河流纳污能力计算一维模型
基于一维模型计算水域纳污能力
基于一维模型计算水域纳污能力作者：杨宗宾来源：《科学与财富》2020年第19期摘要：复州河复州城农业用水区位于大连市复州河下游，属于小型河流，污染物在河段横断面上均匀混合。
采用河流一维模型，选取特征污染物COD，NH3-N作为分析评价因子，计算水功能区纳污能力。
关键词：一维模型，水域;纳污能力;复州河复州河复州城农业用水区（以下简称计算区）位于大连市复州河下游，河段常年平均流量小于15m3/s，属于小型河流。
按照《水域纳污能力计算规程》，水域纳污能力计算方法主要有模型计算法和污染负荷计算法等[1-2]。
采用河流一维模型，污染物在河段横断面上均匀混合。
选取特征污染物COD，NH3-N作为分析评价因子，计算纳污能力。
1;; 基本资料复州河流域面积1638km2，计算区上游是东风水库，区内自上而下主要有九道河、太阳河、珍珠河、岚崮河4条一级支流，下游入渤海。
以4条支流汇入后为节点划分为5个河段：东风水库出口到九道河汇入口、九道河汇入口到太阳河汇入口、太阳河汇入口到珍珠河汇入口、珍珠河汇入口到岚崮河汇入口、岚崮河汇入口到入海口段，河段长度依次为1.5km、6.1km、18.0km、14.5km、7.3km。
各节点断面以上流域面积依次为817.40km2、924.46km2、1144.75km2、1532.65km2。
复州河下游关家屯水文站控制流域面积1071km2，资料年限50年以上，资料系列包含了丰、平、枯年份，具有较好的代表性，多年平均径流深为217mm。
[3]2;; 设计水文条件计算区属于有水利工程控制的河段，可采用河道内生态基流作为设计水文条件。
生态基流计算采用Tennant法，将多年平均流量的百分数作为短期生存本息地的最小瞬时流量。
[4]由于大连地处北方，属缺水城市，而多年平均天然径流量的10%是保持河流生态系统健康的最小流量，故将多年平均天然径流量的10%作为生态基流。
根据水文同步性，将关家屯水文站以上控制流域面积与计算区间流域控制面积进行对比，进而同倍比放大得到区间径流量。
河流纳污能力计算
3、混合区的确定
(a) 图 污水与河流的混合过程：（a）河中排放；（b）岸边排放
混合区定义
在排污口下游自排污口至功能区控制点或控制断面之间的， 使污染物得以进行初始混合与稀释后达到水域功能区水质 标准的区域称为混合区。
如果功能区没有常规性监测断面，可以选择功能区的下断面 或者重要的取水点作为控制节点。
对于高功能水域、重要水域以及距离较长的水域，根据需要， 一个功能区内应设置多个断面来控制功能区的水质，作为水 环境容量计算的约束条件。
在控制断面的选取时应注意的几个问题
（1）控制断面不能设在排污混合区内：一般的水功能区都 允许有排污口存在，排污口下游必然存在一段由排放浓度过 渡到功能区标准的排污混合区。因此，控制断面要避开混合 区或过渡区，以反映水体的客观情况。
有较大的支流汇入或河道发生分流，导致河段流量等参数发 生突变；
有较大的入河排放口汇入； 有重要的饮用水源吸水口； 计算单元长度不超过10km； 一个水功能区划分为多个计算单元时，各个计算单元的水质
目标均采用本功能区水质目标。
4、计算单元和控制节点(断面)
控制断面是指能反映水环境功能区水质，或反映污染源对水 域水质的影响，或反映功能区执行标准变化的代表性断面。
广东省水利厅
广州佛山跨市水污染综合整治方案
中山大学
鉴江水质保护规划
中山大学
练江流域水质保护规划
广东省环境监测中心站
广东省地表水环境容量核定 技术报告
华南环境科学研 河流
究所
库湖
kc 0.08~0.45
0.1 0.15 0.1~0.4 0.08~0.1 0.07~0.6 0.18 0.2 0.2 0.3~0.55 0.1~0.2 0.05~0.1
河流水环境容量一维计算模型分析
河流水环境容量一维计算模型分析在一定水文设计条件和水质目标前提下，根据一维河流水质模型理论，探讨不同控制断面和排污口位置下的河流水环境容量的计算方法。
在计算水环境容量时，对于长度较短的河段，排污口均匀概化和中点概化差异不大；对于长度较长的河段，排污口均匀概化比中点概化更接近实际情况。
段首法最为严格，适于经济发达地区、水源地或旨在改善水质的区域；段尾法次之；功能区末端控制法要求达到的环境目标值更低。
标签：水环境容量；排污口概化；段首控制法；段尾控制法水环境容量是指某一水环境单元在特定的环境目标下所能容纳污染物的量，也就是环境单元依靠自身特性使本身功能不至于破坏的前提下能够允许容纳的污染物的量[1]。
其大小与水环境功能目标、水体特征、污染物特性及排污方式相关。
通常以单位时间（如：一年）内水体所能承受的污染物排放总量表示。
水环境容量也可称为水域的纳污能力。
1 计算流程在计算水环境容量时一般按以下流程：（1）调查收集水环境功能区的基本资料并分析整理；（2）调查分析水环境功能区的水质状况；（3）调查分析沿河排污口的位置分布、排污负荷等具体情况；（4）调查水环境功能区水文参数；（5）确定水体的水质目标；（6）选用适当的计算模型，计算水域的环境容量；（7）分析、验证计算结果的合理性。
2 计算模型根据所采用的水质数学模型维数的不同，水环境容量计算模型可分为零维模型、一维模型和二维模型。
其中零维模型主要适用于污染物均匀混合的小型河流及河网流域；一维模型主要适用于河道宽深比不大，在较短时间内污染物质能在横断面上均匀混合的中小型河流；二维模型主要适用于河道宽度较大，河流横向距离显著大于垂向距离，在横断面上污染物分布不均匀的河流，或者宽度虽然不大，但是存在如鱼类的洄游通道等特殊功能需求的河流。
以下将重点讨论河流非持久性污染物的一维水环境容量计算模型。
一维稳态水质模型：式中C1为排污口废水浓度，mg/L；q为废水量，m3/s；C0为上游河水浓度，mg/L；Q0为流量，m3/s；K为水质降解系数，1/d；x为距排污口的距离，m；u 为流速，m/s。
采用一维水质模型计算河流纳污能力中设计条件和参数的影响分析
采用一维水质模型计算河流纳污能力中设计条件和参数的影响分析张文志(广东省水文局惠州分局,广东 惠州 516001)摘 要:分析采用一维水质模型计算河流纳污能力过程中,污染源概化、设计流量和流速、上游本底浓度、污染物综合衰减系数等设计条件和参数对计算结果的影响;讨论如何确定设计条件和参数,以提高计算结果的准确性和合理性。
关键词:纳污能力;一维水质模型;设计条件;参数;影响分析中图分类号:T V149.2 文献标识码:B 文章编号:100129235(2008)0120019202收稿日期:2007202205作者简介:张文志,男,湖北大悟人,主要从事水环境监测、水资源分析及评价工作。
纳污能力,是指水体在一定的规划设计条件下的最大允许纳污量。
纳污能力随规划设计目标的变化而变化,反映了特定水体水质保护目标与污染物排放量之间的动态输入响应关系。
其大小与水体特征、水质目标及污染物特性等有关,在实际计算中受污染源概化、设计流量和流速、上游本底浓度、污染物综合衰减系数等设计条件和参数的影响。
东江干流岭下至虾村河段位于东江干流惠州市境内,全长36k m,水质目标为Ⅱ类。
本文以该段河段氨氮纳污能力计算为例,分析采用一维水质模型计算纳污能力过程中设计条件和参数对计算结果的影响,并讨论如何确定设计条件和参数,以提高计算结果的准确性和合理性。
1 一维水质模型概述对于宽深比不大的河流,污染物在较短的时间内,基本上能在断面内均匀混合,污染物浓度在断面上横向变化不大,可用一维水质模型模拟污染物沿河流纵向的迁移问题来计算纳污能力。
在稳态或准稳态的情况下,一维水质数学模型为:C (x )=C 0exp-kx u(1)式中 C 0———基准断面污染物的本底浓度,mg/L ;k ———污染物综合衰减系数,d-1(计算时换算为s-1);u ———断面设计流速,m /s ;x ———计算断面至基准断面的距离,m ;C (x )———计算断面污染物的浓度,mg/L 。
河流纳污能力计算
河流纳污能力计算河流是地球上丰富的水资源之一，它不仅为生物提供了生活所需的水源，还是陆地生态系统的重要组成部分。
然而，由于工业化和城市化的发展，河流受到了严重的污染。
为了研究河流的污染水平，我们需要计算河流的纳污能力。
河流的纳污能力是指在一定时间内，河流可以容纳并稀释的污染物的数量。
纳污能力取决于河流的特性、水量、污染物种类等因素。
下面我们将介绍两种常用的计算方法：影响系数法和水质模型法。
影响系数法是一种常用的估算河流纳污能力的方法。
它主要通过考虑一些参数来计算河流的纳污能力。
这些参数包括流速、流量、水深、溶解氧含量、有机物含量等。
通过对这些参数的测量和分析，我们可以得到河流的污染物限制浓度。
然后，我们可以将河流的纳污能力计算为：纳污能力=污染物限制浓度×流量水质模型法是一种更复杂但更准确的计算河流纳污能力的方法。
它建立了一个描述河流水质变化的模型。
该模型基于污染物质量守恒定律，并考虑了河流的运动、扩散、降解等因素。
水质模型可以根据输入的初始条件和污染物排放情况，模拟河流污染物的传输和转化过程。
通过模拟和计算，我们可以得到污染物在河流中的浓度分布。
然后，我们可以计算河流的纳污能力为：纳污能力=河流长度×污染物浓度×断面积其中，河流长度是指污染物在河流中的传输路径长度，污染物浓度是河流中污染物的平均浓度，断面积是河流横截面的面积。
然而，需要注意的是，河流的纳污能力并非无限大。
当污染物排放量超过河流的纳污能力时，就会导致河流的污染水平上升。
这会对河流的生态环境和生物多样性产生严重影响。
因此，在进行工业和城市建设时，我们需要合理规划和控制污染物的排放量，以保护河流的生态系统。
总结起来，河流的纳污能力是一个重要的指标，用于估算河流可以容纳并稀释的污染物的数量。
通过影响系数法和水质模型法等方法，我们可以计算河流的纳污能力。
然而，为了保护河流的生态环境，我们需要合理控制污染物的排放量，以保持河流的水质和生物多样性。
河流纳污能力计算
节点指河流上排污口、取水口、干支流汇合口等造成河道流量、水质发生突变的点，水量与污染物在节点前后满足物质平衡规律。 河段指河流被节点分成的若干段，每个河段内污染物的自净规律符合一阶反应定律。
一维水质模型由河段和节点两部分组成：
河流一维水质模型
图 河流一维模型概化示意图
概化后的排污口位置为： x=(Q1C1x1+Q2C2x2+····+QnCnxn)/(Q1C1+Q2C2+····+QnCn)
（2）距离较远并且排污量比较小的分散排污口，可概化为非点源入河，仅影响水域水质本底值，不参与容量优化分配计算。
上界
下界
上界
下界
1 2 3
x
3、混合区的确定
1、河流简化与模型选取
水质数学模型有零维模型、一维模型、二维模型等。 对每个水功能区，应根据其空间形态、水文、水质特征选择合适的水环境容量计算模型。
二、主要技术问题
1、河流简化与模型选取
二、主要技术问题
断面宽深比大于等于20时，简化为矩形河段； 小河可以简化为矩形平直河流； 大中河流中，当河段弯曲系数小于等于1.3时，可简化为顺直河段，否则视为弯曲河流； 河道特征和水力条件有显著变化的河段，应在显著变化处分段。
图 污水与河流的混合过程：（a）河中排放；（b）岸边排放
(a)
混合区定义
在排污口下游自排污口至功能区控制点或控制断面之间的，使污染物得以进行初始混合与稀释后达到水域功能区水质标准的区域称为混合区。 混合区是污染物自排放口至功能区控制断面达标的过渡区，是允许超标的区域。 混合区越小，意味着控制越严格，混合区消失，意味着不许排放或意味着排放口排出的水质与功能区的水质相等。
河流模拟课程设计方案—水库一维泥沙淤积计算
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 h gA 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 0.124，m 取1.05，干密度'0ρ取1.3 恢复饱和系数 25.0=α均匀沙粒径为d=0.041mm （悬移质），d=2 mm （推移质）1、输入河床地形糙率等数据求得断面面积与水位的关系（A ~Z ），进而求得断面平均流速 A Q u =，水力学半径 χAR =2、读入一个时段的水沙数据 （特别注意，不要一次性将数据全部读入） 读入第一时段（Q,S ）值3、计算水面线，同时得到各断面的水力要素求得各个断面的河宽、断面面积、水深、平均流速等值 计算前要注意在坝前输入水位，各断面均应对流量赋值 4、计算悬移质水流挟沙力mgR u k S ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ω3*K 取 0.124，m 取1.05。
河流纳污能力计算方法比较
图 ２ 均 匀 排 放 河 段 排 污 １概 化 示 意 图 ： ３
在 河段 内选 择一 微小 河段 ｄ 其 位置 距 河段 段 ，
放方式则可以通过规划得 到合理设置。 目前 ， 在河 流纳 污能 力计 算 中对 于 污染 物 排 放 方 式 如 何 选 取 、 水质 目标如何合理分配 ， 以及管理者如何设定控制
首距 离 为 ， 此 微 段 污 染 物输 运 至 ：Ｌ处 的剩 则
余质量为 ｄ 上游各微段质量降解到 ＝Ｌ断面处 ｍ，
的总 质量 迭加 设 为 ｍ， 则
ｄ ： ｅ ｐ 一Ｋ ｍ （
ｍ ：
） ｄ
（） ３
ｊｍ ［ ｅ（Ｋ ］（ ＝ １ ｘ一 ） ４ Ｌ ｄ 一ｐ ）
・
５ ・
型河 段 ， 可采 用河 流一 维水 质模 型计 算纳 污 能力 ， 其
计 算 公式 为 ：
＝ Ｐｅｐ ｏｘ
＝ Ｉ Ｑｅｐ Ｋ （ ｘ （ ）一／ Ｑｅｐ 一Ｋ ） ９ ｘ（ ） （） ０ ２
（ ） 一
（ １ ）
式 中 ： 为污染 物纳 污能 力 ，／ ； 为下游 断 面水 质 ｇ ｓｐ
）
（） ５
１一 ｅ ｐ 一 Ｋ ） ｘ（
ｓ ｗａ ｅ ｏ ｔｅ ｏ ｉｉｎ ，ｓ ｌｃ ｉｎ ｆｃ ｎ ｒｌｃ ｏ ｓｓ ｃｉｎ ｎ ｄ ａｌｃ ｔ ｎ ｆｄ ｌｔｏ ａ ａ ｉ ｅ ｇ ｕ ｌｔｐ ｓｔ ｓ ｅｅ ｔ ｓ ｏ ｏ ｔｏ ｒｓ —ｅ ｔ ｓ，ａ ｏ ａｉ ｓ ｏ ｉ ｉｎ ｃ ｐ ｃｔ ｏ ｏ ｏ ｌ ｏ ｕ ｙ．Ｔｈ ｏ ｇ ａ ｅ ｓｕ ｙ ｏ ｒｕ ｈ ａ ｃ ｔ ｄ ｆ ｓ