湖泊与水库的水质模型PPT课件

1、2003-12-4湖泊与水库的水质模型 王颖刘辰湖泊与水库水质模型n湖库的水文、水质特征分析n湖库箱式水质模型n非完全混合水质模型n狭长湖库移流衰减模型n湖库环流二维稳态混合衰减模型n湖库水质模型通用软件简介湖库水文、水质特征分析 湖库水文、水质特征主要体现为水温的垂直分层与水体的富营养化。n湖库的水温结构特性及其类型n分层型湖库水温结构特征n湖库的水质特性 湖库的水温结构特性及其类型n异重流现象n影响湖库水温的主要因素n湖库的温度分层现象n湖库主要水温结构类型及判定方法 天然湖库具特殊水温结构，是一种热容量 很大的水体。 随水温不同，湖库内水质点密度不同，形 成水质点密度差结构，使湖库的入流

2、与出流 具密度流现象，也导致河水在湖库内具滞留 机制。 异重流是湖库水温预测模型中关注的主要问题，可用经 验公式计算出它的厚度与流速。 湖库异重流现象湖泊、水库的温度分层现象 对深度较深的湖泊水库，因其流速小，紊动掺混能力小，由春季始，气温升高，日照增强，入湖水温比湖库水温相对较高，而从湖表进入，使湖表水温在夏末达到峰值，水体温度在垂直方向出现明显的分层现象。 秋季气温逐渐下降，底层水温高于表层，表层水冷却、密度增大、向下沉降产生对流现象使温跃层逐渐消失，湖库表层形成温度均匀的掺混层，厚度随时间增加，对流现象达到整个水深时，称为湖库大循环翻池，进水潜入水表面下。 冬末，湖库最终冷却水温大于 4

3、 以上的湖库，形成近乎均匀的温度场，最终冷却水温小于 4 的湖库，冬季表层形成逆温层。湖库水温结构类型及判定方法n分层型n 以夏季为中心，形成稳定的温跃层，冬末，温度接近均匀分布湖库水在垂直方向存在密度梯度，很难产生掺混；入流与出流成为水平的层流。湖库内可分为层流和滞留两部分，水的滞留时间长，水质问题比较突出。n混合型n 一般出现在掺混强、水流急的中小型湖库，年内湖库内水温分布大致相同水在湖库内滞留时间短，水质问题一般并不严重。n过渡型 水温结构类型判定方法n分层的判别方法库水交换次数法n由日本学者提出，判别指标为：=多年平均入库径流量总库容一次洪水总量总库容判别方法：20 混合型对于分层型：

4、 遇1 的洪水，成为临时混合型 遇到0.5 的洪水对分层影响不大 其他的，介于二者之间。分层型湖库水温结构特征n温水层n表面较浅范围内，受风动力作用影响，水层混合剧烈，水温垂向分布均匀与大气、太阳进行热量交换，水温较高。n温跃层n较短距离的过渡层，温度梯度大，混合能力弱。n均温层n下部较深的范围内，水温低，稳定少变，基本均匀。湖库的水质特性n湖泊与水库的主要水质问题 湖泊和水库属静水环境，水流速度较低，水滞留时间长，进入湖库的营养物质在其中不断积累，因而湖库中突出的水质问题： 下层厌氧状态的发生与富营养化。n贫营养湖与富营养湖湖库箱式水质模型n完全混合箱式模型nVollenweider 模型n

5、Kirchner-Dillon 模型n分层箱式模型 Vollenweider 模型假定： 对停留时间较长，水质基本处于稳定状态的湖库，污染物浓度随时间的变化率是输入、输出和在湖库内沉积衰减的该污染物的量函数。方程： V(dc/dt)= CpQp+ Wo QhC K1CV Cp 污染物排放浓度； Qp 废水排放量； Wo 湖库中现有污染物的排入量 Qh 湖库水出流量；Vollenweider 模型解析解： C=(CpQP+Wo)/VKh+(Ch-(CpQp+W0)/VKh)exp(-Kht) Ch 湖库中污染物的现状浓度。 Kh=(Qh/V)+(K1/86400)当湖库出,入流及污染物输入稳定，

6、 t （平衡）时：C=（CpQp+W）/V（r+K1/86400) r=Qh/V 湖库冲刷速度常数，与湖库的水力停留时间 tw 互为倒数。引入Lc，湖库单位面积的营养负荷；将V=AsH代入，得其中， Lc=(CpQp+Wo)/As， g/( m2a )； H 湖库的平均水深， m 。 Kirchner-Dillon 模型引入滞留系数 Rc ，主要考虑污染物的沉淀再悬浮作用 Rc= K3 /K3+r K3=rRc/1-Rc 对于多个入流的湖库，其基本水质方程： dc/dt=Lc/H-rC/1-Rc 在dc/dt=0时，上式定常解： C=Lc(1-Rc)/rH分层箱式模型n分层期模型n 夏季模型，

7、考虑上下分层，上下层各视为完全混合。n混合期模型n 秋末湖库混合时期，假定翻池时上下两层完全混合。n非成层期模型n 冬季模型，不考虑分层，视为完全混合。分层箱式模型夏季模型： 上层： CE(l)=CPEQPE/VEKhE-CPEQPE/VE- KhECM(l-1)exp(-KhEt)/KhE 下层： CH(l)=CPHQPH/VHKhH-CPHQPH/VH- KhHCM(l-1)exp(-KhHt)/KhH分层箱式模型n混合期模型 Ct(l)=(Ce(l)Ve+Ch(l)Vh)/(Ve+Vh) 非成层期模型 CM(l)=CPQP/VKh-CPQP/V-n KhCM(l-1)exp(-Kht)/

8、Kh Cm(o)=Ch Kh=(Qp/v)+(K1/86400)非完全混合水质模型 对水域宽阔的大湖泊，污染往往只出现在入湖河口与排污口附近的水域，污染物梯度明显，需要研究污染物在湖水中稀释、扩散规律，采用不均匀混合水质模型描述。n湖泊扩散的水质模型n易降解物质简化的水质模型湖泊扩散的水质模型 A.B. 卡拉乌舍夫在研究难降解污染物质在湖水中心稀释扩散规律时采用了圆柱形坐标。 取湖库排污口附近的一块水体q 入湖污水量 m3/d ； r 湖泊内某计算点离排污口距离， m ； C 所求计算点的污染物浓度，毫克/L ；废水在湖水中的扩散角度，由排放口附近地形决定，当废水在开阔的岸边垂直排放时，=18

9、0 ；当在湖心排放时，=360 。易降解物质简化的水质模型当湖水流速很小，风浪不大，湖水稀释扩散作用较弱的情况：QpdCr/dr=-K1CrH r解析解： r=0,Cr=Cr0(排出口浓度)Cr=Cr0exp(-k1 Hr2/172800 Qp)K1 的确定可以采用两点法和多点法。狭长湖库移流衰减模型 近似看作一条河流，应用移流衰减模型：Cl=CpQpexp(-K1V/86400 Qh)/Qh+ChCl:湖库出口污染物平均浓度Ch:湖库中污染物现状浓度V:湖库容积Cp,Qp:废水的浓度和排放量Qh:湖水出流量湖库环流二维稳态混合衰减模型 对于近岸环流显著的大型湖库，横向弥散作用显著，可降解污染物的运动转化状况可用二维模型来描述。岸边排放： 非岸边排放：排放口到岸边的距离， m ； u 环流速度， m/s ；My横向混合系数， m2/s ；确定可近似采用爱兰经验公式法， My=18.57 vh/Cz v 横向湖流速度， h