環(huán)境質(zhì)量評價學(xué)-課件

環(huán)境質(zhì)量評價與系統(tǒng)分析

（四）主講：馮流環(huán)境質(zhì)量評價與系統(tǒng)分析

（四）主講：馮流四、湖泊與水庫水質(zhì)模型1、湖庫的水文、水質(zhì)特征與河流比，流速小，污染物停留時間長水質(zhì)的分層分布、存在斜溫層水生生態(tài)系統(tǒng)相對封閉2022/12/112四、湖泊與水庫水質(zhì)模型1、湖庫的水文、水質(zhì)特征2022/122、湖庫的富營養(yǎng)化問題2.1湖泊富營養(yǎng)化定義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的現(xiàn)象。2022/12/1132、湖庫的富營養(yǎng)化問題2022/12/1132022/12/114貧營養(yǎng)富營養(yǎng)沼澤死亡從湖泊的發(fā)展歷程看，由貧營養(yǎng)向富營養(yǎng)的過渡是一個正常演變過程，只是在自然狀態(tài)下，這個過程進展非常緩慢而已；但是富營養(yǎng)進程會由于人類大規(guī)模的活動而大大提速，進而縮短湖泊的自然演替周期2022/12/114貧營養(yǎng)富營養(yǎng)沼澤死亡從湖泊的發(fā)展歷程看2.2富營養(yǎng)化的控制因子2022/12/1152.2富營養(yǎng)化的控制因子2022/12/115限制性營養(yǎng)物質(zhì)溫度和照度湖泊形態(tài)溶解氧和pH2022/12/116限制性營養(yǎng)物質(zhì)2022/12/1162.3營養(yǎng)物質(zhì)對富營養(yǎng)化的影響2.3.1限制性營養(yǎng)物質(zhì)因子藻類生長的營養(yǎng)物質(zhì)需求2022/12/117元素含量元素含量元素含量氧80.5磷0.08錳0.0007氫9.7鎂0.07鋅0.0003碳6.5硫0.06銅0.0001硅1.3氯0.06鉬0.00005氮0.7鈉0.04鈷0.000002鈣0.4鐵0.02P/N≈1:9鉀0.3硼0.001淡水藻類各種元素的濕重含量（%）2.3營養(yǎng)物質(zhì)對富營養(yǎng)化的影響2022/12/117元素含營養(yǎng)物質(zhì)對藻類生長的影響Liebig最小值定理：任何一種有機物的產(chǎn)率都由該種有機物所必需的、在環(huán)境中豐度最低的物質(zhì)決定Monod模型：描述生物生長速率與營養(yǎng)物質(zhì)含量關(guān)系的方程

為微生物的生長速率；max為微生物的最大生長速率；S為營養(yǎng)物質(zhì)的實際濃度；KS為營養(yǎng)物質(zhì)的半飽和濃度2022/12/118營養(yǎng)物質(zhì)對藻類生長的影響2022/12/118實際中單營養(yǎng)成分控制的情形很少，藻類生長往往受到一種以上營養(yǎng)物質(zhì)的制約，如碳、氮、磷等。其增長速率將大大降低，為：2022/12/119限制性營養(yǎng)物質(zhì)因子結(jié)論：1）自然條件下磷的豐度一般偏低，成為限制性營養(yǎng)物質(zhì)控制因子2）工業(yè)污染導(dǎo)致自然界磷的含量上升，使得磷/氮比提高，氮和磷同時成為限制性營養(yǎng)物質(zhì)控制因子實際中單營養(yǎng)成分控制的情形很少，藻類生長往往受到一種以上營養(yǎng)2.3.2營養(yǎng)源與營養(yǎng)負荷主要營養(yǎng)源及其來源2022/12/1110類型

來源

外源點源工業(yè)廢水城鎮(zhèn)生活污水固體廢物處置場面源礦區(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)殖水面娛樂活動廢棄物水土流失及土壤侵蝕內(nèi)源底泥及沉積物2.3.2營養(yǎng)源與營養(yǎng)負荷2022/12/1110類型營養(yǎng)物質(zhì)入湖途徑2022/12/1111點源污染非點源污染地下水河渠湖泊水庫降塵降水養(yǎng)殖投餌營養(yǎng)物質(zhì)入湖途徑2022/12/1111點源污染非點源污染地2022/12/11122022/12/1112營養(yǎng)負荷地面徑流的營養(yǎng)負荷，Ijl降水的營養(yǎng)負荷，Ijp人為因素營養(yǎng)負荷生活污水營養(yǎng)負荷，Ijs工業(yè)污水營養(yǎng)負荷，Ijk湖泊水庫的總營養(yǎng)平衡2022/12/1113營養(yǎng)負荷2022/12/11132.4湖庫富營養(yǎng)化判別標準2.4.1判別指標物理指標：透明度、水溫、光強等，透明度最常用化學(xué)指標：與藻類增殖直接相關(guān)的DO、CO2、COD以及營養(yǎng)鹽等指標生物學(xué)指標：藻類現(xiàn)存量（葉綠素）、生物指標（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）、藻類增殖的潛在能力

2022/12/11142.4湖庫富營養(yǎng)化判別標準2022/12/11142.4.2判別標準總氮（TN）＞0.2~0.3mg/L總磷（TP）＞0.01~0.02mg/LBOD5＞10mg/LpH＞7~9細菌總數(shù)＞100000個/L葉綠素a（chla）＞0.01mg/L富營養(yǎng)化的水質(zhì)條件水質(zhì)達到表中狀態(tài)，有可能引起富營養(yǎng)化2022/12/11152.4.2判別標準總氮（TN）＞0.2~0.3mg/L總磷Vollenweider臨界負荷法可接受的磷負荷LPA（mg/m2a）磷的危險臨界負荷LPD（mg/m2a）可接受的氮負荷LNA（mg/m2a）氮的危險臨界負荷LND（mg/m2a）2022/12/1116h為湖庫的水深（m）Vollenweider臨界負荷法2022/12/1116h3、湖庫完全混合箱式模型3.1

Vollenweider模型概述模型創(chuàng)始：R.A.Vollenweider在20世紀70年代初期研究北美大湖時提出適用對象：停留時間很長，水質(zhì)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)的湖泊水庫

模型假定：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)2022/12/11173、湖庫完全混合箱式模型2022/12/1117模型不足：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，是只考慮輸入—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2022/12/1118V為湖泊水庫容積；C為某種營養(yǎng)物的濃度；Ic為該營養(yǎng)物質(zhì)的總負荷；s為該營養(yǎng)物在湖泊水庫中的沉積速率常數(shù)；Q為湖泊出流流量模型不足：不能描述發(fā)生在湖泊內(nèi)的物理、化學(xué)和生物過程，同時也引入沖刷速率常數(shù)r（令r=Q/V），則得到：在給定初始條件：t=0時，C=C0，可得解析解在湖泊、水庫的出流、入流流量及營養(yǎng)物輸入穩(wěn)定的情況下，當(dāng)t時，可達到營養(yǎng)物的平衡濃度Cp：2022/12/1119引入沖刷速率常數(shù)r（令r=Q/V），則得到：2022/12/若進一步令則有

2022/12/1120tw為湖泊水庫的水力停留時間；As為湖泊水庫的水面面積；h為平均水深；Lc為單位面積營養(yǎng)負荷

若進一步令2022/12/1120tw為湖泊水庫的水力停留時例題分析已知湖泊的容積為1.0×107m3，湖泊內(nèi)CODCr的本底濃度為1.5mg/L，河流入流量5×107m3/a，河流中CODCr濃度為3mg/L，CODCr在湖泊中的沉積速度常數(shù)為0.08/a。試求湖泊中CODCr的平衡濃度，及達到平衡濃度的99%所需的時間。

解答：根據(jù)題目，得到2022/12/1121例題分析2022/12/1121

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

C0=1.5g/m3，Ic=0.5×108×3=1.5×108g/a當(dāng)C/Cp=0.99時：即平衡濃度為2.95g/m3，達到平衡濃度的99%約需0.77a。2022/12/1122根據(jù)題意已知：V=107m3，s=0.08/a，r=Q3.2

Kirchner-Dillon模型Vollenweider模型的困境：營養(yǎng)物在水庫中的沉積速率常數(shù)s難以確定解決方案：引入滯留系數(shù)Rc，即營養(yǎng)物在湖泊或水庫中的滯留分數(shù)。此時，模型為：給定初始條件，當(dāng)t=0時，C=C0，可得解析解：2022/12/11233.2Kirchner-Dillon模型2022/12/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養(yǎng)物濃度近似計算：2022/12/1124qoj、Coj分別為出流水流量和營養(yǎng)物濃度；qik、Cik分別為入流水流量和營養(yǎng)物濃度類似地，可得到平衡濃度為：2022/12/1124qoj、C3.3分層箱式模型概述模型創(chuàng)始：1975年，Snodgrass等提出，用以近似描述水質(zhì)分層狀況模型建立假設(shè)：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散傳遞作用模型組成：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)作用模擬水質(zhì)組分：正磷酸鹽（Po）和偏磷酸鹽（Pp）2022/12/11253.3分層箱式模型2022/12/11252022/12/1126模型概化圖2022/12/1126模型概化圖夏季分層模型表層正磷酸鹽Poe：表層偏磷酸鹽Ppe：下層正磷酸鹽Poh：2022/12/1127夏季分層模型2022/12/1127下層偏磷酸鹽Pph：2022/12/1128式中，下標e和h分別代表上層和下層；下標th和s分別代表斜溫區(qū)和底部沉淀區(qū)的界面；p和r表示凈衰減速率常數(shù)；K表示豎向擴散系數(shù)，包括湍流擴散和分子擴散，也包括內(nèi)波、表層風(fēng)波及其他過程對熱傳遞或物質(zhì)穿越斜溫層的影響；Z是平均水深；V是箱的體積；A是界面面積；Qj是流入湖泊的流量；Q是流出湖泊的流量；S是磷的沉淀速率常數(shù)下層偏磷酸鹽Pph：2022/12/1128式中，下標e和h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、下層之間的水量循環(huán)，帶動磷的循環(huán)正磷酸鹽Po循環(huán)方程偏磷酸鹽Pp循環(huán)方程

式中，下標eu代表富營養(yǎng)區(qū)，其余符號意義同前2022/12/1129冬季循環(huán)模型2022/12/1129兩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季的“翻池”過程形成的完全混合狀態(tài)作為初始條件而銜接起來此時，整個湖泊中的濃度分布是均勻的，即2022/12/1130兩模型的銜接2022/12/11303.4完全混合模型在富營養(yǎng)化判別方面的應(yīng)用Vollenweider和Dillon根據(jù)大量的富營養(yǎng)化調(diào)查數(shù)據(jù)繪制了湖泊、水庫基于磷的富營養(yǎng)化狀況判別圖2022/12/11313.4完全混合模型在富營養(yǎng)化判別方面的應(yīng)用2022/12例題分析

某湖泊平均容積為2.0109m3，水面面積As為3.6107m2，支流入流量qi為3.1109m3/a，入流水中磷的平均濃度為Cip=0.52mg/L，支流出流量qo為5.8108m3/a，測得磷的平均濃度Cop為0.15mg/L，試判斷該湖泊的營養(yǎng)狀況解答：（1）圖形比較法計算得到湖泊平均水深：h=55.56m計算沖刷速率常數(shù)：r=0.29/a計算滯留系數(shù)：R

=0.95計算單位面積磷負荷：LP=44.78g/m2a2022/12/1132例題分析2022/12/1132計算縱坐標：LP(1R)/r=7.72g/m2根據(jù)判別圖，點（55.56,

7.72）位于富營養(yǎng)區(qū)域，表明長期的磷排放會導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化（2）濃度比較法計算湖泊磷的平衡濃度：CP=0.14mg/L計算磷的危險界限：LPD=0.558g/m2a根據(jù)計算結(jié)果，無論從平衡濃度；還是從磷負荷看，均超過富營養(yǎng)化危險界限，長期磷排放會導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化2022/12/1133計算縱坐標：LP(1R)/r=7.72g/m24、非完全混合模型2022/12/11344、非完全混合模型2022/12/11344.1卡拉烏舍夫湖庫水質(zhì)擴散模型模型

式中Mr為徑向湍流混合系數(shù)；其它符號意義見示意圖當(dāng)為穩(wěn)定排放，且邊界條件取距排放口充分遠的某點r0處的現(xiàn)狀值Cr0，上式求解得：

Cp為廢水中污染物濃度，其余符號意義同前2022/12/11354.1卡拉烏舍夫湖庫水質(zhì)擴散模型2022/12/1135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)驗公式計算：式中，為水的密度；H為計算范圍內(nèi)湖庫的平均水深；d為湖（庫）底沉積物顆粒的直徑；g為重力加速度；f0為經(jīng)驗系數(shù)；u為湖（庫）水平均流速；h為波高2022/12/1136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)驗公式計算：24.2易降解物質(zhì)的簡化水質(zhì)模型將卡拉烏舍夫湖泊水庫水質(zhì)擴散模型中擴散項忽略掉，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中推流和生化降解共同作用下的基本方程當(dāng)邊界條件取r=0時，Cr=Cr0（為排出口濃度），則其解析解為：2022/12/11374.2易降解物質(zhì)的簡化水質(zhì)模型2022/12/1137當(dāng)考察湖庫的水質(zhì)指標是溶解氧時，并只考慮BOD的耗氧因素與大氣復(fù)氧因素，可推導(dǎo)出湖庫的氧虧方程其解析解為：

L0和D0分別為排放口處的BOD濃度和氧虧量2022/12/1138當(dāng)考察湖庫的水質(zhì)指標是溶解氧時，并只考慮BOD的耗氧因素與練習(xí)題1、某湖泊容積為2.0108m3，水面面積為3.6107m2，支流入流量為3.1109m3/a，經(jīng)多年測量知磷的輸入量為1.5108g/a，若不考慮蒸發(fā)和降水過程的影響，試判斷湖泊的營養(yǎng)狀況，是否會發(fā)生富營養(yǎng)化？滯留系數(shù)按下式估算:2、已知某湖泊的停留時間為1.5a，沉降速率為0.001/d，一種污染物排入湖泊中達到最終平衡濃度的90%需多長時間（設(shè)湖內(nèi)初始濃度為0）？2022/12/1139練習(xí)題2022/12/11395、湖庫的生態(tài)系統(tǒng)模型5.1概念模型以磷為核心，涉及12個水質(zhì)項目：藻類、浮游動物、有機磷、無機磷、有機氮、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、含碳有機物的生化需氧量、溶解氧、總?cè)芙夤腆w、懸浮物2022/12/11405、湖庫的生態(tài)系統(tǒng)模型2022/12/11405.2一般數(shù)學(xué)表達上述12個水質(zhì)組分都可用如下方程描述：2022/12/1141式中Sint表示發(fā)生在湖泊或水庫內(nèi)部的各種過程，每個項目的變化可以看作是對時間的全微分，即

C代表各個不同的水質(zhì)項目5.2一般數(shù)學(xué)表達2022/12/1141式中Sint表5.3系統(tǒng)模擬藻類（浮游植物）生物量CA以藻類的含碳量表示，單位為mg碳/L2022/12/1142式中，為藻類的比生長速率；為藻類的比死亡速率；cg為浮游動物食藻率；Z為浮游動物的濃度5.3系統(tǒng)模擬2022/12/1142式中，為藻類的比生浮游動物Z用單位水體中的物質(zhì)量或含碳量表示，單位mg碳/L

式中，z為浮游動物的比生長速率：

Kz為米氏常數(shù)，zmax為浮游動物的最大比增長速率；z為浮游動物的比死亡速率（包括氧化分解）；cz為較高級水生生物對浮游動物的吞食速率，其他符號意義同前2022/12/1143浮游動物Z2022/12/1143磷溶解態(tài)無機磷P1：

App為藻類中磷的含量；I1為底泥對無機磷的吸收速率；I2為有機磷的降解速率；I3為底泥中有機磷的釋放速率游離態(tài)有機磷P2：

Apz為浮游動物的磷含量；I4為有機磷在底泥中的富集速率；其余符號意義同前沉淀態(tài)磷P3：

2022/12/1144磷2022/12/1144氮有機氮N1：

J4為有機氮的降解速率；J6為底泥對有機氮的吸收速率；ANP為藻類中氮的含量；ANE為浮游動物中氮的含量氨氮N2：2022/12/1145J1為氨氮的硝化速率；J5為底泥中有機氮的分解速率氮2022/12/1145J1為氨氮的硝化速率；J5為底泥中亞硝酸鹽氮N3：

J2為亞硝酸鹽氮的硝化速率硝酸鹽氮N4：

J3為硝酸鹽氮的反硝化速率沉淀態(tài)氮N5：

J4為沉淀態(tài)氮的釋放速率含碳有機物的生化需氧量L2022/12/1146亞硝酸鹽氮N3：2022/12/1146溶解氧C

1為氨氮的耗氧常數(shù)（mg氧/mg氨氮），1=3.43；2為亞硝酸鹽氮的耗氧常數(shù)（mg氧/mg亞硝酸鹽氮），2=1.14；3為藻類的耗氧常數(shù)（mg氧/mg碳），3=1.6；Ka為大氣復(fù)氧速率，1/d；Lb為底泥的耗氧常數(shù)（g氧/m2d）；Z為底泥層的厚度，m；Cs為飽和溶解氧濃度，mg/L2022/12/1147溶解氧C2022/12/1147懸浮物Ssp已考慮在一般形式左邊第二項中總?cè)芙夤腆wSd用于描述鹽度，通常鹽類被看作為守恒物質(zhì)，因此有：2022/12/1148懸浮物Ssp2022/12/1148環(huán)境質(zhì)量評價與系統(tǒng)分析

（四）主講：馮流環(huán)境質(zhì)量評價與系統(tǒng)分析

（四）主講：馮流四、湖泊與水庫水質(zhì)模型1、湖庫的水文、水質(zhì)特征與河流比，流速小，污染物停留時間長水質(zhì)的分層分布、存在斜溫層水生生態(tài)系統(tǒng)相對封閉2022/12/1150四、湖泊與水庫水質(zhì)模型1、湖庫的水文、水質(zhì)特征2022/122、湖庫的富營養(yǎng)化問題2.1湖泊富營養(yǎng)化定義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的現(xiàn)象。2022/12/11512、湖庫的富營養(yǎng)化問題2022/12/1132022/12/1152貧營養(yǎng)富營養(yǎng)沼澤死亡從湖泊的發(fā)展歷程看，由貧營養(yǎng)向富營養(yǎng)的過渡是一個正常演變過程，只是在自然狀態(tài)下，這個過程進展非常緩慢而已；但是富營養(yǎng)進程會由于人類大規(guī)模的活動而大大提速，進而縮短湖泊的自然演替周期2022/12/114貧營養(yǎng)富營養(yǎng)沼澤死亡從湖泊的發(fā)展歷程看2.2富營養(yǎng)化的控制因子2022/12/11532.2富營養(yǎng)化的控制因子2022/12/115限制性營養(yǎng)物質(zhì)溫度和照度湖泊形態(tài)溶解氧和pH2022/12/1154限制性營養(yǎng)物質(zhì)2022/12/1162.3營養(yǎng)物質(zhì)對富營養(yǎng)化的影響2.3.1限制性營養(yǎng)物質(zhì)因子藻類生長的營養(yǎng)物質(zhì)需求2022/12/1155元素含量元素含量元素含量氧80.5磷0.08錳0.0007氫9.7鎂0.07鋅0.0003碳6.5硫0.06銅0.0001硅1.3氯0.06鉬0.00005氮0.7鈉0.04鈷0.000002鈣0.4鐵0.02P/N≈1:9鉀0.3硼0.001淡水藻類各種元素的濕重含量（%）2.3營養(yǎng)物質(zhì)對富營養(yǎng)化的影響2022/12/117元素含營養(yǎng)物質(zhì)對藻類生長的影響Liebig最小值定理：任何一種有機物的產(chǎn)率都由該種有機物所必需的、在環(huán)境中豐度最低的物質(zhì)決定Monod模型：描述生物生長速率與營養(yǎng)物質(zhì)含量關(guān)系的方程

為微生物的生長速率；max為微生物的最大生長速率；S為營養(yǎng)物質(zhì)的實際濃度；KS為營養(yǎng)物質(zhì)的半飽和濃度2022/12/1156營養(yǎng)物質(zhì)對藻類生長的影響2022/12/118實際中單營養(yǎng)成分控制的情形很少，藻類生長往往受到一種以上營養(yǎng)物質(zhì)的制約，如碳、氮、磷等。其增長速率將大大降低，為：2022/12/1157限制性營養(yǎng)物質(zhì)因子結(jié)論：1）自然條件下磷的豐度一般偏低，成為限制性營養(yǎng)物質(zhì)控制因子2）工業(yè)污染導(dǎo)致自然界磷的含量上升，使得磷/氮比提高，氮和磷同時成為限制性營養(yǎng)物質(zhì)控制因子實際中單營養(yǎng)成分控制的情形很少，藻類生長往往受到一種以上營養(yǎng)2.3.2營養(yǎng)源與營養(yǎng)負荷主要營養(yǎng)源及其來源2022/12/1158類型

來源

外源點源工業(yè)廢水城鎮(zhèn)生活污水固體廢物處置場面源礦區(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)殖水面娛樂活動廢棄物水土流失及土壤侵蝕內(nèi)源底泥及沉積物2.3.2營養(yǎng)源與營養(yǎng)負荷2022/12/1110類型營養(yǎng)物質(zhì)入湖途徑2022/12/1159點源污染非點源污染地下水河渠湖泊水庫降塵降水養(yǎng)殖投餌營養(yǎng)物質(zhì)入湖途徑2022/12/1111點源污染非點源污染地2022/12/11602022/12/1112營養(yǎng)負荷地面徑流的營養(yǎng)負荷，Ijl降水的營養(yǎng)負荷，Ijp人為因素營養(yǎng)負荷生活污水營養(yǎng)負荷，Ijs工業(yè)污水營養(yǎng)負荷，Ijk湖泊水庫的總營養(yǎng)平衡2022/12/1161營養(yǎng)負荷2022/12/11132.4湖庫富營養(yǎng)化判別標準2.4.1判別指標物理指標：透明度、水溫、光強等，透明度最常用化學(xué)指標：與藻類增殖直接相關(guān)的DO、CO2、COD以及營養(yǎng)鹽等指標生物學(xué)指標：藻類現(xiàn)存量（葉綠素）、生物指標（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）、藻類增殖的潛在能力

2022/12/11622.4湖庫富營養(yǎng)化判別標準2022/12/11142.4.2判別標準總氮（TN）＞0.2~0.3mg/L總磷（TP）＞0.01~0.02mg/LBOD5＞10mg/LpH＞7~9細菌總數(shù)＞100000個/L葉綠素a（chla）＞0.01mg/L富營養(yǎng)化的水質(zhì)條件水質(zhì)達到表中狀態(tài)，有可能引起富營養(yǎng)化2022/12/11632.4.2判別標準總氮（TN）＞0.2~0.3mg/L總磷Vollenweider臨界負荷法可接受的磷負荷LPA（mg/m2a）磷的危險臨界負荷LPD（mg/m2a）可接受的氮負荷LNA（mg/m2a）氮的危險臨界負荷LND（mg/m2a）2022/12/1164h為湖庫的水深（m）Vollenweider臨界負荷法2022/12/1116h3、湖庫完全混合箱式模型3.1

Vollenweider模型概述模型創(chuàng)始：R.A.Vollenweider在20世紀70年代初期研究北美大湖時提出適用對象：停留時間很長，水質(zhì)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)的湖泊水庫

模型假定：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)2022/12/11653、湖庫完全混合箱式模型2022/12/1117模型不足：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，是只考慮輸入—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2022/12/1166V為湖泊水庫容積；C為某種營養(yǎng)物的濃度；Ic為該營養(yǎng)物質(zhì)的總負荷；s為該營養(yǎng)物在湖泊水庫中的沉積速率常數(shù)；Q為湖泊出流流量模型不足：不能描述發(fā)生在湖泊內(nèi)的物理、化學(xué)和生物過程，同時也引入沖刷速率常數(shù)r（令r=Q/V），則得到：在給定初始條件：t=0時，C=C0，可得解析解在湖泊、水庫的出流、入流流量及營養(yǎng)物輸入穩(wěn)定的情況下，當(dāng)t時，可達到營養(yǎng)物的平衡濃度Cp：2022/12/1167引入沖刷速率常數(shù)r（令r=Q/V），則得到：2022/12/若進一步令則有

2022/12/1168tw為湖泊水庫的水力停留時間；As為湖泊水庫的水面面積；h為平均水深；Lc為單位面積營養(yǎng)負荷

若進一步令2022/12/1120tw為湖泊水庫的水力停留時例題分析已知湖泊的容積為1.0×107m3，湖泊內(nèi)CODCr的本底濃度為1.5mg/L，河流入流量5×107m3/a，河流中CODCr濃度為3mg/L，CODCr在湖泊中的沉積速度常數(shù)為0.08/a。試求湖泊中CODCr的平衡濃度，及達到平衡濃度的99%所需的時間。

解答：根據(jù)題目，得到2022/12/1169例題分析2022/12/1121

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

C0=1.5g/m3，Ic=0.5×108×3=1.5×108g/a當(dāng)C/Cp=0.99時：即平衡濃度為2.95g/m3，達到平衡濃度的99%約需0.77a。2022/12/1170根據(jù)題意已知：V=107m3，s=0.08/a，r=Q3.2

Kirchner-Dillon模型Vollenweider模型的困境：營養(yǎng)物在水庫中的沉積速率常數(shù)s難以確定解決方案：引入滯留系數(shù)Rc，即營養(yǎng)物在湖泊或水庫中的滯留分數(shù)。此時，模型為：給定初始條件，當(dāng)t=0時，C=C0，可得解析解：2022/12/11713.2Kirchner-Dillon模型2022/12/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養(yǎng)物濃度近似計算：2022/12/1172qoj、Coj分別為出流水流量和營養(yǎng)物濃度；qik、Cik分別為入流水流量和營養(yǎng)物濃度類似地，可得到平衡濃度為：2022/12/1124qoj、C3.3分層箱式模型概述模型創(chuàng)始：1975年，Snodgrass等提出，用以近似描述水質(zhì)分層狀況模型建立假設(shè)：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散傳遞作用模型組成：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)作用模擬水質(zhì)組分：正磷酸鹽（Po）和偏磷酸鹽（Pp）2022/12/11733.3分層箱式模型2022/12/11252022/12/1174模型概化圖2022/12/1126模型概化圖夏季分層模型表層正磷酸鹽Poe：表層偏磷酸鹽Ppe：下層正磷酸鹽Poh：2022/12/1175夏季分層模型2022/12/1127下層偏磷酸鹽Pph：2022/12/1176式中，下標e和h分別代表上層和下層；下標th和s分別代表斜溫區(qū)和底部沉淀區(qū)的界面；p和r表示凈衰減速率常數(shù)；K表示豎向擴散系數(shù)，包括湍流擴散和分子擴散，也包括內(nèi)波、表層風(fēng)波及其他過程對熱傳遞或物質(zhì)穿越斜溫層的影響；Z是平均水深；V是箱的體積；A是界面面積；Qj是流入湖泊的流量；Q是流出湖泊的流量；S是磷的沉淀速率常數(shù)下層偏磷酸鹽Pph：2022/12/1128式中，下標e和h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、下層之間的水量循環(huán)，帶動磷的循環(huán)正磷酸鹽Po循環(huán)方程偏磷酸鹽Pp循環(huán)方程

式中，下標eu代表富營養(yǎng)區(qū)，其余符號意義同前2022/12/1177冬季循環(huán)模型2022/12/1129兩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季的“翻池”過程形成的完全混合狀態(tài)作為初始條件而銜接起來此時，整個湖泊中的濃度分布是均勻的，即2022/12/1178兩模型的銜接2022/12/11303.4完全混合模型在富營養(yǎng)化判別方面的應(yīng)用Vollenweider和Dillon根據(jù)大量的富營養(yǎng)化調(diào)查數(shù)據(jù)繪制了湖泊、水庫基于磷的富營養(yǎng)化狀況判別圖2022/12/11793.4完全混合模型在富營養(yǎng)化判別方面的應(yīng)用2022/12例題分析

某湖泊平均容積為2.0109m3，水面面積As為3.6107m2，支流入流量qi為3.1109m3/a，入流水中磷的平均濃度為Cip=0.52mg/L，支流出流量qo為5.8108m3/a，測得磷的平均濃度Cop為0.15mg/L，試判斷該湖泊的營養(yǎng)狀況解答：（1）圖形比較法計算得到湖泊平均水深：h=55.56m計算沖刷速率常數(shù)：r=0.29/a計算滯留系數(shù)：R

=0.95計算單位面積磷負荷：LP=44.78g/m2a2022/12/1180例題分析2022/12/1132計算縱坐標：LP(1R)/r=7.72g/m2根據(jù)判別圖，點（55.56,

7.72）位于富營養(yǎng)區(qū)域，表明長期的磷排放會導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化（2）濃度比較法計算湖泊磷的平衡濃度：CP=0.14mg/L計算磷的危險界限：LPD=0.558g/m2a根據(jù)計算結(jié)果，無論從平衡濃度；還是從磷負荷看，均超過富營養(yǎng)化危險界限，長期磷排放會導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化2022/12/1181計算縱坐標：LP(1R)/r=7.72g/m24、非完全混合模型2022/12/11824、非完全混合模型2022/12/11344.1卡拉烏舍夫湖庫水質(zhì)擴散模型模型

式中Mr為徑向湍流混合系數(shù)；其它符號意義見示意圖當(dāng)為穩(wěn)定排放，且邊界條件取距排放口充分遠的某點r0處的現(xiàn)狀值Cr0，上式求解得：

Cp為廢水中污染物濃度，其余符號意義同前2022/12/11834.1卡拉烏舍夫湖庫水質(zhì)擴散模型2022/12/1135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)驗公式計算：式中，為水的密度；H為計算范圍內(nèi)湖庫的平均水深；d為湖（庫）底沉積物顆粒的直徑；g為重力加速度；f0為經(jīng)驗系數(shù)；u為湖（庫）水平均流速；h為波高2022/12/1184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)驗公式計算：24.2易降解物質(zhì)的簡化水質(zhì)模型將卡拉烏舍夫湖泊水庫水質(zhì)擴散模型中擴散項忽略掉，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中推流和生化降解共同作用下的基本方程當(dāng)邊界條件取r=0時，Cr=Cr0（為排出口濃度），則其解析解為：2022/12/11854.2易降解物質(zhì)的簡化水質(zhì)模型2022/12/1137當(dāng)考察湖庫的水質(zhì)指標是溶解氧時，并只考慮BOD的耗氧因素與大氣復(fù)氧因素，可推導(dǎo)出湖庫的氧虧方程其解析解為：

L0和D0分別為排放口處的BOD濃度和氧虧量2022/12/1186當(dāng)考察湖庫的水質(zhì)指標是溶解氧時，并只考慮BOD的耗氧因素與練習(xí)題1、某湖泊容積為2.0108m3，水面面積為3.6107m2，支流入流量為3.1109m3/a，經(jīng)多年測量知磷的輸入量為1.5108g/a，若不考慮蒸發(fā)和降水過程的影響，試判斷湖泊的營養(yǎng)狀況，是否會發(fā)生富營養(yǎng)化？滯留系數(shù)按下式估算:2、已知某湖泊的停留時間為1.5a，沉降速率為0.001/d，一種污染物排入湖泊中達到最終平衡濃度的90%需多長時間（設(shè)湖內(nèi)初始濃度為