環(huán)境系統(tǒng)分析

第五章湖泊與水庫水質(zhì)模型一. 湖泊水庫的水質(zhì)特點(diǎn)流速小，與河流相較湖泊與水庫中的水流處于相對靜止?fàn)顟B(tài);干年，屬于靜水環(huán)境;構(gòu)造于特點(diǎn)一樣取決于湖泊與水庫所在的地理位置、四周的土壤性質(zhì)、植被類型等;湖泊與水庫以后簡潔積存，特地是養(yǎng)分物質(zhì)的積存將會致使富養(yǎng)分化。自然的湖泊都有一個(gè)從貧養(yǎng)分向富養(yǎng)分的進(jìn)展進(jìn)程，從貧養(yǎng)分過度到富養(yǎng)分，進(jìn)而進(jìn)展到沼澤，制止死亡，是自然湖泊進(jìn)展的規(guī)律，這是一個(gè)漫長的歷史進(jìn)程，可是人類活動(dòng)會大大加速那個(gè)進(jìn)程。充分混合，形成一個(gè)溫度散布DDABCZ夏季冬季DA表層；B斜溫層；C下層；D底層二. 養(yǎng)分源與養(yǎng)分負(fù)荷要緊養(yǎng)分物元素名稱含量元素名稱含量元素名稱含量元素名稱含量氧磷錳氫鎂鋅碳硫銅硅氯鉬氮鈉鈷鈣鐵鉀硼豐度：環(huán)境中各類養(yǎng)分物質(zhì)知足藻類生長的程度。藻類的生長取決于豐度最小的養(yǎng)分物質(zhì)。莫諾得模型：

SmaxKSS式中，μμmaxS－養(yǎng)分物質(zhì)的實(shí)際濃度；KS－養(yǎng)分物質(zhì)的半飽和濃度。氮磷養(yǎng)分比:≈91。要緊養(yǎng)分源與養(yǎng)分負(fù)荷計(jì)算地面徑流的養(yǎng)分負(fù)荷：I mjli1

AEi ij式中，Ij中養(yǎng)分物質(zhì)的負(fù)荷，g/a；AI種土地利用類型的面積，m2；jl iEij－第I種土地利用類型的單位面積上第j種污染物的流失量，g/m2；m－土地利用類型的總數(shù)。表：不同類型土地的磷、氮流失量土地利用類型Eip(mg/m2/a)火成巖 沉積巖Ein(mg/m2/a)火成巖 沉積巖森林 范圍－9 7－18130－300 150－500平均值200 340森林＋牧場 范圍6－16 11－37200－600 300－800平均值400 600農(nóng)業(yè)區(qū) 柑橘園182240牧場15－75100－850莊稼地20－200500－1200(2)降水的養(yǎng)分負(fù)荷：I CPAjp j ss式中，Ijp－有降水輸入的第j種污染物的負(fù)荷，g/a；A－湖、庫的水面面積，sm2；Cjj種養(yǎng)分物在降水中的含量；P－年降水量，m/a。范圍Cn(g/m2)－范圍Cn(g/m2)－Cp(g/m2)－人為因素排放的負(fù)荷：生活污水中的養(yǎng)分負(fù)荷：I SEjs jsjsjs式中，I－流入湖泊或水庫的污水中含有的第j種養(yǎng)分物的負(fù)荷，g/a；S－產(chǎn)生污水的人數(shù)，人；Ej種養(yǎng)分物的量，g/人/a。jsjsEjs－的數(shù)值與地域條件，人們的生活水平、生活適應(yīng)有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每人每800－1800g300－3800g。工業(yè)污水中的養(yǎng)分負(fù)荷：I nQEjk k lkkj種養(yǎng)分物的負(fù)荷，g/a；Qkk中工業(yè)廢養(yǎng)分物的污染源數(shù)。表 幾種工業(yè)廢水的氮、磷含量〔mg/L〕廢水名稱總氮含量總磷含量屠宰廠廢水100－300罐頭廠廢水－160甜菜制糖廠廢水20－100高粱釀酒廠廢水800－900對硫磷生產(chǎn)廢水250黃磷生產(chǎn)廢水57－390湖泊、水庫的總養(yǎng)分負(fù)荷：II I I ijl jp js jk三. 湖泊、水庫的箱式水質(zhì)模型完全混合模型沃倫威德爾模型輸出和在水體中沉積速度的函數(shù)，能夠表示為：VdCIdt c

sCVQCQ－湖泊的出流流量，m3/a。r=Q/V，稱為沖洗速度常數(shù)，那么上式能夠?qū)憺椋篸C I csCrCdt Vt=0，C=C時(shí)，上式的解析解為：0I

rCVsr Vs0r

cexpsrt在水體的入流、出流及養(yǎng)分物質(zhì)的輸入穩(wěn)固的條件下，當(dāng)t→∞時(shí)，能夠到達(dá)水中養(yǎng)分物的平穩(wěn)濃度：sVIpC csVIpt假設(shè)是進(jìn)一步令：W

1V和r Q VAh,和s水庫、湖泊中的養(yǎng)分物質(zhì)平穩(wěn)濃度能夠?qū)懗桑篶LCpshh/tcLWW 式中，t－湖泊水庫的水力停留時(shí)刻，a；A－湖泊水庫的水面面積，m2；h－湖泊水庫的平均水深，m；L－湖泊水庫的單位面積養(yǎng)分負(fù)荷，g/m2/aW CL ICS其中：C AS0in例V＝Q=aBOD3mg/L；湖泊的COD本底濃度C＝L，COD在湖泊中的沉積速度常數(shù)s=a。試求湖泊的COD99％所需的時(shí)刻。0inC 1 0

1esrtC I0 C關(guān)于任意的C/C0，所需的時(shí)刻t能夠從上式導(dǎo)出：1 C

1

C t ln 1/

ln 1I /VsrC 1sr C

sr

C C 0 p C

p C/Cp＝時(shí)：1 995108 1t ln

ln0.020330.77a0.085 1.0x1070.085x1.51.5x108

5.08t→∞時(shí)，COD到達(dá)平穩(wěn)濃度：Cp

1.5x108

2.95mg/L0.085107吉柯奈爾－狄龍模型RC的概念。滯留系數(shù)的概念是進(jìn)入湖泊水庫中的養(yǎng)分物在其中的滯留分?jǐn)?shù)。吉柯奈爾－狄龍模型寫作：dCIC

C

rCdt V式中，RC－某種養(yǎng)分物在湖泊水庫中的滯留分?jǐn)?shù)；其余符號同前。給定初始t=0時(shí)，C＝C0，能夠取得上式的解析解：I I C CrV

C C C0 rV

C ert 假設(shè)湖泊水庫的入流、出流、污染物的輸入都比較穩(wěn)固，當(dāng)t→∞時(shí)，能夠取得上式的平穩(wěn)濃度：I C C C C CP rV rh能夠依照湖泊水庫的入流、出流近似計(jì)算出滯留系數(shù)：mR 1j1

q C0j 0jC n

qCik ik式中，qj條支流的出流量，m3/a；Cj條支流出流中的養(yǎng)分物濃度，0j 0jmg/L；qik－第k條支流入流水庫的流量，m3/a；Cik－第k條支流中的養(yǎng)分物濃度，mg/L；m－入流的支流數(shù)量；n－出流的支流數(shù)量。(3)湖泊水庫的富養(yǎng)分化判別化：總氮總磷＞＞~L~LBOD5＞10mg/LpH=7~9細(xì)菌總數(shù)＞100,000個(gè)/mL葉綠素_a＞L狄龍－瑞格勒針對夏日湖泊、水庫中的葉綠素_a的濃度與氮、磷濃度之間的關(guān)系，當(dāng)?shù)妆壤∮?時(shí)，氮是葉綠素_a的制約因素，即葉綠素_a濃度是氮濃度的函數(shù)：lgChl.a1.4lgC 10001.9N當(dāng)?shù)妆却笥?2_a-a的濃度是磷的函數(shù)：lgChl.a1.45lgCP

10001.14P式中，[]－葉綠素_a的濃度，μg/L；CN、C－別離為氮和磷的濃度，mg/L。412之間時(shí)，承受上述兩個(gè)式子中計(jì)算出的小者。P10.0富養(yǎng)分區(qū)限區(qū)1.0界限險(xiǎn)渡10.0富養(yǎng)分區(qū)限區(qū)1.0界限險(xiǎn)渡界0.1危過許允貧養(yǎng)分區(qū)0.011.010.0100.0h(m)1000.0lgLPA

0.6lgh1.4關(guān)于富養(yǎng)分化危急界限的磷負(fù)荷L：LPDlgLPD0.6lgh1.7LNA：lgLNAL關(guān)于氮的危急臨界負(fù)荷 ：LND

0.6lgh2.57lgLND

0.6lgh2.87m。h為橫3個(gè)分區(qū)，確信養(yǎng)分狀況。分層箱式模型水質(zhì)模型將上層圍繞基層別離視為兩個(gè)完全混合模型。QPi 0jPpj QP P0eQPi 0jPpj QP Ppe0epeVeKZthAPP0ePpeKZthAPth pePPPeuVeu0 eth phththKrthAPZ thoeKththZAPth0hthVP PbSAPe th peVob phSAPh s pha.夏季分層期SAPsBb冬季循環(huán)期關(guān)于夏日分層模型,能夠?qū)懗?個(gè)獨(dú)立的微分方程，它們是：K對表層正磷酸鹽：KdPV

QP

QP PVP

thAP Pe dt

j oj

oe

e

Z th oh oeth對表層偏磷酸鹽：dPV pee dt

QPj

QPpe

SAPe th

PVPe e

KthAZ th

P P ph pe對基層正磷酸鹽：dPV h dt

rVPh h

KthZth

APth

P oh對基層偏磷酸鹽：dP

K V h dt

SAPe th

SAPh s

rVPh h

thAZ th

P Ppe pheh別離代表上層和基層；下標(biāo)ths別離表示斜溫區(qū)和底層沉淀區(qū)的界面；p和r別離表示凈產(chǎn)生和衰減的速度常數(shù)；k表示豎向集中系數(shù)，包括湍流集中、分子集中，也包括內(nèi)波、表層風(fēng)波和其它進(jìn)程對熱傳遞或物質(zhì)穿越斜溫層的阻礙；Z表示平均水深；V是箱的體積；A是界面面積；Q是由河流流j入湖泊的流量；Q是流出湖泊的流量；s是磷的沉淀速度常數(shù)。層和基層的磷平穩(wěn)，能夠取得兩個(gè)微分方程：P0：dPV o QPdt j

QPo

PV Peu eu

rVPpPp：pVdP QPp

PV

PrVP

SAPdt j pj

p

eu

p s peu代表上層〔富養(yǎng)分區(qū)，其余符號同前。全混合狀態(tài)作為初始條件，現(xiàn)在：PV PVP oe eo

oh hPV PVP pe ep V

ph h四. 深湖與水庫的溫度模型湖泊水庫同意的熱量要緊來自太陽輻射，由于水的傳導(dǎo)性能差，輻射熱和光線的穿透力量低，大部份熱量被表層水吸取，致使溫度較高、密度較小的表層水密度較大，形成比較穩(wěn)固的低溫層。在溫水層和低溫層之間存在一個(gè)溫度梯度較大的斜溫層。污染。豎向一維溫度模型大體假設(shè)：水體與四周的固體邊界是絕熱的；3個(gè)方面：太陽熱輻射通過水汽界面進(jìn)入水體；入流水流帶入的熱量；出流水流帶出的熱量。模型：型描述豎向的溫度散布：T 1Q,T 1 T qT q T 4.18A AE in in out Vt A Z AZ mZ A A C A pE 式中，Z是直角坐標(biāo)

i,j1A

u,TV

i,j1V系的豎向坐標(biāo)，m；Q 是 qVinuinT

i,j1Ai,j

qoutuoutin Ai,j1

u,TV

E i,j1垂直方向的水流流量，m3/s；q、qin outin

V

是垂直方向的熱輻射量，J/m2；E 是分子集中系數(shù)，m2/s。m右圖表示某一深度Z的水層的輸入輸出關(guān)系。大體模型中等式右邊的其次項(xiàng)能夠開放為：1 Q

T 1

T V T VQ A Z A Z VZ假設(shè)假定垂直方向的流量為零，即那么大體方程能夠?qū)懽鳎篞V0,ZT T 1 T BuT

Bu T 1 Au

in

out Vt V

Z AZ

mZ A A Cp

A Z2. 水面熱互換〔1〕5個(gè)方面，即： IRr 1

GRS2式中，I是太陽短波輻射熱，J/m2/h，I值的大小與地球上的位置和季節(jié)有關(guān)，在日地平均距離時(shí)，在太陽光垂直的大氣上界處，I＝cm2/min＝4916J/m2/h；R1是R1＝；G是大氣的長波輻射熱，能夠用下式計(jì)算：G08480249100069E

LLL

2741012L E 是空氣中的水蒸氣分壓，mm汞柱；T 空云量的云度系數(shù)〔0≦≦1L 2.046104J/m2/h/0KR2R2＝；S是由水面放射的長波輻射的熱流量：

S0.9T274L EE2mL 的函數(shù)，能夠按下式計(jì)算： E e 1 2 3 L T式中，V是水面上2m處的風(fēng)速，m/s；ET是水溫為T時(shí)的飽和蒸汽壓，能夠按下式計(jì)算：E 0.75exp54.721T

6788.6T273

2 3 式中，T是水溫，；C1、C、C是體會系數(shù)，能夠承受如下數(shù)值：C＝02 3 汞柱)；C3＝。流量：

1 TTL

1

CVC

TC eCb

E E C 1 2 3 LT L b式中，Cb=mm汞柱，其余符號同前。水面的總熱流量： 0 r e c0是湖泊水庫表層水溫的函數(shù)，而計(jì)算水溫時(shí)有需要明白0值，因此水溫的計(jì)算是一個(gè)迭代進(jìn)程，而水面的熱流量那么是計(jì)算的邊界條件。五. 湖泊水庫的生態(tài)系統(tǒng)模型概念模型放厭氧釋放收吸釋收物類吸淀藻物沉藻類吸取淀沉物食釋動(dòng)捕物游物動(dòng)浮動(dòng)游游浮浮浮游動(dòng)物降解BOD耗氧水面復(fù)氧BOD DO 磷有機(jī)磷氮作呼NO2-N耗氧合類光藻氨氮 NO降解BOD耗氧水面復(fù)氧BOD DO 磷有機(jī)磷氮作呼NO2-N耗氧合類光藻氨氮 NO2-NNO3-N有機(jī)氮氧化水解藻類釋放藻類吸取藻類沉淀磷放釋氮淀沉化硝反〕氧厭〔沉淀氮放釋光衰減放懸浮泥渣12湖泊水庫生態(tài)數(shù)學(xué)模型的一樣形式上述12個(gè)水質(zhì)工程都能夠用下述偏微分方程表示：

C1

1AD

C

Sint

1qC q C t

z A

zz A A

in

out

out氨氮耗氧氨氮耗氧氧氧PO4-P產(chǎn)用耗吸底泥需氧式中，Sint表示發(fā)生在湖泊水庫內(nèi)部的各類進(jìn)程。每一個(gè)工程〔C〕的轉(zhuǎn)變都能夠看成是對時(shí)刻的全微分，即：S

dCA dt湖泊水庫中的生態(tài)進(jìn)程模擬藻類〔浮游植物〕CA以在理含碳量表示藻類的生物量，CAmg碳/L。CA的轉(zhuǎn)變能夠用下式表示：dCACdt g ACg－浮游動(dòng)物食藻率；Z－浮游動(dòng)物的濃度。Z〔用含碳量表示代表，Z的單位是mg碳/L。浮游動(dòng)物在水體中的轉(zhuǎn)變速度為：dZdt

Zz

CZzz－浮游動(dòng)物的比生長速度： z

CAk CAz Az zmax 式中，k －Michealis-Menten常數(shù)； z zmax C浮游動(dòng)物的比死亡速度〔包括氧化與分解Cz吞食速度。磷P2，P3。P1dP1C Adt A PPdP

IP3

IP11

IP2 2APP－藻類中磷的含量g磷/mg碳1－底泥對無機(jī)磷的吸取速度；I2－有機(jī)磷的降解速度；I3－底泥中有機(jī)磷的釋放速度。P2dP2C Adt A PPdP

ZAz IP4

IP2 24Ap－浮游動(dòng)物中磷的含量〔mg磷/mg碳；I集速度。4P3dP3 IPdt 4 2

IP3 3氮5種形態(tài)的氮：N1dN1JNdt 4 dN

C AA A

ZAz NEJN6 1J 式中，－有機(jī)氮的降解速度； J 4 A NP〔mg氮/mg碳表示；6－底泥對有機(jī)氮的吸取速度；NE量〔mg氮/mg碳表示。N2dN