋势。
通过改变模型中的参数和输入条件，可以进行不同的情景分析和模拟实验，以评估不同的污染控制策略和方案的效果和可行性。
此外，二维水质模型还可以与其他模型相结合，如水动力模型、生态模型和气象模型，以更全面地模拟和评估水体的水文、水力和水质过程。
这种耦合模型的应用可以提供更准确的结果和更全面的分析，为决策者提供指导，以保护和改善水体环境。
总之，二维水质模型是一种有效的工具，用于研究水体环境的变化和质量的评估。
它基于物理方程和计算方法，通过建立二维网格来模拟和分析水体内污染物及其水质的变化。
2024年MIKE21水质培训教程
MIKE21水质培训教程MIKE21水质模型培训教程1.引言MIKE21是一款广泛应用于水文、水质、泥沙和海洋等领域的数值模拟软件，具有强大的前后处理功能和灵活的模型构建方式。
水质模型作为MIKE21软件的核心模块之一，为研究水体中污染物的输移、扩散和衰减过程提供了有效的工具。
本教程旨在帮助初学者快速掌握MIKE21水质模型的基本操作和建模方法，为实际工程应用奠定基础。
2.MIKE21水质模型简介2.1水质模型分类MIKE21水质模型主要包括两大类：稳态模型和动态模型。
稳态模型适用于模拟长期平均水质状况，动态模型则可以模拟水质随时间的变化过程。
根据研究问题的不同，用户可以选择相应的模型进行模拟。
2.2水质模型原理MIKE21水质模型基于质量守恒定律和纳维-斯托克斯方程，考虑了污染物在水体中的对流、扩散和生物化学反应等过程。
模型通过求解偏微分方程组，得到污染物浓度随时间和空间的变化规律。
3.MIKE21水质模型操作步骤3.1创建项目启动MIKE21软件，创建一个新的项目。
在项目设置中，选择相应的地理坐标系和投影方式。
3.2导入数据导入研究区域的底图数据，如DEM、河网、土地利用等。
同时，还需要导入污染源数据、监测站点数据和边界条件等。
3.3建立模型3.3.1创建网格根据研究区域的特点，选择合适的网格类型（如矩形网格、三角形网格等）和网格分辨率。
在MIKE21中，可以通过自动或手动方式创建网格。
3.3.2设置边界条件根据实际情况，设置模型的边界条件。
边界条件包括入口浓度、出口浓度、自由液面等。
3.3.3设置初始条件设置模型初始时刻的污染物浓度分布。
3.3.4设置参数根据实际情况，设置模型中的各类参数，如污染物衰减系数、扩散系数等。
3.4模型求解设置求解器参数，如时间步长、迭代次数等。
然后运行模型，求解污染物浓度分布。
3.5结果分析利用MIKE21的后处理功能，对模拟结果进行分析。
可以绘制污染物浓度等值线图、浓度变化曲线等，以便于直观地了解污染物在水体中的分布和变化规律。
五章湖库水质模型ppt课件
k 1
C
Ic (1 Rc ) rV
C0
I
c
(1 rV
Rc
)
exp(rt
)
Cp
Ic (1 Rc ) rV
Lc (1 rh
Rc )
3. 湖库富营养化旳鉴别
可接受旳磷负荷：
氮含量：>0.2~0.3mg/l 磷含量：>0.01~0.02mg/l
lg LPA 0.6 lg h 1.4 危险界线磷负荷：
swt sw0
t i 1
(
Rday
Qsurf
Ea
wseep
Qgw )
swt sw0
t i 1
(
Rday
Qsurf
Ea
wseep
Qgw )
式中：
swt (mm)是土壤最终含水量，
sw0 (mm)土壤初始含水量，t为时间(day)，
Rday (mm)为第 i 天总降水量， Qsurf (mm)是第 i 天地表径流总量，
QPE -----排入分层湖库上层的废水量， m3 / s ； VE -------分层湖库上层体积， m3 ； CM (l1) -----分层湖库分层前（非分层期）污染物的平均浓度； CH (l) -----分层湖库下层的平均浓度； CPH ------向分层湖库下层排放的污染物浓度； QPH -----排入分层湖库下层的废水量， m3 / s VH -------分层湖库下层体积， m3 ；
m
1.地面径流旳营养负荷
I jl Ai Eij
i 1
2.降水旳营养负荷 I jp C j PAs
3.人为原因旳营养负荷
I sE （1) 生活污水旳营养负荷
js EPs 800 ~ 1800g / 人 年
《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。
第五章湖泊水库水质模型
适用：停留时间很长，水质基本处于稳定状态的湖泊 水库。
假定：湖泊中某种营养物的浓度随时间的变化率，是 输入、输出和在湖泊内沉积的该种营养物量的函数。
不足：不能描述发生在湖泊内的物理、化学和生物过 程，同时也不考虑湖泊和水库的热分层，是只考虑其 输入—产出关系的模型。
模型
V
dC dt
Ic
sCV
QC
K2 Hr 2
2Qp
第五章 湖泊水库水质模型
湖泊水库富营养化模型
经验模型
分类 （1）单一营养物质负荷模型 （2）藻类生物量与营养物质负荷量之间的相关模型。
一般模型 根据物质平衡原理， 对于完全混合型湖泊、水库， 以磷 负荷为研究对象， 磷负荷的收支平衡方程为：
解析解：
dWp dt
Wpi
本章内容
湖泊水库的污染特性 湖泊水库温度模型 湖泊水库水质模型 湖泊水库富营养化模型 湖泊水库生态系统模型 湖泊水库水质模拟通用软件介绍 案例分析
第五章 湖泊水库水质模型
湖泊水库的污染特性
污染来源与途径
污染源
污染类型 点源
外源污染物 面源
内源污染物
污染物来源 工业废水 城镇生活污水 固体废物处置场 矿区地表径流 城镇地表径流 农牧区地表径流 大气降尘 大气降水 水体投饵养殖 水面娱乐活动废弃物 水土流失及土壤侵蚀 底泥及沉积物
湖库完全混合箱式模型——吉柯奈尔—狄龙模型
模型
引入滞留系数 Rc：
dC Ic (1 Rc ) rC
dt
V
如给定初始条件 t ＝ 0，C ＝ C0，得到上式的解析解：
C
Ic
(1 Rc ) rV
[C0
Ic (1 Rc rV
) ] exp(rt )
假定：湖泊中某种营养物的浓度随时间的变化率，是 输入、输出和在湖泊内沉积的该种营养物量的函数。
不足：不能描述发生在湖泊内的物理、化学和生物过 程，同时也不考虑湖泊和水库的热分层，是只考虑其 输入—产出关系的模型。
模型
V
dC dt
Ic
sCV
QC
K2 Hr 2
2Qp
第五章 湖泊水库水质模型
湖泊水库富营养化模型
经验模型
分类 （1）单一营养物质负荷模型 （2）藻类生物量与营养物质负荷量之间的相关模型。
一般模型 根据物质平衡原理， 对于完全混合型湖泊、水库， 以磷 负荷为研究对象， 磷负荷的收支平衡方程为：
解析解：
dWp dt
Wpi
本章内容
湖泊水库的污染特性 湖泊水库温度模型 湖泊水库水质模型 湖泊水库富营养化模型 湖泊水库生态系统模型 湖泊水库水质模拟通用软件介绍 案例分析
第五章 湖泊水库水质模型
湖泊水库的污染特性
污染来源与途径
污染源
污染类型 点源
外源污染物 面源
内源污染物
污染物来源 工业废水 城镇生活污水 固体废物处置场 矿区地表径流 城镇地表径流 农牧区地表径流 大气降尘 大气降水 水体投饵养殖 水面娱乐活动废弃物 水土流失及土壤侵蚀 底泥及沉积物
湖库完全混合箱式模型——吉柯奈尔—狄龙模型
模型
引入滞留系数 Rc：
dC Ic (1 Rc ) rC
dt
V
如给定初始条件 t ＝ 0，C ＝ C0，得到上式的解析解：
C
Ic
(1 Rc ) rV
[C0
Ic (1 Rc rV
) ] exp(rt )
水质模型
第四节 水质模型
水质模型 — 可较好描述污染物在水环境中 的复杂规律及其影响因素之间的相互关系，因此 水质模型是研究水环境的重要工具。 水质模型的基本原理是根据质量守恒原理。 污染物在水环境中的物理、化学和生物过程 的各种模型，大体经历了三个发展阶段， 即简单的氧平衡模型阶段，形态模型阶段和多介质 环境结合生态模型阶段。
2．Thomas模型(忽略离散作用)
在s—P模型的基础上，增加固悬浮物的沉 淀和上浮引起的删的变化速率(K3L0)，则：
二、 湖泊富营养化模型
目前常采用的有多元相关模型、输入输出模 型、富营养化预测模型和扩散模型。
前三种模型实际上只能预测未来湖泊水质的 平均发展趋势，而扩散模型可反映湖泊水质的空 间变化，预测污水人湖口附近局部水域可能出现 的严重污染程度。 实际应用时可根据湖泊的污染特征和基础资 料等情况选用相应模型。
一、 氧平衡模型
1．Streeter—Phelps模型(S—P模型)
假定河流的自净过程中存在着两个相反的过程.
a.
有机污染物在水体中先发生氧化反应，消耗水体 中的氧，其速率与其在水中的有机污染物浓度成 正比
b.
大气中的氧不断进入水体，其速率与水中的氧亏z 值成正比.
根据质量守衡原理，提出一维稳态河流的 BOD—DO藕合模型的基本方程式如下：
当人湖污染物为氮、磷等营养物时，根据质量守恒原理．湖水中污染物 的变化不仅与进出湖泊的数量有关，而且还受其沉降速率的影响。
水质模型 — 可较好描述污染物在水环境中 的复杂规律及其影响因素之间的相互关系，因此 水质模型是研究水环境的重要工具。 水质模型的基本原理是根据质量守恒原理。 污染物在水环境中的物理、化学和生物过程 的各种模型，大体经历了三个发展阶段， 即简单的氧平衡模型阶段，形态模型阶段和多介质 环境结合生态模型阶段。
2．Thomas模型(忽略离散作用)
在s—P模型的基础上，增加固悬浮物的沉 淀和上浮引起的删的变化速率(K3L0)，则：
二、 湖泊富营养化模型
目前常采用的有多元相关模型、输入输出模 型、富营养化预测模型和扩散模型。
前三种模型实际上只能预测未来湖泊水质的 平均发展趋势，而扩散模型可反映湖泊水质的空 间变化，预测污水人湖口附近局部水域可能出现 的严重污染程度。 实际应用时可根据湖泊的污染特征和基础资 料等情况选用相应模型。
一、 氧平衡模型
1．Streeter—Phelps模型(S—P模型)
假定河流的自净过程中存在着两个相反的过程.
a.
有机污染物在水体中先发生氧化反应，消耗水体 中的氧，其速率与其在水中的有机污染物浓度成 正比
b.
大气中的氧不断进入水体，其速率与水中的氧亏z 值成正比.
根据质量守衡原理，提出一维稳态河流的 BOD—DO藕合模型的基本方程式如下：
当人湖污染物为氮、磷等营养物时，根据质量守恒原理．湖水中污染物 的变化不仅与进出湖泊的数量有关，而且还受其沉降速率的影响。
水质模型及其应用研究进展
水质模型及其应用研究进展随着环境保护意识的不断提高，水质模型的研究与应用逐渐成为水环境管理领域的热点话题。
本文将概述水质模型的概念、定义及其应用背景，并综述近年来水质模型的研究进展，以期为相关领域的研究和实践提供有益的参考。
水质模型是描述水中污染物传输、转化和降解过程的数学模型，广泛应用于水环境质量评价、污染物排放控制、水处理工艺设计等领域。
随着计算机技术的发展，水质模型的应用逐渐由定性描述向定量预测转变。
本文将从研究现状和模型应用两个方面，探讨水质模型的研究进展及其在实际问题中的应用。
近年来，水质模型的研究取得了长足的进展。
根据模型的原理和应用范围，可将现有的水质模型大致分为三类：物理模型、化学模型和生态模型。
物理模型主要水体中污染物的扩散、对流和吸附等物理过程。
常用的物理模型包括扩散对流方程、表面张力模型等。
这些模型的优势在于能够准确描述污染物的空间分布和动态变化，但往往忽略了污染物的化学和生物过程。
化学模型则重点水中污染物的化学反应过程，如氧化还原反应、络合反应等。
典型的水质化学模型有零维或多维扩散方程，以及基于反应动力学的模型。
化学模型具有较好的理论依据，但对反应机制和动力学参数的要求较高。
生态模型则结合了物理和化学模型的优势，同时考虑了水生生物和环境因素对水质的影响。
典型的生态模型包括河流生态系统模型、湖泊生态系统模型等。
这些模型通过模拟生物群落的结构和功能，能够更全面地评估水环境的质量状况。
然而，生态模型的应用仍面临数据获取和处理等方面的挑战。
为了提高模型的预测精度，研究者们还提出了多种耦合模型，即将不同类型的模型进行组合，以弥补单一模型的不足。
例如，物理-化学耦合模型综合考虑了污染物的物理和化学过程，能够更准确地模拟水质的动态变化。
生态-化学耦合模型、生态-物理耦合模型等也逐渐得到应用。
这些耦合模型的发展为水质模型的未来研究提供了新的方向。
水质模型在实际问题中的应用取得了丰硕的成果。
第七章 水质模型
QUAL2K相对于QUAL2E模型而言，它不仅适用于混合的枝状河 流系统，而且允许多个排污口、取水口的存在以及支流汇入和流
出，尤其对藻类、营养物质、光三者之间的相互作用进行了矫正，
并在模拟过程对输入和输出等程序有了进一步改进，主要增强功
能包括计算功能的扩展、新反应因子的增加,如藻类BOD、反硝
化作用和固着植物引起的DO变化。对于任意一种水质组分,有:
水质模型研究的深 化、完善与广泛。 考虑水质模型与面 源模型的对接,并 采用多种新技术方 法,如:随机数学、 模糊数学、人工神 经网络、专家系统 等。
四、建立水质模型的基本步骤
调查研究，获取资料 模型的一般性质研究 初步建立模型 模型验证 模型应用
§6-2 河流水质模型
一、BOD-DO耦合模型（S-P模型）及其修正模型
k1 x / u
S-P适用的5个条件
a、河流充分混合段； b、污染物为耗氧性有机污染物； c、需要预测河流溶解氧状态； d、河流为恒定流动； e、污染物连续稳定排放。
25 20 15 10
L mg/L DOmg/L
DOmg/L
L mg/L
5 0 0
氧垂曲线示意图
2
4
6
8
10 X km
(四)奥康纳模型
LC u (k1 k3 ) LC x LN u k N LN x D u k1 LC k N LN k 2 D x
kN—硝化BOD耗氧系数，1/d；
( k1 k3 ) x / u L L e 其解析解为: C 0C kN x /u L L e N 0N k1 L0 ( k1 k3 ) x / u k2 x / u k2 x / u D D e ( e e ) 0 k2 k1 k3 k L N 0 N (e k N x / u e k2 x / u ) k2 k N
水质数学模型
5.7 BOD-DO模型
5.7.1 稳态模型
5.7.2 非稳态模型 5.7.2.1 未考虑硝化作用 5.7.2.2 考虑硝化作用的DO方程 5.7.2.3 氧亏临界点计算
5.8 河口区浓度场的确定
5.9 种群动态模型
5.9.1 logistic方程
5.9.2 建立logistic藻类增长方程
5.9.3 求水生植物最佳生长率 5.9.4 建立水生植物的logistic藻类增长方程 5.9.5 人工生态系统净化水质规模的确定
解:C′=(C0Q0+Cq)/(Q0+q)=2.5mg/L
5.2.2 瞬时源扩散方程的解析解
5.2.3 连续源扩散方程的解析解
5.2.4 考虑平流项的连续源水质模型解析解
5.2.5 复杂水质模型的解析解
(1)一元均匀流中瞬时点源
(2)在均匀一元流场中的连续点源
5.2.6 “导则”推荐的水质预测公式
5.5 河流水质数学模型
5.5.1 一维水质方程的基本形式 5.5.2 一维稳态方程及其解 5.5.2.1 当扩散项很小时 5.5.2.2 自净作用不大时
5.5.2.3 自净作用和扩散作用均考虑
5.5.3 一维非稳态水质方程及其解
5.5.3.1 不考虑自净项
5.5.3.2 扩散项、自净项均考虑
5.6 完全混合系统水质模型
5.1.3 建模步骤
问题的提出
模型的概念 参数估计 模型率定 模型验证
模型的应用
5.1.4 模型的用途
(1)深入了解水体水质迁移转化的机理； (2)预测废水排放后天然水域的水质浓度场；
(3)确定水体的剩余环境容量或污染物削减量；
(4)制定污染物的排放标准；
5.7.1 稳态模型
5.7.2 非稳态模型 5.7.2.1 未考虑硝化作用 5.7.2.2 考虑硝化作用的DO方程 5.7.2.3 氧亏临界点计算
5.8 河口区浓度场的确定
5.9 种群动态模型
5.9.1 logistic方程
5.9.2 建立logistic藻类增长方程
5.9.3 求水生植物最佳生长率 5.9.4 建立水生植物的logistic藻类增长方程 5.9.5 人工生态系统净化水质规模的确定
解:C′=(C0Q0+Cq)/(Q0+q)=2.5mg/L
5.2.2 瞬时源扩散方程的解析解
5.2.3 连续源扩散方程的解析解
5.2.4 考虑平流项的连续源水质模型解析解
5.2.5 复杂水质模型的解析解
(1)一元均匀流中瞬时点源
(2)在均匀一元流场中的连续点源
5.2.6 “导则”推荐的水质预测公式
5.5 河流水质数学模型
5.5.1 一维水质方程的基本形式 5.5.2 一维稳态方程及其解 5.5.2.1 当扩散项很小时 5.5.2.2 自净作用不大时
5.5.2.3 自净作用和扩散作用均考虑
5.5.3 一维非稳态水质方程及其解
5.5.3.1 不考虑自净项
5.5.3.2 扩散项、自净项均考虑
5.6 完全混合系统水质模型
5.1.3 建模步骤
问题的提出
模型的概念 参数估计 模型率定 模型验证
模型的应用
5.1.4 模型的用途
(1)深入了解水体水质迁移转化的机理； (2)预测废水排放后天然水域的水质浓度场；
(3)确定水体的剩余环境容量或污染物削减量；
(4)制定污染物的排放标准；
水质模型
水质模型分类
• 水质模型是一个用于描述物质在水中混合、迁移等变 水质模型是一个用于描述物质在水中混合、 是一个用于描述物质在水中混合 化过程的数学方程，即描述水体中污染物与时间、 化过程的数学方程，即描述水体中污染物与时间、空 间的定量关系。 间的定量关系。 • 水质模型的分类： 水质模型的分类：
1、按水域类型：河流、河口、湖泊（水库）以及地下水水质 、按水域类型 河流 河口、湖泊（水库） 河流、 模型 2、按水质组分：单一组分、耦合组分（BOD-DO模型）、多 、按水质组分：单一组分、耦合组分（ 模型）、 模型）、多 重组分（比较复杂，如综合水生态模型） 重组分（比较复杂，如综合水生态模型） 3、按水力学和排放条件：稳态模型、非稳态模型 、按水力学和排放条件：稳态模型、 4、根据研究水质维度：零维、一维、二维、三维水质模型。 、根据研究水质维度：零维、一维、二维、三维水质模型。
河流的混合稀释模型
在最早出现的水质完全混合断面， 在最早出现的水质完全混合断面，有：
C hQh + C P Q P C = QE + QP
式中： 河水流量， /s； 式中：Qh－河水流量， m3/s； 河水背景断的污染物浓度， mg/L； Ch－河水背景断的污染物浓度， mg/L； 废水中污染物的浓度， mg/L； CP－废水中污染物的浓度， mg/L； 废水的流量， /s； QP－废水的流量， m3/s； 完全混合的水质浓度， mg/L。 C－完全混合的水质浓度， mg/L。
x + D0 exp − K 2 86400u
( 6 ) C s = 4 6 8 /(3 1 .6 + T ) (7 ) D = C s − C (O ) (8 ) D c = C s − C c ( 9 ) D 0 = C s − C 0 (O ) (10)Co = (11)Do = C pQ p + C hQ h Q p + Qh D pQ p + D hQ h Q p + Qh
• 水质模型是一个用于描述物质在水中混合、迁移等变 水质模型是一个用于描述物质在水中混合、 是一个用于描述物质在水中混合 化过程的数学方程，即描述水体中污染物与时间、 化过程的数学方程，即描述水体中污染物与时间、空 间的定量关系。 间的定量关系。 • 水质模型的分类： 水质模型的分类：
1、按水域类型：河流、河口、湖泊（水库）以及地下水水质 、按水域类型 河流 河口、湖泊（水库） 河流、 模型 2、按水质组分：单一组分、耦合组分（BOD-DO模型）、多 、按水质组分：单一组分、耦合组分（ 模型）、 模型）、多 重组分（比较复杂，如综合水生态模型） 重组分（比较复杂，如综合水生态模型） 3、按水力学和排放条件：稳态模型、非稳态模型 、按水力学和排放条件：稳态模型、 4、根据研究水质维度：零维、一维、二维、三维水质模型。 、根据研究水质维度：零维、一维、二维、三维水质模型。
河流的混合稀释模型
在最早出现的水质完全混合断面， 在最早出现的水质完全混合断面，有：
C hQh + C P Q P C = QE + QP
式中： 河水流量， /s； 式中：Qh－河水流量， m3/s； 河水背景断的污染物浓度， mg/L； Ch－河水背景断的污染物浓度， mg/L； 废水中污染物的浓度， mg/L； CP－废水中污染物的浓度， mg/L； 废水的流量， /s； QP－废水的流量， m3/s； 完全混合的水质浓度， mg/L。 C－完全混合的水质浓度， mg/L。
x + D0 exp − K 2 86400u
( 6 ) C s = 4 6 8 /(3 1 .6 + T ) (7 ) D = C s − C (O ) (8 ) D c = C s − C c ( 9 ) D 0 = C s − C 0 (O ) (10)Co = (11)Do = C pQ p + C hQ h Q p + Qh D pQ p + D hQ h Q p + Qh
《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。
水质模型
河流常用数学模型－－例题
解：河段起始端：
河水的BOD5： 河水的氧亏值：
河流常用数学模型
二维水质模型
使用条件：河流稳态，恒定排污。 持久性污染物岸边排放：
非持久性污染物岸边排放：
湖泊水库数学模型
持久性污染物
非持久性污染物
湖泊水库的盒模型
湖泊水库数学模型
持久性污染物
小湖
无风时的大湖 近岸环流显著的大湖
第二节 水质模型
河流常用数学模型
湖泊水库数学模型
非点源水质模型
地下水水质模型
河流常用数学模型
完全混合模型
零维模型P68
BOD－DO耦合模 型P78 二维水质模型P76
一维水质模型P70
河流常用数学模型
完全混合模型
使用条件： 河流稳态 污染物在河段内均匀混合 河段无源和汇 污染物为持久性污染物
非点源水质模型
农田非点源污染模型
坡面径流计算 利用美国水土保持部门提出的经验方
程：
非点源水质模型
农田非点源污染模型
坡面径流计算
降雨损失量是降水截留量、渗透量和地表 滞留量的总和，是滞洪系数S的函数： I=0.2S。而
此外，融雪也会产生地表径流，因此，在 北方地区，计算径流时要考虑降雪的影响： SM=CsnTad
湖泊水库数学模型－－非持久性污染物
小湖
湖泊完全混合衰减模式：
平衡时：
湖泊水库数学模型－－非持久性污染物
无风时的大湖
湖泊移流模型：
湖泊水库数学模型－－非持久性污染物
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水质模型分类
• 水质模型是一个用于描述物质在水中混合、迁移等 变化过程的数学方程，即描述水体中污染物与时间 、空间的定量关系。 • 水质模型的分类：
1、按水域类型：河流、河口、河网、湖泊
2、按水质组分：单一组分、耦合组分（BOD-DO模型）、 多重组分（比较复杂，如综合水生态模型）
3、按水力学和排放条件：稳态模型、非稳态模型
15
点源一维模型的应用条件
• 如果河段长度大于下列计算的结果时， 可以采用一维模型进行模拟：
(0.4 B 0.6a)uB L (0.058H 0.0065B) gHI
2018/11/29
16
混合过程段长度计算 [重点]
混合过程段的长度可由下式估算 ：
(0.4 B 0.6a)uB L (0.058H 0.0065B) gHI
瞬间完全混合
污水注入点
背景段 混合段
没有完全混合点
L
2018/11/29
混合段总长度
4
河流的混合稀释模型
在最早出现的水质完全混合断面，有：
ChQh CP QP C QE QP
式中：Qh－河水流量， m3/s； Ch－河水背景断的污染物浓度， mg/L； CP－废水中污染物的浓度， mg/L； QP－废水的流量， m3/s； C－完全混合的水质浓度， mg/L。
式中，L－混合过程段长度； B－河流宽度； A－排放口距岸边的距离（0=<a<0.5B）; u－河流断面平均流速； 当河段长度大 H－平均水深； 于L，可采用0 g －重力加速度， 9.81 m/s2 ； 维或一维模型 I－河流坡度。
2018/11/29 17
采用几 维模型 的依据
例题
某河流预测河段平均宽度50.0米，平均水深＝1.2 米，河底坡度0.90/00，平均流速0.1m/S，排放口 到岸边距离0米，混合过程段长度是多少米？
水质模型按 空间维数分类
零维水质模型
一维水质模18/11/29
2
水质模型维数的选择
• • • • 零维：3个方向都不考虑 一维：仅考虑纵向 二维：考虑纵向、横向 三维：3个方向都考虑
2018/11/29
3
污水注入点
完全混合点
背景段
混合段
均匀混合段
L
混合段总长度 污水注入点 背景段 均匀混合段 既是污水注入点，也是完全混合点
答案：21 mg/L
2018/11/29 12
2、一维模型
适用于符合一维动力学降解规 律的一般污染物，如氰、酚、有机 毒物、重金属、BOD、COD等单项指 标的污染物。
2018/11/29
13
一维模型适用条件
一维模型适用的假设条件是横向 和垂直方向混合相当快，认为断面中 的污染物的浓度是均匀的。或者是根 据水质管理的精确度要求允许不考虑 混合过程而假设在排污口断面瞬时完 成充分混合。
一般用于持久性污染物
2018/11/29 10
稳态条件下的河流的零维模型
C0 C0 C x 1 kt 1 k( ) 86400u
式中：C－流出河段的污染物浓度，mg/L; C0-完全混合模型计算出的浓度值， mg/L; x－河段长度，m。 k-污染物的衰减速率常数 1/d； u－河水的流速，m/s; t－两个断面之间的流动时间。
2018/11/29 7
稳态条件下基本模型的解析解
• 什么是稳态？
在环境介质处于稳定流动状态和污染 源连续稳定排放的条件下，环境中的污染 物分布状况也是稳定的。这时，污染物在 某一空间位置的浓度不随时间变化，这种 不随时间变化的状态称为稳定。
参看P119+120
2018/11/29 8
1、零维模型
2018/11/29
11
例题2：河流的零维模型 P135 4
• 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1.0m3/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？
• 零维是一种理想状态，把所研究的 水体如一条河或一个水库看成一个 完整的体系，当污染物进入这个体 系后，立即完全均匀的分散到这个 体系中，污染物的浓度不会随时间 的变化而变化。
2018/11/29
9
河流零维模型的应用条件
对于较浅、较窄的河流，如果不考虑 污染物的降解项时，当满足符合下面两个 条件之一的环境问题可化为零维模型： （1）河水流量与污水流量之比大于20； （2）不需要考虑污水进入水体的混合距离。
2018/11/29 5
完全混合模型适用条件
• 稳态：河流；排污 • 下游某点废水和河水在整个断面上 达到了均匀混合 • 持久性的污染物 • 该河流无支流和其他排污口进入
2018/11/29
6
例题1：完全混合模型 P135 3
• 计划在河边建一座工厂，该厂将以2.83m3/s的 流量排放废水，废水中总溶解固体（总可滤残 渣和总不可滤残渣）浓度为1300mg/L，该河流 平均流速为0.457m/，平均河宽为13.72m，平均 水深为0.61m，总溶解固体浓度为310mg/L，如 果该工厂的废水排入河中能与河水迅速混合， 那么总溶解固体的浓度是否超标（设标准为 500mg/L）？
2018/11/29
14
一维模型适用的两种条件
适用1
背景段
污水注入点
混合段
完全混合点
均匀混合段
L
混合段总长度
适用2
背景段
CE QE CPQP C0 QE QP
均匀混合段
污水注入点
既是污水注入点，也是完全混合点
瞬间完全混合
2018/11/29
CE QE CPQP C0 QE QP
19
河流的一维模型 [考虑弥散的一维稳态模型]
u C C0 exp[ (1 m) x] 2D
4k1D m 1 86400u 2
• 式中：C－下游某一点的污染物浓度， mg/L ； C0－完全混合断面的污染物浓度， mg/L；
(0.4 50 0.6 0) 50 0.1 （米） 2463 L＝ (0.0581.2 0.0065 50) 9.8 1.2 0.0009
2018/11/29
18
河流的一维模型
可根据河流水流特点分两种情况，即不 考虑弥散作用和考虑弥散作用。
2018/11/29
• 水质模型是一个用于描述物质在水中混合、迁移等 变化过程的数学方程，即描述水体中污染物与时间 、空间的定量关系。 • 水质模型的分类：
1、按水域类型：河流、河口、河网、湖泊
2、按水质组分：单一组分、耦合组分（BOD-DO模型）、 多重组分（比较复杂，如综合水生态模型）
3、按水力学和排放条件：稳态模型、非稳态模型
15
点源一维模型的应用条件
• 如果河段长度大于下列计算的结果时， 可以采用一维模型进行模拟：
(0.4 B 0.6a)uB L (0.058H 0.0065B) gHI
2018/11/29
16
混合过程段长度计算 [重点]
混合过程段的长度可由下式估算 ：
(0.4 B 0.6a)uB L (0.058H 0.0065B) gHI
瞬间完全混合
污水注入点
背景段 混合段
没有完全混合点
L
2018/11/29
混合段总长度
4
河流的混合稀释模型
在最早出现的水质完全混合断面，有：
ChQh CP QP C QE QP
式中：Qh－河水流量， m3/s； Ch－河水背景断的污染物浓度， mg/L； CP－废水中污染物的浓度， mg/L； QP－废水的流量， m3/s； C－完全混合的水质浓度， mg/L。
式中，L－混合过程段长度； B－河流宽度； A－排放口距岸边的距离（0=<a<0.5B）; u－河流断面平均流速； 当河段长度大 H－平均水深； 于L，可采用0 g －重力加速度， 9.81 m/s2 ； 维或一维模型 I－河流坡度。
2018/11/29 17
采用几 维模型 的依据
例题
某河流预测河段平均宽度50.0米，平均水深＝1.2 米，河底坡度0.90/00，平均流速0.1m/S，排放口 到岸边距离0米，混合过程段长度是多少米？
水质模型按 空间维数分类
零维水质模型
一维水质模18/11/29
2
水质模型维数的选择
• • • • 零维：3个方向都不考虑 一维：仅考虑纵向 二维：考虑纵向、横向 三维：3个方向都考虑
2018/11/29
3
污水注入点
完全混合点
背景段
混合段
均匀混合段
L
混合段总长度 污水注入点 背景段 均匀混合段 既是污水注入点，也是完全混合点
答案：21 mg/L
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2、一维模型
适用于符合一维动力学降解规 律的一般污染物，如氰、酚、有机 毒物、重金属、BOD、COD等单项指 标的污染物。
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一维模型适用条件
一维模型适用的假设条件是横向 和垂直方向混合相当快，认为断面中 的污染物的浓度是均匀的。或者是根 据水质管理的精确度要求允许不考虑 混合过程而假设在排污口断面瞬时完 成充分混合。
一般用于持久性污染物
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稳态条件下的河流的零维模型
C0 C0 C x 1 kt 1 k( ) 86400u
式中：C－流出河段的污染物浓度，mg/L; C0-完全混合模型计算出的浓度值， mg/L; x－河段长度，m。 k-污染物的衰减速率常数 1/d； u－河水的流速，m/s; t－两个断面之间的流动时间。
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稳态条件下基本模型的解析解
• 什么是稳态？
在环境介质处于稳定流动状态和污染 源连续稳定排放的条件下，环境中的污染 物分布状况也是稳定的。这时，污染物在 某一空间位置的浓度不随时间变化，这种 不随时间变化的状态称为稳定。
参看P119+120
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1、零维模型
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例题2：河流的零维模型 P135 4
• 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1.0m3/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？
• 零维是一种理想状态，把所研究的 水体如一条河或一个水库看成一个 完整的体系，当污染物进入这个体 系后，立即完全均匀的分散到这个 体系中，污染物的浓度不会随时间 的变化而变化。
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河流零维模型的应用条件
对于较浅、较窄的河流，如果不考虑 污染物的降解项时，当满足符合下面两个 条件之一的环境问题可化为零维模型： （1）河水流量与污水流量之比大于20； （2）不需要考虑污水进入水体的混合距离。
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完全混合模型适用条件
• 稳态：河流；排污 • 下游某点废水和河水在整个断面上 达到了均匀混合 • 持久性的污染物 • 该河流无支流和其他排污口进入
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例题1：完全混合模型 P135 3
• 计划在河边建一座工厂，该厂将以2.83m3/s的 流量排放废水，废水中总溶解固体（总可滤残 渣和总不可滤残渣）浓度为1300mg/L，该河流 平均流速为0.457m/，平均河宽为13.72m，平均 水深为0.61m，总溶解固体浓度为310mg/L，如 果该工厂的废水排入河中能与河水迅速混合， 那么总溶解固体的浓度是否超标（设标准为 500mg/L）？
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一维模型适用的两种条件
适用1
背景段
污水注入点
混合段
完全混合点
均匀混合段
L
混合段总长度
适用2
背景段
CE QE CPQP C0 QE QP
均匀混合段
污水注入点
既是污水注入点，也是完全混合点
瞬间完全混合
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CE QE CPQP C0 QE QP
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河流的一维模型 [考虑弥散的一维稳态模型]
u C C0 exp[ (1 m) x] 2D
4k1D m 1 86400u 2
• 式中：C－下游某一点的污染物浓度， mg/L ； C0－完全混合断面的污染物浓度， mg/L；
(0.4 50 0.6 0) 50 0.1 （米） 2463 L＝ (0.0581.2 0.0065 50) 9.8 1.2 0.0009
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河流的一维模型
可根据河流水流特点分两种情况，即不 考虑弥散作用和考虑弥散作用。
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