環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)

1、環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)與系統(tǒng)分析環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)與系統(tǒng)分析（五）（五）主講：馮流主講：馮流2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)2四、湖泊與水庫(kù)水質(zhì)模型四、湖泊與水庫(kù)水質(zhì)模型1 1、湖庫(kù)的水文、水質(zhì)特征、湖庫(kù)的水文、水質(zhì)特征 與河流比，流速小，污染物停留時(shí)間長(zhǎng)與河流比，流速小，污染物停留時(shí)間長(zhǎng) 水質(zhì)的分層分布、存在斜溫層水質(zhì)的分層分布、存在斜溫層 水生生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)封閉水生生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)封閉2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)32 2、湖庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化問題、湖庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化問題2.12.1 湖泊富營(yíng)養(yǎng)化定義湖泊富營(yíng)養(yǎng)化定義 湖泊水體接納湖泊水體接納過量的氮、磷過量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)性物質(zhì)，使水體等營(yíng)養(yǎng)性物質(zhì)，使水體中中

2、藻類以及其他水生生物異常繁殖藻類以及其他水生生物異常繁殖，水體透明度和，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，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。從而使湖泊生態(tài)和水功能受到阻礙和破壞的現(xiàn)象。2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)4從湖泊的發(fā)展歷程看，由貧營(yíng)養(yǎng)向富營(yíng)養(yǎng)的過渡是從湖泊的發(fā)展歷程看，由貧營(yíng)養(yǎng)向富營(yíng)養(yǎng)的過渡是一個(gè)正常演變過程，只是在自然狀態(tài)下，這個(gè)過程一個(gè)正常演變過程，只是在自然狀態(tài)下，這個(gè)過程進(jìn)展非常緩慢而已；但是進(jìn)展非常緩慢而已；但是富營(yíng)養(yǎng)富營(yíng)養(yǎng)進(jìn)程會(huì)由于人類大進(jìn)程會(huì)由于人類大規(guī)模的活動(dòng)而大大提速，進(jìn)而縮短湖泊的自然演替

3、規(guī)模的活動(dòng)而大大提速，進(jìn)而縮短湖泊的自然演替周期周期2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)52.22.2 富營(yíng)養(yǎng)化的控制因子富營(yíng)養(yǎng)化的控制因子2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)6 限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 溫度和照度溫度和照度 湖泊形態(tài)湖泊形態(tài) 溶解氧和溶解氧和pH2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)72.3 2.3 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的影響2.3.12.3.1 限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)因子限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)因子藻類生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)需求藻類生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)需求元素元素含量含量元素元素含量含量元素元素含量含量氧氧80.5磷磷0.08錳錳0.0007氫氫9.7鎂鎂0.07鋅鋅0.0003碳碳6.5硫硫0.

4、06銅銅0.0001硅硅1.3氯氯0.06鉬鉬0.00005氮氮0.7 鈉鈉0.04鈷鈷0.000002鈣鈣0.4鐵鐵0.02P/N1:9鉀鉀0.3硼硼0.001淡水藻類各種元素的濕重含量（淡水藻類各種元素的濕重含量（%）2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)8營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響 LiebigLiebig最小值定理最小值定理：任何一種有機(jī)物的產(chǎn)率都由該種：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(zhǎng)速率與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量關(guān)系描述生物生長(zhǎng)速率與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量關(guān)系的方程的方程 為微生物

5、的生長(zhǎng)速率；為微生物的生長(zhǎng)速率； maxmax為微生物的最大生長(zhǎng)速率；為微生物的最大生長(zhǎng)速率；S為為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的實(shí)際濃度；營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的實(shí)際濃度；KS為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的半飽和濃度為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的半飽和濃度SKSSmax2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)9 實(shí)際中單營(yíng)養(yǎng)成分控制的情形很少，藻類生長(zhǎng)往往實(shí)際中單營(yíng)養(yǎng)成分控制的情形很少，藻類生長(zhǎng)往往受到受到一種以上營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)一種以上營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的制約，如碳、氮、磷等。的制約，如碳、氮、磷等。其其增長(zhǎng)速率將大大降低增長(zhǎng)速率將大大降低，為：，為：CSKCCSNSKNNSPSKPPSmax限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)因子結(jié)論限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)因子結(jié)論：1 1）自然條件下）自然條件下磷磷的豐度一般偏低

6、，成為的豐度一般偏低，成為限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)控制限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)控制因子因子2 2）工業(yè)污染導(dǎo)致自然界磷的含量上升，使得）工業(yè)污染導(dǎo)致自然界磷的含量上升，使得磷磷/ /氮比氮比提高，提高，氮氮和磷和磷同時(shí)成為同時(shí)成為限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)控制因子限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)控制因子2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)102.3.2 2.3.2 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)荷主要營(yíng)養(yǎng)源及其來源主要營(yíng)養(yǎng)源及其來源類型類型 來源來源 外源外源點(diǎn)源點(diǎn)源工業(yè)廢水工業(yè)廢水 城鎮(zhèn)生活污水城鎮(zhèn)生活污水 固體廢物處置場(chǎng)固體廢物處置場(chǎng) 面源面源礦區(qū)地表徑流礦區(qū)地表徑流 城鎮(zhèn)地表徑流城鎮(zhèn)地表徑流 農(nóng)牧區(qū)地表徑流農(nóng)牧區(qū)地表徑流 大氣降塵大氣降塵 大

7、氣降水大氣降水水體投餌養(yǎng)殖水體投餌養(yǎng)殖 水面娛樂活動(dòng)廢棄物水面娛樂活動(dòng)廢棄物 水土流失及土壤侵蝕水土流失及土壤侵蝕 內(nèi)源內(nèi)源 底泥及沉積物底泥及沉積物2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)11營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)入湖途徑營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)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湖泊水庫(kù)降塵降塵降水降水養(yǎng)殖養(yǎng)殖投餌投餌2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)122022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)13營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷 地面徑流的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷，地面徑流的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷，Ijl 降水的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷，降水的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷，Ijp 人為因素營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷人為因素營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷 生活污水營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷，生活污水營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷，Ijs 工業(yè)污水營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷，工業(yè)污水營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷，

8、Ijk 湖泊水庫(kù)的總營(yíng)養(yǎng)平衡湖泊水庫(kù)的總營(yíng)養(yǎng)平衡jjljPjsjkIIIII2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)142.42.4 湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化判別標(biāo)準(zhǔn)湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化判別標(biāo)準(zhǔn)2.4.12.4.1 判別指標(biāo)判別指標(biāo) 物理指標(biāo)物理指標(biāo)：透明度透明度、水溫、光強(qiáng)等，透明度最常用、水溫、光強(qiáng)等，透明度最常用 化學(xué)指標(biāo)化學(xué)指標(biāo)：與藻類增殖直接相關(guān)的：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)以及營(yíng)養(yǎng)鹽等指標(biāo) 生物學(xué)指標(biāo)生物學(xué)指標(biāo)：藻類現(xiàn)存量（：藻類現(xiàn)存量（葉綠素葉綠素）、生物指標(biāo)）、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（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

9、類增殖的潛在能力群集生物的多樣性）、藻類增殖的潛在能力 2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)152.4.22.4.2 判別標(biāo)準(zhǔn)判別標(biāo)準(zhǔn)總氮（總氮（TN）0.20.3mg/L總磷（TP）0.010.02mg/LBOD510mg/LpH79細(xì)菌總數(shù)100000個(gè)/L葉綠素a（chla）0.01mg/L富營(yíng)養(yǎng)化的水質(zhì)條件富營(yíng)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(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)達(dá)到表中狀態(tài)，有可能引起富營(yíng)養(yǎng)化2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)16Vollenweider臨界負(fù)荷法臨界負(fù)荷法 可接受的磷負(fù)荷可接受的磷負(fù)荷LPA （mg/m2 a） 磷的危險(xiǎn)臨界負(fù)荷磷的危險(xiǎn)臨界負(fù)荷LPD （mg/m2 a） 可接

10、受的氮負(fù)荷可接受的氮負(fù)荷LNA （mg/m2 a） 氮的危險(xiǎn)臨界負(fù)荷氮的危險(xiǎn)臨界負(fù)荷LND （mg/m2 a）40. 1lg6 . 0hLPA70. 1lg6 . 0hLPD57. 2lg6 . 0hLNA87. 2lg6 . 0hLNDh 為 湖 庫(kù) 的為 湖 庫(kù) 的水深（水深（m）2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)173 3、湖庫(kù)完全混合箱式模型、湖庫(kù)完全混合箱式模型3.13.1 VollenweiderVollenweider模型模型概述概述 模型創(chuàng)始模型創(chuàng)始：R.A.Vollenweider在在20世紀(jì)世紀(jì)70年代初期年代初期研究北美大湖時(shí)提出研究北美大湖時(shí)提出 適用對(duì)象適用對(duì)象：停留時(shí)間

11、很長(zhǎng)，水質(zhì)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)：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(kù)的湖泊水庫(kù) 模型假定模型假定：湖泊中某種營(yíng)養(yǎng)物的濃度隨時(shí)間的變化：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)的函數(shù) 2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)18 模型不足模型不足：不能描述發(fā)生在湖泊內(nèi)的物理、化學(xué)和：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(kù)的熱分層，是生物過程，同時(shí)也不考慮湖泊和水庫(kù)的熱分層，是只考慮輸入只考慮輸入 輸出關(guān)系的模型輸出關(guān)系的模型模型基本形式及其解析解模型基本形式及其解析解 模型基本形式模型基

12、本形式QCsCVIdtdCVcV為湖泊水庫(kù)容積；為湖泊水庫(kù)容積；C為某種營(yíng)養(yǎng)物的濃度；為某種營(yíng)養(yǎng)物的濃度；Ic為該營(yíng)養(yǎng)物為該營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的總負(fù)荷；質(zhì)的總負(fù)荷；s為該營(yíng)養(yǎng)物在湖泊水庫(kù)中的沉積速率常數(shù)；為該營(yíng)養(yǎng)物在湖泊水庫(kù)中的沉積速率常數(shù)；Q為湖泊出流流量為湖泊出流流量2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)19 引入引入沖刷速率常數(shù)沖刷速率常數(shù)r（令（令r=Q/V），則得到：），則得到： 在給定初始條件：在給定初始條件：t=0時(shí)，時(shí)，C=C0，可得解析解，可得解析解 在湖泊、水庫(kù)的出流、入流流量及營(yíng)養(yǎng)物輸入穩(wěn)定在湖泊、水庫(kù)的出流、入流流量及營(yíng)養(yǎng)物輸入穩(wěn)定的情況下，當(dāng)?shù)那闆r下，當(dāng)t時(shí)，可達(dá)到營(yíng)養(yǎng)物的平衡濃度時(shí)，

13、可達(dá)到營(yíng)養(yǎng)物的平衡濃度Cp：rCsCVIdtdCc)(exp)()()()(0trsrsVICrsVrsVItCccVsrICcP)( 2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)20 若進(jìn)一步令若進(jìn)一步令 則有則有 hAVtsQVrw,1sccwcpAILthshLC/tw為湖泊水庫(kù)的水力停留時(shí)間；為湖泊水庫(kù)的水力停留時(shí)間；As為湖泊水庫(kù)的水面面為湖泊水庫(kù)的水面面積；積；h為平均水深；為平均水深；Lc為單位面積營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷為單位面積營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷 2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)21例題分析例題分析 已知湖泊的容積為已知湖泊的容積為1.0107m3，湖泊內(nèi)，湖泊內(nèi)CODCr的本的本底濃度為底濃度為1.5mg/L，河流

14、入流量，河流入流量5107m3/a，河流中，河流中CODCr濃度為濃度為3mg/L， CODCr在湖泊中的沉積速度在湖泊中的沉積速度常數(shù)為常數(shù)為0.08/a。試求湖泊中。試求湖泊中CODCr的平衡濃度，及的平衡濃度，及達(dá)到平衡濃度的達(dá)到平衡濃度的99%所需的時(shí)間。所需的時(shí)間。 解答解答：根據(jù)題目，得到：根據(jù)題目，得到0pc11 esr tVsr CCCIcpp00cc1111lnln1 CCICCtVsrCsrsrVsrCII2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)22 根據(jù)題意已知：根據(jù)題意已知：V=107m3，s=0.08/a，r=Q/V=5/a， C0=1.5g/m3，Ic=0.51083 =1.

15、5108 g/a 當(dāng)當(dāng) C/Cp = 0.99 時(shí)：時(shí)： 即平衡濃度為即平衡濃度為2.95g/m3，達(dá)到平衡濃度的，達(dá)到平衡濃度的99%約需約需 0.77a。 a77. 033020. 0ln08. 51105 . 15 . 1508. 0100 . 1105 . 1199. 0ln508. 01878t378pg/m95. 210508. 0105 . 1C2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)233.2 3.2 Kirchner-DillonKirchner-Dillon模型模型 VollenweiderVollenweider模型的困境模型的困境：營(yíng)養(yǎng)物在水庫(kù)中的沉積速率：營(yíng)養(yǎng)物在水庫(kù)中的沉積速

16、率常數(shù)常數(shù)s難以確定難以確定 解決方案解決方案：引入：引入滯留系數(shù)滯留系數(shù)R Rc c，即營(yíng)養(yǎng)物在湖泊或水，即營(yíng)養(yǎng)物在湖泊或水庫(kù)中的滯留分?jǐn)?shù)。此時(shí)，模型為：庫(kù)中的滯留分?jǐn)?shù)。此時(shí)，模型為： 給定初始條件，當(dāng)給定初始條件，當(dāng)t=0時(shí)，時(shí)，C=C0，可得解析解：，可得解析解：rCVRIdtdCcc)1 (rtccccerVRICrVRItC)1 ()1 ()(02022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)24 類似地，可得到平衡濃度為：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(yíng)養(yǎng)物濃滯留系數(shù)可根據(jù)流入和流出的支流流量和營(yíng)養(yǎng)物濃度近似計(jì)算：度近似計(jì)算：rhRLrVRICccccp)1 ()1

17、 (iknkikmjojojcCqCqR111qoj、Coj分別為出流水流量和營(yíng)養(yǎng)物濃度；分別為出流水流量和營(yíng)養(yǎng)物濃度；qik、Cik分別分別為入流水流量和營(yíng)養(yǎng)物濃度為入流水流量和營(yíng)養(yǎng)物濃度2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)253.33.3 分層箱式模型分層箱式模型概述概述 模型創(chuàng)始模型創(chuàng)始：1975年，年，Snodgrass等提出，用以近似描等提出，用以近似描述水質(zhì)分層狀況述水質(zhì)分層狀況 模型建立假設(shè)模型建立假設(shè)：上層和下層各自滿足完全混合模型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)散傳遞作用要求；兩層之間存在著紊流擴(kuò)散傳遞作用 模型組成模型組成：夏季模型和冬季模型，前者考慮上、

18、下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)組分模擬水質(zhì)組分：正磷酸鹽（正磷酸鹽（Po）和偏磷酸鹽（）和偏磷酸鹽（Pp）2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)26模型概化圖模型概化圖2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)27夏季分層模型夏季分層模型 表層正磷酸鹽表層正磷酸鹽Poe： 表層偏磷酸鹽表層偏磷酸鹽Ppe： 下層正磷酸鹽下層正磷酸鹽Poh：)(oeohthththoeeeoeojjoeePPAZKPVpQPPQdtdPV)(pephthththoeeepethepepjjpeePPAZKPVpPASQPPQdtdPV)(

19、ohoethththphhhohhPPAZKPVrdtdPV2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)28 下層偏磷酸鹽下層偏磷酸鹽Pph：)(phpethththphhhphshpethephhPPAZKPVrPASPASdtdPV式中，下標(biāo)式中，下標(biāo)e和和h分別代表上層和下層；下標(biāo)分別代表上層和下層；下標(biāo)th和和s分別代表分別代表斜溫區(qū)和底部沉淀區(qū)的界面；斜溫區(qū)和底部沉淀區(qū)的界面；p和和r表示凈衰減速率常數(shù)；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)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(duì)熱傳遞或物質(zhì)穿越斜溫層的影波、表層風(fēng)波及其他過程對(duì)

20、熱傳遞或物質(zhì)穿越斜溫層的影響；響；Z是平均水深；是平均水深；V是箱的體積；是箱的體積；A是界面面積；是界面面積；Qj是流入是流入湖泊的流量；湖泊的流量；Q是流出湖泊的流量；是流出湖泊的流量；S是磷的沉淀速率常數(shù)是磷的沉淀速率常數(shù)2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)29冬季循環(huán)模型冬季循環(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(dòng)磷的循環(huán)層之間的水量循環(huán)，帶動(dòng)磷的循環(huán) 正磷酸鹽正磷酸鹽Po循環(huán)方程循環(huán)方程 偏磷酸鹽偏磷酸鹽Pp循環(huán)方程循環(huán)方程 式中，下標(biāo)式中，下標(biāo)eu代表富營(yíng)養(yǎng)區(qū)，其余符號(hào)意義同前代表富營(yíng)養(yǎng)區(qū)，其余符號(hào)意義同前o

21、oeueuoojjorVPPVpQPPQdtdPVpspoeueuppjjpPSArVPPVpQPPQdtdPV2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)30兩模型的銜接兩模型的銜接 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季的“翻池翻池”過程形成的過程形成的完全混合狀態(tài)完全混合狀態(tài)作為初始條作為初始條件而銜接起來件而銜接起來 此時(shí)，整個(gè)湖泊中的濃度分布是均勻的，即此時(shí)，整個(gè)湖泊中的濃度分布是均勻的，即VVPVPPVVPVPPhphepephoheoeo2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)313.4 3.4 完全混合模型在富營(yíng)養(yǎng)化判別方面的應(yīng)用完全混合模型在富

22、營(yíng)養(yǎng)化判別方面的應(yīng)用 Vollenweider和和Dillon根據(jù)大量的富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查數(shù)根據(jù)大量的富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查數(shù)據(jù)繪制了湖泊、水庫(kù)基于據(jù)繪制了湖泊、水庫(kù)基于磷磷的富營(yíng)養(yǎng)化狀況判別圖的富營(yíng)養(yǎng)化狀況判別圖2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)32例題分析例題分析 某湖泊平均容積為某湖泊平均容積為2.0 109m3，水面面積，水面面積As為為3.6 107m2，支流入流量，支流入流量qi為為3.1 109m3/a，入流水中，入流水中磷的平均濃度為磷的平均濃度為Cip=0.52mg/L，支流出流量，支流出流量qo為為5.8 108m3/a，測(cè)得磷的平均濃度，測(cè)得磷的平均濃度Cop為為0.15mg/L，試判斷該湖

23、泊的營(yíng)養(yǎng)狀況試判斷該湖泊的營(yíng)養(yǎng)狀況解答解答：（：（1）圖形比較法）圖形比較法 計(jì)算得到湖泊平均水深：計(jì)算得到湖泊平均水深：h=55.56m 計(jì)算沖刷速率常數(shù)：計(jì)算沖刷速率常數(shù)：r=0.29/a 計(jì)算滯留系數(shù)：計(jì)算滯留系數(shù)：R =0.95 計(jì)算單位面積磷負(fù)荷：計(jì)算單位面積磷負(fù)荷：LP=44.78g/m2 a2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)33 計(jì)算縱坐標(biāo)：計(jì)算縱坐標(biāo)：LP(1 R)/r=7.72g/m2 根據(jù)判別圖，點(diǎn)（根據(jù)判別圖，點(diǎn)（55.56, 7.72）位于富營(yíng)養(yǎng)區(qū)域位于富營(yíng)養(yǎng)區(qū)域，表明表明長(zhǎng)期的磷排放會(huì)導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化長(zhǎng)期的磷排放會(huì)導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化 （2）濃度比較法）濃度比較法 計(jì)算湖泊磷

24、的平衡濃度：計(jì)算湖泊磷的平衡濃度：CP=0.14mg/L 計(jì)算磷的危險(xiǎn)界限：計(jì)算磷的危險(xiǎn)界限：LPD=0.558g/m2 a 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，無論從平衡濃度；還是從磷負(fù)荷根據(jù)計(jì)算結(jié)果，無論從平衡濃度；還是從磷負(fù)荷看，均超過富營(yíng)養(yǎng)化危險(xiǎn)界限，長(zhǎng)期看，均超過富營(yíng)養(yǎng)化危險(xiǎn)界限，長(zhǎng)期磷排放會(huì)導(dǎo)致磷排放會(huì)導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化湖泊富營(yíng)養(yǎng)化2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)344 4、非完全混合模型、非完全混合模型2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)354.14.1 卡拉烏舍夫湖庫(kù)水質(zhì)擴(kuò)散模型卡拉烏舍夫湖庫(kù)水質(zhì)擴(kuò)散模型 模型模型 式中式中MMr r為徑向湍流混合系數(shù)；其它符號(hào)意義見示意圖為徑向湍流混合系數(shù)；其它符號(hào)意義見示

25、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)點(diǎn) r0處的現(xiàn)狀值處的現(xiàn)狀值 Cr0，上式求解得：，上式求解得： Cp為廢水中污染物濃度，其余符號(hào)意義同前為廢水中污染物濃度，其余符號(hào)意義同前2p21rrrrrQCCCMMtHrrrppp00()rQHMrrrCCCCr2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)36 考慮到風(fēng)浪的影響，徑向湍流混合系數(shù)可采用下述考慮到風(fēng)浪的影響，徑向湍流混合系數(shù)可采用下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 式中，式中， 為水的密度；為水的密度；H為計(jì)算范圍內(nèi)湖庫(kù)的平均水深；為計(jì)算范圍內(nèi)湖庫(kù)的平均水深；d為為湖（庫(kù)）底沉積物顆粒的直徑；

26、湖（庫(kù)）底沉積物顆粒的直徑；g為重力加速度；為重力加速度；f0為經(jīng)驗(yàn)系為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；數(shù)；u為湖（庫(kù)）水平均流速；為湖（庫(kù)）水平均流速；h為波高為波高22/31/320rHduhMuf gH2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)374.24.2 易降解物質(zhì)的簡(jiǎn)化水質(zhì)模型易降解物質(zhì)的簡(jiǎn)化水質(zhì)模型 將卡拉烏舍夫湖泊水庫(kù)水質(zhì)擴(kuò)散模型中擴(kuò)散項(xiàng)忽略將卡拉烏舍夫湖泊水庫(kù)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，這樣可得到穩(wěn)態(tài)條掉，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(kù)中推流和生化降解共同作用下的件下污染物在湖庫(kù)中推流和生化降解共同作用下的基本方程基本方程 當(dāng)邊界條件取當(dāng)邊界條件取r=0 時(shí)

27、，時(shí)，Cr=Cr0（為排出口濃度），則（為排出口濃度），則其解析解為：其解析解為：p1dd rrCQK C H rr)2exp(210prrQHrKCC2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)38 當(dāng)考察湖庫(kù)的水質(zhì)指標(biāo)是當(dāng)考察湖庫(kù)的水質(zhì)指標(biāo)是溶解氧溶解氧時(shí)，并只考慮時(shí)，并只考慮BOD 的耗氧因素的耗氧因素與與大氣復(fù)氧因素大氣復(fù)氧因素，可推導(dǎo)出湖庫(kù)的氧虧，可推導(dǎo)出湖庫(kù)的氧虧方程方程 其解析解為：其解析解為： L0和和D0分別為排放口處的分別為排放口處的BOD濃度和氧虧量濃度和氧虧量p12d()dDQK LK D H rr22210122021pppexpexpexp222K LKHrKHrKHrDDKKQ

28、QQ2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)39練習(xí)題練習(xí)題1、某湖泊容積為、某湖泊容積為2.0 108m3，水面面積為，水面面積為3.6 107m2，支，支流入流量為流入流量為3.1 109m3/a，經(jīng)多年測(cè)量知磷的輸入量為，經(jīng)多年測(cè)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，若不考慮蒸發(fā)和降水過程的影響，試判斷湖泊的營(yíng)養(yǎng)狀況，是否會(huì)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化？滯留系數(shù)斷湖泊的營(yíng)養(yǎng)狀況，是否會(huì)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化？滯留系數(shù)按下式估算按下式估算:2、已知某湖泊的停留時(shí)間為、已知某湖泊的停留時(shí)間為1.5a，沉降速率為，沉降速率為0.001/d，一種污染物排入湖泊中達(dá)到最終平衡濃度的一種污染物排入湖

29、泊中達(dá)到最終平衡濃度的90%需多需多長(zhǎng)時(shí)間（設(shè)湖內(nèi)初始濃度為長(zhǎng)時(shí)間（設(shè)湖內(nèi)初始濃度為0）？）？)00949. 0exp(574. 0)271. 0exp(426. 0ssAQAQR2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)405 5、湖庫(kù)的生態(tài)系統(tǒng)模型、湖庫(kù)的生態(tài)系統(tǒng)模型5.1 5.1 概念模型概念模型 以以磷為核心磷為核心，涉及，涉及12個(gè)水質(zhì)項(xiàng)目個(gè)水質(zhì)項(xiàng)目：藻類、浮游動(dòng)：藻類、浮游動(dòng)物、有機(jī)磷、無機(jī)磷、有機(jī)氮、氨氮、亞硝酸鹽物、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、懸浮物氧、總?cè)芙夤腆w、懸浮物2022-

30、2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)415.2 5.2 一般數(shù)學(xué)表達(dá)一般數(shù)學(xué)表達(dá) 上述上述12個(gè)水質(zhì)組分都可用如下方程描述：個(gè)水質(zhì)組分都可用如下方程描述：)(1)(11)(intoutoutininZsCqCqAASZCADZAZCVVtC式中式中Sint表示發(fā)生在湖泊或水庫(kù)內(nèi)部的各種過程，每個(gè)項(xiàng)目表示發(fā)生在湖泊或水庫(kù)內(nèi)部的各種過程，每個(gè)項(xiàng)目的變化可以看作是對(duì)時(shí)間的全微分，即的變化可以看作是對(duì)時(shí)間的全微分，即 C代表各個(gè)不同的水質(zhì)項(xiàng)目代表各個(gè)不同的水質(zhì)項(xiàng)目dtdCASint2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)425.3 5.3 系統(tǒng)模擬系統(tǒng)模擬藻類（浮游植物）生物量藻類（浮游植物）生物量CA 以藻類的含碳量表示，單

31、位為以藻類的含碳量表示，單位為mg碳碳/LAgAACZcCdtdC)(式中，式中， 為藻類的比生長(zhǎng)速率；為藻類的比生長(zhǎng)速率； 為藻類的比死亡速率；為藻類的比死亡速率；cg為為浮游動(dòng)物食浮游動(dòng)物食藻率；藻率；Z為浮游動(dòng)物的濃度為浮游動(dòng)物的濃度2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)43浮游動(dòng)物浮游動(dòng)物Z 用單位水體中的物質(zhì)量或含碳量表示，單位用單位水體中的物質(zhì)量或含碳量表示，單位mg碳碳/L 式中，式中， z為浮游動(dòng)物的比生長(zhǎng)速率：為浮游動(dòng)物的比生長(zhǎng)速率： Kz為米氏常數(shù)，為米氏常數(shù)， zmax為浮游動(dòng)物的最大比增長(zhǎng)速率；為浮游動(dòng)物的最大比增長(zhǎng)速率； z為浮為浮游動(dòng)物的比死亡速率（包括氧化分解）；游動(dòng)物的比死亡速率（包括氧化分解）；cz為較高級(jí)水生生為較高級(jí)水生生物對(duì)浮游動(dòng)物的吞食速物對(duì)浮游動(dòng)物的吞食速率，其他符號(hào)意義同前率，其他符號(hào)意義同前ZcZdtdZzzz)(AZAzzCKCmax2022-2-6環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)學(xué)44磷磷 溶解態(tài)無機(jī)磷溶解態(tài)無機(jī)磷P1： App為藻類中磷的含量；為藻類中磷的含量；I1為底泥對(duì)無機(jī)磷的吸收速率；為底泥對(duì)無機(jī)磷的吸收速率；I2為為