第五章湖泊水庫水質(zhì)模型

1、第五章第五章 湖泊水庫水質(zhì)模型湖泊水庫水質(zhì)模型 本章內(nèi)容本章內(nèi)容第五章第五章 湖泊水庫水質(zhì)模型湖泊水庫水質(zhì)模型 污染來源與途徑污染來源與途徑 l污染源污染類型 污染物來源 外源污染物點(diǎn)源工業(yè)廢水 城鎮(zhèn)生活污水 固體廢物處置場(chǎng) 面源礦區(qū)地表徑流 城鎮(zhèn)地表徑流 農(nóng)牧區(qū)地表徑流 大氣降塵 大氣降水水體投餌養(yǎng)殖 水面娛樂活動(dòng)廢棄物 水土流失及土壤侵蝕 內(nèi)源污染物 底泥及沉積物l污染物入湖途徑點(diǎn)源污染點(diǎn)源污染非點(diǎn)源污染非點(diǎn)源污染地下水地下水河渠河渠降塵降塵降水降水養(yǎng)殖投餌養(yǎng)殖投餌流域入地表面流域入地表面湖泊水庫湖泊水庫營(yíng)養(yǎng)源與營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷營(yíng)養(yǎng)源與營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷l湖庫營(yíng)養(yǎng)源 （1）點(diǎn)源 （2）非點(diǎn)源 （3）內(nèi)源 l

2、營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷 （1）地面徑流的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷Ijl （2）降水的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷Ijp （3）人為因素營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷（生活污水Ijs和工業(yè)污水Ijk） （4）湖泊水庫的總營(yíng)養(yǎng)平衡jjljPjsjkIIIII富營(yíng)養(yǎng)化的控制因子富營(yíng)養(yǎng)化的控制因子l湖泊富營(yíng)養(yǎng)化定義 指湖泊水體接納過量的氮、磷等營(yíng)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。l富營(yíng)養(yǎng)化的控制因子（1）限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) （2）溫度和照度（3）湖庫形態(tài)（4）溶解氧和pH20max1TTGG201.8(1.066)TTGessee1e2.718282(e)ffK HII

3、IIRK HT湖泊水庫富營(yíng)養(yǎng)化判別標(biāo)準(zhǔn)湖泊水庫富營(yíng)養(yǎng)化判別標(biāo)準(zhǔn)l判別指標(biāo) （1）物理指標(biāo) 即水溫、透明度、光強(qiáng)等，透明度最為常用。 （2）化學(xué)指標(biāo) 與藻類增殖直接相關(guān)的DO，CO2，COD以及營(yíng)養(yǎng)鹽等指標(biāo)。 （3）生物學(xué)指標(biāo) 大致可分為藻類現(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）和藻類增殖的潛在能力。l判別標(biāo)準(zhǔn) （1）卡爾森營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSI）（2）修正的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSIM）（3）綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù) 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 湖泊水庫水質(zhì)模型湖泊水庫水質(zhì)模型 湖泊水庫水溫特征湖泊水庫水溫特征l湖泊水溫受湖面以上氣象條件（主要是氣溫與風(fēng)）、湖泊容積和水深以及湖盆形態(tài)等因素的影響，呈現(xiàn)出具有時(shí)間與空間的變化規(guī)律，比較明顯的季節(jié)性變化與垂直變化。l一般容積大、水深大的湖泊，水溫常呈垂向分層型。通常水溫的垂向分布有三個(gè)層次，上層溫度較高，下層溫度較低，

5、中間為過渡帶，稱為溫躍層。l冬季因表面水溫不高，可能沒有顯著的溫躍層。夏季的溫躍層較為明顯。l水溫分層湖庫中的熱分層湖庫中的熱分層湖庫中溫度的豎向分布湖庫中溫度的豎向分布ZT均勻混合溫度模型均勻混合溫度模型 對(duì)于均勻混合型湖泊，假定水溫在各個(gè)方向是均勻的，僅考慮它隨時(shí)間的變化，可利用總體熱量平衡模型，計(jì)算湖泊溫度隨時(shí)間的變化過程。 bb()tTSRSRARARBRECHOIt分層溫度模型分層溫度模型 l垂向一維溫度模型當(dāng)忽略水流垂向速度及分子擴(kuò)散項(xiàng)時(shí)v( )( )()zTTTA zuA z DESttZzv1( )( )( )TTSA z EtA zzzA zl能量平衡模型 能量平衡模型將湖庫

6、沿垂向分為 n + m 個(gè)小薄層其中，上部 m 層為混合均勻?qū)?，下?n 層為變溫層，每層厚度為Z。1/pkEE1/pkEE*k0sdEW A tp1( , )(1, )( , )(1) miEgV i kP mki kmiz 當(dāng)當(dāng) Ek Ep 時(shí)，水面輸入的風(fēng)能將轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，分層時(shí)，水面輸入的風(fēng)能將轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，分層不穩(wěn)定，混合層水體向下擴(kuò)展。不穩(wěn)定，混合層水體向下擴(kuò)展。 當(dāng)當(dāng) Ek Ep 時(shí)，水體形成穩(wěn)定的分層，水面風(fēng)能用于時(shí)，水體形成穩(wěn)定的分層，水面風(fēng)能用于克服水體黏性而消失，混合層水體的厚度不增加?？朔w黏性而消失，混合層水體的厚度不增加。第五章第五章 湖泊水庫水質(zhì)模型湖泊水庫水質(zhì)模型

7、 湖庫完全混合箱式模型湖庫完全混合箱式模型沃倫威德爾模型沃倫威德爾模型l概述創(chuàng)始：沃倫威德爾（R.A.Vollenweider）在 20 世紀(jì) 70年代初期研究北美大湖時(shí)提出。適用：停留時(shí)間很長(zhǎng)，水質(zhì)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)的湖泊水庫。 假定：湖泊中某種營(yíng)養(yǎng)物的濃度隨時(shí)間的變化率，是輸入、輸出和在湖泊內(nèi)沉積的該種營(yíng)養(yǎng)物量的函數(shù)。 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(shí)也不考慮湖泊和水庫的熱分層，是只考慮其輸入產(chǎn)出關(guān)系的模型。l模型引入沖刷速度常數(shù) r（令 r Q/V），則得到在給定初始條件，當(dāng) t 0，C C0 時(shí)，求得上式的解析解為cddCVIsCVQCtcddICsCrCtVc0c

8、()exp () ()()IV sr CICsr tV srV sr 在湖泊、水庫的出流、入流流量及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入穩(wěn)定的情況下，當(dāng) t 時(shí)，可以得到營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的平衡濃度 Cp： 如進(jìn)一步令 且 ，則湖泊、水庫中的 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)平衡濃度變?yōu)椋篶p()ICrs VcpwLChshtccsILAw1VtrQsVAhl案例分析 已知湖泊的容積 V = 1.0107 m3/a，湖泊內(nèi) CODCr 的本底濃度 C0 = 1.5 mg/L，河流中 COD 濃度為C1 = 3 mg/L，COD 在湖泊中的沉積速度常數(shù) s = 0.08 a-1。試求湖泊中的 COD 平衡濃度，及達(dá)到平衡濃度的99% 所需的時(shí)間。 解答

9、：根據(jù)題目，得到0pc11 e s r tV sr CCCIcpp00cc1111lnln1 CCICCtV sr CsrsrV sr CII 根據(jù)題意已知：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。 當(dāng) C/Cp = 0.99 時(shí)： 根據(jù)公式，計(jì)算結(jié)果為：達(dá)到 COD 平衡濃度的 99% 約需 0.77 a ；平衡濃度值為 2.95 g/m3。 a77. 033020. 0ln08. 51105 . 15 . 1508. 0100 . 1105 . 1199. 0l

10、n508. 01878t378pg/m95. 210508. 0105 . 1C湖庫完全混合箱式模型湖庫完全混合箱式模型吉柯奈爾吉柯奈爾狄龍模型狄龍模型 l模型 引入滯留系數(shù) Rc： 如給定初始條件 t 0，C C0，得到上式的解析解： 若湖庫得出流、入流及污染物的輸入都比較穩(wěn)定，當(dāng) t 時(shí)，可以達(dá)到營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的平衡濃度 Cp ：cc(1)ddIRCrCtV0(1)(1)exp()ccccIRIRCCrtrVrVccccp(1)(1)IRLRCrVrh可根據(jù)湖庫的入流、出流近似計(jì)算出滯留系數(shù)。001c11 mjjjnikikkq CRq C湖庫完全混合箱式模型湖庫完全混合箱式模型分層箱式模型分層

11、箱式模型l概述 1975年，斯諾得格拉斯（Snodgrass）等提出了一個(gè)分層的箱式模型，用以近似描述水質(zhì)分層狀況。分層箱式模型把上層和下層各視為完全混合模型，在上、下層之間紊流擴(kuò)散的傳遞作用。分層箱式模型分為夏季模型和冬季模型，夏季模型考慮上、下分層現(xiàn)象，冬季模型則考慮上、下層之間的循環(huán)作用。模擬包含的水質(zhì)組分為正磷酸鹽（Po）和偏磷酸鹽（Pp）的變化規(guī)律。l概化圖 )(pojjppQ)(peoeppQphthththPAZKohthththPAZKoeppeppethththPAZKoethththPAZKpeshPASohpphpphshPAS)(pojjjppQ)(peoeppQoep

12、opeprVVpsPSAl模型 （1）夏季分層模型 對(duì)表層正磷酸鹽Poe 對(duì)表層偏磷酸鹽Ppe 對(duì)下層正磷酸鹽Poh 對(duì)下層偏磷酸鹽Pphoetheooeeeoethohoethd()djjPkVQ PQPPV PAPPtZpetheppeethpeeeoethphpethd()djjPkVQ PQPS A PPV PAPPtZohthhhhphthoeohthd()dPkVrV PAPPtZphthhethpehsphhhphthpephthd()dPkVS A PS APrV PAPPtZ（2）冬季分層模型 對(duì)全湖的正磷酸鹽Po： 對(duì)下層偏磷酸鹽Pp：oooeueuopddjjPVQ PQ

13、PP V PrVPtpppeueuopspddjjPVQ PQPP V PrVPSA Pt 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，此時(shí)oeeohhoP VP VPVpeephhpP VP VPV湖庫分層水質(zhì)模型湖庫分層水質(zhì)模型卡拉烏舍夫湖泊水庫水質(zhì)擴(kuò)散模型卡拉烏舍夫湖泊水庫水質(zhì)擴(kuò)散模型 l模型l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(diǎn) r0處的現(xiàn)狀值 Cr0，上式求解得：2p21rrrrrQCCCMMtHrrrppp00()rQHMrrrCCCCr22/31/320rHduhMuf gH湖庫分層水質(zhì)模型湖庫分層水質(zhì)模型易降解物質(zhì)簡(jiǎn)化的

14、水質(zhì)模型易降解物質(zhì)簡(jiǎn)化的水質(zhì)模型 l 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(xiàng)忽略掉， 并考慮污染物的降解作用，這樣既可得到穩(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：p1dd rrCQK C H rr當(dāng)邊界條件取 r = 0 時(shí)，Cr = Cr0（為排出口濃度），則其解析解為：當(dāng)考察湖庫的水質(zhì)指標(biāo)是溶解氧時(shí)，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：解析解：210pexp172800rrKHrCCQp12d()dDQK LK D H rr22210122021pppexpexpexp222K LKHrKHrKHrDDKKQQQ第五章第五章 湖

15、泊水庫水質(zhì)模型湖泊水庫水質(zhì)模型 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚻 分類 （1）單一營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷模型 （2）藻類生物量與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷量之間的相關(guān)模型。l 一般模型根據(jù)物質(zhì)平衡原理， 對(duì)于完全混合型湖泊、水庫， 以磷負(fù)荷為研究對(duì)象， 磷負(fù)荷的收支平衡方程為：解析解：pppppddiWQWk WWtVpppp0ppp1exp11iitWWWWktTkkTT經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ臀謧愅拢ㄎ謧愅拢╒ollenweider）模型）模型 l 模型 湖泊磷的臨界負(fù)荷量計(jì)算公式： pPPTWLPQHVkHkVPiWLAcrss101HLqq經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷引垼ǖ引垼―illon）模型）模型 l 模型 pLpwkRkLw(1)

16、LRPHL1 iiQPRQ P生態(tài)生態(tài)模型模型 Jrgensen（1976）根據(jù)丹麥Glumsoe湖的研究建立了湖泊富營(yíng)養(yǎng)化生態(tài)模型。 該模型主要包括以下幾個(gè)主要成分： （1）三個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，即浮游植物、浮游動(dòng)物和魚類 （2）浮游植物生物量動(dòng)態(tài) （3）水沉積物之間營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換 （4）氮的反硝化作用 （5）溫度、光照對(duì)藻類生長(zhǎng)率的影響 （6）河流氮的輸入情況等生態(tài)動(dòng)力學(xué)生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型模型l 模型 ()()()( )xyzCCCCCCuvwEEtxyzxxyyCEF CSzz湖庫生態(tài)系統(tǒng)中生態(tài)變量的循環(huán)湖庫生態(tài)系統(tǒng)中生態(tài)變量的循環(huán) l功能 對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)過程的模擬，對(duì)藻類生長(zhǎng)機(jī)理的模擬，對(duì)影響藻類生長(zhǎng)

17、相關(guān)因子的定量描述。l模擬對(duì)象 浮游植物的生長(zhǎng)與死亡，營(yíng)養(yǎng)鹽的循環(huán)過程，DO 的動(dòng)力過程 ORG-NPNCChlaPHTYORG-PDOCBODCO2O21627457137912131312111011833810水體底部沉積物3NO2NO43NHNH34PO第五章第五章 湖泊水庫水質(zhì)模型湖泊水庫水質(zhì)模型 概念概念模型模型 以磷為核心的湖泊水庫生態(tài)系統(tǒng)模型包括下述水質(zhì)項(xiàng)目： 藻類、浮游動(dòng)物、有機(jī)氮、無機(jī)磷、有機(jī)磷、氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、含碳有機(jī)物的生化需氧量、溶解氧、總?cè)芙夤腆w和懸浮物等 12 個(gè)水質(zhì)項(xiàng)目。 一般數(shù)學(xué)表達(dá)式一般數(shù)學(xué)表達(dá)式上述 12 個(gè)水質(zhì)項(xiàng)目都可以用下述偏微分方程表示 in

18、tsininoutout111()()zSCCCVVADq Cq CtzAzzAA系統(tǒng)模擬系統(tǒng)模擬l 藻類（浮游生物）生物量 CAl 浮游動(dòng)物 Zl 磷 溶解態(tài)的無機(jī)磷 P1 游離態(tài)的有機(jī)磷 P2 沉淀態(tài)的磷 P3AAgAd()dCCC Z Ctzzzd()dZZC Zt1App331 122d()()d PCAI PI PI Pt2Appzpz4222d()dPC AZAI PI Pt34233ddPI PI Ptl 氮 有機(jī)氮 N1 氨氮 N2 亞硝酸鹽氮 N3 硝酸鹽氮 N4 沉淀態(tài)氮 N5141AANPNEzNE61dd NJ NC AZAZAJ Nt2212ANP415524dd NNJ NC AJ NJ NtNN31223ddNJ NJ Nt4423ANP3424ddNNJ NC AJ NtNN54561dd NJ NJ Ntl 含碳有機(jī)物的生化需氧量 Ll 溶解氧 Cl 總?cè)芙夤腆w Sdddd Lk Ltbd11222as3Ad()()d LCk LJ NJ Nk CCCtZdd0dSt第五章第