【清华】13-湖泊模型-961102509

环境数据处理与数学模型湖泊水库水质模型董欣环境系统分析教研所湖泊和水库水质模型湖泊和水库的水文、水质特征湖泊水库的营养物质、营养源、营养状态湖泊水库的箱式水质模型与营养状态预测湖泊和水库的生态系统模型湖泊和水库的水文、水质特征（1）流速小与河流相比，湖泊与水库中的水流处于相对静止状态。（2）停留时间长湖泊与水库中的水流交换周期比较长，从若干月到若干年，属于静水环境。（3）水生生态系统相对比较封闭湖泊水库的生态系统结构和特征一般取决于湖泊和水库所处的地理位置、周围的土壤性质、植被类型等湖泊和水库的水文、水质特征（4）主要水质问题是富营养化由于湖泊和水库属于静水环境，污染物进入湖泊水库以后容易积累，特别是营养物质的积累可能会导致湖库的富营养化。事实上，天然的湖泊都有一个从贫营养向富营养的发展过程，从贫营养过渡到富营养，进而发展到沼泽，直至死亡，是自然湖泊发展的规律。在自然界里，这是一个漫长的历史进程，但是人类活动会大大加速这个进程，从而成为一种生态问题。湖泊和水库的水文、水质特征（5）在水深较深的湖泊水库中，水温、密度和水质的竖向分层也是常见的水质特征。秋末冬初出现“翻池”现象。DCBADZ夏季冬季A表层；B斜温层；C下层；D底层monthT(oC)05101520JFMAMJJASONDEpilimnionHypolimnion16.74oC湖泊和水库的水文、水质特征LakeOntarioTemperatureepilimnion(e)hypolimnion(h)Tzthermocline湖泊和水库的水文、水质特征SUMMERSTRATIFICATIONSRPTz(a)oligotrophic(bz)eutrophicTO2SRPO2湖泊和水库的水文、水质特征ProfilesofChemicalConstituentsInStratifiedLakes湖泊和水库水质模型湖泊水库的水文、水质特征湖泊水库的营养物质、营养源、营养状态湖泊水库的箱式水质模型和营养状态预测湖泊水库的生态系统模型湖泊水库中的营养物质营养物质营养物质的作用：无机营养物质(InorganicNutrient)是植物合成作用的原材料淡水中藻类的生长，大约需要16～20种营养物质营养物质的输入是湖库富营养化的物质基础营养物质的分类：常量营养物质，如碳、氧、氮、磷、硅、硫、铁微量营养物质，如锰、铜、锌水质模拟一般常集中在4种常量营养物质上：磷、氮、碳、硅airwaterammonificationorganicNNH4+NO2-NO3-nitrificationnitrificationO2O2,snetproductionN2nitrogenfixationN2,sNH3highpHlowpHgas-filmcontrolledvolatilizationliquid-filmcontrolledvolatilizationsettlingdenitrificationdenitrification湖泊水库中的营养物质：NITROGENCYCLEAvailableInorganicP(SRP)Non-ParticulateUnavailableOrganicPParticulateOrganicPParticulateInorganicPNon-ParticulateUnavailableInorganicPORGANICINORGANICAVAILABLEUNAVAILABLENON-PARTICULATEPARTICULATE湖泊水库中的营养物质：PHOSPHORUSCYCLE湖泊水库的营养源与营养负荷主要营养源与营养负荷的计算地面径流的营养负荷降水的营养负荷人为因素排放的营养负荷生活污水工业废水湖泊水库的营养源与营养负荷地面径流的营养负荷计算Ijl－来自地面径流的第j种营养物质的负荷，g/a；Ai－第i种土地利用类型的面积，m2；Eij－第i种土地的单位面积上第j种营养物质的流失量，g/m2/a；m－土地利用类型的总数。miijijlEAI1湖泊水库的营养源与营养负荷地面径流的营养负荷计算不同类型土地的磷、氮流失量土地利用类型Eip(mg/m2/a)Ein(mg/m2/a)火成岩沉积岩火成岩沉积岩森林范围0.7－97－18130－300150－500平均值4.711.7200340森林＋牧场范围6－1611－37200－600300－800平均值10.223.3400600农业区柑橘园182240牧场15－75100－850庄稼地20－200500－1200湖泊水库的营养源与营养负荷降水的营养负荷计算：Ijp－由降水输入的第j种营养物质的负荷，g/a；As－湖、库的水面面积，m2；Cj－第j种营养物在降水中的含量，g/m3；P－年降水量，m/a。sjjpPACI湖泊水库的营养源与营养负荷降水的营养负荷计算：某地降水中的磷、氮含量Cp和CnCn(g/m3)Cp(g/m3)范围平均值0.025－0.10.070.2－1.61.0湖泊水库的营养源与营养负荷人为因素排放的负荷计算生活污水中的营养负荷：Ijs－流入湖泊或水库的生活污水中含有的第j种营养物质的负荷，g/a；S－产生污水的人数，人；Ejs－每人每年产生的第j种营养物质的量，g/人/a。Ejs的数值与地区条件、人们的生活水平、生活习惯有关。据统计，每人每年大约排放磷800～1800g，氮300～3800g。jsjsSEI湖泊水库的营养源与营养负荷人为因素排放的负荷计算工业污水中的营养负荷：Ijk－第k种工业废水中第j种营养物的负荷，g/a；Qk－第k中工业废水的排放量，m3/a；Ejk－第k种废水中第j种营养物的含量，g/m3；n－含第j种营养物的污染源数。nklkkjkEQI1湖泊水库的营养源与营养负荷人为因素排放的营养负荷计算工业废水情况比较复杂，可以根据不同的废水类型计算。几种工业废水的氮、磷含量（mg/L）：废水名称总氮总磷屠宰厂废水100－300罐头厂废水－160甜菜制糖厂废水20－100高粱酿酒厂废水800－900对硫磷生产废水250黄磷生产废水57－390湖泊水库的营养源与营养负荷湖泊水库的总营养负荷：前二者属于非点源负荷后二者属于点源负荷jkjsjpjlIIIIIj+++湖泊水库的营养状态及其判别水体根据营养状态的分类：贫营养化(Oligotrophic)；中营养化(Mesotrophic)；富营养化(Eutrophic)；超营养化(Hypereutrophic)注：以上词汇多用于描述湖泊水库，但也可用于河流和港湾。湖泊水库的营养状态及其判别湖泊水库的富营养化表观特征：当水体中浮游生物大量繁殖，特别是某些蓝藻、绿藻和硅藻，在水面形成稠密的藻被层，水中严重缺氧，导致鱼类和其它水生生物的死亡，意味着水体富营养化的发生。危害表现在多个方面，生物量上：浮游植物大量生长，降低水体透明度，影响景观，甚至堵塞给水厂的滤池。根系植物大量繁殖，堵塞水道，影响航运和水上娱乐。化学特性上：植物的生长和呼吸会影响水体的化学特性，例如DO和CO2浓度。水体溶解氧高低直接影响有机体，如鱼类的生存；CO2影响水体的pH值。生物学特性上：富营养化会改变生态系统的物种组成。某些藻类会给饮用水带来异味，甚至有些蓝绿藻是有毒的。湖泊水库的营养状态及其判别湖泊水库的营养状态判别影响湖泊水库营养状态的因素非常复杂，往往难以预测，目前也没有公认的判别指标和标准。实用标准（美国）：变量贫营养中营养富营养总磷（µgP/L）1010-2020叶绿素a（µgChla/L）44-1010Secchi-DiskDepth(m)42-42Hypolimnionoxygen(%saturation)8010-8010湖泊水库的营养状态及其判别湖泊水库的富营养化判别通常认为，水体的水质达到如下状态，有可能引起富营养化：总氮＞0.2~0.3mg/L总磷＞0.01~0.02mg/LBOD5＞10mg/LpH=7~9细菌总数＞100,000个/mL叶绿素_a＞0.01mg/L湖泊和水库水质模型湖泊和水库的水文、水质特征湖泊水库的营养物质、营养源、营养状态湖泊水库的箱式水质模型与营养状态预测湖泊和水库的生态系统模型湖泊水库的箱式水质模型完全混合模型沃伦威德尔模型吉柯奈尔－狄龙模型分层箱式模型湖泊水库的箱式水质模型沃伦威德尔模型模型的微分形式：适用条件：水体入流、出流及营养物质输入稳定QCsCVIdtdCVc--V－湖库的容积，m3C－营养物质的浓度，g/m3Ic－营养物质的输入总负荷，g/as－营养物质在湖库中的沉积速度常数，1/aQ－湖库的出流流量，m3/aLoadOutflowSettling湖泊水库的箱式水质模型沃伦威德尔模型模型的解析解定义冲刷速度常数：r=Q/V给定初始条件：当t=0时，C=C0解析解：当t→∞时，可以达到水中营养物的平衡浓度：trsrsVICrsVrsVICcc+-+-+++exp0VsrICcp+湖泊水库的箱式水质模型例：湖泊容积V=1.0×107m3，支流输入水量Qin=0.5×108m3/a，支流中TP浓度为3mg/L；湖泊的TP本底浓度C0=1.5mg/L，TP在湖泊中的沉积速度常数s=0.08/a。试求湖泊的TP平衡浓度，及达到平衡浓度的99%时所需的时间。解：对于任意的C/Cp，所需的时间t可以从上式导出：011exppcVsrCCsrtCI++--+0011ln11ln1ccpcpVsrCCCtIVsrCICICsrsr+-----+-++湖泊水库的箱式水质模型解：当C/Cp＝0.99时，此外，当t→∞时，TP达到平衡浓度：8780.9911.5101ln0.770.0851.0100.0851.51.510ta--++-871.5102.951.0100.085pCmgL+湖泊水库的箱式水质模型沃伦威德尔模型富营养化状态预测总磷面积负荷Lp与总磷浓度的关系用法：取sH=12.4m/yr,中营养化的临界值取TP=10～20µg/L在log(Lp)～log(qs)图上，可以画出两条临界线1pppsswwpsIPrsVIrsVHLPPsHPsHAALogLLogPLogqsH++++++总磷平衡浓度：总磷面积负荷：沃伦威德尔曲线：Lp(gPm-2yr-1)0.010.11100.11101001000qs(myr-1)slowflushersfastflushersTP=20湖泊水库的箱式水质模型LoadingPlotDerivedfromVollenweiderModelTP=10HwHQVQAsqsHQHAsOverflowrate湖泊水库的箱式水质模型吉柯奈尔－狄龙模型沃沦威德尔模型在应用中遇到的主要困难：难于确定营养物在湖库中的沉积速度常数s吉柯奈尔－狄龙模型的处理方法：引入滞留系数RC的概念湖泊水库的箱式水质模型吉柯奈尔－狄龙模型滞留系数RC定义：进入湖泊水库中的营养物在湖库中的滞留分数计算：可以根据湖泊水库的入流、出流负荷近似计算出滞留系数-nkikikmjjjCCqCqR11001q0j－第j条出湖支流的出流量，m3/a；C0j－第j条出湖支流中的营养物浓度，mg/L；qik－第k条入湖支流的入流量，m3/a；Cik－第k条入湖支流中的营养物浓度，mg/L；m－出湖支流的数目；n－入湖支流的数目。湖泊水库的箱式水质模型吉柯奈尔－狄龙模型模型微