流域水质模型和模拟课件-第七章
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课件-(7水环境数学模型及预测)解析
O0 L0
1
f
1
Dc
L0 f
f
1
f
1
Os
O0 L0
1
f
18
5.2.1 河流一维BOD-DO模型
▪ 托马斯BOD-DO模型
在S-P模型的基础上考虑了一项因悬浮物沉淀与上浮对 BOD速率变化的影响，增加了一个沉浮系数K3.
▪ 已知河段长xn，分为n个均匀河段，流量为Q，流速为u， 水深为H，x=0处干流入流量QI的水温为TI，右岸有一支流 入汇，流量q，水温为Tx，还有一热污染源，排热强度为 W，此外还有气象资料，如气温、太阳辐射、风速、湿度、 气压、云度等。
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
u
dO dx
E
d 2O dx2
K1L
K2 Os
O
17
5.2.1 河流一维BOD-DO模型
▪ 斯特里特-菲尔普斯模型（S-P模型）
1.临界距离xc
xc
K2
u
K1
ln
f
1
f
1 Os O0
L0
2.临界溶解氧Oc，临界氧亏Dc
1
Oc
自净系数，K2/K1
Os
L0 f
f
1
f
1
Os
15
5.2 河流水环境数学模型
▪ 水环境数学模型是在水质迁移转化基本方 程基础上，针对模拟预测的水环境要素的 变化规律建立的一整套数学计算程序和方 法。企图像物理模型那样，模拟和预测河 流的水质变化过程，从而为水环境质量评 价、水环境的规划与管理和水污染控制工 程建设提供科学依据
七章水污染控制系统规划ppt课件
i1 j1 k 1
(7 27)
0,
ik 1,
若Qik 0 若Qik 0
ijk
0, 1,
若Qijk 0 若Qijk 0
Min
n3
Z
(aik Qik ai0k ik )
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nn3
(bijk Qijk
b0 ijk
ijk
)
i1 j1 k 1
约束条件：
（1）节点流量平衡
由于污水处理效率的经济效应存在，在规划水污染 控制系统时，应首先致力于解决那些尚未处理的污 水的治理，或者首先提高那些低水平处理的污水处 理程度，然后再进行污水的高级处理。
水体自净能力，污水处理规模的经济效应和污水处 理效率的经济效应这三个方面，在水污染控制系统 中相互影响、相互制约。
7.3 排放口处理最优规划
污水处理规模经济效应的存在，确立了大型污水处 理厂在经济上的优势地位，是建设集中的区域污水 处理厂的经济依据。
四、污水处理效率的经济效应
如果污水处理的规模不变，即Q为常数，则有：
C a b K4
a K1QK2 , b K3QK4
大量研究成果表明K4>1,因此处理单位污染物所需 的费用将随着污水处理效率的增加而增加。这种关 系，称为污水处理效率的经济效应。K4为污水处理 效率的经济效应指数。
n
min Z Ci (i ) crabr
s.t
i1
U
'
L
V' L
nm' ' OL2002
L 0
i1 i i2
低流放大倍数
j1
si -i-1
-
a b K4
d
d i dZ
流域水质模型与模拟69页PPT
谢谢！
45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗伯斯 庇尔
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
流域水质模型与模拟
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，
新安江流域水文模型课件
地表径流
地下水
雨水或雪水在地表形成的流动，包括河流 流动和地下水流动。
地下水是存储在地下土壤空隙和岩石裂缝 中的水，它可以通过地下水位变化和泉水 等形式补给地表水。
能量平衡与水量平衡
能量平衡
地球上水的循环过程与能量平衡密切相关。太阳能是推动水 循环的主要能源，它加热地表和大气中的水，形成蒸发和降 水。
当前的研究重点主要是建立能够准确模拟新安江流域水文循环过程的数学模型 ，提高模型的可靠性和精度，同时加强模型参数的率定和验证，提高模型的适 用性和泛化能力。
模型的构建方法
数据采集
通过实地调查和遥感等技术手段，获取新安江流域的水文 、气象、地形、土壤、植被等数据信息。
模型参数率定
通过实测数据对模型参数进行率定，确保模型的准确性和 泛化能力。
模型的参数优化
基于观测数据的参数优化
新安江流域水文模型可以通过比较观测数据和模拟数据进行参数优化。例如，通 过调整蒸发、降雨等参数，使模拟的降雨径流过程更接近实际观测数据。
基于灵敏度分析的参数优化
新安江流域水文模型可以通过灵敏度分析来确定哪些参数对模型结果影响较大， 然后对这些参数进行优化。例如，通过改变土壤湿度、植被覆盖度等参数，观察 模型结果的变化，以确定这些参数对模型结果的影响。
气水文学。
水资源的概念
水资源是指地球上可供人类利用的 水，包括地表水、地下水、土壤水 和大气水。
水循环的意义
水循环是地球上水从海洋到陆地再 回到海洋的循环过程，它对地球气 候、生态系统和人类生活都有重要 影响。
水循环过程
蒸发
降水
海洋和陆地上的水通过太阳辐射能加热后 蒸发到大气中，形成云和降水。
当水蒸气在大气中冷凝后形成云，云中的 水分子聚集在一起形成水滴或冰晶，最终 以雨、雪、雾或冰雹等形式降落到地表。
流域水质模型与模拟课件-第六章
非点源对水环境造成的污染主要有两个方面，一 为营养型污染物污染，二为毒害型污染物污染。
产生过程
非点源污染的发生和 程度与水文过程密切 相关 非点源污染与土壤侵 蚀是一对密不可分的 共生现象 受土地利用方式、人 类活动强度等影响 非点源污染负荷产生过程
非点源污染主要类型
美国环保局（USEPA） : 城市、农业、林业、水文特 性改变、航运、公路及湿地-缓冲带，其中，城市非点源 污染分为住宅及商业区、交通、休闲娱乐以及建筑工地 产生的污染，农业非点源污染包括农业生产和牲畜饲养
根据源强: 农田污染、畜禽养殖污染、城市径流、矿山 径流和农村生活污水
根据非点源污染负荷产生和运移过程：溶解态污染物 和吸附态污染物
根据非点源污染特征: 农业生产、农村居民点、城市径 流和畜禽养殖
主要非点源污染物及其标准
非点源污染物主要有泥沙、营养物（氮、磷等）、有 毒物质（农药、重金属和有机物）、病原微生物等
Q p C IA
Vp Eq Vg Vq S
E q k Ts D v
2M a W V g 0 .1 2 5 W W
2
Vq
(V p S )
2
(V p S ) ( c k S )
SCS 模型
Q F P Ia S I a S a
概况
– –
基于方格框架组成的流域分布式事件模型 由水文、侵蚀、沉积和化学传输四大模块组成
原理
–
包括水文、侵蚀和化学物质迁移三个部分，其中营 养物质考虑引起水体污染的主要因子氮和磷
–
流域水文模型PPT课件
把水文事件当成与 时间无关的随机变量 ，常见的概率模型有 对数正态模型等。
7
数学模型的分类：
（1）随机性模型（非确 定性模型）
• A、概率模型 • B、随机模型
（2）确定性模型
• “黑箱”模型 • 概念性模型 • 整体模型 • 过程模拟模型 • 集中模型 • 分散（块）模型
把水文事件当成 与时间有关的随机过 程。
• A、概率模型 • B、随机模型
（2）确定性模型
• “黑箱”模型 • 概念性模型 • 整体模型 • 过程模拟模型 • 集中模型 • 分散（块）模型
先对径流形成过 程中每个子过程进行 数学模拟，然后按照 各子过程在径流形成 过程中内在的联系组 合成一个数学模型。
13
数学模型的分类：
（1）随机性模型（非确 定性模型）
（1）以框图或流程图形式，表达从降雨到流域 出口断面发生径流过程各个环节之间的相互关 系。
（2）建立模型各个部件的数学表达式或逻辑计 算系统。
（3）根据实测降雨、径流观测资料，初步确定 模型中所包含的待定参数。
（出客观的 估计和评价，而且要尽可能地对模型结构加以 合理性检查和论证，经过适当调整后付诸应用。
40
单位线
41
马司京根法连续演算框图
单元河段数N 时 段 数 M
42
河糟汇流计算
采用马斯京根连续演算法。计算参 数有演算段数(单元河段数)n，每个 单元河段的马斯京根法系数XE与KE。
43
参数确定
n是单元面积出口至流域出口的河槽汇流段数。 首先确定计算时段t及汇流速度C，得t行距L ＝tC，即单元河段长度。据L，由河口向上沿 河网划分单元河段。各单元面积的n即该面积出 口离流域出口的单元河段数。
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
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。
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基本原理
季节水运动模型从三维Navier - Stokes方程出发，由 描述三维湍流瞬时量变化规律的微分方程，通过雷诺 分解和平均，对关联项引入梯度模型进行封闭处理。 在动量方程中引入表面，风应力、底部切应力以及柯 氏力作用；假定垂向加速度远小于重力，因而动量方 程组的垂直分量可用静压方程代替；在输运方程中引 入反映物理、化学、生物等作用的源、汇项，构成系 统的三维控制微分方程组，进而求解。
去硝化作用
光合作用
光
复氧 海湾流
溶解氧
底层需氧量
藻类碳 死亡率 碎硝碳
模型中水质、各种作用以及生态系统间的相互关系
全场模型
全场模型由流场中各点不均匀的当地湍流输运系数 出发，利用近代湍流模型来封闭并求解雷诺时均方 程组，因而不受积分及扩散模型的限制，摒弃了近 远区人为的划分，避免了区域衔接的困难，预报的 结果更为合理。
模拟过程
（1）计算单元的划分
（2）水质参数选择
（3）数学方程
—输送方程
C (uc) (vc) (wc)
t x
y
z
Kx
2xC2 Ky
2yC2 Kx
2Cc
z2
S
—水质
—生态系统——包含了7种物质的影响 （4）求解程序
生化需氧量
有机氮
污水负荷
水解作用
氨氮
硝化作用 若 DO＞5%
氧化氮
硝酸盐
氧化
y
O
x
连续点源形成的污染羽流和假想的云斑
模型
M (t0)Q 0(t0)C 0(t0) t
C (x ,y ,t,t0 ) 2 π dx ( t M ,t0 ( ) t0 ) y ( t,t0 )e x p x 2 x x 2 c ( ( t t,,t t0 0 ) ) 2 y 2 y y 2 c ( ( tt,,tt 0 0 ) ) 2
第六章 污水排海水质模型
案例分析
大连湾排海污染物迁移转化模拟 ——WAHMO模型的 应用
深圳市政污水排海工程对海域水质影响模拟 ——全场 模型的应用
x Cz2hz
1
vtu v xv y vfvg x zgvCu z22 h v2z20
潮流混合模型
常用的二维平流—扩散物质输运模型
hzChzuChzuC
t
x
y
xhzMx CxyhzMy CySp
运动方程的解法
有限差分方法 ——ADI法 ，其特点是：稳定性较好，积 累误差小，建立模型也只需要水深资料和湾口潮位资料， 外业工作量小
第六章 污水排海水质模型
污水排海水质模型
初始稀释模型
单股浮射流——静水、密度均匀情况下的数学模型
密度
hs
海水 密度 浮射流 密度
z
静水、密度均匀情况圆形浮射流示意图
H
水深
z
s
uc 断面流速分布
b
r
D
θ
θ0
x
静水、密度均匀情况圆形浮射流计算简图
模型由七个方程组成：
d ds
(ucb2)
2ucb
基本结构
1992年的WAHMO模型由两个相互独立又彼此联系 的子模型TIDEMEAN-3DSL（季节性水运动模型） 和FOLL-FLOW-3DSL（季节性水质模型）构成。水 运动模型的输入文件包括控制数据、地理数据、初 始条件、淡水流入（源与汇）、降水、云遮、气温、 风数据、相对湿度、海水温度、蒸发数据共计12个 文件，充分考虑了各种影响 。
第六章 污水排海水质模型
排海污染物混合稀释过程
对于一个典型的通过扩散管排放污水的排海工程，污水 在海洋（或河口）中的物理过程可分为三个基本阶段： 初始稀释阶段
再稀释和迁移阶段
长期扩散和运移阶段
初始稀释
初始稀释度 初始稀释度的确定
（1）垂直排入均匀且静止的水体时 （2）水平排入均匀的静止水体时 （3）垂直排入线性分层的静止水体时 （4）水平排入线性分层的静止水体时 （5）垂直排入非线性分层的水体时 （6）水平排入非线性分层的水体时
有机物
重金属
混合和运输 扩散器 扩散器颗粒 Nhomakorabea 沉降和沉积
再悬浮 扩散器
污水在海洋中经历的净化 过程示意图
第六章 污水排海水质模型
污水排海工程影响因素
气象要素
海洋环境中的主要影响因素是风。风的影响 包括环境和工程两个方面。
风速 风向 风频
气象要素 海面热平衡 水温场、盐度场与密度场 潮流 风生流
C(x',
y)CI 2
erf
L22yerf
L22y
云斑模型 原理：将污染物的连续排放近似为按照一定时间间隔间歇性瞬时排放。 每一瞬时排放的污染物形成所谓污染云斑，该云斑一方面随流迁移， 一方面由于扩散而迁移。在任一时刻 t ，可以得到在 0 ~ t 时段内排放 的一系列云斑，将所有云斑中污染物的浓度分布线性叠加，即得到 t 时刻污染羽流中污染物的浓度分布。
扩散稀释系数 水平扩散系数
垂向扩散系数
4
ky l3
kz
Rf N2
du dz
稀释度
S C0 Ca C Ca
大肠杆菌衰减率
模型
t
N N010 T90
当 T90 → ∞ 时，大肠杆菌无衰减，相当于保守性物质； 当 T90 → ０时 ，相当于灭菌。对于给定的 T90 值， 当 t 增大时，大肠杆菌浓度按指数衰减。
羽流分片模型
羽流分片模型是一种拉格朗日迁移—横向一维扩散模型。其基 本原理是将污染羽流近似为由一系列分片组成，假定在每一分
片上，污染物的浓度沿垂向分布均匀沿纵向分布相似，忽略垂
向和纵向扩散，则每一分片上只是由于横向扩散而扩散。将所
有分片一次连接即得到整个羽流，进而可以得到羽流中污染物
的浓度分布，而任意时刻各分片的位置可以借助连续释放质点
单股浮射流——动水、密度均匀情况下的数学模型
ua z
密度
浮射流 密度
海水 密度
H
水深
动水、密度均匀情况圆形浮射流示意图
h3
H
多股浮射流模型
S
静水、密度均匀情况多股浮射流示意图
再稀释数学模型
Brooks模型
ua
y
CI
C
W
ua
H
x
污染羽流
C
2C
ua x Ey(x) y2
污染羽流迁移和扩散示意图
d (uc2b2 cos) 0
ds 2
d(uc2b2sin)gc 2b2
ds 2
a
d ds
(cucb2)
0
d ds
(Ccucb2
)
0
dx cos
ds
dz sin ds
H z ze zm
水深
单股浮射流——静水、密度分层情况下的数学模型
密度 海水 密度
hs
浮射流 密度
静水、密度分层情况圆形浮射流示意图
二维流体动力学模型
该模型对于沿岸海域和海湾适用
原理
选用一个固着于“f—平面”上的直角坐标系（xOy—平面）
和静止海面重合，组成右手坐标系，z 轴向上为正，于是
描述垂向充分混合海域的平均运动可用以下公式表示：
z t x hzu y hzv 0
1
uuuuufvgzguu2v2
2
0
t x y
WAHMO模型
概述 AHMO是水质及水力模型（Water Quality and Hydraulic Model）的简称， 是1992 年6月由英国Hydraulics Research Wallingford和香港Water Research Center为香港“战略污水 处理计划”共同研究开发的，用于考察沿岸工厂排污对维 多利亚港水流运动和水质的影响。它能够模拟近海水域三 维水动力学和水质的详细状况。
原理
利用海洋的自净能力。进 入海域的污染物质通常经 历三种净化过程，即物理 过程、化学过程和生物过 程。在这三种过程中，物 理过程是最基本也是最重 要的，它主要是指污染物 在海洋中的混合和输运过 程，包括颗粒物质的沉降、 沉积和再悬浮过程。
鱼类
浮游生物 鱼类和贝类
营养物
生物富集
微生物衰减
分解
病毒和细菌
深度平均湍动扩散量方程
t(H ) x i( H V i) x i H e D i j , x i k ( c 1 G k 0 c 2) G v
深度平均物质输移方程
t(H C ) x j( H V jC ) x i H C t D i j , T x C J S o S d S p
模型方程
连续方程
(H) (HVi)
t
xi
运动方程 湍动能方程
(HVi)(HViVj)
t
xi
gH xi iaibHfi
xj
H(i)V xij
V xji
t(H k ) x i( H V ik ) x i H k e D i j,k x k i G k 0 G k v
追踪法来确定。
ε
y
w(t0) O
O x
C(ε, t, t0 )
污染羽流分片模型示意图
模型
C(,t,t0)Q 2W (t,(tt0 0)) erf
w 2( 2t0)(t ,t0)erf
w 2( 2t0)(t ,t0)
r j( 0 ,t,t0 j) ij 0 1tt 0 0 jj i( it 1 ) tU e ( r ,t') d t' j 1 ,2 , ,n 1
近区稀释的其他模型
（1）MERGE 模型 （2）RSB 模型 （3）UM 模型 （4）JETLAG３模型
污染羽流再稀释预测阶段