环境质量评价学

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,环境质量评价与系统分析（三）,1,三、河流水质模型,1,、河流水质过程分析,1.1,污染物与河水的混合,2024/9/22,2,污染物在河流断面上达到均匀分布，要经历,垂向,（水深方向）与,横向,（河宽方向）混合阶段,垂向混合属于三维混合问题，完成垂向混合所需距离短,横向混合属于二维混合问题，完成横向混合所需距离长,横向混合完成后，断面污染物浓度将维持均匀分布，在此之后为完全混合阶段，属于一维混合问题,混合驱动力为分散作用的贡献。河流系统中，,分子扩散贡献最小，湍流扩散次之，弥散作用贡献最大,。但三种作用往往同时发生而难以区分，实际中常,以弥散作用代表三种作用的总和,2024/9/22,3,Q,混合过程段（,L,）,排放口,完全混合段,背景河段,HJ/T2.3-93,推荐的经验公式,B,为河流宽度；,a,为排放口距岸边的距离；,u,为河流断面平均流速；,H,为平均水深；,g,为重力加速度；,I,为河流坡度,2024/9/22,4,L,也可以根据下表经验数据进行估算,L,=,河水实际流速,完全混合所需时间,2024/9/22,5,1.2,生物化学分解,有机物由于生物降解而导致浓度变化，可用,一级反应动力学方程,描述：,L,为,t,时刻含碳有机物的剩余生化需氧量；,L,0,为初始时刻有机物的总生化需氧量；,K,1,为有机物的降解速率常数，也称为耗氧系数,2024/9/22,6,耗氧系数的温度变化特征,K,1,是温度的函数，通常以,20,C,时的降解速率常数,K,1,20,为基准，任意温度,T,下的速率常数,K,1,T,为：,为温度系数，数值在,1.047,左右（,T=10C35C,）,实际水体环境中耗氧系数的估计,2024/9/22,7,实验室测定值修正法,河流,采用如下公式修正,湖泊、水库,可直接采用实验室测定值,两点法,I,为河流底坡坡度；,u,为河流断面平均流速；,H,为平均水深；,K,1,为实验测定值,L,A,、,L,B,分别为上下游断面处的,BOD,浓度；,x,为两个断面间的距离；,Q,p,为污水排放量；,为混合角度；,r,A,、,r,B,分别为,A,、,B,点至排放口的距离,2024/9/22,8,多点法,Kol,法,m,为测点数，,x,i,、,r,i,为,i,点到排放口的距离，,c,i,为,i,点污染物浓度，,为径流系数,DO,1,、,DO,2,、,DO,3,、,DO,4,分别为河流等距离断面,1,、,2,、,3,、,4,的溶解氧浓度,2024/9/22,9,1.3,水体的耗氧与复氧过程,1.3.1,大气复氧,水中溶解氧主要来自大气,氧气由大气进入水中的质量传递速率可以表示为：,式中，,C,为河流中溶解氧浓度；,C,s,为河流中饱和溶解氧浓度；,K,L,为质量传递系数；,A,为气体扩散的表面积；,V,为水的体积,2024/9/22,10,(Cs-C),表示河水中的,溶解氧不足量,，称为,氧亏,(D),对于河流，因,A,/,V,=1/,H,，,H,为平均水深，则质量传递方程演变为：,式中，,K,2,为大气复氧速率常数，简称复氧系数,与,K,1,类似，,K,2,是,温度,的函数,式中，,K,2,20,为,20C,条件下的大气复氧速率常数；,r,为温度系数，通常为,1.024,2024/9/22,11,饱和溶解氧浓度,C,s,的估算,饱和溶解氧是,温度,、,盐度,和,大气压力,的函数,常压下，淡水中饱和溶解氧按下式估算：,河口饱和溶解氧按,Hyer,经验公式,（,1971,）计算：,T,为温度，,S,为水中含盐量,2024/9/22,12,实际水体环境中复氧系数的估计,基于,河流流速,(,u,x,),、,水深,(,H,),的经验公式：,数据来源,C,n,m,OConner & Dobbins (1958),3.933,0.500,1.500,Churchill (1962),5.018,0.968,1.673,Owens (1964),5.336,0.670,1.850,Langbein & Durum (1967),5.138,1.000,1.330,Isaacs & Gaudy (1968),3.104,1.000,1.500,Isaacs & Maag (1969),4.740,1.000,1.500,Negulacu & Rojanski (1969),10.922,0.850,0.850,Padden & Gloyna (1971),5.523,0.703,1.055,Benett & Rathbun (1972),5.369,0.674,1.865,2024/9/22,13,1.3.2,光合作用复氧,水生植物的光合作用是河流溶解氧的另一个重要来源。,OConner,在,假定光合作用速度随光强弱变化而变化,的前提下，认为产氧符合下述规律：,T,为白天光合作用持续进行的时间；,t,为光合作用开始以后的时间；,p,m,为一天中最大的光合作用产氧速率（,mg/,L,d,），在,030mg/,L,d,之间,2024/9/22,14,对于时间平均模型，可将产氧速率取为一天中的平均值,P,，即,1.3.3,藻类呼吸作用耗氧,消耗水中的溶解氧。藻类呼吸耗氧速率通常可看作为常数，即,R,一般情况下在,05mg/,L,d,之间,光合作用的产氧速率和呼吸作用的耗氧速率可通过,黑白瓶试验,确定,2024/9/22,15,1.3.4,底栖动物和沉淀物耗氧,取决于底泥中耗氧物质返回到水中及底泥顶层耗氧物质的氧化分解,耗氧速率可用阻尼反应描述（,Fair,提出）：,L,d,为河床的,BOD,面积负荷；,K,b,为河床的,BOD,耗氧速率常数；,r,c,为底泥耗氧的阻尼系数,底泥耗氧速率常数是,温度,的函数，温度修正系数,的常用值为,1.072,（,530,C,）,2024/9/22,16,2,、一维河流水质模型,2.1,单一河段水质模型,单一河段,：,研究河段内的流场保持均匀；只有一个污水排放口或取水口，且都位于河段的起始断面或终了断面,2.1.1,S-P,模型,美国工程师,Street,和,Phelps,在,1925,年建立，描述河流中主要的耗氧过程（,BOD,耗氧,）与复氧过程（,大气复氧,）之间的耦合关系,2024/9/22,17,模型建立假设,：,河流中,BOD,的衰减和,DO,的恢复都是一级反应，反应速率是定常的,；,河流中,DO,的消耗是由,BOD,衰减引起的，而河流中,DO,的来源则是大气复氧,模型结构,：,BOD-DO,耦合模型,式中,t,为河水的流行时间，其它符号意义同前,2024/9/22,18,模型解析解,：,式中,L,0,为河段起始点的,BOD,值，,D,0,为河段起始点的氧亏值,用,DO,替代,D,，则可得到河流,DO,沿程变化规律，即,S-P,氧垂公式,根据,S-P,模型绘制的溶解氧沿程变化曲线为,氧垂曲线,2024/9/22,19,2024/9/22,20,2.1.2 S-P,模型的修正,托马斯模型,：,引入,沉淀作用,对,BOD,去除的影响，模型为：,模型的解析解为：,K,3,为沉降与再悬浮速率常数,2024/9/22,21,康布模型,：,在托马斯模型基础上，进一步考虑了,底泥耗氧,和,光合作用产氧,贡献,模型的解为：,B,表示底泥耗氧速率，,P,为光合作用产氧速率,2024/9/22,22,欧康奈尔模型,：,在托马斯模型基础上，进一步考虑含氮有机物对水质的影响,2024/9/22,23,练习,1,、一维河流枯水流量,Q,=6m,3,/s,，平均流速,0.3m/s,，,BOD,5,降解速率常数为,0.25/d,，复氧速率常数为,0.4/d,。上游水中,BOD,5,=2mg/L,，氧亏值为,0,，水温,20,。污水排放数据如下：,q,=1m,3,/s,，,DO=0,，,BOD,5,=100mg/L,。求：,1,）氧亏点处的溶解氧浓度；,2,）氧亏点下游溶解氧浓度恢复到,6mg/L,的位置。,2,、河段长,36km,，枯水流量,6m,3,/s,，平均流速,0.1m/s,，,BOD,5,降解速率常数为,0.3/d,，复氧速率常数为,0.4/d,，起始断面溶解氧浓度,5mg/L,。如果要求河段中的,DO,不低于,5mg/L,，河段上游每天排放的,BOD,5,不应超过多少？已知上游水中的氧亏值为,0,，水温,20,。,2024/9/22,24,2.2,多河段,BOD-DO,耦合矩阵模型,2.2.1,多段河流的概化,河流分段原则,：使分割的河段中水文条件和水质参数保持不变，以满足模型假设条件的需要,计算断面设置方法及位置,：河流断面形状变化处；支流或污水汇入处；取水口处；现有或历史水文、水质监测断面处；码头、桥涵附近处等,多段河流概化图,2024/9/22,25,2024/9/22,26,2.2.2,多河段,BOD,矩阵模型,根据概化图中的符号定义及水流连续性原理，每个断面的流量和,BOD,存在如下平衡关系：,从断面,i,-1,至断面,i,间的,BOD,衰减关系为：,令,2024/9/22,27,则有,联合式（,3,）和（,4,）有,令,联合式（,5,）可以得到任一断面的,BOD,变化方程：,2024/9/22,28,改用矩阵方程表达为：,式中,A,、,B,是,n,阶矩阵：,2024/9/22,29,由式（,6,）可以得出：,式（,6,）和（,7,）中的,g,是,n,维向量,式（,6,）和（,7,）可分别用于水质预测和模拟及水污染控制规划。,2024/9/22,30,2.2.3,多河段,BOD-DO,耦合矩阵模型,根据,S-P,模型，可以得到第,i,断面的溶解氧计算式：,同时根据质量平衡原理，有：,2024/9/22,31,令,将它们代入上式并整理后，可得到：,2024/9/22,32,令,代入上式有：,与,BOD,的计算类似，可将上述递推方程归结为一个矩阵方程：,2024/9/22,33,即,其中,2024/9/22,34,将,L,2,用前面的,L,代入有：,若令,则有,U-,河流,BOD,稳态响应矩阵，,V-,河流,DO,稳态响应矩阵,2024/9/22,35,2.2.4,含支流的河流矩阵模型,可分别针对干流和支流列出各自的,BOD-DO,耦合矩阵方程，然后依次计算得到,2024/9/22,36,编程与上机练习一,:,运用学过的语言编写,多河段,BOD-DO,耦合矩阵模型,源程序,上机调试源程序，并能正确输出,U,、,V,响应矩阵,；,m,、,n,向量,和各,断面,BOD,、,DO,浓度,等结果,运用调试好的程序完成下面习题的计算工作,2024/9/22,37,求下图所示河段的一维,BOD,和,DO,的稳态响应矩阵,U,和,V,、向量 及各断面的,BOD,和,DO,浓度。（水温,25,）,单位,Q,：,m,3,/s,；,L,、,O,：,mg/L,；,K,1,、,K,2,：,d,-1,；,t,：,d,2024/9/22,38,