843二维水体污染扩散模型的集成
二维水质模型在污染带长度计算中的应用
岸边污染带来确定水源地二级保护区长度 ,就是以饮用水源
取水口上游现有污染源为基础 ,计算其稀释扩散影响区域的
长度 ,以此推导保护区的长度。《地表水环境质量标准》
GB383822002 规定 :集中式生活饮用水地表水源地一级保护
区执行Ⅱ类水质标准 ,集中式生活饮用水地表水源地二级保
护区执行 Ⅲ类水质标准. 一级保护区长度采用饮用水源卫生
∮
C( QA , k ,α, ux)
<
C′f 1
(
QA )
f2
(
k)
f3
(αy)
f4
(
ux)
dQA dkdaydux
(4)
给定坐标 ( x , y) 后 , 联立求解式 (2) 、(3) 、(4) , 根据 QA , k ,αy
和 ux 的已知概率分布 ,即可求得污染带任一点( x , y) 质量浓
度 C 的概率分布[7] 。
在其他条件相同时 ,岸边排污形成的污染带长度大约是
中央排污形成污染带长度的 4 倍 ,而最大宽度相差不大 ,在
此选择以无边界岸边排放方式对污染物进行模拟和预测 。
2. 2 二维水质模型的反射问题 实际河渠或水库湖泊都有
固体边壁存在 ,当污染物迁移、扩散遇到边界时有 3 种可能
is an important tool of the water environment protection. Key words Pollution zone ; Two2dimensional water quality model ; Water environment
1 污染带的定义
Application of Two2dimensional Water Quality Model in Calculation of Pollution Zone REN Zhao2yang et al (Urban Construction and Environmental Engineering College , Chongqing University , Chongqing 400044) Abstract After water storing of Three Gorges Reservoir with 175 m , the water flow will slow down , and the dilution capacity of water will be decreased
污染物扩散模型研究及应用探讨
污染物扩散模型研究及应用探讨近年来，随着城市化进程加速和工业化发展的速度不断提升，环境污染问题已经成为了全球性的难题。
环境污染已经成为我们生态环境和人类健康的重要威胁，但是如何在环境污染事件发生时快速、准确地推断污染源和实施有效的控制措施，这成为了每一个环境保护人士需要探讨的重要问题。
在此背景下，污染物扩散模型研究及应用的探讨，成为了各界关注和研究的热点。
一、污染物扩散模型污染物扩散模型是将大气环境污染物源和周围环境的相关因素相结合，通过数理模型和计算方法，在一定的时间和空间范围内建立污染物扩散的数学模型，为环境监测和污染物控制提供科学依据。
模型对于分析模拟和预测环境质量的变化具有重要的意义，而污染物扩散模型正是更为广义的空气污染模型。
在建立模型时，主要考虑到污染源与环境介质，它包括在评价源等级时所需的污染源清单，描述环境特性的基础数据，以及精确的泄漏源排放信息。
在实际应用过程中，基于不同的问题和应用场合，污染物扩散模型被分为了多种类型。
一般而言，常见的空气质量模型包括气象条件数值图模型、统计模型、 Gaussian 模型、 LINE source 模型和蒙特卡罗模型。
具体实施时，可根据不同情况针对性地采用不同类型的模型，并结合实际数据和环境因素来进行实际的计算和推断工作。
二、应用探讨污染物扩散模型在现代环境保护工作中发挥着不可或缺的作用。
在应用方面，污染物扩散模型主要应用于以下三个方面：1. 环境质量评价：在环境质量评价时，我们需要了解当前空气质量的变化趋势、排放规模、排放量等。
通过对环境介质的数学建模和对环境质量的数据分析，我们可以清晰地了解环境质量的变化趋势，同时也可以推断出潜在的污染源。
2. 环境影响评价：污染物扩散模型还可进行环境影响评价，即针对一项新建或改扩建项目，分析各种环境因素对环境影响的程度，进行发展规划和预防措施设计，为保护环境和改善空气质量提供科学依据。
3. 应急管理：在某些紧急情况下，如重大生态环境事故或天气变化突然引起污染过程不稳定的情况下，通过污染物扩散模型，可以做到快速预测污染物扩散的范围和路径，减少事故造成的损失和环境污染。
二维水体污染扩散模型的集成
流场地图显示 水流模型计算 流场三维显示 污染物浓度等值线地图显示 污染物扩散模型 污染物浓度等值线三维显示
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8.4.3 二维水体污染扩散模型的集成
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包头市大气二氧化硫分布图
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增加不同参数污染源的污染分布图
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8.4 水体污染扩散模拟GIS
水环境模型及其GIS表达 GIS与一维水体污染扩散模型的集成
第八章 环境污染模拟与预测GIS
环境污染模拟与预测 GIS环境下模型空间离散技术 大气污染扩散模拟GIS 水体污染扩散模拟GIS
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8.1
环境污染模拟与预测
基于GIS的环境污染模拟与预测主要
是利用GIS对环境污染状况进行模拟分析， 预测其影响范围、空间分布特征和时间动
另外,系统还提供了图形编辑功能, 便于专业人员在系统分类的基础上结合 该区区域地质环境特征进行图形再编辑, 使评价结果更加合理化、实用化。
系统应用举例
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污染物在水体中的扩散
进入水体污染物有两大类：保守物质和非保守物质
污染物衰减
衰减发生在非持久污染物的溶解氧化过程中 和放射性物质衰变过程中。持久性污染物不 发生衰减。 衰减过程基本符合一级反应动力学规律： dc — =－kc dt
Kc为反映速度常数
综上所述可知：
①推移作用：总量不变，分布状态也不变；
②推移+分散：总量不变，分布状态发生变化； ③推移+分散+衰减：总量变化，分布状态变化。
三种扩散系数的量质范围（数量级）：
分子扩散Em：10-5～10-4 m2/s
湍流扩散系Ex,Ey,Ez：10-2～100 m2/s
弥散系数Dx,Dy,Dz：101～104 m2/s
3.衰减和转化
保守物质：随水流运动而不断变换所处的空间位置，不断向 周围扩散而降低其初始浓度，但不改变总量。重金属，高分 子有机化合物 非保守物质：不断扩散而降低浓度外，因污染物自身衰减而 加速浓度的下降。衰减：自身运动变化规律决定的，在水环 境里由于化学的或生物的反应不断衰减。有机物在水体微生 物作用下的氧化分解过程。
③.弥散： 由横断面流速不均引起，即由湍流时平均值与时均 值的空间平均值的系统差列所产生的分散现象。 c I”x=-Dx—, x c I”y=-Dy—, y c I”z=-Dz — z
I，，x ， I，，y ， I，，z：弥散作用导致的污染物质量通量； Dx, Dy, Dz ：弥散系数；c：湍流时平均浓度的空间平均值。
2、二维稳态模型：
Dx 2c/ x2+Dy 2c/ y2－ux c/ x－uy c/ y－ kc=0 (2)
在均匀流场中其解析解为： C(x,y)=Q/4 h(x/ux)2√(Dx Dy))*[exp(y-uyx/ux)2/4Dyx/ux) ]*exp(-kx/ux)
污染物扩散模型的构建与模拟分析
污染物扩散模型的构建与模拟分析随着现代工业化及城市化的不断发展，环境污染问题越来越突出，这对人类的健康、生态环境及生物多样性等方面都带来了极大的威胁。
而污染物的扩散是导致环境污染的主要原因之一。
因此，对污染物的扩散模型的构建与模拟分析具有重要的理论和实际意义。
一、污染物扩散模型的基本概念污染物扩散模型是指对污染物在大气、水体、土壤等介质中扩散传播过程进行数学建模的过程。
其核心思想是通过数学公式描述污染物扩散、转化与传递规律，对污染物的特征、分布、浓度、影响等进行评估和预测，为环境保护和污染控制提供支持。
在污染物扩散模型中，其中一个关键要素是扩散系数，它主要考虑污染物的扩散现象。
扩散系数大小与被扩散的分子量、临界温度、扩散介质温度、压力等成正比例关系。
此外，影响扩散的还有风速、风向、湍流强度等气象因素。
因此，在具体构建模型时需要考虑多方面因素的影响。
二、污染物扩散模型的分类理论上，污染物扩散模型可以分为两大类，即基于经典物理学的扩散模型和基于统计物理学的扩散模型。
前者主要是基于物质的微观规律进行建模，如分子运动、质量传递、动能转移等；后者则是基于大量粒子的统计规律，如统计热力学、热力学平衡等。
在实际应用中，也可以根据具体的扩散介质、污染物种类、浓度范围等多种因素，将扩散模型进行进一步分类。
例如，大气扩散模型可以分为高斯模型、拉格朗日模型、欧拉模型等；水体扩散模型可以分为点源模型、面源模型、非定常模型、在线模型等。
在具体的应用中，需要根据污染物的种类、具体的观测数据、模拟环境等情况，选择适合的模型类型。
三、模型参数估计及优化在进行污染物扩散模型构建时，需要确定相关的模型参数。
而在实际操作过程中，往往难以对所有模型参数进行测量和确定。
此时，需要通过已有的或者历史数据，进行参数估计或反演，以得到合理的参数值。
传统的参数估计方法包括拟合法、极大似然法、贝叶斯反演等。
其中，拟合法最为常见，即根据已有的观测数据，通过试探性调整参数值，将模型预测值与实际观测值拟合。
河流水体中污染物扩散的稳态解河流水质模型
dC V Q(C 0 C ) S KCV Q,C0 dt
• S---通过其他途径进入和 反应器的污染物量 • K---衰减速度常数
S
V,C
Q,C
连续流完全混合反应器
第二节 污染物在水体中的扩散
二、河流水体中污染物扩散的稳态解
2. 一维模型 C
t Dx 2C x 2 C ux KC x
由此公式绘制的溶解氧沿程变化曲线即氧垂曲线
溶解氧浓度的最低点即临界点（氧亏值最大，变化速度
dD dt
为 0）
第二节 污染物在水体中的扩散
三、河流水质模型
• S-P模型 氧垂曲线
oxygen sag curve
临界点 critical point d D 0 dt
K：有机物降解速度常数；Ka：大气复氧常数 D：氧亏(水体中溶解氧不足量)；Kd：BOD衰减(耗氧)速度常数
Kd L Ka D
L：t时刻有机物的剩余生物化学需氧量，L0：初始时刻有机物的总生物化学需氧量
第二节 污染物在水体中的扩散
三、河流水质模型
• S-P模型
L L0 e
Kt
dD Kd L Ka D dt
C Em x
I
1
y
C Em y
I
1
z
C Em z
I1——质量通量； Em——分子扩散系数；
C——分子扩散所传递物质的浓度。
第二节 污染物在水体中的扩散
一、污染物在水体中的运动特征
2. 分散作用： ② 湍流扩散：河流水体的湍流仓中质点的各种状态 （流速、压力、浓度）的瞬时值相对于平均值的 随机脉动而导致的分散相像。脉动方向大小随机 变化，取 C 研究而非C。
水体污染物传输与扩散过程分析模型构建研究
水体污染物传输与扩散过程分析模型构建研究水体污染物传输与扩散过程是水环境领域的重要研究内容。
构建准确可靠的水体污染物传输与扩散分析模型，对于评估水体污染风险、制定有效的水环境管理措施具有重要意义。
本文将重点讨论水体污染物传输与扩散模型的构建方法和相关研究进展。
首先，传统的水体污染物传输与扩散模型通常基于水动力学理论，采用质点追踪方法来描述污染物的传输过程。
其中，最经典的是拉格朗日模型和欧拉模型。
拉格朗日模型以污染物质点的运动轨迹为基础，能够精确描述个别点的传输情况。
欧拉模型则以流体的机械性质为基础，描述流体内污染物浓度的分布情况。
这两种模型在实践中常常结合使用，以获得更为准确的传输与扩散结果。
然而，传统的水体污染物传输与扩散模型对于实际情况的假设过于简单，无法完全反映复杂的水环境系统。
为了解决这一问题，近年来出现了基于数值模拟和统计学方法的新型模型。
数值模拟方法借助计算机对水体流动和污染物传输进行数值模拟，能够解决不规则地形条件下流体运动的问题，并提供更精确的模拟结果。
统计学方法则通过统计分析大量实测数据，掌握水体污染物传输过程中的规律性，以此反推可能的传输路径和扩散方式。
此外，为了提高水体污染物传输与扩散模型的准确性，研究人员还引入了环境因子的考虑。
例如，气象因子（风速、风向等）和水文因子（水深、流速等）都对污染物的传输过程产生重要影响。
因此，在构建模型时，需要综合考虑多个环境因子的相互作用，以获得更为准确的模拟结果。
除了传输过程的模型构建，对于污染物浓度分布的模拟也是水体污染模型研究的重点。
传统的模型通常采用估算公式或者经验公式来估计水体污染物的浓度。
而现代模型则更多地采用基于混合层模型、稳态模型和非稳态模型的方法来描述水体污染物的浓度分布。
这些模型基于不同假设和方程，能够更准确地预测污染物在水体中的浓度分布情况。
此外，水体污染物传输与扩散模型的研究还面临着一些挑战。
首先，水体环境系统具有时空尺度的不均匀性，模型需要能够兼顾不同尺度上的传输与扩散过程。
二维水质扩散时空模拟及可视化
ｆ ｅ ｘ ｐ （ 一 茜） ＋ ｅ ） （ ｐ （ ＿ ） １
污染物进 入水 体后 ，不能在 短 时间 内达 到全 断 面 浓度 混合 均 匀，或在 纵 向和横 向上都 存在 比较 显 著的
差异 时， 一 维模 型 不 能 满足 需要 ， 需要 用二 维模 拟 。
３ 二维水质扩 散模型可视化 解决思路
式 中，Ｃ为 污染物 浓度 ／ ｍｇ ／ Ｌ； 为 时 间 ／ ｓ ； “为 河流
平均 流速 ／ ｍ／ ｓ： ｘ为 河 流 纵 向 距 离 ／ ｍ； Ｅ 为 河 流 纵 向
使 ＧＩ Ｓ与应 用分析模 型在 空 间坐标层 次上 统一起 来 。
本 系统 采 用 平 面 离 散 点 的 三 角 剖 分 法 生 成 的 Ｖ ｏ ｒ ｏ ｎ ｏ ｉ
收稿 日期 ： ！ …３ ～ ｌ （ １ ＿ ２ ６
２ ０ １ ５年 ６月 第１ ３卷 第 ３期
地
理
空
间
信
息
Ｊ ｕ ｎ． 。 ２ ０ １ ５ Ｖ ０ １ ． １ ３． Ｎｏ． ３
（ （ ） ＳＩ ’ Ａ ｌ ’ ｌ Ａ【 ｌ
（ ） ｌ ｛ ＭＡ ｝ 、 Ｉ （ ）
二维 水质扩散 时空模拟及 可视化
刘章恒 ，秦 小迪 ，解 新路
弥散 系数 ／ ｍ ／ ｓ ； Ｋ为河流降解 系数 ／ ｍ ／ ｓ 。
图。Ⅳ个在 平 面上有 区别的 点 ，按 照最邻 近原 则 划分
平 面，每 个点 与它 的最 近邻 区域 相 关联 。Ｄｅ ｌ ａ ｕ ｎ ａ ｙ三
角 形是 由与相 邻 Ｖｏ ｒ ｏ ｎ ｏ ｉ 多边 形 共 享 一 条 边 的 相 关 点 连
水体介 质 中通过 分散 作 用得 到稀 释 ，分散 作 用 包括 分
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问题定义
数据输入
分析操作
显示输出
流程框图
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8.3.5 GIS与环境模型的集成方式
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大气污染监测管理
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3）
设置指标权重
超指标值法
专家赋值法
层次分析法
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4）评价模型的建立与评价结果的表达
根据解决实际问题的需要,用户可选 取综合评分模型和模糊综合评判模型, 通过输入评价分级数,系统将自动生成 评价结果图。
流场地图显示 水流模型计算 流场三维显示 污染物浓度等值线地图显示 污染物扩散模型 污染物浓度等值线三维显示
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8.4.3 二维水体污染扩散模型的集成
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8.3.1 GIS在环境模型研究发 数据查询分析
可视化输出
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8.3.2 系统功能实现
数据的集成管理 大气扩散模型计算 模型计算结果的评价分析
大气环境影响预测
● 了解项目建成后对大气环境质量影响的程度和范围。 ● 比较各种假设方案的大气环境质量的影响。 ● 给出各类或各个污染源对任一点污染物浓度的贡献。
8.2
GIS环境下模型空间离散技术
利用网格剖分技术将连续的空间离散化， 以网格点为控制点，将模型空间和地理空间对
应起来。这是基于GIS环境模拟和预测的基础。
第八章 环境污染模拟与预测GIS
环境污染模拟与预测 GIS环境下模型空间离散技术 大气污染扩散模拟GIS 水体污染扩散模拟GIS
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8.1
环境污染模拟与预测
基于GIS的环境污染模拟与预测主要
是利用GIS对环境污染状况进行模拟分析， 预测其影响范围、空间分布特征和时间动
态变化等。
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★ 大气环境影响预测
利用数学模式和必要的模拟实验， 计算或者估算建设项目的污染因子在 评价区域内对大气环境质量的影响。
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GIS与二维水体污染扩散模型的集成
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8.4.1 系统评价实现步骤
评价指标选择与评价采样点设置
评价单元的构建 设置指标权重 评价模型的建立与评价结果的表达
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★ 矩形网格
★ 三角形网格
★ 正交曲线网格
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8.3 大气污染扩散模拟GIS
大气扩散指标
GIS与大气质量模型的集成 基于GIS的大气环境影响预测与模拟
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另外,系统还提供了图形编辑功能, 便于专业人员在系统分类的基础上结合 该区区域地质环境特征进行图形再编辑, 使评价结果更加合理化、实用化。
系统应用举例
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8.4.2 二维水体污染扩散模型
二 维 水 污 染 扩 散 模 型 任意河段有限元格网剖分 格网显示
1）评价指标选择与评价采样点设 置
●评价指标选择有两种方式：从外挂数 据库中或从评价图层属性列表中选择。 ●评价采样点设置了3 种方式,一是点 选;二是拖动矩形框选择;三是多边形选 择,此外可选择拟参与评价的采样点的 起始和终止时间。
2） 评价单元的构建
系统设置了两种构建评价单元的方法, 即栅格型和矢量型。前者是由一系列正交 网格组成的评价单元,用户以人机对话方 式可以选择横向和纵向网格个数与间距; 后者是利用GIS 软件的空间叠置分析功能, 生成评价单元,此方式较前者降低了评价 过程中人为因素干预, 对于较少的评价指 标往往具有良好的效果。
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可视化表现
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8.3.3 大气扩散模式
高架点源扩散模式 面源扩散模式 线源扩散模式
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8.3.4 高斯大气扩散模式与GIS的集成
包头市大气二氧化硫分布图
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增加不同参数污染源的污染分布图
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8.4 水体污染扩散模拟GIS
水环境模型及其GIS表达 GIS与一维水体污染扩散模型的集成