《水环境化学》水质模型
水质模型分类
/hhhbb/archive/2006/06/23/1681.html《QUAL 一 2 K模型及其主要参数确定》S —P模型的基本思路是：他们认为水中溶解氧( DO) 随时问减少的速率与B OD的浓度成正比，水中溶解氧的减少主要是由于水中有机物在好气菌在分解中消耗水中氧气所引起的，并且与BOD降解具有相同的速度，即复氧的速度与氧亏成正比。
S - P模型只考虑了有机物降解和大气复氧对DO的影响，没有考虑有机物沉浮、底泥吸附等对DO的影响，因此其结果与实际有一定的差别。
有很多学者对其进行了改进，主要有以下3种模型：( 1 ) Thomas模型：对一维稳态河流，在S---P模型基础上增加了一项因悬浮物的沉淀与浮所引起的BOD速率变化。
( 2 ) Camp—Dobbins模型：在Thomas的基础，增加了底泥释放BOD和地表径流所引起的BOD变化速率和藻类光合作用和呼吸作用以及地表径流引起的溶解氧速率变化。
( 3 ) Oconnor模型：假定总的BOD是由含碳BOD(CBOI))和含氮BOD(NBOD)两项组成，模型不仅考虑了含碳化合物的耗氧，而且也考虑了含氮化合物的耗氧。
《W A S P水质模型在辽河干流污染减排模拟中的应用》WASP水质模型：WASP(Water Quality Analysis Simulation Program)是由美国国家环保局开发的水质分析软件，可用来模拟常规污染物(包括溶解氧、生物耗氧量、营养物质以及海藻污染)和有毒污染物(包括有机化学物质、金属和沉积物)在水中的迁移和转化规律，是为分析池塘、湖泊、水库、河流、河口和沿海水域等一系列水质问题而设计的动态多箱模型。
WASP模型在中国渭河、苏州河、汉江等多个流域及水库已有成功的应用。
WASP模型由两个独立的计算机程序DYNHYD和WASP组成，两个程序可连接运行，也可以分开执行。
DYNHYD是一个简单的“Link—node”网络水力动态模型，产生的输出文件可为水质分析模拟程序WASP提供流量和体积参数。
水环境数学模型
（一） 基本控制方程 圣 • 维南方程组包括连续性方程和动量方程。 在渐变流流程s方向上取ds微元段为控制体积，由 质量守恒定律和动量守恒定律分别推导，并引入 渐变流静压分布的特性，以及速度沿断面均匀分 布的假定，可得明渠一维流动的连续性方程：
A Q 0 t s 明渠一维流动的动量方程为:
（3）以z、v为应变量的组合形式
z z A v v v iv M t s B s B v v z v2 v g g 2 t s s C R
WASP4水动力模型及其数值方法 —— 基于“道—节”网络的河流水动力模 型系统 WASP4(Water Ouality Analysis Simulation Programme Version 4)是 美国联邦环境保护局阿申斯环境研究 实验室开发的水动力与水质分析模拟 程序。
（5）实际流体与理想流体 根据流体的粘滞性，可以将其分为 理想流体和粘性流体。对于理想流体， 其分子粘性系数为零，从而其运动学粘 性系数也为零。对于自然水体的水动力 模型应将流体视为粘性流体。
（6）布辛尼斯克（Boussinesq）近似 这是流体力学、大气科学、水动力学研 究中研究热力流动（热对流）问题中常用的 一种近似处理。这一假设由法国19世纪物理 学家J. Boussinesq提出，该假设认为：除非 热膨胀造成浮力外，流体可以视为不可压缩 的。 在我们水环境问题中，我们采用 Boussinesq近似，则认为在水平方向上不考 虑密度差，而仅在垂直方向上才考虑。一般 地说，对于浅层流体的缓慢流动，由于其水 平方向上的密度差较小，均可采用 Boussinesq近似。
国际上将水质模型发展的基本历程分为四 个阶段： 第一阶段（1925年~1965年）：开发了比较 简单的BOD—DO双线性系统模型。采用一 维计算方法。 第二阶段（1965年~1970年）：继续研究发 展BOD—DO模型的多维参数估计问题，水 质模型的基本框架发展为六个线性系统。 计算方法从一维推进到二维。除了继续研 究河流、河口水质问题外，开始模拟计算 湖泊、水库及海湾的环境问题。
环境科学中的水环境模型的建立方法
环境科学中的水环境模型的建立方法环境科学中的水环境模型是为了研究和预测水环境系统的动态变化而建立的一种预测模型。
通过使用水环境模型，我们可以模拟和预测水质、水量和污染物的传输、转化和分布规律，以及评估不同环境管理策略的效果。
水环境模型的建立涉及多学科的知识和方法，包括水环境学、物理学、化学、生物学等。
本文将介绍水环境模型的建立方法，包括数据收集与预处理、模型选择、参数估计和模型评估。
首先，数据的收集与预处理是水环境模型建立的第一步。
需要收集和整理的数据包括水流量、水质监测数据、陆地利用数据、地形数据等。
这些数据可以通过现场观测、实验室分析、遥感技术获取。
在收集数据的过程中，需要注意数据的准确性和完整性，并进行数据预处理，包括数据的插值、平滑和去噪等处理，以确保数据质量。
选择合适的水环境模型是建立水环境模型的关键步骤。
根据研究目的和数据情况，可以选择不同的模型。
常用的水环境模型包括统计模型、物理模型、数学模型等。
统计模型适用于描述和预测水环境系统的统计规律，如回归模型、时间序列模型等。
物理模型基于物理原理，模拟水流、水质的运动和转化过程，如水动力学模型、水质模型等。
数学模型通过建立数学方程，描述水环境系统的动态变化，如数学优化模型、系统动力学模型等。
在参数估计的过程中，需要根据实测数据对模型的参数进行估计。
参数估计的方法包括最小二乘法、贝叶斯估计等。
根据模型的复杂程度和数据的可用性，可以选择不同的参数估计方法。
在进行参数估计时，需要考虑参数的物理意义和范围，并通过敏感性分析和不确定性分析对参数估计结果进行评估。
模型无论好坏都需要进行模型评估。
模型评估是对模型性能和可靠性的评价。
评估水环境模型的方法包括误差分析、验证和验证数据、模拟结果的比较与对比等。
通过模型评估，可以判断模型的适用性和可靠性，并对模型进行修改和改进。
另外，在水环境模型建立的过程中，还需要考虑一些因素。
首先是模型精度和计算效率的权衡。
第三章水质模型
水质模型
1.1 水质模型的主要问题和分类
一、 问题 (1)为了避免一条河流产生厌氧而使水质保持 在给定的条件，应当在何处建立污水处理厂? 多大规模、什么样的处理效率才能保证溶解 氧浓度不低于水质标准? (2)为了合理地利用某一区域的水资源，该区 域应当发展何种工业以及多大规模的工业才 能使该地区的水资源得以充分利用并保证水 资源不至于受污染。
C0 1 k1x
Q
u
2019/11/25
25
例题2：河流的零维模型
• 有一条比较浅而窄的河流，有一段长1km的河段，稳 定排放含酚废水1.0m3/s;含酚浓度为200mg/L，上游 河水流量为9m3/s，河水含酚浓度为0，河流的平均流 速为40km/d，酚的衰减速率常数k＝2 1/d，求河段出 口处的河水含酚浓度为多少？
• 水质模型的分类：
1、按水域类型：河流、河口、河网、湖泊 2、按水质组分：单一组分、耦合组分（BOD-DO模型）、
多重组分（比较复杂，如综合水生态模型） 3、按水力学和排放条件：稳态模型、非稳态模型
水质模型按 空间维数分类
零维水质模型 一维水质模型 二维水质模型 三维水质模型
2019/11/25
0
水质模型
(4)按水质组分是否作为随机变量，可分为随 机模型和确定性模型。
水质模型还可以按模型的其他特征分类。如 按水质组分的迁移特性，可分为对流模型， 扩散模型和对流－扩散模型。按水质组分的 转化特性可分为纯迁移模型，纯反应模型和 迁移－反应模型等。
0
水质模型
1.2 水质模型的发展及建立步骤
一、水质模型的发展过程 第一阶段(1925-1965年)：开发了比较简单的 生物化学需氧量(BOD)和溶解氧(DO)的双线 性系统模型，对河流和河口的水质问题采用 了一维计算方法进行模拟。 第二阶段(1965-1970年)：研究发展BOD—DO 模型的多维参数估值，将水质模型扩展为六 个线性系统模型。发展河流、河口、湖泊及 海湾的水质模拟，方法从一维发展到二维。
《水环境化学》课程标准
《水环境化学》课程标准一、前言（一）课程基本信息1.课程名称：水环境化学2.课程类别：专业基础课3.学时：60-804.适用专业：水环境监测与治理/城市水净化技术（二）课程性质本课程是高职高专水环境监测与治理专业基础课程。
本课程是培养和锻炼学生水环境污染分析能力的核心课程，使学生了解常见化学污染物质在水体环境中的行为、效应及其影响因素，掌握典型水污染事件的分析方法，获得水质关键指标的测定分析能力。
通过对《水环境化学》这门课程的学习，将使学生了解当代水环境问题，熟悉和掌握有关污染物在水环境介质中迁移、转化规律的基本知识、基本理论、基本技能和基本方法，使学生今后能够在水文水资源工程的专业岗位上，对各自区域内的水质和水量问题和水质问题作本课程以《分析化学》、《有机化学》和《仪器分析》等课程的学习为基础，为进一步学习《水质检验技术》、《给水处理》、《水污染控制技术》和《工业废水处理》等专业技术课程服务，为学生练就水质与水环境分析、水净化工程设计和水处理设施运行维护等岗位工作能力奠定知识和能力基础。
（三）课程标准的设计思路1.课程设置的依据经过企业调研、往届毕业生就业岗位调研和行业专家座谈，决定把水质检验分析岗位、水净化工程、水处理设施运行维护和水质工程辅助设计岗位作为城市水净化技术专业的就业核心岗位群，把水环境化学课程作为培养学生水质及水环境污染分析能力的核心专业基础课程。
2.课程改革的基本理念课程以工作任务确定职业能力，以职业能力为目标，对接行业标准，关注职业素养，构建由项目带动、任务驱动的工作过程化课程；教学中贯穿工学结合，体现工作过程，达到教、学、做的融合；注重运用多媒体教学、现场教学等教学手段；实施多元评价，全方位关注学生对知识和技能的掌握。
以现实存在的水环境污染事件为载体组织课程内容和课程教学，让学生在完成具体案例分析的过程中掌握知识和技能，通过一个个污染事件的分析、讨论和总结训练最终提高学生的行业知识和分析能力。
第三章水环境化学-第四节水质模型介绍
水质模型，是一个用于描述物质在水环境中的混合、 迁移、扩散和转化过程（包括物理、化学、生物作用过 程）的数学方程（或方程组） .
水质模型的基本原理是质量守恒原理；建立水质模 型的目的是用来描述污染物数量与水环境影响因素之间 的定量关系，从而为水质分析、预测和水环境管理提供 基础的量化依据。
本节讨论的水质模型主要是：氧平衡模型、湖泊富 营养化模型和有毒有机污染物归趋模型。
一、氧平衡模型
1. Streeter-Phelps（S-P）模型（河流水质自净模型）
S-P模型的建立基于两项假设： （1）只考虑好氧微生物参加的有机物降解反应，并 认为该反应为一级反应。 （2）河流中的耗氧只是有机物降解反应引起的。有 机物的降解反应速率与河水中溶解氧(DO)的减少速 率相同，大气中的氧进入水体的复氧速率与河水中 的亏氧量 D 成正比。
极限距离：
极限溶解氧：
（DC为极限氧亏）
2．托马斯(Thomas)模型
对于一维静态河流，在S—P模型的基础上考虑沉淀、絮 凝、冲刷和再悬浮过程对BOD变化的影响，引入了BOD沉 浮系数k3 dL
u -(k1 k3 ) L dx u dD k L - k D 1 2 dx
湖泊水质模型的类型：
湖泊水质模型可划分为：多元相关模型；输入输出 模型；富营养化预测模型和扩散模型，这里仅讨论富 营养化预测模型。
2. 富营养化预测模型 对于停留时间很长、水质基本处于稳定状态的中小 型湖泊和水库，可视为一个均匀混合的水体。 沃兰伟德假定，湖泊中某种营养物的浓度随时间的 变化率，是输入、输出和在湖泊内沉积的该种营养物量 的函数，用质量平衡方程表示就是：
水质模型
2
水质模型的类型
1、从空间维数上 零维、一维、二维和三维模型 2、是否含有时间变量 可分为动态和稳态模型 3、从模型的数学特征 随机性、确定性模型和线性、非线性模型 4、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 。
第四节 水质模型 (Water Quality Model)
1
水质模型（ 水质模型（water quality model） ）
水质模型（ 水质模型（water quality model） 根据物质守恒原理用 ） 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、 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。 规律和相互关系的数学模型。 描述环境污染物在水中的运动和迁移转化规律， 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 保护服务。它可用于实现水质模拟和评价， 和预测， 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。 水质管理等，是实现水污染控制的有力工具。
4
水质模型的发展阶段
1925-1960，S—P模型，BOD—DO耦合模型 ， 模型， 模型 耦合模型 1960—1965，新发展，引进空间变量，动力学系数、 ，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 ，光和作用、藻类的呼吸作用，沉降， 浮，计算机的应用 1970 —1975，线性化体系，生态水质模型，有限元模 ，线性化体系，生态水质模型， 型，有限差分技术 最近30年 最近 年，改善模型的可靠性和评价能力
环境影响评价 ——水环境影响评价水质模型
e BODc,A
－K1t A BODa
e BODc,B
－K1tB BODa
两式相比，并取对数可得：
1 K1 tB tA ln
BODc,A BODc,B
1 ln t
BOD, A BOD,B
测定出截面A、B处河水的BOD值、原河水的BOD值， 并中多计取算几出个河断水面在，两得截到面若间干的个流K行1，时然间后，取即平可均算值出。K1。实际
久性污染物）；混和过程段应采用二维模式。
5、S－P模型的一般方程式：
模型的基本假定：
（1）BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应； （2）反应速率常数是定常的； （3）耗氧是由BOD衰减引起的，溶解氧来源则是 大气复氧。
S-P模式仅限于BOD5和DO的水质影响预测。
C
C0
exp
5km2表11地面水环境影响评价分级判据建设项目污水排放量m3d建设项目污水水质的复杂程度一级二级三级地面水域规模大小规模地面水水质要求水质类别地面水域规模大小规模地面水质要求水质类别地面水域规模大小规模地面水水质要求水质类别20000复杂大大中小中小中等大大中小中小简单大大中小中小建设项目污水排放量m3d建设项目污水水质的复杂程度一级二级三级地面水域规模大小规模地面水水质要求水质类别地面水域规模大小规模地面水质要求水质类别地面水域规模大小规模地面水水质要求水质类别lt
Ex xH gHI , x 140 ~ 300 对河宽为15～60m的河流 式中：H－平均水深；I－水力坡度；g－重力加速度
• 泰勒（Taylor）公式（适用于河流）
Ey 0.058H 0.0065BgHI1 2 •爱尔德(Elder)公式(适用于河流)
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水质模型的基本原理： 污染物在水环境中的物理化学和生物过程遵守质 量守恒定律，模型发展大体经历了简单的氧平衡 模型阶段、形态模型阶段和多介质环境结合生态 模型阶段。
第四节 水质模型
氧平衡模型
1。 Streeter-Phelps 模型
水体有机污染物（浓度用BOD表示）消耗速率为
L t
便可得出有机毒物在系统内的浓度和半衰期。
K1L
u
L x
K1L
Fick第二定律，河流的离散导致的BOD的变化为
u
L x
Ex
2L x 2
则BOD变化速率为：
L
2L
u x Ex x2 K1L
3．菲克第二定律：解决溶质浓度随时间变化的情况
两个相距dx垂直x轴的平面组成的微体积，J1、J2为进入、
流出两平面间的扩散通量，扩散中浓度变化为 c，则单元体
1
Z (q /V )
2. OECD公式
1
1
7
0.5
Z
V qv
0.6
1
第四节 水质模型
三、有毒污染物的归趋模型 摒弃经验参数，在模型中只出现表征化合物固有性 质的参数（实验室测定，与时间地点无关）和表征 环境特征所测量的参数。 主要考察动力学过程 酸碱平衡，水解，生物降解，光解作用，挥发，沉 淀-溶解作用，吸附解吸作用，生物浓缩，沉积作用 以及污水排放等uxEx2
x 2
K2(s
) K1L
第四节 水质模型
1。 Streeter-Phelps 模型
若忽略河流离散作用
u
L x
K1L
u
x
K2(s
) K1L
t时刻BOD和溶解氧的值分别为
L
L0
exp(
K1 u
x
)
s
(s
0 )
exp(
K2x) u
(
K1L0 K1 K2
)[exp(
K1x ) u
exp(
K2 x )] u
第四节 水质模型
1。 Streeter-Phelps 模型
当 0时，溶解氧浓度为极值，即 K2(s ) K1L
x
代入
s
(s
0 )
exp(
K2x) u
(
K1L0 K1 K2
)[exp(
K1x ) u
exp(
K2 x )] u
得 溶解氧的极限距离
xc
K2
u
K1
ln
K2 K1
1
(s
0 )(K2
L0 K1
K1
)
第四节 水质模型
2。 Thomas模型
在S-P模型的基础上，增加因悬浮物的沉淀引起的 BOD变化速率
单位时间内BOD的变化率
L u x (K1 K3)L
单位时间内溶解氧的变化率
c u x K1L K2 (cs c)
ln L K1 K3 x
L0
t
积中溶质积累速率为
c t
dx
J1
J2
J1
D(
c x
)
x（Fick第一定律）
菲克第二定律的推导
J2
D
c x
xdx
（Fick第一定律）
J1
x
D
c x
dx
（即第二个面的扩散通量为第一个
面注入的溶质与在这一段距离内溶质浓度变化引起的扩散
通量之和）
若D不随浓度变化，则
c t
dx
J1
J2
第四节 水质模型
三、有毒污染物的归趋模型 有机物在水体中的迁移转化包括一下几个过程： 负载过程：污水排放、大气沉降、地表径流等将有机毒物引
入天然水体。 形态过程：①酸碱平衡，影响挥发等作用；②吸着作用，悬
浮物的迁移影响其归趋。 迁移过程：①沉淀－溶解作用；②对流作用；③挥发作用；
④沉积作用。 转化过程：①生物降解作用；②光解作用；③水解作用；④
L0=500*2000/200000=5mg/L
ln L K1 K3 5
5
40
D
(cs
c0 ) exp(
K2 x ) u
( K1
K1L0 K3
K2
)[exp(
K1
u
K3
x)
exp(
K2 x )] u
第四节 水质模型
二、湖泊富营养化预测模型
基本原理：
当入湖污染物为N、P等营养物时，根据质量守 恒定律，湖水中污染物浓度的变化不仅与进出湖 泊的数量有关，而且还其沉降速率的影响。
D
x
c dx x
D
2c x 2
dx
故
c t
D
2c x 2
第四节 水质模型
1。 Streeter-Phelps 模型
大气中的氧气进入水体的速率与水中的氧亏值成正比
u
x
K2(s
)
水体BOD氧化引起的溶解氧消耗
u x K1L
河流离散作用引起的溶解氧浓度变化
u
x
Ex
2
x 2
水体溶解氧变化速率
考察湖中磷的变化时
水体污染物日变化速率=日输入-日输出-日沉积
V
dc dt
Ip
qc
p
V
c
第四节 水质模型
二、湖泊富营养化预测模型
1. Vollenweider公式
1
1 1 Z / Q
2. Dillon公式
L(1 Rp )
Z qv /V
第四节 水质模型
二、湖泊富营养化预测模型
3. 合田健公式
氧化还原作用。 生物累积过程：①生物浓缩作用；②生物放大作用
第四节 水质模型
有机毒物归趋的基本原理：
1. 单个过程使某种化合物从水环境中消失速率之和是该化 合物在水环境中消失的总速率
2. 有机物的存在不改变环境参数 3. 吸着速率远快于挥发和转化速率 4. 计算有机物因挥发和转化过程而从水环境中消失的速率 5. 考虑吸着过程对有机物消失过程的影响 6. 考虑有机物的输入、稀释及最终从系统中输出的速率，
u
c
cs
(cs
c0 ) exp(
K2x) (
u
K1
K1L0 K3
)[exp( K2
K1
K3 u
x) exp(
K2 x )] u
D
Dc0
exp(
K2x) u
( K1
K1L0 K3
K2
)[exp(
K1
u
K3
x)
exp(
K2x )] u
第四节 水质模型
河段流量200000m3/d，流速40km/d， cs=9.0mg/L；BOD5=500mg/L污水以 2000m3/d排放，下游5km处情况