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第四节 水质模型

第四节 水质模型

L t
K1L
Fick第二定律，河流的离散导致的BOD的变化为
L
2L
u
xu
L
x
Ex
Ex
x 2L
x 2
2
K1L
则BOD变化速率为：
3．菲克第二定律：解决溶质浓度随时间变化的情况
两个相距dx垂直x轴的平面组成的微体积，J1、J2为进入、
流出两平面间的扩散通量，扩散中浓度变化为 c，则单元体
t
积中溶质积累速率为
便可得出有机毒物在系统内的浓度和半衰期。
L0=500*2000/200000=5mg/L
ln L K1 K3 5
5
40
D
(cs
c0 ) exp(
K2 x ) u
( K1
K1L0 K3
K2
)[exp(
K1
u
K3
x)
exp(
K2 x )] u
水质模型
QUAL-II模型 考虑营养物质对水生生物的影响 T,DO，BOD,藻类，PO4,NH3,NO2-,NO3-,大肠
1
(s
0 )(K2
L0 K1
K1
)
第四节 水质模型
2。 Thomas模型 在S-P模型的基础上，增加因悬浮物的沉淀引起的
BOD变化速率
单位时间内BOD的变化率
L u x (K1 K3)L
单位时间内溶解氧的变化率
c u x K1L K2 (cs c)
ln L K1 K3 x
L0
1
第四节 水质模型
三、有毒污染物的归趋模型 摒弃经验参数，在模型中只出现表征化合物 固有性质的参数（实验室测定，与时间地点 无关）和表征环境特征所测量的参数。 主要考察动力学过程

..水质模型

..水质模型

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。
9/17/2019
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。
采用几 维模型 的依据
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）;
当河段长度大 于L，可采用0 维或一维模型
u－河流断面平均流速； H－平均水深； g－重力加速度， 9.81 m/s2 ； I－河流坡度。
9/17/2019
17
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？
L＝
(0.4 50 0.6 0) 50 0.1
2463（米）
(0.058 1.2 0.0065 50) 9.81.2 0.0009
9/17/2019
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。
9/17/2019
19
河流的一维模型 [考虑弥散的一维稳态模型]
9/17/2019
23
BOD-DO耦合模型（S-P模型）
9/17/2019
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.Phelps) 在1925年提出的，简称S-P模型。
S-P模型迄今仍得到广泛的应用，它 也是各种修正和复杂模型的先导和基础。

水质模型及应用培训(ppt 49页)

水质模型及应用培训(ppt 49页)

期平均浓度
湖泊推流衰减模式 P118
稳定情况下的解析解：
cr cpexp1K712H8Q2rp0 0ch
D0 (D0Qp DhQh ) /(Qp Qh )
K3:沉降和再悬浮的耗氧系数，d-1
二维稳态混合衰减模式 P114
适用条件：平直河流，混合过程段，非持久性污染物，稳态
岸边排放：式6-48
c ( x ,y ) e x K 1 8 p x 6 u c h 4 H c 0 p M Q p y x 0 e u x 4 u M 2 y p x y e x u ( 2 4 B M p y x y ) 2
• 按模拟预测的水质组分： 单一组分、多组分耦合模式
• 按预测水体类型： 河流、河口、湖库、海洋模式
• 按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 P113
• 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方向与主流方向垂直
非岸边排放：式6-49 c(x,y)ex p K 186 xu 4 0 ch 02Hcp Q M pyxu e ex x p 4p u M u(2 y 2 y xB 4 M 2 ea yx x y )p u 2( 2 4a M yx y)2 H：平均水深；B：河流宽度；a：排放口与岸边的距离； My：横向混合系数
风大湖库的点源排放，计算离排放口径向距离r处 的平衡浓度）
• 湖泊环流二维稳态混合模式与湖泊环流二维稳态 混合衰减模式（适用于近岸环流显著的大湖库）

流域水质模型与模拟课件

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

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。

湖泊与水库水质模型课件

湖泊与水库水质模型课件
11
第11页/共23页
解析解： Vollenweider 模 型 C= ( CpQP+ Wo) / VKh+ ( Ch - ( CpQp+ W0 ) / VKh) exp( - Kht)
Ch — 湖库中污染物的现状浓度。 Kh= ( Qh/ V) + ( K1 / 8 6 4 0 0 )
当湖库出,入流及污染物输入稳定， t → ∞ (平衡)时： C= ( CpQp+W) / V (r+K1 /8 6 4 0 0 )
内滞留时间短，水质问题一般并不严重。。
. 过渡型
6
第6页/共23页
• 分层的判 方
法
库
换
法定方
• 由日本学者提出，判别指标为： α=
β=
多年平均入库径流量
判别方法：
总库容
α<10 时分层型 α 10~20 时过渡型
一次洪水总量
α >20 混合型
总库容
对于分层型：
遇β>1 的洪水，成为临时混合型 遇到β<0.5 的洪水对分层影响不大 其他的，介于二者之间。
CH(l)=CPHQPH/VHKhH - [CPHQPH/VH KhHCM(l - 1)]exp( - KhHt)/KhH
15
第15页/共23页
分层箱式模型
• 混合期模型 Ct( l) = ( Ce( l) Ve+ Ch( l) Vh) / ( Ve+ Vh)
非成层期模型
CM( l) = CPQP/ VKh - [ CPQP/ V -
2
第2页/共23页
湖库的水温结构特性及其类型
. 异重流现象 . 影响湖库水温的主要因素 . 湖库的温度分层现象 . 湖库主要水温结构类型及判定方法

第三节河流水质模型-PPT

放口处得纵向坐标x＝0、
S-P模型—描述河流水质得第一个模型,由斯特里特(H • Streeter) 与菲而普斯(E • Phelps)在1925年建立。
基本假设:河流中得BOD得衰减与溶解氧得复氧都就是一级反应,反 应速度为常数;河流中得耗氧就是由BOD衰减引起得,而河流中 得溶解氧来源则就是大气复氧。
S-P氧垂公式
O= Os-D = Os-
Kd L0 Ka - Kd
[e-Kd t - e-Ka t] - D0 e-Ka t
污水排放点 河流BOD＝L0
饱和溶解氧浓度Cs
O—河流中得溶解氧值
溶解氧
D0 Dc
氧垂曲线
Os —饱与溶解氧值
DO
L0－河流起始点得BOD值
D0－河流起始点得氧亏值
Dc－临界点得氧亏值
KL = C
uxn Hm
饱与溶解氧浓度Cs就是温度、盐度与大气压力得函数。在
760mmHg压力下,淡水中得饱与溶解氧浓度为
T为0c
468 Cs =
31.6 + T
四、光合作用
水生植物得光合作用就是河流溶解氧得另一个重要来源。
欧康奈尔假定光合作用得速度随着光照强度得变化而变 化。中午光照强度最大时,产氧速度最快,夜晚没有光照时,产 氧速度化
水质模型得解析解就是在均匀与稳定得水流条件 下取得得,划分断面得原则:
a)河流断面形状发生剧烈变化处 b)支流或污水得输入处 c) 河流取水口处 d)其她需要设立断面得地方
二、多河段BOD模型及DO模型得建立
1、 BOD模型 河流水质得特点之一就是上游每一个排放口排放得
Kc＝ Kd + Ks
3、 1966年, K·Bosko研究了河流中生化作用得BOD衰减速度 常数Kd与实验室得数值Kc之间得关系:

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。

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。
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L (0.4B0.6a)uB (0.058H0.0065B) gH I
2021/1/16
.
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 ：
L (0.4B0.6a)uB (0.058H0.0065B) gH I
采用几 维模型 的依据
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）;
• 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？
答案：21 mg/L
2021/1/16
.
12
2021/1/16
.
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
2021/1/16
.
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）？
2021/1/16
.
14
适用1 适用2
一维模型适用的两种条件
污水注入点
完全混合点
背景段
混合段
均匀混合段
L混合段总长度源自污水注入点C0CEQE QE
CPQP QP
背景段
均匀混合段
2021/1/16
既是污水注入点，也是完全混合点
瞬间完全混合
.
C0
CEQE QE
CPQP QP
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：
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。
2021/1/16
.
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。
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
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
2021/1/16
.
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
2021/1/16
.
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
L＝
(0 .4 5 0 0 .6 0 ) 5 0 0 .1
24 （米6 ） 3
(0 .0 5 1 .2 8 0 .00 5 6 ) 0 5 9 .8 1 .2 0 .0009
2021/1/16
.
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。
2021/1/16
2021/1/16
.
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。
一般用于持久性污染物
2021/1/16
.
10
稳态条件下的河流的零维模型
背景段
均匀混合段
既是污水注入点，也是完全混合点
瞬间完全混合
污水注入点
没有完全混合点
背景段
混合段
L
2021/1/16
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：
C ChQh CPQP 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。
2021/1/16
.
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
2021/1/16
.
8
1、零维模型
• 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。
C C0
C0
1kt 1k( x )
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。
2021/1/16
.
11
例题2：河流的零维模型 P135 4
当河段长度大 于L，可采用0 维或一维模型
u－河流断面平均流速； H－平均水深； g－重力加速度， 9.81 m/s2 ； I－河流坡度。
2021/1/16
.
17
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？
.
19
河流的一维模型 [考虑弥散的一维稳态模型]
u CC0exp[2D(1m)x]
m
1
4k1D 86400u2
2021/1/16
• 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； u－河水的流速，m/s； D－x方向上的扩散系数， m2/s ； k1－污染物降解的速率常数（1/d）； x－下游某一点到排放点的距离，m。