环境质量评价学

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,环境质量评价与系统分析（四）,主讲：冯流,四、湖泊与水库水质模型,1,、湖库的水文、水质特征,与河流比，流速小，污染物停留时间长,水质的分层分布、存在斜温层,水生生态系统相对封闭,2024/11/27,2,2,、湖库的富营养化问题,2.1,湖泊富营养化定义,湖泊水体接纳,过量的氮、磷,等营养性物质，使水体中,藻类以及其他水生生物异常繁殖,，水体透明度和溶解氧变化，造成湖泊水质恶化，加速湖泊老化，从而使湖泊生态和水功能受到阻碍和破坏的现象。,2024/11/27,3,2024/11/27,4,从湖泊的发展历程看，由贫营养向富营养的过渡是一个正常演变过程，只是在自然状态下，这个过程进展非常缓慢而已；但是,富营养,进程会由于人类大规模的活动而大大提速，进而缩短湖泊的自然演替周期,2.2,富营养化的控制因子,2024/11/27,5,限制性营养物质,温度和照度,湖泊形态,溶解氧和,pH,2024/11/27,6,2.3,营养物质对富营养化的影响,限制性营养物质因子,藻类生长的营养物质需求,2024/11/27,7,元素,含量,元素,含量,元素,含量,氧,80.5,磷,0.08,锰,0.0007,氢,9.7,镁,0.07,锌,0.0003,碳,6.5,硫,0.06,铜,0.0001,硅,1.3,氯,0.06,钼,0.00005,氮,0.7,钠,0.04,钴,0.000002,钙,0.4,铁,0.02,P/N1:9,钾,0.3,硼,0.001,淡水藻类各种元素的湿重含量（,%,）,营养物质对藻类生长的影响,Liebig,最小值定理,：任何一种有机物的产率都由该种有机物所必需的、在环境中丰度最低的物质决定,Monod,模型,：,描述生物生长速率与营养物质含量关系的方程,为微生物的生长速率；,max,为微生物的最大生长速率；,S,为营养物质的实际浓度；,KS,为营养物质的半饱和浓度,2024/11/27,8,实际中单营养成分控制的情形很少，藻类生长往往受到,一种以上营养物质,的制约，如碳、氮、磷等。其,增长速率将大大降低,，为：,2024/11/27,9,限制性营养物质因子结论,：,1,）自然条件下,磷,的丰度一般偏低，成为,限制性营养物质控制因子,2,）工业污染导致自然界磷的含量上升，使得,磷,/,氮比,提高，,氮和磷,同时成为,限制性营养物质控制因子,2.3.2,营养源与营养负荷,主要营养源及其来源,2024/11/27,10,类型,来源,外源,点源,工业废水,城镇生活污水,固体废物处置场,面源,矿区地表径流,城镇地表径流 农牧区地表径流,大气降尘,大气降水,水体投饵养殖,水面娱乐活动废弃物,水土流失及土壤侵蚀,内源,底泥及沉积物,营养物质入湖途径,2024/11/27,11,点源污染,非点源污染,地下水,河渠,湖,泊,水,库,降尘,降水,养殖,投饵,2024/11/27,12,营养负荷,地面径流的营养负荷，,I,jl,降水的营养负荷，,I,jp,人为因素营养负荷,生活污水营养负荷，,I,js,工业污水营养负荷，,I,jk,湖泊水库的总营养平衡,2024/11/27,13,2.4,湖库富营养化判别标准,判别指标,物理指标,：,透明度,、水温、光强等，透明度最常用,化学指标,：与藻类增殖直接相关的,DO,、,CO,2,、,COD,以及营养盐等指标,生物学指标,：藻类现存量（,叶绿素,）、生物指标（调查特定生物出现的状况）、多样性指数（调查群集生物的多样性）、藻类增殖的潜在能力,2024/11/27,14,判别标准,总氮（,TN,）,0.20.3mg/L,总磷（,TP,）,0.010.02mg/L,BOD,5,10mg/L,pH,79,细菌总数,100000,个,/L,叶绿素,a,（,chla,）,0.01mg/L,富营养化的水质条件,水质达到表中状态，有可能引起富营养化,2024/11/27,15,Vollenweider,临界负荷法,可接受的磷负荷,L,PA,（,mg/m,2,a,）,磷的危险临界负荷,L,PD,（,mg/m,2,a,）,可接受的氮负荷,L,NA,（,mg/m,2,a,）,氮的危险临界负荷,L,ND,（,mg/m,2,a,）,2024/11/27,16,h,为湖库的水深（,m,）,3,、湖库完全混合箱式模型,3.1,Vollenweider,模型,概述,模型创始,：在,20,世纪,70,年代初期研究北美大湖时提出,适用对象,：停留时间很长，水质基本处于稳定状态的湖泊水库,模型假定,：湖泊中某种营养物的浓度随时间的变化率，是输入、输出和在湖泊内沉积的该种营养物量的函数,2024/11/27,17,模型不足,：不能描述发生在湖泊内的物理、化学和生物过程，同时也不考虑湖泊和水库的热分层，是只考虑输入,输出关系的模型,模型基本形式及其解析解,模型基本形式,2024/11/27,18,V,为湖泊水库容积；,C,为某种营养物的浓度；,I,c,为该营养物质的总负荷；,s,为该营养物在湖泊水库中的沉积速率常数；,Q,为湖泊出流流量,引入,冲刷速率常数,r,（令,r,=,Q,/,V,），则得到：,在给定初始条件：,t,=0,时，,C,=,C,0,，可得解析解,在湖泊、水库的出流、入流流量及营养物输入稳定的情况下，当,t,时，可达到营养物的平衡浓度,C,p,：,2024/11/27,19,若进一步令,则有,2024/11/27,20,t,w,为湖泊水库的水力停留时间；,A,s,为湖泊水库的水面面积；,h,为平均水深；,L,c,为单位面积营养负荷,例题分析,已知湖泊的容积为,1.010,7,m,3,，湖泊内,COD,Cr,的本底浓度为,1.5mg/L,，河流入流量,510,7,m,3,/a,，河流中,COD,Cr,浓度为,3mg/L,，,COD,Cr,在湖泊中的沉积速度常数为,0.08/a,。试求湖泊中,COD,Cr,的平衡浓度，及达到平衡浓度的,99%,所需的时间。,解答,：根据题目，得到,2024/11/27,21,根据题意已知：,V,=10,7,m,3,，,s,=0.08/a,，,r,=,Q,/,V,=5/a,，,C,0,=1.5g/m,3,，,I,c,=0.510,8,3=1.510,8,g/a,当,C,/,C,p,=0.99,时：,即平衡浓度为,2.95g/m,3,，达到平衡浓度的,99%,约需,0.77a,。,2024/11/27,22,3.2,Kirchner-Dillon,模型,Vollenweider,模型的困境,：营养物在水库中的沉积速率常数,s,难以确定,解决方案,：引入,滞留系数,R,c,，即营养物在湖泊或水库中的滞留分数。此时，模型为：,给定初始条件，当,t,=0,时，,C,=,C,0,，可得解析解：,2024/11/27,23,类似地，可得到平衡浓度为：,滞留系数可根据流入和流出的支流流量和营养物浓度近似计算：,2024/11/27,24,q,oj,、,C,oj,分别为出流水流量和营养物浓度；,q,ik,、,C,ik,分别为入流水流量和营养物浓度,3.3,分层箱式模型,概述,模型创始,：,1975,年，,Snodgrass,等提出，用以近似描述水质分层状况,模型建立假设,：,上层和下层各自满足完全混合模型要求；两层之间存在着紊流扩散传递作用,模型组成,：,夏季模型和冬季模型，前者考虑上、下分层现象，后者考虑上、下层之间的循环作用,模拟水质组分,：,正磷酸盐（,P,o,）和偏磷酸盐（,P,p,）,2024/11/27,25,2024/11/27,26,模型概化图,夏季分层模型,表层正磷酸盐,P,oe,：,表层偏磷酸盐,P,pe,：,下层正磷酸盐,P,oh,：,2024/11/27,27,下层偏磷酸盐,P,ph,：,2024/11/27,28,式中，下标,e,和,h,分别代表上层和下层；下标,th,和,s,分别代表斜温区和底部沉淀区的界面；,p,和,r,表示净衰减速率常数；,K,表示竖向扩散系数，包括湍流扩散和分子扩散，也包括内波、表层风波及其他过程对热传递或物质穿越斜温层的影响；,Z,是平均水深；,V,是箱的体积；,A,是界面面积；,Q,j,是流入湖泊的流量；,Q,是流出湖泊的流量；,S,是磷的沉淀速率常数,冬季循环模型,冬季，由于上部水温下降，密度增加，产生上、下层之间的水量循环，带动磷的循环,正磷酸盐,Po,循环方程,偏磷酸盐,Pp,循环方程,式中，下标,eu,代表富营养区，其余符号意义同前,2024/11/27,29,两模型的衔接,夏季的分层模型和冬季的循环模型可以用秋季或春季的“翻池”过程形成的,完全混合状态,作为初始条件而衔接起来,此时，整个湖泊中的浓度分布是均匀的，即,2024/11/27,30,3.4,完全混合模型在富营养化判别方面的应用,Vollenweider,和,Dillon,根据大量的富营养化调查数据绘制了湖泊、水库基于,磷,的富营养化状况判别图,2024/11/27,31,例题分析,某湖泊平均容积为,2.0,10,9,m,3,，水面面积,A,s,为,3.610,7,m,2,，支流入流量,q,i,为,3.110,9,m,3,/a,，入流水中磷的平均浓度为,C,ip,=0.52mg/L,，支流出流量,q,o,为,5.810,8,m,3,/a,，测得磷的平均浓度,C,op,为,0.15mg/L,，试判断该湖泊的营养状况,解答,：（,1,）图形比较法,计算得到湖泊平均水深：,h,=55.56m,计算冲刷速率常数：,r,=0.29/a,计算滞留系数：,R,=0.95,计算单位面积磷负荷：,L,P,=44.78g/m,2,a,2024/11/27,32,计算纵坐标：,L,P,(1,R,)/,r,=7.72g/m,2,根据判别图，点（,55.56,7.72,）,位于富营养区域,，表明,长期的磷排放会导致湖泊富营养化,（,2,）浓度比较法,计算湖泊磷的平衡浓度：,C,P,=0.14mg/L,计算磷的危险界限：,L,PD,=0.558g/m,2,a,根据计算结果，无论从平衡浓度；还是从磷负荷看，均超过富营养化危险界限，长期,磷排放会导致湖泊富营养化,2024/11/27,33,4,、非完全混合模型,2024/11/27,34,4.1,卡拉乌舍夫湖库水质扩散模型,模型,式中,M,r,为径向湍流混合系数；其它符号意义见示意图,当为稳定排放，且边界条件取距排放口充分远的某点,r,0,处的现状值,C,r0,，