基于水功能区的湖库富营养化模型及应用

湖(库)富营养化是指湖(库)水体接纳过量的氮、磷等营养性物质,使水体中藻类以及其他水生生物异常繁殖,水体透明度和溶解氧变化,造成湖(库)水质恶化,加速湖泊老化,从而使湖(库)生态和水功能受到阻碍和破坏。

水体富营养化过程与氮、磷的含量及氮、磷含量的比率密切相关。湖泊富营养化的控制指标主要包括:反映营养盐水平的指标总氮、总磷;反映生物类别及数量的指标叶绿素α和反映水中悬浮物及胶体物质多少的指标透明度等。

目前,常用的富营养化评价模型主要有沃伦威德(Vollenweider)模型和经Dillon对沃伦威德(Vollenweider)模型改进后的狄龙(Dillon)模型。

1.沃伦威德(Vollenweider)模型

(1)模型解析解形式。根据式(5.34),模型假定湖泊中随时间变化的总磷浓度值等于单位容积内输入的磷减去输出的磷及沉积在湖底的磷。在给定年入湖(库)的磷量、湖(库)出流水量后,对微分方程进行求解,得

式中 [P]S——湖(库)中磷的平均浓度,mg/m3;

m——m即为式(5.34)中的WPI,年入湖(库)的磷量,mg/a;

a——沉淀速率常数,可按经验公式a= 计算;

Q0——湖(库)年出流水量,m3/a;

V——湖(库)容积,m3。

(2)模型适用范围。

1)水质稳定、均匀混合水体。

2)营养物质单一。

3)适合对湖(库)的营养物的总量变化进行长时段预测或总体营养状况进行初期评价。

4)适用于总磷的平均浓度求解,不适用于其他各态的磷在水体中的迁移、转化等。无法反映大型湖(库)总磷浓度分布的时空差异。

(3)纳污能力计算模型。根据式(5.76),沃伦威德模型对应的纳污能力计算公式为

其他符号意义同前。(www.xing528.com)

2.狄龙(Dillon)模型

(1)模型基本原理。狄龙模型在沃伦威德模型的基础进行了改进,引入了滞留系数Rp,根据式(5.35),如给定初始条件t=0,C=C0得到式(5.35)的解析解,即

若湖(库)的出、入流量以及污染物负荷量都比较稳定,当t→∞时,湖(库)可以达到营养物质的浓度平衡。平衡浓度Cp的计算式为

式中 Ip——年入湖(库)的氮、磷量,mg/a;

Lp——年入湖(库)的氮、磷单位面积负荷,mg/(m2·a);

V——湖(库)容积,m3;

h——平均水深,m;

r——冲刷速度常数,r=Q/V,1/a;

Rp——氮、磷在湖(库)中的滞留系数;

qa、qi——年出流和入流的流量;m3/a;

Cpa、Cpi——年出流和入流的氮、磷平均浓度,mg/m3。

(2)模型适用条件。模型适用条件同沃伦威德模型。

(3)纳污能力计算模型。根据式(5.79),狄龙(Dillon)模型对应的纳污能力计算式为

式中 [m]——氮、磷最大允许负荷量,mg/a;

Ls——单位湖(库)水面积,氮、磷最大允许负荷量,mg/(m2·a);

A——湖(库)水面积,m2。