零维水质模型的适用条件
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
水质模型
湖泊富营养化
湖泊的富营养化是由磷、氮的化合物过多排放引起的 污染。主要表现为水体中藻类的大量繁殖，严重影响 了水质。
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湖泊水质污染预测模型对于预测湖泊水质 发展趋势及提出相应的防治对策有着重要 的意义。 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，而扩散模型可以反映湖泊 水质的空间变化，预测污水入湖口附近局 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。
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为了求得在均匀混合条件下，V稳定时上述方 程的解，Vollenweider，Dillon，合田健和经济 合作与发展组织（OECD）还分别求得以下湖 水总磷质量浓度的计算公式。
1.Vollenweider公式 ρ=ρ1（1＋√ Z／Q）-1 式中：ρ——湖水按容积加权的年平均总磷质量浓度，mg/L； ρ1——流入湖泊水量按流量加权的年平均总磷质量浓 度（包括入湖河道，湖区径流和湖面降水的总 量），mg/L； Z——湖泊的平均水深，可用湖泊容积（V）除以湖泊 相应的表面积求得，m； Q——湖泊单位面积上的水量负荷，可用湖泊的年流 入水量（qm）除以湖泊的表面积（A）来求得， t/（m2· a）。
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S-P模型基本方程及其解
dL k1 L dt dD k1 L k 2 D dt
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；
3.合田健公式 L ρ= ——————-----Z（qV/V+α)
水质模型——精选推荐
第四章水质模型与水环境容量1、污染物质在水中有哪些运动形式？污染物质在水中运动的形式，可以分为两大类：一类是随流输移运动，一类是扩散运动。
在随流输移运动中，污染物服从水体的总体流动特征，产生从一处到另一处的大范围运动（包括主流方向以及垂直主流方向）。
而扩散运动则是使污染物质在水体中得到分散和混和的物理机制，按物理机制的不同，扩散运动包括分子扩散、紊动扩散和剪切流离散。
此外，在工程实际当中遇到的水体大都是具有固体边界的（大面积水体中的局部污染问题除外），而污染物在边界附近，将产生所谓边界反射问题，而且这种反射作用往往对污染物的分布产生重要影响，不可忽略。
2、什么是水质模型和环境容量？水质模型，是一个用于描述物质在水环境中的混合、迁移的，包括物理、化学、生物作用过程的数学方程，该方程（或方程组）用来描述污染物数量与水环境之间的定量关系，从而为水质评价、预测和环境影响分析提供基础的量化依据。
环境对污染物的容纳也有一定限度，这个限度我们称之为环境容量或者环境负荷量，超过了这个限度，环境就可能遭到破坏。
水环境容量则是指在满足一定的水环境质量标准的前提下，水体能够容纳污染物的最大负荷量。
水环境容量的推求同样是以污染物在水体中的输移扩散规律以及水质模型为基础的，是对污染物基本运动规律的实际应用。
水环境容量的计算，从本质上讲就是由水环境标准出发，反过来推求水环境在此标准下所剩的污染物允许容纳余量，其中包含了在总量控制的情况下，对纳污能力的估算和再分配。
3、什么是水质模型？水质模型是一个用于描述污染物质在水环境中的混合、迁移过程的数学方程或方程组。
建立水质模型，首先要针对所研究污染的性质选择合适的变量，明确这些变量的变化趋势以及变量相互作用的实质；然后用数学方程或方程组予以描述，建立模型，利用数学方法求解；最终与实际资料对比、验证，修改、提炼模型，以解决实际问题。
4、分子扩散运动的费克定律有哪些主要内容？（1）费克（fick）第一定律费克（fick）第一定律提出单位时间内，通过单位面积的溶解物质与溶质浓度在该面积法线方向的梯度成比例，扩散强度与污染物自身特性有关。
水质模型及其应用研究进展
水质模型及其应用研究进展随着环境保护意识的不断提高，水质模型的研究与应用逐渐成为水环境管理领域的热点话题。
本文将概述水质模型的概念、定义及其应用背景，并综述近年来水质模型的研究进展，以期为相关领域的研究和实践提供有益的参考。
水质模型是描述水中污染物传输、转化和降解过程的数学模型，广泛应用于水环境质量评价、污染物排放控制、水处理工艺设计等领域。
随着计算机技术的发展，水质模型的应用逐渐由定性描述向定量预测转变。
本文将从研究现状和模型应用两个方面，探讨水质模型的研究进展及其在实际问题中的应用。
近年来，水质模型的研究取得了长足的进展。
根据模型的原理和应用范围，可将现有的水质模型大致分为三类：物理模型、化学模型和生态模型。
物理模型主要水体中污染物的扩散、对流和吸附等物理过程。
常用的物理模型包括扩散对流方程、表面张力模型等。
这些模型的优势在于能够准确描述污染物的空间分布和动态变化，但往往忽略了污染物的化学和生物过程。
化学模型则重点水中污染物的化学反应过程，如氧化还原反应、络合反应等。
典型的水质化学模型有零维或多维扩散方程，以及基于反应动力学的模型。
化学模型具有较好的理论依据，但对反应机制和动力学参数的要求较高。
生态模型则结合了物理和化学模型的优势，同时考虑了水生生物和环境因素对水质的影响。
典型的生态模型包括河流生态系统模型、湖泊生态系统模型等。
这些模型通过模拟生物群落的结构和功能，能够更全面地评估水环境的质量状况。
然而，生态模型的应用仍面临数据获取和处理等方面的挑战。
为了提高模型的预测精度，研究者们还提出了多种耦合模型，即将不同类型的模型进行组合，以弥补单一模型的不足。
例如，物理-化学耦合模型综合考虑了污染物的物理和化学过程，能够更准确地模拟水质的动态变化。
生态-化学耦合模型、生态-物理耦合模型等也逐渐得到应用。
这些耦合模型的发展为水质模型的未来研究提供了新的方向。
水质模型在实际问题中的应用取得了丰硕的成果。
环境影响评价师辅导：常用河流水质数学模型与使用条件
常⽤河流⽔质数学模型与使⽤条件
河流完全混合模式的适⽤条件：①河流充分混合段；②持久性污染物；③河流为恒定流动；④废⽔连续稳定排放
河流⼀维稳态模式的适⽤条件：①河流充分混合段；②⾮持久性污染物；③河流为恒定流动；④废⽔连续稳定排放
河流⼆维稳态混合模式的适⽤条件：①平直、断⾯形状规则河流混合过程段；②持久性污染物；③河流为恒定流动；④连续稳定排放；⑤对于⾮持久性污染物，需采⽤相应的衰减模式。
河流⼆维稳态混合累积流量模式与适⽤条件：①弯曲河流、断⾯形状不规则河流混合过程段；②持久性污染物；③河流为恒定流动；④连续稳定排放；⑤对于⾮持久性污染物，需采⽤相应的衰减模式。
（S-P）模式：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河流为恒定流动；⑤污染物连续稳定排放。
河流混合过程段与⽔质模式选择
预测范围内的河段分为充分混合段、混合过程段和上游河段。
充分混合段：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。
需采⽤⼀维模式或零维模式预测断⾯平均⽔质。
混合过程段：指排放⼝下游达到充分混合以前的河段。
需采⽤⼆维模式预测断⾯平均⽔质。
上游河段：排放⼝上游的河段。
⼤、中河流⼀、⼆级评价，且排放⼝下游3～5㎞以内有集中取⽔点或其他特别重要的环保⽬标时，均应采⽤⼆维模式预测混合过程段⽔质。
第七章 水质模型
QUAL2K相对于QUAL2E模型而言，它不仅适用于混合的枝状河 流系统，而且允许多个排污口、取水口的存在以及支流汇入和流
出，尤其对藻类、营养物质、光三者之间的相互作用进行了矫正，
并在模拟过程对输入和输出等程序有了进一步改进，主要增强功
能包括计算功能的扩展、新反应因子的增加,如藻类BOD、反硝
化作用和固着植物引起的DO变化。对于任意一种水质组分,有:
水质模型研究的深 化、完善与广泛。 考虑水质模型与面 源模型的对接,并 采用多种新技术方 法,如:随机数学、 模糊数学、人工神 经网络、专家系统 等。
四、建立水质模型的基本步骤
调查研究，获取资料 模型的一般性质研究 初步建立模型 模型验证 模型应用
§6-2 河流水质模型
一、BOD-DO耦合模型（S-P模型）及其修正模型
k1 x / u
S-P适用的5个条件
a、河流充分混合段； b、污染物为耗氧性有机污染物； c、需要预测河流溶解氧状态； d、河流为恒定流动； e、污染物连续稳定排放。
25 20 15 10
L mg/L DOmg/L
DOmg/L
L mg/L
5 0 0
氧垂曲线示意图
2
4
6
8
10 X km
(四)奥康纳模型
LC u (k1 k3 ) LC x LN u k N LN x D u k1 LC k N LN k 2 D x
kN—硝化BOD耗氧系数，1/d；
( k1 k3 ) x / u L L e 其解析解为: C 0C kN x /u L L e N 0N k1 L0 ( k1 k3 ) x / u k2 x / u k2 x / u D D e ( e e ) 0 k2 k1 k3 k L N 0 N (e k N x / u e k2 x / u ) k2 k N
4.2 水质模型及应用
BOD－DO耦合模型（S－P模型）P96
• 模型的假设条件：
BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应； 反应速率常数是定常的； 水体耗氧全部是由BOD衰减引起； 溶解氧完全来源于大气复氧。
• 模型的解析解 （式6-11；6-12；6-13；6-14） • 适用条件：河流充分混合段，污染物为耗氧
有机物，需要预测河流溶解氧状态；河流为恒 定流动，污染物连续稳定排放（稳态）
河口二维动态混合衰减数值模式
湖泊（水库）水质模型
• 湖泊完全混合平衡模式与湖泊完全混合衰减模式 （适用于小湖库，可求稳定的平衡出水浓度） • 卡拉乌舍夫模式与湖泊推流衰减模式（适用于无
风大湖库的点源排放，计算离排放口径向距离r处 的平衡浓度）
水质模型及应用
水质数学模型 P113
• 描述水体的水质指标在各种因素作用下随时间和 空间的变化关系的数学模式 • 采用水质模式进行水环境影响预测是最常用的预 测方法
• 最重要的是选用合适的模式和正确的参数
水质数学模型分类 P113
• 按上游来水和排污随时间的变化情况： 动态模式、稳态模式 • 按水质的空间分布状况： 零维、一维、二维和三维模式 • 按模拟预测的水质组分： 单一组分、多组分耦合模式 • 按预测水体类型： 河流、河口、湖库、海洋模式 • 按水质数学模式的求解方法及方程形式： 解析解模式、数值解模式
欧康那河口衰减模式 P116
适用：均匀河口；非持久性污染物；稳态；充分混合段
均匀河口的模型稳态解析解为（叠加了背景浓度）：
上溯(x<0，自x=0处排入)
ux x c exp (1 M ) ch (Qh Q p ) M 2Ex c pQp
下泄(x>0)
水质模型
L ek1x / u 0
Cs (Cs
C0 )ek2x / u
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
8 7 6 5 4 3 2 1 0
10 X km
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ-P 模型的临界点和临界点氧浓度
Z0.5
qV
式中符号意义同前。 按照上述各方程要求，应用于玄武湖水质中总磷、 总氮浓度的预测和验算，结果表明，用 Vollenweider模型预测总磷、合田健模型预测总 氮，预测精度最高。
谢谢
湖泊富营养化
湖泊的富营养化是由磷、氮的化合物过多排放引起的 污染。主要表现为水体中藻类的大量繁殖，严重影响 了水质。
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湖泊水质污染预测模型对于预测湖泊水质 发展趋势及提出相应的防治对策有着重要 的意义。 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，而扩散模型可以反映湖泊 水质的空间变化，预测污水入湖口附近局 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。
式中：ρ ——湖水总磷的预测质量浓度，mg/L； L——湖泊单位面积上年度总磷的负荷量，g/(m2·a)； qV——年入湖水体积流量，m3/a； V——湖泊的容积，m3； Rp——磷的滞留系数，Rp=1－（年输出总磷量/年输
入总 磷量）。
3.合田健公式 L
ρ= ——————-----Z（qV/V+α )
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零维水质模型的适用条件
零维水质模型的适用条件：
1.局部环境：零维水质模型适用于局部环境，如湖泊、河流、
水库等水体，并且假设该水体是均质且稳态的。
2.稳态建模：零维水质模型适用于研究水体在稳态条件下的水
质变化规律，即水体的污染物浓度在短时间内不发生显著变化。
3.均质水体：零维水质模型假设水体为均质体，即假设水体的
所有点的水质参数是相同的，不考虑水体的复杂结构和非均质性质。
4.少量污染物：零维水质模型适用于处理少量污染物的情况，
对于大量污染物的情况，需要使用其他模型。
5.简单水体：零维水质模型适用于简单的水体，对于比较复杂
的水体，需要考虑更多的因素，如水流速度、水深、水体结构等。
6.参数确定：零维水质模型需要准确的模型参数，如流速、混
合强度、输运参数等，需要通过实测数据或文献数据来确定。