1、2022-11-23环境系统分析PPT第6讲(1)环境系统分析环境系统分析PPT第第6讲讲(1)环境系统分析PPT第6讲(1)（3 3）大气复氧）大气复氧 其中：其中：D氧亏，氧亏，D=CsC C河流中溶解氧浓度河流中溶解氧浓度 Cs河流中饱和溶解氧浓度河流中饱和溶解氧浓度 Ka大气复氧速度常数（与流态和温大气复氧速度常数（与流态和温 度有关）度有关）环境系统分析PPT第6讲(1)r通常取为通常取为1.024 Ka,20200C条件下的大气复氧速度常数。条件下的大气复氧速度常数。在河口，由于含盐量的影响在河口，由于含盐量的影响，Cs=14.62440.367134T+0.00449T20.09
2、66S +0.00205ST+0.0002739S2 其中：其中：S为水中含盐量（为水中含盐量（ppt）环境系统分析PPT第6讲(1)n河流中，大气复氧速度常数还可由下式估算河流中，大气复氧速度常数还可由下式估算n其中：其中：UxUx河流平均流速（河流平均流速（m/sm/s）nH H河流平均水深（河流平均水深（m m）nc c、n n、m m为参数，许多学者对此提出实验数为参数，许多学者对此提出实验数据，据，n如如OwensOwens等（等（19641964），），c=5.336 c=5.336，n=0.67n=0.67，m=1.85 m=1.85 nBennetlBennetlRathbun
3、(1972),c=5.369Rathbun(1972),c=5.369，n=0.674n=0.674，m=1.865 m=1.865 n也可由参数估值方法对实际河流得出。也可由参数估值方法对实际河流得出。环境系统分析PPT第6讲(1)（4 4）光合作用（水生植物的）光合作用（水生植物的）河流溶解氧的另一个重要来源河流溶解氧的另一个重要来源 产氧速率：产氧速率：Pt=PmPt=Pmsin(t/Tsin(t/T)0)0t tT T 其中：其中：TT光照时间光照时间 Pm-Pm-一天中最大的光合作用产氧速一天中最大的光合作用产氧速度（度（0 0 30mg/l)30mg/l)环境系统分析PPT第6讲(
4、1)（5 5）藻类的呼吸作用）藻类的呼吸作用 消耗河水中的溶解氧，其耗氧速度通常消耗河水中的溶解氧，其耗氧速度通常看作常数，一般看作常数，一般R R的值在的值在0 0 5mg/ld5mg/ld之间。之间。平均产氧速度平均产氧速度P P和耗氧速度和耗氧速度R R可用黑白瓶可用黑白瓶试验。求得：试验。求得：对于白瓶：对于白瓶：环境系统分析PPT第6讲(1)其中：其中：C C0 0试验初始时水样的溶解氧浓度。试验初始时水样的溶解氧浓度。C C1 1、C C2 2试验终了时白瓶中的水样和黑瓶中试验终了时白瓶中的水样和黑瓶中的水样溶解氧浓度。的水样溶解氧浓度。K Kc c试验温度下的试验温度下的BODB
5、OD降解速度常数（降解速度常数（d d-1-1）t t试验延续时间（试验延续时间（h h）L Lo o试验开始时的河水试验开始时的河水BODBOD值。值。联立求解即可得联立求解即可得P P和和R R值。值。（6 6）底栖动物和沉淀物的耗氧。）底栖动物和沉淀物的耗氧。目前其机理尚未完全阐明。目前其机理尚未完全阐明。环境系统分析PPT第6讲(1)2 2、单一河段水质模型、单一河段水质模型 即只有一个排放口的河段，排放口置于即只有一个排放口的河段，排放口置于河段的起点（基本模型用于某污染物的迁移河段的起点（基本模型用于某污染物的迁移转化分析）。上游河段的水质视为河流水质转化分析）。上游河段的水质视为
6、河流水质的本底值。的本底值。（1 1）S-PS-P模型模型 （19251925，第一个），第一个）描述一维稳态河流中的描述一维稳态河流中的BOD-DOBOD-DO的变化规律。的变化规律。基本假设：基本假设：BODBOD衰减和溶解氧的复氧均为衰减和溶解氧的复氧均为一级反应，且反应速率为定常。一级反应，且反应速率为定常。环境系统分析PPT第6讲(1)仅考虑由仅考虑由BODBOD衰减引起的耗氧和大气复氧而衰减引起的耗氧和大气复氧而来的水中溶解氧。来的水中溶解氧。具体模型为：具体模型为：其中：其中：L L河水中的河水中的BODBOD值值，D D河水氧亏值河水氧亏值KdKdBODBOD衰减（耗氧）速度常
7、数衰减（耗氧）速度常数KaKa河流复氧速度常数，河流复氧速度常数，tt河水的流行时间河水的流行时间 环境系统分析PPT第6讲(1)其解析解为：其解析解为：Lo河流起始点的河流起始点的BOD值值 Do河流起始点的氧亏值河流起始点的氧亏值河流的溶解氧河流的溶解氧为：为：（氧垂公式氧垂公式）环境系统分析PPT第6讲(1)溶解氧浓度最低的点（亦即氧亏值最溶解氧浓度最低的点（亦即氧亏值最大的点）称为临界点（此点变化速度为大的点）称为临界点（此点变化速度为0）用用Dc表示表示 由起始点到达临界点的流行时间由起始点到达临界点的流行时间tc即即临界氧亏发生时间临界氧亏发生时间tc可由下式计算：可由下式计算：t
8、c=1/（KaKd）ln Ka/Kd1-Do(KaKd)/(Lo Kd)S-P模型广泛用于河流水质模拟预测中，模型广泛用于河流水质模拟预测中，也用于计算允许最大排污量。也用于计算允许最大排污量。环境系统分析PPT第6讲(1)（2）S-P模型的修正型模型的修正型 a托马斯模型托马斯模型 在在S-P模型基础上模型基础上,引进了沉淀作用对引进了沉淀作用对BOD去除的影响，其速度常数为去除的影响，其速度常数为Ks，其，其解为：解为：环境系统分析PPT第6讲(1)b康布模型康布模型 在托马斯模型的基础上再考虑底泥耗在托马斯模型的基础上再考虑底泥耗氧速度氧速度B和河流中光合作用的产氧速度和河流中光合作用的
9、产氧速度P。其解为：其解为：环境系统分析PPT第6讲(1)c c欧康奈尔模型欧康奈尔模型 也在托马斯模型基础上引进含氮有机也在托马斯模型基础上引进含氮有机物的衰减速度常数物的衰减速度常数K KN N 式中式中 LcLc含碳有机物的含碳有机物的BODBOD值值 L LN N含氮有机物的含氮有机物的BODBOD值。值。1 1克氨氮的需氧量为克氨氮的需氧量为4.574.57克。克。环境系统分析PPT第6讲(1)在边界条件为：在边界条件为：X=0X=0处，处，Lc=Lco,LLc=Lco,LN N=L=LNONO ,D=D ,D=DO O则得解为：则得解为：环境系统分析PPT第6讲(1)S-PS-P模
10、型应用举例：模型应用举例：某河段流量某河段流量Q=2160000mQ=2160000m3 3/d /d ，流速，流速46km/d,46km/d,水温水温13.613.60 0c c，k kd d=0.77 1/d=0.77 1/d，k ka a=1.82 1/d =1.82 1/d ，起始断面有一排污口，起始断面有一排污口，废水量为废水量为10m10m3 3/d/d，废水中，废水中BODBOD5 5为为500mg/l500mg/l，溶氧为溶氧为0mg/l0mg/l，其上游河水，其上游河水BODBOD5 5为为0mg/l0mg/l，溶解氧为溶解氧为8.95mg/l8.95mg/l，求排污口下游，
11、求排污口下游6km6km处处污水的污水的BODBOD5 5和和D D值。值。环境系统分析PPT第6讲(1)解：起始断面河水的解：起始断面河水的BOD5和和D0为为 Lo=（21600000+100000500）/（2160000+100000）=22.124mg/l Co=（21600008.95+1000000）/（2160000+100000）=8.554mg/l 13.60C时，时，河水河水饱和溶解氧饱和溶解氧Os=10.354mg/lDo=OsCo=10.3548.554=1.8 mg/l6km处处BOD5和氧亏值为：和氧亏值为：环境系统分析PPT第6讲(1)环境系统分析PPT第6讲(
12、1)3 3、多河段水质模型、多河段水质模型 （1）BODDOBODDO耦合矩阵模型耦合矩阵模型 在河流的水质条件沿程变化或多排污口在河流的水质条件沿程变化或多排污口情况，则可将河流分段情况，则可将河流分段 ，断面设置原则：，断面设置原则：断面形状剧变处断面形状剧变处 支流或污水的输入处支流或污水的输入处 河流取水口处河流取水口处 桥涵附近便于采样处桥涵附近便于采样处 现有水文站附近等现有水文站附近等 环境系统分析PPT第6讲(1)取水在断面的上游侧，排污或支流取水在断面的上游侧，排污或支流在断面的下游侧。在断面的下游侧。单角标为排污的参数单角标为排污的参数环境系统分析PPT第6讲(1)双角标的
13、第双角标的第1个数字：个数字：“1”表示上游进入断面表示上游进入断面i的量；的量；“2”表示断面表示断面i输出到下游的量输出到下游的量；“3”表示取水的参数；表示取水的参数；双角标的第双角标的第2个数字为断面序号。个数字为断面序号。第第i i段河流以第段河流以第i i断面为起始点，第断面为起始点，第i+1i+1断面为终止点，则第断面为终止点，则第i i断面的流量、断面的流量、BODBOD平衡平衡关系为：关系为：环境系统分析PPT第6讲(1)Q Q2i2i=Q=Q1i1iQ Q3i3i+Q+Qi i Q Q1i1i=Q=Q2 2,i-1i-1L L2i2iQ Q2i2i=L=L1i1i(Q(Q1
14、i1iQ Q3i3i)+L)+Li iQ Qi i 又由又由S-PS-P模型，可写出由模型，可写出由i-1i-1断面至断面至i i断面断面间的间的BODBOD衰减关系：衰减关系：环境系统分析PPT第6讲(1)则对则对1 1至至n n断面的断面的BODBOD表达式为：（递推式）表达式为：（递推式）L L2121=a=ao oL L2020+b+b1 1L L1 1L L2222=a=a1 1L L2121+b+b2 2L L2 2L L2i2i=a=ai-1i-1L L2,i-12,i-1+b+bi iL Li iL L2n2n=a=an-1n-1L L2,n-12,n-1+b+bn nL Ln
15、 n环境系统分析PPT第6讲(1)用矩阵表示为：用矩阵表示为：式中式中 L2=（L21，L22，L2n）T L=（L1，L2，Ln）T g=(g1,o,o)T 式中式中g1是初始条件，是初始条件，g1=aoL20 A,B均为均为n阶方阵。阶方阵。1 0 0 b1 0 0 -a1 1 0 0 b2 0A=0 B=0 0 0 -an-1 1 0 0 bn环境系统分析PPT第6讲(1)矩阵方程表示每一断面向下游输出的矩阵方程表示每一断面向下游输出的BOD（L2向量）与各个（排污口）节点输入河流向量）与各个（排污口）节点输入河流的的BOD（L向量）之间的关系。向量）之间的关系。在水质预测和模拟时，在水
16、质预测和模拟时，L是一组已知量，是一组已知量，L2是需要模拟预测的量；是需要模拟预测的量；在水污染控制规划中，在水污染控制规划中，L2作为河流作为河流BOD约约束是一组已知量，束是一组已知量，L则是需确定的量。则是需确定的量。以上是多河段的以上是多河段的BOD模型。模型。环境系统分析PPT第6讲(1)对于多河段的对于多河段的DO模型为：（据模型为：（据S-P模型模型推导）推导）推导类似，可得：推导类似，可得：环境系统分析PPT第6讲(1)O2=(O21,O22O2n)T O=(O1,O2,On)T 1 0 0 -C1 1 C=0 0 0 0 Cn-11 0 0 0 d1 0 D=0 dn-1
17、0 环境系统分析PPT第6讲(1)联立即为多段河流的联立即为多段河流的BOD-DO耦合关系耦合关系的矩阵模型。的矩阵模型。U与与V是两个给定数据计算的是两个给定数据计算的n个阶个阶下三角矩阵。下三角矩阵。m与与n是两个由给定数据计是两个由给定数据计算的算的n维向量。维向量。U称为河流称为河流BOD稳态响应矩阵稳态响应矩阵 V称为河流称为河流DO稳态响应矩阵稳态响应矩阵 环境系统分析PPT第6讲(1)每输入一组污水的每输入一组污水的BOD值和溶解氧值和溶解氧值（值（L，O），就可求出各断面向下游，就可求出各断面向下游输出的输出的BOD值和值和DO值。（值。（L2，O2）（2）含支流的河流矩阵模型
18、）含支流的河流矩阵模型 主流含主流含n个断面，支流含个断面，支流含m个断面（不个断面（不含支流汇入主流处的断面），汇合断面含支流汇入主流处的断面），汇合断面在主流上的编号为在主流上的编号为i。环境系统分析PPT第6讲(1)对主流和支流的分别写出对主流和支流的分别写出BOD和和DO矩阵方程：矩阵方程：含（含（）的符号代表支流。）的符号代表支流。L L中的中的LiLi表示由支流输入的表示由支流输入的BODBOD值，其值值，其值即为即为L2 的最后一个元素，即：的最后一个元素，即：环境系统分析PPT第6讲(1)L Li i=L=L2m2m=u=um1m1LL1 1+u+um2m2LL2 2+u+um
19、mmmLLm m+m+mm m 同样同样O Oi i=O=O2m2m 除除LiLi外，外，L L中的其它元素为排污已中的其它元素为排污已知量，故进而由知量，故进而由L L可计算主流各断面的可计算主流各断面的BODBOD（L L2 2）和）和DODO（O O2 2）环境系统分析PPT第6讲(1)4、其它河流水质模型、其它河流水质模型（1）综合水质模型）综合水质模型 详尽描述水质状态，除详尽描述水质状态，除BOD和和DO外，外，还需引进更多的变量，综合水质模型是还需引进更多的变量，综合水质模型是在在BOD-DO耦合模型的基础上发展起来耦合模型的基础上发展起来的多组分水质模型。的多组分水质模型。这方
20、面有这方面有 SNSIM、DOSAG-1、DOSAG-、QUAL-、QUAL-，QUAL-是美国环保局在是美国环保局在1973年开发的。年开发的。环境系统分析PPT第6讲(1)从总体看，从总体看，QUAL-模型是如下七个方面模型是如下七个方面的模型的组合：的模型的组合：对于含碳有机物的生物氧化对于含碳有机物的生物氧化对底泥耗氧对底泥耗氧对于氮的循环对于氮的循环对于磷的循环对于磷的循环对于溶解氧对于溶解氧对于大肠菌的衰减对于大肠菌的衰减对于其它可降解物质对于其它可降解物质 环境系统分析PPT第6讲(1)（2）重金属水质模型）重金属水质模型 除前述基本运动过程外，还存在着悬除前述基本运动过程外，还
21、存在着悬浮物的吸附与解吸作用，重金属的存在形浮物的吸附与解吸作用，重金属的存在形态还与水流的态还与水流的PH值有关。值有关。若仅考虑溶解态的重金属和悬浮物中若仅考虑溶解态的重金属和悬浮物中吸附的重金属之间的关系，据基本模型可吸附的重金属之间的关系，据基本模型可写出为：写出为：环境系统分析PPT第6讲(1)其中：其中：Ks：悬污物吸咐重金属的速度常数：悬污物吸咐重金属的速度常数 ：水流中的悬污物浓度水流中的悬污物浓度 Kd：重金属在悬污物和水中的分配系数：重金属在悬污物和水中的分配系数 Cs：悬浮物中的重金属含量：悬浮物中的重金属含量 C：溶解态的重金属浓度。：溶解态的重金属浓度。环境系统分析P
22、PT第6讲(1)在这个系统中只考虑悬浮物与河床在这个系统中只考虑悬浮物与河床底泥的交换，而忽略与侧向边界的交换。底泥的交换，而忽略与侧向边界的交换。在严格的边界条件和简化的条件下，在严格的边界条件和简化的条件下，上述式子可以解析求解，在通常条件下上述式子可以解析求解，在通常条件下只能求得数值解。只能求得数值解。环境系统分析PPT第6讲(1)三、常用水环境评价的预测模型三、常用水环境评价的预测模型 本部分内容请见环境影响评价课程本部分内容请见环境影响评价课程及教材，也可见宁波环科院及教材，也可见宁波环科院EIAW软件中软件中的帮助或国家环保总局的水环境影响评的帮助或国家环保总局的水环境影响评价技术导则。价技术导则。2022-11-23环境系统分析PPT第6讲(1)
