环境系统分析5文档格式.docx
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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
森林
范围
－9
7－18
130－300
150－500
平均值
200
340
森林＋牧场
6－16
11－37
200－600
300－800
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。
某地降水中的磷氮含量Cp和Cn
Cn（g/m2）
Cp（g/m2）
－
（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
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：
－浮游动物的比生长速度：
－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
－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
－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
－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？
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