環(huán)境水力學ch5-4

1、環(huán)境水力學環(huán)境水力學 鄭天柱鄭天柱 揚州大學揚州大學 環(huán)境科學與工程學院環(huán)境科學與工程學院 第第 2 2 節(jié)節(jié) 河道遠區(qū)濃度場的計算方法河道遠區(qū)濃度場的計算方法 一、瞬時點源遠區(qū)動態(tài)解 二、連續(xù)點源遠區(qū)穩(wěn)態(tài)解 三、連續(xù)分布源遠區(qū)穩(wěn)態(tài)解 四、多個源輸入的疊加 五、空間流量變化時的連續(xù)分布源遠區(qū)穩(wěn)態(tài)解 一維隨流方程 D Sck dx dc V 1 0)0(c邊界條件： 式中，SD為連續(xù)輸入分布源M/L3T 三、連續(xù)分布源遠區(qū)穩(wěn)態(tài)解 1、不考慮分散作用 A m SD m Vx oB M/LT HBA 外部源輸入 H S S B D B S V x o H M/L2T 內(nèi)部源輸入 )exp(1 )(

2、1 1 V x k k S xc D )exp(1 * 1 1 tk k SD 上述方程的解為： 式中：t*為行進時間。 當 時， 3 * 1 tk 1 95. 0 k S c D 6 . 4 * 1 tk 1 99. 0 k S c D 當 時， x o c 1 k SD A m SD m Vx oB M/LT HBA 外部源輸入 t* 1、兩點源疊加（忽略分散作用） 擴散方程簡化為： 20 10 1 )( )0( clc cc ck dx dc V 時當lx V x kcxc0,exp)( 1 1101 )exp( 1 110 2 1 2 2 20 1 1 10 V l kc Q Q Q

3、m c Q m c 解得: 式中： 時當lx V lx kcxc ,exp)( 2 1202 V l 1 1 2 2 Qu Cu=0 Qe1 Ce1 Qe2 Ce2 0 x c10 c20 1 1 1 11 A Q V QQQ eu 2 2 2 212 A Q V QQQ e 濃度分布圖 四、多個源輸入疊加 2、點源和分布源相疊加 擴散方程簡化為： 20 10 1 )( )0( clc cc Sck dx dc V D )0( )exp(1 (exp)( 1 1 11 1101 lx V x k k S V x kcxc D 解得: )exp(1 ()exp( 1 1 11 11020 1 1

4、 10 V l k k S V l kcc Q m c D 式中： )(,exp)( 2 1202 lx V lx kcxc V l 1 1 2 2 Qu Cu=0 Qe1 Ce1 1 1 1 11 A Q V QQQ eu 0 x c10 c20 濃度分布圖 2 2 2 12 A Q V QQ 例題 x(km)12.526.038.651.6 c(MPN/100ml) 46500 1680090003000 V=0.25m/s 5km 1 1 2 2 Qu=15m3/s Cu=0 Qe1=0.5m3/s 1 1 1 11 A Q V QQQ eu 2 2 2 212 A Q V QQQ e

5、Qe2=0.25m3/s x 3km 灘地 某河段設有兩個污水廠排水口，監(jiān)測下游 大腸桿菌資料如下： 兩污水廠出水總大腸桿菌濃度為3106MPN/100ml， 要保證下游灘地總大腸桿菌不超過2000MPN/100ml， 問污水廠允許排放大腸菌濃度為多少？ xo 103 104 105 15304560 lnc 解: 1 12 21 1 d20. 1 1045 )5000/35000ln(4 .8625. 0 )/ln( xx ccV k ml100MPN/96770 5 . 015 1035 . 0 6 1 10 eu uu QQ CQm C km/d6 .214 .8625. 0V ml10

6、0MPN/47600 25. 05 . 015 10325. 0 6 21 2 20 eeu QQQ m C ) 5 exp()exp()( 120110 V x kc V x kcxc 當x5時: ) 6 . 21 58 2 . 1exp(47600) 6 . 21 8 2 . 1exp(96770)8( c在x=8km處, ml100MPN/5 .102339 5 .402920 .62047 由于: ml100MPN/57000)981. 01 (103 %1 .98%100 5 .102339 20005 .102339 6 排放量削減 允許排放濃度 V Qu=1 Cu=0 CR=30

7、0mg/L QR0.1m3/s 1km 合流雨水溢流管以0.1m3/s流量，BOD濃度300mg/L，均勻排入1km 長的河段，設上游來水流量1m3/s，BOD濃度為0，河流中BOD降解 速率為0.4d-1,試求下游10km處BOD濃度。（截面面積18m2) 解: )/(10667. 1 181000 3001 . 0 /056. 0 18 1 33 smg LA CQ S sm A Q V ee D u )exp(1 )( 1 1 V x k k S xc D )(,exp)( 10 lx V lx kcxc 0 x0 k1=0 c0 x c q=0 q0 k10 c0 0 )0( 0)(

8、cc ca 1 1 2 2 Cu=0 SD （2）考慮分散作用的連續(xù)分布源 D Sck dx dc V dx cd K 1 2 2 x 設空間分布源位于0,a 邊界條件 適用于河口等潮汐河流。 濃度分布 xj ecxcx 1 01 )(0 時，當 )1)( 2 1 ( 1 1 0 aj D e k S c 2 1 1 4 1),1 ( 2V Kk K V j ) 2 1 () 2 1 (1 )( 21 )( 1 2 xjaxj D ee k S xcax0 時，當 2 1 2 4 1),1 ( 2V Kk K V j )( 3 2 )( axj ae cxcax 時，當 )1)( 2 1 (

9、2 1 aj D a e k S c 2 1 2 4 1),1 ( 2V Kk K V j （1） （2） （3） 濃度分布 x K k ecxcx 1 01 )(0 時，當 ) 2 1 ( 1 1 0 a K k D e k S c 2 1 2 1 1 )( 11 1 2 x K k ax K k D ee k S xcax0 時，當 )( 3 1 )( ax K k ae cxcax 時，當 （1） （2） （3） 當V0時 ) 2 1 ( 1 1 a K k D a e k S c x c q=0 q0 k10 c0 復習與思考 1、當研究河段的水力學條件滿足( )時，可 考慮應用零維水

10、質(zhì)模型。 A. 非恒定非均勻，洪水波 B. 恒定非均勻，形成污染帶 C. 恒定均勻，充分混合 D.恒定均勻，非充分混合 2、最容易發(fā)生富營養(yǎng)化污染的水體是( )。 A河流 B. 湖泊 C. 海洋 D地下水 C B 3、河流斷面寬深比（）可視為矩形河流。 A.15B.20C.10D.10 4、大氣濃度預測公式中的y,z指 （ ） A. 橫向擴散系數(shù)和縱向擴散系數(shù) B. 橫向擴散系數(shù)和垂向擴散系數(shù) C. 時間擴散系數(shù)和縱向擴散系數(shù) D. 橫向擴散參數(shù)和垂向擴散參數(shù) B D 5、產(chǎn)生紊動混合的主要因素是 ( ) A. 風力 B. 水力坡度 C. 密度差異 D. 溫度差異 6、下列說法不正確的是（ ）

11、 A. 物理過程：指污染物在水體中的混合稀釋和自然沉淀過程 B. 化學過程：指污染物在水體中發(fā)生的理化性質(zhì)變化等化學反應，對 水體凈化起作用的主要是氧化還原反應 C. 生物自凈過程：微生物在溶解氧充分的情況下，將一部分有機污染 物當食餌消耗掉，將另一部分有機物氧化分解為無害的簡單無機物 D. 紊動擴散：指水流的紊動作用引起的水中污染物自低濃度向高濃度 區(qū)域擴散過程 B D 7、在河流中，影響污染物輸移的主要物理 過程是（ ） A. 隨流輸運 B. 橫向擴散 C. 縱向擴散 D. 以上三者 8、河流稀釋混合模式中，點源稀釋混合模 型是（ ） A. B. C. D. Q W QQcQcc s ee

12、uu 4 .86 eueeuu QQQcQcc d tk c c 1 0 1 V x kcc 86400 exp 10 B D 9、河流的一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型是（、河流的一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型是（ ） A. B. C. D. 10、上述為河流S-P水質(zhì)模型是（ ） ) 4 exp( 4 ),( 2 xE Vz V x EhV m zxc z z )()( / 21 01/ 0 / 0 212 1 uxkuxkuxk ss uxk ee kk Lk eCCCC eLL ck x c K x c V t c 1 2 2 Dz S z c E x c K x c V 2 2 2 2 B B 11、對線性問題應

13、用疊加原理時，下列說法不正確的是( ) A. 多個污染源輸入時，可分別計算每個污染源的濃度響應，再進行濃 度疊加 B. 對空間起始分布源輸入，可將起始分布源分解為若干瞬時平面源， 再對每個瞬時源引導的濃度進行求和 C. 對恒定連續(xù)源輸入，可將連續(xù)源按時間分解為若干瞬時源，再對每 個瞬時源引導的濃度進行求和 D. 斷面上某點流速可分解為平均速度、偏差速度和脈動速度之和 12、下列說法不正確的是( ) A. 分子擴散方程實質(zhì)上是質(zhì)量守恒原理在環(huán)境水力學中的應用 B. 寬淺型河流的分散系數(shù)一定與河流水深成正比 C. 誤差函數(shù)始終是增函數(shù) D. 分子擴散系數(shù) ，即不符合各向同性 zyx DDD 13、

14、上游來水CODCr(u)=14.5mg/L，Qu=8.7m3/s；污水 排放源強CODCr(e)=58mg/L，Qe=1.0m3/s。如忽略排污口至 起始斷面間的水質(zhì)變化，且起始斷面的水質(zhì)分布均勻， 則采用完全混合模式計算得到其濃度為( )。 A. 20.48mg/L B. 17.98mg/L C. 18.98mg/L D. 19.98mg/L 14、下列不屬于瞬時源濃度解的有( ) A. B. C. D. 2 2 2 exp)0 , 0 ,( z zy H U m xc )exp( 442 ),( 0 D xu Dt utx erfc Dt utx erfc c txc Dt butx er

15、f Dt butx erf c txc 442 ),( 0 Dt zyutx Dt M tzyxc 4 )( exp 4 ),( 222 3 15、常規(guī)污染物瞬時點源河流一維水質(zhì)方程 為： ，那么，在距離排放點下游x處的污 染物濃度峰值表達式為（） A B C D ck x c K x c V t c 1 2 2 d tk c c 1 0 1 ) 44 )( exp( 4 / ),( 1 22 tk tE z tE Vtx tEE hM tzxc zxzx 2 1 2 max 4 1,) 22 exp( 1 2 )( K xV K kx K Vx Ax M xc 2 2 2 2 22 exp

16、2 )1 ( z eg yzy p H U X V Y U m c 16、在潮汐河口和海灣中，最重要的物質(zhì)輸移機理是 （ ） A.垂直輸移 B.潮汐輸移 C.擴散 D.分子擴散 17、有風點源湍流擴散模式中，以排氣筒地面位置為原點， 下風向地面軸線濃度計算公式是（） A. B. C. D. 2 2 2 2 2 exp) 2 exp()0 ,( zy zy Hy U m yxc G m YXcL 2 02 23 2 2 ),( )(2 1 2 PHUemc em 2 2 2 exp)0 , 0 ,( z zy H U m xc 18、河流中污染物降解速率k1的影響因素，下述不正 確的是（） A.

17、水體溫度 B.河流結(jié)構(gòu)和水流條件 C.污染物種類 D.污水與河水混合的三個階段 19、關(guān)于氧垂曲線，下列不正確的是（ ） A. 氧垂曲線的最低點稱為臨界氧虧點 B. 臨界氧虧點的虧氧量稱為最大虧氧量 C. 氧垂曲線圖上臨界氧虧點的右側(cè)，耗氧大于復氧 D. 在臨界氧虧點處，耗氧和復氧相平衡 20、下列說法正確的有( ) A. 浮射流一定是變密度的流動，其密度佛汝德數(shù)大小是變化的 B. 河流的橫向擴散系數(shù)一定大于橫向混合系數(shù) C. 射流出口的平均流速越大，則射流擴散角就越大 D. 條縫平面射流的濃度擴散角一定小于直徑等于條縫寬度的圓斷面 的濃度擴散角 21、計算臨界氧虧點位置的計算公式是( ) A

18、. B. C. D. z c E VB x 2 4 . 0 z c E VB x 2 068. 0 )1 (ln 86400 1 12 0 0 1 2 12 k kk c D k k kk u xc z c E VB x 2 1 . 0 22、對岸邊排放方式，計算排放點至充分混合斷面的距 離公式是 ( ) 23、對岸邊排放方式，計算排放點至橫向擴散到對岸的 距離公式是 ( ) A. B. C. D. z M E VB L 2 4 . 0 z B E VB L 2 068. 0 )1 (ln 86400 1 12 0 0 1 2 12 k kk c D k k kk u xc z M E VB

19、L 2 1 . 0 24、河流中氧氣的主要來源是（ ） A. 光合作用 B.空氣中氧氣的溶解 C.隨水源帶入 D.呼吸作用 25、瞬時源排放，湖泊水質(zhì)計算公式是( ) A. B. C. D. d tk c c 1 0 1 t t k V M ctc d ) 1 (exp)()( 10 t t kct t kctc d B d ) 1 (exp1) 1 (exp)( 110 2 1 0 4 11 2 exp V Kk K Vx cc 26、下列說法不正確的是( ) A. 污染物濃度與水密度的量綱是一致的 B. 稀釋度越大，則水體污染物濃度越高 C. 濃度單位ppm表示1kg水體中含有擴散持的質(zhì)量

20、為1mg，近似等 于1mg/L D. 紊動擴散是由于流速場時間分布不均產(chǎn)生大大小小旋渦在層間 脈動引起的擴散作用 27、關(guān)于公式 下列說法不正確的是( ) A. 表示單位長度線源排放速率，單位為g/(ms) B. 為二維擴散方程 ，在邊界條件 下的解 C. 適用于無界空間均勻?qū)恿髁鲃?D. 為瞬時線源二維擴散方程的解 ) 4 exp( 4 ),( 2 Dx Vz DVx m zxc m 2 2 z c D x c V 0),(xc 28、關(guān)于分子擴散系數(shù)D，下列說法不正確的是( ) A. 分子擴散系數(shù)與流體運動粘性系數(shù)的量綱相同 B. 反映擴散質(zhì)的固有物理屬性，其大小與溫度壓力有關(guān) C. 隨著

21、擴散質(zhì)和溶液種類不同而不同 D. 大小與濃度梯度成正比 29、隨流輸移擴散過程中，保守污染物的（ ）保持 不變。 A.所處位置 B.污染物的濃度 C.污染物的質(zhì)量通量 D.污染物的質(zhì)量 30.確定河流中污染物降解速率k1方法中，不正確的是（ ） A. 現(xiàn)場實測 B. 室內(nèi)模擬實驗測定 C. 公式計算和經(jīng)驗估值 D. 分子擴散試驗測定 31、下列水質(zhì)模型不正確的是（ ） A. 計算氣態(tài)污染物最大落地濃度可用 B. 計算河流BOD5濃度沿程變化可用 C. 計算河流混合區(qū)穩(wěn)態(tài)濃度可用 D. 連續(xù)點源河流一維穩(wěn)態(tài)解 )(2 1 2 PHUemc em V x kkcc 86400 exp 310 )

22、4 )2( exp() 4 exp(),( 22 xE zBu xE uz xuEH Qc zxc zz z ee tk tE utx tE M txc x x 1 2 4 )( exp 4 ),( 32、不影響河流水質(zhì)濃度計算的因素有 ( ) A. 排放口位置是設在河中心還是設在岸邊和污染物排放量大小 B. 河流流速和污染物降解速率 C. 排放污水中細菌濃度的高低 D. 污染物是瞬時排放還是連續(xù)排放 33、下列說法不正確的有( ) A. 紊動擴散系數(shù)是流體運動狀態(tài)的反映，與水溫和水的密度等水的性 質(zhì)無關(guān) B. 一般來說， ，且數(shù)值上 C. S-P模型是非穩(wěn)態(tài)模型，主要用于河流中有機污染物的濃

23、度計算 D. 在天然河流中，縱向剪切離散比紊動擴散作用大得多 zyx EEE zyx EEE 34、淡水最大密度時的溫度為（ ） A. 4左右 B. 3左右 C. 2 左右 D. 0左右 35、當水體中的溫度升高時，水中氧氣的溶解度（ ） A.降低 B.升高 C.不變 D.可能升高,也可能降低 36、河流水質(zhì)模型中，有機物生化反應符合一級反應動 力學規(guī)律，即( ) A. 反應速率與該有機物濃度的一次方成正比 B. 反應速率與該有機物濃度的二次方成正比 C. 該有機物降解速率k1為零 D. 忽略河流混合的第一、二階段 37、瞬時點源解 ，則 t 時刻的等濃度面為( ) A. 同軸圓柱面 B. 同

24、心圓球面 C. 傾斜平面 D. 旋轉(zhuǎn)拋物面 38、在公式 中，下列說法不正確的是( ) A. 表示以x軸為法線的單位面積上擴散質(zhì)的質(zhì)量通量，單位為 g/(m2s) B. 始終為正值 C. 公式右邊負號表明擴散方向與濃度梯度方向相反 D. 擴散質(zhì)可以從低濃度向高濃度方向擴散 2222 2 3 ,) 4 exp( )4( ),(zyxr Dt r Dt M trc x q x q x c Dqx 39、示蹤劑實驗法測定紊流擴散參數(shù)，選擇示蹤劑時不正確的是 （ ） A. 具有在水體中不沉降、不降解、不發(fā)生化學反應 B. 測定簡單準確 C. 對環(huán)境無害 D. 與水體密度不同，如石油類物質(zhì) 40、應用水

25、質(zhì)模型時，不正確的說法是（ ） A. 大多數(shù)河流均采用二維穩(wěn)態(tài)模型 B. 一般不采用三維模型 C. 不考慮混合過程的重金屬污染物、部分有毒物質(zhì)和其它保守物質(zhì) 的下游濃度預測 ，可采用零維模型 D. 對于大中型河流的廢水排放，橫向濃度梯度較為明顯時，需要采 用二維模型進行計算 41、不影響河流水質(zhì)濃度計算的因素有 ( ) A. 排放口位置是設在河流中心還是設在岸邊和污染物排放量大小 B. 河流流速和污染物降解速率 C. 污染物是瞬時排放還是連續(xù)排放 D. 排放污水中細菌濃度的高低 42、湖水中如果有氧氣向空中逸散，則水中的溶解氧處 于（ ） A.過飽和 B.未飽和 C.缺氧狀態(tài) D.飽和度剛好達

26、到100% 43、當水體中的溫度升高時，水中氧氣的溶解度（ ） A.降低 B.升高 C.不變 D.可能升高,也可能降低 44、下列說法不正確的是( ) A. 濃度與水密度的量綱是一致的 B. 稀釋度越大，則水體污染物濃度越高 C. 濃度單位ppm表示1kg水體中含有擴散持的質(zhì)量為1mg，近似等 于1mg/L D. 紊動擴散是由于流速場時間分布不均產(chǎn)生大大小小旋渦在層間 脈動引起的擴散作用 復習題 1、某河段的上斷面處有一岸邊排放口穩(wěn)定地向河流排放污水，其 污水排放特征為：Qe=4.5m3/s，BOD5(e)=60mg/L；河流水環(huán)境特征 參數(shù)為Qh=25.0m3/s， BOD5(h)=2.6mg/L。假設污水一進入河流就 與河水均勻混合，試計算在排污口斷面處BOD5的濃度？ 2、在河流岸邊有一連續(xù)穩(wěn)定排放污水口，河寬 15m，水深1.5m， 河水流速0.3m/s，橫向擴散系數(shù)0.05m2/s，（1）求污水到達對岸 的縱向距離Lb和完全混合的縱向距離Lm；（2）若污水排放口排放 速率 20 g/s。求污染物到達對岸的濃度C(Lb,B)、C(Lb,0)，完全混 合的斷面濃度C(Lm,B)、C(Lm,0)各是多少？ 3、均勻河段上有一廢水排放口，河水平均流速 u=20km/d，排放 口起始斷面河水(和廢水完全混合后)含BOD濃度為 c