流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章本章內(nèi)容河流水質(zhì)模型概述一維水質(zhì)模型二維水質(zhì)模型其他河流水質(zhì)模型流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章河流水質(zhì)模型概述第三章河流水質(zhì)模型流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章河流水質(zhì)模型定義用數(shù)學(xué)的語言和方法來描述河流水體污染過程中的物理、化學(xué)、生物及生態(tài)各方面的內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系，也就是將一個(gè)復(fù)雜的河流系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成一組適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章河流水質(zhì)變化過程河流水質(zhì)變化過程流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章河流水質(zhì)模型分類（按維數(shù)）零維一維二維三維流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章零維水質(zhì)模型第三章河流水質(zhì)模型流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章定義污染物進(jìn)入河流水體后，在污染物完全均勻混合斷面上，污染物的指標(biāo)無論是溶解態(tài)的、顆粒態(tài)的還是總濃度，其值均可按節(jié)點(diǎn)平衡原理來推求。對(duì)河流，零維模型常見的表現(xiàn)形式為河流稀釋模型。

適用條件符合下列兩個(gè)條件之一的環(huán)境問題可概化為零維問題：（1）河水流量與污水流量之比大于10~20（2）不需考慮污水進(jìn)入水體的混合距離

流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章解決問題（1）不考慮混合距離的重金屬污染物、部分有毒物質(zhì)等其他保守物質(zhì)的下游濃度預(yù)測(cè)與允許納污量的估算。（2）像有機(jī)物降解性物質(zhì)的降解項(xiàng)可忽略時(shí)，可采用零維模型。（3）對(duì)于有機(jī)物降解性物質(zhì)，當(dāng)需要考慮降解時(shí)，可采用零維模型分段模擬，但計(jì)算精度和實(shí)用性較差，最好用一維模型求解。流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章河流稀釋混合方程

流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章一維水質(zhì)模型第三章河流水質(zhì)模型流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章單一河段水質(zhì)模型單一河段涵義：只有一個(gè)排放口時(shí)稱該河段為單一河段坐標(biāo)：一般把排放口置于河段的起點(diǎn)，即定義排放口處的縱向坐標(biāo)x＝0指標(biāo)：生化需氧量和溶解氧流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章單一河段水質(zhì)模型——S-P模型S-P模型基本假設(shè)描述河流水質(zhì)的第一個(gè)模型，由斯特里特（H.Streeter）和菲而普斯（E.Phelps）在1925年建立?；炯僭O(shè)：

（1）河流中的BOD的衰減和溶解氧的復(fù)氧都是一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)速度為常數(shù)。

（2）河流中的耗氧是由BOD衰減引起的，而河流中的溶解氧來源則是大氣復(fù)氧。

（3）BOD的衰減反應(yīng)速率與河水中溶解氧（DO）的減少速率相同，復(fù)氧速率與河水中的虧氧量D成正比。流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章模型形式流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章（1）考慮彌散作用，解析解為流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章（2）忽略河流的彌散作用，則為解析解流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章若用氧虧來描述溶解氧的變化，其解析解為流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章臨界距離xc臨界溶解氧濃度Cc流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章氧垂曲線溶解氧沿程變化曲線被稱為氧垂曲線流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章案例分析——S-P模型向一條河流穩(wěn)定排放污水，污水排放量Qp=0.2m3/s，BOD5濃度為30mg/L，河流流量Qh=5.8m3/s，河水平均流速v=0.3m/s，BOD5本底濃度為0.5mg/L，BOD5降解的速率常數(shù)k1=0.2d-1，縱向彌散系數(shù)D=10m2/s，假定下游無支流匯入，也無其他排污口，試求排放點(diǎn)下游5km處的BOD5濃度。流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章解答：污水排入河流后排放口所在河流斷面初始濃度可用完全混合模型計(jì)算：計(jì)算考慮縱向彌散條件下的下游5km處的濃度：計(jì)算忽略縱向彌散條件下的下游5km處的濃度：由本例，在穩(wěn)態(tài)情況下，忽略彌散的結(jié)果與考慮彌散的結(jié)果十分接近。流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章案例分析——氧垂曲線一個(gè)均勻河段穩(wěn)定排放BOD，河水平均流速u=48km/d，水溫T=20，始端河水BOD和DO濃度分別為L(zhǎng)0=

20mg/L，C0=

8mg/L，K1=

0.50d-1，K2＝-1。計(jì)算臨界溶解氧和下游50km處的BOD濃度。解答:飽和溶解氧濃度Cs是溫度、鹽度和大氣壓力的函數(shù)，在760mmHg壓力（常壓）下，淡水中的飽和溶解氧濃度可以用下式計(jì)算（T為溫度）臨界溶解氧濃度BOD濃度流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章飽和溶解氧濃度臨界溶解氧濃度x=50km處的BOD濃度流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章單一河段水質(zhì)模型——S-P模型的修正型Ⅰ托馬斯（Thomas）修正式考慮泥沙、懸浮固體對(duì)有機(jī)物的吸附沉降，化學(xué)絮凝沉降及水流沖刷再懸?、蚨噘e斯—康布（Dobbins-Camp）修正式托馬斯模型的基礎(chǔ)上提出了包括底泥的耗氧和光合作用的模型Ⅲ歐康納爾（O’Connor）修正式在托馬斯模型的基礎(chǔ)上引進(jìn)了含氮有機(jī)物對(duì)水質(zhì)的影響Ⅳ卡普修正式將上游來量與旁側(cè)入流的濃度值，按相同步長(zhǎng)分別計(jì)算后疊加，得下斷面的濃度值Ⅴ沃康納修正式

沃康納認(rèn)為5天BOD不能反映有機(jī)污染物BOD的總量，應(yīng)將BOD分為碳化階段的BOD（CBOD）和硝化階段的BOD（NBOD）兩部分，溶解氧的減少也是這兩部分BOD的耗氧之和流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章托馬斯（Thomas）模型模型形式解析解流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章案例分析

某河段流量Q=216×104m3/d，流速u=46km/d，水溫T=13.6℃，K1=0.94d-1，K2=1.82d-1，K3=0.17d-1。河段始端排放廢水Q=10×104m3/d，BOD5為500mg/L，溶解氧為0mg/L，上游河水BOD5為0mg/L，溶解氧為8095，求該河段x=6km處河水的BOD5和氧虧值D0。流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章解答：河段始端混合后河水的BOD5和DO為：流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章多賓斯—康布（Dobbins-Camp）模型模型形式流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章解析解臨界距離xc流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章案例分析某均勻河段，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計(jì)算x=30km處的BOD和DO的值。②計(jì)算臨界距離和臨界溶解氧。流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章解答：BOD值DO值其中流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章臨界距離xc臨界溶解氧Cc流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章歐康納爾（O'Connor）模型

模型形式解析解流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章單一河段水質(zhì)模型----串聯(lián)反應(yīng)器模型

定義把一個(gè)連續(xù)的一維空間劃分成若干個(gè)子空間，每一個(gè)子空間都作為一個(gè)完整混合反應(yīng)器，將上一個(gè)反應(yīng)器的輸出視為下一個(gè)反應(yīng)器的輸入

流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章設(shè)C1，C2，…，Ci為相應(yīng)河段的污染物濃度，每一個(gè)河段的濃度表達(dá)式流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章若沿程沒有污染物輸入，即qi=0時(shí)，且令每一個(gè)河段的容積相等每一個(gè)河段的水力停留時(shí)間流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章案例分析河流長(zhǎng)50km，流量Qh為20m3/s，平均流速Vh為0.4m/s，初始斷面污染物的本底濃度為Ch為5mg/L，在河流起點(diǎn)處有一污染源，污水量為Qw為0.5m3/s，排放的污染物濃度Cw為100mg/L，污染物的降解速度常數(shù)k為0.15d-1，試計(jì)算將河流等分成1，5，10和20個(gè)河段時(shí)的河流末端輸出的污染物濃度。流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章解答：計(jì)算初始斷面的初始濃度

若n=1

若n=5若n=10若n=20

根據(jù)S-P模型計(jì)算河流終點(diǎn)的污染物濃度

流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章多河段水質(zhì)模型概化一維河流概化圖流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章多河段水質(zhì)模型——BOD多河段矩陣模型式中，n維向量流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章多河段水質(zhì)模型--BOD-DO耦合矩陣模型式中，C和D是維矩陣，分別為：對(duì)于每一個(gè)斷面的溶解氧，可以表達(dá)為：式中：流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章含支流的河流矩陣模型概圖ni+1i2(i)m(i)1(i)主流含n個(gè)斷面，支流含m(i)個(gè)斷面流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章案例分析已知一維河流的輸入，輸出數(shù)據(jù)如圖所示。設(shè)河流的飽合溶解氧值Os=10mg/L，試用多河段模型模擬河流的BOD和DO。流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章解答：第一步，計(jì)算矩陣A，B

，C

，D及向量f

，g

，h的元素?cái)?shù)值

第二步，計(jì)算逆矩陣，并將上述計(jì)算值代入各矩陣和向量，求出BOD和DO的響應(yīng)矩陣及向量

第三步，利用U

，V

，

m

和n

計(jì)算各斷面的BOD和DO

流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章二維水質(zhì)模型第三章河流水質(zhì)模型流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章二維水質(zhì)模型一般形式河流二維對(duì)流擴(kuò)散水質(zhì)模型通常假定污染物濃度在水深方向是均勻的，而在縱向、橫向是變化的。流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章BOD二維模型

在給定的河段中，將河寬分為

m

個(gè)流帶，同時(shí)沿水流方向?qū)⒑佣畏譃?/p>

n

個(gè)子河段，從而構(gòu)成一個(gè)含有

m×n

個(gè)有限單元的平面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)任意一個(gè)有限單元（i，

j

），通過該單元的質(zhì)量平衡關(guān)系，可以得到質(zhì)量平衡方程。G

是一個(gè)（m

·

n）×（m

·n）維矩陣，G的元素是流帶流量、彌散系數(shù)、單元幾何尺寸及BOD衰減速度函數(shù)。流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章DO二維模型根據(jù)DO的質(zhì)量平衡關(guān)系，得到DO分布模型和穩(wěn)態(tài)模型將BOD的表達(dá)式代入流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章其他河流水質(zhì)模型第三章河流水質(zhì)模型流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章QUAL河流水質(zhì)綜合模型QUAL河流水質(zhì)綜合模型發(fā)展過程

20世紀(jì)70年代，美國(guó)等國(guó)建立了不少綜合水質(zhì)模型。其中最早的兩個(gè)模型是QUAL-Ⅰ和QUAL-Ⅱ。QUAL-Ⅱ全面考慮了河流自凈作用機(jī)理，可預(yù)測(cè)多種污染物在水體中的衰減變化；后經(jīng)多次修訂和增強(qiáng)，相繼推出了QUAL2E、QUAL2EUNCAS。其中，QUAL2E應(yīng)用較廣，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了目前最新的QUAL2K。2007年推出QUAL2Kw流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章QUAL-II模型的基本方程（1）BOD（2）氮流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章（3）葉綠素a（藻類）（4）磷（5）溶解氧（DO）（6）大腸桿菌的衰減（7）對(duì)于其他可降解物質(zhì)流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章QUAL-II軟件界面流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章應(yīng)用案例

張智等（2006）將QUAL-2E模型應(yīng)用于長(zhǎng)江重慶段水質(zhì)模擬，以長(zhǎng)江重慶主城區(qū)段平水期水質(zhì)為原型，應(yīng)用QUAL2E模型對(duì)成庫后的水質(zhì)進(jìn)行了模擬和預(yù)測(cè)。流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章重金屬污染模型模型描述模型求解模型應(yīng)用流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章WASP模型

WASP模型系統(tǒng)（WaterQualityAnalysisSimulationProgramModelingSystem）是由美國(guó)國(guó)家環(huán)保局暴露評(píng)價(jià)模型中心開發(fā)的用于地表水水質(zhì)模擬的模型。功能它能夠用于不同環(huán)境污染決策系統(tǒng)中分析和預(yù)測(cè)由于自然和人為污染造成的各種水質(zhì)狀況，可以模擬水文動(dòng)力學(xué)、河流一維不穩(wěn)定流、湖泊和河口三維不穩(wěn)定流、常規(guī)污染物（包括溶解氧、生物耗氧量、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及海藻污染）和有毒污染物（包括有機(jī)化學(xué)物質(zhì)、金屬和沉積物）在水中的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，被稱為萬能水質(zhì)模型。流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章發(fā)展WASP最原始的版本是于1983年發(fā)布的WASP5及其以前的版本都為DOS程序WASP6為Windows98下運(yùn)行

WASP7能夠在Windows2000和WindowsXP系統(tǒng)下運(yùn)行流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章原理WASP由兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)程序組成（1）WASP——水質(zhì)分析模擬程序子程序：有毒化學(xué)物模型TOXI富營(yíng)養(yǎng)化模型EUTRO：8個(gè)常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)

4個(gè)相互作用子系統(tǒng)（2）DYNHYD——一維的水動(dòng)力模擬流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章常見水質(zhì)指標(biāo)計(jì)算

（1）藻類生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程（2）氮循環(huán)（3）磷循環(huán)（4）溶解氧平衡應(yīng)用情況與案例流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章國(guó)內(nèi)外部分其他水質(zhì)模型簡(jiǎn)介第三章河流水質(zhì)模型流域水質(zhì)模型與模擬課件第三章SMS模型系統(tǒng)

SMS（Surface-watermodel