水质模型
河道全过程水动力、水质模型
河道全过程水动力、水质模型
首先，让我们来看看水动力模型。
水动力模型通常用来模拟河
道中水流的速度、流量、水位、流态等动态变化。
这些模型可以基
于雷诺方程、纳维-斯托克斯方程等流体力学原理，结合地形、河道
断面特征、边界条件等参数，来模拟河流中水流的运动。
通过水动
力模型，我们可以预测洪水、河道泥沙输移、水力结构物对水流的
影响等，为水利工程设计和水资源管理提供重要参考。
其次，水质模型则是用来模拟河道中水质的变化过程。
这些模
型可以基于质量守恒方程、溶解氧平衡方程、营养盐循环方程等水
质反应动力学原理，结合污染物输入、河流混合、水生态系统作用
等因素，来模拟河流中水质的时空分布变化。
通过水质模型，我们
可以预测污染物扩散、水生态系统健康状况、水质改善措施效果等，为环境监测和水环境管理提供重要支持。
综合考虑水动力和水质模型，我们可以全面理解河道系统中水
流运动和水质变化的复杂过程。
这些模型的建立需要依靠大量的实
测数据和对河道系统的深入理解，同时也需要不断验证和修正，以
提高模型的可靠性和适用性。
在实际应用中，水动力和水质模型常
常结合使用，为河道管理、水资源保护和环境保护决策提供科学依据。
希望这些信息能够对你有所帮助。
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。
湖库零维稳态水质模型
湖库零维稳态水质模型
湖库零维稳态水质模型是一种用于评估湖库水体水质的数学模型。
该模型假设湖库水体的水质参数在空间上保持均匀且稳定，不考虑水体中的流动和混合。
输入参数：
入流通量：描述进入湖库的水体量的时间变化规律。
出流通量：描述从湖库流出的水体量的时间变化规律。
水体体积：湖库的总体积。
初始水质条件：描述湖库水体的初始水质参数，如溶解氧、氮、磷等浓度。
定义变量：
时间：模拟的时间尺度。
水质参数：描述湖库水体中各种污染物或指标的浓度。
模型方程：
质量守恒方程：根据湖库的入流通量、出流通量和水体体积，可以建立质量守恒方程来描述水质参数的变化过程。
该方程表示了水质参数随时间的变化率。
物质平衡方程：根据湖库水体的水质特征和水质参数的相互作用关系，可以建立物质平衡方程来描述水质参数之间的转化过程。
该方程表示了水质参数之间的转化速率。
模型求解：
数值求解方法：采用数值方法求解模型方程，常见的方法包括欧
拉法、龙格-库塔法等。
通过离散化时间和空间，将模型方程转化为差分方程，然后迭代求解得到水质参数随时间的变化情况。
边界条件：根据实际情况，设置模型的边界条件，如入流通量、出流通量和初始水质条件。
河流水质模型
D0－河流起始点的氧亏值
Dc－临界点的氧亏值
复氧曲线 耗氧曲线
tc—由起始点到临界点的流经时间
tc
时间t
溶解氧氧垂曲线
临界点氧亏值: Kd L0
dD 0 dt
Dc=
A
Kd tc Ka
B
C
#2022
S-P模型的修正型
一、多河段水质模型的概化
水质模型的解析解是在均匀和稳定的水流条件 下取得的，划分断面的原则：
V-水的体积
欧康奈尔 （ D.O’·Conner ）和多宾斯（W·Dobbins）在
1958年提出根据河流的流速、水深计算大气复氧速度常数
的方法：
KL = C
uxn Hm
饱和溶解氧浓度Cs是温度、盐度和大气压力的函数。在 760mmHg压力下，淡水中的饱和溶解氧浓度为
T为0c
468 Cs = 31.6 + T
x ux
）〕
5. 含氮有机物排入河流后，同样发生生物化学氧化过程：
LN =LN〔0 exp（-KN
x ）〕
ux
三、大气复氧
水中溶解氧的主要来源是大气。氧气由大气进入水 中的质量பைடு நூலகம்递速度：
dC dt
=
KLA V
(Cs - C)
C-河流水中溶解氧的浓度
Cs-河流水中饱和溶解氧的浓度 KL-质量传递系数 A-气体扩散的表面积
CK HERE TO ADD A TITLE
三章 河流水质模型
单击此处添加文本具体内容 演讲人姓名
添加标题 河流中的基本水质问题
添加标题 多河段水质模型
添加标题 河口水质模型
添加标题 单一河段水质模型
添加标题 其它河流水质模型
流域水动力水质模型
流域水动力水质模型全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：流域水动力水质模型是一种用来模拟流域内水体水流情况以及水质变化的数学模型。
流域是由一条或多条河流以及与之相连的湖泊、沼泽等水域和地表流域组成的一片水域集合。
流域水动力水质模型可以帮助我们更好地了解流域内水资源的分布情况、质量状况以及对自然环境的影响，为环境保护和水资源管理提供科学依据。
流域水动力水质模型通常包括两个部分：水动力模型和水质模型。
水动力模型主要用来模拟流域内水体的运动规律，包括水流速度、水流方向、水深等参数。
水动力模型可以帮助我们了解水体在流域内的传输路径和传输速度，从而为水质模型提供输入参数。
水质模型则是用来模拟流域内水体的污染物传输和浓度变化情况。
水质模型可以根据水动力模型提供的流速和流向数据，模拟污染物在水体中的扩散和迁移过程，帮助我们评估水体的水质状况以及控制污染物的传播路径。
流域水动力水质模型的建立需要大量的水文数据和水质监测数据作为输入。
水文数据包括雨量、蒸发、径流等数据，用来描述流域内水文循环的基本过程。
水质监测数据包括各种水质参数的浓度数据，用来评估流域内水体的水质状况。
通过对这些数据的采集和处理，可以建立出精确的流域水动力水质模型，用来模拟流域内水体的水流和水质变化情况。
流域水动力水质模型可以用于多种用途，包括水资源规划、水环境管理、水质监测等方面。
在水资源规划方面，流域水动力水质模型可以帮助我们了解流域内水资源的分布情况和变化趋势，为水资源的合理开发和利用提供科学依据。
在水环境管理方面，流域水动力水质模型可以帮助我们评估流域内水体的水质状况，识别污染物的传播路径和影响范围，为水环境保护和治理提供技术支持。
在水质监测方面，流域水动力水质模型可以实时监测流域内水体的水质情况，及时发现水质异常，为水质监测和警报提供依据。
流域水动力水质模型是一种重要的工具，可以帮助我们更好地了解流域内水体的水流和水质情况，为水资源管理和环境保护提供科学依据。
水质模型计算题
x=1km 处的BOD5和DO值。
具有排污口的河段BOD-DO水质模型：
BOD5：
B2
B1
1
0.0116
K1 U
x
0.0116B
B* B1Q
DO：
c2
c1
1
0.0116
(
K1
B1
K c1U
2
D1)Βιβλιοθήκη x0.0116
C* c1Q
河流稀释比
������
=
������ ������+������
80
= 4.2 × 107������/������ = 4.2 × 104������������/������
−0.5×1
（1）BOD5 ： Bx=1=20 x ������ 20 =19.51mg/L
（2）氧亏量：
Dx=1=10..05−×02.05 ×
−0.5×1
−1.0×1
������ 20 − ������ 20
−1.0×1
+ 1 × ������ 20 =1.43mg/L
（3）临界氧亏量：
cx
c0
u exp
2Ex
1
1
4kEx u2
x
带入 c0=20mg/l，U=20km/d，K=2d-1，Ex=1m2/d 得 x=1km时， cx=1=18.10mg/L
x=3km时， cx=3=14.82mg/L x=5km时， cx=5=12.13mg/L
第五章 水质模型 课后题详解
环境水利学
1.一均匀河段，有一含BOD5的废水从上游段流入，废水流量q=0.2m³/s， 相 应 c2=200mg/L ， 大 河 流 量 Q=2.0m³/s ， 相 应 c1=2mg/L ， 河 流 平 均 流 速 U=20km/d，衰减系数K1=2d-1，扩散系数Ex=1m2/d，试推算废水入河口一下 1km，3km，5km处的BOD5浓度值。
2 一维水质模型的建立及求解
Ａ ｘ ｅ
一 ｕ ａ ｔ ） 十七几 。 炙 ， 一 ， 尸 ＋ Ｋ ， ａ ｔ ）
， ．， 五 ａ ｔ
Ａｘ ＇ ２ Ａ ｘ ＇ （ ５ － １ ０ ｂ ）
＝ ａ Ｃ 二 ： ＋ 那夕 十 厂ｌ ＋ ，
式中
“ ＝吸 —
， ｕ ａ ｔ ａ ｔ Ｅ，
＋ ８ Ｃ Ｑ 一 与（ Ｅ ， 十 Ｅ ， 十 Ｅ ， ） 与＋ Ｔ Ｓ ， Ａ
８ ｘ 一 ” － 一８ ｘ －一 式
￣ ，
－
ｌ＋１ 中
Ｃ 式
ａ＝Ｌ 甲 ， － ， １ △ｘ｀
， Ａ ｔ Ｅ，
ｕ Ａ ｔ 一Ｌ － ） ６ ＝（
△尤
Ｙ＝ ｌ １ 一—
稳定性条件：
一 一 一 一
ａ Ｃ 二 ： 十 床一 二 １ 十 厂尸
＿Ｅ 山
△工‘
一， ＆ ， Ａ ｔ ）
ｕ Ａ ｔ Ｅ Ａ ｔ ，
然河流，常采用下列方程：
丝＝ Ｋ ， （ Ｏ ｝ － Ｏ ） 一 Ｋ ， Ｄ ｄ ｔ
水中溶解氧的饱和浓度与水温有关，可用下列经验公式计算， ｓ Ｏ
４ ６ ８
（ ５ －７ ）
式中， ０为水中溶解氧 （ Ｄ Ｏ ） 浓度； Ｏ ： 为水中溶解氧的饱和浓度； Ｄ ＝ Ｏ ， － Ｏ 为溶解氧饱和差，即氧亏；Ｋ ２ 为复 氧系数。
乃 刀
ａ ｋ － ２
０
之 －ｌ
‘ 备 扣
十
ａ
」
＝ ９ １ 一 ｌ ｗ Ｗ １ Ｃ Ｚ ｎ ｆ ｌ
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对于ｉ ＝ ２ ， ・ 一 ， ｋ 一 １
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水质模型 — 可较好描述污染物在水环境中 的复杂规律及其影响因素之间的相互关系，因此 水质模型是研究水环境的重要工具。 水质模型的基本原理是根据质量守恒原理。 污染物在水环境中的物理、化学和生物过程 的各种模型，大体经历了三个发展阶段， 即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。
2．Thomas模型(忽略离散作用)
在s—P模型的基础上，增加固悬浮物的沉 淀和上浮引起的删的变化速率(K3L0)，则：
二、 湖泊富营养化模型
目前常采用的有多元相关模型、输入输出模 型、富营养化预测模型和扩散模型。
前三种模型实际上只能预测未来湖泊水质的 平均发展趋势，而扩散模型可反映湖泊水质的空 间变化，预测污水人湖口附近局部水域可能出现 的严重污染程度。 实际应用时可根据湖泊的污染特征和基础资 料等情况选用相应模型。
一、 氧平衡模型
1．Streeter—Phelps模型(S—P模型)
假定河流的自净过程中存在着两个相反的过程.
a.
有机污染物在水体中先发生氧化反应，消耗水体 中的氧，其速率与其在水中的有机污染物浓度成 正比
b.
大气中的氧不断进入水体，其速率与水中的氧亏z 值成正比.
根据质量守衡原理，提出一维稳态河流的 BOD—DO藕合模型的基本方程式如下：
当人湖污染物为氮、磷等营养物时，根据质量守恒原理．湖水中污染物 的变化不仅与进出湖泊的数量有关，而且还受其沉降速率的影响。