河流水質(zhì)模型

河流水質(zhì)模型第一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日河流行為研究體系（1）現(xiàn)場觀測和數(shù)據(jù)的收集；（2）現(xiàn)場結(jié)果的分析；（3）野外實驗；（4）在流體的化學(xué)和物理分析；（5）實驗室模擬(包括化學(xué)的、物理的和水力學(xué)的模擬等等)；（6）計算機(jī)的數(shù)學(xué)模擬；（7）綜合分析研究。

李光熾水質(zhì)模型第二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日水質(zhì)模型是一個用于描述物質(zhì)在水環(huán)境中的混合、輸運過程的數(shù)學(xué)方程，描述水體中污染物與時間、空間的定量關(guān)系；它通常涉及到解基本方程的技術(shù)，而其結(jié)果的可靠性不會超過所使用的方程的可靠性。在一個綜合的河流水質(zhì)模型中，有許多影響河流水質(zhì)的因素，如物理的、化學(xué)的、水力學(xué)的、生物學(xué)以及氣象學(xué)的因素。李光熾水質(zhì)模型第三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日1.1水質(zhì)模型的主要問題和分類

一、問題(1)為了避免一條河流產(chǎn)生厭氧而使水質(zhì)保持在給定的條件，應(yīng)當(dāng)在何處建立污水處理廠?多大規(guī)模、什么樣的處理效率才能保證溶解氧濃度不低于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)?(2)為了合理地利用某一區(qū)域的水資源，該區(qū)域應(yīng)當(dāng)發(fā)展何種工業(yè)以及多大規(guī)模的工業(yè)才能使該地區(qū)的水資源得以充分利用并保證水資源不至于受污染。李光熾水質(zhì)模型第四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日(3)在某條河岸建造發(fā)電廠，發(fā)電廠有熱水排入河流，它將對水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生什么樣的影響?(4)含高濃度的磷的廢物排入某一湖泊，使湖泊(或水庫)產(chǎn)生富營養(yǎng)化，必須除去多少磷才能使湖泊不產(chǎn)生富營養(yǎng)化?(5)國家需要建立一個核能基地，在什么情況下對人類環(huán)境產(chǎn)生什么程度的影響。李光熾水質(zhì)模型第五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日二、分類按不同的觀察角度可有如下不同的水質(zhì)模型分類：(1)按水質(zhì)組分的空間分布特性，可分為一維、二維和三維模型。沿某一坐標(biāo)方向，水質(zhì)組分有變化，而沿其他坐標(biāo)方向濃度梯度為零，稱為一維模型。二維模型和三維模型則分別是沿兩個坐標(biāo)方向和三個坐標(biāo)方向濃度梯度均不為零的情況。李光熾水質(zhì)模型第六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日當(dāng)三個坐標(biāo)方向濃度梯度均為零，水質(zhì)組分處于均勻混合狀態(tài)時，稱為均勻混合模型或零維模型，亦稱黑箱模型，它經(jīng)常是一種概化復(fù)雜問題的手段，著眼于建立輸入與輸出的關(guān)系，而忽略水質(zhì)組分在空間分布上的差異。模型維數(shù)的選擇主要取決于模型應(yīng)用的目的和條件，并不是維數(shù)越多就越好。李光熾水質(zhì)模型第七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日(2)按水質(zhì)組分的時間變化的特性，可分為穩(wěn)態(tài)模型和動態(tài)模型。水質(zhì)組分不隨時間變化時為穩(wěn)態(tài)模型，反之則為動態(tài)模型。當(dāng)水流運動為非恒定狀態(tài)時，水質(zhì)組分是隨時間變化的；而當(dāng)水流運動為恒定狀態(tài)時，水質(zhì)組分則可能是不隨時間變化的，也可能是隨時間變化的。在水污染控制規(guī)劃中，常應(yīng)用相應(yīng)于一定設(shè)計條件下的穩(wěn)態(tài)模型，而當(dāng)分析污染事故，預(yù)測水質(zhì)時。常應(yīng)用動態(tài)模型。李光熾水質(zhì)模型第八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日(3)按模型變量的多寡，即按模型所表述的水質(zhì)組分的數(shù)目，可有單組分水質(zhì)模型和多組分模型。當(dāng)模型變量為BOD或COD時，有時稱有機(jī)污染水質(zhì)模型。當(dāng)模型變量為BOD和DO時，稱BOD-DO耦合模型。當(dāng)模型變量擴(kuò)大到水生生物時，稱水生生態(tài)模型。生態(tài)模型是一個非常綜合的模型，它不僅包括化學(xué)、生物的過程，而且亦包括水質(zhì)輸運以及各種水質(zhì)因素的變化過程。模型變量及其數(shù)目的選擇，主要取決于模型應(yīng)用的目的以及對于實際資料和實測數(shù)據(jù)擁有的程度。李光熾水質(zhì)模型第九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日(4)按水質(zhì)組分是否作為隨機(jī)變量，可分為隨機(jī)模型和確定性模型。水質(zhì)模型還可以按模型的其他特征分類。如按水質(zhì)組分的遷移特性，可分為對流模型，擴(kuò)散模型和對流－擴(kuò)散模型。按水質(zhì)組分的轉(zhuǎn)化特性可分為純遷移模型，純反應(yīng)模型和遷移－反應(yīng)模型等。李光熾水質(zhì)模型第十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日1.2水質(zhì)模型的發(fā)展及建立步驟

一、水質(zhì)模型的發(fā)展過程第一階段(1925-1965年)：開發(fā)了比較簡單的生物化學(xué)需氧量(BOD)和溶解氧(DO)的雙線性系統(tǒng)模型，對河流和河口的水質(zhì)問題采用了一維計算方法進(jìn)行模擬。第二階段(1965-1970年)：研究發(fā)展BOD—DO模型的多維參數(shù)估值，將水質(zhì)模型擴(kuò)展為六個線性系統(tǒng)模型。發(fā)展河流、河口、湖泊及海灣的水質(zhì)模擬，方法從一維發(fā)展到二維。李光熾水質(zhì)模型第十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日第三階段(1970—1975年)：研究發(fā)展了相互作用的非線性系統(tǒng)水質(zhì)模型，涉及到營養(yǎng)物質(zhì)磷、氮的循環(huán)系統(tǒng)，浮游植物和浮游動物系統(tǒng)，以及生物生長率同這些營養(yǎng)物質(zhì)、陽光、溫度的關(guān)系，浮游植物與浮游動物生長率之間的關(guān)系。其相互關(guān)系都是非線性的，一般只能用數(shù)值法求解，空間上用一維及二維方法進(jìn)行模擬。

李光熾水質(zhì)模型第十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日第四階段(1975年以后)：發(fā)展了多種相互作用系統(tǒng)，涉及到與有毒物質(zhì)的相互作用?？臻g尺度發(fā)展到了三維。目前對環(huán)境的污染問題的研究，已發(fā)展到將地面水、地下水的水質(zhì)水量與大氣污染相互結(jié)合，建立綜合模型的研究階段。同時，由于水環(huán)境問題的復(fù)雜性和不確定性，在水質(zhì)預(yù)測中，已經(jīng)開始水質(zhì)的非確定性模擬與預(yù)測，為水質(zhì)控制與規(guī)劃，提供更為豐富的信息。李光熾水質(zhì)模型第十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日二、建立水質(zhì)模型的步驟

第一步：確定模型的結(jié)構(gòu)，這是一個對實際水環(huán)境問題加以抽象和概化的過程。這一步包括有關(guān)變量的選擇，分析這些變量如何變化以及相互作用，形成模型的結(jié)構(gòu)概念，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)表述形式，確定初始條件和邊界條件。一個模型只需能表現(xiàn)其特性的有關(guān)變量，模型只是真實事件的一個近似表達(dá)而并不是完全真實。為了解數(shù)學(xué)方程，一定要使所建立的模型盡可能簡單。李光熾水質(zhì)模型第十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日第二步：分析模型的性質(zhì)，它包括模型的平衡性，穩(wěn)定性和靈敏性研究。靈敏性是指模型中參數(shù)的變化對模型所產(chǎn)生的影響。如果其研究結(jié)果不令人滿意，則回到第一步重新選擇變量。第三步：確定模型的參數(shù),亦稱參數(shù)估值。一個數(shù)學(xué)模型通常含有參數(shù)。這些參數(shù)必須用有關(guān)數(shù)據(jù)來確定。如果參數(shù)估值不理想，則必須重新考慮模型的結(jié)構(gòu)等等。如果所選擇的兩個模型具有同等程度的可靠性，則寧可選擇參數(shù)較少的那一個模型。李光熾水質(zhì)模型第十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日第四步：模型的驗證，應(yīng)用所建立的模型，模擬實際已發(fā)生過的過程。如果計算結(jié)果和實測結(jié)果相比較，達(dá)到預(yù)期的精度，則認(rèn)為所建立的模型具有預(yù)測的能力，是成功的。應(yīng)用于參數(shù)估值的實測數(shù)據(jù)與應(yīng)用于模型檢驗的實測數(shù)據(jù)應(yīng)是相互獨立的。為了建立具有預(yù)測能力的模型，我們通常用另一套觀測而獲得的數(shù)據(jù)來檢驗所建立的模型。如果檢驗結(jié)果具有良好的一致性，認(rèn)為模型具有預(yù)測的功能，否則應(yīng)對模型參數(shù)和模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正，直至得到滿意的模擬結(jié)果。李光熾水質(zhì)模型第十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日第五步：模型的應(yīng)用，要求模型能解決預(yù)先提出的問題。研究水質(zhì)模型的目的是控制水質(zhì)，防止污染，改善人類賴以生存的環(huán)境質(zhì)量。建立的模型能成功地用于水質(zhì)管理和其他目的，可以說建立水質(zhì)模型的方法是令人滿意的。反之，必須再一次認(rèn)真考慮各步驟是否準(zhǔn)確，以便解決這個問題。不要過高地估計模型的價值。模型的推導(dǎo)和應(yīng)有特定的條件。一個模型決不可能比觀測的數(shù)據(jù)更好，模型不能取代測量值。研究模型的目的是在于進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測。

李光熾水質(zhì)模型第十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日1.3水文循環(huán)過程水的污染與自凈

自然界中水不斷蒸發(fā)、輸送、凝結(jié)、降水、產(chǎn)流、匯流的往復(fù)循環(huán)，即蒸發(fā)→降水→徑流→蒸發(fā)…，稱為水文循環(huán)，或自然界的水分循環(huán)。在水文循環(huán)中，水與各種各樣的物質(zhì)接觸，使那些物質(zhì)混入或溶入其中，當(dāng)某些物質(zhì)超過一定限度，危害人類生存和生態(tài)平衡，影響水的用途時，稱水體受到了污染。水體中存在的可能造成污染的物質(zhì)稱作污染物。李光熾水質(zhì)模型第十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日從水文循環(huán)的過程可知，水體的污染可以發(fā)生在水文循環(huán)的各個環(huán)節(jié)上。例如降水形成中，若SO42-、NO3-等溶入過多，使pH值低于5.6，則可導(dǎo)致酸雨；沿著河流有大量的工廠廢水和城鎮(zhèn)生活污水排入，可能形成局部的河段或者整條的河流污染；挾帶過多的氮(N)、磷(P)等植物營養(yǎng)素的農(nóng)田徑流進(jìn)入湖泊和水庫，長期富集時，可能出現(xiàn)富營養(yǎng)化污染；地面污水大量滲入地下，可使地下水污染。

李光熾水質(zhì)模型第十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日引起水體污染的兩類原因：一類是由于自然地理因素引起的，稱自然污染；特殊的地質(zhì)構(gòu)造或其它自然條件，使一個地區(qū)的某些化學(xué)元素富集(如存在鈾礦、砷礦、汞礦等)，或天然植物在腐爛過程中產(chǎn)生某些有毒物質(zhì)等，地面地下徑流將這些元素大量帶人河流、湖泊。另一類是人為因素引起的，稱人為污染。如大量的工業(yè)廢水不加處理而直接排放，農(nóng)藥、化肥隨降雨徑流進(jìn)入水體等。人為污染是水污染防治的主要對象。李光熾水質(zhì)模型第二十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日污染物一方面在水文循環(huán)中進(jìn)入水體和發(fā)生演變，另一方面在運動中自然地減少、消失或無害化，稱為自凈。水的污染濃度自然降低而恢復(fù)到較清潔的能力，稱為水的自凈能力。當(dāng)水體的自凈能力大于污染物進(jìn)入水體的強(qiáng)度時，水質(zhì)將不斷得到改善，趨于良好狀態(tài)；反之，水質(zhì)將惡化，嚴(yán)重者將導(dǎo)致污染。在滿足水體規(guī)定的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)下，每年允許的最大納污量，稱環(huán)境容量。李光熾水質(zhì)模型第二十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日水體自凈是一個物理、化學(xué)、生物作用的極其復(fù)雜的過程。物理凈化過程，是指污染物在水體中混合、稀釋、沉淀、吸附、凝聚、向大氣揮發(fā)和病菌死亡等物理作用下使污染濃度降低的現(xiàn)象，例如污水排入河流后，在下游不遠(yuǎn)的地方污染濃度會大大降低，就主要是混合、稀釋的結(jié)果。李光熾水質(zhì)模型第二十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日化學(xué)凈化過程，是指污染物在水中由于分解和化合、氧化與還原、酸堿反應(yīng)等化學(xué)作用下，致使污染濃度降低或毒性喪失的現(xiàn)象，例如水在流動中大氣里的氧氣不斷溶入，使得鐵、錳等離子氧化成難溶的鹽類而沉淀，從而減少了它們在水中的含量。李光熾水質(zhì)模型第二十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日生物凈化過程，是水體內(nèi)的微生物群，在它們分泌的各種酶的作用下，使污染物發(fā)生分解和轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)的現(xiàn)象，例如有機(jī)物在細(xì)菌作用下，部分轉(zhuǎn)化為菌體，部分轉(zhuǎn)化為無機(jī)物；接著細(xì)菌又成為水中原生動物的食料，原生動物又成為后生動物、高等水生動物的食品，無機(jī)物為植物吸收，這樣有機(jī)物便逐步轉(zhuǎn)化為無機(jī)物和高等水生生物，達(dá)到無害化，從而起到凈化作用。李光熾水質(zhì)模型第二十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日污水處理廠，就是依據(jù)水體的自凈規(guī)律，人為地在一個很小的范圍內(nèi)營造一套有利于水體自凈的優(yōu)良條件，使污水在很短的時間內(nèi)得以凈化。李光熾水質(zhì)模型第二十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日1.4水質(zhì)模擬技術(shù)

(1)目標(biāo)的設(shè)置使所建立的數(shù)學(xué)模型應(yīng)當(dāng)盡可能地簡化而不失其要求的精度。當(dāng)所使用的模型用于新的目的時，應(yīng)當(dāng)及時調(diào)整與模型結(jié)構(gòu)相一致的目標(biāo)函數(shù)。(2)理論背景調(diào)查包括影響水質(zhì)過程的因素、描述的方法和模型參數(shù)的適當(dāng)范圍的分析。李光熾水質(zhì)模型第二十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日(3)模型的形成包括應(yīng)當(dāng)建立什么類型的模型(如穩(wěn)態(tài)模型)以及必需考慮的過程，以避免模型的復(fù)雜化。(4)模型結(jié)構(gòu)是建立模型過程中比較困難的一個階段，特別是建立一個較復(fù)雜的模型。在建立總體模型時應(yīng)當(dāng)首先考慮符合實際情況的子模型，這將有助于總體模型的精度和靈敏度，也能使模型更符合實際。

李光熾水質(zhì)模型第二十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日(5)數(shù)學(xué)方程是表示某些數(shù)學(xué)或統(tǒng)計方法中各種關(guān)系的陳述。在一般過程中，如彌散過程，主要的問題可能是從若干方程式中選擇最好的數(shù)學(xué)表達(dá)式，在這種情況下，原始數(shù)據(jù)是非常必要的，一旦數(shù)學(xué)方程建立；便可描述子模型中的信息。（6）數(shù)學(xué)模型的解在特殊情況下可以用分析解來得到，但大部分?jǐn)?shù)學(xué)模型使用數(shù)值方法求解偏微分方程。李光熾水質(zhì)模型第二十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日(7)計算機(jī)程序的設(shè)計對于較復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型是非常必要的，即使對于簡單的模型，計算機(jī)技術(shù)也是很重要的。(8)模型修正在水質(zhì)模型的實際應(yīng)用中是非常重要的，因為沒有任何模型能在未作修改前正確地描述該系統(tǒng)。模型修正的第一步是校正模型，調(diào)整模型中的各個參數(shù)，使模型計算的值與觀測值一致，必須用獨立的數(shù)據(jù)。(9)靈敏度分析是測定在改變模型中參數(shù)值時模型輸出的靈敏性。李光熾水質(zhì)模型第二十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期日李光熾水質(zhì)模型從家庭排出的廢水生活用水混合帶河流流量時間tCr