河流水质数学模型
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一、河流概况 二、河流水环境容量模型 三、河流水质模型 四、河流水质数学模型的发展趋势
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一、河流概况
1、地表水环境质量标准 2、2011年十大水系水质类别比例 3、河流中有机污染物概况
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1、地表水环境质量标准
依据地表水水域环境功能和保护目标，按功能高低依次划分为五类： Ⅰ类 主要适用于源头水、国家自然保护区； Ⅱ类 主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生
物栖息地、鱼虾类产场、仔稚幼鱼的索饵场等； Ⅲ类 主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬
场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区； Ⅳ类 主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区； Ⅴ类 主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。
对应地为五类，不同功能类别分别执行相应类别的标准值。水域功 能类别高的标准值严于水域功能类别低的标准值。同一水域兼有多类 使用功能的，执行最高功能类别对应的标准值。实现水域功能与达功 能类别标准为同一含义。
(1)溶解氧
溶解氧是指溶解于水中的游离氧，常以DO来表示，是反映水体中存在氧 的数量指标。天然水体中溶解氧数量一般以5~10mg/L，受到严重污染的水体， 溶解氧含量几乎接近于零，水质将严重恶化，因为当好氧有机物排入水体后， 会被好氧微生物分解，使水体中溶解氧急剧下降，造成水体中溶解氧的缺乏， 如果水体中溶解氧耗尽，有机物又会被厌氧微生物分解，发生腐败现象，产 生甲烷、硫化氢等恶臭物质，因此掌握水体中溶解氧的含量对分析水质污染、 自净能力都有重要意义。
ksy
2yC2 K1C
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三、河流水质模型
(一)一维河流水质模型 1、河段划分 2、单一河段水质模型 3、多河段水质模型
排放污水，由于河流水深相对很浅，近似假定污水排入后
即刻在水深方向均匀混合，这种情况下，C 0, C 0,
t
z
二维稳态污染物质弥散方程为
C C 2C 2C uxvyksxx2ksyy2K1C
均匀河段，在水深变化不大的情况下，横向流速v=0，纵 向弥散项远小于对流项，可以忽略，则上式可简化为
uC x
(2)生化需氧量
生化需氧量(BOD)是水样中的有机物在生物化学分解过程中所消耗氧的量。 它是以水样在一定温度(20℃)下，在密闭容器中保存一定时间(一般为五日)后 溶解氧的减少量来表示，五日的BOD值记为BOD5 。
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3.2耗氧有机物及来源
耗氧有机物主要是指溶解性和颗粒性碳水 化合物、蛋白质、油脂、氨基酸、脂肪酸、 酯类等有机物。这类有机物在水中可被微 生物利用和分解，转化为二氧化碳、水和 氮。由于在被微生物分解的过程中消耗水 体中大量的溶解氧，因此被称为耗氧有机 物。
3.1氧平衡指标
氧平衡指标是影响水体水质变化的一个关键性指标，它表示水体中溶解 氧的情况，水体中有机物的含量不易直接测定，一般以有机物在氧化过程中 所消耗的溶解氧或氧化剂的含量来间接反映有机物的数量和危害程度。
常用的氧平衡指标有溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、总 需氧量(TOD)。
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3.3水体的耗氧和复氧
(1)影响水体中氧消耗的主要因素 ①水中有机物在微生物作用下发生碳化分解和硝化分解； ②底泥有机物耗氧； ③水生生物的呼吸作用； ④其他还原性物质的氧化作用。 (2)影响复氧和增氧的因素 ①水流中的氧； ②大气复氧，即大气中的氧在水体中的溶解与扩散； ③自养型水生植物光合作用产生的氧。
质从含量较高的流体中向含量较 低的流体迁移，使两种流体分界
面处形成过度混合带，混合带不
2.一维情况下河流水环境容量模型
断发展扩大，趋向于成为均质的 混合物质，即为弥散现象。
设河流中污染物一维对流弥散方程为
C t uC xks 2xC 2 k1C (1)
式中ks为弥散系数(表征流动水体中污染物在沿水流 方向弥散的速率系数)；k1为污染物的降解系数；C 为排污口下游处的浓度解(mg／L) ； X为沿河段的 纵向距离m；u为河水流速(m/s)。
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2、2011年十大水系水质类别比例
长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河、浙闽片河流、西南 诸河和内陆诸河十大水系监测的469个国控断面中Ⅰ~Ⅲ类、Ⅳ~Ⅴ类 和劣Ⅴ类水质断面比例分别为61.0%、25.3%和13.7%。主要污染指 标为化学需氧量、五日生化需氧量和总磷。
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3. 河流中有机污染物的相关情况
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二、河流水环境容量模型
1.可概化为零维的河流水环境容量模型 2.一维情况下河流水环境容量模型 3.二维情况下河流水环境容量模型
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1.可概化为零维的河水完全混合基本方程
在河流是稳态，排污一定，污染物在河段内均匀混合， 污染物为持久性、不分解、不沉淀，河流无支流和其它排 污口时，通常采用完全混合模型，模型公式 如下：
式中：C一污水与河水混合后的浓度(mg／L)； cp一河流上游某污染物浓度(mg／L)； Qp一河流上游流量(m ／s)； Qh一排放口处污水量(m ／s)；
ch一排放口污染物浓度(mg／L)。
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一维模型：对于较长河流，当污染物在横向和
弥散：两种流体接触时，某种物
垂向的浓度分布不均衡性可以忽略时，可用一 维模型来模拟河水的水质和计算水环境容量。
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2.1稳态解
稳态是指均匀河段定常排污条件，即过水断面、流速、
流量等都不随时间变化， C 0
此时(1)式变化为
t
d2C u dcK1 C0 dx2 ks dx ks
通过解析得稳态解为
当x≥0时， 当x＜0时，
CC0e2x,2
u 2ks
(1)
CC0e1x,1
u 2ks
(1)
C0为污染物进入河水完全混合的初始浓度(mg／L)；
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2.2不考虑弥散作用的稳态解
当不考虑弥散作用，即弥散系数ks=0时，(1)式变化
为
u C x
K1C
解上述方程得
K1 x
C C0e u
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二维模型：如果模拟的河流水面较宽(超过200m)，则按一维 模型计算结果可能误差较大，因此需采用二维模型计算。
3.二维情况下河流水环境容量模型
一个均匀河段的起始断面，从排污口连续稳定的向河流