环境质量评价学-课件.ppt
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1、环境质量评价与系统分析环境质量评价与系统分析(四)(四)主讲:冯流主讲:冯流四、湖泊与水库水质模型四、湖泊与水库水质模型1 1、湖库的水文、水质特征、湖库的水文、水质特征 与河流比,流速小,污染物停留时间长与河流比,流速小,污染物停留时间长 水质的分层分布、存在斜温层水质的分层分布、存在斜温层 水生生态系统相对封闭水生生态系统相对封闭2023-1-2822 2、湖库的富营养化问题、湖库的富营养化问题2.12.1 湖泊富营养化定义湖泊富营养化定义 湖泊水体接纳湖泊水体接纳过量的氮、磷过量的氮、磷等营养性物质,使水体等营养性物质,使水体中中藻类以及其他水生生物异常繁殖藻类以及其他水生生物异常繁殖,
2、水体透明度和,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,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。从而使湖泊生态和水功能受到阻碍和破坏的现象。2023-1-2832023-1-284从湖泊的发展历程看,由贫营养向富营养的过渡是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;但是进展非常缓慢而已;但是富营养富营养进程会由于人类大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规模的活动而大大提速,进而缩短湖泊的自然演替周期周
3、期2.22.2 富营养化的控制因子富营养化的控制因子2023-1-285 限制性营养物质限制性营养物质 温度和照度温度和照度 湖泊形态湖泊形态 溶解氧和溶解氧和pH2023-1-2862.3 2.3 营养物质对富营养化的影响营养物质对富营养化的影响2.3.12.3.1 限制性营养物质因子限制性营养物质因子藻类生长的营养物质需求藻类生长的营养物质需求2023-1-287元素元素含量含量元素元素含量含量元素元素含量含量氧氧80.5磷磷0.08锰锰0.0007氢氢9.7镁镁0.07锌锌0.0003碳碳6.5硫硫0.06铜铜0.0001硅硅1.3氯氯0.06钼钼0.00005氮氮0.7 钠钠0.04钴
4、钴0.000002钙钙0.4铁铁0.02P/N1:9钾钾0.3硼硼0.001淡水藻类各种元素的湿重含量(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营养物质对藻类生长的影响 LiebigLiebig最小值定理最小值定理:任何一种有机物的产率都由该种: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描述生物生长速率与营养物质含量关系的方程的方程 为微生物的生长速率;为微生物的生长速率;maxmax为微生物的最大生长速率;为微生物的最大生长速率;S为为营养物质的实际浓度;
5、营养物质的实际浓度;KS为营养物质的半饱和浓度为营养物质的半饱和浓度SKSSmax2023-1-288 实际中单营养成分控制的情形很少,藻类生长往往实际中单营养成分控制的情形很少,藻类生长往往受到受到一种以上营养物质一种以上营养物质的制约,如碳、氮、磷等。的制约,如碳、氮、磷等。其其增长速率将大大降低增长速率将大大降低,为:,为:CSKCCSNSKNNSPSKPPSmax2023-1-289限制性营养物质因子结论限制性营养物质因子结论:1 1)自然条件下)自然条件下磷磷的丰度一般偏低,成为的丰度一般偏低,成为限制性营养物质控制限制性营养物质控制因子因子2 2)工业污染导致自然界磷的含量上升,使
6、得)工业污染导致自然界磷的含量上升,使得磷磷/氮比氮比提高,提高,氮氮和磷和磷同时成为同时成为限制性营养物质控制因子限制性营养物质控制因子2.3.2 2.3.2 营养源与营养负荷营养源与营养负荷主要营养源及其来源主要营养源及其来源2023-1-2810类型类型 来源来源 外源外源点源点源工业废水工业废水 城镇生活污水城镇生活污水 固体废物处置场固体废物处置场 面源面源矿区地表径流矿区地表径流 城镇地表径流城镇地表径流 农牧区地表径流农牧区地表径流 大气降尘大气降尘 大气降水大气降水水体投饵养殖水体投饵养殖 水面娱乐活动废弃物水面娱乐活动废弃物 水土流失及土壤侵蚀水土流失及土壤侵蚀 内源内源 底
7、泥及沉积物底泥及沉积物营养物质入湖途径营养物质入湖途径2023-1-2811点源污染点源污染非点源污染非点源污染地下水地下水河渠河渠湖泊水库降尘降尘降水降水养殖养殖投饵投饵2023-1-2812营养负荷营养负荷 地面径流的营养负荷,地面径流的营养负荷,Ijl 降水的营养负荷,降水的营养负荷,Ijp 人为因素营养负荷人为因素营养负荷 生活污水营养负荷,生活污水营养负荷,Ijs 工业污水营养负荷,工业污水营养负荷,Ijk 湖泊水库的总营养平衡湖泊水库的总营养平衡2023-1-2813jjljPjsjkIIIII2.42.4 湖库富营养化判别标准湖库富营养化判别标准2.4.12.4.1 判别指标判别
8、指标 物理指标物理指标:透明度透明度、水温、光强等,透明度最常用、水温、光强等,透明度最常用 化学指标化学指标:与藻类增殖直接相关的:与藻类增殖直接相关的DO、CO2、COD以及营养盐等指标以及营养盐等指标 生物学指标生物学指标:藻类现存量(:藻类现存量(叶绿素叶绿素)、生物指标)、生物指标(调查特定生物出现的状况)、多样性指数(调查(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群集生物的多样性)、藻类增殖的潜在能力 2023-1-28142.4.22.4.2 判别标准判别标准总氮(总氮(TN)0.20.3mg/L总磷(TP)0.010.02mg/LBOD5
9、10mg/LpH79细菌总数100000个/L叶绿素a(chla)0.01mg/L富营养化的水质条件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水质达到表中状态,有可能引起富营养化2023-1-2815Vollenweider临界负荷法临界负荷法 可接受的磷负荷可接受的磷负荷LPA(mg/m2 a)磷的危险临界负荷磷的危险临界负荷LPD(mg/m2 a)可接受的氮负荷可接受的氮负荷LNA(mg/m2 a)氮的危险临界负荷氮的危险临界负荷LND(mg/m2 a)2023-1-281640.1lg6.0hLPA70.1lg6.0hLPD57.2lg6.0hLNA87.2lg6.0hLND
10、h 为 湖 库 的为 湖 库 的水深(水深(m)3 3、湖库完全混合箱式模型、湖库完全混合箱式模型3.13.1 VollenweiderVollenweider模型模型概述概述 模型创始模型创始:R.A.Vollenweider在在20世纪世纪70年代初期年代初期研究北美大湖时提出研究北美大湖时提出 适用对象适用对象:停留时间很长,水质基本处于稳定状态:停留时间很长,水质基本处于稳定状态的湖泊水库的湖泊水库 模型假定模型假定:湖泊中某种营养物的浓度随时间的变化: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率,是输入、输出和在湖泊内沉积的该种营养物量的函数的函数
11、 2023-1-2817 模型不足模型不足:不能描述发生在湖泊内的物理、化学和: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,是只考虑输入只考虑输入 输出关系的模型输出关系的模型模型基本形式及其解析解模型基本形式及其解析解 模型基本形式模型基本形式2023-1-2818QCsCVIdtdCVcV为湖泊水库容积;为湖泊水库容积;C为某种营养物的浓度;为某种营养物的浓度;Ic为该营养物为该营养物质的总负荷;质的总负荷;s为该营养物在湖泊水库中的沉积速率常数;为该营养物在湖泊水库中的沉积速率常数;Q为湖泊出流流量为湖泊出流流量
12、 引入引入冲刷速率常数冲刷速率常数r(令(令r=Q/V),则得到:),则得到:在给定初始条件:在给定初始条件:t=0时,时,C=C0,可得解析解,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,当的情况下,当t时,可达到营养物的平衡浓度时,可达到营养物的平衡浓度Cp:rCsCVIdtdCc2023-1-2819)(exp)()()()(0trsrsVICrsVrsVItCccVsrICcP)(若进一步令若进一步令 则有则有 hAVtsQVrw,1sccwcpAILthshLC/2023-1-2820tw为湖泊水库的水力停留时间;为湖
13、泊水库的水力停留时间;As为湖泊水库的水面面为湖泊水库的水面面积;积;h为平均水深;为平均水深;Lc为单位面积营养负荷为单位面积营养负荷 例题分析例题分析 已知湖泊的容积为已知湖泊的容积为1.0107m3,湖泊内,湖泊内CODCr的本的本底浓度为底浓度为1.5mg/L,河流入流量,河流入流量5107m3/a,河流中,河流中CODCr浓度为浓度为3mg/L,CODCr在湖泊中的沉积速度在湖泊中的沉积速度常数为常数为0.08/a。试求湖泊中。试求湖泊中CODCr的平衡浓度,及的平衡浓度,及达到平衡浓度的达到平衡浓度的99%所需的时间。所需的时间。解答解答:根据题目,得到:根据题目,得到0pc11
14、esr tVsr CCCIcpp00cc1111lnln1 CCICCtVsrCsrsrVsrCII2023-1-2821 根据题意已知:根据题意已知:V=107m3,s=0.08/a,r=Q/V=5/a,C0=1.5g/m3,Ic=0.51083=1.5108 g/a 当当 C/Cp=0.99 时:时:即平衡浓度为即平衡浓度为2.95g/m3,达到平衡浓度的,达到平衡浓度的99%约需约需 0.77a。a77.033020.0ln08.51105.15.1508.0100.1105.1199.0ln508.01878t378pg/m95.210508.0105.1C2023-1-28223.2
15、 3.2 Kirchner-DillonKirchner-Dillon模型模型 VollenweiderVollenweider模型的困境模型的困境:营养物在水库中的沉积速率:营养物在水库中的沉积速率常数常数s难以确定难以确定 解决方案解决方案:引入:引入滞留系数滞留系数R Rc c,即营养物在湖泊或水,即营养物在湖泊或水库中的滞留分数。此时,模型为:库中的滞留分数。此时,模型为:给定初始条件,当给定初始条件,当t=0时,时,C=C0,可得解析解:,可得解析解:rCVRIdtdCcc)1(rtccccerVRICrVRItC)1()1()(02023-1-2823 类似地,可得到平衡浓度为:类
16、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:度近似计算:rhRLrVRICccccp)1()1(iknkikmjojojcCqCqR1112023-1-2824qoj、Coj分别为出流水流量和营养物浓度;分别为出流水流量和营养物浓度;qik、Cik分别分别为入流水流量和营养物浓度为入流水流量和营养物浓度3.33.3 分层箱式模型分层箱式模型概述概述 模型创始模型创始:1975年,年,Snodgrass等提出,用以近似描等提出,用以近似描述水质分层状况述水质分层状况 模型建立假设模型建立假设:上层和下层各自满足完全混
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