环境质量评价学课件

1、环境质量评价学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2022-1-28环境质量评价学2四、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2022-1-28环境质量评价学32 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

2、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，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。2022-1-28环境质量评价学4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

3、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期2022-1-28环境质量评价学52.22.2 富营养化的控制因子富营养化的控制因子2022-1-28环境质量评价学6 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pH2022-1-28环境质量评价学72.3 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

4、.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（%）2022-1-28环境质量评价学8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

5、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；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SKSSmax2022-1-28环境质量评价学9 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：CSKCCSNSKNNSPSKPPSmax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

6、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2022-1-28环境质量评价学102.3.2 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

7、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 底泥及沉积物底泥及沉积物2022-1-28环境质量评价学11营养物质入湖途径营养物质入湖途径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2022-1-28环境质量评价学122022-1-28环境质量评价学13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

8、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jjljPjsjkIIIII2022-1-28环境质量评价学142.42.4 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（

9、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 2022-1-28环境质量评价学152.4.22.4.2 判别标准判别标准总氮（总氮（TN）0.20.3mg/L总磷（TP）0.010.02mg/LBOD510mg/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2022-1-28环境质量评价学16Vollenweider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L

10、PD （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）40. 1lg6 . 0hLPA70. 1lg6 . 0hLPD57. 2lg6 . 0hLNA87. 2lg6 . 0hLNDh 为 湖 库 的为 湖 库 的水深（水深（m）2022-1-28环境质量评价学173 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

11、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 2022-1-28环境质量评价学18 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

12、形式及其解析解 模型基本形式模型基本形式QCsCVIdtdCVcV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2022-1-28环境质量评价学19 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

13、，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：rCsCVIdtdCc)(exp)()()()(0trsrsVICrsVrsVItCccVsrICcP)( 2022-1-28环境质量评价学20 若进一步令若进一步令 则有则有 hAVtsQVrw,1sccwcpAILthshLC/tw为湖泊水库的水力停留时间；为湖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 2022-1-28环境质量评价学21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

14、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 esr tVsr CCCIcpp00cc1111lnln1 CCICCtVsrCsrsrVsrCII2022-1-28环境质量评价学22 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

15、.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 . 1C2022-1-28环境质量评价学233.2 3.2 Kirchner-DillonKirchner-Dillon模型模型 VollenweiderVollenweider模型的困境模型的困境：营养

16、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 ()(02022-1-28环境质量评价学24 类似地，可得到平衡浓度为：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

17、计算：rhRLrVRICccccp)1 ()1 (iknkikmjojojcCqCqR111qoj、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2022-1-28环境质量评价学253.33.3 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合模型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要求；两层之间存在着紊流扩散传递作用 模

18、型组成模型组成：夏季模型和冬季模型，前者考虑上、下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分层现象，后者考虑上、下层之间的循环作用 模拟水质组分模拟水质组分：正磷酸盐（正磷酸盐（Po）和偏磷酸盐（）和偏磷酸盐（Pp）2022-1-28环境质量评价学26模型概化图模型概化图2022-1-28环境质量评价学27夏季分层模型夏季分层模型 表层正磷酸盐表层正磷酸盐Poe： 表层偏磷酸盐表层偏磷酸盐Ppe： 下层正磷酸盐下层正磷酸盐Poh：)(oeohthththoeeeoeojjoeePPAZKPVpQPPQdtdPV)(pephthththoeeepethepepj

19、jpeePPAZKPVpPASQPPQdtdPV)(ohoethththphhhohhPPAZKPVrdtdPV2022-1-28环境质量评价学28 下层偏磷酸盐下层偏磷酸盐Pph：)(phpethththphhhphshpethephhPPAZKPVrPASPASdtdPV式中，下标式中，下标e和和h分别代表上层和下层；下标分别代表上层和下层；下标th和和s分别代表分别代表斜温区和底部沉淀区的界面；斜温区和底部沉淀区的界面；p和和r表示净衰减速率常数；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

20、程对热传递或物质穿越斜温层的影波、表层风波及其他过程对热传递或物质穿越斜温层的影响；响；Z是平均水深；是平均水深；V是箱的体积；是箱的体积；A是界面面积；是界面面积；Qj是流入是流入湖泊的流量；湖泊的流量；Q是流出湖泊的流量；是流出湖泊的流量；S是磷的沉淀速率常数是磷的沉淀速率常数2022-1-28环境质量评价学29冬季循环模型冬季循环模型 冬季，由于上部水温下降，密度增加，产生上、下冬季，由于上部水温下降，密度增加，产生上、下层之间的水量循环，带动磷的循环层之间的水量循环，带动磷的循环 正磷酸盐正磷酸盐Po循环方程循环方程 偏磷酸盐偏磷酸盐Pp循环方程循环方程 式中，下标式中，下标eu代表富

21、营养区，其余符号意义同前代表富营养区，其余符号意义同前ooeueuoojjorVPPVpQPPQdtdPVpspoeueuppjjpPSArVPPVpQPPQdtdPV2022-1-28环境质量评价学30两模型的衔接两模型的衔接 夏季的分层模型和冬季的循环模型可以用秋季或春夏季的分层模型和冬季的循环模型可以用秋季或春季的季的“翻池翻池”过程形成的过程形成的完全混合状态完全混合状态作为初始条作为初始条件而衔接起来件而衔接起来 此时，整个湖泊中的浓度分布是均匀的，即此时，整个湖泊中的浓度分布是均匀的，即VVPVPPVVPVPPhphepephoheoeo2022-1-28环境质量评价学313.4

22、3.4 完全混合模型在富营养化判别方面的应用完全混合模型在富营养化判别方面的应用 Vollenweider和和Dillon根据大量的富营养化调查数根据大量的富营养化调查数据绘制了湖泊、水库基于据绘制了湖泊、水库基于磷磷的富营养化状况判别图的富营养化状况判别图2022-1-28环境质量评价学32例题分析例题分析 某湖泊平均容积为某湖泊平均容积为2.0 109m3，水面面积，水面面积As为为3.6 107m2，支流入流量，支流入流量qi为为3.1 109m3/a，入流水中，入流水中磷的平均浓度为磷的平均浓度为Cip=0.52mg/L，支流出流量，支流出流量qo为为5.8 108m3/a，测得磷的平

23、均浓度，测得磷的平均浓度Cop为为0.15mg/L，试判断该湖泊的营养状况试判断该湖泊的营养状况解答解答：（：（1）图形比较法）图形比较法 计算得到湖泊平均水深：计算得到湖泊平均水深：h=55.56m 计算冲刷速率常数：计算冲刷速率常数：r=0.29/a 计算滞留系数：计算滞留系数：R =0.95 计算单位面积磷负荷：计算单位面积磷负荷：LP=44.78g/m2 a2022-1-28环境质量评价学33 计算纵坐标：计算纵坐标：LP(1 R)/r=7.72g/m2 根据判别图，点（根据判别图，点（55.56, 7.72）位于富营养区域位于富营养区域，表明表明长期的磷排放会导致湖泊富营养化长期的磷

24、排放会导致湖泊富营养化 （2）浓度比较法）浓度比较法 计算湖泊磷的平衡浓度：计算湖泊磷的平衡浓度：CP=0.14mg/L 计算磷的危险界限：计算磷的危险界限：LPD=0.558g/m2 a 根据计算结果，无论从平衡浓度；还是从磷负荷根据计算结果，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，长期看，均超过富营养化危险界限，长期磷排放会导致磷排放会导致湖泊富营养化湖泊富营养化2022-1-28环境质量评价学344 4、非完全混合模型、非完全混合模型2022-1-28环境质量评价学354.14.1 卡拉乌舍夫湖库水质扩散模型卡拉乌舍夫湖库水质扩散模型 模型模型 式中式中MMr r为径向湍

25、流混合系数；其它符号意义见示意图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当为稳定排放，且边界条件取距排放口充分远的某点点 r0处的现状值处的现状值 Cr0，上式求解得：，上式求解得： Cp为废水中污染物浓度，其余符号意义同前为废水中污染物浓度，其余符号意义同前2p21rrrrrQCCCMMtHrrrppp00()rQHMrrrCCCCr2022-1-28环境质量评价学36 考虑到风浪的影响，径向湍流混合系数可采用下述考虑到风浪的影响，径向湍流混合系数可采用下述经验公式计算：经验公式计算： 式中，式中， 为水的密度；为水的密度；H为计算范围内湖库的平

26、均水深；为计算范围内湖库的平均水深；d为为湖（库）底沉积物颗粒的直径；湖（库）底沉积物颗粒的直径；g为重力加速度；为重力加速度；f0为经验系为经验系数；数；u为湖（库）水平均流速；为湖（库）水平均流速；h为波高为波高22/31/320rHduhMuf gH2022-1-28环境质量评价学374.24.2 易降解物质的简化水质模型易降解物质的简化水质模型 将卡拉乌舍夫湖泊水库水质扩散模型中扩散项忽略将卡拉乌舍夫湖泊水库水质扩散模型中扩散项忽略掉，并考虑污染物的降解作用，这样可得到稳态条掉，并考虑污染物的降解作用，这样可得到稳态条件下污染物在湖库中推流和生化降解共同作用下的件下污染物在湖库中推流和

27、生化降解共同作用下的基本方程基本方程 当边界条件取当边界条件取r=0 时，时，Cr=Cr0（为排出口浓度），则（为排出口浓度），则其解析解为：其解析解为：p1dd rrCQK C H rr)2exp(210prrQHrKCC2022-1-28环境质量评价学38 当考察湖库的水质指标是当考察湖库的水质指标是溶解氧溶解氧时，并只考虑时，并只考虑BOD 的耗氧因素的耗氧因素与与大气复氧因素大气复氧因素，可推导出湖库的氧亏，可推导出湖库的氧亏方程方程 其解析解为：其解析解为： L0和和D0分别为排放口处的分别为排放口处的BOD浓度和氧亏量浓度和氧亏量p12d()dDQK LK D H rr222101

28、22021pppexpexpexp222K LKHrKHrKHrDDKKQQQ2022-1-28环境质量评价学39练习题练习题1、某湖泊容积为、某湖泊容积为2.0 108m3，水面面积为，水面面积为3.6 107m2，支，支流入流量为流入流量为3.1 109m3/a，经多年测量知磷的输入量为，经多年测量知磷的输入量为1.5 108g/a，若不考虑蒸发和降水过程的影响，试判，若不考虑蒸发和降水过程的影响，试判断湖泊的营养状况，是否会发生富营养化？滞留系数断湖泊的营养状况，是否会发生富营养化？滞留系数按下式估算按下式估算:2、已知某湖泊的停留时间为、已知某湖泊的停留时间为1.5a，沉降速率为，沉降

29、速率为0.001/d，一种污染物排入湖泊中达到最终平衡浓度的一种污染物排入湖泊中达到最终平衡浓度的90%需多需多长时间（设湖内初始浓度为长时间（设湖内初始浓度为0）？）？)00949. 0exp(574. 0)271. 0exp(426. 0ssAQAQR2022-1-28环境质量评价学405 5、湖库的生态系统模型、湖库的生态系统模型5.1 5.1 概念模型概念模型 以以磷为核心磷为核心，涉及，涉及12个水质项目个水质项目：藻类、浮游动：藻类、浮游动物、有机磷、无机磷、有机氮、氨氮、亚硝酸盐物、有机磷、无机磷、有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、含碳有机物的生化需氧量、溶解氮、硝酸盐氮、含碳

30、有机物的生化需氧量、溶解氧、总溶解固体、悬浮物氧、总溶解固体、悬浮物2022-1-28环境质量评价学415.2 5.2 一般数学表达一般数学表达 上述上述12个水质组分都可用如下方程描述：个水质组分都可用如下方程描述：)(1)(11)(intoutoutininZsCqCqAASZCADZAZCVVtC式中式中Sint表示发生在湖泊或水库内部的各种过程，每个项目表示发生在湖泊或水库内部的各种过程，每个项目的变化可以看作是对时间的全微分，即的变化可以看作是对时间的全微分，即 C代表各个不同的水质项目代表各个不同的水质项目dtdCASint2022-1-28环境质量评价学425.3 5.3 系统模

31、拟系统模拟藻类（浮游植物）生物量藻类（浮游植物）生物量CA 以藻类的含碳量表示，单位为以藻类的含碳量表示，单位为mg碳碳/LAgAACZcCdtdC)(式中，式中， 为藻类的比生长速率；为藻类的比生长速率； 为藻类的比死亡速率；为藻类的比死亡速率；cg为为浮游动物食浮游动物食藻率；藻率；Z为浮游动物的浓度为浮游动物的浓度2022-1-28环境质量评价学43浮游动物浮游动物Z 用单位水体中的物质量或含碳量表示，单位用单位水体中的物质量或含碳量表示，单位mg碳碳/L 式中，式中， z为浮游动物的比生长速率：为浮游动物的比生长速率： Kz为米氏常数，为米氏常数， zmax为浮游动物的最大比增长速率；为浮游动物的最大比增长速率； z为浮为浮游动物的比死亡速率（包括氧化分解）；游动物的比死亡速率（包括氧化分解）；cz为较高级水生生为较高级水生生物对浮游动物的吞食速物对浮游动物的吞食速率，其他符号意义同前率，其他符号意义同前ZcZdtdZzzz)(AZAzzCKCmax2022-1-28环境质量评价学44磷磷 溶解态无机磷溶解态无机磷P1： App为藻类中磷的含量；为藻类中磷的含量；I1为底泥对无机磷的吸收速率；为底泥对无机磷的吸收速率；I2为