Matlab课程设计河流污染物总量控制规划.docx
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Matlab课程设计河流污染物总量控制规划
题目:
河流污染物总量控制规划
第一章总论
一、目的和要求
环境系统工程是环境工程专业重要主干课程之一。
通过课程设计,使学生进一步巩固和加深课程理论知识,并能结合具体的环境系统问题,进行系统解决方案的优化。
通过课程设计的综合训练,提高学生利用系统工程方法解决实际问题的能力,特别是:
1、环境系统工程设计的基本方法、步骤,技术资料的查找与应用;
2、环境系统模型的建立过程与建立方法;
3、利用计算机编程节能型环境系统模型参数进行求解、模型的灵敏度分析等;
4、环境问题解决方案的优化方法;
5、综合运用本课程及其有关课程的理论知识解决工程中的实际问题;
6、熟悉、贯彻国家环境保护法规及其它有关政策。
二、设计任务
题目:
某河流污染物排放总量控制规划
根据设计原始资料,设计河流城区段水环境的污染物总量控制及污染物消减方案,并编制规划方案说明书。
三、设计内容、步骤和方法
1、通过对该河流的自然特征、水文特征以及水质调查分析的基础上,对该河流的污染状况进行评价,确定该河段的主要污染问题及主要污染因子。
2、根据河流的水文特征,建立适宜的环境水质模型,估算模型中的参数,并对模型进行检验。
在此基础上,建立环境容量模型,计算该河流的环境容量、允许排放量,并合理分配到各个污染源。
3、选定某一支流,按照其允许排放量,合理分配到支流的各个污染源,并根据各个污染源的水质、水量情况,优化设计各个污染源污染物的消减工艺。
第二章原始资料
一、河流概况
沙河是盐河的直流,干流全长30公里,流域面积206平方公里。
一般流量在,本次规划河段长度为19.75公里,是非潮河段;两岸分布的主要污染源有:
伟捷毛娟厂,子扬石油化工厂,五万居民的五龙小区和二万居民的蛤蟆塘小区。
第二章污染源现状和水体水质评价
1、水质目标
按照沙河两岸近期(2015年)环境规划,结合当地技术经济条件,提出不同河段的水质目标组,S9断面水质目标为地表水Ⅲ类,S3断面水质目标为地表水Ⅲ类,S8及S4-3断面水质目标为地表水Ⅳ类,S7及S6断面水质目标为Ⅴ类。
规划情况下水温取10℃。
2、水质现状资料
根据沙河河床和排污口的排污情况以及各支流输入的位置,选定了六个主要监测断面和四个辅助监测断面。
自2009年8月至2010年4月(包括丰、平、枯水期和冰封期),对各监测断面进行了8次连续48小时的水文水质同步监测,共采集分析了二千多个样品,主要监测结果为表1。
表1沙河实测水质资料
月份
断面
流速
m/s
流量
m³/s
水温
℃
BOD5
mg/l
DO
mg/l
分类
8
S9
0.43
0.473
20
1.29
7.8
Ⅰ类
S8
0.291
0.622
22.85
5.9
7.33
Ⅳ类
S7
0.291
1.695
22.85
3.87
7.43
Ⅲ类
S6
0.175
2.07
22.32
3.165
7.06
Ⅲ类
S4—3
0.175
3.119
22.32
2.86
8.9
Ⅰ类
S3
0.175
4.17
22.32
1.632
8.27
Ⅰ类
10
S8
0.161
0.377
14.28
26.51
7.53
Ⅴ类
S7
0.161
0.686
14.28
15.24
9.59
Ⅴ类
S6
0.132
0.644
13.87
6.04
9.47
Ⅳ类
S4—3
0.32
1.359
13.87
2.76
10.2
Ⅰ类
11
S8
0.152
0.195
5.76
35.53
10.35
Ⅴ类
S7
0.152
0.706
5.76
22.55
12.06
Ⅴ类
S6
0.167
0.684
3.68
8.515
11.95
Ⅴ类
S4—3
0.167
1.044
3.68
5.45
12.56
Ⅳ类
12
S8
0.134
0.106
0.3
53.08
7.55
Ⅴ类
S7
0.134
0.354
0.3
32.79
9.88
Ⅴ类
S6
0.1
0.454
0.1
21.24
11.03
Ⅴ类
S4—3
0.1
0.708
0.1
12.28
14.04
Ⅴ类
1
S8
0.116
0.096
2.38
68.71
7.57
Ⅴ类
S7
0.116
0.27
2.38
44.47
7.59
Ⅴ类
S6
0.167
0.37
0.167
15.91
9.32
Ⅴ类
S4—3
0.167
0.492
0.167
6.73
10
Ⅴ类
2
S8
0.085
0.075
4
79.87
6.19
Ⅴ类
S7
0.085
0.141
4
47.64
6.5
Ⅴ类
S6
0.067
0.161
0.1
28.8
8.86
Ⅴ类
S4—3
0.067
0.368
0.1
13.28
8.78
Ⅴ类
3
S8
0.1
0.148
7.54
46.2
7.27
Ⅴ类
S7
0.1
0.317
7.54
22.52
9.05
Ⅴ类
S6
0.129
0.417
6.715
8.78
9.66
Ⅴ类
S4—3
0.129
0.636
6.715
5.02
12.27
Ⅳ类
由表中数据可知,在各监测断面上DO均达到水质目标,且均达到Ⅱ类水质标准,
而部分监测断面BOD5未达到水质目标,求BOD5的污染指数:
式中,
---第i中污染物的单项污染指数;
---第i种污染物的实测浓度,mg/L;
---第i种污染物的评价标准,mg/L。
水质评价代码及图像如下:
bodi8=[5.926.5135.5353.0868.7179.8746.2];
bodpi8=bodi8/6;
bodi7=[3.8715.2422.5532.7944.4747.6422.52];
bodpi7=bodi7/10;
bodi6=[3.1656.048.51521.2415.9128.88.78];
bodpi6=bodi6/10;
bodi4=[2.862.765.4512.286.7313.285.02];
bodpi4=bodi4/6;
A=[bodpi8;bodpi7;bodpi6;bodpi4]
X=[1234567];
plot(X,A)
A=
0.98334.41835.92178.846711.451713.31177.7000
0.38701.52402.25503.27904.44704.76402.2520
0.31650.60400.85152.12401.59102.88000.8780
0.47670.46000.90832.04671.12172.21330.8367
注:
编号1~7依次代表8、10、11、12、1、2、3月份。
表2沙河各月份各断面BOD5污染指数(mg/l)
月份
8
10
11
12
1
2
3
断面
污染指数
S9
S3
S8
4.42
5.92
8.85
11.45
13.31
7.7
S7
1.52
2.26
3.28
4.45
4.76
2.25
S6
2.12
1.59
2.88
S4-3
2.05
1.12
2.21
备注:
空白处为BOD5达标
由表2可知,监测断面S9、S3各月均达到Ⅲ类水质要求目标,且均可达到Ⅰ类水质;而监测断面S4-3、S6在12、1、2月水质未达标,S4-3断面在1月达到Ⅴ类水,12、2月均未达到Ⅴ类水,而S6断面12、1、2均未达到Ⅴ类水;最后监测断面S8、S7绝大多数月份不达标,且S8断面污染较为严重,距离要求的Ⅴ类水差距较大。
所以该河段的BOD5排放情况较为糟糕。
第三章参数估计
1、推求纵向离散系数Ed
为了推求该河段的纵向离散系数Ed,选择某一均匀河段,通过投放非降解的诺丹明示踪剂试验。
试验情况如下:
示踪剂瞬间从岸边投人河中,在下游分别距投放断面2300m和4000m的测站测得示踪剂流过时的浓度过程线C-t,如表3所示,其时间t的起算点以第一测站为准。
两测站间河道的平均水深H=0.9m,平均水面宽B=20.0m,平均摩阻流速u*=0.12m/s。
表3示踪剂试验记录
第一测站
第二测站
t/min
C/mg/L
t/min
C/mg/L
t/min
C/mg/L
t/min
C/mg/L
0
0
33
0.29
37
0
92
0.18
3
0.23
36
0.23
42
0.08
97
0.12
6
0.58
39
0.18
47
0.24
102
0.08
9
0.83
42
0.14
52
0.44
107
0.06
12
0.96
45
0.12
57
0.60
112
0.03
15
0.96
48
0.09
62
0.65
117
0.02
18
0.87
51
0.06
67
0.61
122
0.02
21
0.76
54
0.04
72
0.53
127
0.02
24
0.63
57
0.03
77
0.43
132
0.01
27
0.51
60
0.02
82
0.33
137
0.01
30
0.39
63
0
87
0.24
142
0
由一维水质迁移转化基本方程式解得下游X处的示踪剂浓度变化过程为:
首先验证下游测站是否在一维纵向分散段内,即示踪剂是否在测站断面上混合均匀。
横向扩散系数Ey=0.6Hu*=0.6×0.9×0.12=0.0648㎡/s
两测站间河段距离△x=x1-x2=4000-2300=1700m
示踪剂峰值在河段间的传播时间△t=62-13=49min
河段平均流速u=
=1700/49=34.7m/min=0.58m/s
则从投放示踪剂断面到断面完全混合的河段长度为
L=
=
=1432m
该距离远小于投入示踪剂断面到第一测站的距离2300m,因此可以判定两测站均处于一维纵向分散河段,满足下面计算纵向离散系数的要求。
于是,示踪剂流过第一、第二测站的浓度过程线的平均时间和方差为:
计算代码如下:
t1=[0369121518212427303336394245485154576063];
C1=[00.230.580.830.960.960.870.760.630.510.390.290.230.180.140.120.090.060.040.030.020.0];
S1=t1*C1';
E=[1111111111111111111111];
SS1=C1*E';
t1_average=S1/SS1;
t2=[37424752576267727782879297102107112117122127132137142];
C2=[00.080.240.440.600.650.610.530.430.330.240.180.120.080.060.030.020.020.020.010.010.0];
S2=t2*C2';
SS2=C2*E';
t2_average=S2/SS2;
%第一站方差
B1=(t1-t1_average).^2;
BB1=C1*B1';
Q1=BB1/SS1;
%第二站方差
B2=(t2-t2_average).^2;
BB2=C2*B2';
Q2=BB2/SS2;
%离散系数
Ed=(0.58*86.4)^2*(Q2-Q1)/(2*(t2_average-t1_average)*24*60);
B=[t1_averaget2_averageQ1Q2Ed]
B=
19.996269.8404127.2083267.83622.4601
=
2、计算降解系数K1和复氧系数K2
为求降解系数与复氧系数,已经得到稳态情况下河流实测水质资料如表4,流速为20km/d,水温为5.8℃。
表4稳态情况下河流实测水质资料
断面号
0
1
2
3
4
距离/km
0
2
4
6
8
BOD/mg/L
25
22.6
20.5
18.5
16.8
DO/mg/L
9.2
8.4
7.85
7.15
7.5
转换得
表5
距离x/km
lnL
0
3.219
2
3.118
4
3.020
6
2.918
8
2.821
计算编码及图像如下:
x=[02468];
lnL=[3.2193.1183.0202.9182.821];
p1=polyfit(x,lnL,1)
plot(x,lnL,'r-*')
p1=
-0.04983.2184
第四章纳污能力计算和排污消减计算
1、沙河P=90%流量计算
表6
序号
年份
流量(m³/s)
经验频率(%)
1
1968
1.47
1.92
2
2004
1.26
3.85
3
1973
1.23
5.77
4
1978
1.19
7.69
5
1986
1.15
9.62
6
2009
1.11
11.54
7
1996
1.02
13.46
8
1983
0.742
15.38
9
1972
0.694
17.31
10
1961
0.678
19.23
11
1995
0.654
21.15
12
1976
0.637
23.08
13
1993
0.634
25.00
14
1991
0.633
26.92
15
1975
0.617
28.85
16
2010
0.534
30.77
17
1977
0.517
32.69
18
1960
0.498
34.62
19
1964
0.484
36.54
20
1982
0.479
38.46
21
1967
0.458
40.38
22
1990
0.445
42.31
23
1965
0.416
44.23
24
2000
0.409
46.15
25
1974
0.391
48.08
26
2005
0.386
50.00
27
1998
0.382
51.92
28
2007
0.375
53.85
29
1980
0.374
55.77
30
2001
0.374
57.69
31
1994
0.363
59.62
32
1971
0.356
61.54
33
1997
0.346
63.46
34
2008
0.329
65.38
35
1969
0.312
67.31
36
1984
0.305
69.23
37
1963
0.29
71.15
38
1979
0.277
73.08
39
1981
0.277
75.00
40
1987
0.27
76.92
41
1999
0.266
78.85
42
1962
0.26
80.77
43
1989
0.258
82.69
44
1988
0.255
84.62
45
1992
0.246
86.54
46
1985
0.227
88.46
47
1970
0.22
90.38
48
2002
0.216
92.31
49
2006
0.199
94.23
50
1966
0.178
96.15
51
2003
0.164
98.08
计算代码及图像如下:
x=[1.923.855.777.699.6211.5413.4615.3817.3119.2321.1523.0825.0026.9228.8530.7732.6934.6236.5438.4640.3842.3144.2346.1548.0850.0051.9253.8555.7757.6959.6261.5463.4665.3867.3169.2371.1573.0875.0076.9278.8580.7782.6984.6286.5488.4690.3892.3194.2396.1598.08];
y=[1.471.261.231.191.151.111.020.7420.6940.6780.6540.6370.6340.6330.6170.5340.5170.4980.4840.4790.4580.4450.4160.4090.3910.3860.3820.3750.3740.3740.3630.3560.3460.3290.3120.3050.290.2770.2770.270.2660.260.2580.2550.2460.2270.220.2160.1990.1780.164];
p=polyfit(x,y,6);
y1=polyval(p,x);
plot(x,y,'*',x,y1,'r-')
Q=interp1(x,y1,90)
u=0.18*Q^0.24
Q=
0.2303
u=
0.1265
设计频率为90%的设计流量为0.23m3/s,相应流速u=0.18Q^0.24=0.18*0.23^0.24=0.1265m/s=10.93km/d
2、纳污能力计算与排污量削减计算
其中纳污能力的计算公式如下:
式中,W---计算单元的纳污能力,kg/d;
K---污染物综合降解系数,1/d;
C₀---计算单元上断面污染物浓度,mg/L;
C---计算单元水质目标值,mg/L;
L---功能区长度,km;
Q---计算单元上断面的设计流量,m³/s;
u---计算单元上断面的设计流速,m/s。
污水处理厂消减量公式:
式中,M---消减量,kg/d;
Q---污染源流量,m³/d;
C₀--污染源处污染物浓度,mg/L;
Cos—处理后污染物浓度,mg/L。
计算代码及结果如下:
%Co为河段上游BOD浓度;Cs为河段下游BOD浓度;L为河段间距离;CBOD为污染源BOD浓度;
%CBOD1为污染源处理后BOD浓度;Q为污染源流量;w为河段纳污力;m为消减量;
Co=[461046];
Cs=[6101064];
X=[0.752.55.18.43.0];
CBOD=[2801181501200];
CBOD1=[252020200];
Q=[24008000145032000];
symscocsxtrbodbod1q;
fori=1:
1:
5,
forj=1:
1:
5,
co=Co(i);
cs=Cs(i);
x=X(i);
t=exp(0.996*X(i)/86.4/2/0.1265);
r=exp(-0.996*X(i)/86.4/2/0.1265);
w(i)=round((31.536*(cs*t-co*r)*0.23*1000/365)*1000)/1000
cbod=CBOD(i);
cbod1=CBOD1(i);
q=Q(i);
m(i)=(cbod-cbod1)*q/1000
z(i)=w(i)+m(i)
end
end
w=
46.5590116.301093.1900120.6200-12.8680
m=
612.0000784.0000188.5000320.00000
z=
658.5590900.3010281.6900440.6200-12.8680
表7纳污能力计算表
S9
S8
S7
S6
S4-3
S3
水质分类
Ⅲ类
Ⅳ类
Ⅴ类
Ⅴ类
Ⅳ类
Ⅲ类
BOD5(mg/l)≤
4
6
10
10
6
4
DO(mg/l)≥
5
3
2
2
3
5
x
0
0.75
2.5
5.1
8.4
3.0
纳污力BOD5(kg/d)
46.56
116.30
93.19
120.62
-12.87
表8排污量削减计算表
断面
S9
S8
S7
S6
S4-3
S3
污染源
毛绢厂
五龙小区
石化厂
蛤蟆小区
污染源流量Q(m³/d)
2400
8000
1450
3200
污染源BOD5/mg/l
25
20
20
20
BOD5(kg/d)
658.56
900.30
281.69
400.62
-12.87
削减量(kg/d)
612.00
784.00
188.50
320.00
0
由表7可知S4-3断面水质目标为地表水Ⅳ类,而S3断面水质目标为地表水Ⅲ类,故两断面间河段不存在纳污力,为解决此问题需要在S4-3断面之前改善水质,使S4-3的水质优于地表水Ⅳ类。
3、污水处理率计算
污水全部达标排放的污水处理率的计算
(1)伟捷毛绢厂污水处理