QUAL2K模型的原理及應(yīng)用課件

Qual-2k模型的原理及應(yīng)用

河海大學(xué)水文水資源學(xué)院2009年12月Qual-2k模型的原理及應(yīng)用河海大學(xué)水文水資源學(xué)院2內(nèi)容一、模型的原理二、模型對河流的概化三、模型的結(jié)構(gòu)及步驟四、模型的應(yīng)用

2內(nèi)容一、模型的原理3一、模型的原理1.河段的劃分

模型主要模擬河流的主干流，將匯入干流的支流概化成點源排入。如右圖；非點源和非點出水口被模擬成線源和線出水口，以它們的起始點和終點為分界線，如左圖。3一、模型的原理1.河段的劃分模型主要模擬河流42.流量平衡方程穩(wěn)態(tài)的流量平衡方程適用于每個模擬河段。流量平衡如右圖。

是河段i的流出量，是河段i+1的流入量;是從上游河段i-1流入的流量;是點源和非點源流入河段i的總流量;是通過點和非點出水口流出河段i的總流量.河段流量平衡圖42.流量平衡方程穩(wěn)態(tài)的流量平衡方程適用于每個模52.流量平衡方程來自源頭的總流量可以表現(xiàn)如下：

式中：是第j個點源流進河段i的流量，psi是河段i的所有點源數(shù)量，是第j個非點源流進河段i的流量，npsi是i河段的所有非點源數(shù)量。52.流量平衡方程來自源頭的總流量可以表現(xiàn)如下：62.流量平衡方程出水口的所有出流可以表示為下：式中：是i河段第j個點出水口的出水量，pai是i河段的所有點出水口的數(shù)量，是i河段第j個非點出水口的出水量，npai是I河段所有非點出水口的數(shù)量。62.流量平衡方程出水口的所有出流可以表示為下：式中73.水質(zhì)平衡方程

QUAL2K模型的水質(zhì)基本方程是一維平流——擴散物質(zhì)遷移方程，該方程考慮了平流擴散、稀釋、物質(zhì)組分的自身反應(yīng)，水質(zhì)組分間的相互作用以及組分的外部源和漏對組分濃度的影響。水質(zhì)平衡模型如下：

式中：c為組分濃度；x為距離；T為時間；Ax為距離x處的河流斷面面積；

Dl縱向彌散系數(shù)；u為平均流速；S為源匯項。

73.水質(zhì)平衡方程式中：c為組分濃度；x為距8二、模型對河流的概化QUAL2K通過劃分河段單元將模擬河段概念化為一系列通過輸移、擴散機理首尾相連、均勻混合的反應(yīng)—計算單元。這使QUAL2K得以組織模型數(shù)據(jù)以進行模擬。為描述河流的空間分布特征，QUAL2K將單元定義為以下8種類型：⑴源頭單元，以H表示；⑵交匯點單元，以J表示；⑶交匯點上游單元，以u表示；⑷系統(tǒng)最后單元，以L表示；⑸取水口單元，以P表示；⑹排放口單元，以w表示；⑺水工建筑物單元，以D表示；⑻標準單元，以s表示。8二、模型對河流的概化QUAL2K通過劃分河段單元將模擬河段9三、模型的結(jié)構(gòu)及步驟1.所需數(shù)據(jù)

QUAL2K模型運用于水質(zhì)模擬時需要的數(shù)據(jù)包括：⑴流域水文資料和空間信息⑵邊界條件和初始條件⑶對模型參數(shù)進行率定和驗證過程所需要的監(jiān)測數(shù)據(jù)⑷各個河流斷面節(jié)點的情況和流域氣象數(shù)據(jù)9三、模型的結(jié)構(gòu)及步驟1.所需數(shù)據(jù)102.模型的應(yīng)用步驟

QUAL-2K是以excel工作表為界面，用vb編的程序。顏色主要是區(qū)分信息是用戶輸入還是程序輸出的結(jié)果。主要包括4種顏色區(qū)域，如下：淺藍色：用戶需要輸入的指定變量和參數(shù)的值。淺黃色：用戶需要輸入的指定數(shù)據(jù)，模型可以降這些數(shù)據(jù)自動生成圖表曲線。淺綠色：模型輸出的設(shè)計值。純暗色：用來制表的數(shù)據(jù)，并且不能改動。102.模型的應(yīng)用步驟QUAL-2K是以exce112.1輸入邊界條件HeadWater工作表主要是輸入河段邊界的流量及濃度數(shù)據(jù)。如右圖：112.1輸入邊界條件HeadWater工作表122.2河段和各單元的劃分河段和單元的劃分應(yīng)根據(jù)模擬河流的實際情況來確定。QUAL2K要求同一河段具有相同的水質(zhì)和水力參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場勘測和調(diào)查以及現(xiàn)有的監(jiān)測資料，將具有相同或相似特性的河道劃分為同一河段。QUAL2K進行水質(zhì)模擬的最小單位是計算單元，模擬過程中不要求各個河段上的計算單元是等長的，但是每個河段須由整數(shù)個計算單元構(gòu)成。QUAL2K計算單元的長度決定了水質(zhì)模擬的計算精度，單元長度越短則計算精度越高，但相應(yīng)的計算機時增加，單元長度太長則不能保證計算精度，應(yīng)結(jié)合計算精度要求和計算機性能來確定單元長度。劃分河段和單元之后根據(jù)現(xiàn)場勘測和調(diào)查資料為每個單元按QUAL2K的單元類型定義指定其單元類型，通過指定單元類型反映出支流、污染源、取水口及水工建筑物的空間分布狀況。122.2河段和各單元的劃分河段和單元的劃分應(yīng)根據(jù)模擬河流132.2.1輸入河段數(shù)據(jù)Reach工作表主要是輸入河流各個河段的信息。主要包括：河段數(shù)、河段及單元的長度、上下游河段的高程及位置以及水力學(xué)模型的相關(guān)參數(shù)等，如右圖。132.2.1輸入河段數(shù)據(jù)Reach工作表142.3輸入氣象數(shù)據(jù)氣象數(shù)據(jù)主要包括5個子工作表：空氣溫度Sheet：主要是輸入每個河段的空氣溫度，一般以溫度的均值代替，時間間隔為1小時；露點溫度Sheet：包括河段的相關(guān)信息和露點溫度，其中露點溫度可以以平均值代替。風速Sheet：主要是輸入系統(tǒng)中各個河段的風速m/s；可以以平均值代替；云層覆蓋Sheet：輸入各個河段上空云層的覆蓋度?？梢砸云骄荡?；

ShadeSheet：主要是輸入河段每小時的陰暗程度，陰暗程度是關(guān)于太陽輻射的函數(shù)，142.3輸入氣象數(shù)據(jù)氣象數(shù)據(jù)主要包括5個子工作表：15空氣溫度Sheet僅貼出空氣溫度工作表的圖，其他4項與之相同。15空氣溫度Sheet僅貼出空氣溫度工作表的圖，其他4項與之162.4模型參數(shù)的輸入

模型參數(shù)的確定是建模工作的核心內(nèi)容,可靠的參數(shù)是模擬成敗的關(guān)鍵。因此在確定模型結(jié)構(gòu)之后,還要對模型中的未知參數(shù)作適當估算,求得與實測資料最佳擬合的模型參數(shù)。QUAL2k的模型參數(shù)按河段來組織，主要包括：水力參數(shù)水質(zhì)參數(shù)162.4模型參數(shù)的輸入模型參數(shù)的確定是建模工作172.4.1水力學(xué)參數(shù)水力學(xué)參數(shù)主要是曼寧公式和水位流量曲線方程中的參數(shù)，模擬時對其中一個方程的參數(shù)進行設(shè)定即可。另一個方程的參數(shù)為0或者空白，如下圖。172.4.1水力學(xué)參數(shù)水力學(xué)參數(shù)主要是曼寧公式182.4.2水質(zhì)參數(shù)的輸入

模型所需的水質(zhì)參數(shù)因選擇的模擬項目不同而異。常用的有BOD5降解系數(shù)K1、復(fù)氧系數(shù)K2、BOD5沉降系數(shù)K3、底泥耗氧系數(shù)K4等。水質(zhì)參數(shù)可以通過實測法和經(jīng)驗公式法取得，也可以通過監(jiān)測資料反算得到。QUAL2K在RateSheet中提供了計算相關(guān)水質(zhì)參數(shù)的經(jīng)驗公式，如右圖。182.4.2水質(zhì)參數(shù)的輸入模型所需的水質(zhì)參數(shù)因192.5點源輸入PointSource工作表主要輸入河流系統(tǒng)中點源信息。包括點源的位置、出流或入流的流量以及水質(zhì)濃度，如下圖。192.5點源輸入PointSource工作表202.6面源輸入DiffuseSources

工作表主要輸入河流系統(tǒng)中面源的相關(guān)信息。包括面源污染上下游的位置、出流或入流的流量以及水質(zhì)濃度，如下圖。

202.6面源輸入DiffuseSources21五、模型的應(yīng)用應(yīng)用QUAL2K模型對二干河水質(zhì)進行模擬。為了方便計算和模擬，進行了以下假設(shè)：假設(shè)二干河的水流是相對恒定的；二干河的物理、化學(xué)、生化過程和水文過程假設(shè)為穩(wěn)態(tài)，各反應(yīng)以及沉降過程均為一級反應(yīng)；區(qū)域排水量以及各種指標物質(zhì)的濃度都保持一定；各河段的過水斷面具有相同的幾何特征。在進行模擬時，可以將匯入干流的支流作為點源輸入。根據(jù)水文監(jiān)測站的多年實測資料，計算出支流的流量，以作為點源的流量。同時，支流的指標物質(zhì)濃度取各時間段內(nèi)實測資料的平均值。21五、模型的應(yīng)用應(yīng)用QUAL2K模型對二干河水225.1二干河河段的劃分二干河在響水境內(nèi)的全長為34.5公里，概化圖如下。根據(jù)模型及計算精度的要求，本文將其分為5個河段。如下表。225.1二干河河段的劃分二干河在響水境內(nèi)235.2河段邊界及水質(zhì)數(shù)據(jù)在QUAL2K模型中，將支流作為一個點源來處理。根據(jù)水文站多年的實測數(shù)據(jù)，求得各點源和支流的流量。支流的水質(zhì)是各時間段內(nèi)實測數(shù)據(jù)的平均值。水力數(shù)據(jù)和水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)如下表。235.2河段邊界及水質(zhì)數(shù)據(jù)在QUA5.3參數(shù)的確定在已知速度U，流量Q，水深H的情況下，通過公式，以及的經(jīng)驗值，可以求得系數(shù)a和的值。結(jié)果如下。5.3.1水力參數(shù)的確定5.3參數(shù)的確定在已知速度U，流量Q，水深H的255.3.2水質(zhì)參數(shù)的確定水質(zhì)參數(shù)包括BOD5耗氧系數(shù)K1、復(fù)氧系數(shù)K2、河流縱向彌散系數(shù)DL。本文用2002年4月的測量數(shù)據(jù)來進行水質(zhì)參數(shù)的率定，通過上述計算方法，得到各河段BOD5耗氧系數(shù)K1、復(fù)氧系數(shù)K2、河流縱向彌散系數(shù)DL，見表。255.3.2水質(zhì)參數(shù)的確定水質(zhì)參數(shù)包265.4模型的驗證模型的參數(shù)的計算方法已經(jīng)在參數(shù)的率定中確認，在確定參數(shù)后，需要對QUAL2K模型的正確性進行驗證。利用2004年實測數(shù)據(jù)求得二干河各河段水質(zhì)模擬參數(shù)見表。265.4模型的驗證模型的參數(shù)的計算方275.4模型的驗證將表3-10中的參數(shù)輸入QUAL2K模型，對二干河2004年的水質(zhì)情況進行模擬，得到各測點的BOD5和DO濃度的模擬值。并與2004年的實測值進行比較，見下圖。驗證結(jié)果表明：QUAL2K模型進行檢驗后發(fā)現(xiàn)實測數(shù)據(jù)與模型的計算結(jié)果相對應(yīng)，模型可靠，適用?？梢詫Χ珊拥乃|(zhì)進行模擬。275.4模型的驗證將表3-10中的參28謝謝！28謝謝！Qual-2k模型的原理及應(yīng)用

河海大學(xué)水文水資源學(xué)院2009年12月Qual-2k模型的原理及應(yīng)用河海大學(xué)水文水資源學(xué)院30內(nèi)容一、模型的原理二、模型對河流的概化三、模型的結(jié)構(gòu)及步驟四、模型的應(yīng)用

2內(nèi)容一、模型的原理31一、模型的原理1.河段的劃分

模型主要模擬河流的主干流，將匯入干流的支流概化成點源排入。如右圖；非點源和非點出水口被模擬成線源和線出水口，以它們的起始點和終點為分界線，如左圖。3一、模型的原理1.河段的劃分模型主要模擬河流322.流量平衡方程穩(wěn)態(tài)的流量平衡方程適用于每個模擬河段。流量平衡如右圖。

是河段i的流出量，是河段i+1的流入量;是從上游河段i-1流入的流量;是點源和非點源流入河段i的總流量;是通過點和非點出水口流出河段i的總流量.河段流量平衡圖42.流量平衡方程穩(wěn)態(tài)的流量平衡方程適用于每個模332.流量平衡方程來自源頭的總流量可以表現(xiàn)如下：

式中：是第j個點源流進河段i的流量，psi是河段i的所有點源數(shù)量，是第j個非點源流進河段i的流量，npsi是i河段的所有非點源數(shù)量。52.流量平衡方程來自源頭的總流量可以表現(xiàn)如下：342.流量平衡方程出水口的所有出流可以表示為下：式中：是i河段第j個點出水口的出水量，pai是i河段的所有點出水口的數(shù)量，是i河段第j個非點出水口的出水量，npai是I河段所有非點出水口的數(shù)量。62.流量平衡方程出水口的所有出流可以表示為下：式中353.水質(zhì)平衡方程

QUAL2K模型的水質(zhì)基本方程是一維平流——擴散物質(zhì)遷移方程，該方程考慮了平流擴散、稀釋、物質(zhì)組分的自身反應(yīng)，水質(zhì)組分間的相互作用以及組分的外部源和漏對組分濃度的影響。水質(zhì)平衡模型如下：

式中：c為組分濃度；x為距離；T為時間；Ax為距離x處的河流斷面面積；

Dl縱向彌散系數(shù)；u為平均流速；S為源匯項。

73.水質(zhì)平衡方程式中：c為組分濃度；x為距36二、模型對河流的概化QUAL2K通過劃分河段單元將模擬河段概念化為一系列通過輸移、擴散機理首尾相連、均勻混合的反應(yīng)—計算單元。這使QUAL2K得以組織模型數(shù)據(jù)以進行模擬。為描述河流的空間分布特征，QUAL2K將單元定義為以下8種類型：⑴源頭單元，以H表示；⑵交匯點單元，以J表示；⑶交匯點上游單元，以u表示；⑷系統(tǒng)最后單元，以L表示；⑸取水口單元，以P表示；⑹排放口單元，以w表示；⑺水工建筑物單元，以D表示；⑻標準單元，以s表示。8二、模型對河流的概化QUAL2K通過劃分河段單元將模擬河段37三、模型的結(jié)構(gòu)及步驟1.所需數(shù)據(jù)

QUAL2K模型運用于水質(zhì)模擬時需要的數(shù)據(jù)包括：⑴流域水文資料和空間信息⑵邊界條件和初始條件⑶對模型參數(shù)進行率定和驗證過程所需要的監(jiān)測數(shù)據(jù)⑷各個河流斷面節(jié)點的情況和流域氣象數(shù)據(jù)9三、模型的結(jié)構(gòu)及步驟1.所需數(shù)據(jù)382.模型的應(yīng)用步驟

QUAL-2K是以excel工作表為界面，用vb編的程序。顏色主要是區(qū)分信息是用戶輸入還是程序輸出的結(jié)果。主要包括4種顏色區(qū)域，如下：淺藍色：用戶需要輸入的指定變量和參數(shù)的值。淺黃色：用戶需要輸入的指定數(shù)據(jù)，模型可以降這些數(shù)據(jù)自動生成圖表曲線。淺綠色：模型輸出的設(shè)計值。純暗色：用來制表的數(shù)據(jù)，并且不能改動。102.模型的應(yīng)用步驟QUAL-2K是以exce392.1輸入邊界條件HeadWater工作表主要是輸入河段邊界的流量及濃度數(shù)據(jù)。如右圖：112.1輸入邊界條件HeadWater工作表402.2河段和各單元的劃分河段和單元的劃分應(yīng)根據(jù)模擬河流的實際情況來確定。QUAL2K要求同一河段具有相同的水質(zhì)和水力參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場勘測和調(diào)查以及現(xiàn)有的監(jiān)測資料，將具有相同或相似特性的河道劃分為同一河段。QUAL2K進行水質(zhì)模擬的最小單位是計算單元，模擬過程中不要求各個河段上的計算單元是等長的，但是每個河段須由整數(shù)個計算單元構(gòu)成。QUAL2K計算單元的長度決定了水質(zhì)模擬的計算精度，單元長度越短則計算精度越高，但相應(yīng)的計算機時增加，單元長度太長則不能保證計算精度，應(yīng)結(jié)合計算精度要求和計算機性能來確定單元長度。劃分河段和單元之后根據(jù)現(xiàn)場勘測和調(diào)查資料為每個單元按QUAL2K的單元類型定義指定其單元類型，通過指定單元類型反映出支流、污染源、取水口及水工建筑物的空間分布狀況。122.2河段和各單元的劃分河段和單元的劃分應(yīng)根據(jù)模擬河流412.2.1輸入河段數(shù)據(jù)Reach工作表主要是輸入河流各個河段的信息。主要包括：河段數(shù)、河段及單元的長度、上下游河段的高程及位置以及水力學(xué)模型的相關(guān)參數(shù)等，如右圖。132.2.1輸入河段數(shù)據(jù)Reach工作表422.3輸入氣象數(shù)據(jù)氣象數(shù)據(jù)主要包括5個子工作表：空氣溫度Sheet：主要是輸入每個河段的空氣溫度，一般以溫度的均值代替，時間間隔為1小時；露點溫度Sheet：包括河段的相關(guān)信息和露點溫度，其中露點溫度可以以平均值代替。風速Sheet：主要是輸入系統(tǒng)中各個河段的風速m/s；可以以平均值代替；云層覆蓋Sheet：輸入各個河段上空云層的覆蓋度?？梢砸云骄荡?；

ShadeSheet：主要是輸入河段每小時的陰暗程度，陰暗程度是關(guān)于太陽輻射的函數(shù)，142.3輸入氣象數(shù)據(jù)氣象數(shù)據(jù)主要包括5個子工作表：43空氣溫度Sheet僅貼出空氣溫度工作表的圖，其他4項與之相同。15空氣溫度Sheet僅貼出空氣溫度工作表的圖，其他4項與之442.4模型參數(shù)的輸入

模型參數(shù)的確定是建模工作的核心內(nèi)容,可靠的參數(shù)是模擬成敗的關(guān)鍵。因此在確定模型結(jié)構(gòu)之后,還要對模型中的未知參數(shù)作適當估算,求得與實測資料最佳擬合的模型參數(shù)。QUAL2k的模型參數(shù)按河段來組織，主要包括：水力參數(shù)水質(zhì)參數(shù)162.4模型參數(shù)的輸入模型參數(shù)的確定是建模工作452.4.1水力學(xué)參數(shù)水力學(xué)參數(shù)主要是曼寧公式和水位流量曲線方程中的參數(shù)，模擬時對其中一個方程的參數(shù)進行設(shè)定即可。另一個方程的參數(shù)為0或者空白，如下圖。172.4.1水力學(xué)參數(shù)水力學(xué)參數(shù)主要是曼寧公式462.4.2水質(zhì)參數(shù)的輸入

模型所需的水質(zhì)參數(shù)因選擇的模擬項目不同而異。常用的有BOD5降解系數(shù)K1、復(fù)氧系數(shù)K2、BOD5沉降系數(shù)K3、底泥耗氧系數(shù)K4等。水質(zhì)參數(shù)可以通過實測法和經(jīng)驗公式法取得，也可以通過監(jiān)測資料反算得到。QUAL2K在RateSheet中提供了計算相關(guān)水質(zhì)參數(shù)的經(jīng)驗公式，如右圖。182.4.2水質(zhì)參數(shù)的輸入模型所需的水質(zhì)參數(shù)因472.5點源輸入PointSource工作表主要輸入河流系統(tǒng)中點源信息。包括點源的位置、出流或入流的流量以及水質(zhì)濃度，如下圖。192.5點源輸入PointSource工作表482.6面源輸入DiffuseSources

工作表主要輸入河流系統(tǒng)中面源的相關(guān)信息。包括面源污染上下游的位置、出流或入流的流量以及水質(zhì)濃度，如下圖。

202.6面源輸入DiffuseSources49五、模型的應(yīng)用應(yīng)用QUAL2K模型對二干河水質(zhì)進行模擬。為了方便計算和模擬，進行了以下假設(shè)：假設(shè)二干河的水流是相對恒定的；二干河的物理、化學(xué)、生化過程和水文過程假設(shè)為穩(wěn)態(tài)，各反應(yīng)以及沉降過程均為一級反應(yīng)；區(qū)域排水量以及各種指標物質(zhì)的濃度都保持一定；各河段的過水斷面具有相同的幾何特征。在進行模擬時，可以將匯入干流的支流作為點源輸入。根據(jù)水文監(jiān)測站的多年實測資料，計算出支流的流量，以作為點源的流量。同時，支流的指標物質(zhì)濃度取各時間段內(nèi)實測資料的平均值。21五、模型的應(yīng)用應(yīng)用QUAL2K模型對二干河水505.1二干河河段的劃分