水质模型

水质模型一、氧平衡模型二、湖泊富营养化预测模型吴志佳陈奕丹赵英豪王彦董玉刚什么是水质模型？水质模型（waterqualitymodel）是根据物质守恒原理,利用数学的语言和方法描述参加水循环的水体中水质组分所发生的物理、化学、生物化学和生态学诸方面的变化、内在规律和相互关系的数学模型。水质模型可按其空间维数、时间相关性、数学方程的特征以及所描述的对象、现象进行分类和命名。从空间维数上可分为零维、一维、二维和三维模型；从是否含有时间变量可分为动态和稳态模型；从模型的数学特征可分为随机性、确定性模型和线性、非线性模型；从描述的水体、对象、现象、物质迁移和反应动力学性质可分为河流、湖泊、河口、海湾、地下水模型；溶解氧、温度、重金属、有毒有机物、放射性模型；对流、扩散模型以及迁移、反应、生态学模型等。水质模型的类型水质模型的发展阶段1925-1960，S—P模型，BOD—DO耦合模型1960—1965，新发展，引进空间变量，动力学系数、温度1965—1970，光和作用、藻类的呼吸作用，沉降，悬浮，计算机的应用1970—1975，线性化体系，生态水质模型，有限元模型，有限差分技术最近30年，改善模型的可靠性和评价能力45水质模型的发展趋势模型不确定性的分型基于人工神经网络的水质模型基于地理信息系统的水质模型的研究研究水质模型的意义河流水环境污染2005年七大水系水质类别比较河流水环境污染湖泊（水库）水环境污染水系个数Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅳ类Ⅴ类劣Ⅴ类主要污染指标三湖3000003总氮总磷大型淡水湖10012223城市内湖5000023大型水库10014113总计2802635122004年比例08%18%15%22%37%2005年比例07%21%11%18%43%2005年重点湖库水质类别2007年太湖蓝藻爆发事件湖泊富营养化研究水质模型的意义与作用模拟污染物在流域范围内迁移转化过程查明污染物运移的时空分布规律为流域水质预测、管理和规划决策等提供有力的技术与方法支持水质模型建立的方法与步骤水质模型建立的步骤流域水质模型建立的一般步骤流域水质预测流域水质管理与规划流域污染控制模型的概化水质模型一般性质研究参数估计模型的率定模型的应用选择变量近似假设灵敏性平衡性稳定性不满意数据收集选择方法数据再收集结果比较不满意选择求解技术模型的概化（1）确定模型时空规模和范围（2）识别主要因素和相互关系，选择适当变量（3）研究变量的变化和相互作用，作合理近似假设（4）形成模型的结构概念模型的一般性质研究平衡性研究、稳定性研究、灵敏性研究参数估值一般通过实验室模拟试验或将现场测定的数据代入模型，选择最佳拟合值作为模型的参数值模型率定概念：检验所建立的模型是否具有预测功能的过程常用方法：图形图示法、相关系数法、相对误差法等模型的求解与应用（1）选择求解技术，变换数学表达式以适合求解常用求解技术：解析解（理论研究）数值解（工程技术问题）（2）在求解基础上，形成模型的输入和输出（3）将已建立的模型应用于解决实际问题一、氧平衡模型1.Streeter-Phelps模型（S-P模型）2.Thomas模型（忽略离散作用）3.QUAL-Ⅱ水质模型17S-P模型BOD-DO耦合模型S－P模型的基本假设是：①河流中的BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应；②反应速度是定常的；③河流中的耗氧是由BOD衰减引起的，而河流中的溶解氧来源则是大气复氧。S-P模式的适用条件：①河流充分混合段；②污染物为耗氧性有机污染物；③需要预测河流溶解氧状态；④河流恒定流动；⑤连续稳定排放。S-P模型基本方程及其解DkLkdtdDLkdtdL211式中:L—河水中的BOD值，mg/L；D—河水中的亏氧值，mg/L，是饱和溶解氧浓度Cs（mg/L）与河水中的实际溶解氧浓度C（mg/L）的差值；k1—河水中BOD衰减(耗氧)速度常数，1／d；k2—河水中的复氧速度常数，1／d；t—河水中的流行时间，d；0,0,00xCCxLL)()(//2101/0/02121uxkuxkuxkssuxkeekkLkeCCCCeLL这两个方程式是耦合的。当边界条件时，式解析解为:05101520250246810012345678XkmLmg/LLmg/LDOmg/LDOmg/LS-P模型的临界点和临界点氧浓度)()()1(1//2101/000121212212uxkuxkuxkssScccceekkLkeCCCCLCCkkkkLnkkux对一维静态河流，在S—P模型的基础上考虑沉淀、絮凝、冲刷和再悬浮过程对BOD去除的影响，引入了BOD沉浮系数k3，DkLkdxdDuLkkdxdLu2131)(这些模型最初被用于城市排水工程的设计和简单的水体自净作用的研究。Thomas模型QUAL-Ⅱ水质模型由于排入河流中的污染物质，特别是营养物质，对于水生生物的生存有密切的联系和影响，美国环境保护局特推荐使用QUAL-Ⅱ水质模型，该模型是一种较复杂的氧平衡生态模型，模拟下面13种水质项目，即温度，DO，BOD，藻类（以叶绿素a计），PO43-，NH3，NO2-，NO3-，大肠杆菌，一种可任选的可衰减物质和三种不衰减物质，并建立了差分法的求解技术。QUAL-Ⅱ水质模型既可用于研究入流污水的负荷（数量、质量和位置）对受纳河流水质的影响，也可用于研究非点源问题。它既可作为稳态模型使用，也可作为动态模型使用，用于研究藻类的生长和呼吸作用引起的DO的昼夜变化，或探索冲击负荷（如泄露或季节性、周期性排污）的影响。因此，QUAL-Ⅱ水质模型是一个能较全面描述水生生态系统与水质组分之间联系的比较成功的例子。模型包括13个相互关联的偏微分方程系统，其关系如图所示。24湖泊富营养化湖泊的富营养化是由磷、氮的化合物过多排放引起的污染。主要表现为水体中藻类的大量繁殖，严重影响了水质。湖泊水质污染预测模型对于预测湖泊水质发展趋势及提出相应的防治对策有着重要的意义。目前常采用的有多元相关模型、输入输出模型、富营养化预测模型和扩散模型。前三种模型实际上只能预测未来湖泊水质的平均发展趋势，而扩散模型可以反映湖泊水质的空间变化，预测污水入湖口附近局部水域可能出现的严重污染程度。实际应用时可根据湖泊的污染特征和基础资料等情况选用相应模型。26富营养化预测模型cVqcIdtdcVPP)(cPVIdtdcPWP)(式中：c—湖水平均总磷浓度mg/L,IP—输入湖泊磷的浓度g/dPW—水力冲刷系数PW=q/V，d-1q—出湖河道流量m3/d,V－湖泊容积m3λP—磷的沉降速率常数d-1t—河水入湖时间d为了求得在均匀混合条件下，V稳定时上述方程的解，Vollenweider，Dillon，合田健和经济合作与发展组织（OECD）还分别求得以下湖水总磷质量浓度的计算公式。1.Vollenweider公式ρ=ρ1（1＋√Z／Q）-1式中：ρ——湖水按容积加权的年平均总磷质量浓度，mg/L；ρ1——流入湖泊水量按流量加权的年平均总磷质量浓度（包括入湖河道，湖区径流和湖面降水的总量），mg/L；Z——湖泊的平均水深，可用湖泊容积（V）除以湖泊相应的表面积求得，m；Q——湖泊单位面积上的水量负荷，可用湖泊的年流入水量（qm）除以湖泊的表面积（A）来求得，t/（m2·a）。2.Dillon公式L(1－Rp)ρ=————————Z·qV／V式中：ρ——湖水总磷的预测质量浓度，mg/L；L——湖泊单位面积上年度总磷的负荷量，g/(m2·a)；qV——年入湖水体积流量，m3/a；V——湖泊的容积，m3；Rp——磷的滞留系数，Rp=1－（年输出总磷量/年输入总磷量）。3.合田健公式Lρ=——————------Z（qV/V+α)式中：α——湖水中总磷的沉降系数，a-1；其他符号的意义同前。合田健根据日本25个湖泊的调查资料，求得总磷的沉降系数与平均水深之间的关系式为α=10/Z4.OECD的计算公式国际经济合作与发展组织在浅水湖泊总磷变化规律的研究中，提出了如下公式：7Vρ=ρ1[1+————·﹙——﹚0.6]-1Z0.5qV式中符号意义同前。按照上述各方程要求，应用于玄武湖水质中总磷、总氮浓度的预测和验算，结果表明，用Vollenweider模型预测总磷、合田健模型预测总氮，预测精度最高。谢谢