水环境容量计算学习指南.ppt

水环境容量计算,水环境容量:反映流域的自然属性（水文特性），又反映人类对环境的需求（水质目标）,水环境容量=稀释容量（W稀释）+自净容量（W自净）两部分,稀释容量:在给定水域的来水污染物浓度低于出水水质目标时，依靠稀释作用达到水质目标所能承纳的污染物量,自净容量:由于沉降、生化、吸附等物理、化学和生物作用，给定水域达到水质目标所能自净的污染物量,水环境容量基本特征,资源性水环境容量是一种自然资源能容纳一定量的污染物也能满足人类生产、生活和生态系统的需要；水环境容量是有限的可再生自然资源。区域性受各类区域的水文、地理、气象条件等因素的影响，不同水域对污染物的物理、化学和生物净化能力存在明显的差异，导致水环境容量有明显的地域性特征。系统性河流、湖泊等水域一般处在大的流域系统中，水域与陆域、上游与下游、左岸与右岸构成不同尺度的空间生态系统，因此，在确定局部水域水环境容量时，必须从流域的角度出发，合理协调流域内各水域的水环境容量。,影响要素,水域特性几何特征（岸边形状、水底地形、水深或体积）；水文特征（流量、流速、降雨、径流等）；化学性质（pH值，硬度等）；物理自净能力（挥发、扩散、稀释、沉降、吸附）；化学自净能力（氧化、水解等）；生物降解（光合作用、呼吸作用）。环境功能要求不同功能区划，对水环境容量的影响很大：水质要求高的水域，水环境容量小；水质要求低的水域，水环境容量大；,影响要素,污染物质不同污染物本身具有不同的物理化学特性和生物反应规律，不同类型的污染物对水生生物和人体健康的影响程度不同。不同的污染物具有不同的环境容量；排污方式一般来说，在其他条件相同的情况下集中排放的环境容量比分散排放小瞬时排放比连续排放的环境容量小岸边排放比河心排放的环境容量小因此，限定的排污方式是确定环境容量的一个重要确定因素。,计算步骤1,水域概化将天然水域（河流、湖泊水库）概化成计算水域基础资料调查与评价水域水文资料（流速、流量、水位、体积等）水域水质资料（多项污染因子的浓度值）收集水域内的排污口资料（废水排放量与污染物浓度）支流资料（支流水量与污染物浓度）取水口资料（取水量，取水方式）污染源资料等（排污量、排污去向与排放方式）并进行数据一致性分析，形成数据库。,计算步骤2,选择控制点（或边界）根据水环境功能区划和水域内的水质敏感点位置分析，确定水质控制断面的位置和浓度控制标准。如存在污染混合区，则需根据环境管理的要求确定污染混合区的控制边界。建立水质模型选择零维、一维或二维水质模型，并确定模型所需的各项参数。容量计算分析应用设计水文条件和上下游水质限制条件进行水质模型计算，利用试算法（根据经验调整污染负荷分布反复试算，直到水域环境功能区达标为止）或建立线性规划模型（建立优化的约束条件方程）等方法确定水域的水环境容量。环境容量确定在容量计算分析基础上，扣除非点源污染影响部分，则为实际环境管理可利用的水环境容量。,设计条件,计算单元水环境容量计算单元的划分，采用节点划分法从保证重要水域水体功能角度出发，以大中城市及重要工业区、工业企业生活等重要和敏感的区域或断面作为划分节点，把河道划分为若干较小的计算单元进行水环境容量计算。,控制点一般情况下，计算单元内可以直接按照水环境功能区上下边界、监测断面等设置控制点或节点。某一功能区划水域内存在多个常规性监测断面，选取最高级别的监测断面最有代表性的监测断面最能反映最大取水量取水口水质的监测断面。功能区划水域没有常规性监测断面，可以选择功能区的下断面或者重要的用水点作为控制节点。,控制断面的选取要注意以下几个问题,断面不要设在排污混合区内（由排放浓度过渡到功能区标准的排污混合区或过渡区）；断面一定要反映敏感点的水质。大部分水环境功能区内都允许有取水口（饮用水、工业用水、农业用水）或鱼类索饵、产卵等活动区存在，断面设置应考虑这些敏感点的水质保护，以保证功能区真正达标。断面要保证出境水质达标。,水文条件,河流指河段内的水位、流速和流量等条件；湖库指湖库的水位、库容和流入流出条件；一般条件下，水文条件年际、月际变化非常大。各流域一般可选择30Q10（近10年最枯月平均流量）作为设计流量条件，30V10（近10年最枯月平均库容）作为湖库的设计库容。以下几类情况，可分别概化为：海河、黄河等北方各流域由于枯水月流量太小或可能断流，可同时选择90Q10（近10年最枯季平均流量）或90V10（近10年最枯季平均库容）作为参考设计水文条件。长江、珠江等干流河面较宽（200m），污染物扩散一般仅在岸边进行，不影响到河流对岸。设计水文条件可选择30Q10或30V10，然后根据环境管理的需求确定混合区范围进行岸边环境容量计算，以混合区水环境容量作为可以实际利用的水环境容量数据。,其他河段设计流量的计算选取枯水期月平均流量作为计算样本有闸坝控制的河段，关闸时间较长时，可以考虑近10年平均水位下的水体容积作为设计流量或最小下泄流量。对于一般湖泊或水库，分别按照近10年最低月平均水位水位相应的蓄水量和死库容的蓄水量确定设计流量。有条件的地区，可对丰平枯水期特征明显的河流，以及按照最枯流量计算没有水环境容量的情况，按照分水期进行水环境容量的计算（需要注明对应的水期月份），汇总得到全年的水环境容量。,水文条件,边界条件,控制因子：COD和氨氮主要控制因子.湖库增加总磷、总氮和叶绿素a指标;质量标准省界断面水质标准以国家制定的流域规划确定的目标和省界功能区水质目标为依据,省内断面水质标准以水环境功能区划为水环境容量计算的依据，跨市、县界的功能区协调方案由各省解决。需要国家协调省际水环境功能区目标差异和目标水质的，可以提交总局和技术指导组解决。设计流速：河流的设计流速为对应设计流量条件下的流速。,本底浓度参考上游水环境功能区标准，以对应国家环境质量标准的上限值（达到对应国家标准的最大值）为本底浓度（来水浓度）对于跨界水环境功能区本底浓度需要考虑国家和省（直辖市、自治区）政府部门规定的出、入断面浓度限值。水质目标值水环境功能区相应环境质量标准类别的上限值为水质目标值。单位时间一般指一年。最枯月或最枯季的环境容量换算为全年，作为功能区的年环境容量。排放浓度采用mg/l单位，流量采用m3/s单位，计算结果是瞬时允许污染物流量（mg/s）,需换算成年容量。,边界条件,排污方式,当排污口污水排放流量较大（根据各区域特征确定）现状排污口，必须作为独立的排污口处理。其他排污口，可以适当简化。若排污口距离较近，可把多个排污口简化成集中的排污口,排污口概化的重心计算：X=（Q1C1X1+Q2C2X2+QnCnXn）/(Q1C1+Q2C2+QnCn)X：概化的排污口到功能区划下断面或控制断面的距离；Qn：第n个排污口（支流口）的水量；Xn：第n个排污口（支流口）到功能区划下断面的距离；Cn：第n个排污口（支流口）的污染物浓度；,上界,下界,上界,123,下界,1#,排污口概化示意图,距离较远并且排污量均比较小的分散排污口，可概化为非点源入河，仅影响水域水质本底值，不参与排污口优化分配计算。,水质模型,模型的类型零维模型一维模型：二维模型：,零维模型,对河流，表现形式为河流稀释模型；对于湖泊与水库，主要有盒模型符合下列两个条件之一的环境问题可概化为零维问题：河水流量与污水流量之比大于1020；不需考虑污水进入水体的混合距离；,常用零维模型解决的问题,对河流不考虑混合距离的重金属污染物、部分有毒物质等其它保守物质的下游浓度预测与允许纳污量的估算；有机物降解性物质的降解项可忽略时，可采用零维模型；对于有机物降解性物质，当需要考虑降解时，可采用零维模型分段模拟，但计算精度和实用性较差，最好用一维模型求解。对湖泊、水库不存在分层现象、无须考虑混合区范围的富营养化问题和热污染问题；可依流场、浓度场等分布规则进行分盒的湖泊和水库，其环境问题均可按零维盒模型处理。,定常设计条件下河流稀释混合模型,点源，河水、污水稀释混合方程,C完全混合的水质浓度（mg/L）；Qp,Cp上游来水设计水量（m3/s）与设计水质浓度（mg/L）；QE,CE污水设计流量（m3/s）与设计排放浓度（mg/L）；,对于可概化为完全均匀混合类的排污情况，排污口与控制断面之间水域的允许纳污量计算公式为：单点源排放：,式中：WC水域允许纳污量(g/L)；S控制断面水质标准(mg/L),多点源排放,式中：QEi第i个排污口污水设计排放流量(m3/s)；n排污口个数,考虑吸附态和溶解态污染指标耦合模型,定常设计条件下河流稀释混合模型,对于需要区分出溶解态浓度的污染物，可用下式计算,式中：C溶解态浓度(mg/L)；Cr总浓度(mg/L)；SS悬浮固体浓度(mg/L)；Kp分配系数(L/mg)。,概率分布设计条件下的河流稀释混合模型,概率稀释模型把定常稀释模型中的大输入变量Qp、Cp、QE、CE等设定为独立的随机变量，并服从对数正态分布，估算污水、河水混合浓度的概率分布。其基本表达式为：过矩量近似法或求积法，可以对公式进行求解。得出河水浓度的概率分布图,排放浓度与超标率（Pr）关系,在超标率计算时，假定排污总量中排污水量不变，改变排污浓度,在给定达标率（或超标率）的条件下反推，乘以排污水量，可求出允许纳污量。,湖泊、水库的盒模型,以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程时，可把湖泊看作一个完全混合反应器，这样盒模型的基本方程为,V湖泊中水的体积（m3）；Q平衡时流入与流出湖泊的流量（m3/a）；CE流入湖泊的水量中水质组分浓度（g/m3）；C湖泊中水质组分浓度（g/m3）；Sc如非点源一类的外部源和汇（m3）；r(c)水质组分在湖泊中的反应速率。,如果反应器中只有反应过程，则Sc=0，则公式变为：,湖泊、水库的盒模型,当反应器内的反应符合一级反应动力学，且是衰减反应时，则,公式又变为以下形式,K是一级反应速率常数（1/t）,湖泊、水库的盒模型,当反应器处于稳定状态时，dC/dt=0，可得到下式,t=V/Q,t为停留时间,零维模型数据和参数总结表,一维模型,对于河流而言，一维模型假定污染物浓度仅在河流纵向上发生变化，主要适用于同时满足以下条件的河段：宽浅河段；污染物在较短的时间内基本能混合均匀；污染物浓度在断面横向方向变化不大，横向和垂向的污染物浓度梯度可以忽略。,在忽略离散作用时，一维稳态衰减规律的微分方程为：,式中：u河流断面平均流速，m/s；x沿程距离，km；K综合降解系数，1/d；C沿程污染物浓度，mg/L；C0前一个节点后污染物浓度，mg/L,二维模型,当水中污染物浓度在一个方向上是均匀的，而在其余两个方向是变化的情况下，一维模型不再适用，必须采用二维模型,C（x,z）排污口对污染带内点（x,z）处浓度贡献值，mg/L；m河段入河排污口污染物排放速率，g/s；u污染带内的纵向平均流速，m/s；h污染带起始断面平均水深，m；Ey横向扩散系数，m2/s；x敏感点到排污口纵向距离，m；z敏感点到排污口所在岸边的横向距离，m；K污染物降解系数，1/s；C0上游来水中污染物浓度，mg/L；圆周率。,适合于饮用水水源地河段的纳污能力计算实际上，污水进入水体后，不能在短距离内达到全断面浓度混合均匀的河流均应采用二维模型。实际应用中，水面平均宽度超过200m的河流均应采用二维模型计算。,二维模型分类,按河流水文特征分：静止水体二维水质模型；平流段二维水质模型；感潮段二维水质模型；潮汐河网二维水质模型。,按河流水文特征分：,（1）瞬时投放瞬时岸边投放水质模型；瞬时江心投放水质模型。（2）连续投放点源岸边连续投放水质模型；点源江心连续投放水质模型；线源岸边连续投放水质模型；线源江心连续排放水质模型。,按投放方式分,解析解二维水质模型数值解二维水质模型,从解的形式分：,几种二维水质模型和相应的解析解,方程形式1,解析解,静止水体（如水库、湖泊）的突发性事故的中心排放情况浓度预测。,适用条件,方程形式2,解析解,适用条件,按理论上来说，只适用于无限空间点源的瞬时投放，但实际应用中也可以应用到大江大河江心事故性排放的浓度估计,几种二维水质模型和相应的解析解,方程形式3,解析解1,适用条件,可引用到大江大河江心事故性排放的浓度场预测,几种二维水质模型和相应的解析解,解析解2,一侧有边界的可引用到大江大河岸边事故性排放的浓度场预测。,适用条件,方程形式4,解析解,适用条件,一般河流不考虑降解情况下的二维浓度场计算,几种二维水质模型和相应的解析解,方程形式5,解析解,适用条件,用于预测有限空间突发性线源排放情况的浓度场预测,几种二维水质模型和相应的解析解,方程形式6,解析解1,适用条件,无边界影响的点源连续排放，适于大江河江心点源连续排放浓度场计算,几种二维水质模型和相应的解析解,解析解2,无对岸影响的岸边排放，适用于大江河岸边点源连续排放浓度场计算,解析解3,有对岸影响的岸边排放，适用于小河岸边点源连续排放浓度场计算,适用条件,湖库模型,当以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程时，往往可以把湖泊看作一个完全混合反应器。这样的基本方程为,当所考虑的水质组分在反应器内的反应符合一级反应动力学，而且是衰减反应时，则,上式变为以下形式,当反应处于稳定状态时，dC/dt=0，则,非点源模型,方程形式3,解析解1,适用条件,可引用到大江大河江心事故性排放的浓度场预测,几种二维水质模型和相应的解析解,解析解2,一侧有边界的可引用到大江大河岸边事故性排放的浓度场预测。,适用条件,非点源模型概述,非点源模型概述,非点源模型概述,参数推求方法,1)降解系数确定方法水团追踪试验选择合适的河段，布设监测断面，确定试验因子。测定排污口污水流量、污染物浓度（试验因子），测定试验河段的水温、水面宽、流速等。根据流速，计算流经各监测断面的时间，按计算的时间在各断面取样分析，并同步测验各监测断面水深等水文要素。整理分析试验数据，计算确定污染物降解系数。,实测资料反推法用实测资料反推法计算污染物降解系数首先要选择河段，分析上、下断面水质监测资料，其次分析确定河段平均流速，利用合适的水质模型计算污染物降解系数，采用临近时段水质监测资料验证计算结果，确定污染物降解系数。河段选择时，为减少随机因素对计算结果的影响，应尽量选择没有排污口、支流口的河段作为计算河段，这样可排除入河污染物量和入河水量随机波动对水质监测结果的影响。K=（LnC1-LnC2）u/l其中：C1、C2分别为河段上、下断面污染物浓度，L为上下断面距离，U为流速。,类比法国内外有关文献提及的部分河流污染物降解系数见表在国内外的24条河流中，BOD5降解系数K值的下限或变化范围0.35d-1的有17条，占70.8%。根据以往的研究成果可知，CODcr降解系数比BOD5要小，约为BOD5降解系数的60%70%。约有70%以上的河流其CODcr降解系数在0.200.25d-1,分析借用对于以前在环境影响评价、环境规划、科学研究、专题分析等工作中可供利用的有关数据、资料经过分析检验后采用。,2)不同水期、最枯月之间降解系数关系,水体温度高，降解系数大，不同水温条件下K值估算关系式,式中：KTT时的K值，d-1T水温，；K2020时的K值，d-1。,河流水环境容量计算方法,河流概化,1不考虑混合区的水环境容量,污染物进入河流后，在一定范围内经过平流输移、纵向离散和横向混合后达到充分混合，根据水质管理的精度要求允许不考虑混合过程而假定在排污口断面瞬时完成均匀混合，可按一维问题概化计算条件，建立水质模型。,河流一维水质模型由河段和节点两部分组成，节点指河流上排污口、取水口、干支流汇合口等造成河道流量发生突变的点，水量与污染物在节点前后满足物质平衡规律（忽略混合过程中物质变化的化学和生物影响）。河段指河流被节点分成的若干段，每个河段内污染物的自净规律符合一阶反应规律。,上界,下界,j#,k#,节点i,河段i,河流一维模型概化示意图,功能区内有i个节点，则将河流分成i1个河段。在节点处，要利用节点均匀混合模型进行节点前后的物质守恒分析，确定节点后的河段流量和污染物浓度。节点后的河段要以节点平衡后的流量和污染物浓度为初始条件，按照一维降解规律计算到下一个节点前的污染物浓度。,节点平衡方程,Q干流混合后Q干流混合前Q支流Q排污口Q取水口,考虑干流、支流、取水口、排污口均在同一节点的最复杂情况，水量平衡方程为,污染物平衡方程为（忽略混合过程的不均匀性）：,环境容量计算,代入模型，得到一维模型水环境容量的计算公式,Wi第i个排污口允许排放量，t/a；Ci河段第i个节点处的水质本底浓度，mg/l；C沿程浓度，mg/l；Qi河道节点后流量，m3/s；Qj第i节点处废水入河量，m3/s；u第i个河段的设计流速，m/s；x计算点到第i节点的距离，m。,2考虑混合区的水环境容量,在排放口下游指定一个限定区域，使污染物进行初始稀释，在此区域内可以超过水质标准，这个区域称为混合区。混合区含有容许的意义，因此它具有位置、大小和形状三个要素。,混合区位置，是指按照国家的有关规定，有些严格保护的水域（一级水源保护区、自然保护区等水域）不能允许混合区存在。混合区大小，是指允许混合区存在的水域，混合区边界不应该影响鱼类洄游通道和邻近功能区水质，一般来说，湖泊海湾内可存在不大于总面积为13km2的混合区，河口、大江大河的混合区可根据具体情况确定。混合区形状，是指为便于混合区的管理，将混合区划定为比较简单的形状设置在水中，湖泊中一般允许一定半径的圆形或椭圆形水域；在河流中，河道中一般允许一定范围的岸边窄长水域。,计算混合区的目的,目的在于限制混合区。一方面使水体的自净能力得以体现，另一方面保证下游功能区水质达到标准。在排放口与取水口发生矛盾时，在预测向大水体排放污水的影响范围以及在研究改变排放方式的效果时，都必须进行混合区范围计算。,水环境容量计算公式,86.4为单位换算系数；W水环境容量，kg/d；Cs控制点水质标准，mg/L；C0上断面来水污染物设计浓度，mg/L；K污染物综合降解系数，1/d；h设计流量下污染带起始断面平均水深，m;x1、x2概化排污口至上下游控制断面距离，km;u设计流量下污染带内的纵向平均流速，m/s；Eym2/s。,湖库水环境容量计算方法,不考虑混合区的水环境容量,Wc为水环境容量，t/a。V湖泊中水的体积（m3）；Q平衡时流入与流出湖泊的流量（m3/s）；CE流入湖泊的水量中水质组分浓度（mg/l）；C湖泊中水质组分浓度（mg/l）；K是一级反应速率常数（1/d）。,虑混合区的水环境容量需要限定污染混合区边界进行混合区内的二维水质模拟计算分析，以混合区边界为约束，得出环境容量,