環(huán)境管理_水環(huán)境影響預(yù)測與評價

第六章水環(huán)境影響預(yù)測與評價 水體與水體污染地表水環(huán)境影響評價基本任務(wù) 程序河流與湖泊水質(zhì)模型 了解水體中污染物的遷移與轉(zhuǎn)化了解地表水環(huán)境影響評價工作程序的基本環(huán)節(jié)理解各種水質(zhì)模型的含義及其計算 第一節(jié)水體與水體污染 一 水體和水體污染按水體所處的位置可分為 地表水水體 地下水水體 海洋 這三種水體中的水可以相互轉(zhuǎn)化 它通過水在自然界的大循環(huán)和小循環(huán)實現(xiàn) 水體污染惡化過程和水體自凈過程是同時產(chǎn)生和存在的 但在某一水體的部分區(qū)域或一定的時間內(nèi) 這兩種過程總有一種過程是相對主要的過程 決定著水體污染的總特征 這兩種過程的主次地位在一定的條件下可相互轉(zhuǎn)化 二 水體污染物造成水體的水質(zhì) 生物 底質(zhì)質(zhì)量惡化的各種物質(zhì)或能量都稱為水體污染物 從不同的角度可將水體污染物分為各種類型 按理化性質(zhì)分類可分為物理污染物 化學(xué)污染物 生物污染物綜合污染物 按形態(tài)分類可分為 離子態(tài) 陽離子 陰離子 污染物 分子態(tài)污染物 簡單有機物 復(fù)雜有機物 顆粒狀污染物 按污染物對水體的影響特征分類可分為感官污染物 衛(wèi)生學(xué)污染物 毒理學(xué)污染物 綜合污染物 三 水體污染類型感官性狀污染有機污染無機污染有毒物質(zhì)污染富營養(yǎng)化污染油污染熱污染病原微生物污染 四 水體中污染物的遷移與轉(zhuǎn)化 一 水體中污染物遷移與轉(zhuǎn)化的過程1 物理輸移過程主要指污染物在水體中的混合稀釋和自然沉淀作用 混合稀釋作用 1 紊動擴散 由水流的紊動特性引起水中污染物自高濃度向低濃度區(qū)轉(zhuǎn)移 2 移流 由于水流的推動使污染物的遷移隨水流輸移 3 離散 由于水流方向橫斷面上流速分布的不均勻 由河岸及河底阻力所致 而引起的分散 2 化學(xué)轉(zhuǎn)化過程主要指污染物在水體中發(fā)生的理化性質(zhì)變化等化學(xué)反應(yīng) 其中氧化 還原作用起重要作用 3 生物降解過程基本過程是水中微生物 尤其是細(xì)菌 在溶解氧充分的情況下 將一部分有機污染物當(dāng)作食餌消耗掉 將另一部分有機污染物氧化分解成無害的簡單有機物 二 河流水體中污染物的對流和擴散混合廢水進入河流水體后 不是立即就能在整個河流端面上與河流水體完全混合 雖然垂直方向上一般都能很快地混合 但往往需要經(jīng)過很長一段縱向距離才能達(dá)到橫向完全混合 這段距離通常稱為橫向完全混合距離 污染物在河流中的混合 縱向距離小于橫向完全混合距離的區(qū)域稱為橫向混合區(qū) 縱向距離大于橫向完全混合距離的區(qū)域稱為斷面完全混合區(qū) 三 海水中污染物的混合擴散排放到海水中的污水 一般是含有各種污染物的淡水 密度都比海水小 入海后一面與海水混合而稀釋 一面在海面向四周擴展 污水在海面上的擴展 溢油在海面上的變化極其復(fù)雜 一般劃分為 擴展過程 對實際溢油事件的觀測發(fā)現(xiàn) 在溢油的最初數(shù)十小時內(nèi) 擴展過程占支配地位 但隨時間而逐漸變?nèi)?擴展過程主要受慣性力 重力 黏性力和表面張力控制 擴展過程的一個明顯特征是各向異性 如在主風(fēng)向上 油膜被拉長 在油膜的迎風(fēng)面上形成堆積等 漂移過程 是油膜在外界動力場 如風(fēng)應(yīng)力 油水界面切應(yīng)力等 驅(qū)動下的整體運動 其運動速度由潮流 風(fēng)海流 風(fēng)浪余流三部分組成 第二節(jié)地表水環(huán)境影響評價概述 一 地表水環(huán)境影響評價的工作任務(wù)明確工程項目性質(zhì) 劃分評價等級 地表水環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查和評價 建設(shè)項目工程污染分析 項目的環(huán)境影響的預(yù)測與評價 提出控制方案和環(huán)保措施 水環(huán)境影響評價工作程序 二 地表水環(huán)境影響評價工作分級1 建設(shè)項目的污水排放量參考 污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn) 通常將我國企業(yè)污水排放量Q m3 d 分為5個檔次 Q 20000 20000 Q 10000 10000 Q 5000 5000 Q 1000 1000 Q 200 污水排放量中不包括間接冷卻水 循環(huán)水以及其他含污染物極少的清凈下水的排放量 但包括含熱量大的冷卻水的排放量 2 建設(shè)項目污水水質(zhì)的復(fù)雜程度污水水質(zhì)的復(fù)雜程度按污水?dāng)M預(yù)測的污染物類型以及某類污染物中水質(zhì)參數(shù)的多少劃分為復(fù)雜 中等和簡單三類 根據(jù)污染物在水環(huán)境中輸移 衰減特點以及它們的預(yù)測模式 將污染物分為四類 持久性污染物 指進入環(huán)境后僅發(fā)生遷移和分散 從而改變其所處的位置和濃度 但總量保持不變 其中還包括在水環(huán)境中難降解 毒性大 易長期積累的有毒物質(zhì) 非持久性污染物 指進入環(huán)境以后 除遷移 分散而改變位置和濃度外 還因污染物本身的衰減而加速濃度的降低 因此其總量隨時間不斷減少 酸和堿 以pH表征 熱污染 以溫度表征 污水水質(zhì)的復(fù)雜程度 復(fù)雜 污染物類型數(shù) 3 或者只有兩類污染物 但需要預(yù)測其濃度的水質(zhì)參數(shù)數(shù)目 10 中等 污染物類型數(shù) 2 且需要預(yù)測其濃度的水質(zhì)參數(shù)數(shù)目 10 或者只需預(yù)測一種污染物 但需要預(yù)測其濃度的水質(zhì)參數(shù)數(shù)目 7 簡單 污染物類型數(shù) 1 需要預(yù)測濃度的水質(zhì)數(shù)數(shù)目 7 3 受納污水的地面水域的規(guī)模河流和河口 按建設(shè)項目排污口附近河段的多年平均流量或平水期平均流量劃分為 大河 150m3 s 中河 15 150m3 s 小河 15m3 s 湖泊和水庫 按枯水期湖泊 水庫的平均水深與水面面積劃分為 4 地面水域的水質(zhì)要求 即水質(zhì)類別 地面水質(zhì)按GB3838 2002劃分為五類 如受納水域的實際功能與該標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)分類不一致時 由當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門對其水質(zhì)提出具體要求 地面水環(huán)境影響評價分級判據(jù) 內(nèi)陸水體 海灣環(huán)境影響評價分級判據(jù) 三 地面水環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查 一 水環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查范圍的確定原則應(yīng)能包括建設(shè)項目對周圍地面水環(huán)境影響較顯著的區(qū)域 在確定某項具體工程的地面水環(huán)境調(diào)查范圍時 應(yīng)盡量按照將來污染物排放后可能的達(dá)標(biāo)范圍 并考慮評價等級的高低 評價等級高時可取范圍略大 河流水環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查的范圍 需要考慮污水排水量大小 河流規(guī)模來確定排放口下游應(yīng)調(diào)查的河段長度 湖泊 水庫以及海灣水環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查范圍 需要考慮污水排水量的大小來確定調(diào)查半徑或調(diào)查面積 不同污水排放量時水域現(xiàn)狀調(diào)查范圍參考表 二 水環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查的時間要求根據(jù)當(dāng)?shù)厮馁Y料初步確定河流 湖泊 水庫的豐水期 平水期 枯水期 同時確定最能代表這三個時期的季節(jié)或月份 遇氣候異常年份 要根據(jù)流量實際變化情況確定 對有水庫調(diào)節(jié)的河流 要注意水庫放水或不放水時量的變化 海灣按大潮期和小潮期劃分 評價等級不同 對調(diào)查時間的要求亦有所不同 當(dāng)調(diào)查區(qū)域內(nèi)面源污染嚴(yán)重 豐水期水質(zhì)劣于枯水期時 一 二級評價的各類水域必須調(diào)查豐水期 若時間允許 三級評價也應(yīng)調(diào)查豐水期 冰封期較長的水域 且作為生活飲用水 食品加工用水的水源或漁業(yè)用水時 應(yīng)調(diào)查冰封期的水質(zhì) 各類水域在不同評價等級時水質(zhì)的調(diào)查時期 三 水文調(diào)查與水文測量的原則與內(nèi)容1 原則應(yīng)盡量向有關(guān)的水文測量和水質(zhì)監(jiān)測等部門收集現(xiàn)有資料 當(dāng)資料不足時 應(yīng)進行一定的水文調(diào)查 測量 與水質(zhì)調(diào)查 監(jiān)測 特別需要進行與水質(zhì)調(diào)查同步的水文測量 一般情況 水文調(diào)查與水文測量在枯水期進行 必要時 其他時期 豐水期 平水期 冰封期等 可進行補充調(diào)查 水文測量的主要內(nèi)容 對象 與擬采用的環(huán)境影響預(yù)測方法密切相關(guān) 在采用數(shù)學(xué)模式時應(yīng)根據(jù)所選用的預(yù)測模式及應(yīng)輸入的水文特征值和環(huán)境水力學(xué)參數(shù)的需要決定其內(nèi)容 與水質(zhì)調(diào)查同步進行的水文測量 原則上只在一個時期內(nèi)進行 它與水質(zhì)調(diào)查的次數(shù)和天數(shù)不要求完全相同 在能準(zhǔn)確求得所需水文要素及環(huán)境水力學(xué)參數(shù)的前提下 盡量精簡水文測量的次數(shù)和天數(shù) 2 河流豐水期 平水期 枯水期的劃分 河流平直及彎曲情況 如平直段長度及彎曲段的彎曲半徑等 橫斷面 坡度 比降 水位 水深 河寬 流量 流速及其分布 水溫 糙率及泥沙含量等 豐水期有無分流漫灘 枯水期有無淺灘 沙洲和斷流 北方河流還應(yīng)了解結(jié)冰 封冰 解凍等現(xiàn)象 在采用數(shù)學(xué)模式預(yù)測時 其具體調(diào)查內(nèi)容應(yīng)根據(jù)評價等級 河流規(guī)模及所選擇的模型要求決定 河網(wǎng)地區(qū)應(yīng)調(diào)查各河段流向 流速 流量關(guān)系 了解流向 流速 流量的變化特點 3 感潮河口感潮河口的水文調(diào)查與水文測量的內(nèi)容應(yīng)根據(jù)評價等級和河流的規(guī)模決定 其中除應(yīng)包括與河流相同的內(nèi)容外 還應(yīng)有 感潮河段的范圍 漲潮 落潮及平潮時的水位 水深 流向 流速及其分布 橫斷面形狀 水面坡度以及潮間隙 潮差和歷時等 在采用數(shù)學(xué)模式預(yù)測時 其具體調(diào)查內(nèi)容應(yīng)根據(jù)評價等級 河流規(guī)模及所選擇的模型要求決定 4 湖泊與水庫應(yīng)根據(jù)評價等級 湖泊和水庫的規(guī)模決定水文調(diào)查與水文測量的內(nèi)容 其中主要有 湖泊水庫的面積和形狀 豐水期 平水期 枯水期的劃分 流入 流出的水量 水力停留時間 水量的調(diào)度和貯量 湖泊 水庫的水深 水溫分層情況及水流狀況 湖流的流向和流速 環(huán)流的流向 流速及穩(wěn)定時間 等 在采用數(shù)學(xué)模式預(yù)測時 其具體調(diào)查內(nèi)容應(yīng)根據(jù)評價等級 湖泊 水庫的規(guī)模及所選擇的模型要求決定 5 海灣海岸形狀 海底地形 潮位及水深變化 潮流狀況 小潮和大潮循環(huán)期間的水流變化 平行于海岸線流動的落潮和漲潮 流入的河水流量 鹽度和溫度造成的分層情況 水溫 波浪的情況以及內(nèi)海水與外海水的交換周期等 在采用數(shù)學(xué)模式預(yù)測時 其具體調(diào)查內(nèi)容應(yīng)根據(jù)評價等級 海灣特點及所選擇的模型要求決定 四 點污染源調(diào)查1 原則以搜集現(xiàn)有資料為主 只有在十分必要時才補充現(xiàn)場調(diào)查或測試 點污染源調(diào)查的繁簡程度可根據(jù)評價級別及其與建設(shè)項目的關(guān)系而略有不同 如評價級別較高且現(xiàn)有污染源與建設(shè)項目距離較近時應(yīng)詳細(xì)調(diào)查 在通過收集或?qū)崪y以取得污染源資料時 應(yīng)注意其與受納水域的水文 水質(zhì)特點之間的關(guān)系 以便了解這些污染物在水體中的自凈情況 2 基本內(nèi)容點源的排放 調(diào)查確定排放口的平面位置 排放方向 排放口在斷面上的位置 排放形式 分散排放或集中排放 排污數(shù)據(jù) 根據(jù)現(xiàn)有的實測數(shù)據(jù) 統(tǒng)計報表以及各廠礦的工藝路線等選定的主要水質(zhì)參數(shù) 并調(diào)查現(xiàn)有的排放量 排放速度 排放濃度及其變化等數(shù)據(jù) 用排水狀況 主要調(diào)查取水量 用水量 循環(huán)水量及排水總量等 廢 污 水的處理狀況 主要調(diào)查廢 污 水的處理設(shè)備 處理效率 處理水量及進 出水的水質(zhì)狀況等 五 非點污染源的調(diào)查1 原則基本上采用收集資料的方法 一般不進行實測 2 基本內(nèi)容 1 非點污染源概況 原料 燃料 廢棄物的堆放位置 堆放面積 堆放形式 堆放點的地面鋪裝及其保潔程度 堆放物的遮蓋方式等 2 非點污染源的排放方式 排放去向與處理情況 應(yīng)說明非點源污染物是有組織的匯集還是無組織的漫流 是集中后直接排放還是處理后排放 是單獨排放還是與生產(chǎn)廢水或生活污水共同排放等 3 非點污染源的排污數(shù)據(jù) 根據(jù)現(xiàn)有實測數(shù)據(jù) 統(tǒng)計報表以及根據(jù)引起非點源污染的原料 燃料 廢料 廢棄物的物理 化學(xué) 生物化學(xué)性質(zhì)選定調(diào)查的主要水質(zhì)參數(shù) 調(diào)查有關(guān)排放季節(jié) 排放時期 排放量 排放濃度及其他變化等數(shù)據(jù) 六 水質(zhì)調(diào)查與水質(zhì)參數(shù)的選擇原則1 水質(zhì)調(diào)查的原則應(yīng)盡量使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料 如資料不足時應(yīng)實測 2 水質(zhì)參數(shù)選擇的原則常規(guī)水質(zhì)參數(shù) 它能反映水域水質(zhì)一般狀況 特征水質(zhì)參數(shù) 它能代表建設(shè)項目將來排放的水質(zhì) 常規(guī)水質(zhì)參數(shù)以GB3838 2002中所提出的pH 溶解氧 高錳酸鹽指數(shù) 五日生化需氧量 凱氏氮或非離子氨 酚 氰化物 砷 汞 鉻 六價 總磷以及水溫為基礎(chǔ) 根據(jù)水域類別 評價等級 污染源狀況適當(dāng)刪減 特征水質(zhì)參數(shù)根據(jù)建設(shè)項目特點 水域類別及評價等級選定 七 河流水質(zhì)采樣斷面與取樣點設(shè)置的原則1 水質(zhì)取樣斷面設(shè)置的原則為評價完整江河水系的水質(zhì) 需要設(shè)置背景斷面 對照斷面 控制 或監(jiān)測 斷面和削減斷面 對于某一河段 只需設(shè)置對照 控制和削減 或過境 三種斷面 在調(diào)查范圍的兩端應(yīng)布設(shè)取樣斷面 調(diào)查范圍內(nèi)重點保護對象附近水域應(yīng)布設(shè)取樣斷面 水文特征突然化處 如支流匯入處等 水質(zhì)急劇變化處 如污水排入處等 重點水工構(gòu)筑物 如取水口 橋梁涵洞等 附近應(yīng)布設(shè)取樣斷面 水文站附近等應(yīng)布設(shè)采樣斷面 并適當(dāng)考慮水質(zhì)預(yù)測關(guān)心點 在擬建成排污口上游500m處應(yīng)設(shè)置一個取樣斷面 2 取樣斷面上水質(zhì)取樣垂線設(shè)置的原則每個斷面處按照河寬布設(shè)水質(zhì)取樣垂線 當(dāng)河流斷面形狀為矩形或相近于矩形時 可按下列原則布設(shè) 小河 在取樣斷面的主流線上設(shè)一條取樣垂線 大 中河 河寬50m者 共設(shè)三條取樣垂線 在主流線上及距兩岸不少于0 5m 并有明顯水流的地方各設(shè)一條取樣垂線 特大河 例如長汁 黃河 珠江 黑龍江 淮河 松花江 海河等 由于河流過寬 應(yīng)適當(dāng)增加取樣垂線數(shù) 而且主流線兩側(cè)的垂線數(shù)目不必相等 擬設(shè)置排污口一側(cè)可以多一些 若斷面形狀十分不規(guī)則時 應(yīng)結(jié)合流線的位置 適當(dāng)調(diào)整取樣垂線的位置和數(shù)目 3 垂線上水質(zhì)取樣點設(shè)置的原則每根垂線上按照水深布設(shè)水質(zhì)取樣點 在一條垂線上 水深 5m時 在水面下0 5m水深處及在距河底0 5m處 各取樣一個 水深為1 5m時 只在水面下0 5m處取一個樣 在水深不足1m時 取樣點距水面不應(yīng) 0 3m 距河底也不應(yīng) 0 3m 對于三級評價的小河 不論河水深淺 只在一條垂線上取一個樣 一般情況下取樣點應(yīng)在水面下0 5m處 距河底不應(yīng) 0 3m 4 水樣的對待二 三級評價 需要預(yù)測混合過程段水質(zhì)的場合 每次應(yīng)將該段內(nèi)各取樣斷面中每條垂線上的水樣混合成一個水樣 其他情況每個取樣斷面每次只取一個混合水樣 一級評價 每個取樣點的水樣均應(yīng)分析 不取混合樣 八 湖泊 水庫水質(zhì)取樣位置與采樣點設(shè)置的原則1 水質(zhì)取樣位置設(shè)置的原則主要考慮污水排放量 評價工作等級 一般按照一定的水域面積布設(shè)水質(zhì)取樣垂線 布設(shè)原則上應(yīng)盡量覆蓋整個調(diào)查范圍 并且能切實反映湖泊 水庫的水質(zhì)和水文特點 如進水區(qū) 出水區(qū) 深水區(qū) 淺水區(qū) 岸邊區(qū)等 取樣位置可以采用以建設(shè)項目的排放口為中心 沿放射線布設(shè)的方法 每個取樣位置的間隔可參考下列數(shù)字 1 大 中型湖泊與水庫 2 小型湖泊 水庫 2 取樣位置上水質(zhì)取樣點設(shè)置的原則每個位置上按照水深布設(shè)水質(zhì)取樣點 1 大 中型湖泊與水庫平均水深 10m時 取樣點設(shè)在水面下0 5m處 但距湖庫底不應(yīng) 0 5m 平均水深 10m時 首先應(yīng)找到斜溫層 在水面下0 5m和斜溫層以下 距湖庫底0 5m以上處各取一個水樣 2 小型湖泊與水庫平均水深 10m時 水面下0 5m 并距湖庫底不小于0 5m處設(shè)一取樣點 平均水深 10m時 水面下0 5m處和水深10m 并距底不小于0 5m處各設(shè)一取樣點 3 水樣的對待小型湖泊與水庫 如水深 10m時 每個取樣位置取一個水樣 如水深 10m時則一般只取一個混合樣 在上下層水質(zhì)差距較大時 可不進行混合 大 中型湖泊與水庫 各取樣位置上不同深度的水樣均不混合 九 海灣水質(zhì)取樣位置與采樣點設(shè)置的原則1 水質(zhì)取樣位置設(shè)置的原則設(shè)置主要考慮污水排放量 評價工作等級 一般按照一定的水域面積布設(shè)水質(zhì)取樣位置 布設(shè)原則上應(yīng)盡量覆蓋相應(yīng)評價等級的調(diào)查范圍 并且切實反映海灣的水質(zhì)和水文特點 取樣位置可以采用以建設(shè)項目的排放口為中心 沿放射線布設(shè)的方法或方格網(wǎng)布點的方法 每個取樣位置的間隔可參考下列數(shù)字 2 取樣位置上水質(zhì)取樣點設(shè)置的原則每個位置上按照水深布設(shè)水質(zhì)取樣點 水深 10m時 只在水面下0 5m處取一個水樣 此點與海底的距離不小于0 5m 在水深 10m時 在水面下0 5m處和水深10m 并距海底不小于0 5m處分別設(shè)取樣點 3 水樣的對待每個取樣位置一般只有一個水樣 即在水深 10m時 將兩個水深所取的水樣混合成一個水樣 但在上下層水質(zhì)差距較大時 可以不進行混合 第三節(jié)地面水環(huán)境影響預(yù)測方法 一 水質(zhì)預(yù)測因子的篩選按照工程分析和環(huán)境現(xiàn)狀 評價等級 當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求篩選和確定建設(shè)項目建設(shè)期 運行期和服務(wù)期滿后篩選擬預(yù)測的水質(zhì)參數(shù) 擬預(yù)測水質(zhì)參數(shù)的數(shù)目應(yīng)既說明問題又不過多 一般應(yīng)少于環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查涉及的水質(zhì)因子數(shù)目 不同預(yù)測時期的水質(zhì)預(yù)測參數(shù)彼此不一定相同 對河流 可以按下式將水質(zhì)參數(shù)排序后從中選取預(yù)測水質(zhì)因子 ISE 水質(zhì)參數(shù)的排序指標(biāo) Cp 建設(shè)項目水污染物的排放濃度 mg L Cs 水污染物的評價標(biāo)準(zhǔn)限值 mg L Ch 評價河段的水質(zhì)濃度 mg L Qp 建設(shè)項目的廢水排放量 m3 s Qh 評價河段的流量 m3 s ISE是負(fù)值或是越大 說明擬建項目排污對該項水質(zhì)因子的污染影響越大 二 預(yù)測條件的確定1 受納水體的水質(zhì)狀況 一般采用環(huán)評實測水質(zhì)成果數(shù)據(jù)或者利用收集到的現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測資料數(shù)據(jù) 2 擬預(yù)測的排污狀況 正常排放 或連續(xù)排放 不正常排放 或瞬時排放 有限時段排放 3 預(yù)測的設(shè)計水文條件 在預(yù)測時應(yīng)考慮水體自凈能力不同的多個階段 如 對于內(nèi)陸水體 自凈能力最小的時段一般為枯水期 個別水域由于面源污染嚴(yán)重也可能在豐水期 對于北方河流 冰封期的自凈能力最小 情況特殊 4 水質(zhì)模型參數(shù)和邊界條件 或初始條件 需確定污染物排放源強 排放位置 排放方式 三 水體簡化的要求自然界的水體形狀和水文 水力學(xué)要素比較復(fù)雜 而不同等級的評價 各有不同的精密度要求 為了減少預(yù)測的難度 可在滿足精度要求的基礎(chǔ)上 對水體邊界形狀進行規(guī)則化 對水文 水力學(xué)要素做適當(dāng)?shù)暮喕?對污染源進行簡化 以使用比較簡單的方法達(dá)到預(yù)測的目的 第三節(jié)水質(zhì)模型 一 模型分類 按時間特性 動態(tài)模型 穩(wěn)態(tài)模型 處于穩(wěn)定流動狀態(tài)和污染源連續(xù)穩(wěn)定排放的條件下 環(huán)境中的污染物分布狀況也是穩(wěn)定的 這時 污染物在某一空間位置的濃度不隨時間變化 這種不隨時間變化的狀態(tài)被稱為穩(wěn)態(tài) 即 按描述水質(zhì)組分 單一組分 多組分的水質(zhì)模型 單一組分的水質(zhì)可模擬的污染物類型包括 持久性污染物 非持久性污染物和廢熱 水溫預(yù)測變化 多組分的水質(zhì)模型 水體中一組分的遷移轉(zhuǎn)化與另一組分 或幾個組分 的遷移轉(zhuǎn)化是相互聯(lián)系 相互影響的 如S P模型模擬的BOD和DO 按空間維數(shù) 零維 一維 二維 三維水質(zhì)模型 零維模型 當(dāng)把所考察的水體看成是一個完全混合反應(yīng)器時 即水體中水質(zhì)組分的濃度是均勻分布 即在任何一個空間方向上都不存在濃度的變化 進入的污染物能在瞬間內(nèi)分散到空間各部位 根據(jù)質(zhì)量守恒原理 可以寫出反應(yīng)器的平衡方程 即零維模型 對于一個沒有源 匯項的反應(yīng)器 即S 0 如果污染物的反應(yīng)符合一級反應(yīng)動力學(xué)的衰減規(guī)律 即 kc k 為污染物衰減速度常數(shù) 注 小型湖泊屬零維模型 一維水質(zhì)模型 如果污染物濃度只沿x軸方向變化 在y軸和z軸上濃度是均勻的 在均勻流場中 ux和Ex可看作常數(shù) 則 如果污染物的降解服從一級反應(yīng) 在x方向無其他源匯項 則S x c t kc注 河流水質(zhì)的模擬和預(yù)測常用 二維水質(zhì)模型 當(dāng)在x和y方向污染物濃度都有變化 在z軸上濃度是均勻的 注 大型的河流 河口 海灣 淺湖的水質(zhì)模擬和預(yù)測常用 三維水質(zhì)模型 描述水質(zhì)組分 遷移變化在三個方向進行 二 穩(wěn)態(tài)條件下基本模型的解析解在某種條件下 如果所研究的問題的尺度很大 在這樣一個時間尺度下的污染物濃度的平均值保持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)下 這時可以通過取平均值把動態(tài)問題按穩(wěn)態(tài)處理 如河口的水文 水質(zhì)狀態(tài)都是隨時間變化 但在水質(zhì)管理中 常不在于了解水質(zhì)的逐時變化 而是在一個周期內(nèi)的平均水質(zhì)狀態(tài) 研究平均的水質(zhì)狀態(tài)可以在滿足管理要求的同時 大大降低模型的復(fù)雜程度 這種平均狀態(tài)也可用穩(wěn)態(tài)模型描述 一 零維水質(zhì)模型小型湖泊 水庫 在穩(wěn)態(tài)條件下 V Q 水流理論停留時間 例 一個庫容1 105m3的水庫 進水和出水流量為4 104m3 d 進水BOD5 8mg L 降解系數(shù)k 0 5 d 河水可與庫水迅速混合 求出水BOD5 河水流量與污水流量之比大于10 20 不需考慮污水進入水體的混合距離 二 一維模型在穩(wěn)態(tài)條件下 對于非持久性或可降解污染物 若給定x 0 c c0 則 對于一般條件下的河流 推流形成的污染物遷移作用要比彌散作用大得多 在穩(wěn)態(tài)條件下 彌散作用可以忽略 則 河流完全混合模型 廢水與河水混合后的污染物濃度 mg L 河流中污染物的背景濃度 mg L 廢水中的污染物濃度 mg L 河流的流量 排入河流的廢水的流量 完全 單純 混合模型假設(shè) 條件 河流是穩(wěn)態(tài)和定常排放的 即河床斷面積 流速 流量及污染物的輸入量不隨時間變化 污染物在整個河段內(nèi)混合均勻 即濃度處處相等 廢水中的污染物為保護性 持久性 物質(zhì) 不分解也不沉淀 無支流和其它排污口廢水進入 因此 完全混合模型可在兩種情況下應(yīng)用 一是排放的污染物與河水完全迅速混合 二是要預(yù)測的是持久性污染物 雖然廢水與河水完全混合的時間較長 仍可用完全混合模型 例 均勻河段長10km 有一含BOD的廢水從這一河段的上游端點流入廢水流量為0 2m3 s BOD濃度200mg L 上游河水流量2 0m3 s BOD濃度2mg L 河水的平均流速u 20km d BOD的衰減系數(shù)k 2 d 求廢水入河口以下1km 2km 5km處的河水中BOD的濃度 以 x 0 5km為單位 將河段分成環(huán)境單元 即1km 2km 5km處的河段分別處在i 2 4 10的位置 計算BOD的濃度 同理 分別用4和10代替上式中的i 有C4 16 5 mg L C10 12 3 mg L 解 河段初始斷面河水中BOD濃度為 例 一均勻河段 有含BOD的廢水流入 河水的平均流速ux 20km d 起始斷面河水 和廢水完全混合后 含BOD濃度為C0 20mg L BOD的衰減系數(shù)k 2 d 擴散系數(shù)Ex 1km2 d 求下游1km處的河水中BOD的濃度 解 C 18 1 mg L 例 一個改擴建工程擬向河流排放廢水 廢水量為0 15m3 s 苯酚濃度為30ug L 河流流量為5 5m3 s 流速ux 0 3m s 苯酚背景濃度為0 5ug L 苯酚的降解系數(shù)k為0 2d 1 縱向彌散系數(shù)Ex 10m2 s 求排放點下游l0km處的苯酚濃度 教材第72頁 三 二維模型 Ex x坐標(biāo)方向的彌散系數(shù) ux x方向的流速分量 Ey y坐標(biāo)方向的彌散系數(shù) uy y方向的流速分量 在穩(wěn)態(tài)條件下 1 無邊界的連續(xù)點源排放 兩邊寬度無限 QA 單位時間內(nèi)排放的污染物量 即源強 h 平均水深 如果忽略Ex和uy 則 注 可用于大型湖泊岸邊排放的污染預(yù)測 如果污染源在邊界上向一邊無限寬度空間排放 則 注 可用在寬度很大的河流上且點源岸邊排放的污染預(yù)測 一邊寬度無限 2 有邊界的連續(xù)點源排放在有邊界的情況下 污染物的擴散會受到邊界的反射 這種反射類似于一個虛源的排放 如果存在有限邊界 即有兩個邊界 這時的反射次數(shù)p將是無限的 1 如果污染源處在兩個邊界之間 則 離岸邊距離a處排放 a B 2 2 如果污染源為邊界排放 而且環(huán)境的寬度為B 同樣可以通過假設(shè)對應(yīng)的虛源來模擬邊界的反射作用 則 岸邊排放 例 連續(xù)點源D單位時間內(nèi)排放的污染物量QA 100g s 河流水深1 5m 流速ux 0 3m s 橫向彌散系數(shù)5m2 s 污染物的衰減速度常數(shù)k 0 求 1 無邊界約束條件下 x 2000m y 10m處的污染物濃度 2 在岸邊排放 河流寬度無窮大 x 2000m y 10m處的污染物濃度 3 在岸邊排放 河流寬度B 100m時 x 2000m y 10m處的污染物濃度 解 1 0 34mg L 2 0 68mg L 3 p 2時 4 10mg L p 4時 4 38mg L 三 污染物到達(dá)邊界的縱向距離 在二維介質(zhì)中 如果邊界的污染物濃度達(dá)到斷面平均濃度的5 則稱污染物到達(dá)岸邊或地面 從污染物排放點到污染物到達(dá)邊界的縱向距離就稱為污染物到達(dá)岸邊所需的距離 污染物在中心排放 污染物在邊界上排放 四 污染物與河水完全混合所需距離 當(dāng)某一斷面上任意點的濃度與斷面平均濃度之比介于0 95 1 05之間時 稱該斷面已經(jīng)達(dá)到橫向混合 由排放點至完成橫向混合斷面混合的距離稱為完成橫向混合所需的距離 中心排放 岸邊排放 五 BOD DO耦合模型 一 S P Streeter Phelps 模型1 基本假設(shè) 河流中的BOD的衰減和DO的復(fù)氧都是一級反應(yīng) 反應(yīng)速度時定常的 河流中的耗氧是由BOD衰減引起的 而河流中的DO來源則是大氣復(fù)氧 L 河水中的BOD值 mg L D 河水中的氧虧值 mg L 飽和溶解氧濃度與河水中的實際溶解氧濃度的差值 k1 河水中BOD衰減 耗氧 系數(shù) 1 d k2 河水中的復(fù)氧系數(shù) 1 d t 河水中的流行時間 d 2 基本方程 其解析解為 L0 河流起始點的BOD值 D0 河流起始點的氧虧值 如果以河流的溶解氧來表示 則 c O 河流中的溶解氧值 c Os 飽和溶解氧值 注 圖中假設(shè)在排放點斷面處污水即與河水完全混合 飽和溶解氧濃度c Os 是溫度 鹽度和大氣壓力的函數(shù) 在101kPa壓力下 淡水中的飽和溶解氧計算 T 溫度 在臨界點 河水的氧虧值最大 且變化速率為零 則 Dc 臨界點的氧虧值 tc 由起始點到達(dá)臨界點的流行時間 臨界氧虧發(fā)生的時間tc 臨界氧虧發(fā)生的距離xc 例 河邊擬建一工廠 排放含氯化物廢水 流量2 83m3 s 含氯化合物濃度1300mg L 該河平均流速0 46m s 平均河寬13 7m 平均水深0 61m 含氯化合物濃度100mg L 如該廠廢水排入河中能與河水迅速混合 問河水氯化物是否超標(biāo) 設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)為200mg L 解 河水流量Q u B H 0 46 13 7 0 61 3 84m3 s 該廠廢水若排入河中 河水氯化物將超標(biāo)約3倍 例 一個擬建工廠 將廢水經(jīng)過處理后排入附近的一條河流中 已知現(xiàn)狀條件下 河流中BOD5的濃度是2 0mg L 河水中溶解氧濃度是8 0mg L 河水水溫是20 河流流量是14m3 s 排放的工業(yè)廢水 BOD5的濃度在處理前為800mg L 水溫為20 流量為3 5m3 s 廢水排放前經(jīng)過處理溶解氧濃度為4 0mg L 假定廢水與河水在排放口附近迅速混合 混合后河道中平均水深達(dá)到0 8m 河寬15m 參數(shù)k1 20 0 23d 1 k2 3 0d 1 若河流的溶解氧標(biāo)準(zhǔn)為5 0mg L 計算工廠排除廢水中允許進入河流的BOD5最大濃度 解 1 混合后的流量 Q q 14 3 5 17 5m3 s 2 河流流速 u Q q B H 1 46m s 3 起始斷面溶解氧濃度 4 20 時的飽和溶解氧濃度 5 起始斷面氧虧值 D0 9 07 7 2 1 87mg L 6 最大允許氧虧值 Dc 9 07 5 4 07mg L 已知條件 河流 c1 2 0mg L c O 1 8 0mg L Q 14m3 s B 15m H 0 8m 廢水 c2 800mg L c O 2 4 0mg L q 3 5m3 s k1 0 23d 1 k2 3 0d 1 T 20 河流溶解氧標(biāo)準(zhǔn)值 5 0mg L 7 工廠排放的廢水中最高允許BOD5濃度為 8 采用試算法 假定不同的起點BOD5的濃度 得到相應(yīng)于溶解氧濃度不低于5 0mg L的臨界氧虧值 溶解氧濃度不低于5 0mg L 因此 取L0 63 3mg L 9 工廠處理后排放出BOD5允許濃度為 BOD5 17 5 63 3 14 2 3 5 308 5mg L 而廢水中實際BOD5濃度為800mg L 因此必須采取有效措施削減 800 308 5 800 61 44 才能排放 3 S P模型的缺陷和修正方法 引入自凈系數(shù)f k2 k1 當(dāng)dD dt 0時有L fD L fD dD dt 0 河流中的溶解氧呈下降態(tài)勢 L fD dD dt 0 河流中的溶解氧保持不變 L fD dD dt 0 河流中的溶解氧呈上升態(tài)勢 對于S P模型失效的重污染河流可以進行分段討論 六 S P模型的修正型 1 托馬斯 Thomas 1937 模型對一維靜態(tài)河流 在S P模型的基礎(chǔ)上考慮沉淀 絮凝 沖刷和再懸浮過程對BOD去除的影響 引入了BOD沉降系數(shù)k3 適用于沉降作用明顯的河流 2 多賓斯 坎普 Dobbins Camp 1939 模型一維靜態(tài)河流 考慮地面徑流和底泥釋放BOD所引起的BOD變化速率 該速率以B表示 考慮藻類光合作用和呼吸作用以及地面徑流所引起的溶解氧變化速率 以P表示 B 底泥的耗氧速率 P 河流中光合作用的產(chǎn)氧速率 3 奧康納 D O Conner 1961 模型 kN 含氮化合物的衰減速率常數(shù) L 有機物碳化BOD值 Ln 含氮化合物的硝化BOD值 一個污染較重的河段 一般是先發(fā)生有機物的碳化過程 然后再發(fā)生含氮化合物的硝化過程 對于一個受污染較輕的河段 則兩個過程可能同時發(fā)生 在托馬斯模型基礎(chǔ)上考慮了硝化過程對溶解氧過程的影響 若給定初始條件為 當(dāng)x 0時 L L0 Ln LN D D0 則解為 七 河流水質(zhì)模型中參數(shù)估值 一 河流彌散系數(shù)對于一個流量恒定 無河灣的順直河段 如果河的寬度很大 而水深相對較淺 H 斷面平均水深 u 摩阻流速 剪切流速 系數(shù) 可由實驗確定 I 水力坡度 g 重力加速度 9 80m s2 不同的河流條件下 y和 x變動很大 一般河流的 z在0 067左右 天然河流中的實測數(shù)據(jù)標(biāo)明 x的變化幅度很大 對于河寬15 60m的河流 x 14 650 多數(shù)在140 300 y的情況較復(fù)雜 菲希爾統(tǒng)計分析了許多矩形明渠資料 得出 y 0 1 0 2 平均為0 15 有些灌溉渠道達(dá)0 25 根據(jù)我國一些實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計 可得 B H 100 H B為河流斷面的平均水深和水面寬度 河流斷面形狀與 y的關(guān)系 泰勒 Taylor 公式 適用于河流 愛爾德 Elder 公式 適用于河流 二 耗氧系數(shù)k1的估值方法 1 實驗室測定值修正法 1 原理 最理想的方法是用自動B