Chapter.04.3.水質(zhì)模型

1、2021-11-41第二節(jié)第二節(jié) 常用的河流水質(zhì)模型常用的河流水質(zhì)模型 河流水質(zhì)模型簡介河流水質(zhì)模型簡介 河流的混合稀釋模型河流的混合稀釋模型 河流水質(zhì)零維模型河流水質(zhì)零維模型 河流水質(zhì)一維模型河流水質(zhì)一維模型 河流水質(zhì)二維模型河流水質(zhì)二維模型 S-P S-P 模型模型重點重點難點難點.重點重點了解了解了解了解 水質(zhì)模型是一個用于描述物質(zhì)在水中混合、遷移等水質(zhì)模型是一個用于描述物質(zhì)在水中混合、遷移等變化過程的數(shù)學(xué)方程，即描述水體中污染物與時間變化過程的數(shù)學(xué)方程，即描述水體中污染物與時間、空間的定量關(guān)系。、空間的定量關(guān)系。 水質(zhì)模型的分類：水質(zhì)模型的分類：1、按水域類型按水域類型：河流、河口、河

2、網(wǎng)、湖泊河流、河口、河網(wǎng)、湖泊2、按水質(zhì)組分：按水質(zhì)組分：單一組分、耦合組分（單一組分、耦合組分（BOD-DO模型）、模型）、多重組分（比較復(fù)雜，如綜合水生態(tài)模型）多重組分（比較復(fù)雜，如綜合水生態(tài)模型）3、按水力學(xué)和排放條件：按水力學(xué)和排放條件：穩(wěn)態(tài)模型、非穩(wěn)態(tài)模型穩(wěn)態(tài)模型、非穩(wěn)態(tài)模型水質(zhì)模型分類水質(zhì)模型分類2021-11-43 水質(zhì)模型按水質(zhì)模型按 空間維數(shù)分類空間維數(shù)分類零維水質(zhì)模型一維水質(zhì)模型二維水質(zhì)模型三維水質(zhì)模型2021-11-44水質(zhì)模型維數(shù)的選擇水質(zhì)模型維數(shù)的選擇 零維：零維：3個方向都不考慮個方向都不考慮 一維：僅考慮縱向一維：僅考慮縱向 二維：考慮縱向、橫向二維：考慮縱向、橫

3、向 三維：三維：3個方向都考慮個方向都考慮2021-11-45均勻混合段混合段背景段污水注入點污水注入點完全混合點完全混合點L混合段總長度混合段總長度均勻混合段背景段污水注入點污水注入點瞬間完全混合瞬間完全混合既是污水注入點，也是完全混合點既是污水注入點，也是完全混合點混合段背景段污水注入點污水注入點沒有完全混合點沒有完全混合點L混合段總長度混合段總長度2021-11-46 河流的混合稀釋模型河流的混合稀釋模型 在最早出現(xiàn)的水質(zhì)完全混合斷面，有：在最早出現(xiàn)的水質(zhì)完全混合斷面，有：hhPPEPC QC QCQQ式中：式中：Q Qh h河水流量，河水流量， m m3 3/s/s； C Ch h河水

4、背景斷的污染物濃度，河水背景斷的污染物濃度， mg/Lmg/L； C CP P廢水中污染物的濃度，廢水中污染物的濃度， mg/Lmg/L； Q QP P廢水的流量，廢水的流量， m m3 3/s/s； C C完全混合的水質(zhì)濃度，完全混合的水質(zhì)濃度， mg/Lmg/L。2021-11-47完全混合模型適用條件完全混合模型適用條件 穩(wěn)態(tài)：河流；排污穩(wěn)態(tài)：河流；排污 下游某點廢水和河水在整個斷面上下游某點廢水和河水在整個斷面上達到了均勻混合達到了均勻混合 持久性的污染物持久性的污染物 該河流無支流和其他排污口進入該河流無支流和其他排污口進入 2021-11-48例題例題1：完全混合模型：完全混合模型

5、 P135 3 計劃在河邊建一座工廠，該廠將以2.83m3/s的流量排放廢水，廢水中總?cè)芙夤腆w（總可濾殘渣和總不可濾殘渣）濃度為1300mg/L，該河流平均流速為0.457m/，平均河寬為13.72m，平均水深為0.61m，總?cè)芙夤腆w濃度為310mg/L，如如果該工廠的廢水排入河中能與河水迅速混合果該工廠的廢水排入河中能與河水迅速混合，那么總?cè)芙夤腆w的濃度是否超標（設(shè)標準為500mg/L）？答案：731mg/L，超標0.46倍2021-11-49穩(wěn)態(tài)條件下基本模型的解析解穩(wěn)態(tài)條件下基本模型的解析解 什么是穩(wěn)態(tài)？什么是穩(wěn)態(tài)？ 在環(huán)境介質(zhì)處于穩(wěn)定穩(wěn)定流動狀態(tài)和污染源連續(xù)穩(wěn)定穩(wěn)定排放的條件下，環(huán)境中

6、的污染物分布狀況也是穩(wěn)定穩(wěn)定的。這時，污染物在某一空間位置的濃度不隨時間變化，這種不隨時間變化的狀態(tài)稱為穩(wěn)定穩(wěn)定。 參看P119+1202021-11-4101、零維模型、零維模型 零維是一種零維是一種理想狀態(tài)理想狀態(tài)，把所研究的，把所研究的水體如一條河或一個水庫看成一個水體如一條河或一個水庫看成一個完整的體系，當(dāng)污染物進入這個體完整的體系，當(dāng)污染物進入這個體系后，系后，立即完全均勻的分散立即完全均勻的分散到這個到這個體系中，污染物的濃度不會隨時間體系中，污染物的濃度不會隨時間的變化而變化。的變化而變化。2021-11-411河流零維模型的應(yīng)用條件河流零維模型的應(yīng)用條件 對于對于較淺、較窄較淺

7、、較窄的河流，如果的河流，如果不考慮不考慮污染物的降解項污染物的降解項時，當(dāng)滿足時，當(dāng)滿足符合下面符合下面兩個兩個條件之一條件之一的環(huán)境問題可化為零維模型：的環(huán)境問題可化為零維模型：（1 1）河水流量與污水流量之比大于）河水流量與污水流量之比大于2020；（2 2）不需要考慮污水進入水體的混合距離。）不需要考慮污水進入水體的混合距離。一般用于持久性污染物一般用于持久性污染物2021-11-412穩(wěn)態(tài)條件下的河流的零維模型穩(wěn)態(tài)條件下的河流的零維模型0011()8 6 4 0 0CCCxktku式中：C流出河段的污染物濃度，mg/L; C0-完全混合模型計算出的濃度值完全混合模型計算出的濃度值，

8、mg/L; x河段長度，河段長度，m。 k-污染物的衰減速率常數(shù) 1/d； u河水的流速，m/s; t兩個斷面之間的流動時間兩個斷面之間的流動時間。2021-11-413例題例題2：河流的零維模型：河流的零維模型 P135 4 有一條比較淺而窄的河流，有一段長有一條比較淺而窄的河流，有一段長1 1kmkm的河的河段，穩(wěn)定排放含酚廢水段，穩(wěn)定排放含酚廢水1.01.0m m3 3/s;/s;含酚濃度為含酚濃度為200200mg/Lmg/L，上游河水流量為上游河水流量為9 9m m3 3/s/s，河水含酚濃河水含酚濃度為度為0 0，河流的平均流速為，河流的平均流速為4040km/dkm/d，酚的衰減

9、酚的衰減速率常數(shù)速率常數(shù)k k2 2 1/d1/d，求河段出口處的河水含酚求河段出口處的河水含酚濃度為多少？濃度為多少？答案：21 mg/L2021-11-414 2、一維模型、一維模型 適用于適用于符合一維動力學(xué)降解規(guī)符合一維動力學(xué)降解規(guī)律律的一般污染物，如氰、酚、有機的一般污染物，如氰、酚、有機毒物、重金屬、毒物、重金屬、BODBOD、CODCOD等單項指等單項指標的污染物。標的污染物。2021-11-415 一維模型適用條件一維模型適用條件 一維模型適用的假設(shè)條件是橫向一維模型適用的假設(shè)條件是橫向和垂直方向混合相當(dāng)快，認為和垂直方向混合相當(dāng)快，認為斷面中斷面中的污染物的濃度是均勻的的污染

10、物的濃度是均勻的?；蚧蛘呤歉呤歉鶕?jù)水質(zhì)管理的精確度要求允許不考慮據(jù)水質(zhì)管理的精確度要求允許不考慮混合過程而假設(shè)在排污口斷面混合過程而假設(shè)在排污口斷面瞬時完瞬時完成充分混合成充分混合。2021-11-416 一維模型適用的兩種條件一維模型適用的兩種條件0EEPPEPC QC QCQQ均勻混合段混合段背景段污水注入點污水注入點完全混合點完全混合點L混合段總長度混合段總長度均勻混合段背景段污水注入點污水注入點適用適用1適用適用2瞬間完全混合瞬間完全混合既是污水注入點，也是完全混合點既是污水注入點，也是完全混合點0EEPPEPC QC QCQQ2021-11-417點源一維模型的應(yīng)用條件點源一維模型

11、的應(yīng)用條件 如果河段長度大于下列計算的結(jié)果時，可以采用一維模型進行模擬：(0.40.6)(0.0580.0065)Ba uBLHBgHI2021-11-418 混合過程段長度計算混合過程段長度計算 重點重點混合過程段的長度可由下式估算 ：(0.40.6)(0.0580.0065)Ba uBLHBgHI式中，L混合過程段長度； B河流寬度； A排放口距岸邊的距離（0=a0.5B）; u河流斷面平均流速； H平均水深； g重力加速度， 9.81 m/s2 ； I河流坡度。 采用幾維模型的依據(jù)當(dāng)河段長度大于L，可采用0維或一維模型2021-11-419 某河流預(yù)測河段平均寬度某河流預(yù)測河段平均寬度5

12、0.0米，平均水深米，平均水深1.2米，河底坡度米，河底坡度0.90/00，平均流速，平均流速0.1m/S，排放口，排放口到岸邊距離到岸邊距離0米，混合過程段長度是多少米？米，混合過程段長度是多少米？例 題24630009. 02 . 18 . 9)500065. 02 . 1058. 0(1 . 050)06 . 0504 . 0(（米） L 2021-11-420河流的一維模型河流的一維模型 可根據(jù)河流水流特點分兩種情況，即可根據(jù)河流水流特點分兩種情況，即不不考慮彌散作用考慮彌散作用和和考慮彌散作用考慮彌散作用。2021-11-421河流的一維模型河流的一維模型 考慮彌散的一維穩(wěn)態(tài)模型考慮

13、彌散的一維穩(wěn)態(tài)模型式中：C下游某一點的污染物濃度， mg/L ； C C0 0完全混合斷面的污染物濃度完全混合斷面的污染物濃度， mg/L； u河水的流速，m/s； Dx方向上的擴散系數(shù)， m2/s ； k1污染物降解的速率常數(shù)（1/d）； x x下游某一點到排放點的距離下游某一點到排放點的距離，m。0exp(1) 2uCCm xD124186400k Dmu2021-11-422河流的一維模型河流的一維模型 忽略彌散的一維穩(wěn)態(tài)模型忽略彌散的一維穩(wěn)態(tài)模型式中：C下游某一點的污染物濃度，mg/L； C C0 0完全混合斷面的污染物濃度完全混合斷面的污染物濃度，mg/L ； u河水的流速，m/s；

14、 k1污染物降解的速率常數(shù)（1/d）； x x下游某一點到排放點的距離下游某一點到排放點的距離，m。01exp()86400 xCCku2021-11-423例題例題3：河流的一維模型：河流的一維模型 P135 5 一個改擴工程擬向河流排放廢水，廢水量為0.15 m3/s，苯酚濃度為30mg/L,河流流量為5.5 m3/s，流速為0.3 m/s，苯酚背景濃度為0.5mg/L，苯酚的降解系數(shù)k0.2/d，縱向彌散系數(shù)D為10 m2/s。求排放點下游10km處的苯酚濃度。答案：考慮彌散作用，1.19mg/L; 忽略彌散作用，1.19mg/L。 可以看出，在穩(wěn)態(tài)條件下，忽略彌散系數(shù)與考慮彌散系數(shù)的差

15、異很小，?？梢院雎?。2021-11-424總總 結(jié)結(jié) 在利用數(shù)學(xué)模式預(yù)測河流水質(zhì)時，在利用數(shù)學(xué)模式預(yù)測河流水質(zhì)時，充分混合段充分混合段可以采用一維模式或零維?？梢圆捎靡痪S模式或零維模式預(yù)測斷面平均水質(zhì)；式預(yù)測斷面平均水質(zhì)；混合過程段混合過程段需采需采用二維模式進行預(yù)測。用二維模式進行預(yù)測。2021-11-425BOD-DO耦合模型（耦合模型（S-P模型）模型） 描述河流水質(zhì)的第一個模型是由斯特描述河流水質(zhì)的第一個模型是由斯特里特里特( (H.H.S Streeter)treeter)和菲爾普斯和菲爾普斯( (E.E.P Phelps)helps)在在19251925年提出的，簡稱年提出的，簡稱

16、S-PS-P模型。模型。 S-P S-P模型迄今仍得到廣泛的應(yīng)用，它模型迄今仍得到廣泛的應(yīng)用，它也是各種修正和復(fù)雜模型的先導(dǎo)和基礎(chǔ)。也是各種修正和復(fù)雜模型的先導(dǎo)和基礎(chǔ)。 S-PS-P模型用于描述一維穩(wěn)態(tài)河流中的模型用于描述一維穩(wěn)態(tài)河流中的 BODBODDO DO 的變化規(guī)律。的變化規(guī)律。 P121 P121臨界氧虧臨界氧虧最大氧虧最大氧虧污水排入污水排入河流河流DO濃度濃度氧垂曲線氧垂曲線距離或時間距離或時間飽和飽和DO濃度濃度BOD曲線曲線水質(zhì)最差點水質(zhì)最差點虧氧量為飽和溶解氧濃度與實際溶解氧濃度之差虧氧量為飽和溶解氧濃度與實際溶解氧濃度之差2021-11-427BOD-DO耦合模型耦合模型

17、（S-P模型）模型）S-PS-P模型的建立基于三項假設(shè)模型的建立基于三項假設(shè)：（1 1）河流中的）河流中的BODBOD衰減反應(yīng)和溶解氧的復(fù)氧衰減反應(yīng)和溶解氧的復(fù)氧都是一級反應(yīng)；都是一級反應(yīng)；（2 2）反應(yīng)速度是恒定的；）反應(yīng)速度是恒定的；（3 3）河流中的耗氧只是）河流中的耗氧只是BODBOD衰減反應(yīng)引起的衰減反應(yīng)引起的，而河流中的溶解氧來源則是大氣復(fù)氧。，而河流中的溶解氧來源則是大氣復(fù)氧。BODBOD的衰減反應(yīng)速率與河水中溶解氧的衰減反應(yīng)速率與河水中溶解氧( (DO)DO)的的減少速率相同，復(fù)氧速率與河水中的虧氧減少速率相同，復(fù)氧速率與河水中的虧氧量量 D D 成正比。成正比。 見見word

18、word文件。文件。2021-11-428S-P模型的適用條件模型的適用條件 5個條件個條件 a、河流充分混合段；、河流充分混合段； b、污染物為耗氧性有機污染物；、污染物為耗氧性有機污染物； c、需要預(yù)測河流溶解氧狀態(tài)；、需要預(yù)測河流溶解氧狀態(tài)； d、河流為恒定流動；、河流為恒定流動； e、污染物連續(xù)穩(wěn)定排放。、污染物連續(xù)穩(wěn)定排放。2021-11-429BOD-DO耦合模型（耦合模型（S-P模型）模型） S-P模型的基本方程為：模型的基本方程為：DkLkdtdDLkdtdL211式中:L河水中的BOD值，mg/L； D河水中的虧氧值，mg/L,是飽和溶解氧濃度Cs （mg/L）與河水中的實際

19、溶解氧濃度C(mg/L)的差值； k1河水中BOD耗氧速度常數(shù)，1/d； k2河水中的復(fù)氧速度常數(shù)，1/d； t 河水中的流行時間， d。S-P模型的Excel模板2021-11-4300,0,00 xCCxLL)()(/2101/0/02121uxkuxkuxkssuxkeekkLkeCCCCeLL這兩個方程式是耦合的。當(dāng)邊界條件時，其解析解為: 05101520250246810012345678X kmL mg/LL mg/LDOmg/LDOmg/L氧垂曲線示意圖氧垂曲線示意圖2021-11-431 S-P 模型的臨界點和臨界點氧濃度 一般的，最關(guān)心的是溶解氧濃度最低點溶解氧濃度最低點（

20、臨界點），此時水質(zhì)最差。在臨界點，河水的氧虧值最大，且變化率為0。1/ 8 6 4 0 0102ck tckDL ek021221101()86400ln1cDkkktkkkL k式中:L0河流起始點的BOD值，mg/L； D0河流起始點的虧氧值，mg/L； k1河水中BOD耗氧速度常數(shù)，1/d； k2河水中的復(fù)氧速度常數(shù)，1/d； t c 由起始點到達臨界點的流行時間， d。2021-11-4320110120221022121101021221101(1)exp86400(2)expexpexp86400864008640086400(3)ln1()86400(4)ln1(5)ccxccK

21、uK cxxxDKKDKKKuuuDKKKuxKKKcKDKKKtKKKc KD10120exp()86400(6)468 /(31.6)(7)()(8)()ccsscscspphhphpphhphtKcKKCTDCC ODCCCCOC QC QQQD QD QQQ0oo(9)D(10)C(11)D2021-11-433S-P 模型 S-P模型廣泛的應(yīng)用于河流水質(zhì)模型廣泛的應(yīng)用于河流水質(zhì)的模擬預(yù)測中，是預(yù)測河流中的模擬預(yù)測中，是預(yù)測河流中BOD和和DO變化規(guī)律的較好模型。它也用變化規(guī)律的較好模型。它也用于計算河流的最大允許排污量。于計算河流的最大允許排污量。2021-11-434 使用水質(zhì)模型

22、最重要的一環(huán)是使用水質(zhì)模型最重要的一環(huán)是參數(shù)估計參數(shù)估計，水質(zhì)模，水質(zhì)模型應(yīng)用的成敗在很大程度上取決于參數(shù)估計是否型應(yīng)用的成敗在很大程度上取決于參數(shù)估計是否正確，正確，SP模型最重要的兩個參數(shù)是耗氧系數(shù)和模型最重要的兩個參數(shù)是耗氧系數(shù)和復(fù)氧系數(shù)，這兩個參數(shù)的獲取方法，由于一、二復(fù)氧系數(shù)，這兩個參數(shù)的獲取方法，由于一、二、三級評價預(yù)測精度要求不同，在、三級評價預(yù)測精度要求不同，在“導(dǎo)則導(dǎo)則”中也中也有不同的要求，一般采用實驗室測定法、兩點法有不同的要求，一般采用實驗室測定法、兩點法、多點法、經(jīng)驗公式法等等。、多點法、經(jīng)驗公式法等等。2021-11-435圖圖1 河流河流S-P模型實驗虛擬儀器的儀

23、器面板模型實驗虛擬儀器的儀器面板 2021-11-436圖圖2河流河流S-P模型實驗虛擬儀器的操作流程模型實驗虛擬儀器的操作流程 2021-11-437練習(xí)：教材練習(xí)：教材 P135 6說明：說明：漁業(yè)水質(zhì)標準關(guān)于溶解氧的規(guī)定：漁業(yè)水質(zhì)標準關(guān)于溶解氧的規(guī)定： 連續(xù)連續(xù)24h中，中，16h以上必須大于以上必須大于5，其其余任何時候不得低于余任何時候不得低于3，對于鮭科魚，對于鮭科魚類棲息水域冰封期其余任何時候不類棲息水域冰封期其余任何時候不低于低于4。2021-11-438課堂講解課堂講解 S-P模型模型 P135 7 某工廠的排污斷面上，某工廠的排污斷面上，假設(shè)廢水與河水瞬間完假設(shè)廢水與河水瞬

24、間完全混合，此時全混合，此時BOD5的濃度為的濃度為65 mg/L，DO為為7 mg/L，受納廢水的河流平均流蘇為，受納廢水的河流平均流蘇為1.8km/d，河水的河水的K10.18（1/d）, K2=2（1/d），求：），求：（1）距離為）距離為1.5km處的處的BOD5和和DO的濃度；的濃度；（2）DO臨界濃度臨界濃度Cc和臨界距離和臨界距離Xc。2021-11-439Excel繪制氧垂曲線繪制氧垂曲線SP模型的缺陷模型的缺陷 回顧一下SP模型的假設(shè)條件。 影響溶解氧的主要因素包括： （1）大氣復(fù)氧 （2）光合作用 （3）呼吸作用 （4）有機污染物氧化作用 底泥釋放BOD 地表徑流（BOD和

25、DO） 懸浮物的沉降可去除部分BOD 考慮硝化作用的影響奧康納模型多賓斯坎普模型托馬斯模型2021-11-4413、二維模型、二維模型 描述水質(zhì)組分的遷移變化在兩個方描述水質(zhì)組分的遷移變化在兩個方向上是重要的，在另外的一個方向向上是重要的，在另外的一個方向上是均勻分布的，這種水質(zhì)模型稱上是均勻分布的，這種水質(zhì)模型稱為為二維水質(zhì)模型二維水質(zhì)模型。2021-11-4424.2.2 河流的混合稀釋模型河流的混合稀釋模型均勻混合段混合段背景段 河水流量QE (m3/s)，污染物濃度為CE (mgL)污染物濃度為CP (mgL)廢水流量為 QP (m3/s)污水注入點污水注入點完全混合點完全混合點L混合

26、段總長度混合段總長度最早出現(xiàn)的水質(zhì)完全混合斷面最早出現(xiàn)的水質(zhì)完全混合斷面 完全混合段是指污染物濃度在斷面上均勻分布的河段，當(dāng)斷面上任意一點的濃度與斷面平均濃度之差小于平均濃度的5時，可以認為達到均勻分布。二維模型二維模型2021-11-443均勻混合斷面敏感點斷面排污口2021-11-444均勻混合斷面敏感點斷面排污口2021-11-445二維模型二維模型 污水進入水體后，不能在短距離內(nèi)污水進入水體后，不能在短距離內(nèi)達到全斷面濃度混合均勻的河流均達到全斷面濃度混合均勻的河流均應(yīng)采用二維模型。應(yīng)采用二維模型。 實際應(yīng)用中，水面平均寬度超過實際應(yīng)用中，水面平均寬度超過200 m的河流應(yīng)采用二維模型

27、。的河流應(yīng)采用二維模型。2021-11-446二維穩(wěn)態(tài)混合模型二維穩(wěn)態(tài)混合模型 岸邊排放岸邊排放xMyBuxMuyxuMHQccyxcyyypph4)2(exp4exp),(22x預(yù)測點離排放點的距離，m；y預(yù)測點離排放口的橫向距離，m；c預(yù)測點(x，y)處污染物的濃度，mg/L；cp 污水中污染物的濃度，mg/L；Qp 污水流量，m3/s；ch 河流上游污染物的濃度(本底濃度)，mg/L；H河流平均水深，m；My 河流橫向混合(彌散)系數(shù)，m2/s；u河流流速，m/s；B河流平均寬度，m；圓周率。 本式要求河流在截面上近似矩形。本式要求河流在截面上近似矩形。2021-11-447二維穩(wěn)態(tài)衰減模型二維穩(wěn)態(tài)衰減模型 岸邊排放岸邊排放xMyBuxMuyxuMHQccuxKyxcyyypph4)2(exp4exp86400exp),(221x預(yù)測點離排放點的距離，m；y預(yù)測點離排放口的橫向距離，m；c預(yù)測點(x，y)處污染物的濃度，mg/L；cp 污水中污染物的濃度，mg/L；Qp 污水流量，m3/s；ch 河流上游污染物的濃度(本底濃度)，mg/L；H河流平均水深，m；My 河流橫向混合(彌散)系數(shù)，m2/s；u河流流速，m/s；B河流平均寬度，m；圓周率。 本式要求河流在截面上近似矩形。本式要求河流在截面上近似矩形。2021-11-448舉例：紙業(yè)環(huán)評舉例：紙業(yè)環(huán)評地表水環(huán)