富營養(yǎng)化模塊

水質(zhì)標(biāo)志著水的物理、化學(xué)和生物特征，可用于衡量水體對社會的可用性。富營養(yǎng)化是指水體中營養(yǎng)物質(zhì)過度密集的過程，結(jié)果導(dǎo)致浹類等浮游植物迅速繁殖，引起溶解氧卞降、水體透明度下降等問題。通常代表水質(zhì)營養(yǎng)狀態(tài)的變量為：總磷、總氮、葉綠素和透明度。水體中影響富營養(yǎng)化過程的重要因素有：1水體的幾何形狀：水深、寬度、表面枳和體積。2流速和湍流混合。3.水溫和太陽輻射。4總固體懸浮顆粒物。5.浹類。6?營養(yǎng)物質(zhì)：磷、氮和硅。7.溶解氧。浹類是一類包含葉綠素并且依靠光合作用生長的水生植物。渙類類群包扌舌：藍(lán)浹：綠浹;硅浹。綠浹依靠水柱的垂直混合在透光層區(qū)域生長繁殖。硅渙是一種利用硅作為其細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)成分的浮游植物。藍(lán)渙的幾種生物特性可以使其成為優(yōu)勢種：（1） 固氮機(jī)制：它們特有的異形胞能夠?qū)⑷藲獾潭轭玫牡?，供給其它營養(yǎng)細(xì)胞，因此在環(huán)境中外來氮源不足而水體磷充足時，它們比其它生物更具有競爭優(yōu)勢，容易周期性地大量生長形成水華。（2） 浮力調(diào)節(jié)機(jī)制：水華藍(lán)浹都具有一種調(diào)節(jié)細(xì)胞升浮的結(jié)構(gòu)體一偽空胞，通過動態(tài)調(diào)節(jié)偽空胞的氣囊數(shù)，藍(lán)浹細(xì)胞能夠控制它的浮力。在高光強(qiáng)條件卞，足夠多的氣囊破裂，浮力下降；低光強(qiáng)條件下，氣囊數(shù)增多，浮力增加，從而有利于快速光合作用。（3） ~氧化碳濃縮機(jī)制：水華藍(lán)浹具有高效吸收利用外源無機(jī)碳的功能。在低濃度的C02介質(zhì)中，藍(lán)浹可以通過高效地主動吸收濃縮外源無機(jī)碳，在細(xì)胞內(nèi)積累比介質(zhì)高幾百到幾「倍地C02濃度，由此能夠在其所棲息地環(huán)境中最人限度地競爭利用行限的無機(jī)碳源，保持持續(xù)穩(wěn)定的生長。（4） 低光補(bǔ)償機(jī)制：藍(lán)浹具有特殊的三套色素系統(tǒng)，除了葉綠素類色素系統(tǒng)和類胡蘿卜色素系統(tǒng)外，藍(lán)浹還具有渙膽色素系統(tǒng)，能在弱光卜?更有效的捕獲光能，使藍(lán)浹在低光壞境下也能很好的生長。藍(lán)渙光合作用的飽和光強(qiáng)比其它渙類低，種群在生長過程中還能產(chǎn)生光適應(yīng)，從而使飽和光強(qiáng)進(jìn)一步降低。藍(lán)浹適應(yīng)低光壞境的策略使之存儲更多的光合作用的碳代謝產(chǎn)物，以驅(qū)動暗代謝反應(yīng)，同時具有降低代謝率的功能，這種能力有利于藍(lán)浹在黑暗的湖底淤泥中長期存活。（5） 奢侈消費(fèi)機(jī)制：許多藍(lán)浹都具有奢侈消費(fèi)的特性，能儲存多余的磷、氮等營養(yǎng)，一旦周I韋I環(huán)境滿足不了其營養(yǎng)需求時，體內(nèi)儲存的營養(yǎng)仍能供給個體的增長和種群的繁殖，從而度過不良的環(huán)境。（6） 藍(lán)浹毒素：藍(lán)浹產(chǎn)生營養(yǎng)效率低的毒素，減少了其被其它生物捕食的可能性；毒素對其它浹類和水生植物產(chǎn)生它感作用，抑制其它浹類和水生植物的生長，從而使自己在種群競爭中處于有利地位。（7） 休眠機(jī)制：水華藍(lán)浹都有一套休眠機(jī)制，能在條件不利時利用這種休眠機(jī)制沉入底泥，以度過難關(guān)；壞境條件適宜時，這些休眠體就復(fù)蘇，萌動，繁殖，上浮乃至形成水華。（8） 鐵載體：鐵載體是一種對三價鐵離子具有超強(qiáng)螯合能力的有機(jī)化合物，能螯合鐵并輸送到細(xì)胞內(nèi)部，在缺鐵的壞境中會向外界分泌鐵載體來獲得鐵源以便能維持正常的代謝活動。

水質(zhì)模型中代表性的水質(zhì)變量組為：1?漩類；2?有機(jī)碳；3?磷；4氮：5.硅；6其他水質(zhì)變量。水質(zhì)變量組數(shù)量和名稱藻類(1)藍(lán)藻(BJ(2)硅藻(Bd)(3)綠渙(Bg)(22)大型藻類(Bm)有機(jī)碳(4)難溶顆粒有機(jī)碳(RPOC)(5)活性顆粒有機(jī)碳(LPOC)(6)溶解有機(jī)碳(DOC)磷(7)難溶顆粒有機(jī)磷(RPOP)(8)活性顆粒有機(jī)磷(LPOP)(9)溶解有機(jī)磷(DOP)(10)總磷酸鹽(POQ氮(11)難溶顆粒有機(jī)氮(RPON)(12)活性顆粒有機(jī)氮(LPON)(13)溶解有機(jī)氮(DON)(⑷氨氮眄)(15)硝酸鹽(NO3)硅(16)顆粒生物硅(SU)(17)可用硅(SA)其他(18)化學(xué)需氧量(COD)(19)溶解氧CDO)(20)總活性金屬fTAM)(21)糞大腸菌群(Feb)其中，活性和難溶取決于分解的時間尺度。COD為通過無機(jī)方法可彼氧化的物質(zhì)減少的濃度。在咸水中，COD的主要組成為從沉積物中釋放的硫化物。在淡水中，COD主要是甲烷。一、藻類礦化作用/分解作用礦化作用/分解作用藻類動力學(xué)受以下的過程支配:1.?類生長。2新陳代謝，包括呼吸和排泄。3.捕食。4.沉降。5.外源糞括這些過程的通用方程表示為：凈浹類生長=浹類生長-新陳代謝-捕食-沉降+外源即：dBxz 、d( 、WBX而=限一BMx-PRjBx+石("3? +—其中，乞表示浹類生物量(以碳計(jì))(g/m3)；t表示時間(d)；冷為浹類群x的生產(chǎn)速率(屮)；表示渙類群x的基礎(chǔ)新陳代謝速率(d-l)；P/?x表示浹類群組x的捕食速率(d-i)；"S“表示渙類群組x的沉降速率(m/d)；"比表示浹類群組x外部負(fù)荷(以碳計(jì))(g/d)；V是體積(m3):下標(biāo)x為c,d,go又(渙類生長)：a=PMxJ(N)qa)?總巧?辦(S)其中，/l(N)表示營養(yǎng)物質(zhì)的生長限制函數(shù)(0-1),忌(Z)表示光強(qiáng)度的限制函數(shù)(0-l),/3(T)表示溫度的生長限制函數(shù)(0-1),辦(S)表示鹽度的生長限制函數(shù)(0-l)o其中：NH4+NH4+NO3PO4SAd齊的=圖臨+NHq+NO3，KHP+POfKHS+SAd)式中，KHN,KHP,KHS表示氨，磷，硅半飽和度常數(shù)(質(zhì)量/體積)。f2^=LEXP^-L)其中1(D)=Ise^D Ke=KQ+K±?TSS+K2?B人是最適宜光照強(qiáng)度必是水面太陽輻射(W/m2),D是水深，匕是消光系數(shù)(n?),K。是除TSS

和渙類外的吸光成分的消光系數(shù)，並是TSS的消光系數(shù)因子，$是總渙類的消光系數(shù)因子。（e-KTGlx（T-TMlx）2當(dāng)TVTMlx時1.0 當(dāng)TMlxSTSTM2X時e-KTG2x（T-TM2x）2當(dāng)丁>TMl*時式中，TNI*、TM2k表示對浹類生長最適宜溫度的上下限：KTG1X表示溫度低于卜限時的影響；KTG2x表示溫度高于上限時的影響。牟〈、_STOX2辦①_STOX2+S2式中，STOX表示浹類生在速度減半的鹽度。又（渙類減少）：BMx=BMRx-/bM（T-TRx）式中，BMI^為浹類群在T&J、'基礎(chǔ)新陳代謝速率（1/時河）；為浹類基礎(chǔ)新陳代謝的參考溫度（°C）；九m（T）為溫度函數(shù)，無量綱。（一般參考溫度為20度）又（藻類捕食）：PRX=常數(shù)或者PRX=PRRX?(罷)"P?eKTB^~TR^BxP式中，PR?為T&卜?基礎(chǔ)的捕食速率比卩為捕食的參考浹類濃度（以碳計(jì)）（g/an3）,aP為相關(guān)因子。POC的靜變化=浹類捕食冰解■沉降+外部負(fù)荷即：5RPOC

dt》FCRP-PR^Bx-Krpocx=c,d,g?RPOC+5RPOC

dt》FCRP-PR^Bx-Krpocx=c,d,g?RPOC+di(WSrp?RPOC)+WRPOC~V~OLPOCv1 d, WLPOC=2.FCLP?PRX?Bx—Klpoc-LPOC+—（WSLP?LPOC）+—x=c,dg式中，RPOC為難溶性顆粒有機(jī)碳濃度（以碳計(jì)，g/c/）；lopc為火星顆粒有機(jī)碳濃度（以碳計(jì)，g/cm3）：FCRP表示被捕倉的碳中所生成的難溶性顆粒有機(jī)碳部分：FCLP表示被捕食的碳中所生成的火星顆粒有機(jī)碳部分；Krpoc是難溶性顆粒有機(jī)碳水解速率（dr；Klpoc是活性顆粒有機(jī)碳水解速率（屮）：WSrp是難溶性顆粒有機(jī)碳沉降速度（m/d）：WS^是活性顆粒有機(jī)碳沉降速度（m/d）；WRPOC是難溶性顆粒有機(jī)碳的外部負(fù)荷（以碳計(jì)，g/d）；WLPOC是活性顆粒有機(jī)碳的外部負(fù)荷（以碳計(jì)，g/d）oDOC的靜變化=浹類排泄+浹類捕食?+RPOC水解+LPOC水解-DOC異氧呼吸-脫銷作用+外部負(fù)荷即：警=Sx=c,d,g［FCDX+（1-FC%） BMX?Bx+Sx=c,d,gFCDP?PRX?Bx+K^oc?RPOC+Klpoc-LPOC-KHR-DOC-Denit?DOC+竺產(chǎn)式中，DOC表示溶解性有機(jī)碳濃度（以碳計(jì)，g/an3）；FC%是渙類組的常數(shù)（（KFCD/l）；KHR*是浹類溶解性有機(jī)碳排泄物的溶解氧半飽和常數(shù)（以氧計(jì)，g/an3）；DO是溶解氧濃度（以氧計(jì)，g/an3）：FCDP是被捕食碳產(chǎn)生的溶解有機(jī)碳部分；Khr為溶解性有機(jī)碳異氧呼吸速率（d“）；Denit為反硝化作用速率（d“）；WDOC是溶解性有機(jī)碳的外部負(fù)荷量（以碳計(jì)，g/d）。上述方程需要滿足：FCRP+FCLP+FCDP=1.0即被捕倉碳產(chǎn)生的3種碳的部分相加即為被捕食的碳。又：tz_DOg_KHORdo+DOKdoc式中，KHORdo是有氧呼吸溶解氧的半飽和常數(shù)（以氧計(jì)，g/an3）；心。。是在充足的溶解氧下溶解性有機(jī)碳的異氧呼吸速率（屮）。又：Krpoc=（KRC+KRCaig工Bx）■（t-tRhdr）x=c,d,gKlpoc=<KLC+KLGdg工Bx）■e^HDR（t-trhdr）x=c,d,gKdoc=<Kdc+KDCalg工Bx）-e^MNLCr-TRHHL）x=c,d,g式中，Krc是難溶顆粒有機(jī)碳的最小溶解速率（屮）；Klc是活性顆粒有機(jī)碳的最小溶解速率（d-1）；Kdc是溶解性有機(jī)碳的最小呼吸速率（屮）；Krc陶和分別為與渙類生物量的難溶性和活性顆粒有機(jī)碳的降解冇關(guān)的常數(shù)［d-VCg-m3）］（質(zhì)量以碳計(jì)）；KDCalg是與藻類生物量的呼吸作用有關(guān)的常數(shù)（質(zhì)量以碳計(jì)）；KThdr是溫度對顆粒冇機(jī)物水解的影響（弋一1）;TRhdr是顆粒有機(jī)物水解的參考溫度（°C）;KTmnl是溫度對溶解有機(jī)物礦化的影響（七一丄）；TRmnl是溶解性有機(jī)物礦化的參考溫度（°C）。POP凈變化=渙類捕食+渙類新陳代謝?POP水解■沉降+外源即：ORPOPv/ 、 d/—=Z(FPRP?PRx+FPRk?BMJAPC?Bx一Krpqp-RPOP+—(WSRP?RPOP)x=c,d,gWRPOPdLPOP》(FPLPPRxdLPOP》(FPLPPRxx=c,d,g+FPLx?BMJAPC?Bx-KLpop?LPOP+—(WSlp-LPOP)WLPOP式中，RPOP表示難溶性顆粒有機(jī)磷的濃度（以磷計(jì)，g/m3）：LPOP表示活性顆粒有機(jī)磷的濃度（以磷計(jì)，gAn3）；FPRP表示被捕食的磷中生成的難溶性顆粒有機(jī)磷部分：FPLP表示被捕食的磷中生成的活性顆粒有機(jī)磷部分；FP&,表示浹類生產(chǎn)的新陳代謝的磷作為難溶顆粒有機(jī)磷的部分；FP—表示渙類生產(chǎn)的新陳代謝的磷作為活性顆粒有機(jī)磷的部分：APC表示所有浹類群的平均磷碳比（g/g）;Krpop表示難溶顆粒有機(jī)磷的水解率（屮）；Klpop表示活性顆粒有機(jī)磷的水解率（d“）；WRPOP表示難溶顆粒有機(jī)磷外部負(fù)荷量（以磷計(jì)，g/d）；WLPOP表示活性顆粒有機(jī)磷外部負(fù)荷量（以磷計(jì)，g/d）；DOP凈變化=浹類捕食+渙類新陳代謝+POP水解■礦化+外源即：

dDOP~dT》（FPDP?PRX+FPDX?BMJAPC?Bx+KRPOp-RPOP+KLP0P-LPOP-KD0PdDOP~dTWDOP?DOP+—式中，DOP表示溶解性有機(jī)磷的濃度（以磷計(jì)，gAn3）；FPDP表示被捕食的磷中所生成的溶解仃機(jī)磷的部分；FPDx表示浹類生產(chǎn)的新陳代謝的磷作為溶解性有機(jī)磷的部分：Kdop表示溶解性有機(jī)磷的礦化速率（屮）：WDOP表示溶解性有機(jī)磷外部負(fù)荷量（以磷計(jì)，g/d）o總磷酸鹽包括溶解態(tài)磷酸鹽和顆粒態(tài)磷酸鹽：P04t=P04d+P04p總磷酸鹽凈變化=浹類捕倉+浹類新陳代謝一渙類攝取+DOP礦化一顆粒態(tài)沉降+溶解態(tài)在水體和沉積床交換+外源apo4t~d^》（FPIP.PRxx=c,d,gapo4t~d^》（FPIP.PRxx=c,d,g+FPIx?BMX—R）APC?Bx+KdopDOP-BFP04d+WP04tAz式中，P（M表示總磷酸鹽濃度（以磷計(jì)，gAn3）；PO4P表示顆粒磷酸鹽濃度（以磷計(jì)，g/m3）：FPIx表示渙類生產(chǎn)的新陳代謝的磷作為無機(jī)磷的部分；H>IP表示被捕食的磷中所生成的無機(jī)磷的部分：WSrss表示懸浮泥沙的沉降速率（m/d）：BFP04d表示泥沙——水體磷酸鹽交換通量［以磷計(jì),g/（m2-d）］,只應(yīng)用于底層;WP（M表示總磷酸鹽外部負(fù)荷（以磷計(jì)，g/d）。上述方程要滿足：FPRP+FPLP+FPDP+FPIP=1FPRX+FPL.+FPDX+FPIX=1又：APC= J C^rrai+C^rra2-e-cpp-3po4d式中,i表示最低碳度磷比（gC/gP）：CF^md表示最小與最人碳對磷比率之差（gC/gP）；CPprm3表示溶解性磷酸鹽對碳對磷比率的影響（gPAll3）o又：如（Krp+屛|而Kr啞》Bx）.e-HDR（T-TOHDR）x=c,d,gKlpop=（Klp+——里蘭一KLPaleVBx）?JThdrCT—tRhdr）LP0P 2KHP+P04dLP盹ZLxx=c,d,gK^0P=（Kdp+麗黑麗Kdp視》Bx）.e^-（T-TOMNL）x=c>d,g式中，Krp是難溶顆粒有機(jī)磷的最小水解速率（d“）；Klp是活性顆粒有機(jī)磷的最小水解速率

（d4）：Kdp是溶解性有機(jī)磷的最小礦化速率（屮）；Krp也和Ku睥分別為與浹類生物量的難溶性和活性顆粒有機(jī)磷的降解有關(guān)的常數(shù)［d-VCg-m3）］（質(zhì)量以碳計(jì)）；KDPaig是與浹類生物量的礦化作用何關(guān)的常數(shù)［d-7（g-m3）］（質(zhì)量以碳計(jì)）：KHP表示浹類吸收的平均半飽和常數(shù)（以磷計(jì)，gAn3）其中，KHP詁》KHEx=c,d,g町以使用分配系數(shù)來表示溶解態(tài)磷酸鹽和顆粒態(tài)磷酸鹽:P°4PP0P°4PP04tP°4P=i+kP04P-sP04P04tP°4(1=1+Kp。用故，兩式相除得:k-P°4P1KP5P_麗（即分配系數(shù)表示：每單位濃度的懸浮固體中顆粒態(tài)濃度與溶解態(tài)濃度的比率。四.氮TN=NO2+NO3+NH3/NH4+ONTKN(總凱氏氮片NH3NH4+ON浹類掠食水解作用礦化作用硝化作用RPONLPONDONNH水解作用礦化作用硝化作用RPONLPONDONNH4水解作用浹類攝取脫硝作用浹類攝取脫硝作用藻類新陳代謝PON變化=渙類捕食+浹類基礎(chǔ)代謝-PON水解■沉降+外源即：dRPON p dx一-一=〉(FNRP?PRX+FNRX?BMQANQ?Bx一Krpqn?RPON+—(WSrp?RPON)at Z—< oLx=c,d,gWRPON+OLPONv/ 、 d/(FNLP?PRx+FNLx?BMx)ANCx?Bx一KLP0N?LPON+—(WSLP?LPON)x=c,cLgWLPON式中，RPON表示難溶性顆粒有機(jī)氮的濃度（孰朋）；LPON表示活性顆粒有機(jī)氮的濃度（g/m3）：FNRP表示被捕仗的氮中生成的難溶性顆粒有機(jī)氮部分；FPLP表示被捕茂的氮中生成的活性顆粒有機(jī)氮部分：FNI^表示渙類生產(chǎn)的新陳代謝的氮作為難溶顆粒有機(jī)氮的部分；FN—表示渙類生產(chǎn)的新陳代謝的氮作為活性顆粒行機(jī)氮的部分；ANG表示浹類群x中氮碳比（g/g）;Krpon表示難溶顆粒有機(jī)氮的水解率（屮）；Klpon表示活性顆粒有機(jī)氮的水解率（d“）；WRPON表示難溶顆粒有機(jī)氮外部負(fù)荷量（以磷計(jì)，g/d）：WLPON表示活性顆粒有機(jī)氮外部負(fù)荷量（以磷計(jì)，g/d）；DON的變化=浹類捕食+渙類新陳代謝+PON水解■礦化+外源即：ODONdi=》(FNDP-PRX+FNDX-BMX)ANCX?Bx+Krpqn-RPON+KLP0N-LPON-KD0Nx=c,d,gWDON?DON+飛一式中，DON表示溶解性有機(jī)氮的濃度（以氮計(jì)，gAn3）；HSTDP表示被捕食的磷中所生成的溶解仃機(jī)氮的部分；FNDx表示渙類生產(chǎn)的新陳代謝的氮作為溶解性有機(jī)氮的部分；Kdon表示溶解性有機(jī)氮的礦化速率（屮）；WDON表示溶解性有機(jī)氮外部負(fù)荷量（以氮計(jì)，g/d）。NH4變化=浹類捕食+渙類新陳代謝一渙類吸收+DON礦化■硝化+NH4底部通量+外源即：5NH4di》5NH4di》(FNIP-PR.x=c,d,g+FNIX?BMX—PNX??ANq?Bx+KD0P?DOP-Nit?NH4bfnh4wnh4+Az*V式中，F(xiàn)N.表示浹類群x新陳代謝的氮中生成的無機(jī)氮的部分：FPIP表示被捕倉的氮中所生成的無機(jī)氮的部分：PNx表示渙類群x的錢吸收偏好（OVPNxVl）;BFNH4表示泥沙一一水體錢交換通量［以氮計(jì)，g/（m2-d）］,只應(yīng)用于底層；WN%表示錢的外部負(fù)荷（以氮計(jì),g/d）。NO3變化=—浹類吸收+硝化作用一反硝化作用+底部NO?通量+外源即：警=力(1—PNQFVANWBX+x=c,d,g警=力(1—PNQFVANWBX+x=c,d,gNit?NH4-ANDC?Denit?DOC+BFNO3*WNO3Az式中，ANDC為每氧化單位質(zhì)量的溶解性有機(jī)碳減少的硝酸鹽氮的質(zhì)量（每克碳中0933g氮）：BFNO3為泥沙——水體硝酸鹽交換通量［以氮計(jì)，g/（m2-d）］,只應(yīng)用于底層；WNO3表示硝酸鹽的外部負(fù)荷（以氮計(jì)，g/d）。

上述方程要滿足:上述方程要滿足:FNRP+FNLP+FNDP+FNIP=1FNI^+FNLx+FNDX+FNIX=1又：N03 KHbLPNX=NH4 +NH4 $ x4(KHNX+NH4)+(KHNk,+N03) (N03+NH4)+(KHNX+NO3)KHNy+KHN+NO3+NH4“N毗ZBQx=c,d,g?e^HDR(T-TRhdr)(Kln+KHNvKHN+NO3+NH4氐“嗚KHNy+KHN+NO3+NH4“N毗ZBQx=c,d,g?e^HDR(T-TRhdr)(Kln+KHNvKHN+NO3+NH4氐“嗚2Bxx=c,d,g?gKTHDR(T-TRhdr)Krpop—KHNv+KHN+NO3+NH4喺視ZBQx=c,d,g?eKTMNLCT-TRmNL)式中，Krn是難溶顆粒有機(jī)氮的最小水解速率（d“）；Klh是活性顆粒有機(jī)氮的最小水解速率（d'1）：Kdn是溶解性有機(jī)氮的最小礦化速率（屮）；KRNalgfllKLNalg分別為與渙類生物量的難溶性和活性顆粒有機(jī)氮的降解有關(guān)的常數(shù)［d-Vfg-m3）］（質(zhì)量以碳計(jì)）：Kdn叫是與藻類生物量的礦化作用有關(guān)的常數(shù)［d-VCg-m3）］（質(zhì)量以碳計(jì)）；KHN表示渙類吸收的平均半飽和常數(shù)（以氮計(jì)，旳I。。其中，KHN=|》KHNxx=c,d,g又：DO NH4Nit= NiU?韋計(jì)(T)KHNitD0+DOKHNitN+NH4啦Nlt<J(e-KNitl-(T-TNit)2當(dāng)T<TM1、?時fkrit(T)= 9NZ丿 e-kNit2(TNit-T)2當(dāng)T>TM1x式中，KHNitDo為溶解氧的硝化半飽和常數(shù)（以氧計(jì)，g/m3）；KHNitN為錢的硝化半飽和常數(shù)（以氮計(jì)，g/m3）：N%為TNit的最小硝化率（d"）；TNit為硝化最適溫度（°C）；