环境质量评价与系统分析

环境质量评价与系统分析 安徽工业大学建工学院 二四年九月八日 6. 水环境质量评价和影响预测 6.1 水体与水体污染 6.1.1 水体和水体污染 6.1.2 水体污染物及污染源 6.1.3 水体污染类型 6.2 河流水质模型 6.2.1 河流水质模型简介 6.2.2 河流的混合稀释模型 6.2.3 守恒污染物在均匀流场中的扩散模型 6.2.4 非守恒污染物在均匀河流中的水质模型 6.2.5 Streeter-Phelps（ S-P）模型 6.2.6 河流水质模型中参数估值 6.3 湖泊水库模型与评价 6.3.1 湖泊环境概述 6.3.2 湖泊环境质量现状评价 6.3.3 湖泊环境预测模式 6.4 地面水环境影响评价 6.4.1 评价目的、分级及程序 6.4.2 环境影响评价大纲 6.4.3项目分析和污染源调查 6.4.4地区水环境调查 6.4.5水环境影响预测及评价 6.4.6清洁生产和水污染防治 6.1 水体与水体污染 6.1.1 水体和水体污染 按水体所处的位置可把它分为三类：地面水水体、地下水水体、海洋。这三 种水体中的水可以相互转化，它通过水在自然界的大循环和小循环实现。三 种水体是水在自然界的大循环中的三个环节。 水体污染恶化过程和水体自净过程是同时产生和存在的。但在某一水体的部 分区域或一定的时间内，这两种过程总有一种过程是相对主要的过程。它决 定着水体污染的总特征。这两种过程的主次地位在一定的条件下可相互转化。 6.1.2 水体污染物及污染源 造成水体的水质、生物、底质质量恶化的各种物质或能量都称为水体污染物。 水体污染物的种类繁多，从不同的角度可将水体污染物分为各种类型。按理 化性质分类可分为物理污染物、化学污染物、生物污染物综合污染物。按形 态分类可分为：离子态 (阳离子，阴离子 )污染物、分子态污染物、简单有机 物、复杂有机物、颗粒状污染物。按污染物对水体的影响特征分类可分为感 官污染物、卫生学污染物、毒理学污染物、综合污染物。 6.1.3 水体污染类型 有机耗氧性污染、化学毒物污染、石油污染、放射性污染、富营养化污染、 致病性微生物污染 6.2 河流水质模型 6.2.1 河流水质模型简介 6.2.2 河流的混合稀释模型 6.2.3 守恒污染物在均匀流场中的扩散模型 6.2.4 非守恒污染物在均匀河流中的水质模型 6.2.5 Streeter-Phelps（ S-P）模型 6.2.6 河流水质模型中参数估值 河流水质模型简介 为了选择使用的方便，可以把它们按不同的方法进行分类。 按时间特性分类，分动态模型和静态模型。 按空间维数分类；分为零维、 维、二维、三维水质模型。 当把所考察的水体看成是一个完全混合反应器时，即水体 中水质组分的浓度是均匀分布的，描述这种情况的水质模 型称为零维的水质模型。描述水质组分的迕移变化在一个 方向上是重要的， 另外两个方向上是均匀分布的，这种 水质模型称为一维水质模型。描述水质组分的迁移变化在 两个方向上是重要的，在另外的一个方向上是均匀分布的， 这种水质模型称为二维水质模型。描述水质组分，迁移变 化在三个方向进行的水质模型称为三维水质模型。 按描述水质组分分类，分为单一组分和多组分的水质模型。 水体中一组分的迁移转化与另一组分 (或几个组分 )的迁移 转化是相互联系、相互影响的，描述这种情况的水质模型 称为多组分的水质模型 . 6.2.2 河流的混合稀释模型 均匀混合段 混合段 背景段 河水 Q(m3/s)， 污染物浓度为 C1(mg L) 污染物浓度为 C2 (mg L) 废水流量为 q(m3/s) q aQ q Q n Q Q a i i 混合系数 a ， 稀释比 n 定义 qaQ qCaQC qQ qCQCC i ii 2121 混合过程段的污染物浓度 Ci 及混合段总长度 L 3 )1(lg 3.2 qa qaQL n )e x p ()/(1 )e x p (1)( bqQ bxa 混合过程段的混合系数 a 是河 流沿程距离 x 的函数， 6.2.3 守恒污染物在均匀流场中的扩散模型 1. 均匀流场中的扩散方程 x Cu x CD t C xx 2 2 y Cu x Cu y CD x CD t C yxyx 2 2 2 2 在均匀流场中的一维扩散方程成为： 水深方向 (z方向 ) 均匀混合， x 方向和 y 方向存在浓度梯度时，二维扩散方程： Dx x 坐标方向的弥散系数； ux x方向的流速分量； Dy y 坐 标方向的弥散系数； uy y方向的流速分量。 6.2.3 守恒污染物在均匀流场中的扩散模型 2 无限大均匀流场中移 流扩散方程的解 2 2 2 2 y CD x CD x Cu yx （ 6-13） 若在无限大均匀流场中，坐标原点设在污染物排放点，污染物浓度的 分布呈高斯分布，则方程式的解为。 式中 Q 是连续点源的源强 (g/s)，结果 C 的单位为 (g/m3= mg/L)。 xD uy uxDuh QC yy 4 e x p /4 2 xD uyB xD uy uxDuh QyxC yyy 4 )2(e x p 4 e x p /4 2),( 22 河宽为 B，只计河岸一次反射时的二维静态河流岸边排 放连续点源水质模型的解为 考虑河岸反射时移流扩散方程的解 xD uy uxDuh QyxC yy 4 e x p /4 ),( 2 2 完成横向均匀混合的距离 yb D uBL 206 75.0 断面上河对岸浓度达到同一断面最 大浓度的 5，定义为污染物到达对岸。 这一距离称为污染物到达对岸的纵向 距离， yb D uBL 206 75.0 若断面上最大浓度与最小浓度之差不超过 5，认为达到均匀混合。 完成横向均匀混合的断面的距离称为完全混合距离。 y m D uBL 21.0 y m D uBL 24.0 中心排放情况， 岸边排放情况， 例 6-2 在河流岸边有一连续稳定排放污水口，河宽 6.0m，水深 0.5m，河水流速 0.3m/s，横 向扩散系数 Dy=0.05m2/s，求污水到达对 岸的纵向距离 Lb和完全混合的纵向距离 Lm。 若污水排放口排放量为 80g/s。说明在到 达对岸的纵向距离 Lb断面浓度 C(Lb,B)、 C(Lb,0), 完全混合的纵向距离断面浓度 C(Lm,B)、 C(Lm,0)各是多少？ 6.2.4 非守恒污染物在均匀河流中的水质模型 CVkCCQ 10 )(0 u xk C Q Vk C C 1 0 1 0 11 dC dt =0， 1.零维水质模型 CVkCCQdtdCV 10 )( 图 6-2 由多个零维静态单元河段组成的顺直河流水质模型 x x x C0 C3 C1 C5 C4 C2 C3 C1 C5 C4 C2 iii u xk C Q Vk C C 1 0 1 0 11 2.一维水质模型 KC dx CdD dx dCu xx 2 2 x u Dk D u CC x x 2 1 0 4 11 2 e x p 一维河流静态水质模 型基本方程 忽略扩散项，沿程的坐标 x=ut,dC/dt=-k1C , 这是一个二 阶线性常微分方程 代入初始条件 x=0, C=C0方程的解为 )/(e x p )( 10 uxkCxC 。 6.2.5 Streeter-Phelps（ S-P）模型 1 S-P模型基本方程及其解 S-P模型的建立基于两项假设： 只考虑好氧微生物参加的 BOD衰减反应，并认为该反应 为一级反应。 河流中的耗氧只是 BOD衰减反应引起的。 BOD的衰减反 应速率与河水中溶解氧 (DO)的减少速率相同，复氧速率 与河水中的亏氧量 D 成正比。 S-P模型的基本方程为： DkLk dt dD Lk dt dL 21 1 式中 :L河水中的 BOD值， mg/L； D河水中的亏氧值， mg/L,是饱和溶解氧浓度 Cs （ mg/L）与河水中的实际溶解氧浓度 C（ mg/L）的差值 ； k1河水中 BOD衰减 (耗氧 )速度常数， 1 d； k2河水中的复氧速度常数， 1 d； t河水中的流行时间， d。 0, 0, 0 0 xCC xLL )()( / 21 01/ 0 / 0 212 1 uxkuxkuxk ss uxk ee kk Lk eCCCC eLL 这两个方程式是耦合的。当边界条件 时，式 (6-25)的解析解为 : 0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 X km L mg/L L mg/L DO mg/L DO mg/L 2 S-P 模型的临界点和临界点氧浓度 讨论 S-P 模型临界点氧浓度求出负值怎 么办。 系统分析方法如何应对模型的失效 )()( )1(1 / 21 01/ 0 0 0 1 2 1 2 12 212 uxkuxkuxk ss S c ccc ee kk Lk eCCCC L CC k k k k Ln kk u x 3 S-P 模型的缺陷和修正方法 DkLk dt dD 21 引入自净系数 f k2/k1，当 dD/dt 0 时有 L fD ： LfD， dD/dt0，河流中的溶解氧呈下降态势； L=fD， dD/dt=0，河流中的溶解氧保持不变； LfD， dD/dt0，河流中的溶解氧呈上升态势； 对于 S_P模型失效的重污染河流可以进行分段讨论。 根据这一思想建立的 S-P 模型网络实验 例 6-4 -2 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 10 -10 0 10 20 30 40 X km L mg/L L mg/L DO mg/L DO mg/L Shastry 非线性模型： )( CCkLCk x C u t C LCk x L u t L Sad d 3 S-P 模型的修正型 (1)托马斯 (Thomas)模型 对一维静态河流，在 S P模型的 基础上考虑沉淀、絮凝、冲刷和 再悬浮过程对 BOD去除的影响， 引入了 BOD沉浮系数 k3， DkLk dx dD u Lkk dx dL u 21 31 )( (2)多宾斯 坎普 (Dobbins Camp)模型 一维静态河流 , 考虑地面径流和底泥释放 BOD所引起的 BOD 变化速率，该速率以 R表示。考虑藻类光合作用和呼吸作用 以及地面径流所引起的溶解氧变化速率，以 P表示。 PDkLk dx dD u RLkk dx dL u 21 31 )( (3)奥康纳 (OConnon)模型 式中， kn 硝化 BOD衰 减速度常数， 1/d ； kn 硝化 BOD衰减速度常数， 1/d ； Lc0, 河流 x=0 处，含碳 有机物 BOD浓度， mg/L。 Ln0, 河流 x=0 处，含 氮有机物 BOD浓度， mg/L。 一维静态河流，奥康纳假设条件为，总 BOD是碳化和硝化 BOD两部分之和，即 L=Lc+Ln， DkLkLk dx dD u Lk dx dL u Lkk dx dL u nnc nn n c c 21 31 )( 例 6-4 LmgqQ qCQCC /202.02 2.020022210 )/(18 )20/5.0*21( 20 1 22 0 2 Lmg u xk CC 均匀河段长 10km，有一含 BOD的废水从这一河段的上游端点流入废水 流量为 q =0.2m3/s， BOD浓度 C2=200mg/L，上游河水流量 Q =2.0m3/s， BOD浓度 C1=2mg/L，河水的平均流速 u =20km/d， BOD的衰减系数 k=2/d，求废水入河口以下 (下游 ) 1km、 2km、 5km 处的河水中 BOD 的浓 度。 解：河段初始断面河水中 BOD浓度为： 以 0.5km 为单位，将河段分成环境单元，即 x=0.5km， 1km、 2km、 5km处的 河段发表处在， i = 2、 4、 10的位置。由 6-21式计算 BOD 的浓度 同理，分别用 4 和 10代替上式中的 i =2, 有 C4 =16.5(mg/L)， C10 =12.3 (mg/L)。 例 6-5 一均匀河段，有含 BOD的废水流入，河水的平均流速 u=20km/d，起始断面河水 (和废水完全混合后 )含 BOD浓度 为 C0 =20mg/L， BOD的衰减系数 k=2/d，扩散系数 Dx= 1 km2/d，求下游 1km处的河水中 BOD 的浓度。 解：由 6-22式计算 BOD 的浓度为： x u Dk D uCC x x 2 1 0 411 2e x p C =18.1 (mg/l) 1.18 20 12411 12 20e x p20 2 C =18.1 (mg/l) 6.2.6 河流水质模型中参数估值 1.纵向扩散系数 Dx 的估 值 2. 耗氧系数 k1 的估值方 法 3. 复氧系数 k2 的估值方 法 HUD x gHIU 系数，由实验确定； Dx扩散系数， m2/s； H 断面平均水深， m； U 摩阻流速 (或称 “ 剪切流速 ” I 水面比降； g重力加速度， 9.81 m/s2 ； )， m/s； 6.3 湖泊水库模型与评价 6.3.1 湖泊环境概述 6.3.2 湖泊环境质量现状评价 对湖泊环境质量现状评价主要包括以下几个方面： 水质评价、底质评价、生物评价和综合评价 水质评价方法 ：污染指数法、分级聚类法、模糊 数学方法 湖泊环境质量的综合评价。综合评价方法有三种： 算术平均值法，选择最大值法和加权法。 表 6-9 湖泊分层采样和湖泊水库采样点最小 密度要求 湖泊面积 (km)2 监测点个数 湖泊水深 （ m） 分层采样 10 以下 10 5 以下 表层 (水面下 0.30.5m) 10-100 20 5-10 表层、底层 (离湖底 1.0m) 100-500 30 10-20 表层、中层、底层 500-1000 40 20 以上 表层 ,每隔 10m取一层水样或 在水温跃变处上、下分别采 样。 1000以上 50 6.3.3 湖泊环境预测模式 完全混合箱式模型 污染物守恒情况 经历时间 t后，用质量平衡方程求出浓度 C （ mg/L） ： 式中： W0 湖（库）中现有污染物（除 Qp 带进湖泊的污染物外）的 负荷量 g/d； Qp 流进湖泊的污水排放量 m3/d， Qh 流出湖泊的 污水排放量 m3/d； C0 湖（库）中污染物现状浓度 mg/L， Cp 流进湖泊的污水排放浓度 mg/L； V 湖水体积 m3。 稳定的情况下，当时间趋于无穷时，达到平衡浓度 t V Q Q QcW CQ QcW C h h pp h pp e x p0 0 0 h pp Q QcW C 0 湖泊完全混合衰减模式 Kh是描述污染物浓度变化的时 间常数 1/d，它是两部分的和： k1（ 1/d）表示污染物质按 k1 的速度作一级降解反应，而 V/Qh (d)，是湖水体积与出流 流流量比，表现了湖水的滞留时 间。 tKVK QcWCVK QcWC h h pp h pp e x p0 0 0 1)/( kVQK hh 对于非守恒物质，经历时间 t后，湖泊内污染物浓度 C （ mg/L）可以用完全混合衰减方程表示： h pp VK QcW C 0 在湖泊、水库的出流、入流流量及 污染物质输入稳定的情况下，当时 间趋于无穷时，达到平衡浓度 分层湖 (库 ) 集中参数模式 上层 ， VE ， CE 湖水翻转时 下层 VH、 CH 排向上层 ， QpE 、 CpE 排向下层 QpH 、 CpH 初始浓度 CM(t-1) 翻池 CT 完全混合 非成层期 模型 CM(t) 总排污 Qp、 Cp 另一周期 湖水分层期 非成层期 图 6-8 湖水分层箱式计算模型示意图 6.4 地面水环境影响评价 6.4.1 评价目的、分级及程序 6.4.2 环境影响评价大纲 6.4.3项目分析和污染源调查 6.4.4地区水环境调查 6.4.5水环境影响预测及评价 6.4.6清洁生产和水污染防治 第 三 阶 段 第 一 阶 段 建设项目的工程分析 选择预测方法 污染源 调查 水质调查 水文调查与 水文测量 环境状况调查 地面水环境影响评价分级和 编写工作大纲的地面水部分 建设项目的工程概况及工 程性质 （ 参阅有关文件 ） 筛选拟预测的水质参数 预测环境影响 评价建设项目的环境影响 1. 提出环境保建议和措施 2. 小结 国家 、 地方有关地面 水的法规 （ 含标准 ） 第 二 阶 段 图 6-9 地面水环境影响评价的工作程序 评价大纲 评价大纲的编写是以建设项目为基础，以水环境保护法规为依据，以各种政 策为指导，以水环境质量为尺度，坚持严肃和科学的态度，把大纲编制 成对评价活动具有指导性的文件。编写评价大纲的基本要求有：评价目 的明确，选择标准和确定等级适当，评价范围的划分科学，工程分析完 整，评价因子的筛选满足环保目标要求，模型参数确定符合技术导则要 求。 水环境影响评价大纲一般应包括以下内容： 编制依据； 建设项目概况； 建设项目地区环境概况； 评价内容：包括评价范围、评价因子、监测断面的布设、监测项目、分析方 法、评价标准、预测评价方法等；污水治理措施的可行性及建议，经济 损益简要分析； 组织与进度 6.4.6清洁生产和水污染防治 1. 清洁生产的概念 2. 水污染综合防治 3. 污水防治措施建议和项目的可行性 水环境质量评价和影响预测 学习要点 xD uy uxDuh QC yy 4 e x p/4 2 DkLkdtdD LkdtdL 21 1 )()( / 21 01/ 0 / 0 212 1 uxkuxkuxk ss uxk eekk LkeCCCC eLL 本章主要讲述了水体环境污染、河流与湖泊水质模型以及地面水环境影响评价方法。 (1) 了解水体污染和水体污染物的主要类型。 (2) 水质数学模型是描述水体中污染物随时间和空间迁移转化规律的数学方程，主要介 绍了守恒污染物在均匀流场和非守恒污染物在均匀河流中的两类水质模型。 (3) 无限大均匀流场中移流扩散方程的解为 用叠加法可获得有河岸反射时的解；断面浓度的比例关系是污染物到达对岸和完成横 向均匀混合的根据，并能椐此计算出相应的距离。 (4) 非守恒污染物在均匀河流中的水质模型中最常用的是 SP模型，即： ，其解为： 在 SP模型基础上附加一些新的假设后可获得：托马斯 (Thomas)模型、多宾斯 坎普 (DobbinsCamp)模型和奥康纳 (OConnon)模型。 (5) 湖泊环境质量评价方法有：水质评价、底质评价、生物评价和综合评价等四种。湖 泊环境预测模型有：完全混合箱式模型、分层湖 (库 ) 集中参数模型、湖泊水质扩散 模型、湖泊环流二维稳态混合模式等。 (6) 了解地面水环境影响评价的工作程序、水环境质量调查、影响预测与评价方法。 (7) 练习用 Excel模板进行有关河流湖泊水质模型的计算与预测。 难点 重点 重点