Matlab课程设计河流污染物总量控制规划

1、题目：河流污染物总量控制规划第一章 总论一、目的和要求环境系统工程是环境工程专业重要主干课程之一。通过课程设计，使学生进一步巩固和加深课程理论知识，并能结合具体的环境系统问题，进行系统解决方案的优化。通过课程设计的综合训练，提高学生利用系统工程方法解决实际问题的能力，特别是： 1、环境系统工程设计的基本方法、步骤，技术资料的查找与应用；2、环境系统模型的建立过程与建立方法；3、利用计算机编程节能型环境系统模型参数进行求解、模型的灵敏度分析等；4、环境问题解决方案的优化方法；5、综合运用本课程及其有关课程的理论知识解决工程中的实际问题；6、熟悉、贯彻国家环境保护法规及其它有关政策。二、设计任务

2、题目：某河流污染物排放总量控制规划根据设计原始资料，设计河流城区段水环境的污染物总量控制及污染物消减方案，并编制规划方案说明书。三、设计内容、步骤和方法1、通过对该河流的自然特征、水文特征以及水质调查分析的基础上，对该河流的污染状况进行评价，确定该河段的主要污染问题及主要污染因子。2、根据河流的水文特征，建立适宜的环境水质模型，估算模型中的参数，并对模型进行检验。在此基础上，建立环境容量模型，计算该河流的环境容量、允许排放量，并合理分配到各个污染源。3、选定某一支流，按照其允许排放量，合理分配到支流的各个污染源，并根据各个污染源的水质、水量情况，优化设计各个污染源污染物的消减工艺。第二章 原始

3、资料一、河流概况沙河是盐河的直流，干流全长30公里，流域面积206平方公里。一般流量在，本次规划河段长度为19.75公里，是非潮河段；两岸分布的主要污染源有：伟捷毛娟厂，子扬石油化工厂，五万居民的五龙小区和二万居民的蛤蟆塘小区。第二章 污染源现状和水体水质评价1、水质目标按照沙河两岸近期（2015年）环境规划，结合当地技术经济条件，提出不同河段的水质目标组，S9断面水质目标为地表水类，S3断面水质目标为地表水类，S8及S4-3断面水质目标为地表水类，S7及S6断面水质目标为类。规划情况下水温取10。2、水质现状资料根据沙河河床和排污口的排污情况以及各支流输入的位置，选定了六个主要监测断面和四个

4、辅助监测断面。自2009年8月至2010年4月（包括丰、平、枯水期和冰封期），对各监测断面进行了8次连续48小时的水文水质同步监测，共采集分析了二千多个样品，主要监测结果为表1 。表1 沙河实测水质资料月份断面流速m/s流量m/s水温BOD5mg/lDOmg/l分类8S90.430.473201.297.8类S80.2910.62222.855.97.33类S70.2911.69522.853.877.43类S60.1752.0722.323.1657.06类S430.1753.11922.322.868.9类S30.1754.1722.321.6328.27类10S80.1610.37714

5、.2826.517.53类S70.1610.68614.2815.249.59类S60.1320.64413.876.049.47类S430.321.35913.872.7610.2类11S80.1520.1955.7635.5310.35类S70.1520.7065.7622.5512.06类S60.1670.6843.688.51511.95类S430.1671.0443.685.4512.56类12S80.1340.1060.353.087.55类S70.1340.3540.332.799.88类S60.10.4540.121.2411.03类S430.10.7080.112.2814.

6、04类1S80.1160.0962.3868.717.57类S70.1160.272.3844.477.59类S60.1670.370.16715.919.32类S430.1670.4920.1676.7310类2S80.0850.075479.876.19类S70.0850.141447.646.5类S60.0670.1610.128.88.86类S430.0670.3680.113.288.78类3S80.10.1487.5446.27.27类S70.10.3177.5422.529.05类S60.1290.4176.7158.789.66类S430.1290.6366.7155.0212

7、.27类由表中数据可知，在各监测断面上DO均达到水质目标，且均达到类水质标准，而部分监测断面BOD5未达到水质目标，求BOD5的污染指数：式中，-第i中污染物的单项污染指数； -第i种污染物的实测浓度，mg/L； -第i种污染物的评价标准，mg/L。水质评价代码及图像如下：bodi8=5.9 26.51 35.53 53.08 68.71 79.87 46.2;bodpi8=bodi8/6;bodi7=3.87 15.24 22.55 32.79 44.47 47.64 22.52;bodpi7=bodi7/10;bodi6=3.165 6.04 8.515 21.24 15.91 28.8

8、8.78;bodpi6=bodi6/10;bodi4=2.86 2.76 5.45 12.28 6.73 13.28 5.02;bodpi4=bodi4/6;A=bodpi8;bodpi7;bodpi6;bodpi4X = 1 2 3 4 5 6 7;plot(X,A) A = 0.9833 4.4183 5.9217 8.8467 11.4517 13.3117 7.7000 0.3870 1.5240 2.2550 3.2790 4.4470 4.7640 2.2520 0.3165 0.6040 0.8515 2.1240 1.5910 2.8800 0.8780 0.4767 0.46

9、00 0.9083 2.0467 1.1217 2.2133 0.8367注：编号17依次代表8、10、11、12、1、2、3月份。表2 沙河各月份各断面BOD5污染指数（mg/l）月份8101112123断面污染指数S9S3S84.425.928.8511.4513.317.7S71.522.263.284.454.76225S62.121.592.88S4-32.051.122.21备注：空白处为BOD5达标 由表2可知，监测断面S9、S3各月均达到类水质要求目标，且均可达到类水质；而监测断面S4-3、S6在12、1、2月水质未达标，S4-3断面在1月达到类水，12、2月均未达到类水，而S

10、6断面12、1、2均未达到类水；最后监测断面S8、S7绝大多数月份不达标，且S8断面污染较为严重，距离要求的类水差距较大。所以该河段的BOD5排放情况较为糟糕。第三章参数估计1、推求纵向离散系数Ed为了推求该河段的纵向离散系数Ed，选择某一均匀河段，通过投放非降解的诺丹明示踪剂试验。试验情况如下：示踪剂瞬间从岸边投人河中，在下游分别距投放断面2300m和4000m的测站测得示踪剂流过时的浓度过程线C-t，如表3所示，其时间t的起算点以第一测站为准。两测站间河道的平均水深H=0.9m，平均水面宽B=20.0m，平均摩阻流速u*=0.12ms。表3 示踪剂试验记录第一测站第二测站t/minC/mg

11、/Lt/minC/mg/Lt/minC/mg/Lt/minC/mg/L00330.29 370920.18 30.23 360.23 420.08 970.12 60.58 390.18 470.24 1020.08 90.83 420.14 520.44 1070.06 120.96 450.12 570.60 1120.03 150.96 480.09 620.65 1170.02 180.87 510.06 670.61 1220.02 210.76 540.04 720.53 1270.02 240.63 570.03 770.43 1320.01 270.51 600.02 820.

12、33 1370.01 300.39 630870.24 1420由一维水质迁移转化基本方程式解得下游X处的示踪剂浓度变化过程为: 首先验证下游测站是否在一维纵向分散段内，即示踪剂是否在测站断面上混合均匀。横向扩散系数 Ey=0.6Hu*=0.60.90.12=0.0648/s两测站间河段距离 x=x1-x2=4000-2300=1700 m示踪剂峰值在河段间的传播时间 t=62-13=49 min河段平均流速u= = 1700/49=34.7 m/min=0.58 m/s则从投放示踪剂断面到断面完全混合的河段长度为L=1432 m该距离远小于投入示踪剂断面到第一测站的距离2300m，因此可以判

13、定两测站均处于一维纵向分散河段，满足下面计算纵向离散系数的要求。于是，示踪剂流过第一、第二测站的浓度过程线的平均时间和方差为: 计算代码如下：t1=0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63;C1 = 0 0.23 0.58 0.83 0.96 0.96 0.87 0.76 0.63 0.51 0.39 0.29 0.23 0.18 0.14 0.12 0.09 0.06 0.04 0.03 0.02 0.0;S1 = t1*C1;E = 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

14、1 1 1;SS1 = C1*E;t1_average = S1/SS1;t2=37 42 47 52 57 62 67 72 77 82 87 92 97 102 107 112 117 122 127 132 137 142;C2 = 0 0.08 0.24 0.44 0.60 0.65 0.61 0.53 0.43 0.33 0.24 0.18 0.12 0.08 0.06 0.03 0.02 0.02 0.02 0.01 0.01 0.0;S2 = t2*C2;SS2 = C2*E;t2_average = S2/SS2; % 第一站方差B1 = (t1 - t1_average).2

15、;BB1 = C1*B1;Q1 = BB1/SS1;% 第二站方差B2 = (t2-t2_average).2;BB2 = C2*B2;Q2 = BB2/SS2;% 离散系数Ed = (0.58*86.4)2*(Q2-Q1)/(2*(t2_average-t1_average)*24*60);B =t1_average t2_average Q1 Q2 EdB = 19.9962 69.8404 127.2083 267.8362 2.4601 =2、 计算降解系数K1和复氧系数K2为求降解系数与复氧系数，已经得到稳态情况下河流实测水质资料如表4，流速为20km/d，水温为5.8。表4 稳态情

16、况下河流实测水质资料断面号01234距离/km02468BOD/mg/L2522.620.518.516.8DO/mg/L9.28.47.857.157.5 转换得 表5距离x/kmlnL03.21923.11843.02062.91882.821计算编码及图像如下：x = 0 2 4 6 8;lnL = 3.219 3.118 3.020 2.918 2.821;p1 = polyfit(x,lnL,1)plot(x,lnL,r-*)p1 = -0.0498 3.2184第四章纳污能力计算和排污消减计算1、沙河P=90%流量计算表6序号年份流量(m/s)经验频率(%)119681.471.9

17、2 220041.263.85 319731.235.77 419781.197.69 519861.159.62 620091.1111.54 719961.0213.46 819830.74215.38 919720.69417.31 1019610.67819.23 1119950.65421.15 1219760.63723.08 1319930.63425.00 1419910.63326.92 1519750.61728.85 1620100.53430.77 1719770.51732.69 1819600.49834.62 1919640.48436.54 2019820.47

18、938.46 2119670.45840.38 2219900.44542.31 2319650.41644.23 2420000.40946.15 2519740.39148.08 2620050.38650.00 2719980.38251.92 2820070.37553.85 2919800.37455.77 3020010.37457.69 3119940.36359.62 3219710.35661.54 3319970.34663.46 3420080.32965.38 3519690.31267.31 3619840.30569.23 3719630.2971.15 38197

19、90.27773.08 3919810.27775.00 4019870.2776.92 4119990.26678.85 4219620.2680.77 4319890.25882.69 4419880.25584.62 4519920.24686.54 4619850.22788.46 4719700.2290.38 4820020.21692.31 4920060.19994.23 5019660.17896.15 5120030.16498.08 计算代码及图像如下：x = 1.92 3.85 5.77 7.69 9.62 11.54 13.46 15.38 17.31 19.23 2

20、1.15 23.08 25.00 26.92 28.85 30.77 32.69 34.62 36.54 38.46 40.38 42.31 44.23 46.15 48.08 50.00 51.92 53.85 55.77 57.69 59.62 61.54 63.46 65.38 67.31 69.23 71.15 73.08 75.00 76.92 78.85 80.77 82.69 84.62 86.54 88.46 90.38 92.31 94.23 96.15 98.08;y = 1.47 1.26 1.23 1.19 1.15 1.11 1.02 0.742 0.694 0.67

21、8 0.654 0.637 0.634 0.633 0.617 0.534 0.517 0.498 0.484 0.479 0.458 0.445 0.416 0.409 0.391 0.386 0.382 0.375 0.374 0.374 0.363 0.356 0.346 0.329 0.312 0.305 0.29 0.277 0.277 0.27 0.266 0.26 0.258 0.255 0.246 0.227 0.22 0.216 0.199 0.178 0.164;p = polyfit(x,y,6);y1=polyval(p,x);plot(x,y,*,x,y1,r-)Q=

22、interp1(x,y1,90)u =0.18*Q0.24Q = 0.2303u = 0.1265设计频率为90%的设计流量为0.23m3/s，相应流速u=0.18Q0.24=0.18*0.230.24=0.1265m/s=10.93km/d2、纳污能力计算与排污量削减计算其中纳污能力的计算公式如下：式中，W-计算单元的纳污能力，kg/d; K -污染物综合降解系数，1/d； C-计算单元上断面污染物浓度，mg/L； C-计算单元水质目标值，mg/L； L-功能区长度，km; Q-计算单元上断面的设计流量，m/s； u-计算单元上断面的设计流速，m/s。污水处理厂消减量公式：式中，M-消减量，

23、kg/d； Q-污染源流量，m/d； C-污染源处污染物浓度，mg/L； Cos处理后污染物浓度，mg/L。计算代码及结果如下：% Co为河段上游BOD浓度；Cs为河段下游BOD浓度；L为河段间距离；CBOD为污染源BOD浓度；% CBOD1为污染源处理后BOD浓度；Q为污染源流量；w为河段纳污力；m为消减量；Co = 4 6 10 4 6;Cs = 6 10 10 6 4;X = 0.75 2.5 5.1 8.4 3.0; CBOD =280 118 150 120 0; CBOD1=25 20 20 20 0; Q = 2400 8000 1450 3200 0;syms co cs x

24、t r bod bod1 q;for i = 1:1:5, for j = 1:1:5, co = Co(i); cs = Cs(i); x = X(i); t =exp(0.996*X(i)/86.4/2/0.1265); r =exp(-0.996*X(i)/86.4/2/0.1265);w(i) = round(31.536*(cs*t - co*r)*0.23*1000/365)*1000)/1000 cbod = CBOD(i); cbod1=CBOD1(i); q = Q(i); m(i) = (cbod-cbod1)*q/1000 z(i) = w(i)+m(i) endendw

25、 = 46.5590 116.3010 93.1900 120.6200 -12.8680m = 612.0000 784.0000 188.5000 320.0000 0z = 658.5590 900.3010 281.6900 440.6200 -12.8680表7 纳污能力计算表S9S8S7S6S4-3S3水质分类类类类类类类BOD5（mg/l）46101064 DO(mg/l) 532235x00.752.55.18.43.0 纳污力 BOD5（kg/d）46.56 116.30 93.19 120.62 -12.87 表8 排污量削减计算表断面S9S8S7S6S4-3S3污染源毛绢

26、厂五龙小区石化厂蛤蟆小区污染源流量Q（m/d）2400800014503200污染源BOD5/mg/l25202020BOD5(kg/d)658.56900.30281.69400.62-12.87削减量（kg/d）612.00 784.00188.50 320.00 0由表7可知S4-3断面水质目标为地表水类，而S3断面水质目标为地表水类，故两断面间河段不存在纳污力，为解决此问题需要在S4-3断面之前改善水质，使S4-3的水质优于地表水类。3、污水处理率计算污水全部达标排放的污水处理率的计算（1）伟捷毛绢厂污水处理率计算根据纺织染整工业污水排放标准的要求，毛绢厂排放污水中BOD5的浓度应25

27、mg/l,故该厂的污水的BOD去除率应为=（280-25）/280=0.911（2）五龙小区污水处理率计算根据城镇污水处理厂污染物排放标准的要求，五龙小区排放污水中的BOD5的浓度应符合一级标准中的B标准，即排放污水中BOD5的浓度应20mg/l，故该厂的污水的BOD5去除率应为=（118-20）/118=0.831（3）子扬石油化工厂污水处理率计算根据污水综合排放标准的要求，子扬石油化工厂排放污水中的BOD5的浓度应符合第二类污染物最高允许排放浓度的一级标准，即排放污水中的BOD5的浓度应20mg/l，故该厂的污水的BOD去除率应为=（150-20）/150=0.867（4）蛤蟆塘小区污水处

28、理率计算根据污水综合排放标准的要求，蛤蟆塘小区排放污水中的BOD5的浓度应符合一级标准中的B标准，即排放污水中的BOD5的浓度应20mg/l，故该厂的污水的BOD5去除率应为=（120-20）/120=0.833第五章水质模拟计算与水质控制方案优化1、水质模拟计算对于单一河道，很据自身的特点和沿流量输入与输出的状况，将河道划分为N个计算河段，共N+1个断面。分段的原则是使得每一河段大体适用一维水质模型的应用条件。断面的编号从上游到下游依次为0,1,2，i,i+1, ，n.污水不处理的情况下的水质模拟计算，污水不处理的各项污染物浓度如表9示。表9 规划水平年污染源资料污染源伟捷毛绢厂五龙小区子扬

29、石油化工厂蛤蟆塘小区流量/m3/d2400800014503200BOD浓度/mg/L280118150120DO浓度/mg/L1111BOD浓度计算公式如下：式中，C-河流断面下游BOD浓度，mg/L； Co河流断面上游BOD浓度，mg/L K-河水中BOD降解系数，1/d； x-河流两断面间的间距，Km； u-河流中水流的平均流速，m/s。DO浓度的计算公式：式中，Cc-河流断面下游溶解氧的浓度，mg/L； Ccs-河水中的饱和溶解氧浓度，mg/L； Cco-河流断面上游溶解氧的浓度，mg/L； Co-河流断面上游BOD的浓度，mg/L； K-河水中BOD的降解系数，1/d； K-河流的复

30、氧系数，1/d； x-河流两断面间的间距，Km； u-河流中河水的平均流速，m/s。BOD浓度及DO浓度计算代码如下：u=0.1265;Q=0.23;Q1=2400/24/3600;Q2=8000/24/3600;Q3=1450/24/3600;Q4=3200/24/3600;C0=4; C1=280; C2=118; C3=150; C4=120;x1=0.75; x2=2.5; x3=5.1; x4=8.4; x5=3.0;c0 =C0;c =C0*exp(-0.996*x1/86.4/u);c1 =(c*Q+C1*Q1)/(Q+Q1);c12=c1*exp(-0.996*x2/86.4/u);c2 =(c12*Q+C2*Q2)/(Q+Q2);c23=c2*exp(-0.996*x3/86.4/u);c3 =(c23*Q+C3*Q3)/(Q+Q3);c34=c3*exp(-0.996*x4/86.4/u);c4 =(c34*Q+C4*Q4)/(Q+Q4);c5 =c4*exp(-0.996*x5/86.4/u);% A为各断面的BOD浓度A =c0 c1 c2 c3 c4 c5 K1=0.996;K2=3.48;Ccs=11.26;Cco=5; Cc1= Ccs-(Ccs-Cco)*exp(-K2*x1/86.4/u)+K1*c0/(K1-K2)*(e