QUAL2K模型的原理及应用.ppt

Qual-2k模型的原理及应用,河海大学水文水资源学院2009年12月,2,内容,一、模型的原理二、模型对河流的概化三、模型的结构及步骤四、模型的应用,3,一、模型的原理,1.河段的划分,模型主要模拟河流的主干流，将汇入干流的支流概化成点源排入。如右图；非点源和非点出水口被模拟成线源和线出水口，以它们的起始点和终点为分界线，如左图。,4,2.流量平衡方程,稳态的流量平衡方程适用于每个模拟河段。流量平衡如右图。,是河段i的流出量，是河段i+1的流入量;,是从上游河段i-1流入的流量;,是点源和非点源流入河段i的总流量;,是通过点和非点出水口流出河段i的总流量.,河段流量平衡图,5,2.流量平衡方程,来自源头的总流量可以表现如下：,式中：是第j个点源流进河段i的流量，psi是河段i的所有点源数量，是第j个非点源流进河段i的流量，npsi是i河段的所有非点源数量。,6,2.流量平衡方程,出水口的所有出流可以表示为下：,式中：是i河段第j个点出水口的出水量，pai是i河段的所有点出水口的数量，是i河段第j个非点出水口的出水量，npai是I河段所有非点出水口的数量。,7,3.水质平衡方程,QUAL2K模型的水质基本方程是一维平流扩散物质迁移方程，该方程考虑了平流扩散、稀释、物质组分的自身反应，水质组分间的相互作用以及组分的外部源和漏对组分浓度的影响。水质平衡模型如下：,式中：c为组分浓度；x为距离；T为时间；Ax为距离x处的河流断面面积；Dl纵向弥散系数；u为平均流速；S为源汇项。,8,二、模型对河流的概化,QUAL2K通过划分河段单元将模拟河段概念化为一系列通过输移、扩散机理首尾相连、均匀混合的反应计算单元。这使QUAL2K得以组织模型数据以进行模拟。为描述河流的空间分布特征，QUAL2K将单元定义为以下8种类型：,源头单元，以H表示；交汇点单元，以J表示；交汇点上游单元，以u表示；系统最后单元，以L表示；取水口单元，以P表示；排放口单元，以w表示；水工建筑物单元，以D表示；标准单元，以s表示。,9,三、模型的结构及步骤,1.所需数据QUAL2K模型运用于水质模拟时需要的数据包括：流域水文资料和空间信息边界条件和初始条件对模型参数进行率定和验证过程所需要的监测数据各个河流断面节点的情况和流域气象数据,10,2.模型的应用步骤,QUAL-2K是以excel工作表为界面，用vb编的程序。颜色主要是区分信息是用户输入还是程序输出的结果。主要包括4种颜色区域，如下：浅蓝色：用户需要输入的指定变量和参数的值。浅黄色：用户需要输入的指定数据，模型可以降这些数据自动生成图表曲线。浅绿色：模型输出的设计值。纯暗色：用来制表的数据，并且不能改动。,11,2.1输入边界条件,HeadWater工作表主要是输入河段边界的流量及浓度数据。如右图：,12,2.2河段和各单元的划分,河段和单元的划分应根据模拟河流的实际情况来确定。QUAL2K要求同一河段具有相同的水质和水力参数，根据现场勘测和调查以及现有的监测资料，将具有相同或相似特性的河道划分为同一河段。QUAL2K进行水质模拟的最小单位是计算单元，模拟过程中不要求各个河段上的计算单元是等长的，但是每个河段须由整数个计算单元构成。QUAL2K计算单元的长度决定了水质模拟的计算精度，单元长度越短则计算精度越高，但相应的计算机时增加，单元长度太长则不能保证计算精度，应结合计算精度要求和计算机性能来确定单元长度。划分河段和单元之后根据现场勘测和调查资料为每个单元按QUAL2K的单元类型定义指定其单元类型，通过指定单元类型反映出支流、污染源、取水口及水工建筑物的空间分布状况。,13,2.2.1输入河段数据,Reach工作表主要是输入河流各个河段的信息。主要包括：河段数、河段及单元的长度、上下游河段的高程及位置以及水力学模型的相关参数等，如右图。,14,2.3输入气象数据,气象数据主要包括5个子工作表：空气温度Sheet：主要是输入每个河段的空气温度，一般以温度的均值代替，时间间隔为1小时；露点温度Sheet：包括河段的相关信息和露点温度，其中露点温度可以以平均值代替。风速Sheet：主要是输入系统中各个河段的风速m/s；可以以平均值代替；云层覆盖Sheet：输入各个河段上空云层的覆盖度。可以以平均值代替；ShadeSheet：主要是输入河段每小时的阴暗程度，阴暗程度是关于太阳辐射的函数，,15,空气温度Sheet,仅贴出空气温度工作表的图，其他4项与之相同。,16,2.4模型参数的输入,模型参数的确定是建模工作的核心内容,可靠的参数是模拟成败的关键。因此在确定模型结构之后,还要对模型中的未知参数作适当估算,求得与实测资料最佳拟合的模型参数。QUAL2k的模型参数按河段来组织，主要包括：水力参数水质参数,17,2.4.1水力学参数,水力学参数主要是曼宁公式和水位流量曲线方程中的参数，模拟时对其中一个方程的参数进行设定即可。另一个方程的参数为0或者空白，如下图。,18,2.4.2水质参数的输入,模型所需的水质参数因选择的模拟项目不同而异。常用的有BOD5降解系数K1、复氧系数K2、BOD5沉降系数K3、底泥耗氧系数K4等。水质参数可以通过实测法和经验公式法取得，也可以通过监测资料反算得到。QUAL2K在RateSheet中提供了计算相关水质参数的经验公式，如右图。,19,2.5点源输入,PointSource工作表主要输入河流系统中点源信息。包括点源的位置、出流或入流的流量以及水质浓度，如下图。,20,2.6面源输入,DiffuseSources工作表主要输入河流系统中面源的相关信息。包括面源污染上下游的位置、出流或入流的流量以及水质浓度，如下图。,21,五、模型的应用,应用QUAL2K模型对二干河水质进行模拟。为了方便计算和模拟，进行了以下假设：假设二干河的水流是相对恒定的；二干河的物理、化学、生化过程和水文过程假设为稳态，各反应以及沉降过程均为一级反应；区域排水量以及各种指标物质的浓度都保持一定；各河段的过水断面具有相同的几何特征。,在进行模拟时，可以将汇入干流的支流作为点源输入。根据水文监测站的多年实测资料，计算出支流的流量，以作为点源的流量。同时，支流的指标物质浓度取各时间段内实测资料的平均值。,22,5.1二干河河段的划分,二干河在响水境内的全长为34.5公里，概化图如下。根据模型及计算精度的要求，本文将其分为5个河段。如下表。,23,5.2河段边界及水质数据,在QUAL2K模型中，将支流作为一个点源来处理。根据水文站多年的实测数据，求得各点源和支流的流量。支流的水质是各时间段内实测数据的平均值。水力数据和水环境监测数据如下表。,5.3参数的确定,在已知速度U，流量Q，水深H的情况下，通过公式，以及的经验值，可以求得系数a和的值。结果如下。,5.3.1水力参数的确定,25,5.3.2水质参数的确定,水质参数包括BOD5耗氧系数K1、复氧系数K2、河流纵向弥散系数DL。本文用2002年4月的测量数据来进行水质参数的率定，通过上述计算方法，得到各河段BOD5耗氧系数K1、复氧系数K2、河流纵向弥散系数DL，见表。,26,5.4模型的验证,模型的参数的计算方法已经在参数的率定中确认，在确定参数后，需要对QUAL2K模型的正确性进行验证。利用2004年实测数据求得二干河各河段水质模拟参数见表。,