《环境质量评价学》PPT课件.ppt

环境质量评价与系统分析（三）,主讲：冯流,2020/6/5,2,三、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,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,2020/6/5,3,2020/6/5,4,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,L也可以根据下表经验数据进行估算,2020/6/5,5,L=河水实际流速完全混合所需时间,2020/6/5,6,1.2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；L0为初始时刻有机物的总生化需氧量；K1为有机物的降解速率常数，也称为耗氧系数,2020/6/5,7,耗氧系数的温度变化特征K1是温度的函数，通常以20C时的降解速率常数K1,20为基准，任意温度T下的速率常数K1,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,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,2020/6/5,8,I为河流底坡坡度；u为河流断面平均流速；H为平均水深；K1为实验测定值,LA、LB分别为上下游断面处的BOD浓度；x为两个断面间的距离；Qp为污水排放量；为混合角度；rA、rB分别为A、B点至排放口的距离,2020/6/5,9,多点法Kol法,m为测点数，xi、ri为i点到排放口的距离，ci为i点污染物浓度，为径流系数,DO1、DO2、DO3、DO4分别为河流等距离断面1、2、3、4的溶解氧浓度,2020/6/5,10,1.3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；Cs为河流中饱和溶解氧浓度；KL为质量传递系数；A为气体扩散的表面积；V为水的体积,2020/6/5,11,(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，K2为大气复氧速率常数，简称复氧系数与K1类似，K2是温度的函数式中，K2,20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,饱和溶解氧浓度Cs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：,2020/6/5,12,T为温度，S为水中含盐量,实际水体环境中复氧系数的估计基于河流流速(ux)、水深(H)的经验公式：,2020/6/5,13,2020/6/5,14,1.3.2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；pm为一天中最大的光合作用产氧速率（mg/Ld），在030mg/Ld之间,2020/6/5,15,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/Ld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,2020/6/5,16,1.3.4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）：Ld为河床的BOD面积负荷；Kb为河床的BOD耗氧速率常数；rc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（530C）,2020/6/5,17,2、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2.1.1S-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,2020/6/5,18,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,模型解析解：式中L0为河段起始点的BOD值，D0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,2020/6/5,19,2020/6/5,20,2020/6/5,21,2.1.2S-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：K3为沉降与再悬浮速率常数,2020/6/5,22,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,2020/6/5,23,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,练习1、一维河流枯水流量Q=6m3/s，平均流速0.3m/s，BOD5降解速率常数为0.25/d，复氧速率常数为0.4/d。上游水中BOD5=2mg/L，氧亏值为0，水温20。污水排放数据如下：q=1m3/s，DO=0，BOD5=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6m3/s，平均流速0.1m/s，BOD5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BOD5不应超过多少？已知上游水中的氧亏值为0，水温20。,2020/6/5,24,2020/6/5,25,2.2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,2020/6/5,26,2020/6/5,27,2.2.2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,2020/6/5,28,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：,2020/6/5,29,改用矩阵方程表达为：式中A、B是n阶矩阵：,2020/6/5,30,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。,2020/6/5,31,2.2.3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：,2020/6/5,32,令将它们代入上式并整理后，可得到：,2020/6/5,33,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：,2020/6/5,34,即其中,2020/6/5,35,将L2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,2020/6/5,36,2.2.4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,2020/6/5,37,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,2020/6/5,38,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：m3/s；L、O：mg/L；K1、K2：d-1；t：d,