水质模型pptChapter1.ppt

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1、流域水质模型与模拟流域水质模型与模拟Water Quality Model and Simulation in BasinWater Quality Model and Simulation in Basin郝芳华郝芳华 李春晖李春晖 赵彦伟赵彦伟 程红光程红光北京师范大学北京师范大学第一章第一章 绪论绪论 本章内容本章内容l水质模拟的意义l定义与分类l产生与发展l水质模型建立的方法与步骤l参数求值与模型求解的一般方法水质模拟的意义水质模拟的意义第一章第一章 绪论绪论水环境问题水环境问题概念概念l水环境问题 由于人类的生产和生活活动，使自然水环境系统失去平衡，反过来影响人类生存和发展的问题。l

2、流域水环境问题 整个流域范围内，包括河流、湖库、河口以及陆域等，由于人类不合理生产、生活活动，使水体受到污染，水生态系统遭到破坏而引发的问题。水环境问题水环境问题分类分类溶解性或固体污染物在大面积降水和径流冲刷作用下汇入受纳水体而引起的水体污染水环境问题陆域非点源污染水域水环境污染河流水环境污染湖泊（水库）水环境污染河口/污水排海水环境污染l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l湖泊（水库）水环境污染水系个数类类类类类劣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%

3、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l河口水环境污染河口：是江河的入海口，是从陆地到海洋、从淡水到咸水的过渡 地带 淡水+咸水=复杂区域独特位置：河口水环境是一个多因素共同作用的混合系统水质影响因素：上游径流大小、来水的水质、江段所接纳的排 污负荷、地理地形以及潮汐作用等因素的综合 影响l陆域非点源污染 亦称面源污染，它是指溶解性或固体污染物在大面积降水和径流冲刷作用下，汇入受纳水体而引起的水体污染主要来源：降水（或融雪）的径流污染 主要特征：影响范围广 来源不确定 具有明显的区域性特征水质模拟

4、的意义与作用水质模拟的意义与作用l模拟污染物在流域范围内迁移转化过程l查明污染物运移的时空分布规律l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定义与分类定义与分类第一章第一章 绪论绪论水质模型的定义水质模型的定义l定义：基于数学模型建立，通过计算机将研究系统进行适当简化处理，描述污染物在流域范围（含陆域及水体）内随空间和时间变化规律的一系列数学表达式l目的：解决流域内的水环境问题 为流域水质规划和管理提供科学依据定义范围的拓展：定义范围的拓展：水体水体 流域流域分类分类分类分类依据依据模型性质模型性质 研究对象研究对象 水质组分水质组分 水质系统状态水质系统状态 数学方程的解数学

5、方程的解 反应动力学反应动力学 空间维数空间维数 l按按研究对象研究对象：河流、河口（包括潮汐的和非潮汐的）、湖泊（水库）、河流、河口（包括潮汐的和非潮汐的）、湖泊（水库）、非点源非点源l按按模型涉及的水质组分模型涉及的水质组分：单一组分、耦合和多重组分：单一组分、耦合和多重组分l按按水质系统的状态水质系统的状态：稳态和非稳态：稳态和非稳态l根据所描述的根据所描述的数学方程的解数学方程的解：准理论、随机：准理论、随机l按按反应动力学反应动力学：纯反应型、惰性物质的纯迁移型、迁移反应型、生态纯反应型、惰性物质的纯迁移型、迁移反应型、生态l按按水质模拟的空间维数水质模拟的空间维数：零维、一维、二维

6、、三维零维、一维、二维、三维l按按模型性质模型性质：黑箱、白箱、灰箱黑箱、白箱、灰箱产生与发展产生与发展第一章第一章 绪论绪论地表水质模型地表水质模型一维稳态模型发展的初级阶段一维稳态模型发展的初级阶段（20 世纪世纪 20 年代中期至年代中期至 70 年代初期）年代初期）研究深化、完善与广泛应用阶段研究深化、完善与广泛应用阶段（20 世纪世纪 80 年代中期至今）年代中期至今）迅速发展阶段迅速发展阶段（20 世纪世纪 70 年代初期至年代初期至 80 年代中期）年代中期）非点源模型模型非点源模型模型经验模型研究阶段经验模型研究阶段（20 世纪世纪 70 年代初期以前）年代初期以前）机理模型研

7、究阶段机理模型研究阶段（20 世纪世纪 70 年代到年代到 80 年代）年代）实用性模型研究阶段实用性模型研究阶段（20 世纪世纪 90 年代）年代）流域水质管理模型流域水质管理模型l产生时间产生时间：20 世纪世纪 90 年代后期年代后期 l代表模型代表模型：BASINS 模型系统、模型系统、WARMF 模型模型l突出特点突出特点：集流域分析、评价、总量控制、污染治理：集流域分析、评价、总量控制、污染治理与费用效益分析等于一体与费用效益分析等于一体l实例实例：BASINS模型模型水质模型建立的方法与步骤水质模型建立的方法与步骤第一章第一章 绪论绪论水质模型建立的步骤水质模型建立的步骤流域水质

8、模型建立的一般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预测流域水质管理与规划流域水质管理与规划流域污染控制流域污染控制模型的概化模型的概化水质模型水质模型一般性质研究一般性质研究参数估计参数估计模型的率定模型的率定模型的应用模型的应用选择变量选择变量近似假设近似假设灵敏性灵敏性平衡性平衡性稳定性稳定性不不满满意意数据收集数据收集选择方法选择方法数据再收集数据再收集结果比较结果比较不不满满意意选择求解技术选择求解技术l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l模型的一般

9、性质研究 平衡性研究、稳定性研究、灵敏性研究 l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l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 l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参数求值与模型求解一般方法参数求值与模型求解一般方法第一章第一章 绪论绪论参数估值的一般方法参数估值的一般方法试验法试验法试验法试验法对物理意义明确的参数，可通过实验室模拟或试验测定对物理意义明确的参数，可通过实验室模拟或试验测定的方式辅助确定的方式辅助确定 经验公式法经验公式法经验公式法经验公式法 对使用频率较高的参数对使用频率较高的参数，将测定数据代入经验公式计算，将测定数据代入经验公式计算即可确定即可确定多元分析法多元分析法多元分析法多元分析法最简单方法最简单方法应用较为普遍也比较成熟的是线性回归法应用较为普遍也比较成熟的是线性回归法实际选择方法，要考虑模型要求、可获得数据等因素！实际选择方法，要考虑模型要求、可获得数据等因素！模型求解的一般方法模型求解的一般方法l解析法l数值法 （1）有限差分法 （2）有限单元法