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o 6.1 水体与水体污染n 6.1.1 水体和水体污染n 6.1.2 水体污染物及污染源n 6.1.3 水体污染类型o 6.2 河流水质模型n 6.2.1 河流水质模型简介n 6.2.2 河流的混合稀释模型n 6.2.3 守恒污染物在均匀流场中的扩散模型n 6.2.4 非守恒污染物在均匀河流中的水质模型n 6.2.5 Streeter-Phelps（ S-P）模型n 6.2.6 河流水质模型中参数估值o 6.3 湖泊水库模型与评价n 6.3.1 湖泊环境概述n 6.3.2 湖泊环境质量现状评价n 6.3.3 湖泊环境预测模式o 6.4 地面水环境影响评价n 6.4.1 评价目的、分级及程序n 6.4.2 环境影响评价大纲 n 6.4.3项目分析和污染源调查 n 6.4.4地区水环境调查 n 6.4.5水环境影响预测及评价 n 6.4.6清洁生产和水污染防治 6.1 水体与水体污染o 6.1.1 水体和水体污染n 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。 n 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。 o 6.1.2 水体污染物及污染源n 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。n 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。o 6.1.3 水体污染类型n 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n 6.2.1 河流水质模型简介n 6.2.2 河流的混合稀释模型n 6.2.3 守恒污染物在均匀流场中的扩散模型n 6.2.4 非守恒污染物在均匀河流中的水质模型n 6.2.5 Streeter-Phelps（ S-P）模型n 6.2.6 河流水质模型中参数估值河流水质模型简介o 为了选择使用的方便，可以把它们按不同的方法进行分类。o 按时间特性分类，分动态模型和静态模型。o 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。o 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)混合系数 a ， 稀释比 n 定义 混合过程段的污染物浓度 Ci 及混合段总长度 L 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 均匀流场中的扩散方程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（ 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)。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2完成横向均匀混合的距离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，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。中心排放情况，岸边排放情况，例 6-2o 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dC dt =0，1.零维水质模型图 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 xC0C3C1 C5C4C2C3C1 C5C4C22.一维水质模型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 。6.2.5 Streeter-Phelps（ S-P）模型o 1 S-P模型基本方程及其解o S-P模型的建立基于两项假设：n 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。n 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。o S-P模型的基本方程为：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。这两个方程式是耦合的。当边界条件时，式 (6-25)的解析解为 : 2 S-P 模型的临界点和临界点氧浓度o 讨论 S-P 模型临界点氧浓度求出负值怎么办。o 系统分析方法如何应对模型的失效3 S-P 模型的缺陷和修正方法引入自净系数 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 6-4Shastry 非线性模型：3 S-P 模型的修正型o (1)托马斯 (Thomas)模型o 对一维静态河流，在 SP 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，(2)多宾斯 坎普 (DobbinsCamp) 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。 (3)奥康纳 (OConnon)模型o 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 ；o Lc0, 河流 x=0 处，含碳有机物 BOD浓度，mg/L。o 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， 例 6-4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： C =18.1 (mg/l)C =18.1 (mg/l)6.2.6 河流水质模型中参数估值o 1.纵向扩散系数 Dx 的估值o 2. 耗氧系数 k1 的估值方法o 3. 复氧系数 k2 的估值方法 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n 6.3.1 湖泊环境概述n 6.3.2 湖泊环境质量现状评价o 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o 水质评价方法 ：污染指数法、分级聚类法、模糊数学方法 o 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 0.3 0.5m)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 506.3.3 湖泊环境预测模式o 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 湖泊完全混合衰减模式o 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。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： 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n 6.4.1 评价目的、分级及程