水質(zhì)模型課件

水體污染及水質(zhì)指標(biāo)五、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)1、生活飲用水生活飲用水2001年衛(wèi)生部頒佈的標(biāo)準(zhǔn)----生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)範(fàn)/info/89515.htm五、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)2、地表水環(huán)境品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)2002年國家環(huán)保局頒佈--中華人民共和國地表水環(huán)境品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB3838-2002/info/46083.htm1.斷面混合長度的估算2.污染物起始濃度的估算豎向橫向縱向無污染河水污染物排放率W0污染物排放率MM=QCW0=上、下游無窮遠(yuǎn)處至排污口的污染物衰減率之和。2.污染物起始濃度的估算(續(xù))從1到2污染物濃度衰減量為：

kc*(dx/u)從1到2污染物物質(zhì)衰減量為：(Au)*kc*(dx/u)=kcAdx1122dx縱向混合區(qū)內(nèi)Q、u面積A以排污口下游為例:以Lm為積分零點則：二、潮汐對河口水質(zhì)的影響三、AUTO-QUAL模型(接點-河道模型)j接點j-1接點j+1接點接點內(nèi)濃度分佈均勻上游海洋i河道i-1河道河道內(nèi)流量穩(wěn)定Qj,inCj,inQj,outCjq、CIQ、CV、C分層耦合結(jié)構(gòu)(a)使用條件(層內(nèi)均勻混合，水流穩(wěn)定)(b)上層考慮OP——>PP速率PeVe(OP)e(c)下層考慮PP——>OP速率rhVh(PP)h

(d)上下層的交換速率

垂直交換係數(shù)x上下層交界面積x濃度上下層交換平均深度(e)上層PP的沉降速率geA(PP)e(f)下層PP的沉降速率ghAs(PP)hQi[(OP)ei+(PP)e

i]Q[(OP)e+(PP)e]OPePPe=PeVe(OP)eKZA(OP)eKZA(PP)eKZA(OP)hKZA(PP)hgeA(PP)eghAs(PP)hPPhOPh=rhVh(PP)h分層耦合結(jié)構(gòu)6.1差分概述

一、差分格式

向前差分向後差分中心差分二、差分近似誤差以向前、向後、中心差分替代微分的截斷誤差m0n1212ijtx網(wǎng)格節(jié)點（xi-1，tj-1）邊界節(jié)點（xi，0）或（tj，0）6.2差分解一、差分模型的建立

步驟：1.離散解空間；2.選擇差分格式，得差分模型；3.檢驗差分模型的收斂性和穩(wěn)定性。二、差分解的誤差以忽略擴(kuò)散項的一維河流水質(zhì)模型為例加以說明。有限差分法的步驟空間座標(biāo)和時間座標(biāo)的離散以Δx為步長，把x方向座標(biāo)劃分為n等分，每個節(jié)點座標(biāo)為xi＝i×Δx（i=1,2…n）第一以Δt為步長，把t方向座標(biāo)劃分為m等分，每個節(jié)點座標(biāo)為ti＝i×Δt（i=1,2…m）任一點的濃度C(xi，tj)＝Cij

用差分商代替導(dǎo)數(shù)向前差分向後差分中心差分用差分方程代替微分方程，得到一線性方程組解的穩(wěn)定性及收斂性檢驗:收斂性：數(shù)值解是否收斂於原微分方程的真解;穩(wěn)定性：解的過程中引入的舍入誤差是否會逐漸消失，即保持有界;

顯式差分方程隱式差分方程設(shè)有方程顯式差分：得到令對i=1對i=2對i=3到n顯式差分的穩(wěn)定條件矩陣形式隱式差分最後得到隱式差分方程的一般格式寫成矩陣形式

對第j+1時刻的濃度空間分佈，可由下式解出：對第i=1個和i=n個方程，是上下邊界的值，同時令水質(zhì)數(shù)學(xué)模型:是根據(jù)排入水體的污染物,分析預(yù)測未來水質(zhì)狀況的一種數(shù)學(xué)手段和工具.好的模型應(yīng)能全面準(zhǔn)確地反映污染物在水中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律.（各種過程本身的特性是水質(zhì)分析和建模的基礎(chǔ)）水質(zhì)分析模型建立對模型的要求足夠的精度可操作、實用依據(jù)充分存在可控變數(shù)建模過程數(shù)據(jù)收集與分析模型結(jié)構(gòu)選擇：白箱模型、黑箱模型、灰箱模型參數(shù)估值模型檢驗與修正模型應(yīng)用與回饋參數(shù)估值圖解法：適用於線性關(guān)係y=a+bx

以x為橫坐標(biāo)，y為縱坐標(biāo)作圖，則圖形的截距為a，斜率為b一元線性回歸假設(shè)條件：引數(shù)沒有誤差，因變數(shù)存在測量誤差。各測量點擬合最好的直線，為各點至直線的因變數(shù)偏差的平方和最小的直線。

為了使偏差的平方和最小，必須滿足：於是得到：多元線性回歸：對於引數(shù)的數(shù)目大於等於2的線性模型，可以採用多元線性回歸方法求解。上式中：最優(yōu)化方法：原理與線性回歸方法類似網(wǎng)格法：在可以預(yù)先估計參數(shù)區(qū)間的情況下，將各個參數(shù)的區(qū)間等分，在所有頂點處計算目標(biāo)值，並比較目標(biāo)值的大小，選優(yōu)。經(jīng)驗公式法例：下表為x與y的一組對應(yīng)值，試用一元線性回歸求解線性方程y＝b+mx中的參數(shù)b和m。

首先計算求解參數(shù)的中間值：然後計算截距和斜率：b=2.66和m=0.42，最後得到：y=2.66+0.42xx1381013151720y3.04.06.07.08.09.010.011.0模型的檢驗圖形表示法：如果測量值與計算值的交點位於45度線附近一定範(fàn)圍內(nèi)，則可以認(rèn)為模型的模擬結(jié)果是合格的該方法多用於模型計算誤差較大的場合。相關(guān)係數(shù)法：用相關(guān)係數(shù)來衡量曲線的擬合程度，適用於線性程度高的模型。相對誤差法

式中，yi為實測值，yi,為對應(yīng)的計算值靈敏度分析靈敏度分析的意義估算模型計算結(jié)果的偏差有利於根據(jù)需要探討建立高靈敏度或低靈敏度的模型可以用來確定合理的設(shè)計裕量環(huán)境系統(tǒng)的兩種靈敏度分析狀態(tài)與目標(biāo)對參數(shù)的靈敏度，即研究參數(shù)變化對狀態(tài)變數(shù)和目標(biāo)產(chǎn)生的影響。目標(biāo)對狀態(tài)的靈敏度，即研究狀態(tài)變數(shù)的變化對目標(biāo)值產(chǎn)生的影響。狀態(tài)與目標(biāo)對參數(shù)的靈敏度定義：在θ＝θ0附近，狀態(tài)變數(shù)x（或目標(biāo)Z）相對於原值x*(或Z*)的變化率和參數(shù)θ相對於θ0的變化率的比值狀態(tài)對參數(shù)的靈敏度：目標(biāo)對參數(shù)的靈敏度

當(dāng)Δθ0時，可忽略高階微分項，得：

式中：和分別叫做狀態(tài)變數(shù)和目標(biāo)函數(shù)的一階靈敏度係數(shù)，它反映了系統(tǒng)的靈敏度特徵。水體耗氧、複氧參數(shù)估值K2，K1的處理與水動力學(xué)因素，水文，PH值等因素有關(guān)；7.2碳化BOD衰減係數(shù)K1的估計基本出發(fā)點：L=L0exp(-K1t

)

一、根據(jù)實驗室數(shù)據(jù)估算K11.兩點法2.圖解法3.最小二乘法由於河流中有機(jī)物的生物降解條件與實驗室的條件不同。根據(jù)實驗室資料得到的K1

普遍比根據(jù)河流實測得出的K1小，須進(jìn)行修正。二、根據(jù)野外原體觀測資料估算K1一、經(jīng)驗和半經(jīng)驗公式計算法O‘Connor和Dobbins公式二、實驗室測定法將同一水樣放入敞開和加蓋的透明玻璃瓶中並置於室外，每相隔一定的時距，測定兩容器中的溶解氧。兩容器中的溶解氧之差，即為大氣複氧的增氧量。時間t1t2t3t4...大氣複氧增氧O1O2O3O4...而大氣複氧可描述為：dO/dt=K2(Os-O)此法測得的K2僅為分子擴(kuò)散引起，應(yīng)用時應(yīng)進(jìn)行改正。7.3大氣複氧係數(shù)K2的估計三、試錯法流程：(1)假定參數(shù)初值；(2)模型計算；(3)比較(實測值與計算值的差距)，作出判斷；(4)人工尋找更好的參數(shù)，重複第(2)步，直至精度滿意。四、最優(yōu)化方法7.4水溫對各反應(yīng)係數(shù)的影響

水體的飽和溶解氧主要取決與水溫，另外還受氣壓和水的含鹽度的影響。一、Dobbins公式(誤差較大)二、美國公共衛(wèi)生協(xié)會公式三、經(jīng)驗公式上述三公式是一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，不受鹽度影響的計算公式。四、考慮鹽度的計算式五、根據(jù)氣壓對一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下所算Os的修正式7.5飽和溶解氧計算公式7.6實例

資料條件：水溫T、幹流流量Q、各斷面流速u、斷面間距x、各斷面BOD和DO值、各排污口的流量q、BOD和DO值均已知。1、率定參數(shù)用的三組資料；2、驗證模型及參數(shù)的一組資料；3、預(yù)報用的一組資料。001122334455汙1汙2汙3率定參數(shù)的資料之一：水溫T=6.2。C一、飽和溶解氧的計算採用經(jīng)驗公式二、K1的率定採用兩點法:(K1=Ln(L上/L下)/t)a.對每組率定資料，各子河段K1求平均，作為整個研究河段的K1，並轉(zhuǎn)換成20。C時的K1；b.對三組20。C時的K1求平均，作為率定所得K1值。三、K2的率定採用試錯法a.對每組率定資料，各子河段K2求平均，作為整個研究河段的K2，並轉(zhuǎn)換成20。C時的K2；b.對三組20。C時的K2求平均，作為率定所得K2值。說明：關(guān)於水環(huán)境水環(huán)境：是自然環(huán)境的一個重要組成部分，指自然界各類水體，如河流、湖泊、水庫、海洋、地下水、空中水等的數(shù)量和品質(zhì)狀態(tài)的總和；水量：降水、蒸發(fā)、下滲、徑流的變化；水質(zhì)：泥沙、水溫、溶解氧、有機(jī)物、無機(jī)物、重金屬、水生生物等；水環(huán)境：水量與水質(zhì)的統(tǒng)一；水質(zhì)要求與水體功能劃分水域：國家自然保護(hù)區(qū)、生活飲用水、水源保護(hù)區(qū)、漁類保護(hù)區(qū)、灌溉水源區(qū)等。水體功能與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；如《地面水環(huán)境品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》

其中

I.主要適用於源頭區(qū)，國家自然保護(hù)區(qū)；

II.集中式生活飲用水水源地一級保護(hù)區(qū)，珍貴魚類保護(hù)區(qū)等；

III.集中式生活飲用水水源地二級保護(hù)區(qū)，一般魚類保護(hù)區(qū)及游泳區(qū)；

IV.一般工業(yè)用水區(qū)及人體非接觸的娛樂用水區(qū)；

V.農(nóng)業(yè)用水區(qū)和一般景觀要求水域；面源污染介紹降雨徑流污染模型：以水文數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)20世紀(jì)70年代中期，是非點源模型發(fā)展時期；Hydrocomp公司的非點源系列模型：

PTR、HSP、ARM、NPS以及其他模型：SWMM、STORM、ACTMO、UTM等；應(yīng)用研究80年代後，模型應(yīng)用，開發(fā)新的實用模型、非點源污染控制與管理措施階段：特徵污染單位線模型；非點源污染負(fù)荷函數(shù)模型；污染暫態(tài)單位線模型；降雨徑流污染形成過程

及研究途徑降雨徑流子過程—水污染的載體；產(chǎn)沙輸沙子過程；污染物隨水流運動中的遷移轉(zhuǎn)化子過程；最終表現(xiàn)為河流某一斷面的徑流過程和污染負(fù)荷過程；受納水體污染子過程;研究過程根據(jù)降雨徑流污染過程的特點，步驟：研究區(qū)域按地理土壤條件及土地利用類型分類；在同類型的社區(qū)域（流域）中選擇典型試驗區(qū)；對典型流域進(jìn)行一定時間（一個水文年）的監(jiān)測；建立代表流域的降雨徑流污染水質(zhì)模型；應(yīng)用模型預(yù)測研究區(qū)域中要求地點的降雨徑流污染負(fù)荷過程；降雨徑流污染監(jiān)測在整個降雨徑流過程中同步監(jiān)測降雨量、徑流量（地表、地下）和污染物濃度的連續(xù)時變過程。9.2水質(zhì)模型的建立集水面積的水文模擬集水面積上產(chǎn)汙的模擬徑流與污染物產(chǎn)出率的相互關(guān)係

___產(chǎn)流、產(chǎn)汙、匯流、集汙降雨徑流污染負(fù)荷模型降雨徑流污染形成的基礎(chǔ)——降雨徑流過程；降雨徑流污染負(fù)荷模型包括：模型結(jié)構(gòu)、模型參數(shù)率定、模型檢驗、模擬預(yù)測；一般包含3個子模型：降雨徑流子模型——降雨徑流部分；流域侵蝕及泥沙子模型——

土壤侵蝕和污染質(zhì)的積累部分；污染物遷移轉(zhuǎn)化子模型——

化學(xué)輸送部分；從水文學(xué)角度的模型分類以經(jīng)驗公式為主的污染負(fù)荷模型；以單位線為特徵的模型：流量過程和負(fù)荷過程的匯流計算均採用單位線法，並分為時段單位線法和暫態(tài)單位線法；水量單位線—流量過程；污染單位線—污染負(fù)荷過程；以物理成因分析法為基礎(chǔ)的流域概念模型；從物理成因的原理描述降雨徑流污染的水動力學(xué)過程和污染物變化的物理、化學(xué)、生物過程。降雨徑流污染負(fù)荷預(yù)測相關(guān)分析法：將大的區(qū)域劃分為不同類型的單元集水社區(qū)；對單元採用經(jīng)驗公式計算徑流量、產(chǎn)沙量（土壤侵蝕量）、污染負(fù)荷量；集成單元結(jié)果，計算區(qū)域總污染負(fù)荷量。面源污染負(fù)荷計算劃分單元社區(qū)；計算各單元的徑流量、土壤流失量、污染負(fù)荷量；1、徑流量：徑流曲線數(shù)（CN）方程計算

Rs地表徑流量；P降雨量；

S流域土壤蓄水能力；

CN徑流曲線數(shù)；2、土壤流失量通用土壤流失方程（USLE）單位面積土壤流失量，土壤侵蝕模數(shù)；K—土壤可蝕性因數(shù)；降雨能量因數(shù)，反映降雨能量對土壤侵蝕的作用，根據(jù)暴雨強(qiáng)度、雨量由綜合分析的計算公式推求；Ls坡度長度因數(shù);C植被覆蓋因數(shù);B侵蝕控制措施因數(shù).3、污染負(fù)荷量某個小單元上第T天徑流輸出的污染物數(shù)量為：

LDt＝0.1CDtRS,tTDLSt＝0.001CStMStTSLDt、LSt單位面積上，某種溶解態(tài)污染物、固態(tài)物第t天的流出量；CDt、CSt第t天的溶解態(tài)污染物、固態(tài)物濃度；RS,t第t天的地表徑流量；MSt第t天的土壤流失量；TD溶解態(tài)污染物沿地表向流域出口輸移的比例係數(shù)；TS固態(tài)物沿地表向流域出口輸移的比例係數(shù)；流域污染負(fù)荷量將流域中各單元區(qū)第t天的某種溶解態(tài)的污染物相加，得到全流域第t天該污染物的負(fù)荷量。降雨徑流污染負(fù)荷預(yù)測的單位線法由流域產(chǎn)汙過程（相當(dāng)於地面淨(jìng)雨過程）和負(fù)荷過程（相當(dāng)於地面徑流過程）推求污染負(fù)荷單位線，根據(jù)預(yù)測的產(chǎn)汙過程預(yù)報污染負(fù)荷過程。時段特徵污染單位線（CPG)；地面（地下）徑流過程地面（地下）徑流污染負(fù)荷過程暫態(tài)污染單位線法基於納希（Nash)暫態(tài)單位線IUH法，把流域?qū)Φ孛鏈Q(jìng)雨和污染物的彙集過程，簡化成一系列串聯(lián)的線性水庫對淨(jìng)雨、產(chǎn)汙過程的調(diào)蓄和混合轉(zhuǎn)化結(jié)果。面源污染的流域數(shù)學(xué)物理模型ARM和SWMM模型（農(nóng)業(yè)徑流模型，城市暴雨水管理模型）ARM主要模擬流域的水文回應(yīng)、產(chǎn)沙、農(nóng)藥吸附與解析、農(nóng)藥降解及營養(yǎng)物的轉(zhuǎn)化；土壤中分為四層（表土層、上層、下層和地下水層）模擬農(nóng)藥和營養(yǎng)物在垂向上的遷移轉(zhuǎn)化；由降雨蒸發(fā)——得到植物截留、地面徑流、壤中流、下滲和地下水層的滲透。（融雪過程）流域產(chǎn)沙、輸沙子模型：包括雨滴侵蝕和坡面流輸沙兩個過程。在以上水文回應(yīng)和產(chǎn)沙基礎(chǔ)上，進(jìn)行農(nóng)藥流失量計算（包括在泥沙表面的吸附和解析過程）ARM模型採用下列過程模擬：X單位重土壤吸附的農(nóng)藥量；M永久固定態(tài)吸附的農(nóng)藥量；C溶液中農(nóng)藥的平衡濃度；N指數(shù)；K係數(shù)；ARM模型對土層中污染物隨水分的橫向和豎向輸移做了模擬,但是對地下水的輸移作用沒有考慮；ARM模型可進(jìn)行單場暴雨和連續(xù)過程的模擬預(yù)測。SWMM模型是一個比較完善的城市暴雨水的徑流水質(zhì)預(yù)測和管理模型，根據(jù)降雨輸入（雨量過程線）和系統(tǒng)特徵（流域、泄水、蓄水和處理）模擬一次暴雨事件的徑流水質(zhì)過程。模組構(gòu)成徑流模組：計算雨洪徑流、下滲及雨洪所挾帶的污染負(fù)荷；輸送模組和擴(kuò)充輸送模組：把由徑流計算得到的下水道進(jìn)水口的徑流過程和污染負(fù)荷過程作為輸入，經(jīng)過地下管網(wǎng)調(diào)蓄計算和水質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化計算，得到各個地點的水量、水質(zhì)的變化情況；調(diào)蓄和處理模組；受納水體模組；+水污染控制系統(tǒng)的組成四部分(1)?污染物發(fā)生系統(tǒng)

污染源是污水的發(fā)生源工業(yè)污染源和城鎮(zhèn)生活污染物是水污染的主要來源。隨著農(nóng)藥、化肥使用量的激增，農(nóng)業(yè)污染也變得日益突出。。(2)?污水收集輸送系統(tǒng)

污水收集、輸送系統(tǒng)是指將污水有污染源集中並輸送到污水處理廠的污水管道和污水提升泵站，亦指將污水由一個區(qū)域轉(zhuǎn)輸?shù)搅硗庖粋€區(qū)域的污水轉(zhuǎn)輸系統(tǒng)。(3)?污水處理系統(tǒng)

污水處理系