湖泊水庫水質(zhì)模型ppt

第五章

湖泊水庫水質(zhì)模型

1.2本章內(nèi)容

?湖泊水庫的污染特性

?湖泊水庫溫度模型

?湖泊水庫水質(zhì)模型

?湖泊水庫富營養(yǎng)化模型

?湖泊水庫生態(tài)系統(tǒng)模型

?湖泊水庫水質(zhì)模擬通用軟件介紹

?案例分析

第五章

湖泊水庫水質(zhì)模型

湖泊水庫的污染特性

3.污染來源與途徑

4?污染源

污染類型

污染物來源

工業(yè)廢水

點源

城鎮(zhèn)生活污水

固體廢物處置場

礦區(qū)地表徑流

外源污染物

城鎮(zhèn)地表徑流

農(nóng)牧區(qū)地表徑流

面源

大氣降塵

大氣降水

水體投餌養(yǎng)殖

水面娛樂活動廢棄物

水土流失及土壤侵蝕

內(nèi)源污染物

底泥及沉積物

?5污染物入湖途徑

點源污染

降塵

河渠

流域非點源污染

湖入泊降水

地水表

庫

面地下水

養(yǎng)殖投餌

營養(yǎng)源與營養(yǎng)負(fù)荷

6湖庫營養(yǎng)源

（1）點源

（2）非點源

（3）內(nèi)源

營養(yǎng)負(fù)荷

（1）地面徑流的營養(yǎng)負(fù)荷Ijl（2）降水的營養(yǎng)負(fù)荷Ijp

（3）人為因素營養(yǎng)負(fù)荷（生活污水Ijs和工業(yè)污水Ijk）（4）湖泊水庫的總營養(yǎng)平衡

Ij?Ijl?IjP?Ijs?Ijk

?

?7富營養(yǎng)化的控制因子

?湖泊富營養(yǎng)化定義

指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。

?富營養(yǎng)化的控制因子

地理位置

8

人類的影響地質(zhì)地形緯度地下水、農(nóng)業(yè)、湖盆的形態(tài)氣候礦業(yè)基底的組成深度湖底的降水風(fēng)日照湖的流入的營養(yǎng)鹽流域生態(tài)系統(tǒng)凹凸面積熱的傳氧氣季湖水湖底堆積物湖外物質(zhì)的流播和水的供節(jié)流動的性質(zhì)入（營養(yǎng)鹽）透明度光的透入溫分層給和變和混消耗化合湖泊營養(yǎng)度植物的生產(chǎn)活動湖岸帶的發(fā)育（1）限制性營養(yǎng)物質(zhì)

9

（2）

（3）

（4）溶解氧和溫度和照度

GT?Gmax?T?20T?201GT?1.8(1.066)If?KHR2.718282?eIe?If1?sIsK(e?eeHT)湖庫形態(tài)

pH10湖泊水庫富營養(yǎng)化判別標(biāo)準(zhǔn)

?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。

11?判別標(biāo)準(zhǔn)

（1）卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TSI）

48TSI(SD)?10(6?lnSDln

ln2)TSI(TP)?10(6?TPln2)

TSI(chla)?10(6?2.04?0.68lnchla（2）修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（ln2)TSIM）

TSIM(chla)?10(2.46?lnchla3.69?1.53lnSDln2.5)TSIM(SD)=10(2.46+ln2.5)

TSI(TP)=10(2.46+6.71+1.15lnTP

ln2.5)（3）綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

m2

TLI(?)??WWrijj?TLI(j)j?j?1m

?r2ijj?1

第五章

湖泊水庫水質(zhì)模型

湖泊水庫溫度模型

12.13湖泊水庫水溫特征

?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。

?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層次，上層溫度較高，下層溫度較低，中間為過渡帶，稱為溫躍層。

?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。

14?水溫分層

TZ湖庫中溫度的豎向分布湖庫中的熱分層

均勻混合溫度模型

15對于均勻混合型湖泊，假定水溫在各個方向是均勻的，僅考慮它隨時間的變化，可利用總體熱量平衡模型，計算湖泊溫度隨時間的變化過程。

?T?t?(SR?SRb?AR?ARb?BR?E?C?HOI)tHOISRSRb

ARARb

CEBR

16分層溫度模型

?垂向一維溫度模型

A(z)?

??T??t?u?T????T?z?t????Z??A(z)(D?Ev)?z???S當(dāng)忽略水流垂向速度及分子擴(kuò)散項時

?T?t?1??A(z)?z??A(z)E?T?Sv?z???A(z)?能量平衡模型

能量平衡模型將湖庫沿垂向分為

n+m個小薄層其中，

17上部

m層為混合均勻?qū)?，下?/p>

n層為變溫層，每層厚度為ΔZ。

混合層

混合層

Δz

變溫層

變溫層

Ek/Ep?1Ek/Ep≥?

1*18Ek??0WAsdtmEg????V(i,k)?P(m?1,k)??(i,k)??p????(m?1?i)?zi?1?

當(dāng)

Ek>Ep時，水面輸入的風(fēng)能將轉(zhuǎn)化為勢能，分層不穩(wěn)定，混合層水體向下擴(kuò)展。

?

當(dāng)

Ek>Ep時，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。

第五章

湖泊水庫水質(zhì)模型

湖泊水庫水質(zhì)模型

19.湖庫完全混合箱式模型——沃倫威德爾模型

20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提出。

適用：停留時間很長，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)。

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，是只考慮其輸入—產(chǎn)出關(guān)系的模型。

?21?模型

VdCdt?Ic?sCV?QC

引入沖刷速度常數(shù)

r（令

r＝

Q/V），則得到

dC?Ic?sC?rC

dtV在給定初始條件，當(dāng)

t＝

0，C＝

C0

時，求得上式的解析解為C?IcV(s?r)C0?IcV(s?r)?V(s?r)exp[?(s?r)t]

22

在湖泊、水庫的出流、入流流量及營養(yǎng)物質(zhì)輸入穩(wěn)定的情況下，當(dāng)

t→∞時，可以得到營養(yǎng)物質(zhì)的平衡濃度

Cp：

CIcp?(r?s)V

如進(jìn)一步令

t1Vw??且

V?Ah

rQs，則湖泊、水庫中的

營養(yǎng)物質(zhì)平衡濃度變?yōu)椋?/p>

Ccp?Lsh?htLIwcc?As23?案例分析

已知湖泊的容積

V=1.0×107m3/a，湖泊內(nèi)

CODCr的本底濃度

C0=1.5mg/L，河流中

COD濃度為C1=3mg/L，COD在湖泊中的沉積速度常數(shù)

s=0.08a-1。試求湖泊中的

COD平衡濃度，及達(dá)到平衡濃度的99%所需的時間。

解答：根據(jù)題目，得到

CC?1???V?s?r?C0?1???s?r?t?I?epc?C?1??C???t??1Cp1?C1?Icp??s?rlnV?s?r?C??s?rln0V?s?r?C0?II?1cc24

根據(jù)題意已知：V=1.0×107m3，s=0.08a-1，r=Q/V=5a-1

，

C0=1.5g/m3，Ic=0.5×108×3=1.5×108g/a。

當(dāng)

C/Cp=0.99時：

8

t??1?0.99?1??1.5?100.08?5ln1.0?107??0.08?5??1.5?1.5?108

??15.08ln0.02033?0.77?a?

8

C1.5?103p?

?0.08?5??107?2.95?g/m?

根據(jù)公式，計算結(jié)果為：達(dá)到

COD平衡濃度的

99%約需

0.77a；平衡濃度值為

2.95g/m3。

湖庫完全混合箱式模型——吉柯奈爾—狄龍模型

25模型

引入滯留系數(shù)

Rc：

dCIc(1?Rc)dt?V?rC如給定初始條件

t＝

0，C＝

C0，得到上式的解析解：

C?Ic(1?Rc)Ic(1?rV?[CRc)0?rV]exp(?rt)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，可以達(dá)到營養(yǎng)物質(zhì)的平衡濃度

Cp

：

CIc(1?Rc)Lc(1?Rc)p?rV?rh?

26可根據(jù)湖庫的入流、出流近似計算出滯留系數(shù)。

?mq0jC0jRc?1?j?1?nqikCikk?1湖庫完全混合箱式模型——分層箱式模型

27概述

1975年，斯諾得格拉斯（Snodgrass）等提出了一個分層的箱式模型，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。

?

28?概化圖

?Q(poj?ppj)Q(poe?ppe)?Qj(poj?ppj)Q(poe?ppe)KthpoeppeKVpoethZAthPphthZAthPpepethpoKKththArZAthPohZthPoeththpohpShAsPpephVShAsPphSAsPp?模型

（1）夏季分層模型

29

對表層正磷酸鹽PoeVdPoedt??Q?PVkthejPoj?QPoeeePoe?ZAth(Poh?Poe)th對表層偏磷酸鹽PpeVdPpekthedt??QjPpj?QPpe?SeAthPpe?PVeePoe?ZAth(Pph?Ppe)th對下層正磷酸鹽PohVdPohkthhdt?rhVhPph?ZAth(Poe?Poh)th對下層偏磷酸鹽PphVdPphkdt?SVthh?SeAthPpehAsPph?rhhPph?ZAth(Ppe?Pph)th30（2）冬季分層模型

對全湖的正磷酸鹽Po：

VdPodt?QjPoj?QPo?PeuVeuPo?rVPp

對下層偏磷酸鹽Pp：

VdPpdt?QjPpj?QPp?PeuVeuPo?rVPp?SAsPp

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

31PPoeVe?PohVho?VPPpeVe?PphVhp?V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

32模型

?Cr?t????MQp?1?Cr?2Cr

r??H???r??r?Mr?r2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：

QpC?r??HMrr?Cp?(Cp?Cr0)??r?0?1/3M?H2/3d?2r?f?uh?0g?πH?2??u??湖庫分層水質(zhì)模型——易降解物質(zhì)簡化的水質(zhì)模型

33

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：QdCrpdr??K1CrH?r?

當(dāng)邊界條件取

r=0時，Cr=Cr0（為排出口濃度），則其解析解為：

?K1?Hr2Cr?Cr0exp???172800Qp?????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：

解析解：

dDQp?(K1L?K2D)H?rdr2?2??2?????K1L0K1?HrK2?HrK2?HrD???exp???D0exp???exp????????????K2?K1?2Q2Q2Qppp????????34

第五章

湖泊水庫水質(zhì)模型

湖泊水庫富營養(yǎng)化模型

35.經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

36

分類

（1）單一營養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷模型

（2）藻類生物量與營養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷量之間的相關(guān)模型。?

37?

一般模型

根據(jù)物質(zhì)平衡原理，

對于完全混合型湖泊、水庫，

以磷負(fù)荷為研究對象，

磷負(fù)荷的收支平衡方程為：

dWp

dt?WQpi?kpWp?VWp解析解：

WW?pi?W?pi?1?1?W??1??pt??p0??exp???kT?kp??T?kp????Tp??t??經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀謧愅拢╒ollenweider）模型

38

模型

P?Wp?L

V??QHk?H

?k??PV??PT

湖泊磷的臨界負(fù)荷量計算公式：

L10q?H?cr?s??1???qs??L?WPiA?

經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀引垼―illon）模型

39

模型

RpL?kkp??wP?L(1?RL)H?wR?1?QPL??QiPi?

生態(tài)模型

40φrgensen（1976）根據(jù)丹麥Glumsoe湖的研究建立了湖泊

該模型主要包括以下幾個主要成分：

（1）三個營養(yǎng)級，即浮游植物、浮游動物和魚類

（2）浮游植物生物量動態(tài)

（3）水—沉積物之間營養(yǎng)物質(zhì)的交換

（4）氮的反硝化作用

（5）溫度、光照對藻類生長率的影響

（6）河流氮的輸入情況等

J富營養(yǎng)化生態(tài)模型。

生態(tài)動力學(xué)模型

41

模型

?C?t?u?C?x?v?C?y?w?C?z???x(E?C??Cx?x)??y(Ey?y)???z(E?Cz?z)?F(C)?S?

42?功能

對營養(yǎng)鹽循環(huán)過程的模擬，對藻類生長機(jī)理的模擬，對影響藻類生長相關(guān)因子的定量描述。

?模擬對象

浮游植物的生長與死亡，營養(yǎng)鹽的循環(huán)過程，DO的動力過程

NO?310

P

10

PO3?43

N

8

13

11

C

11

12

NO?23

Chla

ORG-P

PHTY

7

NH?413

NH9

38

12

5

ORG-N

7

4

O1

DO

2

CBOD

2

2

13

6

CO7

水體

底部沉積物

湖庫生態(tài)系統(tǒng)中生態(tài)變量的循環(huán)

第五章

湖泊水庫水質(zhì)模型

湖泊水庫生態(tài)系統(tǒng)模型

43.44概念模型

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)項目：

藻類、浮游動物、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個水質(zhì)項目。

降解BODBOD耗氧DO水面復(fù)氧磷氨氮耗氧氮光藻1合類作呼PO3-底泥4-P有機(jī)磷用吸需氧沉--產(chǎn)耗厭氧釋放氨氮NO-N淀2NO3-N有機(jī)氮氧氧沉淀物吸氧化氧化藻類釋放藻類物吸吸收藻類收收水解藻類吸收藻類釋放藻類吸收厭氧

沉淀磷浮游動光沉淀反硝浮游物捕食衰1氮釋化動物減放沉淀氮釋放浮游動物1懸浮泥渣一般數(shù)學(xué)表達(dá)式

45

12個水質(zhì)項目都可以用下述偏微分方程表示

?C?t?(V?V?C11??C?Sint1s)?z?A??z??ADz?z???A?A(qinCin?qoutCout)上述

系統(tǒng)模擬

46

藻類（浮游生物）生物量

浮游動物

Z

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

P3

CAdCAdt??CA?(??CgZ)CAdZdt??zZ?(?z?Cz)ZdP1dt???CA(App)?(I3P3?I1P1)?I2P2dP2dt??CAApp??zZApz?(I4P2?I2P2)dP3dt?I4P2?I3P3???

47