基于水功能区的纳污能力计算理论与应用

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,如图5.3所示。

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.沃伦威德模型

沃伦威德(Vollenweider)模型是由加拿大著名湖泊专家Vollenweider提出的第一个描述富营养化过程的模型,如图5.4所示。模型是一个描述磷总量收支的长期平衡方程。方程假定湖泊是完全均匀混合的,且湖泊富营养化状态只与湖泊的营养物负荷有关。

根据质量守恒原理,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。

根据上述原理,模型表达式为

图5.3　水体富营养化框架示意图

图5.4　沃伦维德模型原理示意图

以浓度表示,即

式中 WP——湖(库)中磷的总量,g/a;

WPI——年入湖(库)的磷量,g/a;

K3——磷的沉降系数,a-1;

Q——湖(库)年出流水量,m3/a;

V——湖(库)容积,m3;(www.xing528.com)

P——湖(库)水体中磷的浓度,mg/L。

2.狄龙模型

狄龙(Dillon)模型是在沃伦威德模型的基础上进行了改进,引入了滞留系数Rp,其基本公式为

式中 I——年入湖(库)的氮、磷量,mg/a;

WP——年入湖(库)的氮、磷单位面积负荷,mg/(m2·a);

V——湖(库)容积,m3;

r——冲刷速度常数,r=Q/V,a-1;

Q——湖(库)年出流水量,m3/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。

3.拉森-默西埃默LM模型

在LM模型中,沃伦威德微分方程变成浓度形式,并引入水力冲刷系数,其微分方程式为

其他符号意义同前。

LM模型分别取10μg/L和20μg/L为磷浓度限界,低于10μg/L为贫营养湖,高于20μg/L为富营养湖,两者之间为中营养湖。