教案--第5章 水质预测模型

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,5,章 地表水环境预测与影响评价,水质预测模型,河流水质模型,河口水质模型,湖库水质模型,水污染负荷预测,地表水影响评价,第,1,节 预测条件的确定,预测时段,地表水环境预测应考虑水体自净能力不同的各个时段（水期）。通常将其划分为自净能力最小、一般、最大三个阶段（如：枯水期、平水期、丰水期）。,一、二级评价，应分别预测水体自净能力最小和一般两个时段的环境影响。冰封期较长的水域，当其水体功能为生活饮用水、食品工业用水水源或渔业用水时，还应预测冰封期的环境影响。,三级评价或二级评价时间较短时，可以只预测自净能力最小时段的环境影响。,第,1,节 预测条件的确定,预测水质参数的筛选,对河流，可按下式将水质参数排序后从中选取预测水质因子。,ISE=,CpQp,(Cs-,Ch)Qh,ISE-,水质参数的排序指标,Cp-,建设项目水污染物的排放浓度，,mg/L,Cs-,水污染物的评价标准限值，,mg/L,Ch-,评价河段污染物的浓度，,mg/L,Qp,-,建设项目的废水排放量，,m3/s,Qh,-,评价河段的流量，,m3/s,ISE,值是负值或越大，说明拟建项目排污对该项水质参数的污染影响越大。,第,1,节 预测条件的确定,预测范围和预测点位的确定,预测范围与地表水环境现状调查的范围相同或略小（特殊情况也可略大）。预测点的数量和位置应根据受纳水体和建设项目的特点、评价等级以及当地的环保要求确定。,预测点的确定,已确定的敏感点；,环境现状监测点；,水文条件和水质突变处的上、下游；,水源地，重要水工建筑物及水文站附近；,在河流混合过程段选择几个代表性段面；,排污口下游可能超标的点位附近。,矩形平直河流、矩形弯曲河流、非矩形河流,具体简化方法如下：,河流断面宽深比,20,时，可视为矩形河流；,大中河流断面上水深变化很大且评价等级较高（如一级评价）时，可以视为非矩形河流并应调查其流场？，其他情况均可简化为矩形河流；,大中河流中，预测河段弯曲较大（如其最大弯曲系数,1.3,）时，可视为弯曲河流，否则可以简化为平直河流；,小河可以简化为矩形平直河流；,河流水文特征或水质有急剧变化的河段，可在急剧变化之处分段，各段分别进行简化。,河流简化,对于江心洲等按以下原则进行简化,评价等级为,3,级时，江心洲、浅滩等均可按无江心洲、浅滩情况对待；,评价等级为,2,级时，江心洲位于充分混合段，可以按无江心洲对待；,评价等级为,1,级且江心洲较大时，可分段进行简化，江心洲较小时可不考虑，江心洲位于混合过程段，可分段进行简化。,人工控制河流根据水流情况可以视其为水库，也可以视其为河流，分段进行简化。,河流简化,河流感潮段,受潮汐作用影响较明显的河段。可以将落潮时最大断面平均流速与涨潮时最小断面平均流速之差等于,0.05m/s,的断面作为其与河流的界线,河口的简化,河口,河流交汇处,河流感潮河段,河口外滨海段,湖、库汇合处,简化方法：,除个别要求很高（如一级评价）的情况外，河流感潮段一般可按潮周平均、高潮平均和低潮平均三种情况，简化为稳态进行预测；,河流汇合部分可以分为支流、汇合前主流、汇合后主流三段分别进行环境影响预测。小河汇入大河时，把小河看成点源；,河流与湖泊、水库的汇合部分可以按照河流与湖泊、水库两部分分别预测其环境影响；,河口断面沿程变化较大时，可以分段进行环境影响预测；,河口外滨海段可视为海湾。,河口的简化,简化方法,评价等级为,1,级时，中湖（库）可以按大湖（库）对待，停留时间较短时也可以按小湖（库）对待；,评价等级为,3,级时，中湖（库）可以按小湖（库）对待，停留时间很长时也可按大湖（库）对待；,评价等级为,2,级时，如何简化视具体情况而定；,水深,10m,且分层期较长（如大于,30,天）的湖泊、水库可视为分层湖（库）；,湖、库的简化,简化为,大湖（库）、小湖（库）、分层湖（库）,串联型湖泊可以分为若干区，各区分别按上述情况简化；,不存在大面积回流区和死水区且流速较快，水力停留时间较短的狭长湖泊可简化为河流。其岸边形状和水文特征值变化较大时还可以进一步分段；,不规则形状的湖泊、水库可根据流场的分布情况和几何形状分区；,自顶端入口附近排入废水的狭长湖泊或循环利用湖水的小湖，可以分别按各自的特点考虑。,湖、库的简化,污染源包括,排放方式,和,排放规律,的简化,污染源简化,排放方式,点源,面源,排放规律,连续恒定排放,非连续恒定排放,在预测中，通常可以把排放规律简化为连续恒定排放。,对于点源排放位置的处理，有如下情况：,排入河流的两排放口的间距较小时，可以简化为一个排放口，其位置假设在两排放口之间，其排放量为两者之和；,排入小湖（库）的所有排放口可以简化为一个排放口，其排放量为所有排放量之和；,排入大湖（库）的两排放口的间距较小时，可以简化为一个排放口，其位置假设在两排放口之间，其排放量为两者之和；,无组织排放可以简化为面源，从多个间距很近的排放口分别排放污水时，可以简化为面源。,污染源简化,预测方法与水质数学模型,预测方法,数学模式法：,给出定量的预测结果。一般情况此方法较简单，应首先考虑。,物理模型法：,此方法能反映比较复杂的水环境特点，且定量化程度较高，再现性好。但需要有相应的试验条件和较多的基础数据，且制作模型要耗费大量的人力、物力和时间。,类比分析法：,此种预测方法属于定性或半定量性质。,专业判断法：,定性地反映建设项目的环境影响。,水环境影响预测模型,水质模型的分类,按时间特性分类,动态模型,静态模型,按水域类型分：,河流水质模型,河口水质模型,(,受潮汐影响,),湖泊水质模型,水库水质模型,海湾水质模型,按描述水质组分的多少分类：,单一组分模型,多组分水质模型,按水质组分分类分：,耗氧有机物模型,(BODDO,模型,),单一组分的水质模型,难降解有机物水质模型,重金属迁移转化水质模型,按水力学和排放条件分：,稳态模型,非稳态模型,按水质模型的空间维数分类：,零维模型,一维模型,二维模型,三维模型,第,2,节 河流水质模型,河流完全混合模型、一维稳态模型、,S-P,模型（适用于,河流的充分混合段,）,托马斯模型（适用于,沉降作用明显,的河流,充分混合,段）,二维稳态混合模式和二维稳态衰减模式（适用于,平直河流的混合过程段,）,二维稳态累积流量模式和二维稳态衰减累积流量模式（适用于,弯曲河流的混合过程段,）,均匀混合段,混合段,背景段,污水注入点,完全混合点,L,混合段总长度,均匀混合段,背景段,污水注入点,瞬间完全混合,既是污水注入点，也是完全混合点,混合段,背景段,污水注入点,没有完全混合点,L,混合段总长度,1,.,*,河流混合过程段长度,预测范围内河段分,充分混合段,、,混合过程段,和,排污口上游河段,。,充分混合段,：污染物浓度在断面上均匀分布的河段。当断面上任意一点的浓度与断面平均浓度之差小于平均浓度的,5,时，可以认为达到均匀分布。,混合过程段,：指排放口下游达到充分混合以前的河段。,河流混合过程段长度可由下式计算（理论公式）：,河中心排放,x=0.1u,x,B,2,/E,y,岸边排放,x=0.4u,x,B,2,/E,y,u,x,x,方向流速，,m/s,；,B ,河流宽度，,m,；,E,y,横向扩散系数，,m,2,/s,。,常用河流水质数学模型与适用条件,河流混合过程段长度,*,河流混合过程段长度可由下式估算（经验公式）：,式中，,B,河流宽度，,m,；,a,排放口距岸边的距离，,m,；,u,河流断面的平均流速，,m/s,；,H,平均水深，,m,；,g,重力加速度，,9.8m/s,2,；,I,河流坡度，,。,常用河流水质数学模型与适用条件,例题,1,：,一河段的,K,断面处有一岸边污水排放口稳定地向河流排放污水，其河水特征为：,B=50.0m,，,H,均,=1.2m,，,u=0.1m/s,，,I=9,，试计算混合过程污染带长度。,解,:,混合过程段长度：,779.0m,所以混合过程段长度为,779.0m,。,稳态条件下基本模型的解析解,什么是稳态？,1,、河流河床截面积、流速、流量不随时间变化,2,、污染物的输入量、弥散系数不随时间变化,3,、河流无支流和其他排污口废水进入,河流的充分混合模型,式中：,Q,h,河水流量，,m,3,/s,；,C,h,河水背景断的污染物浓度，,mg/L,；,C,P,废水中污染物的浓度，,mg/L,；,Q,P,废水的流量，,m,3,/s,；,C,完全混合的水质浓度，,mg/L,。,完全混合模型适用条件,稳态：河流为恒定流（流量、流速不随时间变化）,废水连续稳定排放,下游某点废水和河水在整个断面上达到了均匀混合,持久性的污染物,该河流无支流和其他排污口进入,例题：完全混合模型,计划在河边建一座工厂，该厂将以,2.83m3/s,的流量排放废水，废水中总溶解固体（总可滤残渣和总不可滤残渣）浓度为,1300mg/L,，,该河流平均流速为,0.457m/,，,平均河宽为,13.72m,，,平均水深为,0.61m,，,总溶解固体浓度为,310mg/L,，,如果该工厂的废水排入河中能与河水迅速混合，,那么总溶解固体的浓度是否超标（设标准为,500mg/L,）？,答案：,731mg/L,，,超标,0.46,倍,零维模型稳态解,稳态条件下的河流的零维模型,式中：,C,流出河段的污染物浓度，,mg/L;,C,0,-,完全混合模型计算出的浓度值，,mg/L;,x,河段长度，,m,。,k-,污染物的衰减速率常数,1/d,；,u,河水的流速，,m/s,;,t,两个断面之间的流动时间。,例题：河流的零维模型,有一条比较浅而窄的河流，有一段长,1km,的河段，稳定排放含酚废水,1.0m,3,/s;,含酚浓度为,200mg/L,，,上游河水流量为,9m,3,/s,，,河水含酚浓度为,0,，河流的平均流速为,40km/d,，,酚的衰减速率常数,k,2,1/d,，,求河段出口处的河水含酚浓度为多少？,答案：,21 mg/L,一维模型适用条件,河流充分混合段（河流横断面上达到完全混合）；,非持久性污染物（溶解态污染物）；,河流为恒定流；,废水连续稳定排放。,适用于,符合一维动力学降解规律,的一般污染物，如氰、酚、有机毒物、重金属、,BOD,、,COD,等单项指标的污染物。,河流一维模型,当污染物在河流横向上达到完全混合后，分析污染物在纵向即水流方向输移、转化的变化情况时用一维模型,一维稳态模型的解,：,二阶线性偏微分方程,X,0,X0,一维模型稳态解,对于不受潮汐影响的内陆河，扩散、离散相对于移流作用很小，即,Dx,近似为,0,，所以，排污对于上游（,x,0,）的浓度变化没有影响，引起排污口下游河流污染物浓度的变化为：,一维模型稳态解,河流的一维模型,考虑弥散的一维稳态模型,式中：,C,下游某一点的污染物浓度，,mg/L,；,C,0,完全混合断面的污染物浓度，,mg/L,；,u,河水的流速，,m/s,；,D,x,方向上的扩散系数，,m,2,/s,；,k,1,污染物降解的速率常数（,1/d,）；,x,下游某一点到排放点的距离，,m,。,河流的一维模型,忽略弥散的一维稳态模型,式中：,C,下游某一点的污染物浓度，,mg/L,；,C,0,完全混合断面的污染物浓度,，,mg/L,；,u,河水的流速，,m/s,；,k,1,污染物降解的速率常数（,1/d,）；,x,下游某一点到排放点的距离,，,m,。,例题：河流的一维模型,一个改扩工程拟向河流排放废水，废水量为,0.15 m,3,/s,，,苯酚浓度为,30mg/L,河流流量为,5.5 m,3,/s,，,流速为,0.3 m/s,，,苯酚背景浓度为,0.5mg/L,，,苯酚的降解系数,k,0.2/d,，,纵向弥散系数,D,为,10 m,2,/s,。,求排放点下游,10km,处的苯酚浓度。,答案：考虑弥散作用，,1.19mg/L;,忽略弥散作用，,1.19mg/L,。,可以看出，在稳态条件下，忽略弥散系数与考虑弥散系数的差异很小，常可以忽略。,河流一维,BOD-DO,模型,反应耗氧有机物和水中溶解氧状况,预测某一时刻水中剩余,BOD,浓度和氧亏值。,水体的耗氧与复氧过程,耗氧过程：,BOD,耗氧 （,CBOD,、,NBOD,耗氧）,底泥耗氧（沉积底泥耗氧、底泥再悬浮耗氧）,水生植物呼吸耗氧,复氧过程：,大气复氧,藻类光合作用复氧,临界氧亏,最大氧亏,污水排入,河流,DO,浓度,氧垂曲线,距离或时间,饱和,DO,浓度,BOD,曲线,水质最差点,亏氧量为饱和溶解氧浓度与实际溶解氧浓度之差,当,BOD,随污水进入河流后，由于耗氧微生物的生物氧化作用，其浓度逐渐降低，而水中的,DO,则被消耗，逐渐降低。与此同时，河流还存在着复氧作用，在氧消耗的同时，还不断有氧气进入水体，如下图所示：,Streeter Phelps (S-P),模式,建立,S-P,模式的基本假设：,（,1,）河流中的,BOD,衰减和溶解氧的复氧都是一级反应；,（,2,）反应速度是定常的；,（,3,）河流中的耗氧是由,BOD,衰减,引起的，而河流中的溶解氧来源则是,大气复氧,。,S-P,模式的适用条件：（,1,）,河流充分混合段,；,（,2,）,污染物为耗氧有机污染物,；,（,3,）需要预测河流溶解氧状态；,（,4,）河流为恒定流动；,（,5,）污染物连续稳定排放。,基本形式,上式：,L,河水中的,BOD,浓度，,mg/L,D,河水中的氧亏值,mg/L,k1,河水的,BOD,降解系数，,1/d,k2,河水的复氧系数，,1/d,Streeter Phelps (S-P),模式,Streeter Phelps (S-P),模式,D,亏氧量，即饱和溶解氧浓度与溶解氧浓度的差值，,mg/L,；,c,BOD,BOD,的浓度，,mg/L,；,K,1,耗氧系数，,1/d,；,K,2,大气复氧系数，,1/d,；,x,从计算初始点到下游计算断面的距离，,m,氧垂公式,Streeter Phelps (S-P),模式,C,BOD0,计算初始断面的,BOD,浓度，,mg/L;,D,0,计算初始断面亏氧量，即断面,DO,浓度与,DO,f,之差，,mg/L,；,D,h,上游来水中溶解氧的氧亏值，,mg/L,；,D,p,污水中溶解氧的氧亏值，,mg/L,；,Streeter Phelps (S-P),模式,计算最大氧亏点临界点,t,c,由起始点到达临界点的流行时间,。,x,c,临界点到计算初始点的距离，,m,。,Streeter Phelps (S-P),模式,S-P,模式在水质影响预测中应用最广，也可用于计算河段的最大容许排污量。,在,S-P,模式基础上，结合河流自净过程中的不同影响因素，人们提出了一些修正型。例如,托马斯,引入悬浮物沉降作用对,BOD,衰减的影响；,多宾斯坎普,提出了考虑底泥耗氧和光合作用复氧的模型；,奥康纳,进一步考虑含氮污染物的影响；,1989,年美国,EPA,推出了,QUAL,2E,，这是一维水质模型，全面考虑河流自净的机理，可以模拟,15,种以上不同的水质参数的变化，如水温、有机磷、有机氮、肠杆菌等。,托马斯,(,Thomas)BOD,-DO,模型,在,S-P,模型的基础上增加沉淀、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,k,3,，,BOD,变化速度为,k,3,L,。,托马斯采用以下的基本方程组：,沉浮系数,k,3,对于冲刷、再悬浮过程，,k,3,0,。,托马斯,(,Thomas)BOD,-DO,模型,对一维静态河流，在托马斯模型的基础上，多宾斯,-,坎普提出了两条新的假设：,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，该速率以,P,表示。,多宾斯,坎普采用以下基本方程组：,多宾斯,坎普,(,DobbIns,Camp)BOD,-DO,模型,对一维静态河流，在托马斯模型的基础上,奥康纳提假设条件为，总,BOD,是碳化和硝化,BOD,两部分之和，即,L=,L,c,+L,n,，则托马斯修正式可改写为：,k,n,硝化,BOD,衰减速度常数，,1/d,；,k,n,硝化,BOD,衰减速度常数，,1/d,；,L,c0,河流,x=0,处，含碳有机物,BOD,浓度，,mg/L,。,L,n0,河流,x=0,处，含氮有机物,BOD,浓度，,mg/L,。,奥康纳,(O,Connon)BOD,-DO,模型,该模型的解析解为：,奥康纳,(O,Connon)BOD,-DO,模型,河流二维水质模型,当考虑污染物在河宽方向上的变化情况时，需要利用河流二维水质模型。,模型类别,二维稳态混合模式,二维稳态衰减模式,平直、断面形状规则河段,弯曲、断面形状不规则河段,二维稳态混合累积流量模式,二维稳态衰减累积流量模式,河流二维稳态混合模式,适用条件：,（,1,）,平直、断面形状规则,河段,混合过程段,；,（,2,）,持久性污染物,；,（,3,）河流为恒定流动；,（,4,）连续稳定排放；,河流二维稳态混合模式,c (x ,y)(x, y),点污染源垂直平均浓度，,mg/L,；,H,平均水深，,m,；,B,河流宽度，,m,；,a,排放口与岸边的距离，,m,；,M,y,横向混合系数，,m,2,/s,；,x, y,笛卡儿坐标系的坐标，,m,；,x -,预测点离排 放点的纵向距离，,m,；,y -,预测点离排放口的横向距离，,m,；,岸边排放：,河流二维稳态混合模式,c (x ,y)(x, y),点污染源垂直平均浓度，,mg/L,；,H,平均水深，,m,；,B,河流宽度，,m,；,a,排放口与岸边的距离，,m,；,M,y,横向混合系数，,m,2,/s,；,x, y,笛卡儿坐标系的坐标，,m,；,非岸边排放：,河流二维稳态衰减模式,适用条件：,（,1,）,平直、断面形状规则,河段,混合过程段,；,（,2,）,非,持久性污染物,；,（,3,）河流为恒定流动；,（,4,）连续稳定排放；,（,5,）对于非持久性污染物，需采用相应的衰减模式。,河流二维稳态衰减模式,岸边排放,非岸边排放,x,-,预测点离排放点的距离，,m,；,y,-,预测点离排放口的横向距离，,m,；,C,-,预测点,(x,，,y),处污染物的浓度，,mg/L,；,c,p,-,污水中污染物的浓度,mg/L,Q,p,-,污水流量，,m,3,/s,；,c,h,-,河流上游污染物的浓度,(,本底浓度,),，,mg/L,；,H,-,河流平均水深，,m,；,M,y,-,河流横向混合,(,弥散,),系数，,m,2,/s,；,u,-,河流流速，,m/s,；,B,-,河流平均宽度，,m,；,-,圆周率。,本式要求河流在截面上近似矩形。,河流二维稳态混合累积流量模式,适用条件,：,（,1,）,弯曲河流、断面形状不规则河段,混合过程段,；,（,2,）,持久性污染物,；,（,3,）河流为恒定流动；,（,4,）,连续稳定排放,；,（,5,）对于非持久性污染物，需采用相应的衰减模式。,岸边排放：,c,（,x, q,）,（,x,q,）处污染物垂向平均浓度，,mg/L,；,M,q,累积流量坐标系下的横向混合系数；,x,q,累积流量坐标系的坐标；,总 结,在利用数学模式预测河流水质时，充分混合段可以采用一维模式或零维模式预测断面平均水质；混合过程段需采用二维模式进行预测,。,练 习,1,一河段的,K,断面处有一岸边污水排放口稳定地向河流排放污水，其污水特征为：,Qp,=19440m,3,/d,，,BOD5,（,p,）,=81.4mg/L,，河水,Qh,=6.0m,3,/s,，,BOD5,（,h,）,=6.16mg/L,，,B=50.0m,，,H,均,=1.2m,，,u=0.1m/s,，,I=9,，,K,1,=0.3 1/d,，试计算混合过程污染带长度。如果,忽略污染物质在该段内的降解,和沿程河流水量的变化，在距完全混合断面,10km,的下游某段处，河流中,BOD5,浓度是多少？,练 习,2,一家食品加工厂产生废水,4800m3/d,废水中主要含,BOD5,。处理后，,BOD5,的排放浓度为,30mg/L,。该股废水用管道引到一条较为平直的小河排放。排入小河后，该股废水中的,BOD5,的耗氧率为,0.48 1/d,。排污口设在距离小河左岸,10m,处。小河的平均宽度为,60m,，平均水深,4.79m,断面平均流速,0.1m/s,平均水面坡降为,2.7,。试预测该股废水对小河排污口下游,3000m,处水质的影响程度。,河口水质模型,河口是指入海河流受到潮汐作用的一段水体，它表现出明显的时变特征。,一维稳态模型,该模型在河口断面面积定常，淡水流量稳定的情况下，可以得到解析解：,排放口上游（,x0,）：,河口水质模型,C0,是在,x=0,处（排放口）的污染物浓度，可以用下式计算：,上式中的,W,为单位时间内排放的污染物总量；,Q,为淡水的平均流量；,Dx,是纵向弥撒系数。,河口水质模型,水质模型参数的确定方法,水质模型参数确定的方法类别：,实验室测定法,公式计算法（包括经验公式、模型求解等）,现状实测法,示踪剂法,（,1,）实验室测定法,K,1,=,K,1, +(0.11+54,I,),u/H,式中：,K,1,耗氧系数，,1/d,；,K,1,试验室测定的耗氧系数，,1/d,；,I,河流底坡或地面坡度，,；,u,河水流速，,m/s,；,H,平均水深，,m,。,在实际应用中，,K,1,仍然写作,K,1,耗氧系数,K,1,单独估值方法,（,2,）两点法,(,现场实测法,),式中：,c,A,、,c,B,为,A,、,B,断面上污染物的平均浓度，,x,为,A,、,B,断面间的距离。,耗氧系数,K,1,单独估值方法,复氧系数,K,2,的单独估值方法,经验公式法,（,1,）奥康纳多宾斯，简称奥多公式：,c,z,17,c,z,17,c,z,谢才系数,I,河流坡度,n,河床糙率,H,平均水深，,m,。,D,m,分子扩散系数,0.1H0.6m,u 1.5m/s,0.6H8m,0.6u1.8m/s,（,2,）欧文斯等人经验式,（,3,）丘吉尔经验式,复氧系数,K,2,的单独估值方法,经验公式法,K,1,、,K,2,的温度校正,K,1,或,2,（,T,）,K,1,或,2,（,20,）,（,T-20,）,温度常数,的取值范围,对于,K1,，,1.021.06,，一般取,1.047,对于,K2,，,1.0151.047,，一般取,1.024,(1),泰勒法求,E,y,(,适用于河流,),E,y,=(0.058H+0.0065B)(gHI),1/2,B/H100,式中：,B,河流宽度；,g,重力加速度；,(2),爱尔德法求,E,x,(,适用于河流,),E,x,=5.93H(gHI),1/2,混合（扩散）系数的经验公式,混合（扩散）系数的示踪试验测定法,示踪物质有：,无机盐类（,NaCl,、,LiCl,）,荧光染料（如工业碱性玫瑰红）,放射性同位素等。,示踪物质应满足以下要求：,具有在水体中不沉降、不降解、不产生化学反应,测定简单准确， 经济,对环境无害,示踪物质的投放有瞬时投放、有限时段投放和连续恒定投放。,向水体中投放示踪物质，追踪测定其浓度变化，据以计算所需要的各环境水力学参数的方法。,第,3,节 湖泊与水库水质模型,湖泊水库的水质特征,营养源与营养负荷,湖库水质模型,湖泊水库的水质特征,流速小，与河流相比湖泊和水库中的水流处于相对静止状态；,停留时间长，湖泊与水库中的水流交换周期比较长，属于静水环境；,水生生态系统相对比较封闭；,主要水质问题是富营养化；,水质的分层分布。,典型湖泊水温垂向分层示意图,A,表层,B,斜温层,C,下层,Z,夏季 冬季,T,污染来源与途径,污染源,污染类型,污染物来源,外源污染物,点源,工业废水,城镇生活污水,固体废物处置场,面源,矿区地表径流,城镇地表径流 农牧区地表径流,大气降尘,大气降水,水体投饵养殖,水面娱乐活动废弃物,水土流失及土壤侵蚀,内源污染物,底泥及沉积物,污染物入湖途径,点源污染,非点源污染,地下水,河渠,降尘,降水,养殖投饵,流域入地表面,湖泊水库,利贝希最小值定律,(,最小量的,Liebig,法律,),植物生长取决于外界提供给它的所需养料中数量最少的一种。,主要营养源与营养负荷计算,地表径流的营养负荷,式中：,I,jl,第,j,种营养物质的负荷，,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。,营养源和营养负荷,降水的营养负荷,式中，,I,jp,由降水输入的第,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,。,人为因素排放的营养负荷,生活污水,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,每人每年产生的第,j,种营养物的量，,g/,人,.a,。,工业污水,I,jk,第,k,种工业废水中第,j,种营养物的负荷，,g/a,；,Qk,第,k,种工业废水的排放量，,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。,内部营养负荷,I,ji,湖泊底泥释放的第,j,种营养物的负荷，,g/,；,A,底泥量，,m3;,Cjn,底泥第,j,种营养物的含量，,g/m3,；,kj,底泥释放第,j,种营养物质的速率常数。,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。,湖库环境预测模式,完全混合箱式模型（零维）,分层湖,(,库,),箱式模型（零维）,湖泊水质扩散模型（一维或二维）,湖库完全混合箱式模型,沃伦威德尔模型,概述,创始,：沃伦威德尔（,R.A.Vollenweider,）在,20,世纪,70,年代初期研究北美大湖时提出。,适用,：停留时间很长，水质基本处于稳定状态的湖泊水库。,假定,：湖泊中某种营养物的浓度随时间的变化率，是输入、输出和在湖泊内沉积的该种营养物量的函数。,不足,：不能描述发生在湖泊内的物理、化学和生物过程，同时也不考虑湖泊和水库的热分层，是只考虑其输入,产出关系的模型。,我国的地面水环境评价导则建议对小型湖泊,(,水库,),的一、二、三级均采用湖泊完全混合平衡模式。,湖水均匀混合，根据湖泊进出水量的多少和污染物的性质，可建立以下湖泊水质预测模型。,湖库完全混合箱式模型,沃伦威德尔模型,模型,引入冲刷速度常数,r,（令,r,Q,/,V,），则得到,上式中：,V-,湖库的水的体积，,m3,；,Q-,平衡时流入与流出湖库的流量，,m3/a,；,Ce,-,流入湖库的水量中污染物组分的浓度，,mg/L,；,Ic,-,入湖库的某污染物量，,mg/a,，,Ic,=,Q.Ce,;,C-,湖库中污染物组分的浓度，,mg/L,；,s-,污染物反应速率常数，,1/a,。,在给定初始条件，当,t,0,，,C,C,0,时，求得上式的解析解为,:,在湖泊、水库的出流、入流流量及营养物质输入稳定的情况下，当,t,时，可以得到营养物质的平衡浓度,Cp,：,例题：,已知湖泊的容积,V,= 1.010,7,m,3,/a,，湖泊内,COD,Cr,的本底浓度,C,0,= 1.5 mg/L,，支流入湖流量,Q=0.5 10,8,m3/a,，河流中,COD,浓度为,C,1,= 3 mg/L,，,COD,在湖泊中的沉积速度常数,s,= 0.08 a,-,1,。试求湖泊中的,COD,平衡浓度，及达到,平衡浓度的,99%,所需的时间。,解答,：,根据题目，得到,根据题意已知：,V,= 1.010,7,m,3,，,s,= 0.08 a,-,1,，,r,=,Q,/,V,= 5 a,-,1,，,C,0,= 1.5 g/m,3,，,I,c,= 0.510,8,3 = 1.510,8,g/a,。,当,C,/,C,p,= 0.99,时：,根据公式，计算结果为：达到,COD,平衡浓度的,99%,约需,0.77 a,；平衡浓度值为,2.95 g/m,3,。,湖库完全混合箱式模型,吉柯奈尔狄龙模型,模型,引入滞留系数,R,c,：,如给定初始条件,t,0,，,C,C,0,，得到上式的解析解：,若湖库得出流、入流及污染物的输入都比较稳定，当,t,时，可以达到营养物质的平衡浓度,C,p,：,可根据湖库的入流、出流近似计算出滞留系数。,概述,1975,年，斯诺得格拉斯（,Snodgrass,）等提出了一个分层的箱式模型，用以近似描述水质分层状况。分层箱式模型把上层和下层各视为完全混合模型，在上、下层之间紊流扩散的传递作用。分层箱式模型分为夏季模型和冬季模型，夏季模型考虑上、下分层现象，冬季模型则考虑上、下层之间的循环作用。模拟包含的水质组分为正磷酸盐（,P,o,）和偏磷酸盐（,P,p,）的变化规律。,分层湖,(,库,),箱式模型,概化图,模型,（,1,）夏季分层模型,对表层正磷酸盐,P,oe,对表层偏磷酸盐,P,pe,对下层正磷酸盐,P,oh,对下层偏磷酸盐,P,ph,（,2,）冬季分层模型,对全湖的正磷酸盐,P,o,：,对下层偏磷酸盐,P,p,：,夏季的分层模型和冬季的循环模型可以用秋季或春季的,“翻池”,过程形成的完全混合状态作为初始条件，此时,湖库水质扩散模型,（,1,）卡拉乌舍夫湖泊水质扩散模型（一维）,无风浪情况下，污水排入大湖,(,库,),的湖水浓度预测，在一、二、三级评价均可。,污染物守恒模式为：,湖泊推流衰减模式,（,2,）湖泊环流二维稳态混合模式,近岸环流显著的大湖,(,库,),可以使用湖泊环流二维稳态混合模式进行预测评价。,污染物守恒的湖泊环流二维稳态模式基本方程,（,3,）湖泊环流二维稳态混合衰减模式,第,4,节 水污染负荷预测,点源污染负荷预测,面源污染负荷预测,点源污染负荷预测,工业废水污染负荷预测,废水排放量预测,污染物排放量预测,式中：,P-i,行业工业用水重复率；,R-,污水处理率；,V-,第,t,年该地区,i,行业工业产值，万元,/a,；,d-,万元产值废水排放量；,m-,某种污染物浓度，,mg/L,。,点源污染负荷预测,生活污水污染负荷预测,污水排放量预测,污染物排放量预测,式中：,D-,设计水平年人均每日污水排放量，,L/(,人,.d),b-,设计水平年预测地区城镇或农村人口数，万人；,C,生活污水中某种污染物浓度，,mg/L;,Q-,设计水平年某地区生活污水排放量，万,m3/a;,W-,设计水平年某地区生活污水中某种污染物负荷量，万吨,/a,。,面源污染介绍,降雨径流污染,模型：,以水文数学模型为基础,20,世纪,70,年代中期，是非点源模型发展时期；,Hydrocomp,公司的非点源系列模型：,PTR、HSP、ARM、NPS,以及其它模型：SWMM、STORM、ACTMO、UTM等；,应用研究,80,年代后，模型应用，开发新的实用模型、非点源污染控制与管理措施阶段：,特征污染单位线模型；,非点源污染负荷函数模型；,污染瞬时单位线模型；,降雨径流污染形成过程及研究途径,降雨径流子过程,水污染的载体；,产沙输沙子过程；,污染物随水流运动中的迁移转化子过程；,最终表现为河流某一断面的径流过程和污染负荷过程；,受纳水体污染子过程,;,研究过程,根据降雨径流污染过程的特点，步骤：,研究区域按地理土壤条件及土地利用类型分类；,在同类型的小区域（流域）中选择典型试验区；,对典型流域进行一定时间（一个水文年）的监测；,建立代表流域的降雨径流污染水质模型；,应用模型预测研究区域中要求地点的降雨径流污染负荷过程；,降雨径流污染监测,在,整个降雨径流过程中同步监测降雨量、径流量（地表、地下）和污染物浓度的连续时变过程。,降雨径流污染负荷模型,降雨径流污染形成的基础,降雨径流过程；,降雨径流污染负荷模型包括：模型结构、模型参数率定、模型检验、模拟预测；,一般包含,3,个子模型：,降雨径流子模型；,流域侵蚀及泥沙子模型；,污染物迁移转化子模型；,从,水文学角度的模型分类,以,经验公式为主的污染负荷模型；,以单位线为特征的模型：流量过程和负荷过程的汇流计算均采用单位线法，并分为时段单位线法和瞬时单位线法；,水量单位线,流量过程；,污染单位线,污染负荷过程；,以物理成因分析法为基础的流域概念模型；,从物理成因的原理描述降雨径流污染的水动力学过程和污染物变化的物理、化学、生物过程。,降雨径流污染负荷预测,相关分析法：,将大的区域划分为不同类型的单元集水小区；对单元采用经验公式计算径流量、产沙量（土壤侵蚀量）、污染负荷量；集成单元结果，计算区域总污染负荷量。,面源污染负荷计算,划分单元小区；,计算各单元的径流量、土壤流失量、污染负荷量；,1,、径流量：径流曲线数（,CN,）,方程计算,Rs,地表径流量；,P,降雨量；,S,流域土壤蓄水能力；,CN,径流曲线数；,2,、土壤流失量,通用土壤流失方程（,USLE,）,单位面积土壤流失量，土壤侵蚀模数；,K,土壤可蚀性因子；,降雨能量因子，反映降雨能量对土壤侵蚀的作用，根据暴雨强度、雨量由综合分析的 计算公式推求；,Ls,坡度长度因子,;C,植被覆盖因子,;B,侵蚀控制措施因子,.,3,、污染负荷量,某个小单元上第,T,天,径流输出的污染物数量为：,LD,t,0.1CD,t,R,S,t,TD,LS,t,0.001CS,t,MS,t,TS,LD,t,、,LS,t,单位面积上，某种溶解态污染物、固态物第,t,天的 流出量；,CD,t,、,CS,t,第,t,天的溶解态污染物、固态物浓度；,R,S,t,第,t,天的地表径流量；,MS,t,第,t,天的,土壤流失量；,TD,溶解态污染物沿地表向流域出口输移的比例系数；,TS,固态物沿地表向流域出口输移的比例系数；,流域污染负荷量,将,流域中各单元区第,t,天的某种溶解态的污染物相加，得到全流域第,t,天该污染物的负荷量。,降雨径流污染负荷预测的单位线法,由,流域产污过程（相当于地面净雨过程）和负荷过程（相当于地面径流过程）推求污染负荷单位线，根据预测的产污过程预报污染负荷过程。,时段特征污染单位线（,CPG),；,地面（地下）径流过程,地面（地下）径流污染负荷过程,瞬时污染单位线法,基于纳希（,Nash),瞬时单位线,IUH,法，把流域对地面净雨和污染物的汇集过程，简化成一系列串联的线性水库对净雨、产污过程的调蓄和混合转化结果。,;,;,),(,的浓度,时刻水中污染物,为,的补给速率常数,污染物,的平衡浓度；,为污染物,x,t,C,x,k,x,C,C,C,k,t,C,x,x,Ex,x,Ex,x,x,-,=,面源污染的流域数学物理模型,ARM,和,SWMM,模型（农业径流模型 ，城市暴雨水管理模型）,ARM,主要模拟流域的水文响应、产沙、农药吸附与解析、农药降解及营养物的转化；土壤中分为四层（表土层、上层、下层和地下水层）模拟农药和营养物在垂向上的迁移转化；,由降雨蒸发,得到植物截留、地面径流、壤中流、下渗和地下水层的渗透。（融雪过程）,流域产沙、输沙子模型：包括雨滴侵蚀和坡面流输沙两个过程。,在以上水文响应和产沙基础上，进行农药流失量计算（包括在泥沙表面的吸附和解析过程）,ARM,模型采用下列过程模拟：,X,单位重土壤吸附的农药量；,M,永久固定态吸附的农药量；,C,溶液中农药的平衡浓度；,N,指数；,K,系数；,ARM,模型,对,土层中污染物随水分的横向和竖向输移做了模拟,但是对地下水的输移作用没有考虑；,ARM,模型可进行单场暴雨和连续过程的模拟预测。,SWMM,模型,是,一个比较完善的城市暴雨水的径流水质预测和管理模型，根据降雨输入（雨量过程线）和系统特征（流域、泄水、蓄水和处理）模拟一次暴雨事件的径流水质过程。,模块构成,径流模块：计算雨洪径流、下渗及雨洪所挟带的污染负荷；,输送模块和扩充输送模块：把由径流计算得到的 下水道进水口的径流过程和污染负荷过程作为输入，经过地下管网调蓄计算和水质的迁移转化计算，得到各个地点的水量、水质的变化情况；,调蓄和处理模块；,受纳水体模块；,第,4,节 地表水环境影响评价,评价范围,评价重点,评价方法,评价结论,评价范围,评价范围,评价重点,与影响预测范围相同,所有预测点和所有预测的水质参数均应进行各 生产阶段不同情况的环境影响（重大性）评价,水文要素和水质急剧变化处,水域功能改变处,取水口附近,影响较重的水质参数,评价方法,评价建设项目的地表水环境影响是评定与估价建设项目各生产阶段对地表水的环境影响，是环境影响预测的继续。原则上可采用,单项水质参数评价方法,或,多项水质参数综合评价方法,。,注意： 与现状评价采用的水质标准应相同；,预测值未包括环境质量现状值（背景值）时，注意叠加；,*自净利用指数法,规划中有几个建设项目在一定时期（如,5,年）内兴建并且向同一地表水环境排污的情况可以采用,自净利用指数法,进行单项评价。,式中：,c,i,j,j,点污染物,i,的浓度；,c,hi,j,j,点上游,i,的浓度；,c,si,i,的水质标准；,自净能力允许利用率。,*,自净利用指数法,溶解氧的自净利用指数,P,ij,1,：污染物,i,在,j,点利用的自净力没有超过允许的比例。,否则超过允许利用比例，,P,ij,的值就是超过允许利用的倍数。,pH,的自净利用指数,规划中几个建设项目在一定时期（如,5,年）内兴建并且向同一地表水环境排污时，应有政府有关部门规定,各建设项目的排污总量,或,允许利用水体自净能力的比例,。,式中：,DO,h,j,j,点上游溶解氧值,DO,j, j,点的溶解氧值，,DO,s,溶解氧的标准。,溶解氧的自净利用指数,pH,的自净利用指数,排入酸性污染物时,排入碱性污染物时,的确定：对位于地表水环境中,j,点的污染物,i,来说，自净能力允许利用率,应根据当地水环境自净能力的大小，现在和将来的排污状况以及建设项目的重要性等因素决定，并应征得主管部门和有关单位同意。,评价结论,满足水环境保护要求结论的情况：,拟建项目在实施过程的不同阶段，除排放口附近很 小范围外，整个水域的水质均能达到预定要求；,在拟建项目实施过程的某个阶段，个别水质参数在较大范围内虽不能达到预定的水质要求，但采取一定的环保措施后可以满足要求。,不能满足水环境保护要求结论的情况：,地表水质现状已经超标；,污染消减量过大以致于消减措施在技术、经济上明显不合理。,评价结论,拟建项目在个别情况下虽然不能满足预定的环保要求，但其影响不大而且发生的机会不多，此时应根据具体情况做出分析。,有些情况不宜做出明确的结论，如拟建项目恶化了水环境的某些方面，同时又改善了某些其他方面。对这种情况，应说明建设项目对水环境的正影响、负影响及其范围、程度和评价者的意见。,需要在评价过程中确定拟建项目与水环境有关部分的多个比较方案时，应在小结中确定推荐方案并说明其理由。,水体富营养化评价,成因,危害,富营养化评价方法,防治对策,水体富营养化,定义,水体富营养化,(,eutrophication,),是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。,水体出现富营养化现象时，浮游藻类大量繁殖，形成水华。因占优势的浮游藻类的颜色不同，水面往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等。这种现象在海洋中则叫做赤潮或红潮。,一般地说，总磷和无机氮分别超过,20mg/m3,和,300mg/m3,，就可以认为是危险状态。,水体富营养化成因,总磷、总氮等营养物质超标,氮磷是藻类生长的限制因子,氮、磷的主要来源,外源性污染源,内源性污染源,水体富营养化成因,缓慢的水流状态,适宜的温度,合适的铁、硅含量,水体富营养化的危害,使水味变得腥臭难闻,降低水体的透明度,影响水体的溶解氧,向水体释放有毒物质,影响供水水质并增加制水成本,破坏湖泊生态平衡,水体富营养化评价,-,综合营养状况指数方法,评价参数,叶绿素（,chla,）、透明度,(SD),、总磷,(TP),、总氮,(TN),、 高锰酸盐指数,(,COD,Mn,),单因子营养状态指数计算,TLT(chla,)=10(2.5+1.086chla),TLT(SD)=10(5.118,-,1.94SD),TLT(TP)=10(9.436,+,1.624TP),TLT(TN)=10(5.453,+,1.694TN),TLT(COD,Mn,)=10(0.109,+,2.661COD,Mn,),水体富营养化评价,-,综合营养状况指数方法,综合营养状态指数计算,TLI,=,W,j,TLI,j,其中,W,j,为各参数营养状态指数的权重,评价标准,TLI,30,贫营养；,30,TLI,50,中营养；,50,TLI,60,轻度富营养；,60,TLI,70,中度富营养；,TLI,70,重度富营养,水体富营养化的防治与对策,控制外源性营养物质输入,遵循营养物质排放标准和水质标准,根据湖泊水环境磷容量，实施总量控制,实施截污工程或者引排污染源,合理使用土地，最大限制地减少土壤侵蚀、水土流失与肥料流失,如在建筑物、农田安排自然排泄系统，就可以减少被暴雨或融雪冲走的氮和磷。同样，保护湖边绿化带、集中收集饲养场的家禽粪便等也是控制面源营养物质的方法。,水体富营养化的防治与对策,减少内源性营养物质负荷,生物性措施,生物性措施是指利用水生生物吸收利用氮、磷元素进行代谢活动这一自然过程达到去除水体中氮、磷营养物质目的的方法。它的最大特点是投资少，有利于建立合理的水生生态循环。 在浅水型的富营养湖泊，通常种植大型水生植物如，,凤眼莲,（水葫芦）、芦苇、狭叶香蒲、,加拿大,海罗地、多穗尾藻、丽藻、破铜钱等,水体富营养化的防治与对策,减少内源性营养物质负荷,工程性措施,工程性措施主要包括,挖掘底泥沉积物,、进行,水体深层曝气,、,注水冲稀,深层曝气适用于湖水较深而出现厌氧层的水体。磷容易在厌氧条件下从底泥中释放出来，采取定期或不定期人为湖底深层曝气充氧，使水与底泥面之间不出现厌氧层，有利于抑制底泥磷释放，对改善水质有利。,注水冲稀的一种手段是在有条件的地方，用含磷和氮浓度低的水注入湖泊，起到稀释营养物质浓度的作用，这对控制水华现象，提高水体透明度等有一定作用，但营养物绝对量并未减少，不能从根本上解决问题；另一种手段是换水，这是针对临江湖泊的方案，起到江水取代湖水，以流动的贫营养水代替停滞的富营养水的目的。,水体富营养化的防治与对策,减少内源性营养物质负荷,化学方法,由于城市污水中的氮、磷浓度往往要比活性污泥生长所需要的浓度高出,2,5,倍，所以污水中仅有,30%,50%,的氮和磷被活性污泥去除，余下,50%,70%,的氮和磷将随二次废水排出。,铁盐凝聚沉降法,三价铁盐易与磷酸盐反应生成不溶性的磷酸铁。二价铁盐也能和污水中的磷反应生成不溶性沉淀物。,铝离子交换法,铝离子与磷酸盐具有特别强的亲合力，可以选择性地从废水中去除磷。而后，用高浓度的氢氧化物，如氢氧化钠回收铝，再用石灰回收氢氧化钠，回收的铝和氢氧化钠可以循环利用。但从经济性角度考虑，铝离子交换法需谨慎选用。,石灰凝聚与氨气提法,在,pH,值偏碱时，石灰与磷发生反应，生成磷酸盐和无机氢氧化物，磷酸盐和悬浮物质随反应生成物凝聚沉淀下来，达到去除磷的目的。,