【清华】13-湖泊模型_961102509

湖泊水库的营养源与营养负荷
湖泊水库的总营养负荷：
Ij I jl + I jp + I js + Ijk
前二者属于非点源负荷 后二者属于点源负荷
湖泊水库的营养状态及其判别
水体根据营养状态的分类：
贫营养化 (Oligotrophic)； 中营养化 (Mesotrophic)； 富营养化 (Eutrophic)； 超营养化 (Hypereutrophic)

解：
C Cp
V 1+

s  s
+
r
t


对于任意的C/Cp，所需的时间t可以从上式导出：
t

-
s
1 +
r
ln

C Cp
-1
V
s
+r Ic
C0
-1

-
s
1 +
r
ln

＞
10mg/L
=
7~9
＞
100,000个/mL
＞
0.01mg/L
湖泊和水库水质模型
湖泊和水库的水文、水质特征 湖泊水库的营养物质、营养源、营养状态 湖泊水库的箱式水质模型与营养状态预测 湖泊和水库的生态系统模型
湖泊水库的箱式水质模型
完全混合模型
沃伦威德尔模型 吉柯奈尔－狄龙模型
（2）停留时间长
湖泊与水库中的水流交换周期比较长，从若干月到若干年，属 于静水环境。
（3）水生生态系统相对比较封闭
湖泊水库的生态系统结构和特征一般取决于湖泊和水库所处的 地理位置、周围的土壤性质、植被类型等
湖泊和水库的水文、水质特征
（4）主要水质问题是富营养化
由于湖泊和水库属于静水环境，污染物进入湖泊水库以后容易 积累，特别是营养物质的积累可能会导致湖库的富营养化。
浮游植物大量生长，降低水体透明度，影响景观，甚至堵塞给水厂的滤池。 根系植物大量繁殖，堵塞水道，影响航运和水上娱乐。
化学特性上：
植物的生长和呼吸会影响水体的化学特性，例如DO和CO2浓度。 水体溶解氧高低直接影响有机体，如鱼类的生存；CO2影响水体的pH值。
生物学特性上：
富营养化会改变生态系统的物种组成。 某些藻类会给饮用水带来异味，甚至有些蓝绿藻是有毒的。
地面径流的营养负荷 降水的营养负荷 人为因素排放的营养负荷
生活污水 工业废水
湖泊水库的营养源与营养负荷
地面径流的营养负荷计算
m
I jl Ai Eij
i 1
Ijl－来自地面径流的第 j 种营养物质的负荷，g/a； Ai－第 i 种土地利用类型的面积，m2； Eij－第 i 种土地的单位面积上第 j 种营养物质的流失量，g/m2/a； m－土地利用类型的总数。
T O2
SRP
T O2
z
(a) oligotrophic
z
(b) eutrophic
湖泊和水库水质模型
湖泊水库的水文、水质特征 湖泊水库的营养物质、营养源、营养状态 湖泊水库的箱式水质模型和营养状态预测 湖泊水库的生态系统模型
湖泊水库中的营养物质
营养物质
营养物质的作用：
无机营养物质 (Inorganic Nutrient) 是植物合成作用的原材料 淡水中藻类的生长，大约需要16～20种营养物质 营养物质的输入是湖库富营养化的物质基础
>4
2-4
<2
Hypolimnion oxygen (% saturation)
>80
10-80
<10
湖泊水库的营养状态及其判别
湖泊水库的富营养化判别
通常认为，水体的水质达到如下状态，有可能引起富营养化：
总氮 总磷
BOD5 pH
细菌总数
叶绿素_a
＞
0.2~0.3mg/L
＞
0.01~0.02mg/L
湖泊水库的营养源与营养负荷
地面径流的营养负荷计算
不同类型土地的磷、氮流失量
土地利用类型
森林
范围
平均值
森林＋牧场 范围
平均值
农业区 柑橘园
牧场
庄稼地
Eip(mg/m2/a)
火成岩
沉积岩
0.7－9
7－18
Ein(mg/m2/a) 火成岩 沉积岩
130－300 150－500
4.7
11.7
200
Cp

2.95mg
1.0107 0.08 + 5
L
湖泊水库的箱式水质模型
沃伦威德尔模型
富营养化状态预测
总磷面积负荷Lp与总磷浓度的关系
总磷平衡浓度：P I p
r + sV
总磷面积负荷：Lp

Ip As

r + sV
P As

P

1
w
+sH


P

分层箱式模型
湖泊水库的箱式水质模型
沃伦威德尔模型 Load
Outflow
Settling
模型的微分形式：
V
dC dt

Ic
-
sCV
- QC
适用条件：
V－湖库的容积，m3 C－营养物质的浓度，g/m3 Ic－营养物质的输入总负荷，g/a s－营养物质在湖库中的沉积速度常数，1/a Q－湖库的出流流量，m3/a
秋末冬初出现“翻池”现象。
D
Z
夏季 冬季
A B
C
D
A表层；B斜温层；C下层；D底层
湖泊和水库的水文、水质特征
Lake Ontario Temperature
T 20
( o C) 15
16.74 oC
10 Hypolimnion 5
0
J FMAMJ J ASOND Epilimnion month
(SRP)
Non-Particulate Unavailable Inorganic P
Particulate INORGANIC
Inorganic P
AVAILABLE
UNAVAILABLE
NON-PARTICULATE
PARTICULATE
湖泊水库的营养源与营养负荷
主要营养源与营养负荷的计算
注：以上词汇多用于描述湖泊水库，但也可用于河 流和港湾。
湖泊水库的营养状态及其判别
湖泊水库的富营养化
表观特征： 当水体中浮游生物大量繁殖，特别是某些蓝藻、绿藻和硅藻，在水面形成稠 密的藻被层，水中严重缺氧，导致鱼类和其它水生生物的死亡，意味着水体 富营养化的发生。
危害表现在多个方面， 生物量上：
Cp

r
Ic
+ sV
湖泊水库的箱式水质模型
例：湖泊容积V=1.0×107m3，支流输入水量Qin=0.5×108m3/a，支 流中TP浓度为3mg/L；湖泊的TP本底浓度C0=1.5mg/L，TP在湖泊 中的沉积速度常数s=0.08/a。试求湖泊的TP平衡浓度，及达到平 衡浓度的99%时所需的时间。
high pH
O2,s
liquid-film controlled volatilization
N2,s
O2
denitrification
low ammonification pH
nitrification nitrification
organic N
NH4+
NO2-
NO3-
N2
denitrification
湖泊水库的营养源与营养负荷
人为因素排放的负荷计算
工业污水中的营养负荷：
n
I jk Qk Elk
k 1
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。
湖泊水库的营养源与营养负荷
C Cp
-1
Ic
V

s
+
r

C0
-
I
c



湖泊水库的箱式水质模型
解：
当C/Cp＝0.99时，
t

-
1 0.08
+
5
ln
1.0
0.99 -11.5108 107 0.08 + 51.5 -1.5
108

0.77a
此外，当t→∞时，TP达到平衡浓度：
1.5108
营养物质的分类：
常量营养物质，如碳、氧、氮、磷、硅、硫、铁 微量营养物质，如锰、铜、锌
水质模拟一般常集中在4种常量营养物质上：
磷、氮、碳、硅
湖泊水库中的营养物质：
NITROGEN CYCLE
air water
gas-film controlled volatilization
NH3
人为因素排放的营养负荷计算
工业废水情况比较复杂，可以根据不同的废水类型计算。 几种工业废水的氮、磷含量（mg/L）：
废水名称 屠宰厂废水 罐头厂废水 甜菜制糖厂废水 高粱酿酒厂废水 对硫磷生产废水 黄磷生产废水
总氮 100－300
－160
20－100
800－900
总磷
250 57－390
湖泊水库的营养状态及其判别
湖泊水库的营养状态判别
影响湖泊水库营养状态的因素非常复杂，往往难以预测，目前也没有 公认的判别指标和标准。
实用标准（美国）：
变量
贫营养
中营养
富营养
总磷 （µgP/L）
叶绿素a （µgChla/L）
<10
10-20
>20
<4
4-10
>10
Secchi-Disk Depth (m)
环境数据处理与数学模型
湖泊水库水质模型
董欣 环境系统分析教研所
湖泊和水库水质模型
湖泊和水库的水文、水质特征 湖泊水库的营养物质、营养源、营养状态 湖泊水库的箱式水质模型与营养状态预测 湖泊和水库的生态系统模型
湖泊和水库的水文、水质特征
（1）流速小
与河流相比，湖泊与水库中的水流处于相对静止状态。
水体入流、出流及营养物质输入稳定
湖泊水库的箱式水质模型
沃伦威德尔模型
模型的解析解
定义冲刷速度常数：
r=Q/V
给定初始条件：
当t=0时，C=C0
解析解：
C

V
Ic
s +
r
+
V
s + rC0 V s + r
Ic
exp
-
s
+
rt
当t→∞时，可以达到水中营养物的平衡浓度：
H
w
+ sH

沃伦威德尔曲线：Log Lp Log P + Log qs + sH
用法：
取sH = 12.4 m/yr, 中营养化的临界值取 TP=10～20µg/L 在 log(Lp) ～ log(qs)图上，可以画出两条临界线
湖泊水库的箱式水质模型
湖泊水库的营养源与营养负荷
降水的营养负荷计算：
某地降水中的磷、氮含量Cp和Cn
范围 平均值
Cn (g/m3)
0.025－0.1 0.07
Cp (g/m3)
0.2－1.6 1.0
湖泊水库的营养源与营养负荷
人为因素排放的负荷计算
生活污水中的营养负荷：
I js SE js
Ijs－流入湖泊或水库的生活污水中含有的第 j 种营养物质的负荷，g/a； S－产生污水的人数，人； Ejs－每人每年产生的第 j 种营养物质的量，g/人/a。Ejs的数值与地区 条件、人们的生活水平、生活习惯有关。据统计，每人每年大约排放 磷800～1800g，氮300～3800g。
Loading Plot Derived from Vollenweider Model 10
(gP
Lp
m-2
yr-1)
1
TP=20
340
6－16
11－37 200－600 300－800
10.2
23.3
400
600
18
2240
15－75 20－200
100－850 500－1200
湖泊水库的营养源与营养负荷
降水的营养负荷计算：
I jp C j PAs
Ijp－由降水输入的第 j 种营养物质的负荷，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，g/ m3； P－年降水量，m/a。
湖泊和水库的水文、水质特征
SUMMER STRATIFICATION
T
epilimnion (e)
hypolimnion (h)
thermocline
z
湖泊和水库的水文、水质特征
Profiles of Chemical Constituents In Stratified Lakes
SRP
事实上，天然的湖泊都有一个从贫营养向富营养的发展过程， 从贫营养过渡到富营养，进而发展到沼泽，直至死亡，是自然 湖泊发展的规律。
在自然界里，这是一个漫长的历史进程，但是人类活动会大大 加速这个进程，从而成为一种生态问题。
湖泊和水库的水文、水质特征
（5）在水深较深的湖泊水库中，水温、密度和水质的竖向分层也 是常见的水质特征。
net production
settling
nitrogen fixation
湖泊水库中的营养物质：
PHOSPHORUS CYCLE
Non-Particulate Unavailable Organic P
Particulate
Organic P ORGANIC
Available Inorganic P