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
• 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 ； 完全混合断面的污染物浓度 u－河水的流速，m/s； k－污染物降解的速率常数（1/d）； 下游某一点到排放点的距离，m。 x－下游某一点到排放点的距离
2011-3-25
14
例题2： 例题 ：河流的一维模型
2011-3-25
8
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 对于较浅、较窄的河流，如果不考虑 较浅 的河流 污染物的降解项时 当满足符合下面 符合下面两个 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 的环境问题可化为零维模型： 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； 河水流量与污水流量之比大于20； 20 （2）不需要考虑污水进入水体的混合距离。 不需要考虑污水进入水体的混合距离。
2011-3-25
12
一维模型适用的两种条件
适用1 适用
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 适用
背景段
污水注入点 均匀混合段 既是污水注入点， 既是污水注入点，也是完全混合点
瞬间完全混合
2011-3-25 13
河流的一维模型
x ) C = C 0 exp( − k1 86400 u
2011-3-25
10
2、一维模型 、
适用于符合一维动力学降解规 适用于符合一维动力学降解规 的一般污染物，如氰、 律的一般污染物，如氰、酚、有机 毒物、重金属、BOD、COD等单项指 毒物、重金属、BOD、COD等单项指 标的污染物。 标的污染物。
2011-3-25
11
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 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。 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 混合过程而假设在排污口断面瞬时完 成充分混合。 成充分混合。
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
2011-3-25
混合段总长度
6
稳态条件下基本模型的解析解
• 什么是稳态？ 什么是稳态？ 在环境介质处于稳定 稳定流动状态和污染 稳定 源连续稳定 稳定排放的条件下，环境中的污染 稳定 物分布状况也是稳定 稳定的。这时，污染物在 稳定 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 稳定。 稳定 参看P119+120
21
2011-3-25
S-P 模型
S-P模型广泛的应用于河流水质 模型广泛的应用于河流水质 的模拟预测中，是预测河流中BOD 的模拟预测中，是预测河流中 变化规律的较好模型。 和DO变化规律的较好模型。它也用 变化规律的较好模型 于计算河流的最大允许排污量。 于计算河流的最大允许排污量。
2011-3-25
• 一个改扩工程拟向河流排放废水，废水量为 0.15 m3/s，苯酚浓度为30mg/L,河流流量为 5.5 m3/s，流速为0.3 m/s，苯酚背景浓度 为0.5mg/L，苯酚的降解系数k＝0.2/d，纵 向弥散系数D为10 m2/s。求排放点下游10km 处的苯酚浓度。
答案：考虑弥散作用，1.19mg/L; 忽略弥散作用，1.19mg/L。
2011-3-25 4
水质模型维数的选择
• • • • 零维： 个方向都不考虑 零维：3个方向都不考虑 一维： 一维：仅考虑纵向 二维：考虑纵向、 二维：考虑纵向、横向 三维：3个方向都考虑 三维： 个方向都考虑
2011-3-25
5
污水注入点 背景段 混合段
完全混合点 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， 既是污水注入点，也是完全混合点
2011-3-25
17
污水排入
当BOD随污水进入河流后，由于耗氧微生 BOD随污水进入河流后， 随污水进入河流后 物的生物氧化作用，其浓度逐渐降低， 物的生物氧化作用，其浓度逐渐降低，而水中 DO则被消耗 逐渐降低。与此同时， 则被消耗， 的DO则被消耗，逐渐降低。与此同时，河流还 存在着复氧作用，在氧消耗的同时， 存在着复氧作用，在氧消耗的同时，还不断有 氧气进入水体，如下图所示： 氧气进入水体，如下图所示：
BOD-DO耦合模型（S-P模型） 耦合模型（ 模型 模型） 耦合模型
描述河流水质的第一个模型是由斯特 里特(H.Streeter)和菲尔普斯 E.P 和菲尔普斯( 里特(H.Streeter)和菲尔普斯(E.Phelps) 在1925年提出的，简称S-P模型。 1925年提出的，简称S 模型。 年提出的 S-P模型迄今仍得到广泛的应用，它 模型迄今仍得到广泛的应用， 也是各种修正和复杂模型的先导和基础。 也是各种修正和复杂模型的先导和基础。 S-P模型用于描述一维稳态河流中的 BOD－ 的变化规律。 BOD－DO 的变化规律。
饱和DO浓度 浓度 饱和
最大氧亏
河流DO浓度 浓度 河流 氧垂曲线
临界氧亏
BOD曲线 曲线 水质最差点 距离或时间
亏氧量为饱和溶解氧浓度与实际溶解氧浓度之差
BOD-DO耦合模型（S-P模型） 耦合模型（ 模型 模型） 耦合模型
S-P模型的建立基于三项假设： 模型的建立基于三项假设： （1）河流中的BOD衰减反应和溶解氧的复氧 河流中的BOD衰减反应和溶解氧的复氧 BOD 都是一级反应； 都是一级反应； （2）反应速度是恒定的； 反应速度是恒定的； （3）河流中的耗氧只是BOD衰减反应引起的 河流中的耗氧只是BOD衰减反应引起的 BOD 而河流中的溶解氧来源则是大气复氧。 ，而河流中的溶解氧来源则是大气复氧。 BOD的衰减反应速率与河水中溶解氧 DO)的 的衰减反应速率与河水中溶解氧( BOD的衰减反应速率与河水中溶解氧(DO)的 减少速率相同。 减少速率相同。
2011-3-25 19
S-P模型的适用条件 模型的适用条件
• • • • • •
2011-3-25
5个条件 个条件 a、河流充分混合段； 、河流充分混合段； b、污染物为耗氧性有机污染物； 、污染物为耗氧性有机污染物； c、需要预测河流溶解氧状态； 、需要预测河流溶解氧状态； d、河流为恒定流动； 、河流为恒定流动； e、污染物连续稳定排放。 、污染物连续稳定排放。
• 污水进入水体后，不能在短距离内 污水进入水体后， 达到全断面浓度混合均匀的河流均 应采用二维模型。 应采用二维模型。 • 实际应用中，水面平均宽度超过 实际应用中， 200 m的河流应采用二维模型。 的河流应采用二维模型。 的河流应采用二维模型
20
x (1) c = c 0 e x p − K 1 86400u K 1c 0 x x (2)D = exp − K 1 − exp − K 2 K 2 − K1 86400u 86400u K2 D0 K 2 − K1 86400u (3 ) x c = ln 1 − K 2 − K1 K1 c0 K1 D (K 2 − K1) K 86400 ( 4 )tc = ln { 2 [1 − 0 ]} K 2 − K1 K1 c0 K 1 (5 ) D c = tc K1 c0 ex p (− K 1 ) K2 86400
22
3、二维模型 、
• 描述水质组分的迁移变化在两个方 向上是重要的， 向上是重要的，在另外的一个方向 上是均匀分布的， 上是均匀分布的，这种水质模型称 二维水质模型。 为二维水质模型。
2011-3-25
23
4.2.2 河流的混合稀释模型
污水注入点 背景段 河水流量QE (m3/s)， 污染物浓度为CE (mg／L) 混合段 完全混合点
2011-3-25
15
总 结
在利用数学模式预测河流水质时， 在利用数学模式预测河流水质时， 充分混合段可以采用一维模式或零维模 充分混合段可以采用一维模式或零维模 式预测断面平均水质；混合过程段需采 式预测断面平均水质；混合过程段需采 用二维模式进行预测。 用二维模式进行预测。
2011-3-25
16
二维模型
均匀混合段
L
混合段总长度 完全混合段是指污染 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。
污染物浓度为CP (mg／L) 废水流量为 QP (m3/s)
最早出现的水质完全混合断面
2011-3-25 24
二维模型
2011-3-25 2
完全混合模型适用条件
• 稳态：河流；排污 稳态：河流； • 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
2011-3-25
3
例题1： 例题 ：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 如 果该工厂的废水排入河中能与河水迅速混合， 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）？
2011-3-25 7
1、零维模型 、ห้องสมุดไป่ตู้
• 零维是一种理想状态，把所研究的 零维是一种理想状态， 理想状态 水体如一条河或一个水库看成一个 完整的体系， 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 系后，立即完全均匀的分散到这个 体系中， 体系中，污染物的浓度不会随时间 的变化而变化。 的变化而变化。
一般用于持久性污染物
2011-3-25 9
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; 完全混合模型计算出的浓度值， 完全混合模型计算出的浓度值 x－河段长度，m。 －河段长度， 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 －两个断面之间的流动时间。