第七章 一维非恒定河流和河网水量水质模型 对于中小型河流，通常其宽度及水深相对于长度数量较小，扩散质（污染物质、热量）很容易在垂向及横向上达到均匀混合，即扩散质浓度在断面上基本达到均匀状态。这种情况下，我们只需要知道扩散质在断面内的平均分配状况，就可以把握整个河道的扩散质空间分布特征，这是我们可以采用一维圣维南方程描述河流水动力特征或水量特征（水位、流量、槽蓄量等）；用一维纵向分散方程描述扩散质在时间及河流纵向上的变化状况。特别地，对于稳态水流，可以采用常规水动力学方法推算水位、断面平均流速的沿程变化；采用分段解析解法计算扩散质浓度沿纵向的变化特征。但是，在非稳态情况下（水流随时间变化或扩散质源强随时间变化）解析解法将无能为力（水流非恒定）或十分繁琐（水流稳态、源强非恒定），这时通常采用数值解法求解河道水量、水质的时间、空间分布。在模拟方法上，无论是单一河道还是由众多单一河道构成的河网，若采用空间一维手段求解，描述水流、水质空间分布规律的控制方程是相同的，只不过在具体求解方法上有所差异而已。 7.1 单一河道的控制方程 7.1.1 水量控制方程 采用一维圣维南方程组描述水流的运动，基本控制方程为： (1) 023/42 2=+-++R Q u n g x A u x Z gA x Q u t Q ???????? (2)
式中t 为时间坐标，x 为空间坐标，Q 为断面流量，Z 为断面平均水位，u 为断面平均流速，n 为河段的糙率，A 为过流断面面积，B W 为水面宽度（包括主流宽度及仅起调蓄作用的附加宽度），R 为水力半径，q 为旁侧入流流量（单位河长上旁侧入流场）。此方程组属于二元一阶双曲型拟线性方程组，对于非恒定问题，现阶段尚无法直接求出其解析解，通常用有限差分法或其它数学离散方法求其数值解。在水流稳态、棱柱形河道条件下，上述控制方程组退化为水力学的谢才公式，可采用相应的方法求解水流特征。 7.1.2 扩散质输运控制方程 描述河道扩散物质运动及浓度变化规律的控制方程为：带源的一维对流分散（弥散）方程，形式如下： S S h A KAC x c AE x x QC t AC r x ++-???? ??=+????????)()( (3) 式中，C 为污染物质的断面平均浓度，Q 为流量， 为纵向分散系数，S 为单 位时间内、单位河长上的污染物质排放量，K 为污染物降解系数，S r 为河床底泥释放污染物的速率。 此方程属于一元二阶偏微分方程，对于非恒定水流问题，微分方程位变系数的偏微分方程，现阶段尚无法直接求出其解析解，通常用有限差分法或其它数学离散方法求其数值解。在水流稳态、污染源源强恒定条件下，可按水动力特征将河道分为若干子段，在每个分段上，上述控制方程简化为常系数的常微分方程，可采用解析方法秋初起理论解。 7.2 单一河道一维水量水质模型
河流污染二维水质模型研究及RMA4模型概述 马 莉1,2,桂和荣1,3,曹彭强4 (1.安徽理工大学地球与环境学院,安徽淮南 232007; 2.淮南职业技术学院采矿工程系,安徽淮南 232007; 3.宿州学院,安徽宿州 234000; 4.河海大学水文水资源学院,江苏南京 210098) 摘 要:介绍二维水质模型常用的模拟手段、建模求解步骤的要点难点,并在此基础上对RM A 4水 质模型的特点进行详细归纳和分析,最后探讨河流水质模型的未来发展趋势,从而为建立二维河流水质 模型进行水质模拟提供一定的思路和依据. 关键词:河流;二维;水质模型;RMA 4 中图分类号:X 522;O 242.1 文献标志码:A 文章编号:1000-2162(2011)01-0102-07 Study on i ntegration of 2D water quality m odels and revi ew of RM A4model MA L i 1,2,GU I H e rong 1,3,CAO Peng q iang 4 (1.D epart ment o f Earth and Env iron m ent ,A nhui U nivers it y of Science and T echno l ogy ,H uai nan 232007,Ch i na ; 2.D epart ment o fM i ning Engeer i ng ,H uainan V o ca ti ona l T echn ical Co llege ,Hua i nan 232007,China ; 3.Suz hou Co lleg e ,Suzhou 234000,Ch i na ; 4.D epa rt m ent ofH ydrolody and W ater R esources ,H oha iU niversity ,N anji ng 210098,Ch i na)Abst ract :The co mm on m ethod o f 2D w ater quality m odels and the po ints for so l v ing t h e w ater qua lity m ode ls were introduced i n t h is paper .Then a w ater qua lity m odels RMA4w as i n tr oduced and its character i s tics w ere analyzed .Fina ll y the developi n g trends o f si m ulati o n o f river w ater qua lity w as d iscussed .Th is is beneficia l to bu ild i n g and using m athe m atic mode ls to si m u late the river w ater qu lity . K ey w ords :river ;2D;w ater qua lity m ode;l RMA4 1 河流污染二维水质模型研究概况 水质模型是污染物在水环境中的变化规律及其影响因素之间相互关系的数学描述,它既是水环境科学研究的内容之一,又是水环境研究的重要工具.它涉及水环境科学的许多基本理论问题和水污染控制的许多实际问题.最早研究的水质模型为一维水质模型,其主要应用于河道很长,而水面宽度和深度 收稿日期:2010-06-08 基金项目:安徽省学术与技术带头人基金资助项目 作者简介:马 莉(1983 ),女,辽宁沈阳人,淮南职业技术学院讲师,安徽理工大学在读博士. 引文格式:马莉,桂和荣,曹彭强.河流污染二维水质模型研究及RM A 4模型概述[J].安徽大学学报:自然科学版,2011,35(1):102-108. 2011年1月 第35卷第1期安徽大学学报(自然科学版)Journa l o f Anhu iU n i versity (N a t ural Science Ed iti on)January 2011V o.l 35N o .1
常用水质模型原理 环境一班 110180112 赵晨光 河北工程大学城市建设学院 摘要：随着科技的发展，人类生产获取的物质越来越多，但是伴随着物质的生产，大 量的污染物物质流入环境，其中相当大的一部分污染物质以无机化合物，有机化合物 的形式进入河流。河流被污染后不仅难以紫荆，造成严重的生态环境问题，也给你人 的生产生活带来极大的的危害。对各类水环境污染问题，尤其是河流水污染的水质报 告已成为我国水利、环保部门的重要工作之一。详细阐述了常用河流水质模型及格参 数意义，今儿给从事水环境监测、水环境影响评价等工作者提供借鉴。 摘要：With the development of science and technology, the human production of material is increasing, but with the production of material, a large amount of pollutant substances into the environment, of which a considerable part of the pollutants in inorganic compounds, organic compounds in the form of into the river. River pollution is not only difficult to Chinese redbud, causing serious ecological environment problems, and also give you people's production and life bring great harm. For all kinds of water environmental pollution problems, especially a report on the water quality of river water pollution is become one of the important work of our country's water conservancy, environmental protection department. Expounds the river water quality model is commonly used to pass the parameter meaning, today to engage in water environment monitoring, water environmental impact assessment and other workers. 关键词：河流；水质；模型； 一，水质模型简介 水质模型是用来描述水体中污染物与实践、空间的定量关系，描述物质在水环境的混合、迁移过程的数学方程。根据模型中的变量是否为随机变量、水质模型可分为确定 性水质模型和不确定性水质模型。 二，河流水质模型
课程：毛泽东思想和中国特色社会主义体系概论学年学期：2010～2011学年第2学期 指导教师：王新建 实践时间：第7～9周 小组成员：胡文强 D0******* 姜斌 D0******* 金鲁勋 D0******* 李成立 D0******* 谢东剑 D0******* 马克思主义学院
下沙河流水质调查报告 09工商管理类（3）班：谢东剑胡文强李成立姜斌金鲁勋 指导老师：王新建 摘要：本文对目前下沙河流的水质及河流综合治理情况进行了分析，阐述了下沙河流的历史、环境以及现状。并通过实地调查、访问相关人员等方式了解政府采取的措施及其效果，并分析了下沙河流污染的具体原因。还就下沙地区河流综合治理提出了自己的看法和建议，如下沙地区的河流设计应注重总体布局，规划设计力求水流通畅和生态平衡，注重配水和截污。河流综合治理是一项公益性和长久性项目，对其效益应持远见，并在治理上不遗余力，坚持不懈。 关键词：下沙河流生态环境综合治理配水截污 一、下沙河道分布情况与环境分析 下沙河道多从农田排灌渠道演变而来，区内河道纵横交错。主要河道有：新建河、月牙河、幸福河、新华河、下沙公路渠、3号大堤护塘河、临江护塘河、2号渠、6号渠、12号渠、20号渠等。目前区内现存27条河道，总长度108.6km。由于下沙地区发展的早期，缺乏对河道的统一规划和保护，各类挤占河道情况较多，城市建设中临时阻水建设较多，导致原本通畅的河渠被阻断，水系被人为割裂，一年中大部分时间水体处于静止状态，径流很小，而城市雨污分流又不够彻底，且有混接、乱接现象，环保措施不全，使部分未经处理的生活污水和工业废水排入城市内河，直接造成水体污染。同时，未建成区由于管理及基础设施的原因，相当多河道成为附近居民的天然垃圾场，地表水环境不容乐观。 下沙南部主要是一些工厂，东临钱塘江，北边是高速公路，有少数几家工厂，西边是开发地区，而学校主要集中在中部。下沙人口总量保持稳定。2010年末，开发区总人口达到393231人。 1.学校（大学）
水质数学模型分类 按上游来水和排污随时间的变化情况： 动态模式、稳态模式 按水质分布状况： 零维、一维、二维和三维 按模拟预测的水质组分： 单一组分、多组分耦合模式 水质数学模式的求解方法及方程形式 解析解模式、数值解模式 河流水质模型 ? 河流完全混合模式、一维稳态模式、S-P 模式（适用于河流的充分混合段） ? 托马斯模式（适用于沉降作用明显河流的充分混合段） ? 二维稳态混合模式与二维稳态混合衰减模式（适用于平直河流的混合过程段） ? 弗罗模式与弗-罗衰减模式（适用于河流混合过程段以内断面的平均水质） ? 二维稳态累积流量模式与二维稳态混合衰减累积流量模式（适用于弯曲河流的混合过程段） ? 河流pH 模式与一维日均水温模式 河流完全混合模式 C －废水与河水完全混合后污染物的浓度，mg/L Qh －排污口上游来水流量，m3/s ) /()(h p h h p p Q Q Q c Q c c ++=
C h－上游来水的水质浓度，mg/L Qp－污水流量，m3/s Cp－污水中污染物的浓度， mg/L 适用条件：（1）废水与河水迅速完全混合后的污染物浓度计算；（2）污染物是持久性污染物，废水与河水经一定的时间（距离）完全混合后的污染物浓度预测。河流为恒定流动；废水连续稳定排放 一维稳态模式 C 为污染物的浓度；Dx 为纵向弥散系数， ux 断面平均流速；K 为污染物衰减系数 模型的适用对象：污染物浓度在各断面上分布均匀的中小型河流的水质预测BOD－DO耦合模型（S－P模型） 适用条件：河流充分混合段，污染物为耗氧有机物，需要预测河流溶解氧状态；河流为恒定流动，污染物连续稳定排放 氧垂曲线与临界点(最大氧亏值处） 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；
白山市城区河流水质评价分析 本文根据多年实测水质资料，系统地对白山市城区各河流水质类别进行分析评价，旨在对水资源保护和合理开发利用提供依据。 标签：河流水质评价白山市 1白山市城区河流概况 白山市城区境内水系发达，河网密布，河流众多。主要由浑江、头道松花江、鸭绿江三大水系及其支流组成。浑江为鸭绿江一级支流，发源于三岔子镇西北望火楼山北侧，在江源区境内控制河长41.1km，控制流域面积738.0km2，河道坡降9.4‰。在八道江区境内流域面积950.2km2，白山境内河道长度33.0km，河道平缓，平均坡降只有4.6‰。浑江在白山市境内除最大一条支流红土崖河流域面积大于500km2外，其它支流流域面积都在200km2以下，而大部分支流都在100km2以下。红土崖河是浑江上游的一级支流，流域面积587km2，河长56.9km。大阳岔河为浑江的一级支流。流域面积193km2，河长23.5km。汤河为头道松花江的一级支流，流域面积471.5km2，河长55.5km。下三道沟河为鸭绿江一级支流，流域面积196km2，河长24.2km。 2评价内容及标准 ①河流、湖库水质评价项目：溶解氧、氨氮等16项。 ②水库营养状况评价项目：高锰酸盐指数、叶绿素等5项。 ③饮用水水源地水质评价项目： a常规项目：氨氮、砷、铁、铜等20项。[2] b有毒有机物项目：三氯甲烷、乐果、敌敌畏等48 项。[2] 地表水水质评价标准采用国标《地表水环境质量标准》GB3838-2002；水库营养状况评价标准采用水利部统一标准。 3河流水质综合评价情况 评价范围为白山市八道江区、江源区。评价总河长68km。浑江源头至三岔子镇段为“浑江江源县饮用水源区”，代表站为三岔子站；浑江三岔子镇至浑江大桥段为“浑江江源县、白山市工业用水、农业用水区”，代表站为江源站；浑江七道江屯至通化与白山市市政界河段处于“浑江白山市、通化市过渡区”代表站为白
河流水质状况考察 课题背景： 河流是水资源的重要来源，但现在随着工业的发展、人口的增长，对河流的影响越来越大，合理利用和保护河流已成为环境保护的重要组成部分。初中生对河流污染现状和水资源危机所有了解，但对影响周围河流水质的现状和形成原因还不够清楚。学生开展本课题研究，将在实验观测等探究方法的基础上，学习考察探究法，学生通过对实地的考察、分析和撰写考察报告，了解河流水质现状，并通过对考察结果进行综合分析，提出针对性的意见和建议，最终根据意见采取相应的行动。本课题研究，可以使学生关注生活中的环境问题，提高学生的环境保护意识，树立社会主人翁意识，增强社会责任感。 教学目标： 1．通过实地考察，熟悉考察的一般过程，即确定考察内容、制定考察计划、运用正确的观察方法、分析考察结果等过程； 2．掌握河流水质观测的主要内容，学会河流水质观测的基本方法； 3、学会整理分析考察记录，完成考察结果； 4．体验小组合作形式的学习，培养活动过程中的团队合作精神，相互间的交流、协作能力；增强环保意识，树立社会主人翁意识 活动阶段安排： 建议分成6—9课时，包括确定考察对象（1课时）、考察前的准备（2—3课时），实地考察（1—2课时）、撰写考察报告（2—3课时）四个阶段。 第一阶段：确定考察对象 教学目标： 1、通过资料交流，认识到河流水质问题的严重性 2、确定考察对象 教学重点：河流水质问题的严重性，确定考察对象 教学准备： 教师：一组有关“我国河流污染问题”的文字资料和图片资料 学生：收集“河流污染”的相关资料；全班分成3个小组，采取毛遂自荐的方法由学生主动担任组长，再由组长招募自己的组员
教学过程：
!收稿日期"# $$%&’$&$(作者简介"胡国华)’(*+,-. 男.副教授.博士.从事水资源/水环境和风险分析研究0 基金项目"水利部水利技术开发基金项目)水12*’(- 文章编号"’$$(&*$(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>?@A A ?A @和B C A D E F 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G ’.#H 0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 %H 0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 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G 3I 2H "’- 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污染物的吸附/混合等过程:%->J L 江西理工大学题目 学模型在水环境中的应用 姓名：XXX 专业班级：XXX班 学号：XXXX 指导教师XXX老师 日期：XXX年XXX月 XXX 日 数学模型在水环境中的应用 摘要：水环境数学模型是十分重要的科学工具与技术手段。在水资源保护科研、评价与监测分析中应用，不但增加理论色彩，还可以提高成果水平。本文对常用各类数学模型进行了深入系统的理论解读与技术应用研究，明确指出，“模型”是十分有用的，但不是万能的，每种模型都有自己的使用范围与针对性，因此，选准模型，正确使用，至关重要。 关键词：水环境；数学模型；概述；理论解析 水环境数学模型可以描述水环境中物质混合、输移和转化的规律。它是在分析水环境中发生的物理、化学及生物现象基础上，依据质量、能量和动量守恒的基本原理，应用数学方法建立起来的模型。通过模型求解计算可以预报水文、水质在时间与空间上的变化，为水资源管理、规划、评价与控制服务。 1水环境数学模型概述 1.1水动力学模型 在1950年以前，数学模拟的基本理论已经建立，并运用这些理论解决过一些简单的工程问题。1952—1954年Isaacson和Twesch首次建立了俄亥俄河和密西西比河的部分河段数学模型，并进行了实际洪水过程的模拟。到20世纪中期，水动力学模型再次得到重视，随着计算机技术的发展，模型功能也在增加，可以对整个流域、洪泛区、已建或规划中的水利工程进行系统模拟。 1.2水质模型 Streefer和Phelps于1925年开发的，用于分析生活污水排入河流后对水中溶解氧的影响，即BOD/DO模型。O’connor在此基础上又开发了港湾的稳态BOD/DO模型及适用于河流的动态BOD/DO模型。Thomann采用有限差分法离散求解模型方程，使水质模型更好地反映河底高程及纵断面变化等水质特征。 20世纪70年代早期开发出水体富营养化模型，80年代以来，专家们又研究开发了反应毒性物质在水体中迁移转化的模型。 1.3数学模型分类 1）按解的过程可以分为确定性模型和随机模型。对一组给定的输入条件，确定性模型只给出一组确定值，这是一种使用最广泛的数学模型。随机性模型的输入是随机的，其解不具有唯一性。 河流调查 河流是重要的地表水域，城市和乡村一般都建在河流附近，它养育了两岸的人们，也滋养着丰富的动植物。河流一直伴随着人类发展的历史，在不同的历史时期起到了不同的作用。你是否了解自己家乡的河？这条河为家乡的发展和人们的生活做了哪些贡献？人们的生产和生活又对它产生了哪些影响呢？ 情境与选择河流污染的危机 1.水体污染 被污染的水通常有以下特征：水的颜色呈黑灰、黑红或暗褐等颜色，有腥、臭等难闻的气味，水面漂浮着油、泡沫等。有时被污染的水表面看不出来，也没有什么怪味，需要用化验的方法才能发现其中的有害物质。 混入水中的各种有害物质都叫做污染物。污染物有的来自工厂，有的来自医院，有的来自居民区。污染物的来源叫做污染源。 不少自然水域的水已经被污染得很严重，并且有继续恶化的趋势，对人的健康威胁很大。比如：医院污水常含有病原体，如病毒、病菌和寄生虫，如不经过适当的净化处理，流入水体后，会通过各种渠道，引起痢疾、伤寒、传染性肝炎及血吸虫病等。 污水排入水体后，还可以改变水体化学性质。比如pH值、硬度等，甚至发生化学反应，产生有害物质，影 响水质。 污水排入水体后，还可以改变水体的物理特性，使水体浑浊度增高，悬浮物增加，出现多种颜色、水面漂浮泡沫、油膜等。发电站等的大量热水排入水体，使水温增高，水体中溶解氧减少，影响鱼类的生存与繁殖。 所以工业废水和城市污水必须经过处理，才能排放到自然水域中。在自然水域附近，不能堆放工业废渣、垃圾、粪便等污染物。 2.水域功能和标准分类 评价水体污染状况及污染程度可以用一系列指标来表示，比如：水温、PH值、溶解氧等。我们国家地表水环境质量标准中依据地表水水域环境功能和保护目标，按功能高低依次划分为五类： Ⅰ类主要适用于源头水、国家自然保护区； Ⅱ类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产场、仔稚幼鱼的索饵场等； Ⅲ类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通到、水产养殖区等渔业水域及游泳区； Ⅳ类主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区； Ⅴ类主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。探索与体验调查家乡河流的环境状况 估计水塔的水流量 1问题提出 某居民区的民用自来水是由一个圆柱形的水塔提供．水塔高12.2米，直径17．4米．水塔是由水泵根据水塔内水位高低自动加水，一般每大水泵工作两次．现在需要了解该居民区用水规律与水泵的工作功率．按照设计，当水塔的水位降至最低水位，约8．2米时，水泵自动启动加水；当水位升；高到一个最高水位，约10．8米时，水泵停止工作． 可以考虑采用用水率（单位时间的用水量）来反映用水规律，并通过间隔一段时间测量水塔里的水位来估算用水率．表4．2是某一天的测量记录数据，测量了28个时刻，但是由于其中有3个时刻遇到水泵正在向水塔供水，而无水位 作功率． 2问题分析与数据处理 由问题的要求，关键在于确定用水率函数，即单位时间内用水体积，记为f(t)，又称水流速度．如果能够通过测量数据，产生若干个时刻的用水率，也就是f(t)在若干个点的函数值，则f(t)的计算问题就可以转化为插值问题．1．假设 1）水塔中水流量是时间的连续光滑函数，与水泵工作与否无关，并忽略水位高度对水流速度的影响． 2）水泵工作与否完全取决于水塔内水位的高度，且每次加水的工作时间为2小时 3）水塔为标准圆柱体． 考虑到假设2）结合表4．2中具体数据，推断得出 4）水泵第一次供水时间段为［8．967，10．954］，第二次供水时间段为「20．839，22．958］． 2．体积计算 水塔是一个圆柱体，体积为h D V 24 π = ．其中D 为底面直径，h 为水位高度。 水流速度应该是水塔中水的体积对时间的导数（微商）由于没有水的体积关于时间的函数表达式，而只有一个离散的函数值表4．3，因此考虑用差商代替微商，这也是离散反映连续的常用思想．为提高精度，采用二阶差商，即i i v t f 2)(-?= 具体地，因为所有数据被水泵两次工作分割成三组数据，对每组数据的中间数据采用中心差商，前后两个数据不能够采用中心差商，改用向前或向后差商． 中心差商公式 采用一维水质模型计算河流纳污能力中 设计条件和参数的影响分析 张文志 (广东省水文局惠州分局,广东 惠州 516001) 摘 要:分析采用一维水质模型计算河流纳污能力过程中,污染源概化、设计流量和流速、上游本底浓度、污染物综合衰减系数等设计条件和参数对计算结果的影响;讨论如何确定设计条件和参数,以提高计算结果的准确性和合理性。 关键词:纳污能力;一维水质模型;设计条件;参数;影响分析 中图分类号:T V149.2 文献标识码:B 文章编号:100129235(2008)0120019202收稿日期:2007202205 作者简介:张文志,男,湖北大悟人,主要从事水环境监测、水资源分析及评价工作。 纳污能力,是指水体在一定的规划设计条件下的最大允许纳污量。纳污能力随规划设计目标的变化而变化,反映了特定水体水质保护目标与污染物排放量之间的动态输入响应关系。其大小与水体特征、水质目标及污染物特性等有关,在实际计算中受污染源概化、设计流量和流速、上游本底浓度、污染物综合衰减系数等设计条件和参数的影响。 东江干流岭下至虾村河段位于东江干流惠州市境内,全长36k m,水质目标为Ⅱ类。本文以该段河段氨氮纳污能力计算为例,分析采用一维水质模型计算纳污能力过程中设计条件和参数对计算结果的影响,并讨论如何确定设计条件和参数,以提高计算结果的准确性和合理性。 1 一维水质模型概述 对于宽深比不大的河流,污染物在较短的时间内,基本上能在断面内均匀混合,污染物浓度在断面上横向变化不大,可用一维水质模型模拟污染物沿河流纵向的迁移问题来计算纳污能力。 在稳态或准稳态的情况下,一维水质数学模型为: C (x )=C 0exp -k x u (1) 式中 C 0———基准断面污染物的本底浓度,mg/L ;k ———污染 物综合衰减系数,d -1 (计算时换算为s -1 );u ———断面 设计流速,m /s ;x ———计算断面至基准断面的距离,m ; C (x )———计算断面污染物的浓度,mg/L 。 2 污染源概化影响分析 通常情况下,考虑到计算的复杂性和一般规划本身的要求,需要将河段内排污口的分布加以概化。目前污染源概化主要采用两种方法:概化为均匀分布或概化为一个集中点。 2.1 均匀分布概化河段水环境容量计算公式 概化为均匀分布即认为污染物排放在同一河段内沿河 长均匀分布,并认为污染源源强在同一功能区内沿河长均匀 分布,概化示意见图1。此种概化实际上体现了污染物分布的一种平均状况,对某一河段也许存在一定偏差,但从统计、规划的特点来看,却综合反映了若干河段污染物排放的一种平均状态。 图1 均匀排放河段污染源概化示意图可以推导出均匀排放河段纳污能力的计算公式为: m =kQ L u C s -C 0exp -k L u 1-exp -k L u (2) 式中 m ———纳污能力,g/s (结果表示时换算为kg/d ); C S ———下游控制断面污染物的目标浓度,mg/L ; L ——— 计算河段的全长,m ;Q ———河段设计流量,m 3 /s ; 其它参数意义与公式1相同。 2.2 集中点概化河段水环境容量计算公式 概化为一个集中点即认为污染物排放在同一功能区内集中在一个点,所有污染物由这个点源排入,概化示意见图 2。此种概化实际上体现了污染物分布的一种集中状况。 图2 集中排放河段污染源概化示意图可以推导出集中排放河段纳污能力的计算公式为: 9 12008年第1期?PE ARL R I V ER 人民珠江 第七章一维非恒定河流和河网水量水质模型 对于中小型河流，通常其宽度及水深相对于长度数量较小，扩散质（污染物质、热量）很容易在垂向及横向上达到均匀混合，即扩散质浓度在断面上基本达到均匀状态。这种情况下，我们只需要知道扩散质在断面内的平均分配状况，就可以把握整个河道的扩散质空间分布特征，这是我们可以采用一维圣维南方程描述河流水动力特征或水量特征（水位、流量、槽蓄量等）；用一维纵向分散方程描述扩散质在时间及河流纵向上的变化状况。特别地，对于稳态水流，可以采用常规水动力学方法推算水位、断面平均流速的沿程变化；采用分段解析解法计算扩散质浓度沿纵向的变化特征。但是，在非稳态情况下（水流随时间变化或扩散质源强随时间变化）解析解法将无能为力（水流非恒定）或十分繁琐（水流稳态、源强非恒定），这时通常采用数值解法求解河道水量、水质的时间、空间分布。在模拟方法上，无论是单一河道还是由众多单一河道构成的河网，若采用空间一维手段求解，描述水流、水质空间分布规律的控制方程是相同的，只不过在具体求解方法上有所差异而已。 单一河道的控制方程 7.1.1 水量控制方程 采用一维圣维南方程组描述水流的运动，基本控制方程为： ????Q x B Z t q W += (1) 023/42 2=+-++R Q u n g x A u x Z gA x Q u t Q ???????? (2) 式中t 为时间坐标，x 为空间坐标，Q 为断面流量，Z 为断面平均水位，u 为断面平均流速，n 为河段的糙率，A 为过流断面面积，B W 为水面宽度（包括主流宽度及仅起调蓄作用的附加宽度），R 为水力半径， q 为旁侧入流流量（单位河长上旁侧入流场）。此方程组属于二元一 阶双曲型拟线性方程组，对于非恒定问题，现阶段尚无法直接求出其解析解，通常用有限差分法或其它数学离散方法求其数值解。在水流稳态、棱柱形河道条件下，上述控制方程组退化为水力学的谢才公式，可采用相应的方法求解水流特征。 7.1.2 扩散质输运控制方程 描述河道扩散物质运动及浓度变化规律的控制方程为：带源的一维对流分散（弥散）方程，形式如下： S S h A KAC x c AE x x QC t AC r x ++-??? ? ??=+????????)()( (3) 一、相关模型简介清单 二、城市内涝模型 1)MIKE URBAN城市排水模拟软件 MIKE URBAN 城市排水软件是顶级的排水管网模拟软件。它整合了ESRI 的ArcGIS 以及排水管网模拟软件，形成了一套城市排水模拟系统。该模型广泛应用于城市排水与防洪、分流制管网的入流或渗流、合流制管网的溢流、受水影响、在线模型、管流监控等方面, 可为水资源的可持续利用、污染控制、雨水和污水管网管理及城市防洪提供综合管理方案。 应用领域 ?雨污水泵站优化调度 ?排水管网溢流（CSO /SSO）分析 ?管网泥沙淤积评估 ?管网水质分析 ?城市降雨径流过程分析 ?城市内涝分析与风险评估 ?城市排水防涝规划 ?低影响开发（LID）的模拟 ?海绵城市的规划 2)MIKE FLOOD MIKE FLOOD 是迄今为止最完整的洪水模拟工具。它包括完整 的一维及二维的洪水模拟引擎，从河流洪水到平原洪泛，从城市雨洪到污水管流，从海洋风暴潮到堤坝决口，能够模拟所有实际的洪水问题。MIKE FLOOD 甚至可以模拟以上各种情况的组合。其它模拟软件所不具备的功能，都可在MIKE FLOOD 中找到 应用领域 ?洪水管理 ?快速的洪水评估 ?绘制洪泛图 ?工业区、居民区等的灾害分析 ?编制应急计划，如疏散路径及优先级等 ?气候变化的影响分析 ?防洪措施研究 ?城市排水与河流、海洋洪水的综合问题研究 ?溃坝及其他防洪设施垮塌的影响研究 3)InfoWorks ICM 完整模拟城市雨水循环系统，实现了城市排水管网系统模型与河道模型的整合，更为真实的模拟地下排水管网系统与地表受纳水体之间的相互作用。它在一个独立模拟引擎内，完整的将城市排水管网及河道的一维水力模型，同城市流域二维洪涝淹没模型结合在一起，是世界上第一款实现在单个模拟引擎内组合这些模型引擎及功能的软件 河道水质调查报告 我国人均水资源占有量只相当于世界人均占有量的15%,居世界第109位，为贫水大国。多年来水资源的短缺和水环境的恶化已成为制约经济社会全面、协调、可持续发展的瓶颈。本人对河道的水质情况进行了简单的调查和研究、分析和讨论。 河道发源于家乡西南玲珑山下的古村始建于明代景泰七年，距今已有600多年的历史，坐落于家乡西南15公里处，为河道的一条支流，河道是家乡人民的母亲河，北魏郦道元所著《水经注》中称其为“阳水”，中游穿越家乡市区，形成亮丽的景观带。河道沿岸风景名胜众多，是一条人文景观河流。 一、前些年河道水质污染情况 家就住在河道附近，小时候经常去河道河边玩耍，那时候的河道内的水就开始被污染了，河道上游水质还可以（从发源地上游来的水），经过中游城区后特别是到下游段水体变得非常的污浊，气味难闻。河道继续下游走，生活垃圾遍布整个河道；而河水明显地变成了污浊的暗黑色，类似于我们平时用的“黑色墨水”。河道沿岸有很多的工业排污口，工业废水源源不断地排放到河道里面，再加上城市的生活污水都排入到河道内，使河水散发出来的气味让人很难忍受。特别是河道与河道交叉断面处，水质污染最为严重，上述情况的发生有以下三个方面的原因：一是河道垃圾遍布，河道常年淤积加之自然发酵；二是雨污不分流，雨季时，城市污水箱涵溢流，未经处理的城市污水直接排入河道内；三是河道沿岸有部分企业存在偷排、直排现象； 河道里面寸草不生，更不用谈鱼类能够生存了，这样水质根本不用检测就可想而知，原市环保局发布的有关检测数据资料显示河道内水的PH值，溶解氧，COD，氨氮，总磷等五项水质指标就有四项不达标。 二、治理后的河道水质情况 近几年来市政府为了提升河道的景观和净化水质，通过对河道河床沿线整治、城市污水箱涵分流、砌石护岸、新建橡胶坝蓄水、两岸绿化景观建设等综合改造治理，同时调整优化了河道内河流植被结构，恢复河滩、浅滩挺水、浮叶植物和河堤、河岸湿生植被，在河流较为宽阔的区域栽植沉水植物、挺水植物、湿地植物带，在河道两岸（包括荷花湾）新栽植红荷三万多，为鱼类、两栖动物、水禽和水生植物创造丰富多样的生存环境。以上系列的彻底改造使河道成为集防洪排涝、蓄补水源、生态调节、休闲旅游于一体的景观长廊，大大改善了河道水生态环境，河道岸边绿树成荫，流水潺潺，还配有音乐喷泉，俨然是一个美丽的风景区，河道景区在2013年12月被评为国家AAA级旅游景区。近期我们同学们在实践活动中对改造后的河道内水质进行了取样和分析。 1、河道现场查看 我们沿河道发源地开始对河道内的水进行了观察，河道发源于家乡南部山区，基本都是山体渗流和雨季汇集水，山泉水渗流不断，水草茂盛，甚至可以饮用，水质非常好；中下游历经家乡城区、部分村庄汇流至河道，河道经过这几年的大力度治理后，河道内鱼类较多，河水清澈，游鱼时见，河道附近的芦苇处有野鸭、白鹭等水鸟，水体也无任何异味，水质相对较好。 一通州水系基本情况 通州区境内主要河流12条，总长195公里，其中入境监测断面的8个（温榆河、小中河、通惠河、肖太后河、西排干、通惠北干渠、凉水河、凤港减河），分别由顺义区、朝阳区、大兴区、亦庄开发区入境，出境监测断面3个，区内控制断面12个。通州区水系示意图见附图。 二地表水环境质量评价 通州区地表水水质评价执行《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）。依据《海河流域水污染防治规划》中水体功能类 别的划分，通州区地表水执行Ⅴ类水体标准（运潮减河执行Ⅳ类）。对于不能满足Ⅴ类水标准的劣Ⅴ类水体水质类别进一步细化为劣Ⅴ1类、劣Ⅴ2类、劣Ⅴ3类、劣Ⅴ4类，分别执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002中的相应标准。 地表水环境质量评价参数标准限值 2012年，通州区地表水共监测有水河段12条段（其中1条河段断流）。监测的11条河流的16个有效监测断面均属劣Ⅴ类水体，其中11条河流中劣Ⅴ3河流10个，劣Ⅴ4河流1个，影响水质类别的主要污染物为氨氮和化学需氧量，所有河流均未达到规划目标水质类别。与2011年相比，劣Ⅴ4河流减少6个，属向好趋势，分别为小中河、凉水河、玉带河、肖太后河、港沟河、凤港减河，其余河流无明显变化。 三出入境断面加密监测结果分析 为了解通州辖区内工业废水及生活污水对境内河流的污染情况，监测站于2013年2月27日对12条河流的上下游断面进行加密采样分析，分析项目为pH值、化学需氧量、高锰酸盐指数、氨氮和总磷5项。下面按照地理位置分四部分（南部、中部、西北部、东部）进行分析。 南部河流包括凤港减河和港沟河，分别由小屯和后元化出境；中部河流主要为凉水河，先后有西排干、通惠北干渠、肖太后河、玉带河汇入，后汇入北运河；西北部河流有温榆河、小中河和通惠河，在北关闸一带汇合后，改称北运河；东部河流为运潮减河和北运河，运潮减河单独汇入潮白河；北运河（含中途汇入的有关河流）由西集牛牧屯出境，控制断面为榆林庄断面。 （一）南部河流 《河南水利与南水北调》2009年第9期 水文与水资源 HENAN □常建中（郑州水文水资源勘测局） 摘 要：利用一维水质数学模型模拟污染物扩散情况，以此进行水质预报和预警预测，制订污染物排放标准和水质规划，有效 文中一维水质模型用LW-Lim进行离散，然后借助二维水质模拟软件，考虑一维扩散条件下进行数值计算，揭示污地防治水污染。 染物扩散趋势和影响范围。 关键词：水质模型；数值模拟；一维对流扩散；逆风格式 一、水质模型的概念及研究意义 水是人类生命之源，同时也是关系到国计民生的重要资源。合理进行水环境规划管理、水污染综合防治是环境工作者的重要任务之一，水质数学模型（简称水质模型）是水环境污染治理规划决策分析中不可缺少的重要工具。 水质模型，是描述参加水循环的水体中各水质组分所发生的物理、化学、生物和生态学等诸多方面变化规律和相互影响关系的数学方法。研究水质模型的目的，主要是为了描述污染物在水体中的迁移转化规律，为水环境保护服务。它可用于水质模拟和水质评价，进行水质预报和预警预测，制订污染物排放标准和水质规划，是水污染防治的重要工具。 二、水质模型简介 水质模型是描述水体（河流、湖泊等）水质要素（ＢＯＤ，ＤＯ化学、生物等）作用下随时间和空间变化等）在其他因素（物理、关系的数学表达式，经过近百年发展，水质模型已经相当成熟。污染物进入水体后随水流迁移，在迁移过程中受水力学、水文、物理、化学、生物、生态、气候等因素影响，引起污染物的输移、混合、分解、稀释和降解。建立水质模型的目的就是力图把这些互相制约因素的定量关系确定下来，对水质进行预报，为水质控制和管理服务。规划、 水质模型按其建模方法和求解特点可分为确定性模型和随机模型；按模型描述的系统是否具有时间稳定性可分为稳态模型和动态模型；按系统内参数的空间分布特性可分为一维、二维和三维模型，如果参数在３个方向上都均匀分布，水体处于完全混合状态，这种模型为零维模型；按水质参数的转移特性可分为随流模型、扩散模型和随流扩散模型；按反应动力学性质可分为纯转移模型、纯反应模型、转移及反应模型和生态模型。现代科学技术的进步和环境学科的发展为我们进行水环境管理提供了科学理论和依据，并用来指导我们进行科学决策。 三、污染物扩散阶段数学模型在水环境中的应用
河流调查
水流问题数学建模
采用一维水质模型计算河流纳污能力中设计条件和参数的影响分析
一维水量水质模型
最全地城市洪涝、河道、水质模型模拟软件介绍
河道水质调查
通州区水质分析4
一维水质模型对河流污染物扩散的简单模拟.
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