河流水質(zhì)模型課件

第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解三、河流水質(zhì)模型第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征自凈作用依靠：推流遷移、分散作用和污染物的衰減與轉(zhuǎn)化推流遷移：污染物在水流作用下產(chǎn)生的遷移作用，改變水流中污染物的位置，但不降低污染物的濃度。第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征分散作用：分子擴(kuò)散湍流擴(kuò)散彌散第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征分散作用：分子擴(kuò)散：存在濃度梯度可以用費(fèi)克第一定律描述。I1——質(zhì)量通量；Em——分子擴(kuò)散系數(shù)；C——分子擴(kuò)散所傳遞物質(zhì)的濃度。第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征I1第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征分散作用：湍流擴(kuò)散：河流水體的湍流倉(cāng)中質(zhì)點(diǎn)的各種狀態(tài)（流速、壓力、濃度）的瞬時(shí)值相對(duì)于平均值的隨機(jī)脈動(dòng)而導(dǎo)致的分散相像。脈動(dòng)方向大小隨機(jī)變化，取研究而非C。第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征分散作用：彌散：河流橫斷面上濃度分布并不均勻，一瞬間同一橫斷面上的兩個(gè)流體單元，以不同流速行進(jìn)，必產(chǎn)生分離，引起污染物分散，即彌散。流速分布不均是由河底和河岸阻力引起的。yxu1u2第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征yx第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征分散作用：彌散：xyt1=0t2=tt時(shí)間后，分布圖第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征xy第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征衰減與轉(zhuǎn)化不是由河流引起，而是由污染物自身原因引起的。進(jìn)入水環(huán)境的污染物有兩種類型：保守物質(zhì)、非保守物質(zhì)非保守物質(zhì)進(jìn)行衰減，其過程基本上符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，即C：污染物的濃度t：反應(yīng)時(shí)間K：反應(yīng)速度參數(shù)第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征C：河流的推流遷移、分散及衰減過程示意圖x0aAx1x0aAx1x0aAx1(1)

推流遷移(2)推流遷移+分散(3)推流遷移+分散+衰減a=Aa=AA>ax1=x0x1>x0x1<x0A及a是面積，表示污染物質(zhì)總量河流的推流遷移、分散及衰減過程示意圖x0aAx1aAaA(第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解坐標(biāo)系：水流方向X，河寬方向Y，水深方向Z零維模型將整個(gè)環(huán)境單元看作處于完全均勻的混合狀態(tài)，不存在空間環(huán)境質(zhì)量上的差異。根據(jù)質(zhì)量守衡可寫出其平衡方程，即零維模型。第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解零維模型連續(xù)流完全混合反應(yīng)器Q,C0Q,CSV,CS---通過其他途徑進(jìn)入和反應(yīng)器的污染物量K---衰減速度常數(shù)第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解一維模型二維模型三維模型第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解一維模型求解：瞬間濃度變化不計(jì)，則模型左側(cè)=0；給定條件，X=0，C=C0，不考慮彌散作用，求解得：C0為均勻混合斷面的濃度K---每秒衰減率實(shí)際中多用每天作單位第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解一維模型C0求解：均勻混合斷面:污染物水體后，經(jīng)t時(shí)段后，斷面上任一點(diǎn)濃度與斷面平均濃度之差小于平均濃度的5%時(shí)，即達(dá)到均勻混合階段?；旌想A段均勻斷面Cp-污染物本底濃度,mg/l；Qp-河流的流量，m3/sCh-t時(shí)間后污染物濃度；Qh-排入河流的污水量，m3/s例3-1：P89第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型（1）河流水質(zhì)模型分類管理和規(guī)劃：河流水質(zhì)、河口水質(zhì)（加入潮汐作用）、湖泊水質(zhì)和地下水水質(zhì)模型水質(zhì)組分：?jiǎn)我?、耦合（BOD-DO）和多重組分模型水力學(xué)和排放條件隨時(shí)間是否變化：穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)模型水質(zhì)的維度：零維（常作為初始值和估算值）、一維、二維和三維模型（受紊流理論研究的局限，尚處于利潤(rùn)研究）第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型（2）BOD-DO耦合模型（S-P模型）P98：圖3-4第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型P98：圖3-4第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型S-P模型（斯特里特和菲爾普斯）BOD生物化學(xué)分解遵循一級(jí)反應(yīng)式，即：大氣復(fù)氧與氧虧量成正相關(guān)，KaD；假設(shè)一維穩(wěn)態(tài)河流中溶解氧的變化是由BOD的衰減和溶解氧的復(fù)氧過程決定，即：L：t時(shí)刻有機(jī)物的剩余生物化學(xué)需氧量，L0：初始時(shí)刻有機(jī)物的總生物化學(xué)需氧量K：有機(jī)物降解速度常數(shù)；Ka：大氣復(fù)氧常數(shù)D：氧虧(水體中溶解氧不足量)；Kd：BOD衰減(耗氧)速度常數(shù)第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型L：t時(shí)刻有機(jī)物第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型S-P模型第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型S-P模型求解S-P氧垂公式由此公式繪制的溶解氧沿程變化曲線即氧垂曲線溶解氧濃度的最低點(diǎn)即臨界點(diǎn)（氧虧值最大，變化速度為0）第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型S-P氧垂公式由第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型S-P模型氧垂曲線臨界點(diǎn)oxygensagcurvecriticalpoint第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型oxygens第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解三、河流水質(zhì)模型第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征自凈作用依靠：推流遷移、分散作用和污染物的衰減與轉(zhuǎn)化推流遷移：污染物在水流作用下產(chǎn)生的遷移作用，改變水流中污染物的位置，但不降低污染物的濃度。第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征分散作用：分子擴(kuò)散湍流擴(kuò)散彌散第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征分散作用：分子擴(kuò)散：存在濃度梯度可以用費(fèi)克第一定律描述。I1——質(zhì)量通量；Em——分子擴(kuò)散系數(shù)；C——分子擴(kuò)散所傳遞物質(zhì)的濃度。第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征I1第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征分散作用：湍流擴(kuò)散：河流水體的湍流倉(cāng)中質(zhì)點(diǎn)的各種狀態(tài)（流速、壓力、濃度）的瞬時(shí)值相對(duì)于平均值的隨機(jī)脈動(dòng)而導(dǎo)致的分散相像。脈動(dòng)方向大小隨機(jī)變化，取研究而非C。第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征分散作用：彌散：河流橫斷面上濃度分布并不均勻，一瞬間同一橫斷面上的兩個(gè)流體單元，以不同流速行進(jìn)，必產(chǎn)生分離，引起污染物分散，即彌散。流速分布不均是由河底和河岸阻力引起的。yxu1u2第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征yx第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征分散作用：彌散：xyt1=0t2=tt時(shí)間后，分布圖第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征xy第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征衰減與轉(zhuǎn)化不是由河流引起，而是由污染物自身原因引起的。進(jìn)入水環(huán)境的污染物有兩種類型：保守物質(zhì)、非保守物質(zhì)非保守物質(zhì)進(jìn)行衰減，其過程基本上符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，即C：污染物的濃度t：反應(yīng)時(shí)間K：反應(yīng)速度參數(shù)第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散一、污染物在水體中的運(yùn)動(dòng)特征C：河流的推流遷移、分散及衰減過程示意圖x0aAx1x0aAx1x0aAx1(1)

推流遷移(2)推流遷移+分散(3)推流遷移+分散+衰減a=Aa=AA>ax1=x0x1>x0x1<x0A及a是面積，表示污染物質(zhì)總量河流的推流遷移、分散及衰減過程示意圖x0aAx1aAaA(第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解坐標(biāo)系：水流方向X，河寬方向Y，水深方向Z零維模型將整個(gè)環(huán)境單元看作處于完全均勻的混合狀態(tài)，不存在空間環(huán)境質(zhì)量上的差異。根據(jù)質(zhì)量守衡可寫出其平衡方程，即零維模型。第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解零維模型連續(xù)流完全混合反應(yīng)器Q,C0Q,CSV,CS---通過其他途徑進(jìn)入和反應(yīng)器的污染物量K---衰減速度常數(shù)第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解一維模型二維模型三維模型第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解一維模型求解：瞬間濃度變化不計(jì)，則模型左側(cè)=0；給定條件，X=0，C=C0，不考慮彌散作用，求解得：C0為均勻混合斷面的濃度K---每秒衰減率實(shí)際中多用每天作單位第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解一維模型C0求解：均勻混合斷面:污染物水體后，經(jīng)t時(shí)段后，斷面上任一點(diǎn)濃度與斷面平均濃度之差小于平均濃度的5%時(shí)，即達(dá)到均勻混合階段?；旌想A段均勻斷面Cp-污染物本底濃度,mg/l；Qp-河流的流量，m3/sCh-t時(shí)間后污染物濃度；Qh-排入河流的污水量，m3/s例3-1：P89第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散二、河流水體中污染物擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)解第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型（1）河流水質(zhì)模型分類管理和規(guī)劃：河流水質(zhì)、河口水質(zhì)（加入潮汐作用）、湖泊水質(zhì)和地下水水質(zhì)模型水質(zhì)組分：?jiǎn)我?、耦合（BOD-DO）和多重組分模型水力學(xué)和排放條件隨時(shí)間是否變化：穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)模型水質(zhì)的維度：零維（常作為初始值和估算值）、一維、二維和三維模型（受紊流理論研究的局限，尚處于利潤(rùn)研究）第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型（2）BOD-DO耦合模型（S-P模型）P98：圖3-4第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型P98：圖3-4第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型S-P模型（斯特里特和菲爾普斯）BOD生物化學(xué)分解遵循一級(jí)反應(yīng)式，即：大氣復(fù)氧與氧虧量成正相關(guān)，KaD；假設(shè)一維穩(wěn)態(tài)河流中溶解氧的變化是由BOD的衰減和溶解氧的復(fù)氧過程決定，即：L：t時(shí)刻有機(jī)物的剩余生物化學(xué)需氧量，L0：初始時(shí)刻有機(jī)物的總生物化學(xué)需氧量K：有機(jī)物降解速度常數(shù)；Ka：大氣復(fù)氧常數(shù)D：氧虧(水體中溶解氧不足量)；Kd：BOD衰減(耗氧)速度常數(shù)第二節(jié)污染物在水體中的擴(kuò)散三、河流水質(zhì)模型L：t時(shí)刻有機(jī)物