湖泊与水库水质模型

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湖库的水文、水质特征分析湖库箱式水质模型非完全混合水质模型狭长湖库移流衰减模型湖库环流二维稳态混合衰减模型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。湖库的水温结构特性及其类型分层型湖库水温结构特征湖库的水质特性湖库的水温结构特性及其类型异重流现象影响湖库水温的主要因素湖库的温度分层现象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℃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分层型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。。混合型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。。过渡型水温结构类型判定方法分层的判别方法—库水交换次数法由日本学者提出，判别指标为：α=β=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：α10时分层型α10~20时过渡型α20混合型对于分层型：遇β1的洪水，成为临时混合型遇到β0.5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温水层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。温跃层较短距离的过渡层，温度梯度大，混合能力弱。均温层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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。贫营养湖与富营养湖湖库箱式水质模型完全混合箱式模型Vollenweider模型Kirchner-Dillon模型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–K1CVCp—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，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+rK3=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分层期模型夏季模型，考虑上下分层，上下层各视为完全混合。混合期模型秋末湖库混合时期，假定翻池时上下两层完全混合。非成层期模型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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-KhCM(l-1)]exp(-Kht)/KhCm(o)=ChKh=(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。湖泊扩散的水质模型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；φ—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，φ=180°；当在湖心排放时，φ=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=-K1CrHφr解析解：r=0,Cr=Cr0(排出口浓度)Cr=Cr0exp(-k1φHr2/172800Qp)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/86400Qh)/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=18.57vh/Czv—横向湖流速度，h—预测区域的平均湖水深度，m；Cz—为chezy系数，m1/2/s湖库水质模型通用软件简介一维模型SELECTCEQUALR1其他模型：LAKECO，WRMMS，DYRESM,USGS等。多维模型BETTERCOORS和LARMCEQUALW2