流域水质模型与模拟课件-第三章

第三章河流水质模型本章内容河流水质模型概述一维水质模型二维水质模型其他河流水质模型河流水质模型概述第三章河流水质模型河流水质模型定义用数学的语言和方法来描述河流水体污染过程中的物理、化学、生物及生态各方面的内在规律和相互关系，也就是将一个复杂的河流系统转化成一组适当的数学方程进行数学模拟。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〕零维一维二维三维零维水质模型第三章河流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。

适用条件符合以下两个条件之一的环境问题可概化为零维问题：〔1〕河水流量与污水流量之比大于10~20〔2〕不需考虑污水进入水体的混合距离

解决问题〔1〕不考虑混合距离的重金属污染物、局部有毒物质等其他保守物质的下游浓度预测与允许纳污量的估算。〔2〕像有机物降解性物质的降解项可忽略时，可采用零维模型。〔3〕对于有机物降解性物质，当需要考虑降解时，可采用零维模型分段模拟，但计算精度和实用性较差，最好用一维模型求解。河流稀释混合方程

一维水质模型第三章河流水质模型单一河段水质模型单一河段涵义：只有一个排放口时称该河段为单一河段坐标：一般把排放口置于河段的起点，即定义排放口处的纵向坐标x＝0指标：生化需氧量和溶解氧单一河段水质模型——S-P模型S-P模型根本假设描述河流水质的第一个模型，由斯特里特〔H.Streeter〕和菲而普斯〔E.Phelps〕在1925年建立。根本假设：〔1〕河流中的BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反响，反响速度为常数。〔2〕河流中的耗氧是由BOD衰减引起的，而河流中的溶解氧来源那么是大气复氧。〔3〕BOD的衰减反响速率与河水中溶解氧〔DO〕的减少速率相同，复氧速率与河水中的亏氧量D成正比。模型形式〔1〕考虑弥散作用，解析解为〔2〕忽略河流的弥散作用，那么为解析解假设用氧亏来描述溶解氧的变化，其解析解为临界距离xc临界溶解氧浓度Cc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=0.2m3/s，BOD5浓度为30mg/L，河流流量Qh=5.8m3/s，河水平均流速v=0.3m/s，BOD5本底浓度为0.5mg/L，BOD5降解的速率常数k1=0.2d-1，纵向弥散系数D=10m2/s，假定下游无支流汇入，也无其他排污口，试求排放点下游5km处的BOD5浓度。

解答：污水排入河流后排放口所在河流断面初始浓度可用完全混合模型计算：计算考虑纵向弥散条件下的下游5km处的浓度：计算忽略纵向弥散条件下的下游5km处的浓度：由本例，在稳态情况下，忽略弥散的结果与考虑弥散的结果十分接近。案例分析——氧垂曲线一个均匀河段稳定排放BOD，河水平均流速u=48km/d，水温T=20，始端河水BOD和DO浓度分别为L0=20mg/L，C0=8mg/L，K1=0.50d-1，K2＝1.01d-1。计算临界溶解氧和下游50km处的BOD浓度。解答: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〔常压〕下，淡水中的饱和溶解氧浓度可以用下式计算〔T为温度〕临界溶解氧浓度BOD浓度饱和溶解氧浓度临界溶解氧浓度x=50km处的BOD浓度单一河段水质模型——S-P模型的修正型Ⅰ托马斯〔Thomas〕修正式考虑泥沙、悬浮固体对有机物的吸附沉降，化学絮凝沉降及水流冲刷再悬浮Ⅱ多宾斯—康布〔Dobbins-Camp〕修正式托马斯模型的根底上提出了包括底泥的耗氧和光合作用的模型Ⅲ欧康纳尔〔O’Connor〕修正式在托马斯模型的根底上引进了含氮有机物对水质的影响Ⅳ卡普修正式将上游来量与旁侧入流的浓度值，按相同步长分别计算后叠加，得下断面的浓度值Ⅴ沃康纳修正式沃康纳认为5天BOD不能反映有机污染物BOD的总量，应将BOD分为碳化阶段的BOD〔CBOD〕和硝化阶段的BOD〔NBOD〕两局部，溶解氧的减少也是这两局部BOD的耗氧之和托马斯〔Thomas〕模型模型形式解析解案例分析

某河段流量Q=216×104m3/d，流速u=46km/d，水温T=13.6℃，K1=0.94d-1，K2=1.82d-1，K3=0.17d-1。河段始端排放废水Q=10×104m3/d，BOD5为500mg/L，溶解氧为0mg/L，上游河水BOD5为0mg/L，溶解氧为8095，求该河段x=6km处河水的BOD5和氧亏值D0。解答：河段始端混合后河水的BOD5和DO为：多宾斯—康布〔Dobbins-Camp〕模型模型形式解析解临界距离xc案例分析某均匀河段，流速u=0.5m/s，K1=0.3d-1，K2=0.8d-1，K3=0.18d-1，R=1mg/〔L·d〕，P=0.5mg/〔L·d〕，L0=30mg/L，Cs=10mg/L，C0=4mg/L。①计算x=30km处的BOD和DO的值。②计算临界距离和临界溶解氧。解答：BOD值DO值其中临界距离xc临界溶解氧Cc欧康纳尔〔O'Connor〕模型模型形式解析解单一河段水质模型----串联反响器模型定义把一个连续的一维空间划分成假设干个子空间，每一个子空间都作为一个完整混合反响器，将上一个反响器的输出视为下一个反响器的输入

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假设沿程没有污染物输入，即qi=0时，且令每一个河段的容积相等每一个河段的水力停留时间案例分析

河流长50km，流量Qh为20m3/s，平均流速Vh为0.4m/s，初始断面污染物的本底浓度为Ch为5mg/L，在河流起点处有一污染源，污水量为Qw为0.5m3/s，排放的污染物浓度Cw为100mg/L，污染物的降解速度常数k为0.15d-1，试计算将河流等分成1，5，10和20个河段时的河流末端输出的污染物浓度。解答：计算初始断面的初始浓度

假设n=1假设n=5假设n=10假设n=20根据S-P模型计算河流终点的污染物浓度

多河段水质模型概化一维河流概化图多河段水质模型——BOD多河段矩阵模型式中，n维向量多河段水质模型--BOD-DO耦合矩阵模型式中，C和D是维矩阵，分别为：对于每一个断面的溶解氧，可以表达为：式中：含支流的河流矩阵模型概图ni+1i2(i)m(i)1(i)主流含n个断面，支流含m(i)个断面案例分析一维河流的输入，输出数据如下图。设河流的饱合溶解氧值Os=10mg/L，试用多河段模型模拟河流的BOD和DO。解答：第一步，计算矩阵A，B

，C

，D及向量f

，g

，h的元素数值

第二步，计算逆矩阵，并将上述计算值代入各矩阵和向量，求出BOD和DO的响应矩阵及向量

第三步，利用U

，V

，

m

和n

计算各断面的BOD和DO

二维水质模型第三章河流水质模型二维水质模型一般形式河流二维对流扩散水质模型通常假定污染物浓度在水深方向是均匀的，而在纵向、横向是变化的。BOD二维模型

在给定的河段中，将河宽分为m个流带，同时沿水流方向将河段分为n个子河段，从而构成一个含有m×n个有限单元的平面网络系统。对该系统任意一个有限单元〔i，j〕，通过该单元的质量平衡关系，可以得到质量平衡方程。G是一个〔m·n〕×〔m·n〕维矩阵，G的元素是流带流量、弥散系数、单元几何尺寸及BOD衰减速度函数。DO二维模型根据DO的质量平衡关系，得到DO分布模型和稳态模型将BOD的表达式代入其他河流水质模型第三章河流水质模型QUAL河流水质综合模型QUAL河流水质综合模型开展过程20世纪70年代，美国等国建立了不少综合水质模型。其中最早的两个模型是QUAL-Ⅰ和QUAL-Ⅱ。QUAL-Ⅱ全面考虑了河流自净作用机理，可预测多种污染物在水体中的衰减变化；后经屡次修订和增强，相继推出了QUAL2E、QUAL2EUNCAS。其中，QUAL2E应用较广，并在此根底上开展了目前最新的QUAL2K。2007年推出QUAL2KwQUAL-II模型的根本方程〔1〕BOD〔2〕氮〔3〕叶绿素a〔藻类〕〔4〕磷〔5〕溶解氧〔DO〕〔6〕大肠杆菌的衰减〔7〕对于其他可降解物质QUAL-II软件界面应用案例张智等〔2006〕将QUAL-2E模型应用于长江重庆段水质模拟，以长江重庆主城区段平水期水质为原型，应用QUAL2E模型对成库后的水质进行了模拟和预测。重金属污染模型模型描述模型求解模型应用WASP模型

WASP模型系统〔WaterQualityAnalysisSimulationProgramModelingSystem〕是由美国国家环保局暴露评价模型中心开发的用于地表水水质模拟的模型。功能它能够用于不同环境污染决策系统中分析和预测由于自然和人为污染造成的各种水质状况，可以模拟水文动力学、河流一维不稳定流、湖泊和河口三维不稳定流、常规污染物〔包括溶解氧、生物耗氧量、营养物质以及海藻污染〕和有毒污染物〔包括有机化学物质、金属和沉积物〕在水中的迁移和转化规律，被称为万能水质模型。开展WASP最原始的版本是于1983年发布的WASP5及其以前的版本都为DOS程序WASP6为Windows98下运行WASP7能够在Windows2000和WindowsXP系统下运行原理WASP由两个独立的计算机程序组成〔1〕WASP——水质分析模拟程序子程序：有毒化学物模型TOXI富营养化模型EUTRO：8个常规水质指标4个相互作用子系统〔2〕DYNHYD——一维的水动力模拟常见水质指标计算〔1〕藻类生长动力学方程〔2〕氮循环〔3〕磷循环〔4〕溶解氧平衡应用情况与案例国内外局部其他水质模型简介第三章河流水质模型SMS模型系统

SMS〔Surface-watermodelingsystem〕是一维，二维和三维水文建模的综合环境，是一个外表水建模和设计的预处理和后处理平台SMS包括二维有限元，二维有限差异，三维有限元和一维死水建模工具

包含的模型〔1〕UnitedStatesArmyCorpsofEngineers(USACE)ERDC-WES

TABS-MD(GFGEN，RMA2，RMA4，RMA10，SED2D-WES)

ADCIRCCGWAVESTWAVEHIVEL2DCH3DHydrologicEngineeringCenterHecRas〔2〕FederalHighwayAdministration(FHWA)