環(huán)境質(zhì)量評價與系統(tǒng)分析 五 主講 馮流 四 湖泊與水庫水質(zhì)模型 1 湖庫的水文 水質(zhì)特征與河流比 流速小 污染物停留時間長水質(zhì)的分層分布 存在斜溫層水生生態(tài)系統(tǒng)相對封閉 2020 3 21 2 2 湖庫的富營養(yǎng)化問題2 1湖泊富營養(yǎng)化定義湖泊水體接納過量的氮 磷等營養(yǎng)性物質(zhì) 使水體中藻類以及其他水生生物異常繁殖 水體透明度和溶解氧變化 造成湖泊水質(zhì)惡化 加速湖泊老化 從而使湖泊生態(tài)和水功能受到阻礙和破壞的現(xiàn)象 2020 3 21 3 2020 3 21 4 從湖泊的發(fā)展歷程看 由貧營養(yǎng)向富營養(yǎng)的過渡是一個正常演變過程 只是在自然狀態(tài)下 這個過程進(jìn)展非常緩慢而已 但是富營養(yǎng)進(jìn)程會由于人類大規(guī)模的活動而大大提速 進(jìn)而縮短湖泊的自然演替周期 2 2富營養(yǎng)化的控制因子 2020 3 21 5 限制性營養(yǎng)物質(zhì)溫度和照度湖泊形態(tài)溶解氧和pH 2020 3 21 6 2 3營養(yǎng)物質(zhì)對富營養(yǎng)化的影響2 3 1限制性營養(yǎng)物質(zhì)因子藻類生長的營養(yǎng)物質(zhì)需求 2020 3 21 7 淡水藻類各種元素的濕重含量 營養(yǎng)物質(zhì)對藻類生長的影響Liebig最小值定理 任何一種有機(jī)物的產(chǎn)率都由該種有機(jī)物所必需的 在環(huán)境中豐度最低的物質(zhì)決定Monod模型 描述生物生長速率與營養(yǎng)物質(zhì)含量關(guān)系的方程 為微生物的生長速率 max為微生物的最大生長速率 S為營養(yǎng)物質(zhì)的實際濃度 KS為營養(yǎng)物質(zhì)的半飽和濃度 2020 3 21 8 實際中單營養(yǎng)成分控制的情形很少 藻類生長往往受到一種以上營養(yǎng)物質(zhì)的制約 如碳 氮 磷等 其增長速率將大大降低 為 2020 3 21 9 限制性營養(yǎng)物質(zhì)因子結(jié)論 1 自然條件下磷的豐度一般偏低 成為限制性營養(yǎng)物質(zhì)控制因子2 工業(yè)污染導(dǎo)致自然界磷的含量上升 使得磷 氮比提高 氮和磷同時成為限制性營養(yǎng)物質(zhì)控制因子 2 3 2營養(yǎng)源與營養(yǎng)負(fù)荷主要營養(yǎng)源及其來源 2020 3 21 10 營養(yǎng)物質(zhì)入湖途徑 2020 3 21 11 2020 3 21 12 營養(yǎng)負(fù)荷地面徑流的營養(yǎng)負(fù)荷 Ijl降水的營養(yǎng)負(fù)荷 Ijp人為因素營養(yǎng)負(fù)荷生活污水營養(yǎng)負(fù)荷 Ijs工業(yè)污水營養(yǎng)負(fù)荷 Ijk湖泊水庫的總營養(yǎng)平衡 2020 3 21 13 2 4湖庫富營養(yǎng)化判別標(biāo)準(zhǔn)2 4 1判別指標(biāo)物理指標(biāo) 透明度 水溫 光強(qiáng)等 透明度最常用化學(xué)指標(biāo) 與藻類增殖直接相關(guān)的DO CO2 COD以及營養(yǎng)鹽等指標(biāo)生物學(xué)指標(biāo) 藻類現(xiàn)存量 葉綠素 生物指標(biāo) 調(diào)查特定生物出現(xiàn)的狀況 多樣性指數(shù) 調(diào)查群集生物的多樣性 藻類增殖的潛在能力 2020 3 21 14 2 4 2判別標(biāo)準(zhǔn) 富營養(yǎng)化的水質(zhì)條件 水質(zhì)達(dá)到表中狀態(tài) 有可能引起富營養(yǎng)化 2020 3 21 15 Vollenweider臨界負(fù)荷法可接受的磷負(fù)荷LPA mg m2 a 磷的危險臨界負(fù)荷LPD mg m2 a 可接受的氮負(fù)荷LNA mg m2 a 氮的危險臨界負(fù)荷LND mg m2 a 2020 3 21 16 h為湖庫的水深 m 3 湖庫完全混合箱式模型3 1Vollenweider模型概述模型創(chuàng)始 R A Vollenweider在20世紀(jì)70年代初期研究北美大湖時提出適用對象 停留時間很長 水質(zhì)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)的湖泊水庫模型假定 湖泊中某種營養(yǎng)物的濃度隨時間的變化率 是輸入 輸出和在湖泊內(nèi)沉積的該種營養(yǎng)物量的函數(shù) 2020 3 21 17 模型不足 不能描述發(fā)生在湖泊內(nèi)的物理 化學(xué)和生物過程 同時也不考慮湖泊和水庫的熱分層 是只考慮輸入 輸出關(guān)系的模型模型基本形式及其解析解模型基本形式 2020 3 21 18 V為湖泊水庫容積 C為某種營養(yǎng)物的濃度 Ic為該營養(yǎng)物質(zhì)的總負(fù)荷 s為該營養(yǎng)物在湖泊水庫中的沉積速率常數(shù) Q為湖泊出流流量 引入沖刷速率常數(shù)r 令r Q V 則得到 在給定初始條件 t 0時 C C0 可得解析解在湖泊 水庫的出流 入流流量及營養(yǎng)物輸入穩(wěn)定的情況下 當(dāng)t 時 可達(dá)到營養(yǎng)物的平衡濃度Cp 2020 3 21 19 若進(jìn)一步令則有 2020 3 21 20 tw為湖泊水庫的水力停留時間 As為湖泊水庫的水面面積 h為平均水深 Lc為單位面積營養(yǎng)負(fù)荷 例題分析已知湖泊的容積為1 0 107m3 湖泊內(nèi)CODCr的本底濃度為1 5mg L 河流入流量5 107m3 a 河流中CODCr濃度為3mg L CODCr在湖泊中的沉積速度常數(shù)為0 08 a 試求湖泊中CODCr的平衡濃度 及達(dá)到平衡濃度的99 所需的時間 解答 根據(jù)題目 得到 2020 3 21 21 根據(jù)題意已知 V 107m3 s 0 08 a r Q V 5 a C0 1 5g m3 Ic 0 5 108 3 1 5 108g a當(dāng)C Cp 0 99時 即平衡濃度為2 95g m3 達(dá)到平衡濃度的99 約需0 77a 2020 3 21 22 3 2Kirchner Dillon模型Vollenweider模型的困境 營養(yǎng)物在水庫中的沉積速率常數(shù)s難以確定解決方案 引入滯留系數(shù)Rc 即營養(yǎng)物在湖泊或水庫中的滯留分?jǐn)?shù) 此時 模型為 給定初始條件 當(dāng)t 0時 C C0 可得解析解 2020 3 21 23 類似地 可得到平衡濃度為 滯留系數(shù)可根據(jù)流入和流出的支流流量和營養(yǎng)物濃度近似計算 2020 3 21 24 qoj Coj分別為出流水流量和營養(yǎng)物濃度 qik Cik分別為入流水流量和營養(yǎng)物濃度 3 3分層箱式模型概述模型創(chuàng)始 1975年 Snodgrass等提出 用以近似描述水質(zhì)分層狀況模型建立假設(shè) 上層和下層各自滿足完全混合模型要求 兩層之間存在著紊流擴(kuò)散傳遞作用模型組成 夏季模型和冬季模型 前者考慮上 下分層現(xiàn)象 后者考慮上 下層之間的循環(huán)作用模擬水質(zhì)組分 正磷酸鹽 Po 和偏磷酸鹽 Pp 2020 3 21 25 2020 3 21 26 模型概化圖 夏季分層模型表層正磷酸鹽Poe 表層偏磷酸鹽Ppe 下層正磷酸鹽Poh 2020 3 21 27 下層偏磷酸鹽Pph 2020 3 21 28 式中 下標(biāo)e和h分別代表上層和下層 下標(biāo)th和s分別代表斜溫區(qū)和底部沉淀區(qū)的界面 p和r表示凈衰減速率常數(shù) K表示豎向擴(kuò)散系數(shù) 包括湍流擴(kuò)散和分子擴(kuò)散 也包括內(nèi)波 表層風(fēng)波及其他過程對熱傳遞或物質(zhì)穿越斜溫層的影響 Z是平均水深 V是箱的體積 A是界面面積 Qj是流入湖泊的流量 Q是流出湖泊的流量 S是磷的沉淀速率常數(shù) 冬季循環(huán)模型冬季 由于上部水溫下降 密度增加 產(chǎn)生上 下層之間的水量循環(huán) 帶動磷的循環(huán)正磷酸鹽Po循環(huán)方程偏磷酸鹽Pp循環(huán)方程式中 下標(biāo)eu代表富營養(yǎng)區(qū) 其余符號意義同前 2020 3 21 29 兩模型的銜接夏季的分層模型和冬季的循環(huán)模型可以用秋季或春季的 翻池 過程形成的完全混合狀態(tài)作為初始條件而銜接起來此時 整個湖泊中的濃度分布是均勻的 即 2020 3 21 30 3 4完全混合模型在富營養(yǎng)化判別方面的應(yīng)用Vollenweider和Dillon根據(jù)大量的富營養(yǎng)化調(diào)查數(shù)據(jù)繪制了湖泊 水庫基于磷的富營養(yǎng)化狀況判別圖 2020 3 21 31 例題分析某湖泊平均容積為2 0 109m3 水面面積As為3 6 107m2 支流入流量qi為3 1 109m3 a 入流水中磷的平均濃度為Cip 0 52mg L 支流出流量qo為5 8 108m3 a 測得磷的平均濃度Cop為0 15mg L 試判斷該湖泊的營養(yǎng)狀況解答 1 圖形比較法計算得到湖泊平均水深 h 55 56m計算沖刷速率常數(shù) r 0 29 a計算滯留系數(shù) R 0 95計算單位面積磷負(fù)荷 LP 44 78g m2 a 2020 3 21 32 計算縱坐標(biāo) LP 1 R r 7 72g m2根據(jù)判別圖 點 55 56 7 72 位于富營養(yǎng)區(qū)域 表明長期的磷排放會導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化 2 濃度比較法計算湖泊磷的平衡濃度 CP 0 14mg L計算磷的危險界限 LPD 0 558g m2 a根據(jù)計算結(jié)果 無論從平衡濃度 還是從磷負(fù)荷看 均超過富營養(yǎng)化危險界限 長期磷排放會導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化 2020 3 21 33 4 非完全混合模型 2020 3 21 34 4 1卡拉烏舍夫湖庫水質(zhì)擴(kuò)散模型模型式中Mr為徑向湍流混合系數(shù) 其它符號意義見示意圖當(dāng)為穩(wěn)定排放 且邊界條件取距排放口充分遠(yuǎn)的某點r0處的現(xiàn)狀值Cr0 上式求解得 Cp為廢水中污染物濃度 其余符號意義同前 2020 3 21 35 考慮到風(fēng)浪的影響 徑向湍流混合系數(shù)可采用下述經(jīng)驗公式計算 式中 為水的密度 H為計算范圍內(nèi)湖庫的平均水深 d為湖 庫 底沉積物顆粒的直徑 g為重力加速度 f0為經(jīng)驗系數(shù) u為湖 庫 水平均流速 h為波高 2020 3 21 36 4 2易降解物質(zhì)的簡化水質(zhì)模型將卡拉烏舍夫湖泊水庫水質(zhì)擴(kuò)散模型中擴(kuò)散項忽略掉 并考慮污染物的降解作用 這樣可得到穩(wěn)態(tài)條件下污染物在湖庫中推流和生化降解共同作用下的基本方程當(dāng)邊界條件取r 0時 Cr Cr0 為排出口濃度 則其解析解為 2020 3 21 37 當(dāng)考察湖庫的水質(zhì)指標(biāo)是溶解氧時 并只考慮BOD的耗氧因素與大氣復(fù)氧因素 可推導(dǎo)出湖庫的氧虧方程其解析解為 L0和D0分別為排放口處的BOD濃度和氧虧量 2020 3 21 38 練習(xí)題1 某湖泊容積為2 0 108m3 水面面積為3 6 107m2 支流入流量為3 1 109m3 a 經(jīng)多年測量知磷的輸入量為1 5 108g a 若不考慮蒸發(fā)和降水過程的影響 試判斷湖泊的營養(yǎng)狀況 是否會發(fā)生富營養(yǎng)化 滯留系數(shù)按下式估算 2 已知某湖泊的停留時間為1 5a 沉降速率為0 001 d 一種污染物排入湖泊中達(dá)到最終平衡濃度的90 需多長時間 設(shè)湖內(nèi)初始濃度為0 2020 3 21 39 5 湖庫的生態(tài)系統(tǒng)模型5 1概念模型以磷為核心 涉及12個水質(zhì)項目 藻類 浮游動物 有機(jī)磷 無機(jī)磷 有機(jī)氮 氨氮 亞硝酸鹽氮 硝酸鹽氮 含碳有機(jī)物的生化需氧量 溶解氧 總?cè)芙夤腆w 懸浮物 2020 3 21 40 5 2一般數(shù)學(xué)表達(dá)上述12個水質(zhì)組分都可用如下方程描述 2020 3 21 41 式中Sint表示發(fā)生在湖泊或水庫內(nèi)部的各種過程 每個項目的變化可以看作是對時間的全微分 即C代表各個不同的水質(zhì)項目 5 3系統(tǒng)模擬藻類 浮游植物 生物量CA以藻類的含碳量表示 單位為mg碳 L 2020 3 21 42 式中 為藻類的比生長速率 為藻類的比死亡速率 cg為浮游動物食藻率 Z為浮游動物的濃度 浮游動物Z用單位水體中的物質(zhì)量或含碳量表示 單位mg碳 L式中 z為浮游動物的比生長速率 Kz為米氏常數(shù) zmax為浮游動物的最大比增長速率 z為浮游動物的比死亡速率 包括氧化分解 cz為較高級水生生物對浮游動物的吞食速率 其他符號意義同前 2020 3 21 43 磷溶解態(tài)無機(jī)磷P1 App為藻類中磷的含量 I1為底泥對無機(jī)磷的吸收速率 I2為有機(jī)磷的降解速率 I3為底泥中有機(jī)磷的釋放速率游離態(tài)有機(jī)磷P2 Apz為浮游動物的磷含量 I4為有機(jī)磷在底泥中的富集速率 其余符號意義同前沉淀態(tài)磷P3 2020 3 21 44 氮有機(jī)氮N1 J4為有機(jī)氮的降解速率 J6為底泥對有機(jī)氮的吸收速率 ANP為藻類中氮的含量 ANE為浮游動物中氮的含量氨氮N2 2020 3 21 45 J1為氨氮的硝化速率 J5為底泥中有機(jī)氮的分解速率 亞硝酸鹽氮N3 J2為亞硝酸鹽氮的硝化速率硝酸鹽氮N4 J3為硝酸鹽氮的反硝化速率沉淀態(tài)氮N5 J4為沉淀態(tài)氮的釋放速率含碳有機(jī)物的生化需氧量L 2020 3 21 46 溶解氧C 1為氨氮的耗氧常數(shù) mg氧 mg氨氮 1 3 43 2為亞硝酸鹽氮的耗氧常數(shù) mg氧 mg亞硝酸鹽氮 2 1 14 3為藻類的耗氧常數(shù) mg氧 mg碳 3 1 6 Ka為大氣復(fù)氧速率 1 d Lb為底泥的耗氧常數(shù) g氧 m2 d Z為底泥層的厚度 m Cs為飽和溶解氧濃度 mg L 2020 3 21 47 懸浮物Ssp已考慮在一般形式左邊第二項中總?cè)芙夤腆wSd用于描述鹽度 通常鹽類被看作為守恒物質(zhì) 因此有 2020 3 21 48