河流水质数学模型专题概要

1、河流水质数学模型专题1 国内外河流水质模型研究发展简介2 污染物在河流中的迁移过程3 河流水质模型方程介绍4 如何选择河流水质模型1 国内外河流水质模型研究简介 国外关于水质数学模型的研究发展的比较早，自1925年斯特里特费尔普（Streeter-Phelps）第一次建立水质模型以来，国际上对水质模型的研究快速发展。而自从上世纪90年代以来，研究的进一步深入，逐渐成熟。 国内对水质模拟模型研究工作起步较晚，并且主要在确定性模型方面进行了比较深入的研究和应用。近年来，国内有关单位先后在长江、松花江、图门江、苏州河、浑河抚顺段、小青河洛南段、汾河太原段等江河建立或应用了水质数学模型，取得了大量成果

2、。2.污染物在河流中的迁移过程 污染物质进入环境中的流体介质以后，可以进行三个方面的运动：随流体的推流平移运动；本身的分散运动；自身或在环境中其它物质作用下引起的衰减运动。 污染物在河流中的迁移是一种物理的、化学的和生物学的联合过程。这些过程既与污染物本身的特性有关，也与外界的许多条件密切联系。（1）一般污染物在河流中的迁移（2）有机物在河流中的衰减变化（3）水体的好氧与复氧过程（1）一般污染物在河流中的迁移 就污染物在河流中的物理迁移过程而言，它可以包括：污染物随河水的推移，污染物与河水的混合，与泥沙悬浮颗粒的吸附和解析、沉淀和再悬浮，污染物的传热与蒸发以及底泥中污染物以泥沙为载体的输送等。

3、 对于一般污染物的溶解状态或胶体状颗粒来说，它们与河水的混合程度是十分重要的过程。因为废水排入河道后，废水中的污染物在水体中与河水相混的同时，污染物本身得到了分散和稀释，也就是“自净作用”。混合作用主要由河水的推移、湍流扩散或紊流扩散和弥散或离散所决定的。（2）有机物在河流中的衰减变化 有机物在河流中迁移的同时发生衰减变化，是一种很有重要意义的过程。有机物的衰减变化根据外部条件的不同，有两种过程：一是在河流溶解氧充足的条件下发生好氧分解;二是在河流溶解氧缺乏的时发生缺氧或厌氧分解。 根据有关文献的实验和实际观测的数据证明，污染物在水体中的衰减过程符合一级反应动力学规律： 式中： 污染物在水体中

4、浓度的衰减量，mg/L； 污染物在水体中的浓度，mg/L； 污染物在水体中的反应时间，s； 反应速率系数，s-1。tckqqctk（3）水体的好氧与复氧过程 废水进入水体后，随着污染物在水体中的迁移过程，由于以下几种原因，使河水中的溶解氧被消耗掉： 河水中含碳化合物被氧化而引起好氧。 河水中含氮化合物被氧化而引起好氧。 河床底泥中的有机物在缺氧条件下，发生厌气分解，产生有机酸和甲烷、二氧化碳和氨等还原性气体，当这些物质释放到水体中时，消耗水中的氧。 晚间光合作用停止时，由于水生植物（如藻类）的呼吸作用而好氧。 废水中其它还原性物质引起水体的好氧。 河水溶解氧供应的来源有： 上游河水或有潮汐河段

5、海水所带来的溶解氧。 排入河水中的废水所带来的溶解氧。 河水流动时，由大气中的氧向水中扩散、溶解。 水体中繁殖的光合自养型水生植物（如藻类），白天通过光合作用放出氧气，溶于水中。3 河流水质模型方程介绍河流水质模型方程介绍河流水质模拟方法 如果将天然河流按流向分成有限段单元（一维），或者按流向和横向分成有限个区域单元（二维），使得在每一个单元内能够基本满足水文、河床等条件的均匀，这样就可以对每一单元内部应用基本模型或常用模型，而对相邻单元之间建立质量平衡方程，这样就可以建立整个体系的反应方程。这种方法称为河流水质模拟方法。 河流模拟方法对所有的参数都没有空间均匀性的要求，而只有时间稳定性的要求

6、，即所有水力学参数、污染物降解有关的参数、污染源参数均可以随空间变化，但不随时间变化。在较为成熟的应用中，只考虑稳态的模拟计算，即各种参数都不随时间变化（污染源也要稳定排放），最后计算结果为平衡状态的浓度分布。常用河流水质数学模型 零维水质模型（完全混合模型） 零维是一种理想状态，把所研究的水体如一条河或一个水库看成一个完整的体系，当污染物进入这个体系后，立即完全均匀地分散到这个体系中，污染物的浓度不会随时间的变化而变化。hphhppQQQQ 河边拟建一工厂，排放含氯化物废水，流量2.83m3/s，含盐量1300mg/L。该河流平均流速0.46m/s，平均河宽13.7m，平均水深0.61m，上

7、游来水含氯化物100mg/L，该厂废水如果排入河中能与河水迅速混合，问河水氯化物是否超标？（设地方标准为200mg/L）。【解】首先列出公式数据： h=100mg/L，Qh=0.4613.70.61=3.84m3/L p=1300mg/L, Qp=2.83m3/L将这些数据代入公式得 609mg/L因此该厂废水如排入河中，则河水氯化物将超标约3倍。一维水质模型一维水质模型 某一水团沿水流运动方向移动，同时存在于该水团中的污染物亦随之移动，在运动过程中，污染物由于降解或转化成其它形式而发生浓度变化，这一变化往往与河流状态有关如：水温、溶解氧浓度等等，一维模型适用的假设条件是横向和垂直方向混合相当

8、快，认为断面中的污染物浓度是均匀的。 一维模型是目前应用最广的水质模型，在河流的流量河其他水文条件不变条件下，可以采用一维模型进行污染物浓度预测。一维模型微分方程SxDxvxt)()(a.一维稳态水质模型：在均匀河段上定常排污条件下，河段横截面、流速、流量、污染物的输入量和弥散系数都不随时间变化。同时污染物按一级化学反应，无其他源和汇项b.忽略弥散的一维稳态水质模型：适用于河流较小，流速不大，弥散系数很小，从而弥散作用可以忽略的情况下 )411 (2exp210 xuDkDu)exp(10tk BOD-DO耦合模型 河水中溶解氧浓度DO是决定水质洁净程度的重要参数之一，而排入河流的BOD在衰减

9、过程中将不断消耗DO，与此同时空气中的氧气又不断溶解到河水中。斯特里特(H.Streeter)和菲尔普斯(E.Phelps)在1925年提出了描述一维河流中BOD和DO消长变化规律的模型，简称为S-P模型，S-P模型迄今仍得到广泛的应用，它也是各种修正和复杂模型的先导和基础。SP模型的基本假设是：河流中的BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应；反应速度是定常的；河流中的耗氧是由BOD衰减引起的，而河流中的溶解氧来源则是大气复氧。其基本方程是：DkLkdtdDtkdtdL211a.斯特里特-菲尔普斯（Streeter-Phelps）BODDO模型 采用方程 )(2122122OOkLkxOExO

10、uLkxLExLus 在在 ， 的初值条件下，求其积的初值条件下，求其积分解，得到分解，得到SP模型。模型。1.考虑弥散时：考虑弥散时：2.忽略弥散时：忽略弥散时：0) 0(LxL0)0(OxO)()(2121210100 xxxssxeekkLkeOOOOeLL)411 (2211uEkEu)411 (2222uEkEuuxkuxkuxksuxkeDeekkLkOOeLL/0/2101/02211)(氧垂曲线饱和溶解氧浓度溶解氧t0tcDcD0b.托马斯（Thomas）BODDO模型 对一维稳态河流，在斯特里特-菲尔普斯模型的基础上增加一项因悬浮物的沉淀与上浮所引起的BOD速率变化 ，才有以

11、下的基本方程组（忽略弥散）：c.多宾斯坎普（Dobbins-Camp）BODDO模型 对一维稳态河流，在托马斯模型的基础上，添加因底泥释放BOD和地表径流所引起的BOD变化速率 ，藻类光合作用和呼吸作用以及径流引起的溶解氧速率变化 两项。采用以下基本方程组：)()(2132OOkkxOuLkkxLusRLkkdxLd)(31POOkLkdxdOus)(21d.奥康纳（奥康纳（OConnon）BODDO模型模型 对一维稳态河流，在托马斯模型的基础上，对一维稳态河流，在托马斯模型的基础上，除考虑除考虑CBOD外，还考虑外，还考虑NBOD的衰减与好氧作的衰减与好氧作用。采用以下基本方程组：用。采用以

12、下基本方程组：)()(2131OOkLkLkdxdOuLkdxdLuLkkdxdLusNNcNNNcc 多维河流水质预测模型(自学了解） 污水排入河流中，常常需要预测污染物在河流中的分布范围，对于一般河流来说，可以认为污染物在垂直方向的扩散是瞬时完成，这时可以使用二维模型；如果要考虑垂直方向的扩散，这时就要使用三维模型。4.如何选择河流水质模型选择合适的模型应考虑：空间维数时间尺度(稳态，准稳态，动态）污染负荷、源和汇模拟预测的河段范围流动及混合输移模型中变量和动力学结构预测范围内的河段可以分为完全混合段、混合过程段和上游河段。当污水排入河流后，在河流横向断面上要经过横向混合一定距离后与河水充

13、分混合，这个距离称之为“混合过程段”，也就是排放口下游达到充分混合以前的河段。 经验公式：河流坡度重力加速度平均水深河流断面平均流速排放口距岸边的距离河流宽度混合过程段长度IgHuaBLgHIBHBuaBL0065.0058.06.04.0河流及污染物特征持久性污染物（连续排放）完全混合段河流完全混合模式横向混合过程段河流二维稳态混合模式沉降作用明显的河段河流一维稳态模式，沉降作用反应方程近似为为沉降速率）33(kckdtdc河流及污染物特征非持久性污染物（连续排放）完全混合段河流一维稳态模式，采用一级动力学方程横向混合过程段河流二维稳态混合衰减模式沉降作用明显的河段河流一维稳态模式，沉降作用

14、反应方程近似为为沉降速率）为降解速率，3131()(kkckkdtdc溶解氧河流一维BOD-DO模式瞬时源（有限时段）中、小河流河流一维准稳态模式大型河流河流二维准稳态模式三、河口、海湾和湖泊数学模型 （了解和自学）1 河口和海湾 注意有专门的预测模型HJT2.3-1993 导则-地面水有介绍2 湖泊（水库） 湖泊和水库属于静水环境 完全混合型水质模型10010111expkVQeeVWVkQWqWWtkVQWVkQttp10-161101kVQeeVWttVWVWet0VWaVWat0ln1VWaVWVkQVt01lnVWeVWt0四、水质模型参数的确定方法*常用方法： 公式计算和经验估值

15、室内模拟实验测定 现场实测 水质数学模型率定好氧系数两点法复氧系数经验公式（应用条件）混合系数泰勒公式多参数优化法（了解）好氧系数实验室测定法（测定BOD历程曲线）两点法HulKK/5411.0(11修正）（湖库）河流）BAABpBAccnrrHQKccnxuK1172800(1864002211多点法Ko1miimiimimiimiiipmiimiimimimiiiirmrHrncncrmQKxmxxncncximuK1421211212112211111/11172800/118640034232231221/exp/exp186400DODODODOuxKDODODODOuxKnxuK复

16、氧系数经验公式DobbinsConnerO2046/125.125.05.02022/32/1202037.110774.1117,82417,294TmzzmCxmCDHnCCHiDKCuDK欧文斯等人经验式 丘吉尔经验式 85. 167. 020234. 5HuKCsmumH/5.16.01.0673. 1696. 020203. 5HuKCsmumH/8 . 16 . 086 . 0混合系数经验公式爱尔德(Elder)法（纵向弥散系数）2/1*9 . 5gHiuuHDx经验公式菲希尔公式（纵向弥散系数）2/1*22011. 0gHiuHuBuDx补充经验公式泰勒公式（横向混合系数）100

17、/0065. 0058. 02/1HBgHiBHDy混合系数示踪试验测定法 示踪试验法是向水体中投放示踪物质，追踪测定其浓度变化，据以主算所需要的各环境水力学参数的方法。示踪物质有无机盐类（NaCl、LiCl）、萤光染料（如工业碱性玫瑰红）和放射性同位素等，示踪物质的选择应满足下要求：a.具有在水体中不沉降、不降解，不产生化学反应的物性；b.测定简单准确；c.经济；d.对环境无害。 示踪物质的投放方式有瞬时投放、有限时段投放和连续恒定投放。连续恒定投放时，其投放时间（从投放到开绐取样的时间）应大于1.5xm/u(xm为投放点到最远取点的距离)。瞬时投放具有示踪物质用时少，作业时间短，投放简单，数据整理容易等优点。数据整理建议采用拟合曲线法。多参数优化法 多参数优化法是根据实测的水文、水质数据，利用优化方法同时确定多个环境水力学参数的方法。此方法也可以只确定一个参数。利用多参数优化法确定的环境水力学参数是局部最优解，当要确定的参数较多时，优化的结果可能与其物理意义差别较大。为了提高解的合理性，可以采取如下措施：a. 根据经验限制各环境水利学参数的取值范围，确定初值；b. 降低