QUAL-2K模型原理及在流域水环境管理中的应用20160301
河流综合水质模型QUAL2K应用研究
综观河流水质模型的研究发展过程，大致可分为3个阶段［1］。
第1阶段，1925—1970年，是考虑水质项不多的一维定常模型阶段；第2阶段，1970—1985年，是河流水质模型的快速发展阶段；第3阶段，1985年至今，是河流水质模型的发展与完善阶段。
QUAL2E 模型和QUAL2K 模型就是在第3个阶段出现的。
相对于其它常用河流水质模型，QUAL2E 模型目前在我国得到了较广泛的应用。
鉴于QUAL2K 模型的诸多优势，在不久的将来，该模型也可望得到更广泛的应用。
1QUAL2K 模型的研究发展历程QUAL2K （或简称Q2K ）模型是QUAL 模型系列中的一个。
QUAL 模型系列中的最初完整模型是美国德克萨斯州水利发展部（Texas Water DevelopmentBoard ）于1971年开发完成的QUAL-I 模型。
而QUAL-I 模型的最早雏形则是F.D.Masch 及其同事在1970年提出的［1］。
QUAL-I 模型应用较成功。
在该模型的基础上，1972年美国水资源工程公司（Water ResourcesEngineering ，Inc.，缩写为WRE ）和美国环保局（U.S.EPA ）合作开发完成了QUAL-II 模型的第1个版本。
1976年3月，SEMCOG （Southeast Michigan Council of Governments ）和美国水资源工程公司合作对此模型做了进一步的修改，并将当时各版本的所有优秀特性都合并到了QUAL-II 模型的新版本中［2］。
自1987年以来，我国学者应用QUAL-II 模型解决了大量河流水质规划、水环境容量计算等问题，并结合国内的实际情况，对该模型进行了改进。
QUAL-II 模型可以模拟13种物质，这13种物质是：溶解氧、生化需氧量（BOD ）、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、溶解的正磷酸盐磷、藻类-叶绿素a 、大肠杆菌、温度、1种任选的可衰减的放射性物质和3种难降解的惰性组分。
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。
QUAL2K模型的原理及应用
Hohai University
9
2.模型的应用步骤
QUAL-2K是以excel工作表为界面，用vb编的程序。颜色主 要是区分信息是用户输入还是程序输出的结果。主要包括4 种颜色区域，如下：
浅蓝色：用户需要输入的指定变量和参数的值。 浅蓝色 浅黄色：用户需要输入的指定数据，模型可以降这些数据自动生成图表曲 浅黄色 线。 浅绿色：模型输出的设计值。 浅绿色 纯暗色：用来制表的数据，并且不能改动。 纯暗色
Q
Hohai University
5
2.流量平衡方程
出水口的所有出流可以表示为下 ：
Qab,i = ∑ Qpa,i , j + ∑ Qnpa,i , j
j =1 j =1 pai npai
Q 式中： pa ,i , j是i河段第j个点出水口的出水量，pai是i河段的所有点出 Q 水口的数量， npa ,i , j 是i河段第j个非点出水口的出水量，npai是I 河段所有非点出水口的数量。
Hohai University
6
3.水质平衡方程
QUAL2K模型的水质基本方程是一维平流——扩散物质迁移方程， 该方程考虑了平流扩散、稀释、物质组分的自身反应，水质组分间的 相互 作 用 以 及 组 分 的 外 部 源 和 漏 对 组 分 浓 度 的 影 响。 水 质 平衡 模型 如 下：
CE-QUAL-W2模型实例姚烨-练继建
学科专业：水利工程 研 究 生：姚 烨 指导教师：练继建 教授
天津大学建筑工程学院 二零一一年十二月
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日
导师签名： 签字日期： 年 月 日
摘 要
三峡水库蓄水运行以后，库区水位升高、流速减缓，水体富营养化趋势日益 加重，近坝支流库湾多次爆发大面积“水华”事件。通过人控调度方式改善库区 水动力条件，进而控制水体富营养化的观点已经得到众多专家学者的普遍认可， 但深水水库垂向水动力特性和调度方式对库区水动力水质的影响研究仍然比较 缺乏。因此，本文开展了温差和调度方式对三峡库区近坝香溪河支流水动力影响 研究， 以期探明温差和调度这两大因素对干支流水体交换掺混和污染物输移的影 响规律，为实际调度提供决策支持。 本文基于 CE-QUAL-W2 垂向二维水动力水质模型的基本理论，和三峡库区 实测数据，构建了三峡水库-香溪河水动力水质模型，详细分析了三峡干流、香 溪河支流的水流运动特征和干支流交换掺混规律， 并总结出影响干支流水流交换 掺混的主要因素为水温差和调度方式。 以温差剪切分层流理论为依据，模拟不同干支流初始水温差、库水位和支流 来流量工况下的干支流交换掺混情况，通过干支流温差、潜入距离、潜入厚度和 潜入量等水动力特征量的对比分析，得到结论：干支流初始温差越大，库水位越 高，越有利于分层流的形成和发展，相应的干支流水体交换量就越大；而支流来 流量仅起到较小的抑制作用。 通过三峡水库非汛期调度的基本指标，概化短期和中长期调度方式；模拟单 一调度因子改变下，是否调峰、调峰幅度、相同泄流量不同泄流方式、库水位和 蓄放方式对干支流交换掺混规律和保守示踪剂输移规律的影响。最终提出：一日 内泄流过程选择调峰泄流；非汛期库水位非均匀下降，避开最不利水位 165m； 泄流方式在谷荷流量适当的前提下可适当提高调峰幅度； 以及长期调度方式选择 水位先降后升蓄放方式下的中期调度方式的串联调度组合的非汛期多目标优化 调度策略。
QUAL-2K模型原理及在流域水环境管理中的应用20160301
环境保护部污染防治司环境保护部环境规划院2016年3月汇报内容1、背景和意义2、模型研究与应用3、模型基本原理4、模型数据与参数5、模型操作一、背景和意义流域水污染问题的根本解决，必须从流域尺度出发，分析不同区域的污染物汇集、输移及演化过程机理，分析流域水循环、社会经济发展和水环境质量变化过程。
?????????子流域单元农业源总氮产生量分布污染物传输降解后的农业源总氮分布河流传输研究背景从欧美发达国家近年来流域水环境保护的实践上来看，流域水环境模型已应用在环境政策制度、环境规划实施、总量减排目标的确定等多个领域。
我国环境管理的模型化研究起步较晚。
部分国外模型虽然在我国部分流域进行了实验应用，但推广应用情况不好，远不能适应环境管理工作科学化、标准化、规范化的实际需求。
根据调研结果，流域水环境模型主要应用领域可包括：流域总量减排方案的确定、流域水环境规划编制、环境管理决策。
二、模型研究与应用QUAL2K模型的发展历程QUAL2K是美国国家环保局（U.S. EPA）推出的一个综合性、多用途的河流综合水质模型，为国外河流水质模拟及河流规划管理实践中最广泛应用的模型之一。
模型既可以用作稳态模拟，也可以用作时变的动态模拟，不仅可用来研究入流污水负荷对受纳水体水质的影响，也可用来研究非点源污染问题。
开发历程和版本演化：QUAL-ⅠQUAL-ⅡQUAL2E QUAL2KTexas Water Development Board,1971Water ResourcesEngineering, Inc. US EPA, 1972Tufts University,EPA Center for Water Quality Modeling,1982US EPA, 2008,Version 2.11QUAL2K模型的优点根据国内外应用经验来看，Q2K模型具有以下优点：1）功能全面，通用性强，适用于中小尺度流域的水质模拟:CBOD、营养盐，藻类、溶解氧、病原体、沉积物和自定义污染物浓度变化动态过程；2）对数据、资料的需求量较少，所需花费的人力、时间和经费也较少：一维河道，稳态非均匀流,梯形截面，不考虑潮汐作用；3）模型是由一些简单模型组合而成，该模型中大量的动力学参数可以参照相关研究成果；4）图形用户界面采用Excel实现，界面规范，可视化程度高，同时操作方便、容易掌握；5）模型核心数学计算模块采用Fortran开发和优化，计算效率高，内存需求小且运行速度快。
面向管理决策的标准化流域水环境模型评估验证技术框架研究
引言随着我国全面加强水环境综合治理和保护，流域水环境模型被越来越广泛地应用于环境规划与管理，结构复杂、参数众多的模型存在不确定性，不规范地模型应用（缺乏输入数据质量控制、未开展参数率定和模型验证等）可能增加决策风险，限制了模型在更大范围和更深层次上的作用。
因此，如何通过过程管理，形成标准化的模型评估验证技术流程，使模型的应用规范化，成为水环境管理领域的重要议题。
流域水环境模型评估验证的目的在于检验模型是否适宜支持管理决策实践。
随着模型技术的不断发展，模型结构的复杂程度不断增加，模型引入了大量有明确物理意义或无明确物理意义、可观测或不可观测的模型参数和求解条件，对模型评估验证提出了更高要求。
近年来国内外开展了大量研究，形成了结构合理性评估[1]、模型参数识别与灵敏度分析[2]、模型模拟效果评估[3]、模型不确定性分析[4,5]等多项关键技术。
然而针对流域水环境模型的评估与验证大多是基于特定模型和特定区域开展的，模型的类型和决策功能不尽相同，评估验证的内容和标准存在较大差异。
国外从通用模型评估方案出发[6]，针对影响环境模型使用的关键问题[7]，制定了模型使用可接受性、模型质量保证体系、常用模型清单、同行评审等技术指南[8-10]，保障了环境模型从开发到应用全生命周期的规范化使用。
在此基础上，美国国家环保局于2009年发布环境模型开发、评估和应用指南的最终版本[11]，提出了由同行评议、质量保证、验证、敏感性分析、不确定性分析组成的模型评估最佳实践。
与此同时，欧盟遵循由模型描述、数据库描述、科学评估、代码验证、模型验证、面向用户评估组成的综合验证框架[12]，以重大风险源为着力点，在稠密气体扩散、计算流体力学和瓦斯爆炸领域编制了更专业的模型评估技术指南[13-15]。
综合来看，国外管理办法侧重于给出环境模型使用的原则性建议或特定应用场景下模型的技术性说明，然而兼顾多种模型类型和决策需求的流域水环境模型评估验证技术框架尚不多见。
应用QUAL2K模型模拟优选河道水体生态净化方案
应用QUAL2K模型模拟优选河道水体生态净化方案张瑞斌;黄玉莹;张宇【摘要】以南京市十字河为例,采用潜没式生态床、生态浮床、生物接触氧化床3种技术组合为6种生态净化方案,通过在不同的单元输入不同的降解参数,用QUAL2K模型对6种不同的水处理技术组合方案进行模拟,通过对模拟效果的综合评价选取最佳方案.结果表明:上、中、下游依次设计为生物接触氧化床、生态浮床、潜没式生态床的处理效果最佳,其BOD、NH3-N、TN和TP削减率分别为49.50％、32.81％、35.94％和45.27％.【期刊名称】《环境工程技术学报》【年(卷),期】2018(008)002【总页数】6页(P185-190)【关键词】QUAL2K模型;生态净化方案;模拟;优选;十字河【作者】张瑞斌;黄玉莹;张宇【作者单位】江苏龙腾工程设计股份有限公司,江苏南京210014;南京市生态河道工程技术研究中心,江苏南京210014;南京市雨污水资源化利用工程技术研究中心,江苏南京210014;江苏龙腾工程设计股份有限公司,江苏南京210014;南京市生态河道工程技术研究中心,江苏南京210014;南京市雨污水资源化利用工程技术研究中心,江苏南京210014;江苏龙腾工程设计股份有限公司,江苏南京210014;南京市生态河道工程技术研究中心,江苏南京210014;南京市雨污水资源化利用工程技术研究中心,江苏南京210014【正文语种】中文【中图分类】X522随着我国经济高速发展，环境污染问题日益突出，众多污染河道以及污水处理厂出水需通过实施科学有效的水环境治理工程来改善水体水质，以维持经济社会的可持续发展。
为确保所实施工程的有效性和效率性，在特定水环境条件下，最佳水环境治理方案的选择至关重要。
20世纪末，国内外学者开始研究污水处理技术的综合评价方法，其主要包括[1-4]灰色系统评价、层次分析法、效益评价指数模型、模糊综合评价及多种方法耦合应用。
QUAL 2K模型在乐安河流域水质模拟中的应用
通信作者 ： 万金保 （ １ ９ ５ ２ 一 ） ， 男， 江西南昌人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事水污染控制及 资源化技 术研究．
２ Ｋ模型具有较好 的模 拟精度 ， 可 以定 量地描述乐安河 中 Ｃ Ｏ Ｄ 、 氨氮水环境质量 变化 过程 ．
关键 词 ： Ｑ Ｕ Ａ Ｌ ２ Ｋ模型； 乐安河 ； ｃ Ｄ Ｄ ； Ｎ Ｈ 一 Ｎ 中图分 类号 ： ｘ ５ ２ ４ 文献标 志码 ： Ａ
开发 的 』 ．
用得最为广泛 ， Ｑ Ｕ Ａ Ｌ ２ Ｋ模型 （ ２ ０ ０ ３ ． １ １ 版） 是
在Ｑ Ｕ Ａ Ｌ ２ Ｅ模型（ Ｂ ｒ ｏ ｗ ｎ ａ ｎ ｄ Ｂ ａ ｍ ｗ ｅ ｌ ｌ １ ９ ８ ７版） 的基 础上经美 国 Ｔ ｕ 缸 大学 Ｓ ｔ ｅ ｖ ｅ Ｃ ｈ ａ ｐ ｒ ａ 和Ｇ ｒ ｅ ｇ Ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｔ ｉ ｅ ｒ
１ ． １ 基本 方程
Ｑ Ｕ Ａ Ｌ模 型 基 本 方 程 为 １维 平 流 ． 扩 散 物 质 迁 移方 程 ， 该 方程 综 合 考 虑 了平 流 扩 散 、 稀 释、 水质 组 份 自身反 应 以及 相互 作 用 、 组份 的外 部 源 和 汇 对组
份浓 度 的影 响 。 引．
对 于任 意一 种水质 组 份 ， 有
第３ ７卷 第 ２期 ２ ０ １ ３年 ３月
江 西师 范大 学 学报 （自然 科学 版 ） Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｘ ｉ Ｎ ｏ ｒ ｍ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ （ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ）
０ 引言
江西省境 内的乐安河 流域 自东 向西经婺源县、 德兴市 、 乐平市 、 万年县、 波 阳县 ， 最后注入鄱 阳湖． 乐安河河道长 ２ ７ ９ ｋ ｍ， 流域面积 ８ ５ ３ ４ ｋ ｍ ， 沿途支 流有大坞河 、 泊水河等 ， 整个区域河流归属江西省饶 河水 系 ． 从２ ０世 纪 ５ ０年代 开始 ， 沿 乐安河 流 域周 边 陆续开办了多家厂矿企业 ， 其产生的大量工业废水 以及 沿 岸居 民生 活 污 水 与 非 点 源污 废 水 的排 放 ， 已 导致乐安河流域遭受污染 ， 甚至 已影响到鄱阳湖 的 水质、 底泥 ¨ ． 对 乐安 河 进行 水 质 现 状 分 析 ， 分 析 结 果 表 明乐 安河的主要 污染 物为 Ｃ Ｏ Ｄ 、 Ｎ Ｈ ， － Ｎ与重金属 污染 物ｃ ｕ 、 Ｐ ｂ ． 水体 中的污染物 ， 其 自净、 稀释 、 扩散等机 理不同， 需采用不 同的水质模型进行研究 ４ 引， 才能
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
QUAL2K模型中水质动力学过程包括：溶解（dr）、水解 （h）、氧化(ox)、硝化(n)、反硝化(dn)、光合作用(p)、呼吸 作用(r)、排泄(e)、死亡(d)、呼吸\排泄（rx）；传质过程包 括，复氧（re）、沉降（s）、沉积物需氧量（SOD）、沉积 物转换（se）、沉积物无机碳通量（cf）等。
QUAL2K模型的水质基本方程是一维平流——扩散物质迁 移方程，该方程考虑了平流扩散、稀释、物质组分的自身反 应，水质组分间的相互作用以及组分的外部源和漏对组分浓 度的影响。
Qout ,i dCi Qi 1 Qi Ei'1 Ei' Wi Ci 1 Ci Ci 1 Ci Si Ci 1 Ci Ci dt Vi Vi Vi Vi Vi Vi
QUAL2K模型的不足
1、模型本身的限制和不足
QUAL2K模型计算单元有一定的限制：源头不超过10个；河段不超过50个 ；每个河段的计算单元不超过20个，全流程不超过500个；节点不超过9 个；点源负荷和取水口不超过50个；河口只允许1个。
2、模型不具备灵敏度分析
QUAL2K模型尚不具备灵敏度分析的功能，EPA也没有开发专门工具。
39
3.5
点源排放
点源（Point Source）工作表 主要输入河流系统中点源 信息。包括点源的位置、出流或入流的流量以及水质浓度。
3.6 非点源排放
Q C
i 1 i
i
m3 / d
4、流量平衡方程
2.流量平衡方程
Qin,i Qout,i
稳态的流量平衡方程适用于每个 模拟河段。
i1 Qi1 i Qi i+1
Q i Q i 1 Q in , i Q a d , i
Qi
是河段i的流出量，是河段i+1的流入量; 是点源和非点源流入河段i的总流量 ;
QUAL-2K模型原理及在流域水环境 管理中的应用
环境保护部污染防治司 环境保护部环境规划院 2016年3月
汇报内容 1、背景和意义 2、模型研究与应用 3、模型基本原理 4、模型数据与参数 5、模型操作
一、背景和意义
研究背景 ? ? ? ?
? ?
子流域单元农业源总氮产生 量分布
?
河流传输
河段（Reach） 工作表 主要输入河流各个河段的信息。主要 包括：河段数、河段及单元的长度、上下游河段的高程及位置 以及水力学模型的相关参数等。
37
水力学参数包括溢流堰、曼宁公式和水位流量曲线方 程中的参数。
3.4 气象数据
气象数据主要包括：气温、露点温度、风速、云量、遮 荫度等5个工作表。（仅贴出气温工作表的图，其他4项与 之相同）
Texas Water Development Board,1971
QUAL-Ⅱ
Water Resources Engineering, In c. US EPA, 1972
QUAL2E
Tufts University, EPA Center for W ater Quality Model ing,1982
注意：模型适用于中小流域的水质模拟，使用时需要进行模 型的率定和验证。
QUAL2K模型的应用：美国TMDL
QUAL2K是美国TMDL主要推荐的模型之一。大量的TMDL计 划都采用QUAL2K模型评估其环境效益。美国EPA还在不断的改进 模型之中。
QUAL2K模型的应用: 我国
QUAL2K模型目前在我国已展开初步应用，积累了一些应用 案例，多选用BOD、氨氮和总磷等常规指标。
3、点面源概化
上游边界
1 点源排放 点源取水 2 3 点源排放 4 5 6 非点源 排放 7 8
1.非点源 非点源概化成为河道沿程 的线源，按距离平均分配至 各单元。
点源取水
非点源 取水
2.点源 将相邻的若干个点源简化 成为一个集中的点源。
L
点源排放 下游边界
Q C L
i 1 n i i
n
i
QUAL2K
US EPA, 2008,Ver sion 2.11
QUAL2K模型的优点
根据国内外应用经验来看，Q2K模型具有以下优点：
1）功能全面，通用性强，适用于中小尺度流域的水质模拟:CBOD、 营养盐，藻类、溶解氧、病原体、沉积物和自定义污染物浓度变 化动态过程； 2）对数据、资料的需求量较少，所需花费的人力、时间和经费也较 少：一维河道，稳态非均匀流,梯形截面，不考虑潮汐作用； 3）模型是由一些简单模型组合而成，该模型中大量的动力学参数可 以参照相关研究成果； 4）图形用户界面采用Excel实现，界面规范，可视化程度高，同时 操作方便、容易掌握； 5）模型核心数学计算模块采用Fortran开发和优化，计算效率高， 内存需求小且运行速度快。其他模块采用VBA编写，简单易学，易 于与其它兼容性软件搭配使用； 7）可从美国环保局的网站获得源代码； 8）在国内外的都得到了较为广泛的应用，模型认可度很高。
水力参数 河段流量关系曲线 曼宁糙率系数 河段自然特征参数 河段断面特征 复氧系数 河底藻类盖度 河底沉积物覆盖特征 水质参数 污染物综合降解系数
3、模型输入
QUAL2K是以excel工作表为界面，采用VBA语言编程。 用户界面中采用不同颜色区分用户输入数据和程序输出结果。 浅蓝色：用户需要输入的指定变量和参数的值。 浅黄色：用户需要输入的指定数据，模型可以将这些数据自 动生成图表曲线。 浅绿色：模型输出的结果值。 纯暗色：用来制表的数据，并且不能改动。
3.1 基本信息
QUAL2K 工作表 主要用以输入模型工程应用相关的一般性信 息。
3.2 边界条件
源头水（HeadWater）工作表 主要输入河段入流边界的流 量及浓度数据。
下游边界（Downstream）工作表 主要输入河网系统下游 边界的出流水质信息（一般不需要）。
3.3 河段数据
美国： Texas，Oyster Creek
模型校准
美国： California ，New River
模型的应用：武烈河流域
流域
污染负荷贡献率
减排方案优化
模型的应用：松花江流域
减排和未减排情景水质对比
三、模型基本原理
1、基本模型假设
QUAL2K模型主要基于以下假设： 1. 河流河段可分成一系列连续的的一维计算单元水体，且各 个单元水体内污染物混合均匀； 2.单元水体内污染物沿水流方向平流迁移，紊流和扩散等作用 均发生在主流方向，与浓度梯度一致；单元内流量和旁侧入流不 随时间变化； 3.相同的单元水体内具有相同的水力特性（坡度、过流面积和 糙率）与生化反应速率、沉降速率等； 4.单元水体内生物转化反应和沉降过程符合一级反应动力学方 程。
水气界面 -
2. 沉积物-水的热传递方程
四、模型的数据和参数
1、模型数据
QUAL2K模型运用于水质模拟时需要的数据包括： 1. 2. 3. 4. 5. 流域空间信息数据 污染源排放情况数据 边界条件和初始条件数据 对模型参数进行率定和验证过程所需要的水文、 水质监测数据 流域气象数据
2、模型参数
单元划分详细说明
河流
1
山区河 段
县界 2
平原河 段
子河段（Reach）：具 有恒定水力特征的一段 河流。
大坝
概化
3
城市河 段
3
细分
水质断面
段（Segment），一系列子河段（R each）组成的一条水系分支，即主 干河流或任一条支流 单元（Element）：模型的 基本计算单元，是对河段的 进一步划分，同一河段的每 个单元必须是等长的。
B1 1 H ss1 B0
S0 1 Q, U
ss2
5、水动力子模型
2、水力模拟 I. 流量关系曲线法
U aQ b
II. 曼宁方程
H Q 1/ 2Fra bibliotekS0 Ac5 / 3 Q n P2/3
III. 坝、溢流堰
Hi
Hd Hi+1 elev1i+1
elev2i
6、水质子模型
QUAL2K模型尤其适用于树枝状河流系统的水质模拟，允 许沿河多个点源废水排放、面源入汇、取水、支流流入和沿程 流量变化，模拟污染物质、量和具体排放位置对受纳水体水质 的影响。 模型可按用户希望的任意组合方式模拟21种水质组分，包 括：水温、电导率、无机颗粒物物、DO、快反应CBOD、慢 反应CBOD、有机氮、氨氮、硝酸盐氮、有机磷、溶解态磷、 浮游植物、植物内部磷、植物内部氮、底栖藻类、腐质、病原 体、pH、碱度和自定义的3种污染物质等。
1 2 3 4 5 16 17 18 19 Tri H W #4 22 b3 20 23 24 21 25 26 27 28 29 Main stem
控制单元 干流 控制单元
节点
H W #3
20
(a) Ariver w ithtributaries
(b) Q 2Kreachrepresentation
QUAL2K模型采用隐式向后差分法进行求解。
7、光照-热量子模型
1. 表面热通量方程
J h I (0) J an J br J c J e
I(0)为水面净太阳短波辐射 Jan为净大气长波辐射 Jbr为来自水面的长波逆辐射 Jc为热传导 Je为水面蒸发
净吸收辐射 水体依赖项 太阳短波 辐射 大气长波 辐射 水面长波 辐射 热传导 与热对流 蒸发 与冷凝 辐射项 非辐射项
2、河网单元划分
将流域干支流河网划分模拟河道划分为一系列恒定的非均匀流河 段，再将每个河段划分为若干等长的计算单元，采用Shreve-Smar t分级法定义河网的拓扑关系，实现整个流域的同步水质求解。
节点
H W #1
节点 控制单元