常用水质模型
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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
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。
河流水质模型
D0－河流起始点的氧亏值
Dc－临界点的氧亏值
复氧曲线 耗氧曲线
tc—由起始点到临界点的流经时间
tc
时间t
溶解氧氧垂曲线
临界点氧亏值: Kd L0
dD 0 dt
Dc=
A
Kd tc Ka
B
C
#2022
S-P模型的修正型
一、多河段水质模型的概化
水质模型的解析解是在均匀和稳定的水流条件 下取得的，划分断面的原则：
V-水的体积
欧康奈尔 （ D.O’·Conner ）和多宾斯（W·Dobbins）在
1958年提出根据河流的流速、水深计算大气复氧速度常数
的方法：
KL = C
uxn Hm
饱和溶解氧浓度Cs是温度、盐度和大气压力的函数。在 760mmHg压力下，淡水中的饱和溶解氧浓度为
T为0c
468 Cs = 31.6 + T
x ux
）〕
5. 含氮有机物排入河流后，同样发生生物化学氧化过程：
LN =LN〔0 exp（-KN
x ）〕
ux
三、大气复氧
水中溶解氧的主要来源是大气。氧气由大气进入水 中的质量பைடு நூலகம்递速度：
dC dt
=
KLA V
(Cs - C)
C-河流水中溶解氧的浓度
Cs-河流水中饱和溶解氧的浓度 KL-质量传递系数 A-气体扩散的表面积
CK HERE TO ADD A TITLE
三章 河流水质模型
单击此处添加文本具体内容 演讲人姓名
添加标题 河流中的基本水质问题
添加标题 多河段水质模型
添加标题 河口水质模型
添加标题 单一河段水质模型
添加标题 其它河流水质模型
4.2水质模型及应用讲解
水质模型及应用
胡莺
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
水质模式中坐标系的建立
以排放点为原点 Z轴铅直向上，X、Y轴为水平方向 X方向与主流方向一致 Y方向与主流垂直
一维稳态模式 P72
对于一般河流，由于推流导致的污染物迁移作用要比 弥散作用大得多，可忽略弥散作用：
。
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 P72例4-2
BOD－DO耦合模型（S－P模型）
• 2、计算最大氧亏处的临界DO浓度和临界点位置
• 3、利用EXCEL求解并绘制出BOD、DO的浓度沿程变 化曲线（选作）
托马斯模式 P75
x c exp ( K 1 K 3 ) c0 86400 u x exp ( K 1 K 3 ) 86400 u K 1c 0 x D D exp K 0 2 K 2 ( K1 K 3 ) 86400 u x exp K 2 86400 u K2 K 2 ( K 1 K 3 K 2 ) D0 u xc ln K 2 ( K1 K 3 ) K1 K 3 K 1 ( K 1 K 3 )c 0 c0 (c0 Q p c h Qh ) /(Q p Qh ) D0 ( D0 Q p Dh Qh ) /(Q p Qh )
计算时注意单位换算；以 及起始点处假定完全混合 后的初始浓度的计算
胡莺
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
水质模式中坐标系的建立
以排放点为原点 Z轴铅直向上，X、Y轴为水平方向 X方向与主流方向一致 Y方向与主流垂直
一维稳态模式 P72
对于一般河流，由于推流导致的污染物迁移作用要比 弥散作用大得多，可忽略弥散作用：
。
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 P72例4-2
BOD－DO耦合模型（S－P模型）
• 2、计算最大氧亏处的临界DO浓度和临界点位置
• 3、利用EXCEL求解并绘制出BOD、DO的浓度沿程变 化曲线（选作）
托马斯模式 P75
x c exp ( K 1 K 3 ) c0 86400 u x exp ( K 1 K 3 ) 86400 u K 1c 0 x D D exp K 0 2 K 2 ( K1 K 3 ) 86400 u x exp K 2 86400 u K2 K 2 ( K 1 K 3 K 2 ) D0 u xc ln K 2 ( K1 K 3 ) K1 K 3 K 1 ( K 1 K 3 )c 0 c0 (c0 Q p c h Qh ) /(Q p Qh ) D0 ( D0 Q p Dh Qh ) /(Q p Qh )
计算时注意单位换算；以 及起始点处假定完全混合 后的初始浓度的计算
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)
水体中污染物浓度分布模型
污染物浓度分布模型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。
水质模型按照水域类型、水质组分、水力学以及排放条件等不同因素划分具有不同的分类。
当污染物排放入水体中后，会经历一个混合的过程，直至完全混合均匀，如图1所示。
图1 污染物排放入水体中混合示意图在环境介质中处于稳定流动状态和污染源稳定排放的条件下，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态。
基于水质运移、扩散、物质降解等基础理论，产生了众多稳态环境下的水质模型。
下面将介绍四种主要的水质模型以及各自的适用范围：1.完全混合模型完全混合模型适合无支流和其他排污口进入的河流，下游某点废水和和河水中的持久性污染物在整个断面上达到了均匀混合。
在最早出现的水质完全混合断面有：h h P P E PC Q C Q C Q Q +=+ 式中：Q h -河水流量，m 3/s ；C h -河水背景段的污染物浓度，mg/LC P -废水中污染物的浓度，mg/LQ P -废水的流量，m 3/sC-完全混合的水质浓度，mg/L2.零维模型零维是一种理想状态，把所研究的水体如一条河流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。
对于较浅、较窄的河流，如果不考虑污染物的降解时，当满足下列两个条件之一时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。
此时，有：00=x 1kt 1k()86400uC C C =++ 式中：C-流出河段的污染物浓度，mg/LC 0-完全混合模型计算出的浓度值，mg/Lx-河段长度，mk-污染物的衰减速率常数 1/du-河水的流速，m/st-两个断面之间的流动时间3.一维模型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不考虑混合过程而假设在排污口断面瞬时完成充分混合。
水质模型及应用
氧垂曲线与临界点(最大氧亏值处）
饱和溶解氧及氧亏的计算
DOs 468 31.6T
DOs：饱和溶解氧（mg/L）； T：气温（℃）
DDO DsO
D：氧亏值，mg/L； DO：实际的溶解氧值，mg/L
cc0
expK1
x 8640u0
处假定完全混合 后的初始浓度的计算
• 1、利用S-P模型算出DO浓度为饱和值80％的位置 （即距始端的距离）和该点相应的BOD浓度值。
• 2、计算最大氧亏处的临界DO浓度和临界点位置
• 3、利用EXCEL求解并绘制出BOD、DO的浓度沿 程变化曲线（选作）
托马斯模式 P75
c
c0exp
(K1
K3
)
x 86400u
D
K2
K1c0 (K1
K3
)
exp
(K1
K3
)
x 86400u
exp
K2
x 86400u
D0
exp
K2
x 86400u
xc
K2
u (K1
K3
)
ln
K2 K1 K3
K2(K1 K3 K2)D0 K1(K1 K3)c0
c0 (c0Qp chQh )/(Qp Qh )
D0 (D0Qp DhQh )/(Qp Qh )
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
饱和溶解氧及氧亏的计算
DOs 468 31.6T
DOs：饱和溶解氧（mg/L）； T：气温（℃）
DDO DsO
D：氧亏值，mg/L； DO：实际的溶解氧值，mg/L
cc0
expK1
x 8640u0
处假定完全混合 后的初始浓度的计算
• 1、利用S-P模型算出DO浓度为饱和值80％的位置 （即距始端的距离）和该点相应的BOD浓度值。
• 2、计算最大氧亏处的临界DO浓度和临界点位置
• 3、利用EXCEL求解并绘制出BOD、DO的浓度沿 程变化曲线（选作）
托马斯模式 P75
c
c0exp
(K1
K3
)
x 86400u
D
K2
K1c0 (K1
K3
)
exp
(K1
K3
)
x 86400u
exp
K2
x 86400u
D0
exp
K2
x 86400u
xc
K2
u (K1
K3
)
ln
K2 K1 K3
K2(K1 K3 K2)D0 K1(K1 K3)c0
c0 (c0Qp chQh )/(Qp Qh )
D0 (D0Qp DhQh )/(Qp Qh )
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
水质模型分类
/hhhbb/archive/2006/06/23/1681.html《QUAL 一 2 K模型及其主要参数确定》S —P模型的基本思路是：他们认为水中溶解氧( DO) 随时问减少的速率与B OD的浓度成正比，水中溶解氧的减少主要是由于水中有机物在好气菌在分解中消耗水中氧气所引起的，并且与BOD降解具有相同的速度，即复氧的速度与氧亏成正比。
S - P模型只考虑了有机物降解和大气复氧对DO的影响，没有考虑有机物沉浮、底泥吸附等对DO的影响，因此其结果与实际有一定的差别。
有很多学者对其进行了改进，主要有以下3种模型：( 1 ) Thomas模型：对一维稳态河流，在S---P模型基础上增加了一项因悬浮物的沉淀与浮所引起的BOD速率变化。
( 2 ) Camp—Dobbins模型：在Thomas的基础，增加了底泥释放BOD和地表径流所引起的BOD变化速率和藻类光合作用和呼吸作用以及地表径流引起的溶解氧速率变化。
( 3 ) Oconnor模型：假定总的BOD是由含碳BOD(CBOI))和含氮BOD(NBOD)两项组成，模型不仅考虑了含碳化合物的耗氧，而且也考虑了含氮化合物的耗氧。
《W A S P水质模型在辽河干流污染减排模拟中的应用》WASP水质模型：WASP(Water Quality Analysis Simulation Program)是由美国国家环保局开发的水质分析软件，可用来模拟常规污染物(包括溶解氧、生物耗氧量、营养物质以及海藻污染)和有毒污染物(包括有机化学物质、金属和沉积物)在水中的迁移和转化规律，是为分析池塘、湖泊、水库、河流、河口和沿海水域等一系列水质问题而设计的动态多箱模型。
WASP模型在中国渭河、苏州河、汉江等多个流域及水库已有成功的应用。
WASP模型由两个独立的计算机程序DYNHYD和WASP组成，两个程序可连接运行，也可以分开执行。
DYNHYD是一个简单的“Link—node”网络水力动态模型，产生的输出文件可为水质分析模拟程序WASP提供流量和体积参数。
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。
水环境模型
• 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
2021/4/4
3
水质模型维数的选择
2021/4/4
31
练习：教材 P135 6
说明： 渔业水质标准关于溶解氧的规定： • 连续24h中，16h以上必须大于5，其
余任何时候不得低于3，对于鲑科鱼 类栖息水域冰封期其余任何时候不 低于4。
2021/4/4
34
课堂讲解 [S-P模型] P135 7
• 某工厂的排污断面上，假设废水与河水瞬间完 全混合，此时BOD5的浓度为65 mg/L，DO为7 mg/L，受纳废水的河流平均流苏为1.8km/d， 河水的K1＝0.18（1/d）, K2=2（1/d），求：
• S-P模型的基本方程为：
dL dt
k1L
dD dt
k1L
k2D
2021/4/4
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。
多宾斯－坎普模型
• 底泥释放BOD
• 地表径流（BOD和DO） • 悬浮物的沉降可去除部分BOD
托马斯模型
• 考虑硝化作用的影响
奥康纳模型
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，在另外的一个方向 上是均匀分布的，这种水质模型称 为二维水质模型。
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
2021/4/4
3
水质模型维数的选择
2021/4/4
31
练习：教材 P135 6
说明： 渔业水质标准关于溶解氧的规定： • 连续24h中，16h以上必须大于5，其
余任何时候不得低于3，对于鲑科鱼 类栖息水域冰封期其余任何时候不 低于4。
2021/4/4
34
课堂讲解 [S-P模型] P135 7
• 某工厂的排污断面上，假设废水与河水瞬间完 全混合，此时BOD5的浓度为65 mg/L，DO为7 mg/L，受纳废水的河流平均流苏为1.8km/d， 河水的K1＝0.18（1/d）, K2=2（1/d），求：
• S-P模型的基本方程为：
dL dt
k1L
dD dt
k1L
k2D
2021/4/4
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。
多宾斯－坎普模型
• 底泥释放BOD
• 地表径流（BOD和DO） • 悬浮物的沉降可去除部分BOD
托马斯模型
• 考虑硝化作用的影响
奥康纳模型
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，在另外的一个方向 上是均匀分布的，这种水质模型称 为二维水质模型。
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
水质模型
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
8 7 6 5 4 3 2 1 0
10 X km
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ-P 模型的临界点和临界点氧浓度
Z0.5
qV
式中符号意义同前。 按照上述各方程要求，应用于玄武湖水质中总磷、 总氮浓度的预测和验算，结果表明，用 Vollenweider模型预测总磷、合田健模型预测总 氮，预测精度最高。
谢谢
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。
式中：ρ ——湖水总磷的预测质量浓度，mg/L； L——湖泊单位面积上年度总磷的负荷量，g/(m2·a)； qV——年入湖水体积流量，m3/a； V——湖泊的容积，m3； Rp——磷的滞留系数，Rp=1－（年输出总磷量/年输
入总 磷量）。
3.合田健公式 L
ρ= ——————-----Z（qV/V+α )
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
4.2 水质模型及应用
稳态混合衰减累积流量模式
c pQp x c( x, q) exp K1 ch 86400 u H M q x
c pQp x c( x, q) exp K1 ch 86400 u 2 H M q x
非岸边排放
q Huy
M q H 2uM y
Mq：累积流量坐标系下的横向混合系数； x，q：累积流量坐标系的坐标
河流pH模式
适用于河流充分混合段
河流一维日均水温模式
适用于河流充分混合段
河口水质模型
欧康那河口模式与欧康那河口衰减模式（适用
于中小河口的潮周平均、高潮平均和低潮平均 水质） BOD-DO河口耦合模式（ 与河流S-P模式类似 ） 河口一维动态混合数值模式（一维流场方程和 一维水质方程。适用于一维潮汐河口，得到任 意时刻浓度分布） 河口二维数值模式（适用于潮汐河口混合过程 段，得出任意时刻断面不同位置的浓度）
式4-48
M (1 4K1Ex / ux )
2 1/ 2
Qh ：排污口上游来水流量， Ch ：上游来水的水质浓度， Qp ：污水流量， Cp ：污水中污染物的浓度，
BOD-DO河口耦合模式
1 c c0 e 1x 1 1 1x 1 2 x 1 2x D c0 1 e e D0 e 2 2 1 o o D S
计算出每一时间层的水流状态（水位和水量、流速）， 再用偏心差分法解上式算浓度变化 适用条件：河口充分混合段，非持久性污染物，可以预 测任意时刻的水质
河口二维动态混合衰减数值模式
湖泊（水库）水质模型
湖泊完全混合平衡模式与湖泊完全混合衰减模式 （适用于小湖库，可求稳定的平衡出水浓度） 卡拉乌舍夫模式与湖泊推流衰减模式（适用于无
QUAL—综合水质模型及其使用方法
总结
QUAL—综合水质模型是一种重要的水质管理和监测工具，通过对水质指标之 间相互关系的模拟和分析，能够为水质管理和监测提供科学依据。本次演示详细 介绍了QUAL模型的原理、建立方法、使用方式以及实际应用案例。通过这些介绍， 可以了解到QUAL模型
的重要性和应用价值，以及在实际应用中可能面临的问题和挑战。
QUAL模型主要由输入、过程和输出三部分构成。输入包括污水排放量、水质 指标浓度等；过程是指水体中各种污染物之间的物理、化学和生物化学反应；输 出则表示水体中的水质指标浓度和污水排放量。
建立QUAL模型
建立QUAL模型需要收集相关数据集，包括水质指标的监测数据、污水排放数 据等。首先对这些数据进行预处理，包括数据清洗、格式转换等，以保证数据的 质量和一致性。接下来，根据预处理后的数据，进行模型的配置和参数估计。
通过汉江中下游水质预测，我们可以得到未来不同时间节点汉江中下游的水 质状况，包括不同断面和不同水深的水质变化情况。同时，还可以根据预测结果 制定相应的水质保护措施和应急预案，以保障汉江中下游水质的稳定和持续改善。
结论
本次演示介绍了QUAL2K模型在汉江中下游水质模拟与预测中的应用。通过模 拟和预测，我们可以了解汉江中下游水质的历史和现状，预测未来的水质变化趋 势，为水质管理和保护提供科学依据。在此基础上，我们可以提出相应的水质保 护措施和政策建议
通过QUAL2K模型，可以实现对水质的模拟和预测，为水质管理和保护提供科 学依据。
汉江中下游水质模拟
在汉江中下游水质模拟中，首先需要收集相关数据，包括汉江水文资料、水 质资料、流域地形地貌及气象资料等。然后，利用QUAL2K模型的输入模块对这些 数据进行整理和编辑，构建汉江中下游水环境数学模型。在模型构建过程中，需 要根据实际情况调整模型参数，确保模拟结果的准确性和可靠性。
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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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
2.1 完全混合模型在河流是稳态，排污一定，污染物在河段内均匀混合，污染物为持久性，不分解，不沉淀，河流无支流和其他排污口时，通常采用完全混合模型，起公式
2.2 零维模型
在不考虑混合距离的重金属污染物、部分有毒物质等其他持久性污染物的下游浓度预测与永续纳污量的计算，有机物讲解可忽略，水完全君越混合，理想状态下的水质模型，河段较浅，较窄是可采用零维模型，常用的稳定条件下模型公式如下
2.3 一维水质模型
一维水质模型是河流深度与宽度不大，在河流断面上宽度与深度方向污染物浓度均匀，在河流的纵向即水流方向考虑污染物的浓度变化。
一维水质模型分为一维稳态水质模型和忽略弥散的一维稳态水质模型。
所谓稳态，是指在均匀河段上定常排污条件下，河流横断面，流速，流量，污染物的输入量和弥撒洗漱都不随时间变化，且不考虑源和汇。
在河流较小，流速不大，弥散系数很小的状况下，可将弥散系数忽略。
一维水质模型公式如下
2.4 二维水质模型
二维水质模型是河流深度小，污染物在断面的深度方向浓度分布均匀，在宽度和
水流方向考虑浓度变化。
排入水体后污染物的二维浓度变化可表示为
2.5 三维水质模型则考虑以点为参数，污染物在三维方向均考虑浓度的变化
三，不稳定水质模型
由于水环境的不确定性、复杂性、使水质变化呈现出基于一定变化规律的不确定
性变化特征，同时优于检测数据本身带有随机性，故建立不确定性水质模型更能反映
水质的实际变化规律。
早年的不确定性水质模型多事利用随机理论建立的，基于随机过程理论首先提出了
预测最小溶解氧的概率模型，而近年来，随着神经网络理论的成熟，将其应用于各类
不确定性水质模拟问题已逐渐成为重要的研究方向之一，2002年利用热弄神经网络模
拟了受支流流入、潮汐一级风力等不确定因素影响的河流中盐度变化。
根据河的宽度、深度与其长度较小，河流的竖向与横向均匀混合所需要的距离远远小于河的河长，因
此可假设污染物在河流的横断面上瞬间达到均匀混合物，故采用一维水质模型即可取
得很好的近似，。
利用一维水质预测COD和那单的变化，以COD威力考虑其公式为
四，结语
本文论述了常用河流水质模型的模型结构，并选取了水污染典型公式，模型结构的解析和典型案列的试算过程及其结果可以为从事水利、环保等设计河流水污染预报，水环境调查评价等工作几桶借鉴参考。
参考文献：
1，《环境影响评价概论》
2，《环境水质数学模型及其模拟计算》。