环境水力学ch5-4

1、环境水力学环境水力学 郑天柱郑天柱 扬州大学扬州大学 环境科学与工程学院环境科学与工程学院 第第 2 2 节节 河道远区浓度场的计算方法河道远区浓度场的计算方法 一、瞬时点源远区动态解 二、连续点源远区稳态解 三、连续分布源远区稳态解 四、多个源输入的叠加 五、空间流量变化时的连续分布源远区稳态解 一维随流方程 D Sck dx dc V 1 0)0(c边界条件： 式中，SD为连续输入分布源M/L3T 三、连续分布源远区稳态解 1、不考虑分散作用 A m SD m Vx oB M/LT HBA 外部源输入 H S S B D B S V x o H M/L2T 内部源输入 )exp(1 )(

2、1 1 V x k k S xc D )exp(1 * 1 1 tk k SD 上述方程的解为： 式中：t*为行进时间。 当 时， 3 * 1 tk 1 95. 0 k S c D 6 . 4 * 1 tk 1 99. 0 k S c D 当 时， x o c 1 k SD A m SD m Vx oB M/LT HBA 外部源输入 t* 1、两点源叠加（忽略分散作用） 扩散方程简化为： 20 10 1 )( )0( clc cc ck dx dc V 时当lx V x kcxc0,exp)( 1 1101 )exp( 1 110 2 1 2 2 20 1 1 10 V l kc Q Q Q

3、m c Q m c 解得: 式中： 时当lx V lx kcxc ,exp)( 2 1202 V l 1 1 2 2 Qu Cu=0 Qe1 Ce1 Qe2 Ce2 0 x c10 c20 1 1 1 11 A Q V QQQ eu 2 2 2 212 A Q V QQQ e 浓度分布图 四、多个源输入叠加 2、点源和分布源相叠加 扩散方程简化为： 20 10 1 )( )0( clc cc Sck dx dc V D )0( )exp(1 (exp)( 1 1 11 1101 lx V x k k S V x kcxc D 解得: )exp(1 ()exp( 1 1 11 11020 1 1

4、 10 V l k k S V l kcc Q m c D 式中： )(,exp)( 2 1202 lx V lx kcxc V l 1 1 2 2 Qu Cu=0 Qe1 Ce1 1 1 1 11 A Q V QQQ eu 0 x c10 c20 浓度分布图 2 2 2 12 A Q V QQ 例题 x(km)12.526.038.651.6 c(MPN/100ml) 46500 1680090003000 V=0.25m/s 5km 1 1 2 2 Qu=15m3/s Cu=0 Qe1=0.5m3/s 1 1 1 11 A Q V QQQ eu 2 2 2 212 A Q V QQQ e

5、Qe2=0.25m3/s x 3km 滩地 某河段设有两个污水厂排水口，监测下游 大肠杆菌资料如下： 两污水厂出水总大肠杆菌浓度为3106MPN/100ml， 要保证下游滩地总大肠杆菌不超过2000MPN/100ml， 问污水厂允许排放大肠菌浓度为多少？ xo 103 104 105 15304560 lnc 解: 1 12 21 1 d20. 1 1045 )5000/35000ln(4 .8625. 0 )/ln( xx ccV k ml100MPN/96770 5 . 015 1035 . 0 6 1 10 eu uu QQ CQm C km/d6 .214 .8625. 0V ml10

6、0MPN/47600 25. 05 . 015 10325. 0 6 21 2 20 eeu QQQ m C ) 5 exp()exp()( 120110 V x kc V x kcxc 当x5时: ) 6 . 21 58 2 . 1exp(47600) 6 . 21 8 2 . 1exp(96770)8( c在x=8km处, ml100MPN/5 .102339 5 .402920 .62047 由于: ml100MPN/57000)981. 01 (103 %1 .98%100 5 .102339 20005 .102339 6 排放量削减 允许排放浓度 V Qu=1 Cu=0 CR=30

7、0mg/L QR0.1m3/s 1km 合流雨水溢流管以0.1m3/s流量，BOD浓度300mg/L，均匀排入1km 长的河段，设上游来水流量1m3/s，BOD浓度为0，河流中BOD降解 速率为0.4d-1,试求下游10km处BOD浓度。（截面面积18m2) 解: )/(10667. 1 181000 3001 . 0 /056. 0 18 1 33 smg LA CQ S sm A Q V ee D u )exp(1 )( 1 1 V x k k S xc D )(,exp)( 10 lx V lx kcxc 0 x0 k1=0 c0 x c q=0 q0 k10 c0 0 )0( 0)(

8、cc ca 1 1 2 2 Cu=0 SD （2）考虑分散作用的连续分布源 D Sck dx dc V dx cd K 1 2 2 x 设空间分布源位于0,a 边界条件 适用于河口等潮汐河流。 浓度分布 xj ecxcx 1 01 )(0 时，当 )1)( 2 1 ( 1 1 0 aj D e k S c 2 1 1 4 1),1 ( 2V Kk K V j ) 2 1 () 2 1 (1 )( 21 )( 1 2 xjaxj D ee k S xcax0 时，当 2 1 2 4 1),1 ( 2V Kk K V j )( 3 2 )( axj ae cxcax 时，当 )1)( 2 1 (

9、2 1 aj D a e k S c 2 1 2 4 1),1 ( 2V Kk K V j （1） （2） （3） 浓度分布 x K k ecxcx 1 01 )(0 时，当 ) 2 1 ( 1 1 0 a K k D e k S c 2 1 2 1 1 )( 11 1 2 x K k ax K k D ee k S xcax0 时，当 )( 3 1 )( ax K k ae cxcax 时，当 （1） （2） （3） 当V0时 ) 2 1 ( 1 1 a K k D a e k S c x c q=0 q0 k10 c0 复习与思考 1、当研究河段的水力学条件满足( )时，可 考虑应用零维水

10、质模型。 A. 非恒定非均匀，洪水波 B. 恒定非均匀，形成污染带 C. 恒定均匀，充分混合 D.恒定均匀，非充分混合 2、最容易发生富营养化污染的水体是( )。 A河流 B. 湖泊 C. 海洋 D地下水 C B 3、河流断面宽深比（）可视为矩形河流。 A.15B.20C.10D.10 4、大气浓度预测公式中的y,z指 （ ） A. 横向扩散系数和纵向扩散系数 B. 横向扩散系数和垂向扩散系数 C. 时间扩散系数和纵向扩散系数 D. 横向扩散参数和垂向扩散参数 B D 5、产生紊动混合的主要因素是 ( ) A. 风力 B. 水力坡度 C. 密度差异 D. 温度差异 6、下列说法不正确的是（ ）

11、 A. 物理过程：指污染物在水体中的混合稀释和自然沉淀过程 B. 化学过程：指污染物在水体中发生的理化性质变化等化学反应，对 水体净化起作用的主要是氧化还原反应 C. 生物自净过程：微生物在溶解氧充分的情况下，将一部分有机污染 物当食饵消耗掉，将另一部分有机物氧化分解为无害的简单无机物 D. 紊动扩散：指水流的紊动作用引起的水中污染物自低浓度向高浓度 区域扩散过程 B D 7、在河流中，影响污染物输移的主要物理 过程是（ ） A. 随流输运 B. 横向扩散 C. 纵向扩散 D. 以上三者 8、河流稀释混合模式中，点源稀释混合模 型是（ ） A. B. C. D. Q W QQcQcc s ee

12、uu 4 .86 eueeuu QQQcQcc d tk c c 1 0 1 V x kcc 86400 exp 10 B D 9、河流的一维稳态水质模型是（、河流的一维稳态水质模型是（ ） A. B. C. D. 10、上述为河流S-P水质模型是（ ） ) 4 exp( 4 ),( 2 xE Vz V x EhV m zxc z z )()( / 21 01/ 0 / 0 212 1 uxkuxkuxk ss uxk ee kk Lk eCCCC eLL ck x c K x c V t c 1 2 2 Dz S z c E x c K x c V 2 2 2 2 B B 11、对线性问题应

13、用叠加原理时，下列说法不正确的是( ) A. 多个污染源输入时，可分别计算每个污染源的浓度响应，再进行浓 度叠加 B. 对空间起始分布源输入，可将起始分布源分解为若干瞬时平面源， 再对每个瞬时源引导的浓度进行求和 C. 对恒定连续源输入，可将连续源按时间分解为若干瞬时源，再对每 个瞬时源引导的浓度进行求和 D. 断面上某点流速可分解为平均速度、偏差速度和脉动速度之和 12、下列说法不正确的是( ) A. 分子扩散方程实质上是质量守恒原理在环境水力学中的应用 B. 宽浅型河流的分散系数一定与河流水深成正比 C. 误差函数始终是增函数 D. 分子扩散系数 ，即不符合各向同性 zyx DDD 13、

14、上游来水CODCr(u)=14.5mg/L，Qu=8.7m3/s；污水 排放源强CODCr(e)=58mg/L，Qe=1.0m3/s。如忽略排污口至 起始断面间的水质变化，且起始断面的水质分布均匀， 则采用完全混合模式计算得到其浓度为( )。 A. 20.48mg/L B. 17.98mg/L C. 18.98mg/L D. 19.98mg/L 14、下列不属于瞬时源浓度解的有( ) A. B. C. D. 2 2 2 exp)0 , 0 ,( z zy H U m xc )exp( 442 ),( 0 D xu Dt utx erfc Dt utx erfc c txc Dt butx er

15、f Dt butx erf c txc 442 ),( 0 Dt zyutx Dt M tzyxc 4 )( exp 4 ),( 222 3 15、常规污染物瞬时点源河流一维水质方程 为： ，那么，在距离排放点下游x处的污 染物浓度峰值表达式为（） A B C D ck x c K x c V t c 1 2 2 d tk c c 1 0 1 ) 44 )( exp( 4 / ),( 1 22 tk tE z tE Vtx tEE hM tzxc zxzx 2 1 2 max 4 1,) 22 exp( 1 2 )( K xV K kx K Vx Ax M xc 2 2 2 2 22 exp

16、2 )1 ( z eg yzy p H U X V Y U m c 16、在潮汐河口和海湾中，最重要的物质输移机理是 （ ） A.垂直输移 B.潮汐输移 C.扩散 D.分子扩散 17、有风点源湍流扩散模式中，以排气筒地面位置为原点， 下风向地面轴线浓度计算公式是（） A. B. C. D. 2 2 2 2 2 exp) 2 exp()0 ,( zy zy Hy U m yxc G m YXcL 2 02 23 2 2 ),( )(2 1 2 PHUemc em 2 2 2 exp)0 , 0 ,( z zy H U m xc 18、河流中污染物降解速率k1的影响因素，下述不正 确的是（） A.

17、水体温度 B.河流结构和水流条件 C.污染物种类 D.污水与河水混合的三个阶段 19、关于氧垂曲线，下列不正确的是（ ） A. 氧垂曲线的最低点称为临界氧亏点 B. 临界氧亏点的亏氧量称为最大亏氧量 C. 氧垂曲线图上临界氧亏点的右侧，耗氧大于复氧 D. 在临界氧亏点处，耗氧和复氧相平衡 20、下列说法正确的有( ) A. 浮射流一定是变密度的流动，其密度佛汝德数大小是变化的 B. 河流的横向扩散系数一定大于横向混合系数 C. 射流出口的平均流速越大，则射流扩散角就越大 D. 条缝平面射流的浓度扩散角一定小于直径等于条缝宽度的圆断面 的浓度扩散角 21、计算临界氧亏点位置的计算公式是( ) A

18、. B. C. D. z c E VB x 2 4 . 0 z c E VB x 2 068. 0 )1 (ln 86400 1 12 0 0 1 2 12 k kk c D k k kk u xc z c E VB x 2 1 . 0 22、对岸边排放方式，计算排放点至充分混合断面的距 离公式是 ( ) 23、对岸边排放方式，计算排放点至横向扩散到对岸的 距离公式是 ( ) A. B. C. D. z M E VB L 2 4 . 0 z B E VB L 2 068. 0 )1 (ln 86400 1 12 0 0 1 2 12 k kk c D k k kk u xc z M E VB

19、L 2 1 . 0 24、河流中氧气的主要来源是（ ） A. 光合作用 B.空气中氧气的溶解 C.随水源带入 D.呼吸作用 25、瞬时源排放，湖泊水质计算公式是( ) A. B. C. D. d tk c c 1 0 1 t t k V M ctc d ) 1 (exp)()( 10 t t kct t kctc d B d ) 1 (exp1) 1 (exp)( 110 2 1 0 4 11 2 exp V Kk K Vx cc 26、下列说法不正确的是( ) A. 污染物浓度与水密度的量纲是一致的 B. 稀释度越大，则水体污染物浓度越高 C. 浓度单位ppm表示1kg水体中含有扩散持的质量

20、为1mg，近似等 于1mg/L D. 紊动扩散是由于流速场时间分布不均产生大大小小旋涡在层间 脉动引起的扩散作用 27、关于公式 下列说法不正确的是( ) A. 表示单位长度线源排放速率，单位为g/(ms) B. 为二维扩散方程 ，在边界条件 下的解 C. 适用于无界空间均匀层流流动 D. 为瞬时线源二维扩散方程的解 ) 4 exp( 4 ),( 2 Dx Vz DVx m zxc m 2 2 z c D x c V 0),(xc 28、关于分子扩散系数D，下列说法不正确的是( ) A. 分子扩散系数与流体运动粘性系数的量纲相同 B. 反映扩散质的固有物理属性，其大小与温度压力有关 C. 随着

21、扩散质和溶液种类不同而不同 D. 大小与浓度梯度成正比 29、随流输移扩散过程中，保守污染物的（ ）保持 不变。 A.所处位置 B.污染物的浓度 C.污染物的质量通量 D.污染物的质量 30.确定河流中污染物降解速率k1方法中，不正确的是（ ） A. 现场实测 B. 室内模拟实验测定 C. 公式计算和经验估值 D. 分子扩散试验测定 31、下列水质模型不正确的是（ ） A. 计算气态污染物最大落地浓度可用 B. 计算河流BOD5浓度沿程变化可用 C. 计算河流混合区稳态浓度可用 D. 连续点源河流一维稳态解 )(2 1 2 PHUemc em V x kkcc 86400 exp 310 )

22、4 )2( exp() 4 exp(),( 22 xE zBu xE uz xuEH Qc zxc zz z ee tk tE utx tE M txc x x 1 2 4 )( exp 4 ),( 32、不影响河流水质浓度计算的因素有 ( ) A. 排放口位置是设在河中心还是设在岸边和污染物排放量大小 B. 河流流速和污染物降解速率 C. 排放污水中细菌浓度的高低 D. 污染物是瞬时排放还是连续排放 33、下列说法不正确的有( ) A. 紊动扩散系数是流体运动状态的反映，与水温和水的密度等水的性 质无关 B. 一般来说， ，且数值上 C. S-P模型是非稳态模型，主要用于河流中有机污染物的浓

23、度计算 D. 在天然河流中，纵向剪切离散比紊动扩散作用大得多 zyx EEE zyx EEE 34、淡水最大密度时的温度为（ ） A. 4左右 B. 3左右 C. 2 左右 D. 0左右 35、当水体中的温度升高时，水中氧气的溶解度（ ） A.降低 B.升高 C.不变 D.可能升高,也可能降低 36、河流水质模型中，有机物生化反应符合一级反应动 力学规律，即( ) A. 反应速率与该有机物浓度的一次方成正比 B. 反应速率与该有机物浓度的二次方成正比 C. 该有机物降解速率k1为零 D. 忽略河流混合的第一、二阶段 37、瞬时点源解 ，则 t 时刻的等浓度面为( ) A. 同轴圆柱面 B. 同

24、心圆球面 C. 倾斜平面 D. 旋转抛物面 38、在公式 中，下列说法不正确的是( ) A. 表示以x轴为法线的单位面积上扩散质的质量通量，单位为 g/(m2s) B. 始终为正值 C. 公式右边负号表明扩散方向与浓度梯度方向相反 D. 扩散质可以从低浓度向高浓度方向扩散 2222 2 3 ,) 4 exp( )4( ),(zyxr Dt r Dt M trc x q x q x c Dqx 39、示踪剂实验法测定紊流扩散参数，选择示踪剂时不正确的是 （ ） A. 具有在水体中不沉降、不降解、不发生化学反应 B. 测定简单准确 C. 对环境无害 D. 与水体密度不同，如石油类物质 40、应用水

25、质模型时，不正确的说法是（ ） A. 大多数河流均采用二维稳态模型 B. 一般不采用三维模型 C. 不考虑混合过程的重金属污染物、部分有毒物质和其它保守物质 的下游浓度预测 ，可采用零维模型 D. 对于大中型河流的废水排放，横向浓度梯度较为明显时，需要采 用二维模型进行计算 41、不影响河流水质浓度计算的因素有 ( ) A. 排放口位置是设在河流中心还是设在岸边和污染物排放量大小 B. 河流流速和污染物降解速率 C. 污染物是瞬时排放还是连续排放 D. 排放污水中细菌浓度的高低 42、湖水中如果有氧气向空中逸散，则水中的溶解氧处 于（ ） A.过饱和 B.未饱和 C.缺氧状态 D.饱和度刚好达

26、到100% 43、当水体中的温度升高时，水中氧气的溶解度（ ） A.降低 B.升高 C.不变 D.可能升高,也可能降低 44、下列说法不正确的是( ) A. 浓度与水密度的量纲是一致的 B. 稀释度越大，则水体污染物浓度越高 C. 浓度单位ppm表示1kg水体中含有扩散持的质量为1mg，近似等 于1mg/L D. 紊动扩散是由于流速场时间分布不均产生大大小小旋涡在层间 脉动引起的扩散作用 复习题 1、某河段的上断面处有一岸边排放口稳定地向河流排放污水，其 污水排放特征为：Qe=4.5m3/s，BOD5(e)=60mg/L；河流水环境特征 参数为Qh=25.0m3/s， BOD5(h)=2.6mg/L。假设污水一进入河流就 与河水均匀混合，试计算在排污口断面处BOD5的浓度？ 2、在河流岸边有一连续稳定排放污水口，河宽 15m，水深1.5m， 河水流速0.3m/s，横向扩散系数0.05m2/s，（1）求污水到达对岸 的纵向距离Lb和完全混合的纵向距离Lm；（2）若污水排放口排放 速率 20 g/s。求污染物到达对岸的浓度C(Lb,B)、C(Lb,0)，完全混 合的断面浓度C(Lm,B)、C(Lm,0)各是多少？ 3、均匀河段上有一废水排放口，河水平均流速 u=20km/d，排放 口起始断面河水(和废水完全混合后)含BOD浓度为 c