河流泥沙与污染物相互作用数学模型
EFDC模型
杂项分析 校准曲线
3、组成部分
主控文件 efdc.inp
EFDC 组成
输入文件 ***.inp 输出文件 ***.out
3.1 主控文件 efdc.inp
01
02
03
04
为程序运行提 供控制开关， 控制某些功能 (如示踪剂、维 数)的激活与否
源数据的规 模，如入流负 荷节点数量、 气象站数量
输出的水 质项目和 步长
环境过程模拟
EFDC模型
汇报人：XXX
目录
1 2 3 4
模式简介
模拟界面
组成部分
软件操作及案例分析
1、EFDC模型简介 环境流体动力学模型
Environmental Fluid Dynamics Computer Code 最早是由美国弗吉尼亚州海洋研究所开发研制的综合模 型。EFDC模型适用范围广泛，可用于河流、湖库、近岸海域 、河口等地表水水域，涵盖一维到三维流场模拟、物质输运 (包括温度、盐度和泥沙的输运)、污染物迁移转化等过程的 模拟。
[1] 王征，郭秀锐，程水源，等. 三峡库区典型排污口河段污染物扩散降解特 性研究[J]. 安全与环境学报,2012，12(1) ：102-106
4.1 污染超标区面积计算
利用校准的EFDC模型对研究区域内长寿、涪陵 两区主要排污口污染物输移扩散进行模拟，以国家 地表水标准II类水水质标准为污染超标区面积边界， 对现有污染物排放负荷下两区主要排口附近污染超 标区面积进行计算，得到研究区域不同排污口年污 染超标区面积。
4.2 结果分析
4.3 两区排污口所在位置 长寿区：
涪陵区
感谢您的关注！
EFDC(Environmental Fluid Dynamic Code)是Hamrick等 根据多个数学模型集成开发的综合模型，主体模块为水动 力模拟模块和水质模拟模块，此外还包括污染物迁移和 泥沙输移等附属模块。 为更好的拟合研究区地形条件，模型在水平方向除可采用 传统的直角坐标外还可在水平方向使用正交曲线坐标，垂 直方向采用σ坐标。 EFDC模拟计算过程中首先完成流场计算，获得三维流速场 的时空分布特征，在此基础上模拟泥沙输移、污染物迁 移，以及各水质变量动态变化过程。
河口海岸泥沙数学模型研究
河口海岸泥沙数学模型研究河口海岸是地球上一种独特而重要的地理环境，具有复杂的动力和物质输运过程。
其中，泥沙输运是河口海岸过程的重要部分，它影响着河口海岸的形态、地貌和生态系统的功能。
为了更好地理解和预测河口海岸的行为，我们构建并研究了一个新型的泥沙数学模型。
我们的模型基于以下假设：河口海岸的泥沙输运主要受到水文条件、地形和海洋环境的影响。
我们用一系列偏微分方程来表达这个系统，包括水流速度、泥沙浓度、地形变化等。
我们还考虑了泥沙的沉积和侵蚀，以及与周围环境的相互作用。
我们选取了一个具体的河口海岸作为案例，将我们的模型应用于此，以检验其有效性和准确性。
通过与实地观测数据进行比较，我们的模型在预测泥沙输运、沉积和侵蚀方面表现出良好的性能。
这表明我们的模型可以有效地应用于实际问题的解决。
我们的模型具有几个主要的优点。
它考虑了多种影响因素，如水流、泥沙浓度、地形等。
我们的模型具有良好的灵活性，可以适用于不同的河口海岸环境。
然而，我们的模型还有一些局限性，例如在处理一些极端环境条件时，可能需要更复杂的物理机制和更精确的参数设定。
我们的河口海岸泥沙数学模型提供了一种有效的工具，可以帮助我们理解和预测河口海岸的行为。
尽管还有改进的空间，但这个模型已经展示出其在研究和应用中的重要价值。
希望我们的工作能为未来河口海岸研究提供有价值的参考和启示。
我们将继续研究和改进我们的数学模型，以更好地理解和预测河口海岸的行为。
我们将以下几个方面：一是提高模型的精度和适应性，以应对更复杂的环境条件和需求；二是将模型与其他相关模型进行集成，形成更完整的河口海岸系统模型；三是加强模型的验证和测试，以确保其准确性和可靠性。
我们也将利用先进的计算技术和算法，提高模型的计算效率和性能。
这将使我们能够更有效地解决实际问题，并为河口海岸的研究和管理提供更强大的支持。
河口海岸泥沙数学模型研究是一项富有挑战性和实用性的工作。
通过建立和应用数学模型，我们可以更好地理解和预测河口海岸的行为，为相关研究和应用提供有力的支持。
12HSPF模型
第12章HSPF模型12.1 概述HSPF（Hydrological Simulation Program-Fortran）模型，是由美国环保署（EPA）开发的一个数学模型，用于较大流域范围内自然和人工条件下，水系中水文水质过程的连续模拟。
HSPF模型自研发以来，已被广泛应用于流域水文、水质模拟研究，包括气候及土地利用变化对流域产流的影响，流域点源或非点源污染负荷确定，泥沙、营养物质、杀虫剂传输模拟以及各种流域管理措施对河流水质的影响等方面的研究。
本章主要介绍HSPF模型的基本原理，模型的改进，模型在径流模拟中的应用，并选择了实例对模型进行了论证，最后对模型进行了总结和展望。
12.1.1 背景资料HSPF模型的前身是Stanford Watershed Model (SWM)模型，包括HSP(Hydrocomp Simulation Program)、ARM (Agricultural Runoff Management)、NPS (Nonpoint Source) 模块。
1980年HSPF(第五版)经美国环保署水质模拟中心第一次公开发布。
模型一经发布，即被认为有可能是领域内最有价值的流域水文水质模型。
HSPF是早期三种模型的扩展和提高，这三种模型分别是：1）美国环保署农业径流管理模型——ARM（Donigian和Davis 1978）；2）美国环保署非点源径流模型——NPS（Donigian和Crawford,1979）；3）水文模拟程序（HSP）（Hydrocomp，1977）。
在上世纪70年代末期，美国环保署意识到这些模型的连续模拟方法在解决许多复杂的水资源问题时有很重要的价值，因此，他们投入了大量资金来研发一个相当复杂的FORTRAN程序，它包含了以上三种模型的功能，并进行了许多扩展，即HSPF模型。
HSPF 将ARM和NPS模型综合到流域尺度框架内进行分析，选择了HSP中的基本的流域建模方法，将模型编码设计和结构进行发展，并且将所有的独立模型重新设计并在FORTRAN中进行记录，以便结果能够被更广泛的应用。
河流水体污染与泥沙环境效应研究进展
【水资源】河流水体污染与泥沙环境效应研究进展路瑞利1,李 彬2,高 柯1,孙 羽2(1.宁夏大学土木水利工程学院,宁夏银川750021;2.华北水利水电学院,河南郑州450011)摘 要:分析了河流水体污染的机理与污染物特性,针对多沙河流的泥沙污染物迁移转化现象,讨论了泥沙污染物的吸附与解吸效应。
同时给出了受泥沙影响的污染物迁移转化模式与模型,包括吸附态、溶解态污染物以及重金属污染物迁移转化模型。
探讨了近年在水体污染控制与治理研究方面的主要关键技术,提出了设置水资源保护区的必要性。
关 键 词:水体污染;泥沙吸附;解吸;迁移转化;生态流量中图分类号:T V145.1 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.100021379.2010.04.0341 水体污染特性1.1 水体污染机理所有天然水体都具有净化污染物的能力,按净化的机制,水体自净可分为物理净化、化学净化和生物净化。
水体自净能力是有一定限制的,它需要一定的时间与空间。
当“污染物”进入水体后,若其含量超过水体的自净能力,引起水质恶化,破坏水体原有用途时称为水体污染。
污染物在水体中受到两种机制的作用:水体污染引起水质恶化和水体自净形成对污染物的瓦解。
如何使后者主导、抑制前者,是研究水体污染机理、防治水体污染的主要工作。
1.2 水体污染物我国水体污染物中,量最大且分布广的是耗氧有机物,而危害最大的是重金属和难降解的有毒无机物[1]。
反映耗氧有机物污染的两种常用指标是化学需(耗)氧量(COD)和生化需(耗)氧量(BOD),它们分别表示利用化学氧化剂或微生物氧化水样中有机物所消耗的溶解氧量。
其指标越高水体污染越严重。
溶解氧(DO)浓度也是衡量水中有机物污染程度的重要指标,其浓度越低,有机物污染越严重。
水体中主要污染物按存在状态可分为悬浮物质、胶体物质和溶解物质3类。
悬浮物质主要是泥沙和黏土,大部分来源于土壤和坡面径流,少量来自洗涤废水。
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。
河流泥沙数学模型
河流泥沙数学模型Sedimentation Dept., IWHR 郭庆超中国水科院泥沙所2007年10月Sedimentation Dept., IWHR 内容1.简介2.控制方程3.模型建立与使用1. 简介随着计算机技术的高速发展和河流泥沙基本理论的进步，水沙数学模型得到了快速发展，被广泛地应用于水利工程、江河治理和河口海岸与泥沙运动有关的领域中，解决了很多生产难题，发挥了巨大效益。
1. 简介¾水沙数学模型：1D, 平面2D，立面2D，准3D，完全3D；¾能够严格总收物理原理；¾能够严格遵守边界和初始条件；¾节省时间、人力和成本；¾方案比选与优化解决实际问题：•河道演变•水库泥沙淤积•水利工程的下游冲刷•取水口稳定性•引航道及港池回淤•河口海岸工程泥沙问题模型的功能1.简介1.模型的功能1. 简介模型应满足以下基本要求：•满足物理的基本原理•被分析方法所检验：分析解(线性)/人工解(非线性)•被实验和实测资料所检验•可以预测主要的物理过程•数值解是稳定的•数值解是收敛的•数值结果是可接受的•数值结果符合实际情况被理论/分析解证实模拟结果与实测资料相符被原型实测资料证实被实验室数据证实好的数学模型应该满足模型使用者的经验对模型质量影响也很大1.2.2. 3D2.2.2. 1D3.数学模型建立流程3.数学模型运行流程3. 1D3.微分方程离散3.微分方程离散3.微分方程离散3.挟沙能力3.挟沙能力3.挟沙能力3.挟沙能力从高低含沙量统一公式可以看出：（1）含沙水流的挟沙能力不仅与水力因子（如U , h ）和泥沙因子（如ω0）有关，而且也受上游来流含沙量的影响；（2）对于低含沙水流（如S < 100kg/m 3），挟沙能力受上游含沙量影响甚微，然而，随着含沙量的进一步增加，挟沙能力受上游来流含沙量的影响渐趋明显，而且来流含沙量越高，水流挟沙能力越大，这正是高含沙水流多来多排的缘故。
悬沙冲淤问题的湍流两相模型
悬沙冲淤问题的湍流两相模型
悬沙冲淤问题的湍流两相模型是一种用来研究地表水中含有悬浮颗粒物的湍流问题的数学模型。
它是基于质量、动量和能量守恒方程，考虑了水和悬浮物之间的相互作用以及悬浮物之间的相互作用，从而实现对悬浮物在液体中运动的模拟。
悬沙冲淤问题的湍流两相模型包括三个部分：液体系统模型、悬浮物系统模型和湍流系统模型。
1、液体系统模型
液体系统模型是悬沙冲淤问题的湍流两相模型的基础，它根据质量守恒方程和动量守恒方程建立了水体的模型，其中考虑了地形、地表坡度、水体斜度以及水动力学和流体力学参数等。
2、悬浮物系统模型
悬浮物系统模型是悬沙冲淤问题的湍流两相模型的基础，它根据质量守恒方程和动量守恒方程建立了悬浮物的模型，其中考虑了悬浮物的物理性质、表面活性、气溶胶成分、粒径分布、浓度变化以及悬浮物与水之间的相互作用等。
3、湍流系统模型
湍流系统模型是悬沙冲淤问题的湍流两相模型的基础，它根据能量守恒方程建立了湍流系统模型，其中考虑
了湍流系统的流速分布、压力分布、温度分布、湍流能量以及湍流能量与悬浮物之间的相互作用等。
悬沙冲淤问题的湍流两相模型的研究已经取得了一定的进展，并且可以用于模拟悬浮物在液体中运行的状态。
然而，由于液体系统、悬浮物系统、湍流系统之间的复杂相互作用，使得湍流两相模型模拟的准确性和可靠性仍然存在很大的不确定性。
因此，进一步改进悬沙冲淤问题的湍流两相模型，以提高其准确性和可靠性，仍然是当前水文学研究的重要课题。
河流模拟课程设计—水库一维泥沙-淤积计算【范本模板】
水库一维泥沙淤积计算课程设计武汉大学水利水电学院2013-3-15目录一、目的与要求 (1)二、基本原理 (1)1、基本方程 (1)2、方程离散 (1)3、公式补充 (2)三、计算步骤 (3)四、计算框图 (4)五、计算结果 (5)1、历年输沙量特征值 (5)2、各年淤积总量 (5)3、各年水位库容关系 (6)4、水面线的变化 (7)5、深泓变化 (8)6、坝前断面变化 (9)六、结果分析 (12)1、剖面形态分析 (12)2、库容损失合理性分析 (12)七、计算程序 (13)一、 目的与要求通过课程设计,初步掌握一维数学模型建立数学模型的基本过程和计算方法，具备一定的解决实际问题的能力。
以水流、泥沙方程为基础,构建恒定流条件下的河道一维水沙数学模型，并编制出完整的计算程序，并以某个水库为实例，进行水库泥沙淤积计算。
水流条件:恒定非均匀流。
泥沙条件：包括悬移质，推移质的均匀沙模型，推移质计算模式为饱和输沙，悬移质计算模式为不饱和输沙，水流泥沙方程采用非耦合解。
二、 基本原理1、 基本方程水流连续方程：0=∂∂+∂∂xQt A ①水流运动方程()f i i gA x hgA AQ x t Q -=∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂02②或 034222=+∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂RA n Q g x z gA A Q x t Q ③泥沙连续方程()())(*S S QS xSA t --=∂∂+∂∂αω ④ 河床变形方程)(*00S S xG t y b--=∂∂+∂∂αωρ ⑤ 推移质平衡输沙方程G=G * ⑥水流挟沙力公式采用张瑞瑾公式,推移质输沙率公式采用Mayer —_Peter 公式，MAYER—PETER 公式中的能坡J 按均匀流曼宁公式近似计算（每个断面不同）。
2、 方程离散方程 ①在恒定流情况下有0=∂∂xQ，离散为：Q=const 方程 ③变形为034222=+∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂R A n Q x z A Qx gA Q 或 023422222=+∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂R A n Q x z gA Q x 上式离散为0)1((213434221212121222121=ψ-+ψ∆+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-++++++jj j j j j j j j j j j R A Q R A Q xn z z A Q A Q g 方程（4）去掉时间项得到)(*S S qx S --=∂∂αω 该方程的解析解为：()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆--∆-+⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆--+=+++q x x q q x S S S S S S j jjjj j αωαωαωexp 1exp 1***1*1 由方程(4—5）可得()()00'0=∂∂+∂∂+∂∂ty B x QS x BG b ρ 对2 号断面以下，上式可以离散为：()()()()0)1(1010'0=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆ψ+ψ-+∆-+∆-++ty B y B xQS QS xBG BG j j j j b b ρ对于进口断面，推移质不考虑，悬移质采用单点离散 方程（5）可离散为： '01*10)(ραωtS S y ∆-=∆3、 公式补充mgR u k S ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ω3*K 取 0。
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而且从物理意义上分析 由于
吸附态污染物的变化受到泥沙颗粒的物理特性及其对流体运动的响应特性所影响 其时空变化与水沙
运动过程紧密联系 因此有必要建立吸附态污染物基本方程 另一方面 采用表示吸附平衡状态污染物
分配关系的热力学方程作为整体方程的补充 对于基本处于平衡状态的水体是可行的 但不适用于吸附
解吸 过程明显的环境
泥沙研究
黄岁梁 万兆惠 等 冲积河流重金属污染物迁移转化数学模型研究 水利学报 周孝德 河流中重金属迁移转化数学模型 环境水力学进展 武汉 武汉水利电力大学出版社
图
过程有明显影响 因此 吸附动力学方程中的吸附解吸系
数需要以实验为基础 反映出其与泥沙浓度的关系
不同泥沙浓度条件下
吸附动力学过程
模型验证和讨论了同步水沙 水质监测 从清溪场开始每隔
布设一个监测断面 清溪场至忠县全长
布设 个断面 依次为清溪场 断面 断面 断
面 断面 采用船用声学多普勒海流剖面仪
式中 为床面附近水流挟沙力 将式 代入式 得到
根据泥沙冲淤过程中床沙与悬沙交换特性 河床发生冲刷时 交换泥沙来自河床 冲刷泥沙吸附量 与河床泥沙吸附量 相等 即
河床淤积时 交换泥沙来自水体 床面淤积物吸附量与水体中泥沙吸附量 相等 冲淤平衡时 悬 沙与床沙不断交换 此时床面泥沙吸附量等于悬沙吸附量 也就是
因此 本文以河流泥沙环境作用主要过程的分析为基础 分别建立了描述溶解态和吸附态污染物输
移转化的数学方程 并且以吸附 解吸 动力学方程作为确定方程系数的补充条件 以上两个方程与泥沙
动力学方程结合 构成描述泥沙环境作用数学模型的基本方程
数学模型的建立
泥沙污染物输移转化方程 吸附态污染物的影响过程包括随流输 移 床沙悬沙交换 吸附态与溶解态污染物交换三个部分 取两个距离 为无限小量 的过水断面之间的河段作为控制体 图 控制体的边 界面由上游过水断面 下游过水断面 河底面和水面构成 设河段 断面面积为 进口控制断面面积为 出口控制断面面积为
程 具体求解过程是首先由水沙运动方程得到水沙要素 代入污染物方程中进一步求解溶解态污染物
浓度和吸附态污染物量 水沙方程和污染物方程均采用
格式进行求
解
吸附解吸动力学方程 吸附 解吸 动力学方程描述了吸附 解吸 过程中污染物在水固两相间的
交换量 在基本方程中表示为系数 一般表达式为
式中 为吸附速率系数 为解吸速率系数 为饱和吸附量
附态 溶解态污染物迁移转化的基本方程 对于河床水体之间泥沙交换产生的环境变化 建立了泥沙冲淤对污染
物影响的表达式 对于吸附解吸作用则采用以实验为基础的泥沙吸附动力学模式 根据三峡地区实测水沙 水质
数据对模型进行了验证 研究结果表明 模型能够模拟泥沙冲淤过程中污染物的交换 并且可以反映泥沙吸附作用
对水环境的动态影响 可以应用于河流及水库泥沙污染物相互作用的模拟和分析
第三项表示吸附 解吸 作用引起的污染物在水沙两相间的交换量
表示泥沙吸附 反之表示解
吸
对于溶解态污染物 主要考虑溶质对流扩散 水固相污染物交换 水体与河床由于污染物浓度梯度
产生的交换 生化反应等过程 与吸附态污染物连续方程的推导过程类似 根据质量守恒定律可以得到
微分方程 经过时均化和积分后得到
式中 为断面平均流速 ?
为断面平均溶解态污染物浓度 ?
为污染物纵向离散系数
? 为断面面积
为河宽
为生化反应项 ?
为单位河长污染物的释放
速率
为排放源强 ?
以上建立了溶解态和吸附态污染物输移转化的基本方程 方程是对污染物的通用描述 对于具体污
染物可以根据其特性确定方程中的相关项和系数
式 式 与描述水沙运动的基本方程联立 就构成了一维泥沙污染物数学模型的基本方
图 泥沙吸附过程中污染物沿程变化
比较不同时刻吸附态污染物浓度的变化 可以看出随 着时间的延长 沿程吸附态浓度逐渐升高 并最终趋向于稳
定的状态 表明吸附过程在空间上经历了一个过程 而这个
过程是由于吸附达到平衡需要一定时间所引起的 图 为
距离入口
处吸附态 溶解态污染物浓度随时间的变
化 可以看出吸附态污染物过程滞后于溶解态浓度过程 由
解吸 作用产生的变化量 等于 时段内控制体中吸附态污染物质量的变化 即
式中 为单位质量悬移质泥沙吸附污染物的质量 为含沙量 为泥沙运动速度
将出口断面的通量积分由进口断面上的积分按照一阶
级数展开 代入式 得到
各项除以 和 当
时 得到积分形式的吸附态污染物连续方程
一般认为泥沙具有较好的随流特性 泥沙运动速度 是浑水流速与分子扩散速度之和 由于后
关键词 河流 泥沙 污染物 数学模型
中图分类号
文献标识码
河流水环境系统中 泥沙与水流共同成为污染物的主要载体 影响着污染物在水体中的迁移转化过 程 从而最终影响着水体的生态环境条件 其中 泥沙运动状态和吸持特征的变化是泥沙影响水质主要 的两个方面 这种作用可以称为河流泥沙的环境作用 一方面 泥沙颗粒可以吸附多种污染物 一定 动力条件下沉积于河床底部 在一定时间内减小了赋存于水体中的污染物量 另一方面 当化学 动力等 外部条件发生改变 吸附在泥沙颗粒上的污染物可能改变赋存状态 从吸附态 固相 转移到溶解态 水 相 或者沉积在底泥的污染物随着冲刷泥沙重新进入水体 从而显著改变着上覆水体的化学构成 甚至 造成水体的二次污染 通过数学模型的方法对以上过程进行描述 可以详细了解和分析河流泥沙物 理及化学过程对水体环境演化的影响 这方面已经进行的研究大体可以分为两类 一类是分别建立溶 解态 吸附态污染物的数学方程 在控制方程中一般采用综合项对泥沙沉降 悬浮进行描述 称为分 相模型 另一类则是建立水体中溶解态污染物输移转化的数学方程 泥沙冲淤 吸附和解吸作用在方程 中进行统一描述 称为整体模型 对于泥沙运动过程的影响 一些研究者采用概化的方法 在污染物输 移转化方程中以沉降系数的形式对泥沙运动的环境影响进行表达 一部分研究者则引入河流动力学 中床沙悬沙交换的理论 结合泥沙吸附污染物的状态建立数学模式
参考文献
禹雪中 钟德钰 李锦秀 等 水环境中泥沙作用研究进展及分析
金相灿 王桂林 关于重金属吸附的泥沙效应 环境科学与技术
胡国华 黄河泥沙对
影响的实验研究 人民黄河
金相灿 湘江重金属迁移转化模型研究 中国环境科学
陈俊和 陈小红 水库三维
迁移模型 水科学进展
林玉环 李琪 河流水体中重金属形态模型研究 环境化学
年月 文章编号
水利学报
第 卷第期
河流泥沙与污染物相互作用数学模型
禹雪中 杨志峰 钟德钰 彭期冬
北京师范大学 环境学院 水环境模拟国家重点实验室 北京
中国水利水电科学研究院 水环境研究所 北京
清华大学 河流海洋研究所 北京
摘要 本文分析了水流 泥沙 污染物系统中主要物理化学过程对水体污染物的影响 以此为基础推导了描述吸
床之间的交换量 其中
为泥沙冲淤通量
表示冲淤泥沙与悬沙吸附量的差值 淤
积时泥沙来自水体 两者相等 冲刷时泥沙来自河床 根据床沙条件取值 该式表明冲刷过程中泥沙吸
附量的变化并非决定于冲刷泥沙携带的污染物量 而是决定于冲刷泥沙吸附量与悬沙吸附量的差值 当
冲刷泥沙吸附量小于悬沙吸附量时 冲刷泥沙相当于自净剂 反之 冲刷泥沙相当于污染源 方程右端
由于目前计算区域内泥沙
以吸附或者平衡状态为主 并且根据计算区域内悬移质浓度 吸附动力学参数采用了含沙量为 ?
吸附实验得到的结果 其表达式为
模型计算得到的流量 含沙量 吸附态 和溶解态 浓度 断面 与实测值的比较见图 由 图 可以看出 模拟结果与实测值变化趋势基本符合 大小比较接近 表明模型较好地模拟了河流天然 过程的变化
水生态系统的影响
在溶解态污染物输移转化方程中以概化系数的
方式对泥沙运动和吸附解吸的作用进行描述 相对 于实际过程这种方法显得过于简单 引入泥沙动力
图 河流污染物输移转化过程示意
学理论的整体模型较好地解决了泥沙运动的描述问题 但是整体模型中一般是根据吸附 解吸 热力学
理论建立溶解态和吸附态污染物之间的关系作为求解的联立方程
于本模型采用了动力学模式描述吸附解吸过程 所以可以 反映出吸附过程中的吸附态和溶解态污染物的动态变化
图 污染物时间变化过程
相对于吸附过程 解吸过程历时更长 因此模型中采用动力学模式是必要的
结论
本文基于对水环境系统中主要过程的分析 推导了适用于河流的泥沙环境作用数学模型 分别建
立吸附态及溶解态污染物迁移基本方程 使得对吸附态污染物的数学描述更接近实际 模型对泥沙冲淤 环境影响的描述具有更明确的物理基础 采用动力学模式描述吸附解吸作用使模型可以反映吸附解吸 过程中污染物的动态变化
根据以上条件 并且进一步采用断面平均含沙量 和断面平均挟沙力 分别代替床面附近含沙量 和挟沙力 式 可以改写为
式中 为恢复饱和系数 为河宽 为
控制体内 时段内泥沙对污染物的吸附量为
式中 为单位时间单位质量泥沙吸附量的变化率 根据质量守恒定律 在 时段内 进出控制体的吸附态污染物质量之差 加上控制体内由于吸附
图 模型计算结果与实测值的比较
模型讨论 采用模型模拟了泥沙吸附污染物对水质的影响 计算条件为均匀流 泥沙处于平衡状 态 假定入口泥沙没有吸附污染物 河段入口处有一个稳定排放 的污染源 图 为不同时刻溶解态和 吸附态污染物的沿程分布 由于水流中泥沙在源点位置开始吸附污染物 使得水相污染物浓度在源点 之后显著降低 相应地 吸附态污染物则开始升高 说明泥沙吸附作用对水质变化具有明显影响
河流泥沙污染物数学模型可以应用于水库泥沙环境作用的模拟和分析 河流修建水库使得污染物 和营养物质随同淤积泥沙在库区发生沉积 水库汛前降低水位运行的过程中泥沙有可能发生冲刷 此时需 要考虑如何能够尽量下泄污染物 又不会对下游产生突发性的污染风险 采用模型可以进行模拟和分析