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水质模型及应用 水质数学模型P113 描述水体的水质指标在各种因素作用下随时间和空间的变化关系的数学模式采用水质模式进行水环境影响预测是最常用的预测方法最重要的是选用合适的模式和正确的参数 2 水质数学模型分类P113 按上游来水和排污随时间的变化情况 动态模式 稳态模式按水质的空间分布状况 零维 一维 二维和三维模式按模拟预测的水质组分 单一组分 多组分耦合模式按预测水体类型 河流 河口 湖库 海洋模式按水质数学模式的求解方法及方程形式 解析解模式 数值解模式 3 水质模式中坐标系的建立P113 以排放点为原点Z轴铅直向上 X Y轴为水平方向X方向与主流方向一致Y方向与主流方向垂直 4 河流水质模型 污水与河流的混合河流完全混合模式 一维稳态模式 S P模式 适用于河流的充分混合段 托马斯模式 适用于沉降作用明显河流的充分混合段 二维稳态混合模式与二维稳态混合衰减模式 适用于平直河流的混合过程段 弗罗模式与弗 罗衰减模式 适用于河流混合过程段以内断面的平均水质 二维稳态累积流量模式与二维稳态混合衰减累积流量模式 适用于弯曲河流的混合过程段 河流pH模式与一维日均水温模式 5 污水与河流水体的混合P111 污水与河水的混合过程通常包括 竖向混合阶段 横向混合阶段 纵向混合阶段使用水质模式时应注意预测点的位置 混合过程段 完全混合段 充分混合段 6 混合过程段与充分混合段P110充分混合 当断面上任意一点的浓度与断面平均浓度之差小于平均浓度的5 时 可以认为达到充分混合 混合过程段 从排放口开始到其下游充分混合段之间的河段 混合过程段距离xn的计算P110 式6 39 a 排放口到岸边的距离 mB 河流宽度 mEy 废水与河水的横向混合系数 m2 sux 河流的平均流速 m s 7 河流完全混合模式P113 适用条件 1 废水与河水迅速完全混合后的污染物浓度计算 2 污染物是持久性污染物 废水与河水经一定的时间 距离 完全混合后的污染物浓度预测 河流为恒定流动 废水连续稳定排放 稳态 C 废水与河水完全混合后污染物的浓度 mg LQh 排污口上游来水流量 m3 sCh 上游来水的水质浓度 mg LQp 污水流量 m3 sCp 污水中污染物的浓度 mg L 式6 41 8 9 BOD DO耦合模型 S P模型 P96 模型的假设条件 BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应 反应速率常数是定常的 水体耗氧全部是由BOD衰减引起 溶解氧完全来源于大气复氧 模型的解析解 式6 11 6 12 6 13 6 14 适用条件 河流充分混合段 污染物为耗氧有机物 需要预测河流溶解氧状态 河流为恒定流动 污染物连续稳定排放 稳态 氧垂曲线与临界点 最大氧亏值处 10 饱和溶解氧及氧亏的计算 DOs 饱和溶解氧 mg L T 气温 D 氧亏值 mg L DO 实际的溶解氧值 mg L 11 S P模式 D 氧亏值mg L D0 计算初始断面的氧亏值mg L K2 大气复氧系数 1 d K1 耗氧系数 1 d u 河流的平均流速 m s Xc 最大氧亏点到计算初始点的距离 m 式6 11 计算时注意单位换算 以及起始点处假定完全混合后的初始浓度的计算 式6 15 式6 12 式6 13 式6 14 12 13 一维稳态衰减模式 与S P模式中BOD预测模式 P97式6 11 相同 C为X处污染物的浓度 ux断面平均流速 K为污染物衰减系数 模型的适用对象 非持久性污染物 完全混合段 稳态 思考题7 14 托马斯模式P115 c0 S P模式的修正 适用于沉降作用明显的河流 其它适用条件同S P模式 K3 沉降和再悬浮的耗氧系数 d 1 式6 53 15 二维稳态混合衰减模式P114 岸边排放 式6 48 非岸边排放 式6 49 H 平均水深 B 河流宽度 a 排放口与岸边的距离 My 横向混合系数 适用条件 平直河流 混合过程段 非持久性污染物 稳态 16 弗 罗衰减模式P114 适用条件 平直河流 求混合过程段内断面平均水质 非持久性污染物 稳态 17 稳态混合衰减累积流量模式P114 岸边排放 式6 51 非岸边排放 式6 52 Mq 累积流量坐标系下的横向混合系数 x q 累积流量坐标系的坐标 适用条件 弯曲河流 混合过程段 非持久性污染物 稳态 18 河流pH模式P115 适用于河流充分混合段 19 河流一维日均水温模式P116 适用于河流充分混合段 20 河口水质模型 欧康那河口模式与欧康那河口衰减模式 适用于中小河口的潮周平均 高潮平均和低潮平均水质 BOD DO河口耦合模式 与河流S P模式类似 河口一维动态混合数值模式 一维流场方程和一维水质方程 适用于一维潮汐河口 得到任意时刻浓度分布 河口二维数值模式 适用于潮汐河口混合过程段 得出任意时刻断面不同位置的浓度 21 欧康那河口衰减模式P116 上溯 x 0 自x 0处排入 下泄 x 0 均匀河口的模型稳态解析解为 叠加了背景浓度 Qh 排污口上游来水流量 Ch 上游来水的水质浓度 Qp 污水流量 Cp 污水中污染物的浓度 式6 65 式6 66 适用 均匀河口 非持久性污染物 稳态 充分混合段 22 BOD DO河口耦合模式 23 河口一维动态数值模式 偏心差分解法得到各个时间内各断面处的水位和流量 计算出每一时间层的水流状态 水位和水量 流速 再用偏心差分法解上式算浓度变化 适用条件 河口充分混合段 非持久性污染物 可以预测任意时刻的水质 24 2020 3 18 25 河口二维动态混合衰减数值模式 26 湖泊 水库 水质模型 湖泊完全混合平衡模式与湖泊完全混合衰减模式 适用于小湖库 可求稳定的平衡出水浓度 卡拉乌舍夫模式与湖泊推流衰减模式 适用于无风大湖库的点源排放 计算离排放口径向距离r处的平衡浓度 湖泊环流二维稳态混合模式与湖泊环流二维稳态混合衰减模式 适用于近岸环流显著的大湖库 分层湖 库 集总参数模式与分层湖集总参数衰减模式 适用于有规律的分层湖库 得到预测时间的湖库浓度 27 湖泊完全混合衰减模式P118 平衡时 适用条件 小湖 库 非持久性污染物 稳态 其中动态模式可预测随时间的变化 平衡模式只反映长期平均浓度 W0 湖库中现有污染物的排入量mg s V 湖水体积 m3Qh 湖水流出量 m3 sK1 污染物的衰减系数 1 dCh 污染物起始浓度 mg L 式6 76 28 湖泊推流衰减模式P118 适用条件 大湖 无风条件 非持久性污染物 稳态 H 平均水深 r 离排污口的径向距离 废水在湖中的混合角度 弧度 稳定情况下的解析解 式6 77 29 湖泊环流二维稳态混合衰减模式P118 岸边排放 非岸边排放 适用 大湖库 环流显著 非持久性污染物 稳态 式6 78 式6 79 30 分层湖集总参数衰减模式 分层期 0 t t1 非分层期 t1 t t2 31 海湾水质模型 约 新模式 适用于计算持久性污染物点源排放下离排放口径向距离r处浓度 二维潮流混合模型 先用特征理论潮流模式计算流场 再用特征理论混合模式计算浓度场 二维潮流温度模型 先用特征理论潮流模式计算流场 再用特征理论温度模式计算温度场 32 约 新模式 33 水质模型涉及的主要参数 水力学参数耗氧系数K1复氧系数K2污染物的衰减系数K混合系数MXMYMZ 34 重要参数的确定方法P97 耗氧系数K1系数的估值 实验室测定值修正 两点法复氧系数K2系数的估值 奥多公式 欧文斯等人的经验式 丘吉尔经验式混合系数MXMYMZ的确定 经验公式 示踪试验 经验数据 35 耗氧系数K1的估值P97 1 实验室测定值修正法实验室测定实验室测定值的修正实验室测定的K1值可直接用于湖泊或水库的模拟 用于河流或河口时需修正 K Bosko提出的修正方法为 式6 20 36 实验测定原理P97 又可写为 令 则有 Y t t为直线 测定不同时间下的 作出Y t t直线 求出直线的截距a和斜率b 可计算出K1及 则有 37 耗氧系数K1的估值P83 2 两点法河流上任意两个截面A和B A为上游截面 A B间无废水和支流汇入 有 两式相比 并取对数可得 测定出截面A B处河水的BOD值 原河水的 并计算出河水在两截面间的流行时间 即可算出K1 实际中可多取几个断面 得到若干个K1 然后取平均值 式4 72 38 复氧系数K2的估值P98 1 奥 多公式 式中 cz 谢才系数u 河水的流速n 河床糙率 可从 环境影响评价技术导则 地面水环境 或其它资料查取得到 39 复氧系数K2的估值P98 2 欧文斯等人的经验式 3 丘吉尔经验式 40 混合系数的估值 补充了解 具体参考导则1 经验公式流量恒定 河宽大 水较浅 无河湾的顺直河流 式中 H 平均水深 I 水力坡度 g 重力加速度 泰勒 Taylor 公式 适用于河流 爱尔德 Elder 公式 适用于河流 41 混合系数的估值 示踪实验向水体中投放示踪物质 追踪测定其浓度变化 据以计算所需要的各环境水力参数 经验数据参考选取文献中的经验数据 42 水质模型的应用 预测范围 预测因子和预测条件的确定污染源的简化水体的简化水质模型的选择水质模型参数的确定水质预测预测结果的分析与评价 43 44 水体的简化P112 包括水体边界形状的规则化 水力 水文要素时空分布的简化等河流的简化 可简化为矩形平直河流 矩形弯曲河流和非矩形河流 河流断面的宽深比 20时 可视为矩形河流 大中型河流的预测河段弯曲较大时 应视为弯曲河流 否则可简化为平直河流 大中河流各端面水深变化很大且评价等级很高时 可视为非矩形河流并应调查其流场 河流水质水文有急剧变化处 可分段分别进行预测 河网应分段进行预测 45 水体的简化P112 湖泊 水库 的简化可简化为大湖库 小湖库和分层湖库 河口的简化河流感潮段处个别要求很高的情况外 一般可按潮周平均 高潮平均和低潮平均三种情况简化为稳态预测 46 污染源的简化P113 排放规律可简化为 连续恒定排放 非连续恒定排放排放形式可简化为 点源 面源无组织排放可简化为面源 多个间距很近的排放口排水时 也可简化为面源 排入小湖库的所有排放口可简化为一个 排入河流或大湖库的两个排污口距离较近时 可简化为一个 距离较远时则应分别考虑 47 水质数学模型的选用 河流充分混合段可以采用一维模型或零维模型预测断面平均水质 大 中河流一 二级评价应采用二维模型预测混合过程段水质 其他情况综合考虑是否采用二维模型 小湖库可以采用零维模型预测其平衡时的平均水质 大湖库应预测排放口附近各点的水质除个别要求很高的情况 感潮河段一般可按潮周平均 高潮平均和低潮平均三种情况预测水质 海洋应采用二维模型预测平面各点的水质 评价等级为一二级时 应首先计算流场 然后预测水质 48 水质模型的选用原则 在水质混合过程段进行预测 应选用二维或三维模式 在水