河流水质模型2010.ppt

河 流 水 质 模 型 主讲人：邢丽贞 通过本课程的学习，掌握： 建模的思路 建模的方法 模型的应用 主要内容 1 污染物在河流中的迁移过程 2 河流水质模型的发展 3 水质模型参数估值 4 河流水质的模拟与规划 什么是数学模型 对于一个实际对象，基于一个特定目的，根据其内在规律，作出必要的简化假设，运用适当的数学工具，得到的一个数学结构。 建模的一般步骤 建模的一般步骤 1 污染物在河流中的迁移过程 2009年中国环境公报 河流污染情况 珠江、长江水质良好，松花江、淮河为轻度污染，黄河、辽河为中度污染，海河为重度污染。 主要污染指标为高锰酸盐指数、五日生化需氧量和氨氮。 1 污染物在河流中的迁移过程 1.1水体的污染与自净 1.1.1污染物在水体中的稀释分散 1.1.2水体中氧的消耗与供给 1.1.1污染物在水体中的稀释分散 污染物在河流中的混合过程 第一阶段：竖向混合阶段 第二阶段：横向混合阶段 第三阶段：横断面充分混合后 混合稀释 推流平移(advection) 湍流/紊流扩散(turbulence diffusion) 弥散/离散（dispersion） 混合稀释 紊动(湍流)：水流的紊动特性引起水中污染物自高浓度向低浓度区转移的紊动扩散； 移流(平流，推流，对流)：水流的推动使污染物的迁移随水流输移； 离散(弥散)：水流方向横断面上流速分布的不均匀（由河岸及河底阻力所致）而引起分散。 污染物运动变化 河流的混合稀释模型 1.1.2水体中氧的消耗与供给 （1）耗氧 含碳化合物被氧化引起耗氧 含氮化合物被氧化引起耗氧 河床底泥产生的还原性气体耗氧 夜间水生植物的呼吸作用 废水中的其它还原性物质引起耗氧 1.1.2水体中氧的消耗与供给 (2) 供氧 上游河水或有潮汐河段海水所带来的溶解氧 排入河中的废水所带来的溶解氧 大气复氧 生物补给。 1.2污染物质在河流中的迁移规律 1.2.1推流 平流: 水流的平移作用 1.2.2非推流 扩散作用：流体中分子或质点的随机运动所产生的分散现象。 弥散作用：由于横断面上各点的实际流速不等而引起的。 扩散作用 流体中分子或质点的随机运 动所产生的分散现象。 I-----单位截面积的通量，mg/(m2.s); E-----湍流扩散系数 D-----弥散系数，（10~103）m2/s； J-----弥散质量通量，mg/m2.s。 1.3水体的耗氧与复氧 1.3.1有机物在河流中氧化分解与耗氧 （1）第一阶段：碳化阶段 呈现一级动力学反应 0Lc(0)40mg/L, K1随L0增大而增大 Lc(0)40mg/L, K1基本为一固定值 1.3.1有机物在河流中氧化分解与耗氧 （1）第一阶段：碳化阶段 呈现一级动力学反应 0Lc(0)40mg/L, K1随L0增大而增大 Lc(0)40mg/L, K1基本为一固定值 或者 y----任何时间t消耗掉的氧量 （2）第二阶段：硝化阶段 或者 y-----任何时间t消耗掉的氧量 两步硝化过程 第一步 第二步 总耗氧量 （1）底泥分解 （2）水生植物的呼吸 复氧过程 ：再曝气过程 气液对流扩散 增氧过程：水生植物的作用 2 河流水质模型的发展 2.1模型的发展 第一阶段模型 1925-1965年是河流水质模型发展的第一阶段。 最早的河流水质数学模型是1925年Streeter和Phelps研究美国Ohio河污染问题时所建立的。 这一阶段开发的都是 BOD-DO双线性模型，对河流和河口问题采用了一维计算方法。 第二阶段模型 随着计算机的应用以及对生物化学耗氧过程认识的深入，BOD-DO模型的多维参数估值得到发展 ，水质模型发展为六个线性系统； 计算方法从一维进到二维，除河流、河口问题外，开始计算湖泊及海湾问题。 第三阶段模型 相互作用的非线性系统模型得到发展。 这类模型涉及到营养物质磷、氮的循环系统，浮游生物与浮游动物系统，以及生物生长率同这些营养物质、阳光、温度的关系，浮游生物与浮游动物生长率之间的非线性关系。 1975以后，发展了多种相互作用系统，涉及到与有毒物质的相互作用。空间尺度发展到三维。 第四阶段模型 进入八十年代以后，对模型的研究逐渐转向改善模型的可靠性和评价能力。水质模型的研究较偏重于较综合的模型。 较成功的模型有德克萨斯洲德克萨斯水产部开发的Qual-Ⅰ和美国环保局开发的Qual-Ⅱ 河流综合水质模型。 其中Qual-Ⅱ 河流水质模型可按用户所希望的任意组合方式模拟十五种水质成份。它既可用作稳态模型，也可用作时