一维水量水质模型
一维水质模型对河流污染物扩散的简单模拟

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。
三、结束语
成本控制工作不仅要从技术下功夫,更要建立以项目经理为主的统一领导的机 制。作为项目经理,首先要全面了解、掌握各专业的工序、设计的要求。由专人 统一指挥,解决各施工班组的协调工作,这样才有可能保证施工的每一个环节实 施成本最低化且有序到位,达到可能实现最低目标成本的要求。
收稿日期:2009-07-14
(五)质量管理
项目成本与其产品的质量水平存在着密切的相互依存关系。在施工过程中努力寻 找各种降低成本、提高工效的新工艺、新技术、新材料。严把质量关,减少返工 浪费。在施工中严格做到:按图施工,按合同施工,按规范施工,严把质量关, 减少返工造成人工和材料的浪费;控制间接费及其它直接费;精简管理机构,减 少管理层次,节约施工管理费。
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。
常用水质模型

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。
一维水量水质模型

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:∂∂∂∂Q x B Ztq W += (1) 023/422=+-++RQ u n g x Au 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。
2 一维水质模型的建立及求解

A x e
一 u a t ) 十七几 。 炙 , 一 , 尸 + K , a t )
, ., 五 a t
Ax ' 2 A x ' ( 5 - 1 0 b )
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式中
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稳定性条件:
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一, & , A t )
u A t E A t ,
然河流,常采用下列方程:
丝= K , ( O } - O ) 一 K , D d t
水中溶解氧的饱和浓度与水温有关,可用下列经验公式计算, s O
4 6 8
( 5 -7 )
式中, 0为水中溶解氧 ( D O ) 浓度; O : 为水中溶解氧的饱和浓度; D = O , - O 为溶解氧饱和差,即氧亏;K 2 为复 氧系数。
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一维水量水质模型

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)023/422=+-++RQ u n g x Au 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 AKAC 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。
常用水质模型

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。
Chapter.04.3.水质模型

L=
(0.4 50 0.6 0) 50 0.1
2463(米)
(0.058 1.2 0.0065 50) 9.81.2 0.0009
2019/6/18
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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。
2019/6/18
20
河流的一维模型 [考虑弥散的一维稳态模型]
2019/6/18
15
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
E
CPQP QP
背景段
均匀混合段
2019/6/18
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
16
点源一维模型的应用条件
2019/6/18
8
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
2019/6/18
9
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。
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。
2019/6/18
第三章 第四节_水质模型

V- 湖泊容积 m3
λP —磷的沉降速率常数 d-1
t —河水入湖时间 d于一种有机物,仅仅看它的毒性是不够的,还必须考察它进入环境分解为无害 物的速度快慢如何。因此研究水环境中各种有机毒物的预测模型十分重要。
这种模型主要研究化合物的各种迁移转化过程的机理,并且特别着重动力学的研 究。如图所示,可以把图中这些迁移转化过程归纳为如下几个过程:
描述环境污染物在水中的运动和迁移转化规律,为水 资源保护服务。它可用于实现水质模拟和评价,进行水质 预报和预测,制订污染物排放标准和水质规划以及进行水 域的水质管理等,是实现水污染控制的有力工具。
2
水质模型的类型
1、从空间维数上分 零维、一维、二维和三维模型
2、是否含有时间变量(上游来水和排污随时间的变化情况) 可分为动态和稳态模型
水质模型的应用:
过程模拟、水环境质量评价、环境行为预测、水生 生物污染分析、水资源科学管理规划、水环境保护
4
水质模型的发展阶段
1925-1960,S—P模型,BOD—DO耦合模型
(简单的氧平衡模型阶段)
1960—1965,新发展,引进空间变量,动力学系数、
温度
(形态模型阶段)
1965—1970,光合作用、藻类的呼吸作用,沉降,悬 浮,计算机的应用
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;
⑤连续稳定排放。
6
(1)零维水质模型(完全混合模型)
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,立即完全均匀地分散到这个体系中,污染物的浓 度不会随时间的变化而变化。
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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)023/422=+-++RQ 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 hAKAC 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7.2.1 单一河道一维水量模型 (1)控制方程的离散采用四点隐式差分格式离散方程组。
如图1所示,河道被(n+1)个断面分为n 个子河段,在第i 个子河段M (i,i+1)上,对任一变量取:性化:5.01113/4213/423/42⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=++++j i j i j i j iQ R u n Q R u n g R u Q n g (7) 将式(4)-(6)代入连续方程得第i 个子河段的差分方程:i i i i i i i D Q Q Z C Z C =+-+++11 (8)式中,t x Bw C i i i ∆∆=+θ22/1,θθθi iji j i i j i j i i x q Z Z C Q Q D ∆+++--=++)()()1(11下角标i +1/2表示断面i 与断面i +1河段的均值。
按照同样的方法,可得动量方程的差分方程:i i i i i i i i i H Z F Z F Q G Q E =+-+++11 (9)式中,jii j i ii R u n x g u tx E ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+-∆∆=+3/422/1222θθ ()ji i Bu gA F 2/12+-=ji ij i i i R u n x g u t x G 13/422/1222++⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆++∆∆=θθ())(1)(12112/1212/12/1jj i ji ji j i j i j i i i Z Z Bu gA Q Q u Q t x H ------+∆∆=+++++θθθθθ对任一河段),2,1(n i i =,可得到方程组:⎩⎨⎧=+-+=+-+++++i i i i i i i ii ii i i i i i H Z F Z F Q G Q E D Q Q Z C Z C 1111 (10) 对每一河段可列出两个线性代数方程,再加上上下游边界条件,构成完备的封闭方程组,采用追赶法可求得各个断面的水位流量。
(2)边界条件根据上有下游边界条件类型的不同可以写成如下两种追赶形式:·上游水位边界条件)(*11t Z Z=;下游水位(或流量)边界条件)(*11t Z Z n n ++=(或)(*11t Q Q n n ++=),追赶形式为:⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧==+=+=+=+=+=+=+=++++++++++++++++++))(,()(*11*1111111111111111222222211111t Q Q or t Z Z QR P Z Q M L Q Q R P Z Q M L Q Q R P Z QM L Q Q R P Z n n n n n n n n i n n n i i i i i i i i (11) 式中,M L R P ,,,为已知系数,依据上述方程组,可逐步由下边界水位或者流量,推算得到上游各个断面水位流量值。
·上游流量边界条件*11()Q Q t =;下游水位边界条件)(*11t Z Zn n ++=,追赶形式为:⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧=+=+=+=+=+=+=+=++++++++++++++++)(*1111111111111111222222211111t Z Z ZR P Q Z M L Z Z R P Q Z M L Z Z R P Q ZM L Z Z R P Q n n n n n n i n n n i i i i i i i i (12) 式中,M L R P ,,,为已知系数,依据上述方程组,可逐步由下边界水位,推算得到上游各个断面水位流量值。
7.2.2 单一河道一维水质模型 (1)控制方程的离散与求解对方程(3)进行离散,空间差分采用隐式迎风差分格式。
顺流时(从断面i 流向i+1) 有:得到统一形式的差分方程:i i i i i i i d C c C b C a ++=+-11 (13)式中,i i i i d c b a ,,,为系数,分别表示为:t x AEx Q b i i i i ∆⋅∆+=---})(]0,{[12/12/1t V K t x AEx t x AEx t Q t Q V a i i i i i i i i i i ∆+∆⋅∆+∆⋅∆+∆-+∆+=--+-+12/12/12/12/1)()(]0,[]0,[ t x AEx Q c ii i i ∆⋅∆+-=++})(]0,[{2/12/1 t x S Q t x S Q C V d i i i i i i n i ni i ∆∆⋅-+∆∆⋅⋅+⋅=--11]0,[]0,[ 方程(13)两边同时除以i a 得到:i i i i i i G C F C E C ++=+-11 (14)在顺流情况下,各河段差分方程可写成:⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧++=++=++=++=++=+------+-nn n n n n n n n n n n ii i i i i G C F C E C G C F C E C G C F C E C GC F C E C G C F C E C 111121111343233232122 (15)对首断面给定第一类边界条件,对末断面给定第二类边界条件,可得到如下封闭的方程组:⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧+=++=++=++=++=++==++++------+-111111121111343233232122*11)(n n n n n n n n n n n n n n n n ii i i i i G C E C G C F C E C G C F C E C G C F C E C G C F C E C G C F C E C t C C (16)对方程组(16)采用追赶法可容易求得2,3,,2,1, --n n n 等断面的扩散质的浓度。
(2)参数确定·纵向分散系数EX 的确定E X 与水流流速、水面宽度成正比,与水深成反比,常采用下面的经验公式:式中,是无尺度谢才系数,c 为谢才系数,θ =B /h 为宽深比,q 为单宽流量,α =0.011为经验常数。
·降解系数K 的确定可采用监测资料对降解系数进行率定,或根据经验得到。
7.2.2 应用实例[]三峡大坝位于宜昌县三斗坪中堡岛,葛洲坝位于南津关下游的宜昌市境内.两坝间水域处于鄂西山区向平原的过渡地带,周围地形地貌呈西北高东南低之势.三峡大坝至葛洲坝河段长38Km,两坝间江面宽210m 至1500m,大部分处于西陵峡谷中。
该实例建立了两坝间水量水质模型,分别运用大坝一期围堰及二期围堰施工期间的同步水文水质实测资料对模型进行了率定和验证,取得了较好效果.此模型可用以预测大坝施工期间及投入运行后两坝间水流及水质特性的变化. (1)水量模型率定利用1996年三斗坪、白庙子及黄陵庙等断面水文观测资料率定糙率,得到各子河段的糙率,率定结果显示糙率分布取值范围为0.036至0.050。
1996年白庙子及黄陵庙等断面实测水位过程线及计算水位过程线图略。
(2)水量模型验证采用太平溪断面1998年实测流量作模型验证的上边界条件,采用葛洲坝坝前断面1998年实测水位作模型验证的下边界条件,对1998年两坝间水流进行模拟,通过对各水文观测断面的水文要素的观测值及计算值进行比较可见,吻合程度较好,因此此水量模型可用来模拟两坝间的一维水流情况,1998年白庙子及黄陵庙等断面实测水位过程线及计算水位过程线见图2。
60120180240300360T(daY)64.0066.0068.0070.0072.0074.00H(m)三斗坪断面60120180240300360T(daY)64.0066.0068.0070.0072.00H(m)黄陵庙断面图2模型验证各断面实测及计算水位过程线(3) COD Mn 模型验证高锰酸盐指数的降解系数由实测资料,取经验值,不采用模型率定。