基本原理
季节水运动模型从三维Navier - Stokes方程出发，由 描述三维湍流瞬时量变化规律的微分方程，通过雷诺 分解和平均，对关联项引入梯度模型进行封闭处理。 在动量方程中引入表面，风应力、底部切应力以及柯 氏力作用；假定垂向加速度远小于重力，因而动量方 程组的垂直分量可用静压方程代替；在输运方程中引 入反映物理、化学、生物等作用的源、汇项，构成系 统的三维控制微分方程组，进而求解。
去硝化作用
光合作用
光
复氧 海湾流
溶解氧
底层需氧量
藻类碳 死亡率 碎硝碳
模型中水质、各种作用以及生态系统间的相互关系
全场模型
全场模型由流场中各点不均匀的当地湍流输运系数 出发，利用近代湍流模型来封闭并求解雷诺时均方 程组，因而不受积分及扩散模型的限制，摒弃了近 远区人为的划分，避免了区域衔接的困难，预报的 结果更为合理。
模拟过程
（1）计算单元的划分
（2）水质参数选择
（3）数学方程
—输送方程
C (uc) (vc) (wc)
t x
y
z
Kx
2xC2 Ky
2yC2 Kx
2Cc
z2
S
—水质
—生态系统——包含了7种物质的影响 （4）求解程序
生化需氧量
有机氮
污水负荷
水解作用
氨氮
硝化作用 若 DO＞5%
氧化氮
硝酸盐
氧化
y
O
x
连续点源形成的污染羽流和假想的云斑
模型
M (t0)Q 0(t0)C 0(t0) t
C (x ,y ,t,t0 ) 2 π dx ( t M ,t0 ( ) t0 ) y ( t,t0 )e x p x 2 x x 2 c ( ( t t,,t t0 0 ) ) 2 y 2 y y 2 c ( ( tt,,tt 0 0 ) ) 2
第六章 污水排海水质模型
案例分析
大连湾排海污染物迁移转化模拟 ——WAHMO模型的 应用
深圳市政污水排海工程对海域水质影响模拟 ——全场 模型的应用
x Cz2hz
1
vtu v xv y vfvg x zgvCu z22 h v2z20
潮流混合模型
常用的二维平流—扩散物质输运模型
hzChzuChzuC
t
x
y
xhzMx CxyhzMy CySp
运动方程的解法
有限差分方法 ——ADI法 ，其特点是：稳定性较好，积 累误差小，建立模型也只需要水深资料和湾口潮位资料， 外业工作量小
第六章 污水排海水质模型
污水排海水质模型
初始稀释模型
单股浮射流——静水、密度均匀情况下的数学模型
密度
hs
海水 密度 浮射流 密度
z
静水、密度均匀情况圆形浮射流示意图
H
水深
z
s
uc 断面流速分布
b
r
D
θ
θ0
x
静水、密度均匀情况圆形浮射流计算简图
模型由七个方程组成：
d ds
(ucb2)
2ucb
基本结构
1992年的WAHMO模型由两个相互独立又彼此联系 的子模型TIDEMEAN-3DSL（季节性水运动模型） 和FOLL-FLOW-3DSL（季节性水质模型）构成。水 运动模型的输入文件包括控制数据、地理数据、初 始条件、淡水流入（源与汇）、降水、云遮、气温、 风数据、相对湿度、海水温度、蒸发数据共计12个 文件，充分考虑了各种影响 。
第六章 污水排海水质模型
排海污染物混合稀释过程
对于一个典型的通过扩散管排放污水的排海工程，污水 在海洋（或河口）中的物理过程可分为三个基本阶段： 初始稀释阶段
再稀释和迁移阶段
长期扩散和运移阶段
初始稀释
初始稀释度 初始稀释度的确定
（1）垂直排入均匀且静止的水体时 （2）水平排入均匀的静止水体时 （3）垂直排入线性分层的静止水体时 （4）水平排入线性分层的静止水体时 （5）垂直排入非线性分层的水体时 （6）水平排入非线性分层的水体时
有机物
重金属
混合和运输 扩散器 扩散器颗粒 Nhomakorabea 沉降和沉积
再悬浮 扩散器
污水在海洋中经历的净化 过程示意图
第六章 污水排海水质模型
污水排海工程影响因素
气象要素
海洋环境中的主要影响因素是风。风的影响 包括环境和工程两个方面。
风速 风向 风频
气象要素 海面热平衡 水温场、盐度场与密度场 潮流 风生流
C(x',
y)CI 2
erf
L22yerf
L22y
云斑模型 原理：将污染物的连续排放近似为按照一定时间间隔间歇性瞬时排放。 每一瞬时排放的污染物形成所谓污染云斑，该云斑一方面随流迁移， 一方面由于扩散而迁移。在任一时刻 t ，可以得到在 0 ~ t 时段内排放 的一系列云斑，将所有云斑中污染物的浓度分布线性叠加，即得到 t 时刻污染羽流中污染物的浓度分布。
扩散稀释系数 水平扩散系数
垂向扩散系数
4
ky l3
kz
Rf N2
du dz
稀释度
S C0 Ca C Ca
大肠杆菌衰减率
模型
t
N N010 T90
当 T90 → ∞ 时，大肠杆菌无衰减，相当于保守性物质； 当 T90 → ０时 ，相当于灭菌。对于给定的 T90 值， 当 t 增大时，大肠杆菌浓度按指数衰减。
羽流分片模型
羽流分片模型是一种拉格朗日迁移—横向一维扩散模型。其基 本原理是将污染羽流近似为由一系列分片组成，假定在每一分
片上，污染物的浓度沿垂向分布均匀沿纵向分布相似，忽略垂
向和纵向扩散，则每一分片上只是由于横向扩散而扩散。将所
有分片一次连接即得到整个羽流，进而可以得到羽流中污染物
的浓度分布，而任意时刻各分片的位置可以借助连续释放质点
单股浮射流——动水、密度均匀情况下的数学模型
ua z
密度
浮射流 密度
海水 密度
H
水深
动水、密度均匀情况圆形浮射流示意图
h3
H
多股浮射流模型
S
静水、密度均匀情况多股浮射流示意图
再稀释数学模型
Brooks模型
ua
y
CI
C
W
ua
H
x
污染羽流
C
2C
ua x Ey(x) y2
污染羽流迁移和扩散示意图
d (uc2b2 cos) 0
ds 2
d(uc2b2sin)gc 2b2
ds 2
a
d ds
(cucb2)
0
d ds
(Ccucb2
)
0
dx cos
ds
dz sin ds
H z ze zm
水深
单股浮射流——静水、密度分层情况下的数学模型
密度 海水 密度
hs
浮射流 密度
静水、密度分层情况圆形浮射流示意图
二维流体动力学模型
该模型对于沿岸海域和海湾适用
原理
选用一个固着于“f—平面”上的直角坐标系（xOy—平面）
和静止海面重合，组成右手坐标系，z 轴向上为正，于是
描述垂向充分混合海域的平均运动可用以下公式表示：
z t x hzu y hzv 0
1
uuuuufvgzguu2v2
2
0
t x y
WAHMO模型
概述 AHMO是水质及水力模型（Water Quality and Hydraulic Model）的简称， 是1992 年6月由英国Hydraulics Research Wallingford和香港Water Research Center为香港“战略污水 处理计划”共同研究开发的，用于考察沿岸工厂排污对维 多利亚港水流运动和水质的影响。它能够模拟近海水域三 维水动力学和水质的详细状况。
原理
利用海洋的自净能力。进 入海域的污染物质通常经 历三种净化过程，即物理 过程、化学过程和生物过 程。在这三种过程中，物 理过程是最基本也是最重 要的，它主要是指污染物 在海洋中的混合和输运过 程，包括颗粒物质的沉降、 沉积和再悬浮过程。
鱼类
浮游生物 鱼类和贝类
营养物
生物富集
微生物衰减
分解
病毒和细菌
深度平均湍动扩散量方程
t(H ) x i( H V i) x i H e D i j , x i k ( c 1 G k 0 c 2) G v
深度平均物质输移方程
t(H C ) x j( H V jC ) x i H C t D i j , T x C J S o S d S p
模型方程
连续方程
(H) (HVi)
t
xi
运动方程 湍动能方程
(HVi)(HViVj)
t
xi
gH xi iaibHfi
xj
H(i)V xij
V xji
t(H k ) x i( H V ik ) x i H k e D i j,k x k i G k 0 G k v
追踪法来确定。
ε
y
w(t0) O
O x
C(ε, t, t0 )
污染羽流分片模型示意图
模型
C(,t,t0)Q 2W (t,(tt0 0)) erf
w 2( 2t0)(t ,t0)erf
w 2( 2t0)(t ,t0)
r j( 0 ,t,t0 j) ij 0 1tt 0 0 jj i( it 1 ) tU e ( r ,t') d t' j 1 ,2 , ,n 1
近区稀释的其他模型
（1）MERGE 模型 （2）RSB 模型 （3）UM 模型 （4）JETLAG３模型
污染羽流再稀释预测阶段