Chapter043水質(zhì)模型課件

第二節(jié)常用的河流水質(zhì)模型河流水質(zhì)模型簡介河流的混合稀釋模型河流水質(zhì)零維模型河流水質(zhì)一維模型河流水質(zhì)二維模型S-P模型重點(diǎn)難點(diǎn).重點(diǎn)了解了解2023/7/261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、空間的定量關(guān)系。水質(zhì)模型的分類：1、按水域類型：河流、河口、河網(wǎng)、湖泊2、按水質(zhì)組分：單一組分、耦合組分（BOD-DO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：穩(wěn)態(tài)模型、非穩(wěn)態(tài)模型水質(zhì)模型分類2023/7/262水質(zhì)模型按

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2023/7/263水質(zhì)模型維數(shù)的選擇零維：3個方向都不考慮一維：僅考慮縱向二維：考慮縱向、橫向三維：3個方向都考慮2023/7/264均勻混合段混合段背景段污水注入點(diǎn)完全混合點(diǎn)L混合段總長度均勻混合段背景段污水注入點(diǎn)瞬間完全混合既是污水注入點(diǎn)，也是完全混合點(diǎn)混合段背景段污水注入點(diǎn)沒有完全混合點(diǎn)L混合段總長度2023/7/265

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：式中：Qh－河水流量，m3/s；Ch－河水背景斷的污染物濃度，mg/L；CP－廢水中污染物的濃度，mg/L；QP－廢水的流量，m3/s；C－完全混合的水質(zhì)濃度，mg/L。2023/7/266完全混合模型適用條件穩(wěn)態(tài)：河流；排污下游某點(diǎn)廢水和河水在整個斷面上達(dá)到了均勻混合持久性的污染物該河流無支流和其他排污口進(jìn)入

2023/7/267例題1：完全混合模型P1353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(biāo)（設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為500mg/L）？答案：731mg/L，超標(biāo)0.46倍2023/7/268穩(wěn)態(tài)條件下基本模型的解析解什么是穩(wěn)態(tài)？

在環(huán)境介質(zhì)處于穩(wěn)定流動狀態(tài)和污染源連續(xù)穩(wěn)定排放的條件下，環(huán)境中的污染物分布狀況也是穩(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。參看P119+1202023/7/2691、零維模型零維是一種理想狀態(tài)，把所研究的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(jìn)入這個體系后，立即完全均勻的分散到這個體系中，污染物的濃度不會隨時間的變化而變化。2023/7/2610河流零維模型的應(yīng)用條件對于較淺、較窄的河流，如果不考慮污染物的降解項(xiàng)時，當(dāng)滿足符合下面兩個條件之一的環(huán)境問題可化為零維模型：（1）河水流量與污水流量之比大于20；（2）不需要考慮污水進(jìn)入水體的混合距離。一般用于持久性污染物2023/7/2611穩(wěn)態(tài)條件下的河流的零維模型式中：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，mg/L;

x－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。2023/7/2612例題2：河流的零維模型P1354有一條比較淺而窄的河流，有一段長1km的河段，穩(wěn)定排放含酚廢水1.0m3/s;含酚濃度為200mg/L，上游河水流量為9m3/s，河水含酚濃度為0，河流的平均流速為40km/d，酚的衰減速率常數(shù)k＝21/d，求河段出口處的河水含酚濃度為多少？答案：21mg/L2023/7/26132、一維模型

適用于符合一維動力學(xué)降解規(guī)律的一般污染物，如氰、酚、有機(jī)毒物、重金屬、BOD、COD等單項(xiàng)指標(biāo)的污染物。2023/7/2614一維模型適用條件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(rèn)為斷面中的污染物的濃度是均勻的?；蛘呤歉鶕?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)在排污口斷面瞬時完成充分混合。2023/7/2615一維模型適用的兩種條件均勻混合段混合段背景段污水注入點(diǎn)完全混合點(diǎn)L混合段總長度均勻混合段背景段污水注入點(diǎn)適用1適用2瞬間完全混合既是污水注入點(diǎn)，也是完全混合點(diǎn)2023/7/2616點(diǎn)源一維模型的應(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(jìn)行模擬：2023/7/2617混合過程段長度計算[重點(diǎn)]混合過程段的長度可由下式估算：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=<a<0.5B）;u－河流斷面平均流速；H－平均水深；g－重力加速度，9.81m/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2023/7/2618某河流預(yù)測河段平均寬度50.0米，平均水深＝1.2米，河底坡度0.90/00，平均流速0.1m/S，排放口到岸邊距離0米，混合過程段長度是多少米？例題（米）

L＝2023/7/2619河流的一維模型可根據(jù)河流水流特點(diǎn)分兩種情況，即不考慮彌散作用和考慮彌散作用。2023/7/2620河流的一維模型

[考慮彌散的一維穩(wěn)態(tài)模型]式中：C－下游某一點(diǎn)的污染物濃度，mg/L；

C0－完全混合斷面的污染物濃度，mg/L；u－河水的流速，m/s；D－x方向上的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；k1－污染物降解的速率常數(shù)（1/d）；

x－下游某一點(diǎn)到排放點(diǎn)的距離，m。2023/7/2621河流的一維模型

[忽略彌散的一維穩(wěn)態(tài)模型]式中：C－下游某一點(diǎn)的污染物濃度，mg/L；

C0－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）；

x－下游某一點(diǎn)到排放點(diǎn)的距離，m。2023/7/2622例題3：河流的一維模型P1355

一個改擴(kuò)工程擬向河流排放廢水，廢水量為0.15m3/s，苯酚濃度為30mg/L,河流流量為5.5m3/s，流速為0.3m/s，苯酚背景濃度為0.5mg/L，苯酚的降解系數(shù)k＝0.2/d，縱向彌散系數(shù)D為10m2/s。求排放點(diǎn)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?？梢钥闯?，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，常可以忽略。2023/7/2623總結(jié)在利用數(shù)學(xué)模式預(yù)測河流水質(zhì)時，充分混合段可以采用一維模式或零維模式預(yù)測斷面平均水質(zhì)；混合過程段需采用二維模式進(jìn)行預(yù)測。2023/7/2624BOD-DO耦合模型（S-P模型）描述河流水質(zhì)的第一個模型是由斯特里特(H.Streeter)和菲爾普斯(E.Phelps)在1925年提出的，簡稱S-P模型。S-P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)。

S-P模型用于描述一維穩(wěn)態(tài)河流中的BOD－DO的變化規(guī)律。P1212023/7/2625臨界氧虧最大氧虧污水排入河流DO濃度氧垂曲線距離或時間飽和DO濃度BOD曲線水質(zhì)最差點(diǎn)虧氧量為飽和溶解氧濃度與實(shí)際溶解氧濃度之差當(dāng)BOD隨污水進(jìn)入河流后，由于耗氧微生物的生物氧化作用，其濃度逐漸降低，而水中的DO則被消耗，逐漸降低。與此同時，河流還存在著復(fù)氧作用，在氧消耗的同時，還不斷有氧氣進(jìn)入水體，如下圖所示：2023/7/2626BOD-DO耦合模型（S-P模型）S-P模型的建立基于三項(xiàng)假設(shè)：（1）河流中的BOD衰減反應(yīng)和溶解氧的復(fù)氧都是一級反應(yīng)；（2）反應(yīng)速度是恒定的；（3）河流中的耗氧只是BOD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。BOD的衰減反應(yīng)速率與河水中溶解氧(DO)的減少速率相同，復(fù)氧速率與河水中的虧氧量D成正比。見word文件。2023/7/2627S-P模型的適用條件5個條件a、河流充分混合段；b、污染物為耗氧性有機(jī)污染物；c、需要預(yù)測河流溶解氧狀態(tài)；d、河流為恒定流動；e、污染物連續(xù)穩(wěn)定排放。2023/7/2628BOD-DO耦合模型（S-P模型）S-P模型的基本方程為：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(shí)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(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]2023/7/2629這兩個方程式是耦合的。當(dāng)邊界條件時，其解析解為:氧垂曲線示意圖2023/7/2630溫馨提示為方便回顧和學(xué)習(xí)本章節(jié)內(nèi)容，