水质模型.pptx
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四章河流水质模型ppt课件
A ' D D y (i, j1),ij
(i, j1),ij
(i, j1),ij (i, j1),ij
A ' D D y ij,(i, j1)
ij,(i, j1)
ij,(i, j1) ij,(i, j1)
由纵向弥散作用输入、输出该单元的 BOD 总量为
D' (i1, j),ij
(Li1, j
Kd Ka
Kd
B
Ks
P Kd
1 exp(Kat)
D0
exp(Kat)
4.2. 4．O’Connr(欧康奈尔)模型
dLC dt
(Kd
Ks )LC
dLN dt
K N LN
D t
Kd LC
K N LN
KaD
LC LC0 exp (Kd Ka )t)
LN LN0 exp(KNt)
D
Ka
Kd L0 (Kd
(q j
D' (i, j1),ij
D' ij,(i, j1)
D' (i1, j),ij
D' ij,(i1, j)
VijKdij )Lij
(Di'j,(i1, j) )Li1, j
gk ,k m Li, j1 g L k ,k 1 i1, j gk ,k Li, j g L k ,k 1 i1, j
Kr
1 t
ln
LA LB
Kr Kd Ks
Kd
KC
ux H
3．水体的耗氧与复氧过程
1）耗氧过程 (1) 河水中碳化合物的氧化分解引起耗氧；
x LC LC0 exp(Krt) LC0 exp(Kr ux )
培训课件教案--第5章-水质预测模型.ppt
C(
x)
C0
exp
k1x u
.精品课件.
30
河流的一维模型 [考虑弥散的一维稳态模型]
C
C0
exp[
u 2D
(1
m)
x]
m
1
4k1D 86400u
2
式中：C－下游某一点的污染物浓度， mg/L ；
C0－完全混合断面的污染物浓度， mg/L； u－河水的流速，m/s；
D－x方向上的扩散系数， m2/s ；
河流混合过程段长度可由下式计算（理论公式）：
河中心排放 岸边排放
x=0.1uxB2/Ey x=0.4uxB2/Ey
u x——x方向流速，m/s； B ——河流宽度，m； Ey——横向扩散系数，m2/s。
.精品课件.
19
常用河流水质数学模型与适用条件
河流混合过程段长度
*河流混合过程段长度可由下式估算（经验公式）：
➢河口断面沿程变化较大时，可以分段进行环境影响预测；
➢河口外滨海段可视为海湾。 .精品课件.
9
湖、库的简化
简化为大湖（库）、小湖（库）、分层湖（库）
简化方法 ➢评价等级为1级时，中湖（库）可以按大湖（库）对待，停 留时间较短时也可以按小湖（库）对待；
➢评价等级为3级时，中湖（库）可以按小湖（库）对待，停 留时间很长时也可按大湖（库）对待；
8
河口的简化
简化方法： ➢除个别要求很高（如一级评价）的情况外，河流感潮段一 般可按潮周平均、高潮平均和低潮平均三种情况，简化为稳 态进行预测；
➢河流汇合部分可以分为支流、汇合前主流、汇合后主流三 段分别进行环境影响预测。小河汇入大河时，把小河看成点 源；
➢河流与湖泊、水库的汇合部分可以按照河流与湖泊、水库 两部分分别预测其环境影响；
水质模型精品PPT课件
C
C0
exp[
u 2D
(1
m)
x]
m 1 4k1D 86400u 2
2021/1/23
• 式中：C－下游某一点的污染物浓度， mg/L ； C0－完全混合断面的污染物浓度， mg/L； u－河水的流速，m/s； D－x方向上的扩散系数， m2/s ； k1－污染物降解的速率常数（1/d）； x－下游某一点到排放点的距离，m。
当河段长度大 于L，可采用0 维或一维模型
u－河流断面平均流速； H－平均水深； g－重力加速度， 9.81 m/s2 ； I－河流坡度。
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18
例题
某河流预测河段平均宽度50.0米，平均水深＝1.2 米，河底坡度0.90/00，平均流速0.1m/S，排放口 到岸边距离0米，混合过程段长度是多少米？
L＝
(0.4 50 0.6 0) 50 0.1
2463（米）
(0.0581.2 0.0065 50) 9.81.2 0.0009
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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。
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20
河流的一维模型 [考虑弥散的一维稳态模型]
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。
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一维模型适用条件
一维模型适用的假设条件是横向和 垂直方向混合相当快，认为断面中的 污染物的浓度是均匀的。或者是根据 水质管理的精确度要求允许不考虑混 合过程而假设在排污口断面瞬时完成 充分混合。
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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。
第四章 水质模型ppt课件
第四章 水质模型
第一节 污染物扩散规律
一静水环境中的分子扩散规律 二动态水环境中的移流扩散规律 三扩散方程的解析
第四章 水质模型
一、静水环境中的分子扩散规律
静止的水体中存在分子的不规则运 动，从而使在水中的微粒也作不规 则的运动，这个现象早已在1826 年为布朗的著名实验证实。
费克（Fick）扩散（分子扩散）： 由于水的分子运动而使水中的污染物质发生扩散
某些物质在水中的分子扩散系数（ cm2·s-1，水温为20℃）
物质 氧
二氧化碳 一氧化氮
氨 氯 氢 氮 氯化氢 硫化氢 硫酸
扩散系数D 1.80×10-5 1.50×10-5 1.51×10-5 1.76×10-5 1.22×10-5 5.13×10-5 1.64×10-5 2.64×10-5 1.80×10-5 1.73×10-5
式中：u、u、分别是点时均流速在x、y和z方向上的分量。
紊动扩散
ut Exx2c2Eyy2c2Ezz2c2
第四章 水质模型
随流紊动扩散方程为:
ut ui
c xi
2c E
xixi
u u t u x c y c z c E ( x 2 c 2 y 2 c 2 z 2 c 2)
第四章 水质模型
一、移流扩散方程
设流体质点具有瞬时流速矢量 在x、y、vz直角坐标上的分量分别为u、v、w：
y，v
uuu'
vvv'
www'
x，u
z，w
图 直角坐标系下的瞬时流速分量
对层流: u′、 v′、w′为零
移流扩散：由于时均流速使污染物质发生输移的现象 紊动扩散：由于脉动流速使污染物质发生输移
第四章-3河口水质模型ppt
包含水动力模块（FLOW）、波浪模块（WAVE）、泥 沙模块（SED）、形态学模块（MOR）、水质模块 （WAQ）、基于粒子追踪的水质模块（PART）和生态 模块（ECO）等7个模块
第四章 第三节河口水质模型
案例分析
小清河河口水质进行模拟
慕金波和侯克复（1994）采用一维河口有限段水质模 型对小清河河口水质进行模拟。把小清河河口段划分 为 23 个河段，每个河段 3 km。对模型参数首先使用 经验公式带入一维河口有限段水质模型，模拟结果与 实际监测值比较，求出相对误差，根据情况不断修正 参数，直至误差达到满意。
K1L
K2 (DOf
（4.3.4）
DO)
可以写作D的形式：( 即 D DOf DO
)
Dx
2L x2
ux
L x
(K1
K3 )L
0
Dx
2D x2
ux
D x
K1L
K2D
0
其解析解为：
在排放点上游（x<0）有：
（4.3.5）
L
L0
exp
ux x 2Dx
(1 1)
D
K1W
K2 K1 Q
沉 积
模型变量
溶解无机态氮、浮游植物态氮、浮游动物态氮、 碎屑有机态氮、底栖态氮、溶解无机态磷、浮游植 物态磷、浮游动物态磷、碎屑有机态磷、底栖态磷、 溶解氧。
第四章 第三节河口水质模型
其他模型
其他河口水质模型
CJK3D（南京水利科学研究员河港研究所开发） SWEDRI（上海水利设计研究院开发） POM（Princeton Ocean Model，普林斯顿大学开发） ECOM（Estuary，Coast and Ocean Model，普林斯顿大
第四章 第三节河口水质模型
案例分析
小清河河口水质进行模拟
慕金波和侯克复（1994）采用一维河口有限段水质模 型对小清河河口水质进行模拟。把小清河河口段划分 为 23 个河段，每个河段 3 km。对模型参数首先使用 经验公式带入一维河口有限段水质模型，模拟结果与 实际监测值比较，求出相对误差，根据情况不断修正 参数，直至误差达到满意。
K1L
K2 (DOf
（4.3.4）
DO)
可以写作D的形式：( 即 D DOf DO
)
Dx
2L x2
ux
L x
(K1
K3 )L
0
Dx
2D x2
ux
D x
K1L
K2D
0
其解析解为：
在排放点上游（x<0）有：
（4.3.5）
L
L0
exp
ux x 2Dx
(1 1)
D
K1W
K2 K1 Q
沉 积
模型变量
溶解无机态氮、浮游植物态氮、浮游动物态氮、 碎屑有机态氮、底栖态氮、溶解无机态磷、浮游植 物态磷、浮游动物态磷、碎屑有机态磷、底栖态磷、 溶解氧。
第四章 第三节河口水质模型
其他模型
其他河口水质模型
CJK3D（南京水利科学研究员河港研究所开发） SWEDRI（上海水利设计研究院开发） POM（Princeton Ocean Model，普林斯顿大学开发） ECOM（Estuary，Coast and Ocean Model，普林斯顿大
第三节河流水质模型-PPT
放口处得纵向坐标x＝0、
S-P模型—描述河流水质得第一个模型,由斯特里特(H • Streeter) 与菲而普斯(E • Phelps)在1925年建立。
基本假设:河流中得BOD得衰减与溶解氧得复氧都就是一级反应,反 应速度为常数;河流中得耗氧就是由BOD衰减引起得,而河流中 得溶解氧来源则就是大气复氧。
S-P氧垂公式
O= Os-D = Os-
Kd L0 Ka - Kd
[e-Kd t - e-Ka t] - D0 e-Ka t
污水排放点 河流BOD＝L0
饱和溶解氧浓度Cs
O—河流中得溶解氧值
溶解氧
D0 Dc
氧垂曲线
Os —饱与溶解氧值
DO
L0－河流起始点得BOD值
D0－河流起始点得氧亏值
Dc－临界点得氧亏值
KL = C
uxn Hm
饱与溶解氧浓度Cs就是温度、盐度与大气压力得函数。在
760mmHg压力下,淡水中得饱与溶解氧浓度为
T为0c
468 Cs =
31.6 + T
四、光合作用
水生植物得光合作用就是河流溶解氧得另一个重要来源。
欧康奈尔假定光合作用得速度随着光照强度得变化而变 化。中午光照强度最大时,产氧速度最快,夜晚没有光照时,产 氧速度化
水质模型得解析解就是在均匀与稳定得水流条件 下取得得,划分断面得原则:
a)河流断面形状发生剧烈变化处 b)支流或污水得输入处 c) 河流取水口处 d)其她需要设立断面得地方
二、多河段BOD模型及DO模型得建立
1、 BOD模型 河流水质得特点之一就是上游每一个排放口排放得
Kc＝ Kd + Ks
3、 1966年, K·Bosko研究了河流中生化作用得BOD衰减速度 常数Kd与实验室得数值Kc之间得关系:
S-P模型—描述河流水质得第一个模型,由斯特里特(H • Streeter) 与菲而普斯(E • Phelps)在1925年建立。
基本假设:河流中得BOD得衰减与溶解氧得复氧都就是一级反应,反 应速度为常数;河流中得耗氧就是由BOD衰减引起得,而河流中 得溶解氧来源则就是大气复氧。
S-P氧垂公式
O= Os-D = Os-
Kd L0 Ka - Kd
[e-Kd t - e-Ka t] - D0 e-Ka t
污水排放点 河流BOD＝L0
饱和溶解氧浓度Cs
O—河流中得溶解氧值
溶解氧
D0 Dc
氧垂曲线
Os —饱与溶解氧值
DO
L0－河流起始点得BOD值
D0－河流起始点得氧亏值
Dc－临界点得氧亏值
KL = C
uxn Hm
饱与溶解氧浓度Cs就是温度、盐度与大气压力得函数。在
760mmHg压力下,淡水中得饱与溶解氧浓度为
T为0c
468 Cs =
31.6 + T
四、光合作用
水生植物得光合作用就是河流溶解氧得另一个重要来源。
欧康奈尔假定光合作用得速度随着光照强度得变化而变 化。中午光照强度最大时,产氧速度最快,夜晚没有光照时,产 氧速度化
水质模型得解析解就是在均匀与稳定得水流条件 下取得得,划分断面得原则:
a)河流断面形状发生剧烈变化处 b)支流或污水得输入处 c) 河流取水口处 d)其她需要设立断面得地方
二、多河段BOD模型及DO模型得建立
1、 BOD模型 河流水质得特点之一就是上游每一个排放口排放得
Kc＝ Kd + Ks
3、 1966年, K·Bosko研究了河流中生化作用得BOD衰减速度 常数Kd与实验室得数值Kc之间得关系:
水质模型pptChapter1
模型求解的一般方法
解析法
数值法 （1）有限差分法 （2）有限单元法
第一章 绪论
水质模型建立的方法与步骤
水质模型建立的步骤
不 满 意
选择变量 灵敏性
模型的概化 水质模型 一般性质研究
近似假设 平衡性 稳定性
参数估计
数据收集
数据再收集 选择求解技术 模型的率定 模型的应用
选择方法
结果比较
不 满 意
流域水质预测
流域水质管理与规划
流域污染控制
流域水质模型建立的一般步骤
大型淡水湖 城市内湖 大型水库 总计 2004年比例 2005年比例
湖泊富营养化
2007年太湖蓝藻爆发事件
河口水环境污染
河口：是江河的入海口，是从陆地到海洋、从淡水到咸水的过渡 地带 淡水 + 咸水 = 复杂区域 独特位置： 河口水环境是一个多因素共同作用的混合系统
水质影响因素： 上游径流大小、来水的水质、江段所接纳的排
水环境问题——概念 Nhomakorabea水环境问题 由于人类的生产和生活活动，使自然水环境系统失去平 衡，反过来影响人类生存和发展的问题。
流域水环境问题
整个流域范围内，包括河流、湖库、河口以及陆域等， 由于人类不合理生产、生活活动，使水体受到污染，水 生态系统遭到破坏而引发的问题。
水环境问题——分类
河流水环境污染
机理模型研究阶段
（ 20 世纪 70 年代到 80 年代）
经验模型研究阶段
（ 20 世纪 70 年代初期以前）
流域水质管理模型
产生时间：20 世纪 90 年代后期 代表模型：BASINS 模型系统、WARMF 模型 突出特点：集流域分析、评价、总量控制、污染治理 与费用效益分析等于一体 实例：BASINS模型
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近似假设
平衡性
稳定性
不
选择方法
满
意
结果比较
流域水质预测
流域水质管理与规划
流域污染控制
流域水质模型建立的一般步骤
模型的概化 （1）确定模型时空规模和范围 （2）识别主要因素和相互关系，选择适当变量 （3）研究变量的变化和相互作用，作合理近似假设 （4）形成模型的结构概念
模型的一般性质研究 平衡性研究、稳定性研究、灵敏性研究
研究水质模型的意义与作用
模拟污染物在流域范围内迁移转化过程 查明污染物运移的时空分布规律 为流域水质预测、管理和规划决策等提供有力的技术
与方法支持
水质模型建立的方法与步骤
水质模型建立的步骤
不
选择变量
满
意
灵敏性
模型的概化
水质模型 一般性质研究
数据收集 数据再收集 选择求解技术
参数估计 模型的率定 模型的应用
BOD去除的影响，引入了BOD沉浮系数k3，
u
dL dx
(k1 k3 )L
u
dD dx
k1L k2D
这些模型最初被用于城市排水工程的设计和简单的水体自净作 用的研究。
QUAL-Ⅱ水质模型
由于排入河流中的污染物质，特别是营养物质，对于水生生 物的生存有密切的联系和影响，美国环境保护局特推荐使用 QUAL-Ⅱ水质模型，该模型是一种较复杂的氧平衡生态模型， 模拟下面13种水质项目，即温度，DO，BOD，藻类（以叶绿素 a衰计减）物，质PO和43三-，种NH不3，衰N减O2物-，质N，O3-并，建大立肠了杆差菌分，法一的种求可解任技选术的。可 QUAL-Ⅱ水质模型既可用于研究入流污水的负荷（数量、质量 和位置）对受纳河流水质的影响，也可用于研究非点源问题。 它既可作为稳态模型使用，也可作为动态模型使用，用于研 究藻类的生长和呼吸作用引起的DO的昼夜变化，或探索冲击 负荷（如泄露或季节性、周期性排污）的影响。因此，QUALⅡ水质模型是一个能较全面描述水生生态系统与水质组分之 间联系的比较成功的例子。模型包括13个相互关联的偏微分 方程系统，其关系如图所示。
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。
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S-P模型基本方程及其解
dL dt
k1L
dD dt
k1 L
k2D
式中: L—河水中的BOD值，mg/L； D—河水中的亏氧值，mg/L，是饱和溶解氧浓度
Cs（mg/L）与河水中的实际溶解氧浓度C（ mg/L）的差值； k1—河水中BOD衰减(耗氧)速度常数，1／d； k2—河水中的复氧速度常数，1／d； t—河水中的流行时间， d；
5
0
0
大型水库 10
0
1
总计
28
0
2
2004年比例
0
8%
2005年比例
0
7%
Ⅲ类
0 2 0 4 6 18 % 21 %
Ⅳ类
0 2 0 1 3 15 % 11 %
Ⅴ类
0 2 2 1 5 22 % 18 %
劣Ⅴ类
3 3 3 3 12 37 % 43 %
主要 污染 指标
总氮 总磷
湖泊富营养化
2007年太湖蓝藻爆发事件
8 7 6 5 4 3 2 1 0
10 X km
S-P 模型的临界点和临界点氧浓度
C
xc
k2
u
k1
Ln
k2 k1
1
(k2 k1
1)C S
L0
C0
Cs
(C s
C 0 )e k2xc / u
k1L0 (e k1xc / u k1 k2
e k2xc / u
Thomas模型
对一维静态河流，在S—P模型的基础上 考虑沉淀、絮凝、冲刷和再悬浮过程对
一、氧平衡模型
1.Streeter-Phelps模型（S-P模型） 2.Thomas模型（忽略离散作用） 3.QUAL-Ⅱ水质模型
S-P模型
BOD-DO耦合模型 S－P模型的基本假设是： ①河流中的BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应； ②反应速度是定常的； ③河流中的耗氧是由BOD衰减引起的，而河流中的溶解氧来源则是 大气复氧。
水质模型的类型
水质模型可按其空间维数、时间相关性、数学方程的特征 以及所描述的对象、现象进行分类和命名。 从空间维数上可分为零维、一维、二维和三维模型； 从是否含有时间变量可分为动态和稳态模型； 从模型的数学特征可分为随机性、确定性模型和线性、非 线性模型； 从描述的水体、对象、现象、物质迁移和反应动力学性质 可分为河流、湖泊、河口、海湾、地下水模型；溶解氧、 温度、重金属、有毒有机物、放射性模型；对流、扩散模 型以及迁移、反应、生态学模型等。
4
水质模型的发展趋势
模型不确定性的分型 基于人工神经网络的水质模型 基于地理信息系统的水质模型的研究
5
研究水质模型的意义
河流水环境污染
河流水环境污染
2005年七大水系水质类别比较
湖泊（水库）水环境污染
2005 年重点湖库水质类别
水系
个数 Ⅰ类 Ⅱ类
三湖
3
0
0
大型淡水湖 10
0
1
城市内湖
水质模型的发展阶段
1925-1960，S—P模型，BOD—DO耦合模型 1960—1965，新发展，引进空间变量，动力学系数、
温度 1965—1970，光和作用、藻类的呼吸作用，沉降，悬
浮，计算机的应用 1970 —1975，线性化体系，生态水质模型，有限元模
型，有限差分技术 最近30年，改善模型的可靠性和评价能力
参数估值 一般通过实验室模拟试验或将现场测定的数据代入模 型，选择最佳拟合值作为模型的参数值
模型率定 概念：检验所建立的模型是否具有预测功能的过程 常用方法：图形图示法、相关系数法、相对误差法等
模型的求解与应用 （1）选择求解技术，变换数学表达式以适合求解 常用求解技术： 解析解（理论研究） 数值解（工程技术问题） （2）在求解基础上，形成模型的输入和输出 （3）将已建立的模型应用于解决实际问题
这两个方程式是耦合的。当边界条件
L C
L0 , x C0 , x
0 0
时，式解析解为:
L C
L ek1x / u 0
Cs (Cs
C0 )ek2x / u
Байду номын сангаас
k1 L0 k1 k2
(ek1x / u
ek2x /u )
L mg/L
25
20
L mg/L
15
10
5
0
0
2
4
DOmg/L
6
8
DOmg/L
水质模型 一、氧平衡模型 二、湖泊富营养化预测模型
吴志佳 陈奕丹 赵英豪 王彦 董玉刚
什么是水质模型？
水质模型（water quality model） 是根据物 质守恒原理, 利用数学的语言和方法描述参 加水循环的水体中水质组分所发生的物理、 化学、生物化学和生态学诸方面的变化、内 在规律和相互关系的数学模型。