《环境质量评价学》PPT课件.ppt

环境质量评价与系统分析 （三）,主讲：冯流,2019/8/7,2,三、河流水质模型,1、河流水质过程分析 1.1 污染物与河水的混合,污染物在河流断面上达到均匀分布，要经历垂向（水深方向）与横向（河宽方向）混合阶段 垂向混合属于三维混合问题，完成垂向混合所需距离短 横向混合属于二维混合问题，完成横向混合所需距离长 横向混合完成后，断面污染物浓度将维持均匀分布，在此之后为完全混合阶段，属于一维混合问题 混合驱动力为分散作用的贡献。河流系统中，分子扩散贡献最小，湍流扩散次之，弥散作用贡献最大。但三种作用往往同时发生而难以区分，实际中常以弥散作用代表三种作用的总和,2019/8/7,3,2019/8/7,4,HJ/T2.3-93推荐的经验公式,B为河流宽度；a为排放口距岸边的距离；u为河流断面平均流速；H为平均水深；g为重力加速度；I为河流坡度,L也可以根据下表经验数据进行估算,2019/8/7,5,L=河水实际流速完全混合所需时间,2019/8/7,6,1.2 生物化学分解 有机物由于生物降解而导致浓度变化，可用一级反应动力学方程描述： L为t时刻含碳有机物的剩余生化需氧量；L0为初始时刻有机物的总生化需氧量；K1为有机物的降解速率常数，也称为耗氧系数,2019/8/7,7,耗氧系数的温度变化特征 K1是温度的函数，通常以20C时的降解速率常数K1,20为基准，任意温度T下的速率常数K1,T为： 为温度系数，数值在1.047左右（T=10C35C） 实际水体环境中耗氧系数的估计,实验室测定值修正法 河流采用如下公式修正 湖泊、水库可直接采用实验室测定值 两点法,2019/8/7,8,I为河流底坡坡度；u为河流断面平均流速；H为平均水深；K1为实验测定值,LA、LB分别为上下游断面处的BOD浓度；x为两个断面间的距离；Qp为污水排放量；为混合角度；rA、rB分别为A、B点至排放口的距离,2019/8/7,9,多点法 Kol 法,m为测点数，xi、ri为i点到排放口的距离，ci为i点污染物浓度，为径流系数,DO1、DO2、DO3、DO4分别为河流等距离断面1、2、3、4的溶解氧浓度,2019/8/7,10,1.3 水体的耗氧与复氧过程 1.3.1 大气复氧 水中溶解氧主要来自大气 氧气由大气进入水中的质量传递速率可以表示为： 式中，C为河流中溶解氧浓度；Cs为河流中饱和溶解氧浓度；KL为质量传递系数；A为气体扩散的表面积；V为水的体积,2019/8/7,11,(Cs-C)表示河水中的溶解氧不足量，称为氧亏(D) 对于河流，因A/V=1/H，H为平均水深，则质量传递方程演变为： 式中，K2为大气复氧速率常数，简称复氧系数 与K1类似，K2是温度的函数 式中，K2,20为20C条件下的大气复氧速率常数；r为温度系数，通常为1.024,饱和溶解氧浓度Cs的估算 饱和溶解氧是温度、盐度和大气压力的函数 常压下，淡水中饱和溶解氧按下式估算： 河口饱和溶解氧按Hyer经验公式（1971）计算：,2019/8/7,12,T为温度，S为水中含盐量,实际水体环境中复氧系数的估计 基于河流流速(ux)、水深(H)的经验公式：,2019/8/7,13,2019/8/7,14,1.3.2 光合作用复氧 水生植物的光合作用是河流溶解氧的另一个重要来源。OConner在假定光合作用速度随光强弱变化而变化的前提下，认为产氧符合下述规律： T为白天光合作用持续进行的时间；t为光合作用开始以后的时间；pm为一天中最大的光合作用产氧速率（mg/Ld），在030mg/Ld之间,2019/8/7,15,对于时间平均模型，可将产氧速率取为一天中的平均值P，即 1.3.3 藻类呼吸作用耗氧 消耗水中的溶解氧。藻类呼吸耗氧速率通常可看作为常数，即 R一般情况下在05mg/Ld之间 光合作用的产氧速率和呼吸作用的耗氧速率可通过黑白瓶试验确定,2019/8/7,16,1.3.4 底栖动物和沉淀物耗氧 取决于底泥中耗氧物质返回到水中及底泥顶层耗氧物质的氧化分解 耗氧速率可用阻尼反应描述（Fair提出）： Ld为河床的BOD面积负荷；Kb为河床的BOD耗氧速率常数；rc为底泥耗氧的阻尼系数 底泥耗氧速率常数是温度的函数，温度修正系数的常用值为1.072（530C）,2019/8/7,17,2、一维河流水质模型 2.1 单一河段水质模型 单一河段：研究河段内的流场保持均匀；只有一个污水排放口或取水口，且都位于河段的起始断面或终了断面 2.1.1 S-P模型 美国工程师Street和Phelps在1925年建立，描述河流中主要的耗氧过程（BOD耗氧）与复氧过程（大气复氧）之间的耦合关系,2019/8/7,18,模型建立假设： 河流中BOD的衰减和DO的恢复都是一级反应，反应速率是定常的； 河流中DO的消耗是由BOD衰减引起的，而河流中DO的来源则是大气复氧 模型结构：BOD-DO耦合模型 式中t为河水的流行时间，其它符号意义同前,模型解析解： 式中L0为河段起始点的BOD值，D0为河段起始点的氧亏值 用DO替代D，则可得到河流DO沿程变化规律，即S-P氧垂公式 根据S-P模型绘制的溶解氧沿程变化曲线为氧垂曲线,2019/8/7,19,2019/8/7,20,2019/8/7,21,2.1.2 S-P模型的修正 托马斯模型：引入沉淀作用对BOD去除的影响，模型为： 模型的解析解为： K3为沉降与再悬浮速率常数,2019/8/7,22,康布模型：在托马斯模型基础上，进一步考虑了底泥耗氧和光合作用产氧贡献 模型的解为：,B表示底泥耗氧速率，P为光合作用产氧速率,2019/8/7,23,欧康奈尔模型：在托马斯模型基础上，进一步考虑含氮有机物对水质的影响,练习 1、一维河流枯水流量Q=6m3/s，平均流速0.3m/s，BOD5降解速率常数为0.25/d，复氧速率常数为0.4/d。上游水中BOD5=2mg/L，氧亏值为0，水温20。污水排放数据如下：q=1m3/s，DO=0， BOD5=100mg/L。求：1）氧亏点处的溶解氧浓度；2）氧亏点下游溶解氧浓度恢复到6mg/L的位置。 2、河段长36km，枯水流量6m3/s，平均流速0.1m/s，BOD5降解速率常数为0.3/d，复氧速率常数为0.4/d，起始断面溶解氧浓度5mg/L。如果要求河段中的DO不低于5mg/L，河段上游每天排放的BOD5不应超过多少？已知上游水中的氧亏值为0，水温20。,2019/8/7,24,2019/8/7,25,2.2 多河段BOD-DO耦合矩阵模型 2.2.1 多段河流的概化 河流分段原则：使分割的河段中水文条件和水质参数保持不变，以满足模型假设条件的需要 计算断面设置方法及位置：河流断面形状变化处；支流或污水汇入处；取水口处；现有或历史水文、水质监测断面处；码头、桥涵附近处等 多段河流概化图,2019/8/7,26,2019/8/7,27,2.2.2 多河段BOD矩阵模型 根据概化图中的符号定义及水流连续性原理，每个断面的流量和BOD存在如下平衡关系： 从断面i-1至断面i间的BOD衰减关系为： 令,2019/8/7,28,则有 联合式（3）和（4）有 令 联合式（5）可以得到任一断面的BOD变化方程：,2019/8/7,29,改用矩阵方程表达为： 式中A、B是n阶矩阵：,2019/8/7,30,由式（6）可以得出： 式（6）和（7）中的g是n维向量 式（6）和（7）可分别用于水质预测和模拟及水污染控制规划。,2019/8/7,31,2.2.3 多河段BOD-DO耦合矩阵模型 根据S-P模型，可以得到第i断面的溶解氧计算式： 同时根据质量平衡原理，有：,2019/8/7,32,令 将它们代入上式并整理后，可得到：,2019/8/7,33,令 代入上式有： 与BOD的计算类似，可将上述递推方程归结为一个矩阵方程：,2019/8/7,34,即 其中,2019/8/7,35,将L2用前面的L代入有： 若令 则有,U-河流BOD稳态响应矩阵，V-河流DO稳态响应矩阵,2019/8/7,36,2.2.4 含支流的河流矩阵模型 可分别针对干流和支流列出各自的BOD-DO耦合矩阵方程，然后依次计算得到,2019/8/7,37,编程与上机练习一: 运用学过的语言