环境质量评价学04

环境质量评价与系统分析

〔四〕主讲：冯流三、河流水质模型〔续〕3、二维河流水质模型污染物在完成横向混合前，在纵向和横向都存在浓度梯度，需采用二维模型进行描述当河床形状较为规那么、流场均匀稳定的条件下，可利用二维根本模型的解析解进行水质模拟。实际河床往往不规那么，难以满足流场均匀稳定的要求，无法应用解析解，往往需采用数值解进行模拟。2023/6/1223.1正交曲线坐标系统在给定的河段中，沿水流方向将河段分成m个流带，同时在垂直水流方向将河段分成n个子河段，可组成一个包含mn个有限单元的平面网格系统2023/6/123问题：横向水流分量难以准确区分并确定解决思路：通过流带划分，使每条流带内的流量保持恒定并相同如何实现：确定各流带的适宜宽度2023/6/124流带宽度确实定方法计算单宽流量qQ为河流流量；B为河流断面的水面宽度；H为河流的平均水深；h为河流断面上某一单位宽度上的局部水深a和b为根据断面流量分布估计的参数〔Sium〕平直河道：假设50B/H<70，a=1.0，b=5/3；假设70B/H，a=0.92，b=7/4弯曲河道：假设50B/H<100，0.80a0.95，1.78b2.482023/6/1252023/6/126根据单宽流量计算断面的横向累积流量，绘制横向累积流量曲线，根据该曲线确定相对于某一确定流量的流带的宽度3.2二维BOD模型任取一有限单元〔设为i，j单元〕，那么纵向水流输入、输出该单元的BOD总量为：纵向弥散作用输入、输出该单元的BOD总量为：横向弥散作用输入、输出该单元的BOD总量为：2023/6/127

式中，qj为第j个流带中的流量；Lij为ij单元中的BOD浓度；Dij,kl为单元ij和kl间的弥散系数；为上下游相邻单元间的平均距离；为横向相邻单元间的平均距离；Aij,kl为相邻单元ij和kl间的界面面积令：ij单元内BOD衰减量为：系统外输入ij单元的BOD总量：2023/6/128根据质量平衡原理，可得到如下差微分方程：对于连续稳定污染源排放，各单元内dL/dt=0，同时忽略纵向弥散作用，可得到简化方程：2023/6/129对于二维正交曲线坐标系统中的初始河段〔i=1〕及其边界流带〔j=1和j=m〕，有：L0j为河流上游BOD的本底浓度；Q1、L1分别为第一河段〔i=1〕边界排放的流量及其BOD浓度2023/6/1210转化成矩阵方程为：

为I河段1~m流带中BOD的量组成的m维向量

为I河段上游河段1~m流带中BOD的量及边界、系统外排放BOD的量组成的m维向量

其中2023/6/1211A为mm阶系数矩阵其中2023/6/12124、河口和感潮河流水质模型河口：指入海河流受到潮汐作用影响明显河段，如长江口感潮河流：汇入河口、受潮汐作用影响明显的河流段，如汇入长江口的黄浦江及其支流苏州河判断标准：落潮最大断面平均流速与涨潮时最小断面平均流速之差等于0.5m/s的断面作为河口或感潮河流与普通河流的界限2023/6/12134.1河口的水文特征非恒定性流动：水体混合具有明显的时变特征存在潮汐的抽吸和阻滞作用：局地环流剩余环流〔地球自转引起〕抽吸环流：潮汐作用与海床相互作用引起存在分层流动和斜压环流作用淡水和海水之间存在密度差，导致分层流动密度差导致水流内部产生环流2023/6/12144.2河口的冲洗时间河口的冲洗时间：上游径流作用将守恒污染物从河口的某一特定位置输送到河口外所需的时间反映污染物进入河口后停留的时间可采用淡水分数法计算Ti为河段总的冲洗时间；fi为第i河段的淡水分数；Ri为第i河段在一个潮周期内所得的河水水量；Pi为第i河段在一个潮周期内的进潮量；Vi为第i河段河水的实际体积；Ss为河口外海水的盐度；Si为第i河段平均盐度2023/6/12154.3河口水质模型河口水质根本模型一维动态混合衰减模型2023/6/1216在一维河口中，纵向弥散起主要作用如以污染物浓度的潮周平均值作为考察对象，那么一维河口水质模型可简化为：S为系统外输入的污染物，mg/L；Ml为断面纵向混合系数，m2/s2023/6/1217解析解对于均匀河口，且s=0时，上述模型的解析解为Ch为河流上游污染物本底浓度；Cp为污染物排放浓度；Qh为河流流量；Qp为废水排放量2023/6/1218纵向混合系数Ml的估计示踪测定经验公式法估算淡水含量百分比法〔3~5个断面平均〕Bowden法Hobbey-Harbemanand-Fisher法Diaehishon法Hefling-O’Conner法2023/6/12194.3.3BOD-DO耦合模型对于一维稳态情形，描述河口氧亏的根本模型为：当给定边界条件，即x=时，D=0，得到解析解2023/6/