水质模型5教学课件

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。（1）限制性营养物质（2）温度和照度（3）湖库形态（4）溶解氧和pH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。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。≥当Ek

>Ep

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Ek

>Ep

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：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

：可根据湖库的入流、出流近似计算出滞留系数。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Pph（2）冬季分层模型对全湖的正磷酸盐Po：对下层偏磷酸盐Pp：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：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：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：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：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：

经验模型——狄龙（Dillon）模型

模型

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

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水体底部沉积物湖泊水库生态系统模型第五章湖泊水库水质模型概念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。

一般数学表达式上述12个水质项目都可以用下述偏微分方程表示

系统模拟藻类（浮游生物）生物量CA浮游动物Z磷

溶解态的无机磷P1

游离态的有机磷P2沉淀态的磷P3氮有机氮N1氨氮N2亚硝酸盐氮N3硝酸盐氮N4沉淀态氮N5含碳有机物的生化需氧量L溶解氧C总溶解固体Sd湖泊水库水质模拟通用软件介绍

第五章湖泊水库水质模型WQRRS模型

WQRRS模型假设物质在水平方向上是完全均匀的，热交换、物质迁移等过程只在垂直方向上进行，只反映水质的一维变化，适