福州内河河网精细水流水质数学模型研究

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水环境数学模型

过水断面污染物输移率
FAuCAQC
• 断面A上污染物输移率为断面平均流速
和平均浓度及断面面积乘积，
分子扩散作用输移
– 扩散是由于物理量在空间上存在梯度使之在空间上趋于均化的物质迁移现象，
– 分子扩散：水中污染物由于分子的无规则运动,从高浓度区向低浓度区的运动过程，
– Fick 第一定律：分子扩散质量通量与扩散物质的浓度梯度成正比，
– 估算模型计算结果的偏差 – 有利于根据需要探讨建立高灵敏度或低灵敏度的模型 – 可以用来确定合理的设计裕量
• 环境系统的两种灵敏度分析
– 状态与目标对参数的灵敏度,即研究参数变化对状态变量和目标产生的影响，
– 目标对状态的灵敏度,即研究状态变量的变化对目标值产生的影响，
• 状态与目标对参数的灵敏度
吸附与解吸
• 吸附：水中溶解的污染物或胶状物,当与悬浮于
水中的泥沙等固相物质接触时,将被吸附在泥沙表面,并在适宜的条件下随泥沙一起沉入水底,使水的污染物浓度降低,起到净化作用;
• 解吸：被吸附的污染物质当水体条件流速、浓
度、PH 改变时,又溶于水中的过程，
• 吸附-解吸作用总的趋势：水体污染浓度减少
Ix 1 E m C x, Iy 1 E m C y, Iz1 E m C z
– 式中: I 分别表示 x ,y ,z方向上的污染物扩散通量； Em 为分子扩散系数m2/s,C是时均浓度，
紊动扩散作用输移
– 湍流扩散：湍流流场中质点的瞬时值相对于平均值的随机脉动导致的分散现象，
水环境模拟涉及主要问题
❖ 水流运动 ❖ 污染物在水中的迁移转化 ❖ 水体的耗氧和复氧过程 ❖ 河流水质模型 ❖ 湖泊与水库水质模型 ❖ 面源污染分析 ❖ 水污染控制系统规划

河流水质数学模型讲课文档

1925年，Street-Phelps提出BOD-DO偶合模型以后，水质模型的研究在很长一段时间里进展缓慢。到了20世纪60年代，由于环境污染的加剧，水质问题引起人们的关注，水质模型的研究也获得了快速发展。20世纪60~80年代是水质模型的快速发展时期。
(1)托马斯模型
在S-P模型的基础上，引进沉淀作用对BOD去除的影响：
u为河水流速(m/s)。
第十一页，共45页。
2.1稳态解
稳态是指均匀河段定常排污条件，即过水断面、流速、流量等都
不随时间变化，
此时(1)式变化为
C 0 t
d2C u
dx2
ks
dc dx
K1 ks
C0
通过解析得稳态解为
当x≥0时，当x＜0时，
CC0e2x,2
u 2ks
(1)
CC0e1x,1
u 2ks
第十六页，共45页。
河段划分河段划分的主要原则就是保持所分割的河段中水
质参数不变。河段的划分是通过在适当的位置设置计算断面实现的。断面设置的方法是：
①在河流断面形状变化处，例如由宽变窄处或由窄变宽处，由深变浅处或由浅变深处，这些河段的变化会引起流速及水质参数的变化；
②支流或污水汇入处，由于流量的输入会导致流速的变化，也会导致污染物浓度的变化；
第二十三页，共45页。
2.4 QUAL-Ⅱ河流水质综合模型
由于污染物在水中的迁移转化是一种物理的、化学的和生物学的极其复杂的综合过程，因此要全面描述水体的水质就必须研究水生生态系统和水质组分之间的联系，就需要对多组合的综合体系建立水质模型。20世纪70年代，美国建立了不少综合水质模型。其中最早的两个模型是QUAL-Ⅰ和QUAL-Ⅱ。

河网水流模拟计算数学模型探讨

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方程组中表示时段末 -=& 时刻的上脚标省略 # 方程组 !? "*!;" 中的系数为 %
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２００５年第３期! 第２３卷２４８期 "
东北水利水电
=
算断面的两倍对于大型河网求解几乎是不可能的 # 分级解法又分为二级解法 $ 三级解法 $ 四级解法以及汊点分组解法 # 三级解法先通过对二级解法的基本未知量进一步消元得到以节点水位为未知量的与节点数同阶线性方程组 % 这样使系数矩阵大大降阶从而为求解提供可能 % 而后将得到的节点水位再回带到分支单一河道的方程组中进一步得到每个断面的水力要素 # 三级解法因其抓住河网中节点水位这个关键的要素使得该方法得到了广泛的采用 # 而对于三级解法降阶后的线性方程组由于以往受到计算机硬件的制约 % 必须充分考虑内存和 !"# 的承受能力 % 因此产生了最优编码解法 $ 矩阵标识法等减少零元素变量参与求解的方法 % 这些方法的确在当时的系统环境下使求解成为可能 % 但是它们的缺陷也逐渐凸现 # 文献指出最优编码解法堰流

课件-(7水环境数学模型及预测)

人类活动的热排放
主要为火力发电厂、冶炼厂等冷却水的排放，可按随水流迁移的热交换公式进行计算
6
5.1.2水体与大气的热交换
A R E C
辐射热通量
R I RI G RG S I G S
I为入射的太阳短波辐射通量；RI为被水面反射的太阳辐射通量；G为入射的大气长波辐射通量；RG为G被水面反射的大气辐射通量；S为水面发出的长波辐射热通量，单位均为J/(m2.h)
12
5.1.3河流水温模型
程序步骤如下：
（1）计算上断面的初始水温。进入上断面的热量有干流来水和支流来水带来的热量及排污热量，与水流充分混合后，得到从上断面流入本河段的起始水温T0
W q T0 TI Tx TI QC p Q
热污染源引起的水温变化支流引起的水温变化
9
5.1.3河流水温模型
类似于一维水质基本方程，可以写出河流纵向一维水温迁移转化基本方程：
T T 2T u E 2 ST t x x
E为热量在水中的扩散、离散系数；ST为微元河段关于水温的源漏项。一般河流中的扩离散作用远小于移流作用，可忽略不计，则上式可简化为
T T u ST t x
20
5.2.2 QUAL - Ⅱ河流水质综合模型
各水质变量之间的相互关系
1-大气复氧作用；2-河底生物的耗氧；3-碳化合物BOD耗氧；4-光合作用产氧；5-氨氮氧化耗氧；6-亚硝酸盐氮氧化耗氧；7-碳化合物 BOD的沉淀；8-浮游植物对硝酸盐氮的吸收；9-浮游植物对磷酸盐磷的吸收；10-浮游植物代谢产生磷酸盐磷；11-浮游植物的死亡和沉淀； 12-浮游植物代谢产生氨氮；13-底泥释放氨氮；14-氨氮转化为亚硝 21 酸盐氮；15-亚硝酸盐转化为硝酸盐；16-底泥释放磷

水环境数学模型研究进展

水环境数学模型研究进展一、本文概述水环境数学模型是理解和预测水环境行为、评估水资源利用和环境保护措施效果的重要工具。

随着科技的发展和环境保护的迫切需求，水环境数学模型的研究与应用逐渐受到广泛关注。

本文旨在全面综述水环境数学模型的研究进展，分析各类模型的优缺点，探讨其在水环境管理、水资源保护和生态修复等领域的应用前景。

文章将首先介绍水环境数学模型的基本概念和研究背景，阐述其在水资源科学、环境科学和生态学等领域的重要性。

随后，将重点综述近年来水环境数学模型的研究进展，包括模型的建立方法、模型的验证与优化、模型的应用案例等方面。

通过对各类模型的深入分析和比较，本文旨在揭示水环境数学模型的发展趋势和研究方向，为水环境管理和水资源保护提供科学依据和决策支持。

本文还将关注水环境数学模型在实际应用中所面临的挑战和问题，如模型的复杂性、不确定性、参数估计困难等。

通过分析和讨论这些问题，本文旨在为水环境数学模型的研究和应用提供有益的启示和建议，推动水环境数学模型的发展和完善，为水环境保护和水资源可持续利用贡献力量。

二、水环境数学模型的理论基础水环境数学模型作为理解和预测水环境行为的重要工具，其理论基础涉及多个学科领域，包括流体力学、环境科学、生态学、计算机科学等。

这些理论共同为水环境数学模型的构建和应用提供了支撑。

流体力学是水环境数学模型的理论基础之一。

流体力学中的基本原理，如连续性方程、动量方程和能量方程，为水环境数学模型提供了描述水流运动的基本框架。

这些方程可以用来描述河流、湖泊、海洋等水体的流动和混合过程，进而揭示水体中的污染物扩散和传输机制。

环境科学为水环境数学模型提供了对水体中各种化学和生物过程的深入理解。

这包括水体中的物理、化学和生物反应过程，以及这些过程如何影响水体中的污染物浓度和分布。

环境科学理论的应用使得水环境数学模型能够更准确地模拟和预测水体的环境质量变化。

生态学理论在水环境数学模型中扮演着重要角色。

河流水质数学模型专题讲解

0
tc
t
b.托马斯（ Thomas ）BOD －DO模型
对一维稳态河流Leabharlann 在斯特里特 -菲尔普斯模型的基础上增加一项因悬浮物的沉淀与上浮所引起的 BOD速率
变化，才有以下的基本方程组（忽略弥散）：
? ??
u
?L ?x
?
? (k 2
?
k3 )L
?
? ??
u
?O ?x
?
? k1 ?
k2 (O s
? O)
?预测范围内的河段可以分为完全混合段、混合过程段和上游河段。
?当污水排入河流后，在河流横向断面上要经过横向混合一定距离后与河水充分混合，这个距离称之为“混合过程段”，也就是排放口下游达到充分混合以前的河段。
L?
?0 .4 B ? 0 .6 a ?Bu ?0 .058 H ? 0 .0065 B ?
（3）水体的好氧与复氧过程
废水进入水体后，随着污染物在水体中的迁移过程，由于以下几种原因，使河水中的溶解氧被消耗掉：
①河水中含碳化合物被氧化而引起好氧。
②河水中含氮化合物被氧化而引起好氧。
③河床底泥中的有机物在缺氧条件下，发生厌气分解，产生有机酸和甲烷、二氧化碳和氨等还原性气体，当这些物质释放到水体中时，消耗水中的氧。
河流模拟方法对所有的参数都没有空间均匀性的要求，而只有时间稳定性的要求，即所有水力学参数、污染物降解有关的参数、污染源参数均可以随空间变化，但不随时间变化。在较为成熟的应用中，只考虑稳态的模拟计算，即各种参数都不随时间变化（污染源也要稳定排放），最后计算结果为平衡状态的浓度分布。
④晚间光合作用停止时，由于水生植物（如藻类）的呼吸作用而好氧。

河道水力学模型及最小生态需水量的估算

河道水力学模型及最小生态需水量的估算河道水力学模型及最小生态需水量估算1. 介绍水力学是一个广泛的科学领域，它用来研究水体的流动特性以及水与其他物质的相互作用。

它在水文学、土木工程和流域管理等领域有着重要的应用。

在水资源经济领域，有必要估算最小生态需水量，以为保护河流和水文系统提供了有效的数据支持和分析方法。

因此，研究和开发河道水力学模型及最尀生态需水量估算具有重要的意义。

2. 原理河道水力学模型基于“Masavi-Dean”介质模型，主要依赖水体深度、宽度、底质因子、流量等参数，有效定量模拟水流的不同情况，力量实现有效参数估算、经流计算、有效洪水分析、底比重梯度估算等功能。

最小生态需水量估算也是水文学领域的一个核心，主要基于对水动力学特性和生态系统要求指标（水位、溶解氧、温度、浊度）来估算。

模型估算时，还需要考虑相应的气候背景、水体物质流变条件以及环境要求等影响因素。

3. 方法河道水力学模型及最小生态需水量估算，主要采用数据同化（Data Assimilation）、数据建模（Data Modelling ）、模型预测（Model predicting）等方法，将相关参数转换成数据，采用GIS（地理信息系统）和RS（遥感技术）有效获取底质、河宽、深度参数，并模拟水体淹没和底质流动等情况。

最小生态需水量需要根据水文学和水质学两大学科来估算，并结合其他监测数据，借助数据同化、模型数据诊断等方法，推断出最小生态需水量以及其他水质参数，为景观生态工程和河流环境恢复提供参考指标。

4. 结论河道水力学模型与最小生态需水量估算是水文学和水质学方面的关键模型，它们在河流科学保护和管理，水资源利用及水环境保护方面都具有重要意义，因此，加强对河道水力学模型及最小生态需水量估算的研究和改进，可以为河流水系可持续管理提供有效支持。

河流水质模型06

' ' W P1QZ1 P1 QZ 0
李光炽
水质模型
根据相关矩阵P，我们可以找出与河段有正相关和负相关的节点，从而可根据各河段的水质模型来计算整个河网系统的浓度变化。同时亦能估计河网中各河段之间的相互作用。从上面的讨论知，河网水质模型实际上是河段水质模型的推广。
李光炽
水质模型
式中，f0(x)是外节点x处污染物的浓度(已知量)，Q是河段流量
李光炽
水质模型
河段流量Q 有如下关系式：
对于某污染物 ( f ) 是f(x)的一个已知函数，根据上述递归函数的一般形式，分别写出BOD5、 NH3－N和溶解氧亏的递归函数：
李光炽
水质模型
当x n1 L0 ( x) 1 L( x) [QV1 ( x ) aV1 ( x ) L( K (V1 ( x))) QV1 ( x ) QV2 ( x ) QVv ( x ) ( x ) Q 否则 Vv ( x ) ( x ) aVv ( x ) ( x ) L ( K (Vv ( x ) ( x )))]
K 5 LN 0 K4 ( K 5 K 3 ) t K 2t (e e ) (OS )(1 e K 2t ) K5 K3 K2 K2
李光炽
水质模型
式中 LC 0、 LN 0 － BOD5和氨氮的初始浓度， mg/L； K5 ― 氨氮的氧化速率常数，1/d。各河段的水质模型在河网中的表达式为：
李光炽
q
水质模型
Q1 Q 2 Q Qm
流量矩阵
李光炽
水质模型
河网水质平衡方程可表示为：
式中，n2维向量 W 表示内节点废水中污染物负荷；m维向量 Z 1 则表示为进入内节点河段末端同一污染物浓度，m维向量 Z 0 是流出内节点河段起始端污染物的浓度；Q是流量矩阵，形式同上。

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第３５卷第５期２１００年５月 Biblioteka 环境科学与管理
ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＣＩＳＥＮＣＥＡＮＤＡＮＡＧＥＭ匮ＮＴＭ＿
Ｖｏ．５１３Ｎ５
Ｍａ０１ｙ２０
文章编号：６４－６３（００００６１７－１９２１｝５— ０６—０４
ＡｂｔａｔＢａｅｎｒｃｎｅｕｔｎｈｙｒｕｉｓａｄｗａｅｕｌｔｅｔｒｓｏａｅｏｙｗｉｉｄｌｒｅｅｗｏｋ，ａｓｒｃ：ｓｄｏｅｅｔｒｓｌａｄｔｅｈｄａｌｔｒｑａｉｆａｕｅｆｗｔｒｂｄｔｎｔｔａｖｒｎｔｒｓｃｎｙｈｔｉｉ０１Ｉｅ—ｄｍｅｓｏａｙｒｄｎｍｉｎｅａｉｄｌｏｖｒｎｔｏｋｓｄｖｌｐｄａｄｖｒｅ．Ｈｅｅｒｓｔｗｅｈｗｉｎｉｎｌｈｄｏｙａｃａｄｗｔｒｑｌｙｍｏｅｒｒｅｅｒｓｉｅｅｏｅｅｉｄｕｔｆｉｗｎｉｆｅｈｒｔｅｕｓｅｇｔｏｌｓ
一
定的理论基础，具有一定的指导意义。
文献标识码：Ａ
关键词：感潮河网；一雏河网水力水质模型；数值模拟；水环境中图分类号：５２Ｘ２
ＴｅＲｓａｈｏｉｅＷａｒｕｌｙＭａｅａｃｏｅｈｅｅｒｎＦｎｔａｔｔｍｔａＭｄｌｃｅＱｉｈｉｌ
ｆｒＴｉａＥｆｅｔＲｉｅｔｒｎＦｚｏｖｒＮｅｏｋｏｄ１．ｆｃｖｒＮｅｗｏｋｉｕｈｕＲｉｅｔｒｓｗ
ＣｈｎＨｏｇ，ＺｈｎｇａｅｎｕＭｉｑｕｎ
（ｎｔｕｅｏｉｉＥｇｎｅｉ，Ｆｚｏｎｖｒｔ，ｕｈｕ３００，ＣｉａＩｓｉｔｆｖｎｉｅｒｇｕｈｕＵｉｅｓｙＦｚｏ５１８ｈｎ）ｔＣｌｎｉ
ｈｔｔｙｒｕｉｄｌｐｅｉｔｄｖｌｅｒａｃｌｔａｈｅｈｄａｌｃｍｏｅｒｄｃｅａｕｓａｃｂｉａｌａｌｉｔｃｕｌｖｌｅｎｄｃｎｒｆｃｔｅｔｎｅｃｆｅｂａｄｆｗｃｒｅｔｓｙｔｌｙｗｈａｔａａｕｓａａｅｅｔｌｈｅｄｎｙｏｂｎｌｏｒｃ－ｏｌ，ａｄｔｅｍｏｅｔｅｆＣｌｐｏｅｌｅｅｔｈｈｎｅｏｏｌｔｎｓｗｉｈｒｖｒｅａｅｍｅｒｅｅｏｋｕｏｅｂａｄｆｏｙｎｈｄｌｉｌａｒｐｒｒｆｃｅｃａｇｆｌａｔｈｃｅｅｂｒｔｔｖｒｎｔｒｓｄｅｔｂｗ．ｓｌｙｌｔｐｕｈｉｗｎｌ，ＩｅｅｒｈｐｏｉｅｅｒｔａｏｎａｏｒｓｌｊｔｅｗｔｒｅｖｒｎｎｒｂｅｎＦｚｏｄｈｓｃｒａｎｄｒｃｉｅｓｇＩｉｒｓａｃｒｖｄｓａｔｏｅｉｌｕｄｔｎｆ０ｖＪｈａｅｎｉｏｍｅｔｏｌｍｓｉｕｈｕａａｅｔｉｅｔｉ－１ｓｈｃｆｉｏｐｎｉｖｎｆａｃ．ｉｃｎｅｉＫｅｒｓ：ｉａ —ｅｅｔｒｅｅｗｏｋ；ｏｌｙｗｏｄｔｌｆｃｉｒｎｔｒｄｖｉｅ—ｄｍｅｉｎｌｈｄａｌｎｔｒｑａｉｄｌｉｎｏａｙｒｕｉａｄｗａｅｕｌｙｍｏｅ；ｍｎｒｃｌｓｍｕａｏｓｃｔｅｉａｉｌｔｎ；ｗａｅｉｔｒ
ｅｖｉｎｅｎｒｍｎｔｏ
１概述
随着对水环境治理的日益重视和大力投入，研
福州市地处闽江下游，福建省的第一大河闽江穿市而过，区内河发育良好，网密布，州中心城河福
共有４２条内河，成以自马河为主的西区水系，形以究感潮河网地区水流运动和水环境变化规律越来越晋安河为主的东区水系，以光明港为主的东区河口重要。利用数值模拟分析水流及水质变化是水环境水系¨ 。内河河网如图１所示。污染治理规划中的主要组成部分。内河水环境是城福州内河河网水源除部分来自北部山地汇水外，市规划与建设的一个重要组成部分，城市形象的主要来自闽江潮水，是主要是通过光明港的九孔、五孔、具体体现。受潮汐影响的城市河网水体具有水深三孔和台江的派洲、方寿、彬德及西北角的西河与闽小、床比降小、闸坝控制、速缓慢、逆不定、江福州段水域相连。城区内河的主泄水方向由西北河受流顺水体自净能力不强等特性，这些特性使得污染物质指向东南，内河水流属往复非恒定流，水位、水深随闽在水体中随水流回荡，局部地区污染加剧，质恶水江水位变化而变化，呈周期性涨落。正常情况下，闽化。江水每日两次由防洪闸门流入城区内河。进入市城１１福州内河地理水文特征．区河道的潮水基本上以八一七路为界分东部和西部两种流态。东部潮水基本上由光明港经晋安河进入收稿日期：０９—１２２０２— ７
福州内河河网精细水流水质数学模型研究
陈虹，朱明栓
（州大学土木工程学院，建福州３００）福福５１ｓ
摘要：文章在前人研究的基础上，根据感潮河网地区水体的水动力、水质特性，建立了河网一雏水动力和水质
模型，并进行了模型验证。结果表明水动力模型计算值能够较好的吻合实测值，能正确反映涨落潮趋势，水质模型能正确反映污染物受涨落潮影响在河网内回荡的变化情况。本研究成果对解决福州市水环境问题提供了