環(huán)境質(zhì)量評價學(xué)

環(huán)境質(zhì)量評價學(xué)第一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日四、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2023/6/22第二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日2、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。2023/6/23第三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/24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第四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日2.2富營養(yǎng)化的控制因子2023/6/25第五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日限制性營養(yǎng)物質(zhì)溫度和照度湖泊形態(tài)溶解氧和pH2023/6/26第六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日2.3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2023/6/27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（%）第七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日營養(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2023/6/28第八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日實際中單營養(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：2023/6/29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)控制因子第九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日2.3.2營養(yǎng)源與營養(yǎng)負(fù)荷主要營養(yǎng)源及其來源2023/6/210第十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日營養(yǎng)物質(zhì)入湖途徑2023/6/211點源污染非點源污染地下水河渠湖泊水庫降塵降水養(yǎng)殖投餌第十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/212第十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日營養(yǎng)負(fù)荷地面徑流的營養(yǎng)負(fù)荷，Ijl降水的營養(yǎng)負(fù)荷，Ijp人為因素營養(yǎng)負(fù)荷生活污水營養(yǎng)負(fù)荷，Ijs工業(yè)污水營養(yǎng)負(fù)荷，Ijk湖泊水庫的總營養(yǎng)平衡2023/6/213第十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日2.4湖庫富營養(yǎng)化判別標(biāo)準(zhǔn)2.4.1判別指標(biāo)物理指標(biāo)：透明度、水溫、光強等，透明度最常用化學(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)生物學(xué)指標(biāo)：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）、藻類增殖的潛在能力

2023/6/214第十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日2.4.2判別標(biāo)準(zhǔn)總氮（TN）＞0.2~0.3mg/L總磷（TP）＞0.01~0.02mg/LBOD5＞10mg/LpH＞7~9細(xì)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2023/6/215第十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日Vollenweider臨界負(fù)荷法可接受的磷負(fù)荷LPA（mg/m2a）磷的危險臨界負(fù)荷LPD（mg/m2a）可接受的氮負(fù)荷LNA（mg/m2a）氮的危險臨界負(fù)荷LND（mg/m2a）2023/6/216h為湖庫的水深（m）第十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日3、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(jì)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)2023/6/217第十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日模型不足：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2023/6/218V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(fù)荷；s為該營養(yǎng)物在湖泊水庫中的沉積速率常數(shù)；Q為湖泊出流流量第十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日引入沖刷速率常數(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：2023/6/219第十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日若進一步令則有

2023/6/220tw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(fù)荷

第二十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日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2023/6/221第二十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日

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。2023/6/222第二十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日3.2

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?jǐn)?shù)。此時，模型為：給定初始條件，當(dāng)t=0時，C=C0，可得解析解：2023/6/223第二十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日類似地，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：2023/6/224qoj、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)物濃度第二十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日3.3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）2023/6/225第二十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日2023/6/226模型概化圖第二十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日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：2023/6/227第二十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日下層偏磷酸鹽Pph：2023/6/228式中，下標(biāo)e和h分別代表上層和下層；下標(biāo)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)第二十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日冬季循環(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(biāo)eu代表富營養(yǎng)區(qū)，其余符號意義同前2023/6/229第二十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日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2023/6/230第三十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日3.4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2023/6/231第三十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日例題分析

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(fù)荷：LP=44.78g/m2a2023/6/232第三十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日計算縱坐標(biāo)：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(fù)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2023/6/233第三十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日4、非完全混合模型2023/6/234第三十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日4.1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2023/6/235第三十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日考慮到風(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2023/6/236第三十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日4.2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：2023/6/237第三十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日當(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)出湖庫的氧虧方程其解析解為：

L0和D0分別為排放口處的BOD濃度和氧虧量2023/6/238第三十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日練習(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）？2023/6/239第三十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日5、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2023/6/240第四十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日5.2一般數(shù)學(xué)表達上述12個水質(zhì)組分都可用如下方程描述：2023/6/241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)項目第四十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日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/L2023/6/242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為浮游動物的濃度第四十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日浮游動物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2023/6/243第四十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期日磷溶解態(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：