第五章湖泊水库水质模型

第五章湖泊水库水质模型本章内容湖泊水库的污染特性湖泊水库温度模型湖泊水库水质模型湖泊水库富营养化模型湖泊水库生态系统模型湖泊水库水质模拟通用软件介绍案例分析湖泊水库的污染特性第五章湖泊水库水质模型污染来源与途径污染源污染类型污染物来源外源污染物点源工业废水城镇生活污水固体废物处置场面源矿区地表径流城镇地表径流农牧区地表径流大气降尘大气降水水体投饵养殖水面娱乐活动废弃物水土流失及土壤侵蚀内源污染物底泥及沉积物污染物入湖途径点源污染非点源污染地下水河渠降尘降水养殖投饵流域入地表面湖泊水库营养源与营养负荷湖库营养源（1）点源（2）非点源（3）内源营养负荷（1）地面径流的营养负荷Ijl（2）降水的营养负荷Ijp（3）人为因素营养负荷（生活污水Ijs和工业污水Ijk）（4）湖泊水库的总营养平衡jjljPjsjkIIIII富营养化的控制因子湖泊富营养化定义指湖泊水体接纳过量的氮、磷等营养性物质，使水体中藻类以及其他水生生物异常繁殖，水体透明度和溶解氧变化，造成湖泊水质恶化，加速湖泊老化，从而使湖泊生态和水功能受到阻碍和破坏。富营养化的控制因子湖泊营养度植物的生产活动流入的营养盐热的传播和水温分层氧气的供给和消耗透明度湖外物质的流入（营养盐）湖底堆积物的性质湖底的凹凸湖盆的形态深度光的透入湖岸带的发育季节变化湖水流动和混合日照风降水气候湖的面积地下水、农业、矿业基底的组成流域生态系统人类的影响纬度地形地质地理位置（1）限制性营养物质（2）温度和照度（3）湖库形态（4）溶解氧和pH20max1TTGG201.8(1.066)TTGessee1e2.718282(e)ffKHIIIIRKHT湖泊水库富营养化判别标准判别指标（1）物理指标即水温、透明度、光强等，透明度最为常用。（2）化学指标与藻类增殖直接相关的DO，CO2，COD以及营养盐等指标。（3）生物学指标大致可分为藻类现存量（叶绿素）、生物指标（调查特定生物出现的状况）、多样性指数（调查群集生物的多样性）和藻类增殖的潜在能力。判别标准（1）卡尔森营养状态指数（TSI）（2）修正的营养状态指数（TSIM）（3）综合营养状态指数lnSDTSI(SD)10(6)ln22.040.68lnchlaTSI(chla)10(6)ln248lnTPTSI(TP)10(6)ln2lnchlaTSIM(chla)10(2.46)ln2.53.691.53lnSDTSIM(SD)=10(2.46+)ln2.56.71+1.15lnTPTSI(TP)=10(2.46+)ln2.51TLI()TLI()mjjWj2j21Wijmijjrr湖泊水库温度模型第五章湖泊水库水质模型湖泊水库水温特征湖泊水温受湖面以上气象条件（主要是气温与风）、湖泊容积和水深以及湖盆形态等因素的影响，呈现出具有时间与空间的变化规律，比较明显的季节性变化与垂直变化。一般容积大、水深大的湖泊，水温常呈垂向分层型。通常水温的垂向分布有三个层次，上层温度较高，下层温度较低，中间为过渡带，称为温跃层。冬季因表面水温不高，可能没有显著的温跃层。夏季的温跃层较为明显。水温分层湖库中的热分层湖库中温度的竖向分布ZT均匀混合温度模型对于均匀混合型湖泊，假定水温在各个方向是均匀的，仅考虑它随时间的变化，可利用总体热量平衡模型，计算湖泊温度随时间的变化过程。bb()tTSRSRARARBRECHOItHOISRSRbARARbCEBR分层温度模型垂向一维温度模型当忽略水流垂向速度及分子扩散项时v()()()zTTTAzuAzDESttZzv1()()()TTSAzEtAzzzAz能量平衡模型能量平衡模型将湖库沿垂向分为n+m个小薄层其中，上部m层为混合均匀层，下部n层为变温层，每层厚度为ΔZ。1/pkEE变温层混合层混合层变温层Δz1/pkEE≥*k0sdEWAtp1(,)(1,)(,)(1)miEgVikPmkikmiz•当EkEp时，水面输入的风能将转化为势能，分层不稳定，混合层水体向下扩展。•当EkEp时，水体形成稳定的分层，水面风能用于克服水体黏性而消失，混合层水体的厚度不增加。湖泊水库水质模型第五章湖泊水库水质模型湖库完全混合箱式模型——沃伦威德尔模型概述创始：沃伦威德尔（R.A.Vollenweider）在20世纪70年代初期研究北美大湖时提出。适用：停留时间很长，水质基本处于稳定状态的湖泊水库。假定：湖泊中某种营养物的浓度随时间的变化率，是输入、输出和在湖泊内沉积的该种营养物量的函数。不足：不能描述发生在湖泊内的物理、化学和生物过程，同时也不考虑湖泊和水库的热分层，是只考虑其输入—产出关系的模型。模型引入冲刷速度常数r（令r＝Q/V），则得到在给定初始条件，当t＝0，C＝C0时，求得上式的解析解为cddCVIsCVQCtcddICsCrCtVc0c()exp[()]()()IVsrCICsrtVsrVsr在湖泊、水库的出流、入流流量及营养物质输入稳定的情况下，当t→∞时，可以得到营养物质的平衡浓度Cp：如进一步令且，则湖泊、水库中的营养物质平衡浓度变为：cp()ICrsVcpwLChshtccsILAw1VtrQsVAh案例分析已知湖泊的容积V=1.0×107m3/a，湖泊内CODCr的本底浓度C0=1.5mg/L，河流中COD浓度为C1=3mg/L，COD在湖泊中的沉积速度常数s=0.08a-1。试求湖泊中的COD平衡浓度，及达到平衡浓度的99%所需的时间。解答：根据题目，得到0pc11esrtVsrCCCIcpp00cc1111lnln1CCICCtVsrCsrsrVsrCII根据题意已知：V=1.0×107m3，s=0.08a-1，r=Q/V=5a-1，C0=1.5g/m3，Ic=0.5×108×3=1.5×108g/a。当C/Cp=0.99时：根据公式，计算结果为：达到COD平衡浓度的99%约需0.77a；平衡浓度值为2.95g/m3。a77.033020.0ln08.51105.15.1508.0100.1105.1199.0ln508.01878t378pg/m95.210508.0105.1C湖库完全混合箱式模型——吉柯奈尔—狄龙模型模型引入滞留系数Rc：如给定初始条件t＝0，C＝C0，得到上式的解析解：若湖库得出流、入流及污染物的输入都比较稳定，当t→∞时，可以达到营养物质的平衡浓度Cp：cc(1)ddIRCrCtV0(1)(1)[]exp()ccccIRIRCCrtrVrVccccp(1)(1)IRLRCrVrh可根据湖库的入流、出流近似计算出滞留系数。001c11mjjjnikikkqCRqC湖库完全混合箱式模型——分层箱式模型概述1975年，斯诺得格拉斯（Snodgrass）等提出了一个分层的箱式模型，用以近似描述水质分层状况。分层箱式模型把上层和下层各视为完全混合模型，在上、下层之间紊流扩散的传递作用。分层箱式模型分为夏季模型和冬季模型，夏季模型考虑上、下分层现象，冬季模型则考虑上、下层之间的循环作用。模拟包含的水质组分为正磷酸盐（Po）和偏磷酸盐（Pp）的变化规律。概化图)(pojjppQ)(peoeppQphthththPAZKohthththPAZKoeppeppethththPAZKoethththPAZKpeshPASohpphpphshPAS)(pojjjppQ)(peoeppQoepopeprVVpsPSA模型（1）夏季分层模型对表层正磷酸盐Poe对表层偏磷酸盐Ppe对下层正磷酸盐Poh对下层偏磷酸盐Pphoetheooeeeoethohoethd()djjPkVQPQPPVPAPPtZpetheppeethpeeeoethphpethd()djjPkVQPQPSAPPVPAPPtZohthhhhphthoeohthd()dPkVrVPAPPtZphthhethpehsphhhphthpephthd()dPkVSAPSAPrVPAPPtZ（2）冬季分层模型对全湖的正磷酸盐Po：对下层偏磷酸盐Pp：oooeueuopddjjPVQPQPPVPrVPtpppeueuopspddjjPVQPQPPVPrVPSAPt夏季的分层模型和冬季的循环模型可以用秋季或春季的“翻池”过程形成的完全混合状态作为初始条件，此时oeeohhoPVPVPVpeephhpPVPVPV湖库分层水质模型——卡拉乌舍夫湖泊水库水质扩散模型模型当为稳定排放，且边界条件取距排放口充分远的某点r0处的现状值Cr0，上式求解得：2p21rrrrrQCCCMMtHrrrppp00()rQHMrrrCCCCr22/31/320πrHduhMufgH湖库分层水质模型——易降解物质简化的水质模型模型将卡拉乌舍夫湖泊水库水质扩散模型中扩散项忽略掉，并考虑污染物的降解作用，这样既可得到稳态条件下污染物在湖库中推流和生化降解共同作用下的基本方程：p1ddrrCQKCHrr当边界条件取r=0时，Cr=Cr0（为排出口浓度），则其解析解为：当考察湖库的水质指标是溶解氧时，并只考虑BOD的耗氧因素与大气复氧因素，可推导出湖库的氧亏方程：解析解：210pexp172800rrKHrCCQp12d()dDQKLKDHrr22210122021pppexpexpexp222KLKHrKHrKHrDDKKQQQ湖泊水库富营养化模型第五章湖泊水库水质模型经验模型分类（1）单一营养物质负荷模型（2）藻类生物量与营养物质负荷量之间的相关模型。一般模型根据物质平衡原理，对于完全混合型湖泊、水库，以磷负荷为研究对象，磷负荷的收支平衡方程为：解析解：pppppddiWQWkWWtVpppp0ppp1exp11iit经验模型——沃伦威德（Vollenweider）模型模型湖泊磷的临界负荷量计算公式：pPPTWLPQHVkHkVPiWLAcrss101HLqq经验模型——狄龙（Dillon）模型模型pLpwkRkLw(1)LRPHL1iiQPRQP生态模型Jφrgensen（1976）根据丹麦Glumsoe湖的研究建立了湖泊富营养化生态模型。该模型主要包括以下几个主要成分：（1）三个营养级，即浮游植物、浮游动物和鱼类（2）浮游植物生物量动态（3）水—沉积物之间营养物质的交换（4）氮的反硝化作用（5）温度、光照对藻类生长率的影响（6）河流氮的输入情况等生态动力学模型模型()()()()xyzCCCCCCuvwEEtxyzxxyyCEFCSzz湖库生态系统中生态变量的循环功能对营养盐循环过程的模拟，对藻类生长机理的模拟，对影响藻类生长相关因子的定量描述。模拟对象浮游植物的生长与死亡，营养盐的循环过程，DO的动力过程ORG-NPNCChlaPHTYORG-PDOCBODCO2O21627457137912131312111011833810水体底部沉积物3NO2NO43NHNH34PO湖泊水库生态系统模型第五章