《河流水质模型》PPT课件.ppt

第三章 河流水质模型 1河流中的基本水质问题 2单一河段水质模型 3多河段水质模型 4其它河流水质模型 5河口水质模型 3.1 河流中的水质问题 一、污染物与河水的混合 污染物排入河流后，从污水排放口 到污染物在河流横断面上达到均匀分布 ，通常需经历竖向混合和横向混合两个 阶段。 竖向混合污染物进入河流后，在较短距离内 即达到竖向的均匀分布 横向混合污染物达到竖向均匀分布到污染物 在整个断面上达到均匀分布的过程 注： 直道中，主要动力为横向弥散作用; 弯道中，横向环流大大加速了横向扩散 竖向混合：三维混合问题 横向混合：二维混合问题 完成两种混合后混合问题位移为混合问题 保守物质将一直保持断面浓度； 非保守性物质由于生物化学等作用产生浓度变化 ，但在整个断面分布始终是均匀的。 二、生物化学分解 1. 河流中的有机物经过生物降解所产生的浓度变化，可由 一级反应式表示： L=L0 e -Kc*t Lt时刻有机物的剩余生物化学需氧量 L0初始时刻有机物的总生物化学需氧量 Kc 含碳有机物的降解速度常数，为温度的函数 实验室测定Kc值：通过实验室中测定生化需氧量（BOD）和时间的关系 2. 1961年，托马斯（H·Thomas）提出了河流中BOD衰减 的另一个原因沉淀，如果反映生化作用和沉淀作用的BOD衰 减速度常数分别为Kd和Ks，则 Kc Kd + Ks 3. 1966年， K·Bosko研究了河流中生化作用的BOD衰减速 度常数Kd和实验室的数值Kc之间的关系： 为河床活度常数，综合反映河流对有机物生化降解作 用的影响。 4. 稳态河流中BOD的变化规律满足下式： 5. 含氮有机物排入河流后，同样发生生物化学氧化过程： Kd Kc + ux H Lc=L0exp（-Kc x ux ） LN =LN0exp（-KN x ux ） 三、大气复氧 水中溶解氧的主要来源是大气。氧气由大气进入 水中的质量传递速度： C-河流水中溶解氧的浓度 Cs-河流水中饱和溶解氧的浓度 KL-质量传递系数 A-气体扩散的表面积 V-水的体积 dt dC = KLA V (Cs - C) 欧康奈尔 （ D.O·Conner ）和多宾斯（W·Dobbins）在 1958年提出根据河流的流速、水深计算大气复氧速度常数 的方法： 饱和溶解氧浓度Cs是温度、盐度和大气压力的函数。在 760mmHg压力下，淡水中的饱和溶解氧浓度为 nT为0c KL = C uxn Hm Cs = 468 31.6 + T 四、光合作用 水生植物的光合作用是河流溶解氧的另一个重要来源。 欧康奈尔假定光合作用的速度随着光照强度的变化而变 化。中午光照强度最大时，产氧速度最快，夜晚没有光照时 ，产氧速度为零。 五、藻类的呼吸作用 藻类的呼吸作用要消耗河水中的溶解氧，通常把藻类呼 吸耗氧速度看作是常数. 六、底栖动物和沉淀物的耗氧 底泥耗氧的主要原因是由于底泥中的耗氧物返回到水中 和底泥顶层耗氧物质的氧化分解. 3.2 单一河段水质模型 定义：在所研究的河段内只有一个排放口时称该河段为单一河段 坐标：在研究单一河段时，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x0. S-P模型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。 基本假设：河流中的BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应，反 应速度为常数；河流中的耗氧是由BOD衰减引起的，而河流中 的溶解氧来源则是大气复氧。 S-P氧垂公式 O河流中的溶解氧值 Os 饱和溶解氧值 L0河流起始点的BOD值 D0河流起始点的氧亏值 Dc临界点的氧亏值 tc由起始点到临界点的流经时间 耗氧曲线 复氧曲线 氧垂曲线 tc 时间t 溶解氧 DO 饱和溶解氧浓度Cs 污水排放点 河流BODL0 溶解氧氧垂曲线 Dc D0 O= Os-D = Os- Ka - Kd e-Kd t - e-Ka t - D0 e-Ka t Kd L0 n临界点氧亏值: Dc= Ka e-Kd tc Kd L0 S-P模型的修正型 卡普修正式 上游来量及旁侧入流叠加 托马斯修正式 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。 托曼修正式 考虑断面流速和浓度分布不均匀而引起的剪切 流纵向分散。 杜宾斯修正式 考虑底泥释放或沿程地表径流加入的BOD浓度 沃康纳修正式 认为BOD5不能反映有机污染物BOD的总量 3.3 多河段水质模型 一、多河段水质模型的概化 水质模型的解析解是在均匀和稳定的水流条件下 取得的，划分断面的原则： a）河流断面形状发生剧烈变化处 b）支流或污水的输入处 c） 河流取水口处 d）其他需要设立断面的地方 二、多河段BOD模型及DO模型的建立 1. BOD模型 河流水质的特点之一是上游每一个排放口排放的污 染物对下游每一断面的水质都会产生一个增量，而下游 的水质对下游不会产生影响。 因此，河流每一个断面的水质状态都可以视为上游 每一个断面排放污染物和本断面排放污染物的影响的总 和。 2. DO模型 3.4 其他河流水质模型 一.综合水质模型 BOD和DO只反映河流中最简单的水质关系。为了较详尽的描 述河流的水质状态，需要引进更多的变量。综合水质模型就是 在BODDO耦合模型的基础上发展起来的多组分水质模型。 QUAL-II模型是美国EPA1973年组织开发的，可以描述河流 的动态和稳态特征。 二.重金属水质模型 进入河流的重金属，除了前面提到的基本运动过程外，还 存在悬浮物的吸附和解吸附作用，重金属的存在形态还与水流 的PH值有关。 3.5 河口水质模型 河口的水质特征 河口：入海河流受到潮汐作用的一段水体。受到潮汐的 影响，水质显示出明显的时空特征 河口水质特征： Ø 由海潮带来大量的溶解氧，与上游下泄的水流相汇，形成强烈的混 合作用，使污染物分布更趋近均匀。 Ø 由于潮汐的顶托作用，延长了污染物在河口的停留时间，有机物的 降解会进一步降低水中的溶解氧，使水质下降。 Ø 潮汐使河口含盐量增加。 河口一维解析模型 比之河流水质模型，河口水质模型则更为复杂，求解也困难 。潮汐作用使得水流在涨潮时向上游流动，尽管在整个潮周期里 净水流是向下游流动的。