《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 L－t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： η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 +η ux H Lc=L0〔exp（-Kc x ux ）〕 LN =LN0〔exp（-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x＝0. 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BOD＝L0 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BOD－DO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。