《水质模型与模拟》期末复习要点整理

一、完全混合系统1.同化因子:a=W/c=Q+KV+A,质量负荷速率W=m/t=Qc（MT-1）,体积流量Q=UAc(L3 T-1)质量通量flux：J=W/Ac=Uc(ML-2 T-1)2.水质模型:根据物质守恒原理用数学的语言和方法描述参加水循环的水体中水质组分所发生的物理、化学、生物化学和生态学诸方面的变化、内在规律和相互关系的数学模型。描述污染物在水中的运动和迁移转化规律，可用于水质模拟和评价、水质预报和预测，制订污染物排放标准和水质规划以及进行水域的水质管理等，是实现水污染控制的有力工具。理论：物质平衡理论，灰色理论、随机理论、模糊理论。经验模型：基于数据的方法，统计回归方法。机理模型：基于推理或理论的方法，基本依据是物质守恒定律.物质平衡理论:累积项=负荷传输项反应项公式k量纲解析解零级dc/dt= -kML-3T-1c=-kc0t一级dc/dt= -kc,lnc-lnc0=-ktT-1c=c0e-kt二级dc/dt= -kc21c=1c0+kM-1L3T-1c=c01+kc0tn级dc/dt= -kcn1cn-1=1c0n-1+(n-1)kt(M-1L3)n-1T-1c=c01+n-1kc0n-1t1/(n-1)4.反应级数确定方法（积分法、微分法、初始速率法、半衰期法、过剩反应物法、数值解法）、温度对反应速率常数的影响.污染物降解系数和温度之间的关系：k（t）= k（t0）*t-t0（为温度系数）5.CSTR完全混合反应器物质总平衡、稳态解、转换函数、停留时间;特征是受纳水体充分混合均匀,污染物浓度在空间位置上没有差别。总平衡:累积项=负荷-出流-反应-沉降Vdcdt=Wt-Qc-kVc-vASc稳态解：0=Wt-Qc-kVc-vAScc=WQ+kV+vAS，c=Wa，a=Q+kV-vAS转换函数：=ccin=QQ+kV+vAs 表示输入输出相应关系，系数远小于1，表示同化容量较大，趋近于1表明同化容量趋近于0停留时间：水力停留时间HRT=V/Q，污染物停留时间PRT=VQ+kV+vAS6.CSTR反应器中根据经出水浓度估算反应动力学常数的Algebraic method 7.响应时间8.通解与特解（脉冲负荷、阶梯负荷、线性负荷、指数负荷）、总解脉冲负荷（污染物迅速排放，瞬间混匀）的特解c=mVe-t；阶梯负荷的特解（新增连续排放源） 线性负荷（变化率为） 指数负荷 9. 反馈式反应器系统物质平衡和求解方法，串联式（前馈式）基本解法响应矩阵、及其逆矩阵的物理意义与排入湖泊内的污染负荷对湖泊污染物浓度贡献有关；数值计算方法（欧拉法、改进的欧拉法、四阶RK方法）二、不完全混合系统1.物质迁移的基本过程，扩散：由于水体分子的随机运动或相互混合过程引起的物质移动，分为分子扩散和紊流扩散；分子扩散：由于物质分子的热运动而产生的扩散；紊流扩散：紊流扩散是流动水体中污染物自高浓度向低浓度转移的扩散。对流（推流平移）：污染物质随水质点的流动一起迁移到新的位置。弥散：实际河流中由于在横断面上各点的流速不相等而引起的污染物分散现象。2.费克第一定律3.混合长度概念：扩散混合发生的长度4.推流式反应器系统（物质平衡方程、点源、非点源排放应用）推流公式5.混合流反应器系统及应用5.简单时变系统（推流、瞬时排放模型）推流： 6.示踪剂实验基本概念：在某地释放出示踪剂，通过实验获得在河道某处c（t）t的数据系列，通过对数据系列的分析计算，求得弥散系数E7.控制单元法基本概念：将一段水域分割为数个小的控制单元，求在稳态条件下第i个控制单元内的物质平衡方程。三、水质环境1.河流的水文和几何特征,水文:流速,流量,弥散；几何:深度,宽度,过水断面面积，河床平均坡度；较深的河流测0.2H和0.8H水深处的流速平均做平均流速,较浅的河流测0.6H水深处的流速。2.设计流量7Q10方法/P-III型频率分析（1）长时间系列水量数据；找出每年中连续7日最小流量；从小到大排序并做累计平率曲线；取累计频率为10%对应的流量为设计流量（2）水文年鉴；水文频率分析；3.纵向混合：由于主流在横、垂方向上的流速分布不均匀而阴气的在流动方向上的溶解态货颗粒态质量的分散混合；横向:由于水流中的紊动作用，在流动的横向方向上，溶解态或颗粒态物质的混合。4.河口弥散系数估算方法5.水库水量平衡关系(G流入地下水的量,P降水量,E蒸发量,As水面面积,V湖泊体积,S蓄变量)6.水质模型步骤:问题描述，模型选择和可行性分析，资料收集和预处理，模型的初步应用，模型参数率定（参数平均值，改进参数取值，最终参数），模型验证，模型应用，模型的后评估7.参数灵敏度分析（参数扰动、一阶灵敏度分析、条件数）8.模型不确定性分析的概念：由于环境系统的复杂性和不可预见性、观测数据的不足和系统表现描述的局限性等原因，环境系统建模存在很大的不确定性。不确定性分析通俗的讲就是误差分析，分析由于系统外部输入的不确定性和环境认识的不确定性导致的。四、溶解氧模拟和S-P模型1.氧垂曲线：在河流受到大量有机物污染时，由于有机物这种氧化分解作用，水体溶解氧发生变化，随着污染源到河流下游一定距离内，溶解氧由高到低，再到原来溶解氧水平，可绘制成一条溶解氧下降曲线，称之为氧垂曲线。2.一维河流BOD模型的基本方程和稳态解析解3.水体中与溶解氧相关的水质过程（混合稀释、生物化学作用、大气复氧、光合作用、呼吸作用、底泥耗氧）混合稀释：，生化作用：大气复氧：4.黑白瓶实验：用以研究藻类的呼吸总用。黑屏模拟呼吸作用，白瓶模拟呼吸作用与光合作用共同作用5.单点源S-P模型（基本假设、BODDO耦合实验、临界点）（1）假设：河流中的耗氧过程源于水中的BOD，且BOD的衰减负荷一级反应动力学。河流中溶解氧的来源是大气复氧。耗氧与复氧的反应速度为常数。（2）耦合实验6.S-P模型的修正式:托马斯模型, Dobbins-Camp模型,OConnon模型7.S-P模型的修正式及修正内容8.分布源体积源Sd(ML-3T-1),面源Sd1(ML-2T-1),线源Sd2(ML-1T-1); Sd= Sd2L/V= Sd2/As= Sd1 As/V= Sd1/H9.体积源基本方程及其解析解9.底泥耗氧（SOD）及监测，指底泥中有机物在微生物的作用下氧化分解,还原性物质的化学氧化及其他底栖生物的呼吸耗氧；方法:模型参数率定法；针对分层湖泊设计的方法；直接测量法3直接测量法五、常用水质模型QUALZE是一个综合性、多样化的河流水质模型，适用于模拟完全混合的河流水质。作为稳态模型，它可以计算为了达到任何期望的溶解氧水平所需的稀释流量；可以研究污染负荷的量、发生地点和河流的水质；可以模拟如下任意组合的15种水质参数：溶解氧（DO）、生化耗氧量（BODs）、温度、叶绿素a、有机氮、氨氮、亚硝氮、硝氮、有机磷、溶解性磷、大肠杆菌、任意一种非保守性物质、三种保守性物质。WASP即水质分析模拟程序。由美国国家环保局环境研究实验室开发，可以用来模拟水文动力学、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