河流水体中污染物扩散的稳态解河流水质模型课件

第二节 污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征一、污染物在水体中的运动特征二、河流水体中污染物扩散的稳态解二、河流水体中污染物扩散的稳态解三、河流水质模型三、河流水质模型第二节第二节 污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征第二节 污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征一、污染物在水体中的运动特征自净作用依靠：推流迁移、分散作用和污染物的自净作用依靠：推流迁移、分散作用和污染物的衰减与转化衰减与转化1.1.推流迁移：推流迁移：污染物在水流作用下产生的迁移作用，污染物在水流作用下产生的迁移作用，改变水流中污染物的位置，但不降低污染物的浓改变水流中污染物的位置，但不降低污染物的浓度。度。第二节第二节 污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征第二节 污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征一、污染物在水体中的运动特征2.2.分散作用：分散作用：分子扩散分子扩散湍流扩散湍流扩散弥散弥散第二节第二节 污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征第二节 污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征一、污染物在水体中的运动特征2.2.分散作用：分散作用：分子扩散：分子扩散：存在浓度梯度可以用费克第一定律描存在浓度梯度可以用费克第一定律描述。述。I I1 1质量通量；质量通量；EmEm分子扩散系数；分子扩散系数；C C分子扩散所传递物质的浓度。分子扩散所传递物质的浓度。第二节第二节 污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征I1第二节 污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征一、污染物在水体中的运动特征2.2.分散作用：分散作用：湍流扩散：湍流扩散：河流水体的湍流仓中质点的各种状态河流水体的湍流仓中质点的各种状态（流速、压力、浓度）的瞬时值相对于平均值的（流速、压力、浓度）的瞬时值相对于平均值的随机脉动而导致的分散相像。脉动方向大小随机随机脉动而导致的分散相像。脉动方向大小随机变化，取变化，取 研究而非研究而非C C。第二节第二节 污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征第二节 污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征一、污染物在水体中的运动特征2.2.分散作用：分散作用：弥散：弥散：u河流横断面上浓度分布并不均匀，一瞬间同一横断面上的河流横断面上浓度分布并不均匀，一瞬间同一横断面上的两个流体单元，以不同流速行进，必产生分离，引起污染两个流体单元，以不同流速行进，必产生分离，引起污染物分散，即弥散。物分散，即弥散。u流速分布不均是由河底和河岸阻力引起的。流速分布不均是由河底和河岸阻力引起的。yxu1u2第二节第二节 污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征yx第二节 污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征一、污染物在水体中的运动特征2.2.分散作用：分散作用：弥散：弥散：xyt1=0t2=tt时间后，分布图第二节第二节 污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征xy第二节 污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征一、污染物在水体中的运动特征2.2.衰减与转化衰减与转化不是由河流引起，而是由污染物自身原因引起的。不是由河流引起，而是由污染物自身原因引起的。进入水环境的污染物有两种类型：保守物质、非进入水环境的污染物有两种类型：保守物质、非保守物质保守物质非保守物质进行衰减，其过程基本上符合一级反非保守物质进行衰减，其过程基本上符合一级反应动力学规律，即应动力学规律，即C：污染物的浓度：污染物的浓度t：反应时间：反应时间K：反应速度参数：反应速度参数第二节第二节 污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征污染物在水体中的扩散一、污染物在水体中的运动特征C：河流的推流迁移、分散及衰减过程示意图河流的推流迁移、分散及衰减过程示意图 x0aAx1x0aAx1x0aAx1(1)推流迁移 (2)推流迁移+分散 (3)推流迁移+分散+衰减a=A a=A Aa x1=x0 x1 x0 x1 x0A及a是面积，表示污染物质总量河流的推流迁移、分散及衰减过程示意图河流的推流迁移、分散及衰减过程示意图 x0aAx1aAaA(第二节 污染物在水体中的扩散二、河流水体中污染物扩散的稳态解二、河流水体中污染物扩散的稳态解坐标系：水流方向坐标系：水流方向X X，河宽方向，河宽方向Y Y，水深方向，水深方向Z Z1.1.零维模型零维模型u将整个环境单元看作处于完全均匀的混合状态，将整个环境单元看作处于完全均匀的混合状态，不存在空间环境质量上的差异。根据质量守衡可不存在空间环境质量上的差异。根据质量守衡可写出其平衡方程，即零维模型。写出其平衡方程，即零维模型。第二节第二节 污染物在水体中的扩散二、河流水体中污染物扩散的稳态解污染物在水体中的扩散二、河流水体中污染物扩散的稳态解第二节 污染物在水体中的扩散二、河流水体中污染物扩散的稳态解二、河流水体中污染物扩散的稳态解1.1.零维模型零维模型连续流完全混合反应器连续流完全混合反应器Q,CQ,C0 0Q,CQ,CSV,CV,CS-S-通过其他途径进入和反通过其他途径进入和反应器的污染物量应器的污染物量K-K-衰减速度常数衰减速度常数第二节第二节 污染物在水体中的扩散二、河流水体中污染物扩散的稳态解污染物在水体中的扩散二、河流水体中污染物扩散的稳态解第二节 污染物在水体中的扩散二、河流水体中污染物扩散的稳态解二、河流水体中污染物扩散的稳态解2.2.一维模型一维模型3.3.二维模型二维模型4.4.三维模型三维模型第二节第二节 污染物在水体中的扩散二、河流水体中污染物扩散的稳态解污染物在水体中的扩散二、河流水体中污染物扩散的稳态解第二节 污染物在水体中的扩散二、河流水体中污染物扩散的稳态解二、河流水体中污染物扩散的稳态解2.2.一维模型一维模型求解：求解：瞬间浓度变化不计，则模型左侧瞬间浓度变化不计，则模型左侧=0=0；给定条件，；给定条件，X=0X=0，C=CC=C0 0，不考虑弥散作用，求解得：，不考虑弥散作用，求解得：C C0 0为均匀混合断面的浓度为均匀混合断面的浓度K-K-每秒衰减率每秒衰减率实际中多用实际中多用每天每天作单位作单位第二节第二节 污染物在水体中的扩散二、河流水体中污染物扩散的稳态解污染物在水体中的扩散二、河流水体中污染物扩散的稳态解第二节 污染物在水体中的扩散二、河流水体中污染物扩散的稳态解二、河流水体中污染物扩散的稳态解2.2.一维模型一维模型C C0 0求解：求解：u均匀混合断面均匀混合断面:污染物水体后，经污染物水体后，经t t时段后，断面上任一点时段后，断面上任一点浓度与断面平均浓度之差小于平均浓度的浓度与断面平均浓度之差小于平均浓度的5%5%时，即达到均时，即达到均匀混合阶段。匀混合阶段。混合阶段混合阶段均匀断面均匀断面Cp-Cp-污染物本底浓度污染物本底浓度,mg/l,mg/l；Qp-Qp-河流的流量，河流的流量，m m3 3/s/sCh-tCh-t时间后污染物浓度；时间后污染物浓度；Qh-Qh-排入河流的污水量，排入河流的污水量，m m3 3/s/s例例3-13-1：P89P89第二节第二节 污染物在水体中的扩散二、河流水体中污染物扩散的稳态解污染物在水体中的扩散二、河流水体中污染物扩散的稳态解第二节 污染物在水体中的扩散三、河流水质模型三、河流水质模型（1 1）河流水质模型分类）河流水质模型分类管理和规划管理和规划：河流水质、河口水质（加入潮汐作用）、湖泊：河流水质、河口水质（加入潮汐作用）、湖泊水质和地下水水质模型水质和地下水水质模型水质组分水质组分：单一、：单一、耦合（耦合（BOD-DOBOD-DO）和多重组分模型和多重组分模型水力学和排放条件水力学和排放条件随时间是否变化：稳态和非稳态模型随时间是否变化：稳态和非稳态模型水质的维度水质的维度：零维（常作为初始值和估算值）、一维、二维：零维（常作为初始值和估算值）、一维、二维和三维模型（受紊流理论研究的局限，尚处于利润研究）和三维模型（受紊流理论研究的局限，尚处于利润研究）第二节第二节 污染物在水体中的扩散三、河流水质模型污染物在水体中的扩散三、河流水质模型第二节 污染物在水体中的扩散三、河流水质模型三、河流水质模型（2 2）BOD-DOBOD-DO耦合模型（耦合模型（S-PS-P模型）模型）P98：图：图3-4第二节第二节 污染物在水体中的扩散三、河流水质模型污染物在水体中的扩散三、河流水质模型P98：图：图3-4第二节 污染物在水体中的扩散三、河流水质模型三、河流水质模型S-PS-P模型（斯特里特和菲尔普斯）模型（斯特里特和菲尔普斯）uBODBOD生物化学分解遵循一级反应式，即：生物化学分解遵循一级反应式，即：u大气复氧与氧亏量成正相关，大气复氧与氧亏量成正相关，KaD；u假设一维稳态河流中溶解氧的变化是由假设一维稳态河流中溶解氧的变化是由BODBOD的衰减的衰减和溶解氧的复氧过程决定，即：和溶解氧的复氧过程决定，即：L：t时刻有机物的剩余生物化学需氧量，时刻有机物的剩余生物化学需氧量，L0：初始时刻有机物的总生物化学需氧量：初始时刻有机物的总生物化学需氧量K：有机物降解速度常数；：有机物降解速度常数；Ka：大气复氧常数：大气复氧常数D：氧亏：氧亏(水体中溶解氧不足量水体中溶解氧不足量)；Kd：BOD衰减衰减(耗氧耗氧)速度常数速度常数第二节第二节 污染物在水体中的扩散三、河流水质模型污染物在水体中的扩散三、河流水质模型L：t时刻有机物时刻有机物第二节 污染物在水体中的扩散三、河流水质模型三、河流水质模型S-PS-P模型模型第二节第二节 污染物在水体中的扩散三、河流水质模型污染物在水体中的扩散三、河流水质模型第二节 污染物在水体中的扩散三、河流水质模型三、河流水质模型S-PS-P模型模型u求解求解S-P氧垂公式氧垂公式由此公式绘制的溶解氧沿程变化曲线即氧垂曲线由此公式绘制的溶解氧沿程变化曲线即氧垂曲线溶解氧浓度的最低点即临界点（氧亏值最大，变化速度溶解氧浓度的最低点即临界点（氧亏值最大，变化速度 为为0）第二节第二节 污染物在水体中的扩散三、河流水质模型污染物在水体中的扩散三、河流水质模型S-P氧垂公式由氧垂公式由第二节 污染物在水体中的扩散三、河流水质模型三、河流水质模型S-PS-P模型模型u氧垂曲线氧垂曲线u临界点临界点oxygen sag curvecritical point第二节第二节 污染物在水体中的扩散三、河流水质模型污染物在水体中的扩散三、河流水质模型oxygen s