河流水质模型05

第五章河流水质模型5.1污染物在河流中的混合过程当污染物排入河流后，按照它与水体的混合状态，可以分为三个阶段：(1)竖向混合阶段，即从排放口起沿水深方向逐渐充分混合阶段。这个阶段的混合过程比较复杂，受各种因素的影响。李光炽水质模型例如排出水与河水之间因流速分布和紊动作用而产生的质量交换；排出水与河水的温差所产生的热交换；排出水与河水的密度差而产生的浮力作用；排出水与河水的动量交换等。对于浮力为中性的非射流排放情形，竖向混合区的长度与水深成正比，大致为排放处水深的几十倍到一百倍，其距离较短。对于浮力出流和射流问题，也有许多估算其混合区范围的公式。李光炽水质模型(2)从竖向充分混合起至河流横向开始充分混合为止。天然河流的河床一般是宽浅型的，宽深比大于10。达到横向混合所需要的河段长度比达到竖向混合所需要的河段长度大得多，河越宽则所需距离就越大，可达几公里、几十公里，对于大河甚至达上百公里。李光炽水质模型(3)从横断面上开始充分混合以后的阶段。在这个阶段，河流断面上各点水质浓度的偏差远比各横断面间的断面平均浓度偏差小。因此，一般只需考虑断面平均浓度沿河流纵向的变化就可以了。从排放口至第三混合阶段开始之间的距离L可按下式估算：李光炽水质模型排放口混合距离L估算式：式中B—河流平均宽度；u—河流平均流速；u*—摩阻流速；g—重力加速度；I—河流水力坡降；H—平均水深。李光炽水质模型*248.1HuuBLgHIu*根据河流中的各混合阶段，可采用不同的河流水质模型。例如当研究河流水质规划时，河段长度比横向尺度大得多，可以主要考虑第三混合阶段，采用一维模型或零维模型。而当研究污染物排放口与取水口相互位置的关系，而且河面相对较宽阔时，宜应采用二维模型或三维模型。李光炽水质模型5.2均匀混合水质模型(零维水质模型)均匀混合水质模型是把一个水体，如一个河段，看作是一个均匀混合的反应器。假定入流进入反应器后立即均匀分散，各水团完全均匀混合。其质量平衡方程为李光炽水质模型VCrSQCQCtCV)(0式中V—反应器内水的体积；Q—反应器入流及出流流量；C0、C－入流及反应器内污染物浓度；r(C)－反应器内过程的反应速率，与C有关；S－除含r(C)项以外的源和汇强度。如果S＝0，可简化为当所研究的水质组分在反应器内的变化过程符合一级反应动力学规律时，可表示为式中―一级反应速率。李光炽水质模型VCrCCQtCV)()(0CVKCCQtCV10)(1K对于稳态情形，，则有由此可解得C为或其中t=V／Q，称滞留时间。李光炽水质模型0dtdC0)(10CVKCCQQVKCC/110tKCC101李光炽水质模型将零维模型应用于实际河流的稳态水质模型或预测时，首先需要将河流分成若干河段，每一河段再划分为长度为的若干微段，每一个微段即视为一个完全混合的反应器式中C0—第i河段起始断面污染物浓度；m—第i河段内的微段数。李光炽水质模型mmmuxKCuxKCC)/1/()/1/(1011x每一河段起始断面的污染物浓度C0，可按质量平衡方法求得式中—上游流入i河段的流量；—河段起始端旁侧入流(支流或排污口)的流量；—上游来水的污染物浓度；—旁侧入流的污染物浓度。均匀混合模型适用于均匀河段，要求足够小，否则会造成较大误差。李光炽水质模型1iQ1xq1iC1xC1111110xixxiiqQCqCQCx5.3一维BOD-DO水质模型BOD-DO模型的基本假定是：(1)BOD的降解符合一级动力学反应规律；即在任何时候反应速率都和剩余的有机物数量成正比。以L表示BOD浓度，则。(2)水体中溶解氧DO的减少只是由于BOD降解所引起的，而且与BOD的降解有相同的速率。(3)水体中复氧的速率与氧亏量成正比。氧亏是指溶解氧浓度O与可能达到的饱和溶解氧浓度Os之差。李光炽水质模型LKr1一维BOD-DO水质方程(Streeter-Phelps模型)式中L—BOD浓度；O—溶解氧浓度，ux—断面平均流速，DL—纵向弥散系数；K1—耗氧系数：K2—复氧系数；Os—饱和溶解氧浓度。李光炽水质模型LKxLDxLutLLx122)(2122OOKLKxODxOutOsLx对于稳态情形李光炽水质模型LKxLDxLuLx122)(2122OOKLKxODxOusLx边界条件sOOLxOOLLx,0,,,000解为李光炽水质模型)exp(10xLL)]exp()[exp()exp()(21210120xxKKLKxOOOOss)/411(2211xLLxuKDDu)/411(2222xLLxuKDDu当忽略弥散项时有如下形式的解：李光炽水质模型)/exp(10xuxKLL)]/exp()/[exp()/exp()(21210120xxxssuxKuxKKKLKuxKOOOO)]/exp()/[exp()/exp(21210120xxxuxKuxKKKLKuxKDDOODs00OODs表示氧亏浓度BOD和DO的沿程变化李光炽水质模型溶解氧的沿程变化曲线表明，河段内可能出现量低溶解氧浓度值，相应的氧亏值称临界氧亏Dc，相应的距离称为临界距离xc。李光炽水质模型]})1(1[ln{)1(001LDfffKuxxcfcLDfffLD11000]})1(1[{0dxdD式中f为水体的自净系数。在实际应用中，Streeter—Phelps基本模型暴露出它的某些局限性，因面出现了许多修正模型，主要有以下三种。(一)BOD沉淀的修正式(Thomas修正式)当废、污水很少处理就排放时，在排放口下游经常可以看到某些物质的沉淀，从面导致了BOD的减少。为此，可在BOD方程中引入沉淀系数K3，将K3与K1相加；但在DO方程中仍然保留一个Kl，这是因为BOD的这一部分减少并不是降解所致，与DO的减少无关。修正的模型可表示为李光炽水质模型以上修正式也称Thomas修正式。其中K3为负值时表示BOD沉淀物的再悬浮。K3的量值一般在－0.36～0.36d－1之间变化。李光炽水质模型LKKdxdLux)(31)(21OOKLKdxdOusx当边界条件为，，时，其解为李光炽水质模型0OO0x0LL]/)(exp[310xuxKKLL)]exp()[exp()exp()(2312310120xxxssuxKxuKKKKKLKuxKOOOO)]exp()[exp()exp(2312310120xxxuxKxuKKKKKLKuxKDD(二)地表汇流、底泥耗氧，光合作用增氧修正式(Dobbins-Camp修正式)Dobbins和Camp在Streeter—Phelps方程的基础上考虑了如下的修正：①由于地表面源污染的汇入或(和)底泥中有机物重新悬浮，引起河流BOD的变化，其变化速率以常数R表示，附加在B0D方程右侧。②由于底泥有机物降解耗氧，水生植物光合作用增氧和呼吸耗氧等综合作用，引起溶解氧浓度发生变化，其变化速率以常数P表示，附加在DO方程的右侧，修正式如下所示：李光炽水质模型李光炽水质模型RLKKdxdLux)(31POOKLKdxdOusx)(21PLKOOKdxdDusx12)(当边界条件为，，时，其解为0x0LL0OO李光炽水质模型)1(13110FKKRFLL)1]()([))(()(23121221310231120FKKKRKKPFFKKRLKKKKFOOOOss)1]()([))((23121221310231120FKKKRKKPFFKKRLKKKKFDD]/)(exp[311xuxKKF]/exp[22xuxKF上述式称Dobbins-Camp修正式。如果R＝O，P=O，则成为Thomas修正式；如果只R=0，P=O，K3=O，则成为Streeter-Phelps基本模型。同样可求解溶解氧的临界距离xc：李光炽水质模型)]()()(ln[)(10231031312212312KPDKKKRLKKKKKKKKKKKuxxc31213121202312120))]}((/[{)1)]}(([//{KKRFFKKKKFDFKKKRKKPDLc当给定临界氧亏Dc的值时，可以确定BOD的允许排放浓度L0：（三）硝化阶段耗氧的修正式(O'Connor修正式)一般有机物的氧化过程包括碳化和硝化两个阶段。O‘Connor假定总的BOD是碳化需氧和硝化需氧量这两部分之和，即，相应阶段的反应速率分别记为和，则修正模型可表示为李光炽水质模型NcLLLcKNKcccxLKKdxdLu)(3NNNxLKdxdLu李光炽水质模型)(2OOKLKLKdxdOusNNccx)exp(30xuKKLLxccc)exp(0xuKLLxNNN)]exp()[exp()]exp()[exp()exp()(2202323020xuKxuKKKLKxuKxuKKKKKLKuxKOOOOxxNNNNxxccccxss模型的解为硝化需氧量LN0可用水体中可氧化的氮的总量来估计。一般污水中可氧化的氮主要以氨氮形式出现，当它被氧化时，一个氮原子完全氧化需两个氧分子(4个氧原子)，所以，当氨氮浓度给定时，LN0为李光炽水质模型)]exp()[exp()]exp()[exp()exp(2202323020xuKxuKKKLKxuKxuKKKKKLKuxKDDxxNNNNxxccccx氨氮浓度氨氮浓度＝57.4141640NL5.4一维河流水质模拟对于一条实际河流应用水质模型进行水质模拟和水质预测时，首先应对河流水量水质的基本数据和资料进行如下分析和整理。(1)河流的径流量。河流的径流量对稀释作用和自净能力有重要影响。天然河流的径流量一般变化幅度较大，而污水流量变化幅度小，因而在河道的枯水季节，河流的水质状况较差。李光炽水质模型进行水质模拟，应根据摸拟计算的目的，确定河流计算流量。对于河流水污染控制规划，可选用十年最枯月平均流量作为计算流量。(2)河流流速、断面平均水深、水面宽度、河床纵坡、糙率等。(3)河流支流的上述资料及汇入主流的位置。(4)沿河流的污染源分布，污水流量，主要污染物。(5)河流水质，如COD、BOD5、DO等的监测资料。李光炽水质模型对河流分段。分段的原则是使得每一河段大体适用一维河流水质模型应用的条件，即主要使得平均流速和有关参数保持恒定。根据河流自然特征与沿程流量输入输出状况，分为n个河段，共含n+1个断面，依次由上游向下游编号为0，1，…，i，i+1，…，n，其中编号0代表上游输入断面，n代表下游输出断面。李光炽水质模型一维河流水质模拟Qi——在断面i处注入河流的污水流量；Q1i——由上游流到断面i的河流流量；Q2i——由断面i向下游流出的河流流量；Q3i——在断面i处引走的流量；Li、Oi——在断面i处注入河流的污水BOD5浓度与DO浓度；李光炽水质模型L1i、O1i——由上游流到断面i的河水BOD5浓度与DO浓度；L2i、O2i——由i断面向下游输出的河水BOD5浓度与DO浓度；K1i、K2i、K3i——分别是由i-1断面至i断面间的BOD5衰减速率常数，复氧速率常数与沉淀或再悬浮速率常数；ti——河水由i-1断面至i断面的流动时间。李光炽水质模型水量关系：水质关系：李光炽水质模型1,213121011iiiiiiQQQQQQQQiiiiiiiiiiiiiiQOQQOQOQLQQLQL)()(311223112