第五章湖泊水库水质模型

1、第五章第五章 湖泊水库水质模型湖泊水库水质模型 本章内容本章内容第五章第五章 湖泊水库水质模型湖泊水库水质模型 污染来源与途径污染来源与途径 l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l污染物入湖途径点源污染点源污染非点源污染非点源污染地下水地下水河渠河渠降尘降尘降水降水养殖投饵养殖投饵流域入地表面流域入地表面湖泊水库湖泊水库营养源与营养负荷营养源与营养负荷l湖库营养源 （1）点源 （2）非点源 （3）内源 l

2、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富营养化的控制因子l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。l富营养化的控制因子（1）限制性营养物质 （2）温度和照度（3）湖库形态（4）溶解氧和pH20max1TTGG201.8(1.066)TTGessee1e2.718282(e)ffK HII

3、IIRK HT湖泊水库富营养化判别标准湖泊水库富营养化判别标准l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。l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)ln22.040.68lnchlaTSI(chla)10(6)ln248lnTPTSI(TP)10(6)ln2l

4、nchlaTSIM(chla)10(2.46)ln2.53.69 1.53ln SDTSIM(SD)=10(2.46+)ln2.56.71+1.15ln TPTSI(TP)=10(2.46+)ln2.51TLI()TLI( )mjjWj2j21Wijmijjrr第五章第五章 湖泊水库水质模型湖泊水库水质模型 湖泊水库水温特征湖泊水库水温特征l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。l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，

5、中间为过渡带，称为温跃层。l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。l水温分层湖库中的热分层湖库中的热分层湖库中温度的竖向分布湖库中温度的竖向分布ZT均匀混合温度模型均匀混合温度模型 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()tTSRSRARARBRECHOIt分层温度模型分层温度模型 l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( )( )()zTTTA zuA z DESttZzv1( )( )( )TTSA z EtA zzzA zl能量平衡模型 能量平衡模型将湖库

6、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Z。1/pkEE1/pkEE*k0sdEW A tp1( , )(1, )( , )(1) miEgV i kP mki kmiz 当当 Ek Ep 时，水面输入的风能将转化为势能，分层时，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。不稳定，混合层水体向下扩展。 当当 Ek Ep 时，水体形成稳定的分层，水面风能用于时，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。克服水体黏性而消失，混合层水体的厚度不增加。第五章第五章 湖泊水库水质模型湖泊水库水质模型

7、 湖库完全混合箱式模型湖库完全混合箱式模型沃伦威德尔模型沃伦威德尔模型l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。l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cddCVIsCVQCtcddICsCrCtVc0c

8、()exp () ()()IV sr CICsr tV srV sr 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()ICrs VcpwLChshtccsILAw1VtrQsVAhl案例分析 已知湖泊的容积 V = 1.0107 m3/a，湖泊内 CODCr 的本底浓度 C0 = 1.5 mg/L，河流中 COD 浓度为C1 = 3 mg/L，COD 在湖泊中的沉积速度常数 s = 0.08 a-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

9、：根据题目，得到0pc11 e s r tV sr CCCIcpp00cc1111lnln1 CCICCtV sr CsrsrV sr CII 根据题意已知：V = 1.0107 m3，s = 0.08 a-1，r = Q/V = 5 a-1 ， C0 = 1.5 g/m3，Ic = 0.51083 = 1.5108 g/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 0.77 a ；平衡浓度值为 2.95 g/m3。 a77. 033020. 0ln08. 51105 . 15 . 1508. 0100 . 1105 . 1199. 0l

10、n508. 01878t378pg/m95. 210508. 0105 . 1C湖库完全混合箱式模型湖库完全混合箱式模型吉柯奈尔吉柯奈尔狄龙模型狄龙模型 l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)ddIRCrCtV0(1)(1)exp()ccccIRIRCCrtrVrVccccp(1)(1)IRLRCrVrh可根据湖库的入流、出流近似计算出滞留系数。001c11 mjjjnikikkq CRq C湖库完全混合箱式模型湖库完全混合箱式模型分层箱式模型分层

11、箱式模型l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。l概化图 )(pojjppQ)(peoeppQphthththPAZKohthththPAZKoeppeppethththPAZKoethththPAZKpeshPASohpphpphshPAS)(pojjjppQ)(peoeppQoep

12、opeprVVpsPSAl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()djjPkVQ PQPPV PAPPtZpetheppeethpeeeoethphpethd()djjPkVQ PQPS A PPV PAPPtZohthhhhphthoeohthd()dPkVrV PAPPtZphthhethpehsphhhphthpephthd()dPkVS A PS APrV PAPPtZ（2）冬季分层模型 对全湖的正磷酸盐Po： 对下层偏磷酸盐Pp：oooeueuopddjjPVQ PQ

13、PP V PrVPtpppeueuopspddjjPVQ PQPP V PrVPSA Pt 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oeeohhoP VP VPVpeephhpP VP VPV湖库分层水质模型湖库分层水质模型卡拉乌舍夫湖泊水库水质扩散模型卡拉乌舍夫湖泊水库水质扩散模型 l模型l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：2p21rrrrrQCCCMMtHrrrppp00()rQHMrrrCCCCr22/31/320rHduhMuf gH湖库分层水质模型湖库分层水质模型易降解物质简化的

14、水质模型易降解物质简化的水质模型 l 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 rrCQK C H rr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：210pexp172800rrKHrCCQp12d()dDQK LK D H rr22210122021pppexpexpexp222K LKHrKHrKHrDDKKQQQ第五章第五章 湖

15、泊水库水质模型湖泊水库水质模型 经验模型经验模型l 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。l 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：pppppddiWQWk WWtVpppp0ppp1exp11iitWWWWktTkkTT经验模型经验模型沃伦威德（沃伦威德（Vollenweider）模型）模型 l 模型 湖泊磷的临界负荷量计算公式： pPPTWLPQHVkHkVPiWLAcrss101HLqq经验模型经验模型狄龙（狄龙（Dillon）模型）模型 l 模型 pLpwkRkLw(1)

16、LRPHL1 iiQPRQ P生态生态模型模型 Jrgensen（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生态动力学模型模型l 模型 ()()()( )xyzCCCCCCuvwEEtxyzxxyyCEF CSzz湖库生态系统中生态变量的循环湖库生态系统中生态变量的循环 l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

17、相关因子的定量描述。l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3NO2NO43NHNH34PO第五章第五章 湖泊水库水质模型湖泊水库水质模型 概念概念模型模型 以磷为核心的湖泊水库生态系统模型包括下述水质项目： 藻类、浮游动物、有机氮、无机磷、有机磷、氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、含碳有机物的生化需氧量、溶解氧、总溶解固体和悬浮物等 12 个水质项目。 一般数学表达式一般数学表达式上述 12 个水质项目都可以用下述偏微分方程表示 in

18、tsininoutout111()()zSCCCVVADq Cq CtzAzzAA系统模拟系统模拟l 藻类（浮游生物）生物量 CAl 浮游动物 Zl 磷 溶解态的无机磷 P1 游离态的有机磷 P2 沉淀态的磷 P3AAgAd()dCCC Z Ctzzzd()dZZC Zt1App331 122d()()d PCAI PI PI Pt2Appzpz4222d()dPC AZAI PI Pt34233ddPI PI Ptl 氮 有机氮 N1 氨氮 N2 亚硝酸盐氮 N3 硝酸盐氮 N4 沉淀态氮 N5141AANPNEzNE61dd NJ NC AZAZAJ Nt2212ANP415524dd NNJ NC AJ NJ NtNN31223ddNJ NJ Nt4423ANP3424ddNNJ NC AJ NtNN54561dd NJ NJ Ntl 含碳有机物的生化需氧量 Ll 溶解氧 Cl 总溶解固体 Sdddd Lk Ltbd11222as3Ad()()d LCk LJ NJ Nk CCCtZdd0dSt第五章第五