河流水体中污染物扩散的稳态解河流水质模型
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 )
第2章 河流水质模型1
• 忽略弥散所用，可得 L L Streeter-Phelps模式 u K1L
x t O O u K1L K 2 (Os O ) x t D D u K1L K 2 D x t
C0
C2 Δx
C3
C4 Δx
Ci
C0 k1V 1 Q
i
C0 k1 x 1 u
i
C1
C2
C3
C4
C5
图6-2 由多个零维静态单元河段组成的顺直河流水质模型
2.一维水质模型
一维河流静态水质模型基本方程
dC d C ux Dx KC 2 dx dx
K1 Lx 1 (1 x ) Lx u K1 K2 Dx 1 Lx x (1 x ) D x u u
例题2
• 一个改扩建工程拟向河流排放废水，废水量q＝ 0.15m3/s，苯酚浓度为30μg/L，河流流量Q＝ 5.5m3/s，流速u＝0.3m/s，苯酚背景浓度为 0.5 μg /L，苯酚的降解（衰减）系数K＝0.2d-1，纵向分 散系数Dx＝10m2/s，横向剪切分散系数Dy＝1 m2/s ，河道宽100m。求排放点下游10km处的苯酚浓度
这两个方程式是耦合的。当边界条件
时，S-P模式的解析解为:
L L0 , x 0 O O0 , x 0
L L0e k1x /u k1L0 k2 x / u k1 x / u k2 x / u (e e ) D D0e k2 k1
1. 均匀流场中的扩散方程
C 2C C Dx ux 2 t x x
3 河流水质模型
c t
0
，因此得到
数学模型
2 c c ux Kc 0 D x 2 x x c x x c0 0 c x 0
运用数学物理方程的求解方法，可以求得其解析解：
污染源
u x
Dx
K
x 0 c c0
0
x
图2.1 河流中一维扩散示例图
由式（2.27）和（2.28）可得到断面任一点浓度与断面 平均浓度的比值：
c c 1 4 {exp( y
2 2
4 B
) exp[
(B y) 4 B
2
2
] exp[
(B y) 4 B
2
2
]} ( 2 . 29 )
式中 :
Dxx uxB
2
根据定义，当污染物达到岸边时，c
t0 c max
1
c max
2
t1
t2
x m 2 x
c max
n
tn
x0
x1
xm
x m 2 x
xn
x
图2.６扩散过程态图
例题1：一项扩建工程向河流排放废水，废水量
为 Q2=0.15m3/s ，主要污染物苯酚浓度为30 ug/L ， 河流量 Q1=5.5 m3/s，流速0.3m/s，纵向弥散系数为 Dx=10m2/s 。苯酚在原河流中监测浓度为 0.5 ug/L， 它的降解系数K=0.2d-1（如图）。求：下游10km处苯 酚浓度 ？ 解： (1)计算起始处完全混合后的初始浓度
0 . 0137
x 0 . 0137 u x B Dy
2
c
0 . 05
可以求出
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。
环境影响评价 水环境影响评价水质模型
持久性污染物；
河流为非恒定流动；
连续稳定排放；
对于非持久性污染物，需要采用相应的衰减模式。
4、 河流混合过程段与水质模式选择
预测范围内的河段可以分为充分混合段，混合过程段和上游河
段。
充分混合段：是指污染物浓度在断面上均匀分布的河段，当断
面上任意一点的浓度与断面平均浓度之差小于平均浓度的5%时， 可以认为达到均匀分布。
①岸边排放
c(x, q)
ch
H
cpQp
M q x
exp
q 22 4M qx
exp
(2Qh q)2 4M q x
式中：q=Huy
Mq=H2uMy c(x,q)－(x,q)处污染物垂向平均浓度，mg/L； Mq－累积流量坐标系下的横向混合系数； 适用条件：
弯曲河流、断面形状不规则河流混合过程段；
，
t
0 e t
eQ V K1 t 0
如 t 0
,则 t
1
ln 1
溶解氧模型
dDO dt
Q V
(DO0
DO)
K2
DOs
DO
R
其中
R rA B
（上模型方程没有考虑浮游植物的增氧量和排入湖或库的废水 带入的氧量。）
习题：P101： 3
4－4 水质模型的标定
混合系数估值
经验公式 • 流量恒定、河宽大、水较浅、无河湾的顺直河流：
M y xu
exp(
uy2 4M y x
)
exp
u2B
4M y
y x
2
2、非岸边排放
c(x,
y)
exp
K
x 86400u
c h
环境学概论 第三章水体环境解读
3.水资源的特性（与其它自然资源相比）
A B C D 资源的循环性 储量的有限性 分布的不均衡性 利用的多用性
E
利害的两重性(图)
5
4.地球上局部存在水荒的原因
A B C 淡水在地球上的分布极不平衡 城市、工业区高度集中，耗水量大。 水污染严重，“水质型缺水” 突出。(图A) (图B)
二.天然水的水质 1.天然水化学成份的形成 2.天然水的化学组成 3.各种类型的天然水质 4.天然水体的自净作用
*放射性类
来源：核武器试验；原子能工业排放或泄漏 。 危害：主要通过α、β、γ等射线损害人体组织，并可在人
体内蓄积，促成贫血、白血球增生、恶性肿瘤等病
症，严重的可导致生命危险。
19
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
1.推流迁移：指污染物在水流作用下产生的迁移作用 此过程中污染物质总量不变，浓度也不变 2.分散作用：包含分子扩散、湍流扩散和弥散三个方面。 此过程中污染物质总量不变，但浓度减小 3.污染物的衰减和转化 进入水环境中的污染物可以分为两大类： 保守物质和非保守物质 此过程中污染物质总量与浓度均发生变化
1.有机物生物化学分解 ①水解反应：指复杂的有机物分子与水电离出的H＋或OH－
结合生成较简单化合物的反应。
②氧化反应：包括脱氢作用和脱羧作用两类 2.耗氧有机物的生物降解
代表性有机物：碳水化合物；脂肪和油类；蛋白质 (1)碳水化合物
25
(2)脂肪和油类
(3)蛋白质
26
需氧有机物降解的共同规律是：首先在细胞体外发生水解， 然后在细胞内部继续水解和氧化。降解的后期产物都是生成各 种有机酸，在有氧条件下，可以继续分解，其最终产物是CO2、 H2O及NO3－等；在缺氧条件下则进行反硝化、酸性发酵等过程， 其最终产物除CO2、H2O外，还有NH3、有机酸、醇等。 2.耗氧有机物降解与溶解氧的平衡 在污染河流中耗氧作用和复氧作用影响着水中溶解氧的含量 耗氧作用：指有机物分解和有机体呼吸时耗氧，使水中溶解
基于扩散方程的河流水质污染的研究
基于扩散方程的河流水质污染的研究水资源对人类的生存发展息息相关。
本文为了对河流的水质状况进行评价。
根据国家标准（GB 3838-2002）选取了其中的四个主要污染物进行研究。
基于不同的水质类别的评价指标，首先将DO、CODMn、NH3-N与第III类水质指标比较进行归一化处理。
然后基于酸碱性分析PH值，最后通过模糊数学法设置权重得出了在不同时间和不同观测地点的水质状况的排列顺序。
然后基于扩散方程建立出不同观测点之间污染物的量变化的数学模型。
并且通过带入长江流域内的实际观测数据利用maltab进行检验，论证了模型的合理性。
标签：归一化；模糊数学法；扩散方程0 引言水是人类赖以生存的资源，保护水资源就是保护人类自身。
随着经济社会的发展，河流的水质污染状况越来越严重。
水体热污染、副营养化等状况已经严重威胁到生态平衡。
由于在河流流域内的不同地区的主要污染物不同，以及污染状况往往是由多种污染物造成，因此对污染的治理的方法也相对复杂。
同时河流湖泊对生产、生活的各个方面也发挥这重要的作用。
例如：内河航运、旅游休闲、调节气候等。
现今，随着科技的迅速发展，如何准确的判定出一个地区的主要污染物也越来越重要。
本文基于对污染物指标的归一化处理，通过borad排序法对水质状况进行了评价。
然后利用matlab结合反映扩散理论建立出数学模型。
通过引用长江流域内的观测数据证明了模型的合理性。
1 污染指标的选取与样本数据河流的污染状况往往是由多种因素所决定的，根据水质检测[1]的主要指标可以将水质状况分为六种不同的类型，同时结合国家标准（GB 3838-2002）[2]的规定，对于地表水质的评价指标一共有24项指标，但是其中对水质影响最大的一共有四项指标：PH值、溶解氧、高锰酸盐、氨氮。
具体标准如表1所示。
其中第I、II、III类水为可饮用水，溶解氧（DO）的指标与高锰酸盐（CODMn）和氨氮（NH3-N）呈反向变动。
2 水质的综合评价模型在进行水质的综合评价时需要对其余因素进行量纲化处理，使得数据具有可比性。
《环境科学概论II》课程教学大纲
环境科学概论IIGeneral of environmental science II一、课程基本情况课程类别：专业任选课课程学分：2学分课程总学时：32 学时，其中讲课：32学时课程性质：选修开课学期：第5学期先修课程：无机化学，有机化学适用专业：大气环境、生态学教材：郑有飞主编，环境科学概论，气象出版社，2011开课单位：应用气象学院生态系二、课程性质、教学目标和任务环境科学是一门新兴的边缘科学，是针对当前世界面临的重大环境问题而发展起来的。
本课程以人类生态系统的基本原理为基础，着重阐述环境问题的发生，发展；探讨人类活动对多环境要素的影响。
特别是大气﹑水﹑土壤﹑生物等环境要素的影响；以及污染物在环境中的迁移转化规律。
介绍了城市环境﹑环境质量的评价﹑区域环境以及人口﹑能源﹑资源与环境等问题。
因为是概论性的，故本课程涉及的内容主要介绍环境学中的基本概念，基础理论和研究方法。
课程内容包括十二章，其中第一章集中讲解环境学基础理论，集中讲述环境规律、环境科学、环境学的基本概念，首次系统阐述了环境基本规律、环境学四项基本原理和环境科学的内涵与外延。
第二到第十二章分别从大气环境、水环境、土壤环境、固体废弃物环境、全球环境、人口与环境和可持续发展等十个方面多方位、多层次、多角度地展示人类与环境之间的相互作用，使学生在学科基础知识的学习中体验、领悟环境学基本原理，加深和巩固对环境学基本理论的理解。
三、教学内容和要求第1章绪论（2学时）（1）掌握环境、环境问题、环境保护、环境科学等基本概念（2）熟悉环境科学的性质、研究对象和任务（3）了解环境问题的产生、环境科学的由来及其发展过程重点：环境的概念；环境问题的概念和分类；环境科学的由来难点：环境科学研究的组成和分支第2章大气环境（5学时）（1）掌握大气的构成及主要组成；大气污染的来源；主要大气污染物及大气污染类型（2）理解大气污染的危害；大气光化学特性；硫氧化物及氮氧化物的化学转化；光化学烟雾的形成机理（3）了解大气环境中污染物大气污染物的扩散、综合防治与管理重点：大气环境结构和组成，大气污染的来源、类型、危害，主要大气环境问题的形成机理难点：大气的温度场；大气水平运动的受力情况；湍流运动的要素及形成原因；无界大气的扩散模式；有界大气的扩散模式；扩散参数的确定；大气污染物控制技术(如烟尘控制技术、二氧化硫控制技术、汽车尾气的催化净化)及综合防治与管理技术第3章水环境（4学时）（1）掌握水环境概念、水体污染的来源及主要污染物；水体污染的危害；（2）理解天然水的循环；水体中耗氧有机物的降解及水体的富营养化过程；重金属在水体中的迁移转化（3）了解污染物在水体中的扩散、转化和迁移；水体污染控制及管理技术重点：污染物在水体中的扩散、在水体中的转化，水体富营养化过程；理解重金属在水体中的迁移转化难点：河流水体污染物扩散的稳态解；河流水质模型第4章土壤环境（3学时）（1）掌握土壤污染的概念；土壤污染的危害；污染物的来源及种类（2）理解土壤的组成和物理化学性质；土壤污染发生类型（3）了解土壤污染的治理；重金属对土壤的污染；化学农药对土壤的污染重点：土壤的组成和物理化学性质；土壤污染的概念；土壤污染发生类型难点：土壤中重金属的来源、背景值及其迁移转化；农药在土壤中的迁移、降解及残留第5章固体废物与环境（2 学时）（1）掌握固体废物的定义、固体废物的来源、分类、污染途径及危害（2）理解固体废物资源化、资源化系统（3）了解固体废物综合处理意义、原则及处理系统的分类。
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dC KC dt
C：污染物的浓度 t：反应时间 K：反应速度参数
A
a
A
A a a
x0
x1
x0
x1
x0
x1
(1) 推流迁移 a=A
(2)推流迁移+分散 a=A
(3)推流迁移+分散+衰减 A>a
x1 < x0
x1= x0 x1> x0 A及a是面积，表示污染物质总量
河流的推流迁移、分散及衰减过程示意图
C C p Q p C h Qh Q p Qh
混合阶段 Cp-污染物本底浓度,mg/l；Qp-河流的流量，m3/s 均匀断面 Ch-t时间后污染物浓度；Qh-排入河流的污水量，m3/s 例3-1：P89
第二节 污染物在水体中的扩散
三、河流水质模型
（1）河流水质模型分类
• 管理和规划：河流水质、河口水质（加入潮汐作用）、湖泊 水质和地下水水质模型
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
• 坐标系：水流方向X，河宽方向Y，水深方向Z 1. 零维模型 将整个环境单元看作处于完全均匀的混合状态， 不存在空间环境质量上的差异。根据质量守衡可 写出其平衡方程，即零维模型。
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
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 • 求解：
t Dx 2C x 2 C ux KC x
瞬间浓度变化不计，则模型左侧=0；给定条件， X=0，C=C0，不考虑弥散作用，求解得：
Kx C C0 exp u x
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 二、河流水体中污染物扩散的稳态解 三、河流水质模型Biblioteka 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
• 自净作用依靠：推流迁移、分散作用和污染物的 衰减与转化
1. 推流迁移：污染物在水流作用下产生的迁移作用， 改变水流中污染物的位置，但不降低污染物的浓 度。
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
3. 二维模型 4. 三维模型
C 2C 2C C C Dx Dy ux ux KC 2 2 t x y x y
C 2C 2C 2C C C C Ex E E u u u KC y z x y z 2 2 2 t x y z x y z
Kx C C 0 exp( ) 86400u x
C C0 exp( Kt )
K---每秒衰减率 实际中多用每天作单位
C0为均匀混合断面的浓度
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 • C0求解：
均匀混合断面:污染物水体后，经t时段后，断面上任一点 浓度与断面平均浓度之差小于平均浓度的5%时，即达到均 匀混合阶段。
f x uxC
f y u yC
f z uzC
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： ① 分子扩散 ② 湍流扩散
③ 弥散
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： ① 分子扩散：存在浓度梯度可以用费克第一定律描 述。
I
1
x
Ix
2
C E x x
Iy
2
C E y y
Iz
2
C E z z
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： ③ 弥散：
u2 x 河流横断面上浓度分布并不均匀，一瞬间同一横断面上的 两个流体单元，以不同流速行进，必产生分离，引起污染 物分散，即弥散。 流速分布不均是由河底和河岸阻力引起的。
• 水质组分：单一、耦合（BOD-DO）和多重组分模型
• 水力学和排放条件随时间是否变化：稳态和非稳态模型 • 水质的维度：零维（常作为初始值和估算值）、一维、二维 和三维模型（受紊流理论研究的局限，尚处于利润研究）
第二节 污染物在水体中的扩散
三、河流水质模型
（2）BOD-DO耦合模型（S-P模型）
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。
1. 零维模型
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
P98：图3-4
第二节 污染物在水体中的扩散
三、河流水质模型
• S-P模型（斯特里特和菲尔普斯） BOD生物化学分解遵循一级反应式，即： L L0 e Kt 大气复氧与氧亏量成正相关，KaD； 假设一维稳态河流中溶解氧的变化是由BOD的衰减 和溶解氧的复氧过程决定，即： dD
dt
y
u1
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： ③ 弥散：
I
3 x
y
C Dx x
I
3
y
C D y y
I
3
z
C Dz z
t1=0
t2=t
x
t时间后，
C 分布图
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. 衰减与转化 不是由河流引起，而是由污染物自身原因引起的。 进入水环境的污染物有两种类型：保守物质、非 保守物质 非保守物质进行衰减，其过程基本上符合一级反 应动力学规律，即