Chapter043水質(zhì)模型

1、2022-3-71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)學方程，即描述水體中污染物與時間變化過程的數(shù)學方程，即描述水體中污染物與時間、空間的定量關系。、空間的定量關系。 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、河網(wǎng)

2、、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（比較復雜，如綜合水生態(tài)模型）多重組分（比較復雜，如綜合水生態(tài)模型）3、按水力學和排放條件：按水力學和排放條件：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2022-3-73 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2022-3-74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、橫向 三

3、維：三維：3個方向都考慮個方向都考慮2022-3-75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2022-3-76 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河水背景斷的污

4、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。2022-3-77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 2022-3-78例題例題1：完全混合模型：完全混合模型 P135 3

5、 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（設標準為500mg/L）？答案：731mg/L，超標0.46倍2022-3-79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)境中的污染物分布狀況

6、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+1202022-3-7101、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，當污染物進入這個體完整的體系，當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。2022-3-711河流零維模型的應用條件河流零維模型的應用條件 對于對于較淺、較窄較淺、較窄的河流，如果的

7、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，當滿足時，當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2022-3-712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， mg/L; x河段長度

8、，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。2022-3-713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，酚的衰減酚的衰減速率常數(shù)速率常數(shù)

9、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/L2022-3-714 2、一維模型、一維模型 適用于適用于符合一維動力學降解規(guī)符合一維動力學降解規(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。2022-3-715 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條件是橫向一維模型適用的假設條件是橫向和垂直方向混合相當快，認為和垂直方向混合相當快，認為斷面中斷面中的污染物的濃度是均勻的的污染物的濃度是均勻的?；蚧蛘呤歉?/p>

10、者是根據(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在排污口斷面混合過程而假設在排污口斷面瞬時完瞬時完成充分混合成充分混合。2022-3-716 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 QCQQ2022-3-717點源一維模型的應用條件點源一維模型的應用條件 如果河段長度大于下列

11、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 uBLHBgHI2022-3-718 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)當河段長度大于L，可采用0維或一維模型2022-3-719 某河流預測河段平均寬度某河流預測河段平均寬度50.0米，平均水深米，平均水深1.2

12、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 2022-3-720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。2022-3-721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)模型考慮彌散的一維穩(wěn)態(tài)模型式中：C下游某一點的污

13、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) 2uC Cm xD124186400k Dmu2022-3-722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； k1污染物降解的速率常數(shù)（1/d）；

14、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 xCCku2022-3-723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)的差異很小，?？梢院雎浴?022-3-724總

15、總 結(jié)結(jié) 在利用數(shù)學模式預測河流水質(zhì)時，在利用數(shù)學模式預測河流水質(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模式或零維模式預測斷面平均水質(zhì)；式預測斷面平均水質(zhì)；混合過程段混合過程段需采需采用二維模式進行預測。用二維模式進行預測。2022-3-725BOD-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S-PS-P模型。模型。 S-P S-P模型迄

16、今仍得到廣泛的應用，它模型迄今仍得到廣泛的應用，它也是各種修正和復雜模型的先導和基礎。也是各種修正和復雜模型的先導和基礎。 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2022-3-727BOD-DO耦合模型耦合模型（S-P模型）模型）S-PS-P模型的建立基于三

17、項假設模型的建立基于三項假設：（1 1）河流中的）河流中的BODBOD衰減反應和溶解氧的復氧衰減反應和溶解氧的復氧都是一級反應；都是一級反應；（2 2）反應速度是恒定的；）反應速度是恒定的；（3 3）河流中的耗氧只是）河流中的耗氧只是BODBOD衰減反應引起的衰減反應引起的，而河流中的溶解氧來源則是大氣復氧。，而河流中的溶解氧來源則是大氣復氧。BODBOD的衰減反應速率與河水中溶解氧的衰減反應速率與河水中溶解氧( (DO)DO)的的減少速率相同，復氧速率與河水中的虧氧減少速率相同，復氧速率與河水中的虧氧量量 D D 成正比。成正比。 見見wordword文件。文件。2022-3-728S-P模

18、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、需要預測河流溶解氧狀態(tài)；、需要預測河流溶解氧狀態(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。2022-3-729BOD-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2022-3-7300,0,00 xCCxLL)()(/2101/0/02121uxkuxkuxkssuxkeekkLkeCCCCeLL這兩個方程式是耦合的。當邊界條件時，其解析解為: 05101520250246810012