第四章-3河口水质模型ppt

1、第四章第四章 水环境系统模型水环境系统模型 第三节第三节 河口水质模型河口水质模型本章内容本章内容第四章第四章 第三节河口水质模型第三节河口水质模型l河口河口是指入海河流受到潮汐作用的是指入海河流受到潮汐作用的一段水体。一段水体。l与一般河流的最大差别在于受到潮与一般河流的最大差别在于受到潮汐的影响后，水质显现出明显的时汐的影响后，水质显现出明显的时变特性。变特性。潮汐对于河口水质的影响主要表现为：潮汐对于河口水质的影响主要表现为：l随着海潮的涌入，大量的随着海潮的涌入，大量的Cl及携带的泥沙进入及携带的泥沙进入河口段，使河水相对密度增大而河口段，使河水相对密度增大而Cl及泥沙吸附及泥沙吸附污

2、染物发生沉降作用；海水进入带入大量的溶解污染物发生沉降作用；海水进入带入大量的溶解氧，增强了河口段的同化能力（新水与原河流水氧，增强了河口段的同化能力（新水与原河流水体的融合速度）。体的融合速度）。l由于潮汐的顶托作用，使得污水上溯，从而扩大由于潮汐的顶托作用，使得污水上溯，从而扩大了污染范围，延长了污染物在河口的停留时间，了污染范围，延长了污染物在河口的停留时间，有机物的降解会进一步降低水体中的溶解氧，使有机物的降解会进一步降低水体中的溶解氧，使水质下降。潮汐会使河口的含盐量增加。水质下降。潮汐会使河口的含盐量增加。l而在通航的河口，由于宽度较大，深度较深，而在通航的河口，由于宽度较大，深度

3、较深，在无组织排放条件下，可能有很多排放口伸入在无组织排放条件下，可能有很多排放口伸入河口，因而污染物不仅要经过很长距离才能完河口，因而污染物不仅要经过很长距离才能完成横向混合，其混合输移的过程也较河流复杂。成横向混合，其混合输移的过程也较河流复杂。l污染物在河口潮流区的混合输移过程是在三维空间上污染物在河口潮流区的混合输移过程是在三维空间上进行的。其水质的基本方程为：（式（进行的。其水质的基本方程为：（式（3.13）加上一）加上一个源汇项个源汇项Si）：）： （4.3.1）l式中式中ux、uy、uz分别为分别为x、y、z方向的流速分量，取方向的流速分量，取时间平均值；时间平均值；Et,x、E

4、t,y、Et,z分别为分别为x、y、z方向的湍方向的湍流扩散系数。流扩散系数。l该式直接求解显然十分困难，但是我们知道，河口水该式直接求解显然十分困难，但是我们知道，河口水质的预测主要是潮周平均、高潮平均和低潮平均水质。质的预测主要是潮周平均、高潮平均和低潮平均水质。l因此，可适当对上述方程式进行必要的简化。因此，可适当对上述方程式进行必要的简化。222,222t xt yt zxyziCCCCCCCEEEuuuKCStxyzxyz1. 一维动态混合衰减模式一维动态混合衰减模式l假设污染物在横向和竖向的浓度分布是均匀的，假设污染物在横向和竖向的浓度分布是均匀的，那么可以用一维或二维模型来描述河

5、口水质的那么可以用一维或二维模型来描述河口水质的变化规律。变化规律。l尽管在整个周期内净水流是向下游流动的，潮汐尽管在整个周期内净水流是向下游流动的，潮汐作用使得水流在涨潮时向上游运动。作用使得水流在涨潮时向上游运动。l如果在潮汐的高平潮时在某处投放一种示踪剂，如果在潮汐的高平潮时在某处投放一种示踪剂，然后在以后每个高平潮时测量示踪剂的浓度，就然后在以后每个高平潮时测量示踪剂的浓度，就可以得到如图（可以得到如图（4.1）所示的分布。）所示的分布。l它说明在充分混合段的一维河口中，纵向弥散是它说明在充分混合段的一维河口中，纵向弥散是主要的影响因素。主要的影响因素。 图图4.1 潮汐河流中示踪剂的

6、弥散潮汐河流中示踪剂的弥散l如果取污染物浓度的潮周平均值，对于连续稳如果取污染物浓度的潮周平均值，对于连续稳定排放情况，一维充分混合段的河口水质模型定排放情况，一维充分混合段的河口水质模型为：为： （4.3.2）l其中其中Sp为系统外输入的污染物源强为系统外输入的污染物源强mg/L；l若若Sp=0，并且假设，并且假设C(0)= C0，则有上式的解，则有上式的解析解为：析解为：2120 xxpCCDuK CSxxl在排放点上游（在排放点上游（x0）：）： （4.3.3b）024exp112xxxxu xKDCCDu024exp112xxxxu xKDCCDuC0为为x=0处的污染物浓度，可用下式

7、计算：处的污染物浓度，可用下式计算： （4.3.3c）其中其中W表示零点处污染物的排放源强表示零点处污染物的排放源强(mg/s)；Q为海为海水的流量（水的流量（m3/s）。）。0241xxWCKDQul纵向扩散系数 Dx 计算（1）经验公式法 淡水含水量百分比法 荷哈费 法 鲍登（Bowden）法 狄齐逊（Diachishon）法 海福林欧康奈尔（Hefling-OConnell）公式（2）示踪测定法示踪剂浓度的时间分布l河口的弥散系数可采用经验公式计算：河口的弥散系数可采用经验公式计算： 其中其中n为曼宁糙率系数；为曼宁糙率系数；um表示最大表示最大潮汐速度（潮汐速度（m/s）；）；R为河口

8、的水力半为河口的水力半径。径。5/663xmDnu Rl河口弥散系数也可采用通过投放示踪剂方法估算。河口弥散系数也可采用通过投放示踪剂方法估算。可认为可认为K=0,S=0，则式（，则式（3.5.16）的解析解为：）的解析解为： 其中其中x0，表示海潮上溯的距离。因此可以得到：，表示海潮上溯的距离。因此可以得到：lDx的变化在的变化在10100m2/s。0lnxxu xCCD0lnxxu xDCC2. BOD-DO耦合模型耦合模型l对于一维稳态条件，由河口的对于一维稳态条件，由河口的BOD-DO耦合模耦合模型（型（S-P模型）为：模型）为： （4.3.4）l可以写作可以写作D的形式：的形式：(

9、即即 )fDDODO2122122()xxxxfLLuDK LxxDODOuDK LKDODOxx （4.3.5）其解析解为：其解析解为：l在排放点上游（在排放点上游（x0）：）： （4.3.5b）其中其中 ， ， ，其余符号同前。其余符号同前。131241xxKKDu12241xxK Du23241xxK Du011333321exp(1)2exp(1) /exp(1) /22xxxxxxu xLLDu xu xKWDKKQDD一维模型一维模型-BOD-DOBOD-DO耦合模型耦合模型 l模型l解析解2ad2dd0ddxxDDDuK DK Lxxd11add22ad()0()()0()K W

10、ABxKK QDK WABxKK Q对排放口上游（）对排放口下游（）一维模型一维模型-一维有限段模型一维有限段模型lBOD模型111,1,11daddiiiiiiiiiii iiiDiiiiiiiDVQ DQ DDDDDDDtV K LV K DW1LG WL111,1,1,1,11ddiiiiiiiiiiiiLi ii iiiidiiiLVQ LQ LDALLtDALLV K LWlDO模型111DH FG WH WLD二维模型二维模型l方程l有限差分等数值解22122xxyCCCCuMMK Ctxxy河口生态水质模型河口生态水质模型 l水生生态氮循环模型032363352106433312

11、4633d()dNN NN NN NQKKKK NNNtYNYNYNV015143547511121161d()dN NNQK NK NK NK NKNNtYNV02322411852392221222d()dN NNN NQK NK NKKK NNNtYNYNV06442431154442256d()dN NNN NQKKK NNNtYNYNV0535156127585553361d()dNN NN NQKKK NK NNNtYNYNV066364921011664656d()dNN NN NQK NKKNNtYNYNVl三维生态水质模型浮游动物浮游动物态氮和磷态氮和磷底栖态氮和磷底栖态氮和

12、磷同化同化死亡和排泄死亡和排泄底栖耗氧底栖耗氧 死亡和排粪死亡和排粪 沉沉积积 沉沉积积 下下沉沉 再再悬悬浮浮 下下沉沉 捕食捕食呼吸耗氧呼吸耗氧分泌分泌矿化耗氧矿化耗氧呼吸耗氧呼吸耗氧光合作用产氧光合作用产氧矿化矿化水汽交换水汽交换碎屑有机碎屑有机态氮和磷态氮和磷浮游植物浮游植物态氮和磷态氮和磷溶解无机溶解无机态氮和磷态氮和磷溶解氧溶解氧模型示意图模型变量 溶解无机态氮、浮游植物态氮、浮游动物态氮、碎屑有机态氮、底栖态氮、溶解无机态磷、浮游植物态磷、浮游动物态磷、碎屑有机态磷、底栖态磷、溶解氧。 第四章第四章 第三节河口水质模型第三节河口水质模型其他河口水质模型其他河口水质模型lCJK3D

13、（南京水利科学研究员河港研究所开发）lSWEDRI（上海水利设计研究院开发）lPOM（Princeton Ocean Model，普林斯顿大学开发）lECOM（Estuary，Coast and Ocean Model，普林斯顿大学开发）lMIKE（丹麦水力研究所开发）lDelft3D（荷兰Delft水力研究所开发）Delft3D模型模型l功能 Delft3D模型是一个2D/3D建模软件，完全用于河流、河口和海岸区域三维水动力水质模拟系统，支持曲面格式，能进行大尺度的水流、波浪、泥沙、水质和生态等计算，计算速度快而稳定，完全能保证质量、动量和能量守恒。l模块 包含水动力模块（FLOW）、波浪模块（WAVE）、泥沙模块（SED）、形态学模块（MOR）、水质模块（WA