环境系统分析5.docx
- 文档编号:8875905
- 上传时间:2023-02-02
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:336.50KB
环境系统分析5.docx
《环境系统分析5.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《环境系统分析5.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
环境系统分析5
第五章湖泊与水库水质模型
一.湖泊水库的水质特点
(1)流速小,与河流相较湖泊与水库中的水流处于相对静止状态;
(2)停留时刻长,湖泊与水库中的水流互换周期比较长,从假设干月到假设干年,属于静水环境;
(3)水生生态系统相对照较封锁,不受人类活动干扰的湖泊水库的生态系统结构于特点一样取决于湖泊与水库所在的地理位置、周围的土壤性质、植被类型等;
(4)要紧水质问题是富营养化。
由于湖泊与水库属于静水环境,污染物进入湖泊与水库以后容易积存,专门是营养物质的积存将会致使富营养化。
天然的湖泊都有一个从贫营养向富营养的进展进程,从贫营养过度到富营养,进而进展到沼泽,制止死亡,是自然湖泊进展的规律,这是一个漫长的历史进程,可是人类活动会大大加速那个进程。
(5)水质的分层散布,存在斜温层。
湖泊水库的表层水在大气紊流的作用下充分混合,形成一个温度散布
二.
营养源与营养负荷
1.要紧营养物
表湿重下淡水中各类元素的含量(%)
元素名称
含量
元素名称
含量
元素名称
含量
氧
磷
锰
氢
镁
锌
碳
硫
铜
硅
氯
钼
氮
钠
钴
钙
铁
钾
硼
丰度:
环境中各类营养物质知足藻类生长的程度。
藻类的生长取决于丰度最小的营养物质。
莫诺得模型:
式中,μ-微生物的生长速度;μmax-微生物最大生长速度;S-营养物质的实际浓度;KS-营养物质的半饱和浓度。
氮磷营养比:
知足藻类生长所需的氮磷比为:
:
≈9:
1。
2.要紧营养源与营养负荷计算
(1)地面径流的营养负荷:
式中,Ijl-第j中营养物质的负荷,g/a;Ai-第I种土地利用类型的面积,m2;
Eij-第I种土地利用类型的单位面积上第j种污染物的流失量,g/m2;m-土地利用类型的总数。
表:
不同类型土地的磷、氮流失量
土地利用类型
Eip(mg/m2/a)
Ein(mg/m2/a)
火成岩
沉积岩
火成岩
沉积岩
森林
范围
-9
7-18
130-300
150-500
平均值
200
340
森林+牧场
范围
6-16
11-37
200-600
300-800
平均值
400
600
农业区
柑橘园
18
2240
牧场
15-75
100-850
庄稼地
20-200
500-1200
(2)降水的营养负荷:
式中,Ijp-有降水输入的第j种污染物的负荷,g/a;As-湖、库的水面面积,m2;Cj-第j种营养物在降水中的含量;P-年降水量,m/a。
表:
某地降水中的磷氮含量Cp和Cn
Cn(g/m2)
Cp(g/m2)
范围
平均值
-
-
(3)人为因素排放的负荷:
●生活污水中的营养负荷:
式中,Ijs-流入湖泊或水库的污水中含有的第j种营养物的负荷,g/a;S-产生污水的人数,人;Ejs-每人每一年产生的第j种营养物的量,g/人/a。
Ejs-的数值与地域条件,人们的生活水平、生活适应有关。
据统计,每人每一年大约排放磷800-1800g,氮300-3800g。
●工业污水中的营养负荷:
式中,Ijk-第k种工业废水中第j种营养物的负荷,g/a;Qk-第k中工业废水的排放量,m3/a;Ejk-第k种废水中第j种营养物的含量,g/m3;n-含第j种营养物的污染源数。
表几种工业废水的氮、磷含量(mg/L)
废水名称
总氮含量
总磷含量
屠宰厂废水
100-300
罐头厂废水
-160
甜菜制糖厂废水
20-100
高粱酿酒厂废水
800-900
对硫磷生产废水
250
黄磷生产废水
57-390
(4)湖泊、水库的总营养负荷:
式中,Ij-湖泊、水库第j种污染物的总负荷。
三.湖泊、水库的箱式水质模型
1.完全混合模型
(1)沃伦威德尔模型
沃伦威德尔模型适用于处于稳固状态的湖泊与水库,这时的湖泊与水库能够被看做为一个均匀混合的水体。
水体中某种物质的浓度转变率是该种物质输入、输出和在水体中沉积速度的函数,能够表示为:
式中,V-湖泊或水库的容积,m3;C-某种营养物质的浓度,g/m3;Ic-某种营养物质的输入总负荷,g/a;s-该营养物质在湖泊或水库中的沉降速度常数,1/a;Q-湖泊的出流流量,m3/a。
若是令r=Q/V,称为冲洗速度常数,那么上式能够写为:
在给定初始条件:
当t=0,C=C0时,上式的解析解为:
在水体的入流、出流及营养物质的输入稳固的条件下,当t→∞时,能够达到水中营养物的平稳浓度:
若是进一步令:
和
水库、湖泊中的营养物质平稳浓度能够写成:
式中,tW-湖泊水库的水力停留时刻,a;AS-湖泊水库的水面面积,m2;h-湖泊水库的平均水深,m;LC-湖泊水库的单位面积营养负荷,g/m2/a。
其中:
例:
已知湖泊的容积V=,支流输入水量Qin=a,河流中的BOD浓度3mg/L;湖泊的COD本底浓度C0=L,COD在湖泊中的沉积速度常数s=a。
试求湖泊的COD平稳浓度,及达到平稳浓度的99%所需的时刻。
关于任意的C/C0,所需的时刻t能够从上式导出:
代入给定各项已知数据,当C/Cp=时:
另外,当t→∞时,COD达到平稳浓度:
(2)吉柯奈尔-狄龙模型
吉柯奈尔-狄龙模型引入滞留系数RC的概念。
滞留系数的概念是进入湖泊水库中的营养物在其中的滞留分数。
吉柯奈尔-狄龙模型写作:
式中,RC-某种营养物在湖泊水库中的滞留分数;其余符号同前。
给定初始条件:
当t=0时,C=C0,能够取得上式的解析解:
假设湖泊水库的入流、出流、污染物的输入都比较稳固,当t→∞时,能够取得上式的平稳浓度:
能够依照湖泊水库的入流、出流近似计算出滞留系数:
式中,q0j-第j条支流的出流量,m3/a;C0j-第j条支流出流中的营养物浓度,mg/L;qik-第k条支流入流水库的流量,m3/a;Cik-第k条支流中的营养物浓度,mg/L;m-入流的支流数量;n-出流的支流数量。
(3)湖泊水库的富营养化判别
当水体中藻类大量繁衍,水中严峻缺氧,致使生物死亡时,意味着水体富营养化的发生。
致使富营养化的因素超级复杂,难以预测,目前也没有公认的指标和标准。
通常以为,水体的水质达到如下状态,那么有可能引发富营养化:
总氮
>
~L
总磷
>
~L
BOD5
>
10mg/L
pH
=
7~9
细菌总数
>
100,000个/mL
叶绿素_a
>
L
狄龙-瑞格勒针对夏日湖泊、水库中的叶绿素_a的浓度与氮、磷浓度之间的关系,当氮磷比例小于4时,氮是叶绿素_a的制约因素,即叶绿素_a浓度是氮浓度的函数:
当氮磷比大于12时,磷是叶绿素_a的制约因素,即叶绿素-a的浓度是磷的函数:
式中,[]-叶绿素_a的浓度,μg/L;CN、CP-别离为氮和磷的浓度,mg/L。
在氮、磷比介于4与12之间时,采纳上述两个式子中计算出的小者。
沃伦威德尔依照大量实际数据,成立了湖泊、水库的营养负荷与富营养化之间的关系,它们是水深的函数。
关于可同意的磷负荷(即保证贫营养水质的上限)LPA:
关于富营养化危险界限的磷负荷LPD:
关于可同意的氮负荷LNA:
关于氮的危险临界负荷LND:
式中,营养负荷LPA、LPD、LNA和LND的单位是mg/m2/a;h的单位是m。
沃伦威德尔和狄龙还绘制了湖泊水库的营养状况判别图。
该图以水深h为横坐标,LP(1-RP)/r为纵坐标。
依照参数计算纵、横坐标的值,从图中的3个分区,确信营养状况。
2.分层箱式模型
斯诺得格拉斯提出一个分层箱式模型,用以近似描述水质的分层状况。
分层水质模型将上层围绕基层别离视为两个完全混合模型。
关于夏日分层模型,能够写出4个独立的微分方程,它们是:
a)对表层正磷酸盐:
b)对表层偏磷酸盐:
c)对基层正磷酸盐:
d)对基层偏磷酸盐:
式中,下标e和h别离代表上层和基层;下标th和s别离表示斜温区和底层沉淀区的界面;p和r别离表示净产生和衰减的速度常数;k表示竖向扩散系数,包括湍流扩散、分子扩散,也包括内波、表层风波和其它进程对热传递或物质穿越斜温层的阻碍;
表示平均水深;V是箱的体积;A是界面面积;Qj是由河流流入湖泊的流量;Q是流出湖泊的流量;s是磷的沉淀速度常数。
在冬季,由于上部水温下降,密度增加,初始上基层之间的水量循环,由上层和基层的磷平稳,能够取得两个微分方程:
对全湖的正磷酸盐P0:
关于全湖内的偏磷酸盐Pp:
式中,脚标eu代表上层(富营养区),其余符号同前。
夏日的分层模型和冬季的循环模型能够用秋季或春天“翻池”进程形成的完全混合状态作为初始条件,现在:
四.深湖与水库的温度模型
湖泊水库同意的热量要紧来自太阳辐射,由于水的传导性能差,辐射热和光线的穿透能力低,大部份热量被表层水吸收,致使温度较高、密度较小的表层水停留的表面,形成比较稳固的温水层;底层水那么由于难以取得热量,温度较低,密度较大,形成比较稳固的低温层。
在温水层和低温层之间存在一个温度梯度较大的斜温层。
在热分层的条件下,底层的水与大气隔间,没有复氧作用,死亡的水生动植物的体沉降到底部厌氧分解,水质恶化。
在春秋“翻池”时,整个水体都会受到污染。
1.竖向一维温度模型
(1)大体假设:
♦水体与周围的固体边界是绝热的;
♦水体与周围的热互换发生在3个方面:
太阳热辐射通过水汽界面进入水体;入流水流带入的热量;出流水流带出的热量。
(2)模型:
若是假定太阳辐射热沿垂直方向向下传播,能够用一个竖向一维温度散布模型描述竖向的温度散布:
式中,Z是直角坐标系的竖向坐标,m;QV是垂直方向的水流流量,m3/s;qin、qout
是入流与出流的流量,m3/s;Tin是入流水的水温,℃;φV是垂直方向的热辐射量,J/m2;Em是分子扩散系数,m2/s。
右图表示某一深度Z的水层的输入输出关系。
大体模型中等式右边的第二项能够展开为:
假设假定垂直方向的流量为零,即那么大体方程能够写作:
2.2. 水面热互换
(1) 辐射热流量:
水表面的辐射热流量包括5个方面,即:
式中,I是太阳短波辐射热,J/m2/h,I值的大小与地球上的位置和季节有关,在日地平均距离时,在太阳光垂直的大气上界处,I=cm2/min=4916J/m2/h;R1是水面反射的太阳辐射热,通常R1=;G是大气的长波辐射热,能够用下式计算:
EL是空气中的水蒸气分压,mm汞柱;TL是水面上的空气温度,℃;ω是天空云量的云度系数(0≦ω≦1);σ是玻尔兹曼系数:
R2是被水面反射的大气长波辐射的热流量,一样取R2=;S是由水面发射的长波辐射的热流量:
上式中的EL和ET取水面上2m处的值。
(2)蒸发烧流量:
水面蒸发的热流量是风速、饱和蒸汽压和空气的水蒸气分压的函数,能够按下式计算:
式中,V是水面上2m处的风速,m/s;ET是水温为T时的饱和蒸汽压,能够按下式计算:
式中,T是水温,℃;C1、C2、C3是体会系数,能够采纳如下数值:
C1=0,C2=m2/h/(mm汞柱);C3=。
(3)对流热流量:
对流热流量与蒸发量有关,如下体会公式可用以计算对流热流量:
式中,Cb=mm汞柱,其余符号同前。
(4)水面的总热流量:
是湖泊水库表层水温的函数,而计算水温时有需要明白
值,因此水温的计算是一个迭代进程,而水面的热流量那么是计算的边界条件。
五.湖泊水库的生态系统模型
1.概念模型
湖泊和水库是一个比较封锁的水生生态系统,以磷为核心的湖泊水库生态系统模型包括下述水质项目:
藻类、浮游动物、有机磷、无机磷(以PO-P代表)、有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、含炭有机物的生化需氧量、溶解氧、总溶解固体和悬浮物等12个水质项目。
上述12个水质项目之间存在着错综复杂的关系,以下图表示这种关系的概念:
2.湖泊水库生态数学模型的一样形式
上述12个水质项目都能够用下述偏微分方程表示:
式中,Sint表示发生在湖泊水库内部的各类进程。
每一个项目(C)的转变都能够看成是对时刻的全微分,即:
3.湖泊水库中的生态进程模拟
(1)藻类(浮游植物)生物量CA
以在理含碳量表示藻类的生物量,CA的单位是mg碳/L。
CA的转变能够用下式表示:
式中,
-藻类的比增加速度;
-藻类的比死亡速度;
-浮游动物食藻率;Z-浮游动物的浓度。
(2)浮游动物Z
浮游动物Z的浓度用单位水体中的物质量(用含碳量表示)代表,Z的单位是mg碳/L。
浮游动物在水体中的转变速度为:
式中,
-浮游动物的比生长速度:
式中,
-Michealis-Menten常数;
-浮游动物最大的比增加速度;
-浮游动物的比死亡速度(包括氧化与分解);Cz-较高得计浮游生物对浮游动物的吞食速度。
(3)磷
在生态模型中,考虑3种磷的形态:
溶解态的无机磷P1,游离态的有机磷P2,和沉淀态的磷P3。
♦关于溶解态无机磷P1
式中,
-藻类中磷的含量(mg磷/mg碳);I1-底泥对无机磷的吸收速度;I2-有机磷的降解速度;I3-底泥中有机磷的释放速度。
♦关于P2
式中,
-浮游动物中磷的含量(mg磷/mg碳);I4-有机磷在底泥中的富集速度。
♦关于P3
(4)氮
氮的存在形态比较复杂,在湖泊水库生态模型中,将考虑5种形态的氮:
♦有机氮N1
式中,J4-有机氮的降解速度;
-藻类的比死亡率;ANP-藻类中氮的含量(以mg氮/mg碳表示);J6-底泥对有机氮的吸收速度;ANE-浮游动物中但的含量(以mg氮/mg碳表示)。
♦氨氮N2
式中,J1-氨氮的硝化速度;J5-底部有机氮的分解速度。
♦亚硝酸盐氮N3
式中,J2-亚硝酸盐氮的硝化速度。
♦硝酸盐氮N4
式中等号右边最后一项只发生在厌氧条件下,J3是硝酸盐氮的反硝化速度。
♦沉淀态氮N5
式中,J4-沉淀态氮的释放速度。
(5)含炭有机物的生化需氧量L
式中,kd-BOD的降解速度。
(6)溶解氧C
式中,
-氨氮的耗氧常数(mg氮/mg氨氮)
;
-亚硝酸盐氮的耗氧常数,
;
-藻类的耗氧常数(mg氧/mg碳),
;
-大气复氧速度;Lb-底泥耗氧速度(g氧/m2/d);
-底泥层的厚度,m;CS-饱和溶解氧浓度。
上式中第4项(
)只发生在湖泊与水库的底层,而第5项Ka(Cs-C)只发生在表层。
(7)悬浮物SSP
悬浮物已经在湖泊水库的大体模型中考虑,没必要另行计算。
(8)总溶解固体Sd
湖泊水库中的总溶解固体用来描述盐度,假设干将盐类视为守恒物质,那么:
(9) 习题:
一、 某湖泊的容积V=
,表面积As=
,支流入流量Q=
a,经连年测量知磷的输入量为
a,已知蒸发量等于降水量。
试判定该湖泊的营养状况,是不是会发生富营养化?
二、 已知某湖泊的水力停留时刻T=,沉降速度s=d,问污染物进入该湖泊以后达到平稳浓度的90%需要多长时刻?
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 环境系统 分析