Chapter.04.3.水质模型

1、2021-11-41第二节第二节 常用的河流水质模型常用的河流水质模型 河流水质模型简介河流水质模型简介 河流的混合稀释模型河流的混合稀释模型 河流水质零维模型河流水质零维模型 河流水质一维模型河流水质一维模型 河流水质二维模型河流水质二维模型 S-P S-P 模型模型重点重点难点难点.重点重点了解了解了解了解 水质模型是一个用于描述物质在水中混合、迁移等水质模型是一个用于描述物质在水中混合、迁移等变化过程的数学方程，即描述水体中污染物与时间变化过程的数学方程，即描述水体中污染物与时间、空间的定量关系。、空间的定量关系。 水质模型的分类：水质模型的分类：1、按水域类型按水域类型：河流、河口、河

2、网、湖泊河流、河口、河网、湖泊2、按水质组分：按水质组分：单一组分、耦合组分（单一组分、耦合组分（BOD-DO模型）、模型）、多重组分（比较复杂，如综合水生态模型）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：按水力学和排放条件：稳态模型、非稳态模型稳态模型、非稳态模型水质模型分类水质模型分类2021-11-43 水质模型按水质模型按 空间维数分类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2021-11-44水质模型维数的选择水质模型维数的选择 零维：零维：3个方向都不考虑个方向都不考虑 一维：仅考虑纵向一维：仅考虑纵向 二维：考虑纵向、横向二维：考虑纵向、横

3、向 三维：三维：3个方向都考虑个方向都考虑2021-11-45均匀混合段混合段背景段污水注入点污水注入点完全混合点完全混合点L混合段总长度混合段总长度均匀混合段背景段污水注入点污水注入点瞬间完全混合瞬间完全混合既是污水注入点，也是完全混合点既是污水注入点，也是完全混合点混合段背景段污水注入点污水注入点没有完全混合点没有完全混合点L混合段总长度混合段总长度2021-11-46 河流的混合稀释模型河流的混合稀释模型 在最早出现的水质完全混合断面，有：在最早出现的水质完全混合断面，有：hhPPEPC QC QCQQ式中：式中：Q Qh h河水流量，河水流量， m m3 3/s/s； C Ch h河水

4、背景断的污染物浓度，河水背景断的污染物浓度， mg/Lmg/L； C CP P废水中污染物的浓度，废水中污染物的浓度， mg/Lmg/L； Q QP P废水的流量，废水的流量， m m3 3/s/s； C C完全混合的水质浓度，完全混合的水质浓度， mg/Lmg/L。2021-11-47完全混合模型适用条件完全混合模型适用条件 稳态：河流；排污稳态：河流；排污 下游某点废水和河水在整个断面上下游某点废水和河水在整个断面上达到了均匀混合达到了均匀混合 持久性的污染物持久性的污染物 该河流无支流和其他排污口进入该河流无支流和其他排污口进入 2021-11-48例题例题1：完全混合模型：完全混合模型

5、 P135 3 计划在河边建一座工厂，该厂将以2.83m3/s的流量排放废水，废水中总溶解固体（总可滤残渣和总不可滤残渣）浓度为1300mg/L，该河流平均流速为0.457m/，平均河宽为13.72m，平均水深为0.61m，总溶解固体浓度为310mg/L，如如果该工厂的废水排入河中能与河水迅速混合果该工厂的废水排入河中能与河水迅速混合，那么总溶解固体的浓度是否超标（设标准为500mg/L）？答案：731mg/L，超标0.46倍2021-11-49稳态条件下基本模型的解析解稳态条件下基本模型的解析解 什么是稳态？什么是稳态？ 在环境介质处于稳定稳定流动状态和污染源连续稳定稳定排放的条件下，环境中

6、的污染物分布状况也是稳定稳定的。这时，污染物在某一空间位置的浓度不随时间变化，这种不随时间变化的状态称为稳定稳定。 参看P119+1202021-11-4101、零维模型、零维模型 零维是一种零维是一种理想状态理想状态，把所研究的，把所研究的水体如一条河或一个水库看成一个水体如一条河或一个水库看成一个完整的体系，当污染物进入这个体完整的体系，当污染物进入这个体系后，系后，立即完全均匀的分散立即完全均匀的分散到这个到这个体系中，污染物的浓度不会随时间体系中，污染物的浓度不会随时间的变化而变化。的变化而变化。2021-11-411河流零维模型的应用条件河流零维模型的应用条件 对于对于较浅、较窄较浅

7、、较窄的河流，如果的河流，如果不考虑不考虑污染物的降解项污染物的降解项时，当满足时，当满足符合下面符合下面两个两个条件之一条件之一的环境问题可化为零维模型：的环境问题可化为零维模型：（1 1）河水流量与污水流量之比大于）河水流量与污水流量之比大于2020；（2 2）不需要考虑污水进入水体的混合距离。）不需要考虑污水进入水体的混合距离。一般用于持久性污染物一般用于持久性污染物2021-11-412稳态条件下的河流的零维模型稳态条件下的河流的零维模型0011()8 6 4 0 0CCCxktku式中：C流出河段的污染物浓度，mg/L; C0-完全混合模型计算出的浓度值完全混合模型计算出的浓度值，

8、mg/L; x河段长度，河段长度，m。 k-污染物的衰减速率常数 1/d； u河水的流速，m/s; t两个断面之间的流动时间两个断面之间的流动时间。2021-11-413例题例题2：河流的零维模型：河流的零维模型 P135 4 有一条比较浅而窄的河流，有一段长有一条比较浅而窄的河流，有一段长1 1kmkm的河的河段，稳定排放含酚废水段，稳定排放含酚废水1.01.0m m3 3/s;/s;含酚浓度为含酚浓度为200200mg/Lmg/L，上游河水流量为上游河水流量为9 9m m3 3/s/s，河水含酚浓河水含酚浓度为度为0 0，河流的平均流速为，河流的平均流速为4040km/dkm/d，酚的衰减

9、酚的衰减速率常数速率常数k k2 2 1/d1/d，求河段出口处的河水含酚求河段出口处的河水含酚浓度为多少？浓度为多少？答案：21 mg/L2021-11-414 2、一维模型、一维模型 适用于适用于符合一维动力学降解规符合一维动力学降解规律律的一般污染物，如氰、酚、有机的一般污染物，如氰、酚、有机毒物、重金属、毒物、重金属、BODBOD、CODCOD等单项指等单项指标的污染物。标的污染物。2021-11-415 一维模型适用条件一维模型适用条件 一维模型适用的假设条件是横向一维模型适用的假设条件是横向和垂直方向混合相当快，认为和垂直方向混合相当快，认为断面中断面中的污染物的浓度是均匀的的污染

10、物的浓度是均匀的。或或者是根者是根据水质管理的精确度要求允许不考虑据水质管理的精确度要求允许不考虑混合过程而假设在排污口断面混合过程而假设在排污口断面瞬时完瞬时完成充分混合成充分混合。2021-11-416 一维模型适用的两种条件一维模型适用的两种条件0EEPPEPC QC QCQQ均匀混合段混合段背景段污水注入点污水注入点完全混合点完全混合点L混合段总长度混合段总长度均匀混合段背景段污水注入点污水注入点适用适用1适用适用2瞬间完全混合瞬间完全混合既是污水注入点，也是完全混合点既是污水注入点，也是完全混合点0EEPPEPC QC QCQQ2021-11-417点源一维模型的应用条件点源一维模型

11、的应用条件 如果河段长度大于下列计算的结果时，可以采用一维模型进行模拟：(0.40.6)(0.0580.0065)Ba uBLHBgHI2021-11-418 混合过程段长度计算混合过程段长度计算 重点重点混合过程段的长度可由下式估算 ：(0.40.6)(0.0580.0065)Ba uBLHBgHI式中，L混合过程段长度； B河流宽度； A排放口距岸边的距离（0=a0.5B）; u河流断面平均流速； H平均水深； g重力加速度， 9.81 m/s2 ； I河流坡度。 采用几维模型的依据当河段长度大于L，可采用0维或一维模型2021-11-419 某河流预测河段平均宽度某河流预测河段平均宽度5

12、0.0米，平均水深米，平均水深1.2米，河底坡度米，河底坡度0.90/00，平均流速，平均流速0.1m/S，排放口，排放口到岸边距离到岸边距离0米，混合过程段长度是多少米？米，混合过程段长度是多少米？例 题24630009. 02 . 18 . 9)500065. 02 . 1058. 0(1 . 050)06 . 0504 . 0(（米） L 2021-11-420河流的一维模型河流的一维模型 可根据河流水流特点分两种情况，即可根据河流水流特点分两种情况，即不不考虑弥散作用考虑弥散作用和和考虑弥散作用考虑弥散作用。2021-11-421河流的一维模型河流的一维模型 考虑弥散的一维稳态模型考虑

13、弥散的一维稳态模型式中：C下游某一点的污染物浓度， mg/L ； C C0 0完全混合断面的污染物浓度完全混合断面的污染物浓度， mg/L； u河水的流速，m/s； Dx方向上的扩散系数， m2/s ； k1污染物降解的速率常数（1/d）； x x下游某一点到排放点的距离下游某一点到排放点的距离，m。0exp(1) 2uCCm xD124186400k Dmu2021-11-422河流的一维模型河流的一维模型 忽略弥散的一维稳态模型忽略弥散的一维稳态模型式中：C下游某一点的污染物浓度，mg/L； C C0 0完全混合断面的污染物浓度完全混合断面的污染物浓度，mg/L ； u河水的流速，m/s；

14、 k1污染物降解的速率常数（1/d）； x x下游某一点到排放点的距离下游某一点到排放点的距离，m。01exp()86400 xCCku2021-11-423例题例题3：河流的一维模型：河流的一维模型 P135 5 一个改扩工程拟向河流排放废水，废水量为0.15 m3/s，苯酚浓度为30mg/L,河流流量为5.5 m3/s，流速为0.3 m/s，苯酚背景浓度为0.5mg/L，苯酚的降解系数k0.2/d，纵向弥散系数D为10 m2/s。求排放点下游10km处的苯酚浓度。答案：考虑弥散作用，1.19mg/L; 忽略弥散作用，1.19mg/L。 可以看出，在稳态条件下，忽略弥散系数与考虑弥散系数的差

15、异很小，常可以忽略。2021-11-424总总 结结 在利用数学模式预测河流水质时，在利用数学模式预测河流水质时，充分混合段充分混合段可以采用一维模式或零维模可以采用一维模式或零维模式预测断面平均水质；式预测断面平均水质；混合过程段混合过程段需采需采用二维模式进行预测。用二维模式进行预测。2021-11-425BOD-DO耦合模型（耦合模型（S-P模型）模型） 描述河流水质的第一个模型是由斯特描述河流水质的第一个模型是由斯特里特里特( (H.H.S Streeter)treeter)和菲尔普斯和菲尔普斯( (E.E.P Phelps)helps)在在19251925年提出的，简称年提出的，简称

16、S-PS-P模型。模型。 S-P S-P模型迄今仍得到广泛的应用，它模型迄今仍得到广泛的应用，它也是各种修正和复杂模型的先导和基础。也是各种修正和复杂模型的先导和基础。 S-PS-P模型用于描述一维稳态河流中的模型用于描述一维稳态河流中的 BODBODDO DO 的变化规律。的变化规律。 P121 P121临界氧亏临界氧亏最大氧亏最大氧亏污水排入污水排入河流河流DO浓度浓度氧垂曲线氧垂曲线距离或时间距离或时间饱和饱和DO浓度浓度BOD曲线曲线水质最差点水质最差点亏氧量为饱和溶解氧浓度与实际溶解氧浓度之差亏氧量为饱和溶解氧浓度与实际溶解氧浓度之差2021-11-427BOD-DO耦合模型耦合模型

17、（S-P模型）模型）S-PS-P模型的建立基于三项假设模型的建立基于三项假设：（1 1）河流中的）河流中的BODBOD衰减反应和溶解氧的复氧衰减反应和溶解氧的复氧都是一级反应；都是一级反应；（2 2）反应速度是恒定的；）反应速度是恒定的；（3 3）河流中的耗氧只是）河流中的耗氧只是BODBOD衰减反应引起的衰减反应引起的，而河流中的溶解氧来源则是大气复氧。，而河流中的溶解氧来源则是大气复氧。BODBOD的衰减反应速率与河水中溶解氧的衰减反应速率与河水中溶解氧( (DO)DO)的的减少速率相同，复氧速率与河水中的亏氧减少速率相同，复氧速率与河水中的亏氧量量 D D 成正比。成正比。 见见word

18、word文件。文件。2021-11-428S-P模型的适用条件模型的适用条件 5个条件个条件 a、河流充分混合段；、河流充分混合段； b、污染物为耗氧性有机污染物；、污染物为耗氧性有机污染物； c、需要预测河流溶解氧状态；、需要预测河流溶解氧状态； d、河流为恒定流动；、河流为恒定流动； e、污染物连续稳定排放。、污染物连续稳定排放。2021-11-429BOD-DO耦合模型（耦合模型（S-P模型）模型） S-P模型的基本方程为：模型的基本方程为：DkLkdtdDLkdtdL211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

19、溶解氧浓度C(mg/L)的差值； k1河水中BOD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。S-P模型的Excel模板2021-11-4300,0,00 xCCxLL)()(/2101/0/02121uxkuxkuxkssuxkeekkLkeCCCCeLL这两个方程式是耦合的。当边界条件时，其解析解为: 05101520250246810012345678X kmL mg/LL mg/LDOmg/LDOmg/L氧垂曲线示意图氧垂曲线示意图2021-11-431 S-P 模型的临界点和临界点氧浓度 一般的，最关心的是溶解氧浓度最低点溶解氧浓度最低点（

20、临界点），此时水质最差。在临界点，河水的氧亏值最大，且变化率为0。1/ 8 6 4 0 0102ck tckDL ek021221101()86400ln1cDkkktkkkL k式中:L0河流起始点的BOD值，mg/L； D0河流起始点的亏氧值，mg/L； k1河水中BOD耗氧速度常数，1/d； k2河水中的复氧速度常数，1/d； t c 由起始点到达临界点的流行时间， d。2021-11-4320110120221022121101021221101(1)exp86400(2)expexpexp86400864008640086400(3)ln1()86400(4)ln1(5)ccxccK

21、uK cxxxDKKDKKKuuuDKKKuxKKKcKDKKKtKKKc KD10120exp()86400(6)468 /(31.6)(7)()(8)()ccsscscspphhphpphhphtKcKKCTDCC ODCCCCOC QC QQQD QD QQQ0oo(9)D(10)C(11)D2021-11-433S-P 模型 S-P模型广泛的应用于河流水质模型广泛的应用于河流水质的模拟预测中，是预测河流中的模拟预测中，是预测河流中BOD和和DO变化规律的较好模型。它也用变化规律的较好模型。它也用于计算河流的最大允许排污量。于计算河流的最大允许排污量。2021-11-434 使用水质模型

22、最重要的一环是使用水质模型最重要的一环是参数估计参数估计，水质模，水质模型应用的成败在很大程度上取决于参数估计是否型应用的成败在很大程度上取决于参数估计是否正确，正确，SP模型最重要的两个参数是耗氧系数和模型最重要的两个参数是耗氧系数和复氧系数，这两个参数的获取方法，由于一、二复氧系数，这两个参数的获取方法，由于一、二、三级评价预测精度要求不同，在、三级评价预测精度要求不同，在“导则导则”中也中也有不同的要求，一般采用实验室测定法、两点法有不同的要求，一般采用实验室测定法、两点法、多点法、经验公式法等等。、多点法、经验公式法等等。2021-11-435图图1 河流河流S-P模型实验虚拟仪器的仪

23、器面板模型实验虚拟仪器的仪器面板 2021-11-436图图2河流河流S-P模型实验虚拟仪器的操作流程模型实验虚拟仪器的操作流程 2021-11-437练习：教材练习：教材 P135 6说明：说明：渔业水质标准关于溶解氧的规定：渔业水质标准关于溶解氧的规定： 连续连续24h中，中，16h以上必须大于以上必须大于5，其其余任何时候不得低于余任何时候不得低于3，对于鲑科鱼，对于鲑科鱼类栖息水域冰封期其余任何时候不类栖息水域冰封期其余任何时候不低于低于4。2021-11-438课堂讲解课堂讲解 S-P模型模型 P135 7 某工厂的排污断面上，某工厂的排污断面上，假设废水与河水瞬间完假设废水与河水瞬

24、间完全混合，此时全混合，此时BOD5的浓度为的浓度为65 mg/L，DO为为7 mg/L，受纳废水的河流平均流苏为，受纳废水的河流平均流苏为1.8km/d，河水的河水的K10.18（1/d）, K2=2（1/d），求：），求：（1）距离为）距离为1.5km处的处的BOD5和和DO的浓度；的浓度；（2）DO临界浓度临界浓度Cc和临界距离和临界距离Xc。2021-11-439Excel绘制氧垂曲线绘制氧垂曲线SP模型的缺陷模型的缺陷 回顾一下SP模型的假设条件。 影响溶解氧的主要因素包括： （1）大气复氧 （2）光合作用 （3）呼吸作用 （4）有机污染物氧化作用 底泥释放BOD 地表径流（BOD和

25、DO） 悬浮物的沉降可去除部分BOD 考虑硝化作用的影响奥康纳模型多宾斯坎普模型托马斯模型2021-11-4413、二维模型、二维模型 描述水质组分的迁移变化在两个方描述水质组分的迁移变化在两个方向上是重要的，在另外的一个方向向上是重要的，在另外的一个方向上是均匀分布的，这种水质模型称上是均匀分布的，这种水质模型称为为二维水质模型二维水质模型。2021-11-4424.2.2 河流的混合稀释模型河流的混合稀释模型均匀混合段混合段背景段 河水流量QE (m3/s)，污染物浓度为CE (mgL)污染物浓度为CP (mgL)废水流量为 QP (m3/s)污水注入点污水注入点完全混合点完全混合点L混合

26、段总长度混合段总长度最早出现的水质完全混合断面最早出现的水质完全混合断面 完全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。二维模型二维模型2021-11-443均匀混合断面敏感点断面排污口2021-11-444均匀混合断面敏感点断面排污口2021-11-445二维模型二维模型 污水进入水体后，不能在短距离内污水进入水体后，不能在短距离内达到全断面浓度混合均匀的河流均达到全断面浓度混合均匀的河流均应采用二维模型。应采用二维模型。 实际应用中，水面平均宽度超过实际应用中，水面平均宽度超过200 m的河流应采用二维模型

27、。的河流应采用二维模型。2021-11-446二维稳态混合模型二维稳态混合模型 岸边排放岸边排放xMyBuxMuyxuMHQccyxcyyypph4)2(exp4exp),(22x预测点离排放点的距离，m；y预测点离排放口的横向距离，m；c预测点(x，y)处污染物的浓度，mg/L；cp 污水中污染物的浓度，mg/L；Qp 污水流量，m3/s；ch 河流上游污染物的浓度(本底浓度)，mg/L；H河流平均水深，m；My 河流横向混合(弥散)系数，m2/s；u河流流速，m/s；B河流平均宽度，m；圆周率。 本式要求河流在截面上近似矩形。本式要求河流在截面上近似矩形。2021-11-447二维稳态衰减模型二维稳态衰减模型 岸边排放岸边排放xMyBuxMuyxuMHQccuxKyxcyyypph4)2(exp4exp86400exp),(221x预测点离排放点的距离，m；y预测点离排放口的横向距离，m；c预测点(x，y)处污染物的浓度，mg/L；cp 污水中污染物的浓度，mg/L；Qp 污水流量，m3/s；ch 河流上游污染物的浓度(本底浓度)，mg/L；H河流平均水深，m；My 河流横向混合(弥散)系数，m2/s；u河流流速，m/s；B河流平均宽度，m；圆周率。 本式要求河流在截面上近似矩形。本式要求河流在截面上近似矩形。2021-11-448举例：纸业环评举例：纸业环评地表水环