QUAL2K模型简介

Qual-2k模型简介2011年12月5日2内容一、模型概述二、模型的原理三、模型对河流的概化四、模型参数的确定五、模型的应用一、QUAL2K水质模型概述QUAL2K是一个综合性、多样化的河流水质模型，和QUAL2E综合水质模型都是国内外应用较多的稳态模型。QUAL2K是在QUAL2E模型的基础上发展起来的一维综合水质模型，基本原理与QUAL2E相同，只是在QUAL2E模型的基础上增加了一些要素之间的相互作用，以弥补QUAL2E模型的不足。QUAL2K不仅适用于混合的枝状河流系统，而且允许多个取水口、排污口的存在以及支流流出和汇入，被广泛应用于欧洲、北美、亚洲等的流域污染物总量控制和水质管理。34沉积物河底固定植物叶绿素a藻类溶解氧有机氮氨氮亚硝酸氮有机磷大肠菌可溶磷生化需氧量总悬浮固体硝酸氮空气复氧（O2）NODNODN2SOD图1QUAL2K模型各组分及模拟过程5二、模型的原理1.河段的划分QUAL2K模型可将模拟河道划分为一系列恒定非均匀流河段（Reach），各河段均可以有非点源和点源的输入输出（如右图）；当主要模拟河流的主干流时，可将汇入干流的支流概化成点源排入。非点源和非点出水口被模拟成线源和线出水口，以它们的起始点和终点为分界线，如左图。6二、模型的原理1.河段的划分191817161918171615432154322028272621292028272621291215141312151413876876911109111024232225HW#1HW#2HW#3HW#4(a)Ariverwithtributaries(b)Q2KreachrepresentationMainstemTrib1Trib2Trib3图2QUAL2K模型中河段的编号方法右图为河段编号方法。模型在模拟时在将模拟河道划分为一系列恒定非均匀流河段（Reach）基础上，再将每个河段划分为若干等长的计算单元（Elements）。河段划分的依据：水文水力条件、水质监测位置、污染源位置。同一河段具有相同的水力、水质特性和参数。QUAL2K要求：大坝要单独划为一个河段，且仅含一个计算单元。72.流量平衡方程稳态的流量平衡方程适用于每个模拟河段。流量平衡如右图。1,,iiiniadiQQQQiQ是河段i的流出量，是河段i+1的流入量;3/md单位均为：1iQ是从上游河段i-1流入的流量;,iniQ是点源和非点源流入河段i的总流量;,abiQ是通过点和非点出水口流出河段i的总流量.图3河段流量平衡图8从源头开始所有的入流量可表示如下：,,,,,11psinpsiinipsijnpsijjjQQQ式中：是第j个点源流进河段i的流量，psi是河段i的所有点源数量，是第j个非点源流进河段i的流量，npsi是i河段的所有非点源数量。,,psijQ,,npsijQ2.流量平衡方程9所有出流量可以表示如下：,,,,,11painpaiabipaijnpaijjjQQQ式中：是i河段第j个点出水口的出水量，pai是i河段的所有点出水口的数量，是i河段第j个非点出水口的出水量，npai是I河段所有非点出水口的数量。,,paijQ,,npaijQ2.流量平衡方程103.水质平衡方程QUAL2K模型的水质基本方程是一维平流-扩散物质输送和反应方程，该方程考虑了平流扩散、稀释、水质组分自身反应、水质组分间的相互作用以及组分的外部源和汇对组分浓度的影响。其基本方程为：VsdtdCxACuAxAxCEAtCxxxx)(][式中：C为组分浓度（mg/L）；t为时间（s）；x为所参考的距离（m）；Ax为距离x处的河流断面面积（m2）；为平均流速（m/s）；E为纵向弥散系数（m2/s）；s为组分外部的源和汇（mg/L）。u三、模型对河流的概化1、河网概化及断面概化11s1s2B0Z0A图4概化河道断面示意图•河网概化的基本原则：概化河网要基本反映天然河网的水力特性，即概化后的河网、湖泊在输水能力和调蓄能力两个方面必须与实际河网、湖泊基本一致。•断面概化的基本原则：①概化后各级水位下过水断面面积A相等；②概化后的过水能力相等，也就是流量相等。•按照QUAL2K的要求，参照实际河道断面，将断面概化为梯形，用断面底宽B0、边坡S1和S2、高程Z0表示（图4）。断面概化的方法可参考胡鹏[32]等人提出的方法，通过对实测断面的水深～过水面积关系进行回归分析，得到概化梯形断面的下底宽和边坡系数两个重要参数，使得概化后的断面与实测断面保持一致的水位～流量关系。三、模型对河流的概化2、排污口概化参考《全国水环境容量核定技术指南》提供的方法，将相邻的排污口简化成集中的排污口。合并后的排污口距下游断面的距离可由下式计算：niniQiCiQiCiLiL11式中：L——概化的排污口到功能区下游控制断面的距离，km；Qi——第i个排污口的水量，m3/s；Ci——第i个排污口的污染物浓度，mg/L；Li——第i个排污口到功能区下游控制断面的距离，km。图5河道排污口位置概化1号2号3号1#13四、模型参数的确定水力参数河段自然特征参数水质参数•曼宁糙率系数n•河流的纵向分散系数K•复氧参数•河底藻类覆盖度•河底沉积物覆盖度模型参数确定TextCOD、氨氮、TP的综合降解系数野外测定法、实验室测定法、经验系数法、经验公式法等14五、模型的应用1.所需数据QUAL2K模型运用于水质模拟时需要的数据包括：（1）流域水文资料和空间信息（2）边界条件和初始条件（3）对模型参数进行率定和验证过程所需要的监测数据（4）各个河流断面节点的情况和流域气象数据152.模型的应用步骤QUAL-2K是以excel工作表为界面，用vb编的程序。每个工作表均具有一个颜色，主要用来区分信息是用户输入还是程序输出的结果。主要包括4种颜色区域，如下：浅蓝色：用户需要输入的指定变量和参数的值。浅黄色：用户需要输入的指定数据，模型可以降这些数据自动生成图表曲线。浅绿色：模型输出的设计值。纯暗色：用来制表的数据，并且不能改动。162.1输入边界条件•HeadWater工作表主要是输入河段边界的流量及浓度数据。如右图：172.2输入河段数据•Reach工作表主要是输入河流各个河段的信息。主要包括：河段数、河段及单元的长度、上下游河段的高程及位置以及水力学模型的相关参数等，如右图。182.3输入气象数据气象数据主要包括5个子工作表：•空气温度Sheet：主要是输入每个河段的空气温度，一般以温度的均值代替，时间间隔为1小时；•露点温度Sheet：包括河段的相关信息和露点温度，其中露点温度可以以平均值代替。•风速Sheet：主要是输入系统中各个河段的风速m/s；可以以平均值代替；•云层覆盖Sheet：输入各个河段上空云层的覆盖度；可以以平均值代替；•ShadeSheet：主要是输入河段每小时的阴暗程度，阴暗程度是关于太阳辐射的函数，19空气温度Sheet•仅贴出空气温度工作表的图，其他4项与之相同。202.4模型参数的输入模型参数的确定是建模工作的核心内容,可靠的参数是模拟成败的关键。因此在确定模型结构之后,还要对模型中的未知参数作适当估算,求得与实测资料最佳拟合的模型参数。一般，水力学参数和河段自然特征参数可在Reachsheet中输入。212.4.1水力学参数水力学参数主要是曼宁公式和水位流量曲线方程中的参数，模拟时对其中一个方程的参数进行设定即可。另一个方程的参数为0或者空白，如下图。222.4.2水质参数的输入模型所需的水质参数因选择的模拟项目不同而异。常用的有BOD5降解系数K1、复氧系数K2、BOD5沉降系数K3、底泥耗氧系数K4等。水质参数可以通过实测法和经验公式法取得，也可以通过监测资料反算得到。QUAL2K在RateSheet中提供了计算相关水质参数的经验公式，如右图。另外，也可在ReachRateSheet中分河段输入。232.5点源输入PointSource工作表主要输入河流系统中点源信息。包括点源的位置、出流或入流的流量以及水质浓度等等，如下图。242.6面源输入DiffuseSources工作表主要输入河流系统中面源的相关信息。包括面源污染上下游的位置、出流或入流的流量以及水质浓度等等，如下图。最后在第一个sheet中填入结果文件保存的位置和名称以及模拟时间步长，点击RunFortran按钮即可运行模型。2526谢谢！