matlab課程設(shè)計--河流污染物總量控制規(guī)劃

1、<p>　　題目：河流污染物總量控制規(guī)劃</p><p><b>　　第一章 總論</b></p><p><b>　　一、目的和要求</b></p><p>　　環(huán)境系統(tǒng)工程是環(huán)境工程專業(yè)重要主干課程之一。通過課程設(shè)計，使學生進一步鞏固和加深課程理論知識，并能結(jié)合具體的環(huán)境系統(tǒng)問題，進行系統(tǒng)解決方案的優(yōu)化。通

2、過課程設(shè)計的綜合訓練，提高學生利用系統(tǒng)工程方法解決實際問題的能力，特別是： </p><p>　　1、環(huán)境系統(tǒng)工程設(shè)計的基本方法、步驟，技術(shù)資料的查找與應用；</p><p>　　2、環(huán)境系統(tǒng)模型的建立過程與建立方法；</p><p>　　3、利用計算機編程節(jié)能型環(huán)境系統(tǒng)模型參數(shù)進行求解、模型的靈敏度分析等；</p><

3、p>　　4、環(huán)境問題解決方案的優(yōu)化方法；</p><p>　　5、綜合運用本課程及其有關(guān)課程的理論知識解決工程中的實際問題；</p><p>　　6、熟悉、貫徹國家環(huán)境保護法規(guī)及其它有關(guān)政策。</p><p><b>　　二、設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　題目：某河流污染物排放總量控制規(guī)劃</p>

4、;<p>　　根據(jù)設(shè)計原始資料，設(shè)計河流城區(qū)段水環(huán)境的污染物總量控制及污染物消減方案，并編制規(guī)劃方案說明書。</p><p>　　三、設(shè)計內(nèi)容、步驟和方法</p><p>　　1、通過對該河流的自然特征、水文特征以及水質(zhì)調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，對該河流的污染狀況進行評價，確定該河段的主要污染問題及主要污染因子。</p><p>　　2、根據(jù)河流的水文特征，建

5、立適宜的環(huán)境水質(zhì)模型，估算模型中的參數(shù)，并對模型進行檢驗。在此基礎(chǔ)上，建立環(huán)境容量模型，計算該河流的環(huán)境容量、允許排放量，并合理分配到各個污染源。</p><p>　　3、選定某一支流，按照其允許排放量，合理分配到支流的各個污染源，并根據(jù)各個污染源的水質(zhì)、水量情況，優(yōu)化設(shè)計各個污染源污染物的消減工藝。</p><p><b>　　第二章 原始資料</b></p

6、><p><b>　　一、河流概況</b></p><p>　　沙河是鹽河的直流，干流全長30公里，流域面積206平方公里。一般流量在，本次規(guī)劃河段長度為19.75公里，是非潮河段；兩岸分布的主要污染源有：偉捷毛娟廠，子揚石油化工廠，五萬居民的五龍小區(qū)和二萬居民的蛤蟆塘小區(qū)。</p><p>　　第二章 污染源現(xiàn)狀和水體水質(zhì)評價</p>

7、;<p><b>　　1、水質(zhì)目標</b></p><p>　　按照沙河兩岸近期（2015年）環(huán)境規(guī)劃，結(jié)合當?shù)丶夹g(shù)經(jīng)濟條件，提出不同河段的水質(zhì)目標組，S9斷面水質(zhì)目標為地表水Ⅲ類，S3斷面水質(zhì)目標為地表水Ⅲ類，S8及S4-3斷面水質(zhì)目標為地表水Ⅳ類，S7及S6斷面水質(zhì)目標為Ⅴ類。規(guī)劃情況下水溫取10℃。</p><p><b>　　2、水質(zhì)現(xiàn)

8、狀資料</b></p><p>　　根據(jù)沙河河床和排污口的排污情況以及各支流輸入的位置，選定了六個主要監(jiān)測斷面和四個輔助監(jiān)測斷面。自2009年8月至2010年4月（包括豐、平、枯水期和冰封期），對各監(jiān)測斷面進行了8次連續(xù)48小時的水文水質(zhì)同步監(jiān)測，共采集分析了二千多個樣品，主要監(jiān)測結(jié)果為表1 。</p><p>　　由表中數(shù)據(jù)可知，在各監(jiān)測斷面上DO均達到水質(zhì)目標，且均達到Ⅱ類

9、水質(zhì)標準，</p><p>　　而部分監(jiān)測斷面BOD5未達到水質(zhì)目標，求BOD5的污染指數(shù)：</p><p>　　式中， ---第i中污染物的單項污染指數(shù)；</p><p>　　---第i種污染物的實測濃度，mg/L；</p><p>　　---第i種污染物的評價標準，mg/L。</p><p>　　水質(zhì)評價代碼及圖像

10、如下：</p><p>　　bodi8=[5.9 26.51 35.53 53.08 68.71 79.87 46.2];</p><p>　　bodpi8=bodi8/6;</p><p>　　bodi7=[3.87 15.24 22.55 32.79 44.47 47.64 22.52];</p><p>　　bodpi7=bodi7/1

11、0;</p><p>　　bodi6=[3.165 6.04 8.515 21.24 15.91 28.8 8.78];</p><p>　　bodpi6=bodi6/10;</p><p>　　bodi4=[2.86 2.76 5.45 12.28 6.73 13.28 5.02];</p><p>　　bodpi4=bodi4/6;<

12、;/p><p>　　A=[bodpi8;bodpi7;bodpi6;bodpi4]</p><p>　　X = [1 2 3 4 5 6 7];</p><p>　　plot(X,A) </p><p><b>　　A =</b></p><p>　　0.9833 4.4183 5.921

13、7 8.8467 11.4517 13.3117 7.7000</p><p>　　0.3870 1.5240 2.2550 3.2790 4.4470 4.7640 2.2520</p><p>　　0.3165 0.6040 0.8515 2.1240 1.5910 2.8800 0.8780&

14、lt;/p><p>　　0.4767 0.4600 0.9083 2.0467 1.1217 2.2133 0.8367</p><p>　　注：編號1~7依次代表8、10、11、12、1、2、3月份。</p><p>　　由表2可知，監(jiān)測斷面S9、S3各月均達到Ⅲ類水質(zhì)要求目標，且均可達到Ⅰ類水質(zhì)；而監(jiān)測斷面S4-3、S6在12、1

15、、2月水質(zhì)未達標，S4-3斷面在1月達到Ⅴ類水，12、2月均未達到Ⅴ類水，而S6斷面12、1、2均未達到Ⅴ類水；最后監(jiān)測斷面S8、S7絕大多數(shù)月份不達標，且S8斷面污染較為嚴重，距離要求的Ⅴ類水差距較大。所以該河段的BOD5排放情況較為糟糕。</p><p><b>　　第三章參數(shù)估計</b></p><p>　　1、推求縱向離散系數(shù)Ed</p><

16、;p>　　為了推求該河段的縱向離散系數(shù)Ed，選擇某一均勻河段，通過投放非降解的諾丹明示蹤劑試驗。試驗情況如下：示蹤劑瞬間從岸邊投人河中，在下游分別距投放斷面2300m和4000m的測站測得示蹤劑流過時的濃度過程線C-t，如表3所示，其時間t的起算點以第一測站為準。兩測站間河道的平均水深H=0.9m，平均水面寬B=20.0m，平均摩阻流速u*=0.12m／s。</p><p>　　表3 示蹤劑試驗記錄&l

17、t;/p><p>　　由一維水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程式解得下游X處的示蹤劑濃度變化過程為:</p><p>　　首先驗證下游測站是否在一維縱向分散段內(nèi)，即示蹤劑是否在測站斷面上混合均勻。</p><p>　　橫向擴散系數(shù) Ey=0.6Hu*=0.6×0.9×0.12=0.0648㎡/s</p><p>　　兩測站間河段距離 △x=

18、x1-x2=4000-2300=1700 m</p><p>　　示蹤劑峰值在河段間的傳播時間 △t=62-13=49 min</p><p>　　河段平均流速u= = 1700/49=34.7 m/min=0.58 m/s</p><p>　　則從投放示蹤劑斷面到斷面完全混合的河段長度為</p><p>　　L===1432 m</p

19、><p>　　該距離遠小于投入示蹤劑斷面到第一測站的距離2300m，因此可以判定兩測站均處于一維縱向分散河段，滿足下面計算縱向離散系數(shù)的要求。</p><p>　　于是，示蹤劑流過第一、第二測站的濃度過程線的平均時間和方差為:</p><p><b>　　計算代碼如下：</b></p><p>　　t1=[0 3 6 9 1

20、2 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63];</p><p>　　C1 = [0 0.23 0.58 0.83 0.96 0.96 0.87 0.76 0.63 0.51 0.39 0.29 0.23 0.18 0.14 0.12 0.09 0.06 0.04 0.03 0.02 0.0];</p><p>　　S1 = t1

21、*C1';</p><p>　　E = [1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1];</p><p>　　SS1 = C1*E';</p><p>　　t1_average = S1/SS1;</p><p>　　t2=[37 42 47 52 57 62 67 72 77 82

22、 87 92 97 102 107 112 117 122 127 132 137 142];</p><p>　　C2 = [0 0.08 0.24 0.44 0.60 0.65 0.61 0.53 0.43 0.33 0.24 0.18 0.12 0.08 0.06 0.03 0.02 0.02 0.02 0.01 0.01 0.0];</p><p>　　S2 = t2*C2'

23、;;</p><p>　　SS2 = C2*E';</p><p>　　t2_average = S2/SS2;</p><p><b>　　% 第一站方差</b></p><p>　　B1 = (t1 - t1_average).^2;</p><p>　　BB1 = C1*B1'

24、;;</p><p>　　Q1 = BB1/SS1;</p><p><b>　　% 第二站方差</b></p><p>　　B2 = (t2-t2_average).^2;</p><p>　　BB2 = C2*B2';</p><p>　　Q2 = BB2/SS2;</p>

25、<p><b>　　% 離散系數(shù)</b></p><p>　　Ed = (0.58*86.4)^2*(Q2-Q1)/(2*(t2_average-t1_average)*24*60);</p><p>　　B =[t1_average t2_average Q1 Q2 Ed]</p><p><b>　　B =</

26、b></p><p>　　19.9962 69.8404 127.2083 267.8362 2.4601</p><p><b>　　=</b></p><p>　　計算降解系數(shù)K1和復氧系數(shù)K2</p><p>　　為求降解系數(shù)與復氧系數(shù)，已經(jīng)得到穩(wěn)態(tài)情況下河流實測水質(zhì)資料如表4，流速為20km/

27、d，水溫為5.8℃。</p><p>　　表4 穩(wěn)態(tài)情況下河流實測水質(zhì)資料</p><p><b>　　轉(zhuǎn)換得 </b></p><p><b>　　表5</b></p><p>　　計算編碼及圖像如下：</p><p>　　x = [0 2 4 6 8];

28、</p><p>　　lnL = [3.219 3.118 3.020 2.918 2.821];</p><p>　　p1 = polyfit(x,lnL,1)</p><p>　　plot(x,lnL,'r-*')</p><p><b>　　p1 =</b></p><p>

29、　　-0.0498 3.2184</p><p>　　第四章納污能力計算和排污消減計算</p><p>　　1、沙河P=90%流量計算</p><p><b>　　表6</b></p><p>　　計算代碼及圖像如下：</p><p>　　x = [1.92 3.85 5.77 7.69 9

30、.62 11.54 13.46 15.38 17.31 19.23 21.15 23.08 25.00 26.92 28.85 30.77 32.69 34.62 36.54 38.46 40.38 42.31 44.23 46.15 48.08 50.00 51.92 53.85 55.77 57.69 59.62 61.54 63.46 65.38 67.31 69.23 71.15 73.08 75.00 76.92 78.85

31、80.77 82.69 84.62 86.54 88.46 90.38 92.31 94.23 96.15 98.08];</p><p>　　y = [1.47 1.26 1.23 1.19 1.15 1.11 1.02 0.742 0.694 0.678 0.654 0.637 0.634 0.633 0.617 0.534 0.517 0.498 0.484 0.479 0.458 0.445 0.416

32、0.409 0.391 0.386 0.382 0.375 0.374 0.374 0.363 0.356 0.346 0.329 0.312 0.305 0.29 0.277 0.277 0.27 0.266 0.26 0.258 0.255 0.246 0.227 0.22 0.216 0.199 0.178 0.164];</p><p>　　p = polyfit(x,y,6);</p>&

33、lt;p>　　y1=polyval(p,x);</p><p>　　plot(x,y,'*',x,y1,'r-')</p><p>　　Q=interp1(x,y1,90)</p><p>　　u =0.18*Q^0.24</p><p><b>　　Q =</b></p>

34、;<p><b>　　0.2303</b></p><p><b>　　u =</b></p><p><b>　　0.1265</b></p><p>　　設(shè)計頻率為90%的設(shè)計流量為0.23m3/s，相應流速u=0.18Q^0.24=0.18*0.23^0.24=0.1265m/s=

35、10.93km/d</p><p>　　2、納污能力計算與排污量削減計算</p><p>　　其中納污能力的計算公式如下：</p><p>　　式中，W---計算單元的納污能力，kg/d;</p><p>　　K ---污染物綜合降解系數(shù)，1/d；</p><p>　　C?---計算單元上斷面污染物濃度，mg/L；&l

36、t;/p><p>　　C---計算單元水質(zhì)目標值，mg/L；</p><p>　　L---功能區(qū)長度，km;</p><p>　　Q---計算單元上斷面的設(shè)計流量，m³/s；</p><p>　　u---計算單元上斷面的設(shè)計流速，m/s。</p><p>　　污水處理廠消減量公式：</p><

37、p>　　式中，M---消減量，kg/d；</p><p>　　Q---污染源流量，m³/d；</p><p>　　C?--污染源處污染物濃度，mg/L；</p><p>　　Cos—處理后污染物濃度，mg/L。</p><p>　　計算代碼及結(jié)果如下：</p><p>　　% Co為河段上游BOD濃度；

38、Cs為河段下游BOD濃度；L為河段間距離；CBOD為污染源BOD濃度；</p><p>　　% CBOD1為污染源處理后BOD濃度；Q為污染源流量；w為河段納污力；m為消減量；</p><p>　　Co = [4 6 10 4 6];</p><p>　　Cs = [6 10 10 6 4];</p><p>　　X = [0.75 2.5

39、5.1 8.4 3.0];</p><p>　　CBOD =[280 118 150 120 0];</p><p>　　CBOD1=[25 20 20 20 0];</p><p>　　Q = [2400 8000 1450 3200 0];</p><p>　　syms co cs x t r bod bod1 q;</p>

40、<p>　　for i = 1:1:5,</p><p>　　for j = 1:1:5,</p><p>　　co = Co(i);</p><p>　　cs = Cs(i);</p><p><b>　　x = X(i);</b></p><p>　　t =exp(0.996*X(

41、i)/86.4/2/0.1265);</p><p>　　r =exp(-0.996*X(i)/86.4/2/0.1265);</p><p>　　w(i) = round((31.536*(cs*t - co*r)*0.23*1000/365)*1000)/1000</p><p>　　cbod = CBOD(i);</p><p>　　c

42、bod1=CBOD1(i);</p><p><b>　　q = Q(i);</b></p><p>　　m(i) = (cbod-cbod1)*q/1000</p><p>　　z(i) = w(i)+m(i)</p><p><b>　　end</b></p><p>&

43、lt;b>　　end</b></p><p><b>　　w =</b></p><p>　　46.5590 116.3010 93.1900 120.6200 -12.8680</p><p><b>　　m =</b></p><p>　　612.0000 784.

44、0000 188.5000 320.0000 0</p><p><b>　　z =</b></p><p>　　658.5590 900.3010 281.6900 440.6200 -12.8680</p><p>　　由表7可知S4-3斷面水質(zhì)目標為地表水Ⅳ類，而S3斷面水質(zhì)目標為地表水Ⅲ類，故兩斷面間河段不存

45、在納污力，為解決此問題需要在S4-3斷面之前改善水質(zhì)，使S4-3的水質(zhì)優(yōu)于地表水Ⅳ類。</p><p><b>　　3、污水處理率計算</b></p><p>　　污水全部達標排放的污水處理率的計算</p><p>　　（1）偉捷毛絹廠污水處理率計算</p><p>　　根據(jù)《紡織染整工業(yè)污水排放標準》的要求，毛絹廠排放

46、污水中BOD5的濃度應≤25mg/l,故該廠的污水的BOD去除率應為</p><p>　　η=（280-25）/280=0.911</p><p>　?。?）五龍小區(qū)污水處理率計算</p><p>　　根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》的要求，五龍小區(qū)排放污水中的BOD5的濃度應符合一級標準中的B標準，即排放污水中BOD5的濃度應≤20mg/l，故該廠的污水的BO

47、D5去除率應為</p><p>　　η=（118-20）/118=0.831</p><p>　?。?）子揚石油化工廠污水處理率計算</p><p>　　根據(jù)《污水綜合排放標準》的要求，子揚石油化工廠排放污水中的BOD5的濃度應符合第二類污染物最高允許排放濃度的一級標準，即排放污水中的BOD5的濃度應≤20mg/l，故該廠的污水的BOD去除率應為</p>

48、<p>　　η=（150-20）/150=0.867</p><p>　?。?）蛤蟆塘小區(qū)污水處理率計算</p><p>　　根據(jù)《污水綜合排放標準》的要求，蛤蟆塘小區(qū)排放污水中的BOD5的濃度應符合一級標準中的B標準，即排放污水中的BOD5的濃度應≤20mg/l，故該廠的污水的BOD5去除率應為</p><p>　　η=（120-20）/120=0.

49、833</p><p>　　第五章水質(zhì)模擬計算與水質(zhì)控制方案優(yōu)化</p><p><b>　　1、水質(zhì)模擬計算</b></p><p>　　對于單一河道，很據(jù)自身的特點和沿流量輸入與輸出的狀況，將河道劃分為N個計算河段，共N+1個斷面。分段的原則是使得每一河段大體適用一維水質(zhì)模型的應用條件。斷面的編號從上游到下游依次為0,1,2，…，i,i+1

50、, …，n.</p><p>　　污水不處理的情況下的水質(zhì)模擬計算，污水不處理的各項污染物濃度如表9示。</p><p>　　表9 規(guī)劃水平年污染源資料</p><p>　　BOD濃度計算公式如下：</p><p>　　式中，C---河流斷面下游BOD濃度，mg/L；</p><p>　　Co—河流斷面上游BOD

51、濃度，mg/L</p><p>　　K?---河水中BOD降解系數(shù)，1/d；</p><p>　　x---河流兩斷面間的間距，Km；</p><p>　　u---河流中水流的平均流速，m/s。</p><p>　　DO濃度的計算公式：</p><p>　　式中，Cc---河流斷面下游溶解氧的濃度，mg/L；</p

52、><p>　　Ccs---河水中的飽和溶解氧濃度，mg/L；</p><p>　　Cco---河流斷面上游溶解氧的濃度，mg/L；</p><p>　　Co---河流斷面上游BOD的濃度，mg/L；</p><p>　　K?---河水中BOD的降解系數(shù)，1/d；</p><p>　　K?---河流的復氧系數(shù)，1/d；<

53、;/p><p>　　x---河流兩斷面間的間距，Km；</p><p>　　u---河流中河水的平均流速，m/s。</p><p>　　BOD濃度及DO濃度計算代碼如下：</p><p><b>　　u=0.1265;</b></p><p>　　Q=0.23;Q1=2400/24/3600;Q2=8

54、000/24/3600;Q3=1450/24/3600;Q4=3200/24/3600;</p><p>　　C0=4; C1=280; C2=118; C3=150; C4=120;</p><p>　　x1=0.75; x2=2.5; x3=5.1; x4=8.4; x5=3.0;</p><p><b>　　c0 =C0;</b><

55、/p><p>　　c =C0*exp(-0.996*x1/86.4/u);</p><p>　　c1 =(c*Q+C1*Q1)/(Q+Q1);</p><p>　　c12=c1*exp(-0.996*x2/86.4/u);</p><p>　　c2 =(c12*Q+C2*Q2)/(Q+Q2);</p><p>　　c23=

56、c2*exp(-0.996*x3/86.4/u);</p><p>　　c3 =(c23*Q+C3*Q3)/(Q+Q3);</p><p>　　c34=c3*exp(-0.996*x4/86.4/u);</p><p>　　c4 =(c34*Q+C4*Q4)/(Q+Q4);</p><p>　　c5 =c4*exp(-0.996*x5/86.

57、4/u);</p><p>　　% A為各斷面的BOD濃度</p><p>　　A =[c0 c1 c2 c3 c4 c5]</p><p>　　K1=0.996;K2=3.48;Ccs=11.26;Cco=5;</p><p>　　Cc1= Ccs-(Ccs-Cco)*exp(-K2*x1/86.4/u)+K1*c0/(K1-K2)*(ex

58、p(-K1*x1/86.4/u)-exp(-K2*x1/86.4/u));</p><p>　　Cc2= Ccs-(Ccs-Cc1)*exp(-K2*x1/86.4/u)+K1*c1/(K1-K2)*(exp(-K1*x1/86.4/u)-exp(-K2*x1/86.4/u));</p><p>　　Cc3= Ccs-(Ccs-Cc2)*exp(-K2*x1/86.4/u)+K1*c2/(

59、K1-K2)*(exp(-K1*x1/86.4/u)-exp(-K2*x1/86.4/u));</p><p>　　Cc4= Ccs-(Ccs-Cc3)*exp(-K2*x1/86.4/u)+K1*c3/(K1-K2)*(exp(-K1*x1/86.4/u)-exp(-K2*x1/86.4/u));</p><p>　　Cc5= Ccs-(Ccs-Cc4)*exp(-K2*x1/86.4/

60、u)+K1*c4/(K1-K2)*(exp(-K1*x1/86.4/u)-exp(-K2*x1/86.4/u));</p><p>　　% B為各斷面DO濃度</p><p>　　B =[Cco Cc1 Cc2 Cc3 Cc4 Cc5]</p><p><b>　　A =</b></p><p>　　4.0000

61、33.5056 52.8908 41.1716 33.1369 25.2105</p><p><b>　　B =</b></p><p>　　5.0000 6.0951 5.2259 3.4037 2.6563 2.5393</p><p>　　水質(zhì)模擬計算結(jié)果如表10示。</p>

62、<p>　　由表可以看出，污水不經(jīng)處理直接排入河道，各個斷面無法滿足水質(zhì)要求，需要進行污水處理。</p><p>　　第六章合理性分析與水環(huán)境保護措施</p><p><b>　　1、節(jié)約用水</b></p><p>　　解決水資源供需矛盾的辦法，除繼續(xù)興建水源工程外，必須大力倡導并推行節(jié)約用水，制定節(jié)水目標和規(guī)劃，采取鼓勵節(jié)水的經(jīng)濟

63、政策，增加水資源的循環(huán)利用，以減少污水的排放。</p><p><b>　　2、防治結(jié)合</b></p><p>　　應當根據(jù)沙河水污染的特征和流域內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展的要求，盡快制定切實可行的水資源保護條例等相關(guān)法規(guī)。強制關(guān)閉資源消耗高而又污染嚴重的小型企業(yè)，提高水資源的利用率，對重點工業(yè)污染源實行達標排放，對污染嚴重的河段進行重點治理。</p><p&g