环境系统分析大气复氧ppt课件教学教程.ppt

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1、 环 境 系 统 分 析 第 6 讲（3）大气复氧 其中：其中：D氧亏，氧亏，D=CsCC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大大气气复复氧氧速速度度常常数数（与与流流态和温态和温度有关）度有关）r通通常常取取为为1.024Ka,20200C条条件件下下的的大大气气复复氧氧速速度度常常数。数。在河口，由于含盐量的影响在河口，由于含盐量的影响，Cs=14.6244 0.367134T+0.00449T20.0966S+0.00205ST+0.0002739S2其中：其中：S为水中含盐量（为水中含盐量（ppt）河河流流中中，大大气气复复氧氧速速度度常常数

2、数还还可可由由下下式式估算估算其中：其中：UxUx河流平均流速（河流平均流速（m/sm/s）H H河流平均水深（河流平均水深（m m）c c、n n、m m为参数，许多学者对此提出为参数，许多学者对此提出实验数据，实验数据，如如 OwensOwens等等（19641964），c=5.336 c=5.336，n=0.67n=0.67，m=1.85 m=1.85 BennetlBennetlRathbun(1972),Rathbun(1972),c=5.369c=5.369，n=0.674n=0.674，m=1.865 m=1.865 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

3、得出。（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：T T光照时间光照时间 Pm Pm-一一天天中中最最大大的的光光合合作作用产氧速度（用产氧速度（0 0 30mg/l)30mg/l)（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，其耗氧消耗河水中的溶解氧，其耗氧速度通常看作常数，一般速度通常看作常数，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

4、可用可用黑白瓶试验。求得：黑白瓶试验。求得：对于白瓶：对于白瓶：其中：其中：C C0 0试验初始时水样的溶解试验初始时水样的溶解氧浓度。氧浓度。C C1 1、C C2 2试验终了时白瓶中的水样试验终了时白瓶中的水样和黑瓶中的水样溶解氧浓度。和黑瓶中的水样溶解氧浓度。K Kc c试验温度下的试验温度下的BODBOD降解速度常降解速度常数（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。

5、目前其机理尚未完全阐明。2 2、单一河段水质模型、单一河段水质模型即即只只有有一一个个排排放放口口的的河河段段，排排放放口口置置于于河河段段的的起起点点（基基本本模模型型用用于于某某污污染染物物的的迁迁移移转转化化分分析析）。上上游游河河段段的的水水质质视视为为河河流流水水质质的的本本底底值。值。（1 1）S-PS-P模型模型 （19251925，第一个），第一个）描描述述一一维维稳稳态态河河流流中中的的BOD-DOBOD-DO的的变变化规律。化规律。基基本本假假设设：BODBOD衰衰减减和和溶溶解解氧氧的的复复氧氧均均为为一一级级反反应应，且且反反应应速速率率为为定常。定常。仅考虑由仅考虑由

6、BODBOD衰减引起的耗氧和大衰减引起的耗氧和大气复氧而来的水中溶解氧。气复氧而来的水中溶解氧。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河水河水氧亏值氧亏值KdKdBODBOD衰减（耗氧）速度常数衰减（耗氧）速度常数KaKa河河流流复复氧氧速速度度常常数数，t t河河水水的的流行时间流行时间 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）溶溶解解氧氧浓浓度度最最低低的的点点（亦亦即即氧氧亏亏值值最最大大的的点点）称称为为临临界界点点（此点变化速度

7、为（此点变化速度为0）用）用Dc表示表示 由由起起始始点点到到达达临临界界点点的的流流行行时时间间tc即即临临界界氧氧亏亏发发生生时时间间tc可可由由下式计算：下式计算：tc=1/（KaKd）ln Ka/Kd1-Do(KaKd)/(LoKd)S-P模模型型广广泛泛用用于于河河流流水水质质模模拟拟预预测测中中，也也用用于于计计算算允允许许最最大大排污量。排污量。（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模模型型基基础础上上,引引进进了了沉沉淀淀作作用用对对BOD去去除除的的影影响响，其其速速度常数为度常数为Ks，其解为：，其解为：b康布模型康布模型 在托马斯模型的基础

8、上再考在托马斯模型的基础上再考虑底泥耗氧速度虑底泥耗氧速度B和河流中光合和河流中光合作用的产氧速度作用的产氧速度P。其解为：其解为：c c欧康奈尔模型欧康奈尔模型 也也在在托托马马斯斯模模型型基基础础上上引引进进含氮有机物的衰减速度常数含氮有机物的衰减速度常数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。在边界条件为：在边界条件为：X=0X=0处，处，Lc=LcoLc=Lco,L,LN N=L=LNONO ,D=DD=DO O则得解为：则得解为：S-P

9、S-P模型应用举例：模型应用举例：某某河河段段流流量量Q=2160000mQ=2160000m3 3/d/d ，流流 速速 46km/d,46km/d,水水 温温 13.613.60 0c c，k kd d=0.77=0.77 1/d1/d，k ka a=1.82=1.82 1/d 1/d ，起起始始断断面面有有一一排排污污口口，废废水水量量为为10m10m3 3/d/d，废废水水中中BODBOD5 5为为500mg/l500mg/l，溶溶氧氧为为0mg/l0mg/l，其其上上游游河河水水BODBOD5 5为为0mg/l0mg/l，溶溶解解氧氧为为8.95mg/l8.95mg/l，求求排排污污

10、口口下下游游6km6km处处污污水水的的BODBOD5 5和和D D值。值。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/lCo=（21600008.95+1000000）/（2160000+100000）=8.554mg/l13.60C时，时，河水河水饱和溶解氧饱和溶解氧Os=10.354mg/lDo=OsCo=10.3548.554=1.8mg/l6km处处BOD5和氧亏值为：和氧亏值为：3 3、多河段水质模型、多河段水质模型（1）BODBODDODO耦合矩阵模型耦合矩阵模型在河流

11、的水质条件沿程变化或在河流的水质条件沿程变化或多排污口情况，则可将河流分段多排污口情况，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 取水在断面的上游侧，排污取水在断面的上游侧，排污或支流在断面的下游侧。或支流在断面的下游侧。单角标为排污的参数单角标为排污的参数双角标的第双角标的第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

12、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，断面为起始点，第第i+1i+1断面为终止点，则第断面为终止点，则第i i断面的断面的流量、流量、BODBOD平衡关系为：平衡关系为：Q Q2i2i=Q=Q1i1iQ Q3i3i+Q+Qi i Q Q1i1i=Q=Q2 2,i-1i-1L L2i2iQ Q2i2i=L=L1i1i(Q(Q1i1iQ Q3i3i)+L)+Li iQ Qi i 又又由由S-PS-P模模型型，可可写写出出由由i-1i-1断断面至面至i i断面间的断面间的BODBOD衰减关系：衰减关系：则则对对1 1至至n n

13、断断面面的的BODBOD表表达达式式为为：（递推式）（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 n用矩阵表示为：用矩阵表示为：式中式中L2=（L21，L22，L2n）TL=（L1，L2，Ln）Tg=(g1,o,o)T式式中中g1是是初初始始条条件件，g1=aoL20A,B均均为为n阶阶方阵。方阵。100b100-a1100b2

14、0A=0B=000-an-1100bn矩阵方程表示每一断面向下游输矩阵方程表示每一断面向下游输出的出的BOD（L2向量）与各个（排污向量）与各个（排污口）节点输入河流的口）节点输入河流的BOD（L向量）向量）之间的关系。之间的关系。在水质预测和模拟时，在水质预测和模拟时，L是一组是一组已知量，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作为河作为河流流BOD约束是一组已知量，约束是一组已知量，L则是则是需确定的量。需确定的量。以上是多河段的以上是多河段的BOD模型。模型。对于多河段的对于多河段的DO模型为：（据模型为：（据S-P模型推导）模型

15、推导）推导类似，可得：推导类似，可得：O2=(O21,O22O2n)TO=(O1,O2,On)T100-C11C=0000Cn-11000d10D=0dn-10 联立即为多段河流的联立即为多段河流的BOD-DO耦耦合关系的矩阵模型。合关系的矩阵模型。U与与V是两个给定数据计算是两个给定数据计算的的n个阶下三角矩阵。个阶下三角矩阵。m与与n是两是两个由给定数据计算的个由给定数据计算的n维向量。维向量。U称为河流称为河流BOD稳态响应稳态响应矩阵矩阵V称为河流称为河流DO稳态响应矩稳态响应矩阵阵 每每输输入入一一组组污污水水的的BOD值值和和溶溶解解氧氧值值（L，O），就就可可求求出出各各断断面面

16、向向下下游游输输出出的的BOD值值和和DO值。（值。（L2，O2）（2）含支流的河流矩阵模型）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个个断面（不含支流汇入主流处的断断面（不含支流汇入主流处的断面），汇合断面在主流上的编号面），汇合断面在主流上的编号为为i。对对主主流流和和支支流流的的分分别别写写出出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中中的的LiLi表表示示由由支支流流输输入入的的BODBOD值值，其其值值即即为为L2的的最最后后一一个个元元素素，即：即：L Li i=L=L2m2m=u=um1m1LL1 1+u+um

17、2m2LL2 2+u+ummmmLLm m+m+mm m 同样同样O Oi i=O=O2m2m 除除LiLi外外，L L中中的的其其它它元元素素为为排排污污已已知知量量，故故进进而而由由L L可可计计算算主主流流各各断断面面的的BODBOD（L L2 2）和和DODO（O O2 2）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 详详尽尽描描述述水水质质状状态态，除除BOD和和DO外外，还还需需引引进进更更多多的的变变量量，综综合合水水质质模模型型是是在在BOD-DO耦耦合合模模型型的的基基础础上上发发展展起起来来的的多多组组分分水质模型。水质模型。这这方方面面有有SN

18、SIM、DOSAG-1、DOSAG-、QUAL-、QUAL-，QUAL-是是美美国国环环保局在保局在1973年开发的。年开发的。从总体看，从总体看，QUAL-模型是如下模型是如下七个方面的模型的组合：七个方面的模型的组合：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（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，还除前述基本运动过程外，还存在着悬浮物的吸附与解吸作用，存在着悬浮物的吸附与解吸作用，重金属的存在形态还与水流的重

19、金属的存在形态还与水流的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，悬浮物中吸附的重金属之间的关系，据基本模型可写出为：据基本模型可写出为：其中：其中：Ks：悬污物吸咐重金属的速度：悬污物吸咐重金属的速度常数常数：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：重金属在悬污物和水中的分配系数系数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。在这个系统中只考虑悬浮物在这个系统中只考虑悬浮物与河床底泥的交换，而忽略与侧与河床底泥的交换，而忽略与侧向边界的交换。向边界的交换。在严格的边界条件和简化的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，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。在通常条件下只能求得数值解。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 本本部部分分内内容容请请见见环环境境影影响响评评价价课课程程及及教教材材，也也可可见见宁宁波波环环科科院院EIAW软软件件中中的的帮帮助助或或国国家家环环保保总总局局的的水水环环境境影影响响评评价价技技术术导导则。则。