地表水环境影响评价.ppt

第四章 水环境质量评价,1,河 流,湖 泊,内容提要,地表水体的污染和自净 河流和河口水质模型 湖泊（水库）水质模型 水质模型的标定 开发行动对地表水影响的识别 地表水环境影响预测和评价,本章在介绍水体受污染的形式及其自净过程、水质模型的基础上，论述地表水环境影响的识别、预测和评价（重点为地表水体的水质）。,5,水环境影响评价,水环境影响评价的目的: 是通过调查分析、预测、评估，定量地预测未来的开发行动或建设项目向受纳水体中的污染物排放量，弄清污染物在水体中的迁移、转化规律，提出建设项目和区域环境污染物的控制和防治对策，以实现环境保护的目标。,6,41 地表水体的污染和自净,地表水及地表水资源 地表水的含义：河流、河口、湖泊（水库、池塘）、海洋、湿地等水体的统称。 地表水资源：总量约为13.9亿km3，其中：海水97，淡水3 （2.997为冰山）。,7,8,水体污染：水的感官性状、物理化学性质、水生物组成、底部沉积物的数量和组分等发生恶化，破坏水体原有功能的现象。 按方式分：点源、面源（面，线或分散点） 点污染源：通过管道和沟渠收集排入水体的废水。 按污染性质分： 持久性污染物：如重金属 非持久性污染物：如一般有机物 水体酸碱度：以pH为表征 热效应：造成受纳水体的水温变化,9,非点污染源（面源）：分散或均匀地通过岸线进入水体和自然降水通过沟渠进入水体的废水。 非点源污染负荷估算的途径：复杂，难定量 1）在对水土流失过程及其主要制约因素进行大量调查的基础上，通过对非点源污染物的输出过程的模拟来研究区域污染物对接受水体的输出总量。 2）采用直接或间接途径估算非点污染源总径流量和平均径流污染物浓度以计算总污染负荷量。,10,水体污染 水体污染物 P61 耗氧有机污染物 营养物 有机毒物 重金属 非金属无机毒物 病原微生物 酸碱污染 石油类 热污染,11,水体自净：水体在其环境容量范围内，经过自身的物理、化学和生物作用，使受纳的污染物浓度不断降低，逐渐恢复原有水质的过程。 污染物在水体中的迁移和转化 推流迁移：污染物随着水流在X、Y、Z三个方向上平移运动产生的迁移作用。（前后、左右、上下）p100 分散稀释：污染物在水流中通过分子扩散、湍流扩散和弥散作用分散开来而得到稀释。 p100 转化和运移：污染物在悬浮颗粒上的吸附或解吸、污染物颗粒的凝并、沉淀和再悬浮。底泥中污染物随底泥沉淀物运移，热污染的传导和散失。,12,分散稀释方式,分子扩散：由分子的随机运动引起的质点分散现象，符合费克第一定律，即分子扩散的质量通量与扩散物质的浓度提督成正比 湍流扩散：在湍流流场中质点的各种状态的瞬时值相对于其时平均值的随机脉动而导致的分散现象。 弥散：由于横断面上实际的流速分布不均匀引起的分散作用。,13,水体自净 自然净化 物理作用：稀释、沉淀 （强） 化学作用：日光、氧气等对污染物的分解 （弱） 生物作用：生物降解（食物链） （强）,14,问题：水体自净速度有哪些限制因素？,物理？ 净水流量、流速、污染物物理性质 化学？ 地域、季节、天气 生物？ 生物种类、数量（营养物浓度、环境因子）、代谢的极限速度,因此水体的自净速度是有限的。在正常情况下，水体单位时间内通过正常生物循环中能够同化有机污染物的最大数量称为同化容量或自净容量。,在自净容量范围内水体的净化是如何进行的呢？,15,A自净的过程,水体自净过程大致如下 a.物理作用有机污染物排入水体后被水稀释，有机和无机固体沉降到河底；,如下图河流污染和自净过程,16,河流污染和自净过程图,污水,原理？,17,被污染的水体都是自净水体！ 但自净恢复的程度不同，或称污染现状不同。,18,2衡量水体污染与自净的指标,问题：用什么指标可以衡量河段水体污染与自净所处的阶段?,水体外观、化学指标、生物种类、数量及比例关系、溶解氧等等,污水河,19,APH指数与BIP指数 P代表光合自养型微生物（如藻类） H代表异养型微生物（如细菌等），两者的比即PH指数。 P/H =（有叶绿素的微生物数量）/（异养微生物数量） BIP =（无叶绿素的微生物数量）/（全部微生物数量）H/（P+H）100%,20,B氧浓度昼夜变化幅度,河流污染中氧浓度昼夜变化示意图,问题：为什么不同的净化程度昼夜变化幅度不同？ 氧浓度高低与细菌含量有关，昼夜变幅与藻类数量有关，因此与P/H或BIP有关。,21,C水体外观,外观特征：混浊程度、颜色及气味等 原因：水中细菌种类数量、悬浮物种类数量,22,水温的变化 工业污染源：发电厂、化工厂等排放的热水。 自然因素：水面同大气的热量交换、水体同河床的热量交换、太阳的辐射等。,23,4.2.2 评价工作等级和工作程序,4.2.2.1 评价等级 依据环境影响评价技术导则的规定，地表水环境影响评价工作分为三级，一级评价最详细，二纵次之，三级较简略。 水环境质量评价等级的划分原则是： 建设项目的污水排放量； 污水水质的复杂程度； 受纳水体的规模； 受纳水体对水质的具体要求。,24,根据上述原则，进行水环境影响评价时，依据以下四项指标来衡量地表水环境影响评价的级别。 (1)建设项目污水排放量 通常将企业污水排放置分为5个档次： 大于20000m3/d； 1000020000m3/d 500010000m3/d； 10005000m3/d， 小于1000m3/d。,25,(2)建设项目污水水质的复杂程度,复杂：污染物类型数3，或者只有2类污染物，但需要预测其浓度的水质参数数目10； 中等：污染物类型数2，且需预测其浓度的水质参数数目10，或者只需预测一种污染物，但需要预测的水质参数数目7； 简单：污染物类型数1，需要预测浓度的水质参数数目7。,26,（3）地表水域规模,河流或河口规模的划分 水环境影响评价时最好以枯水期的平均流量作为河流（河口）大小规模的判据。 由于这种资料难以取得，环境影响评价技术导则规定地表水以多年平均流量为划分依据。如果没有多年平均流量，则用平水期平均流量。 根据技术导则规定，拟建项目排污口附近河流断面的多年平均流量大于150m3/s的为大河，小于15m3/s的为小河，介于二者之间的为中河。,27,湖泊和水库规模的划分,与河流类似，以湖泊和水库枯水期蓄水量和蓄水面积作为划分依据。但此时期的资料不易获得，因此以多年平均情况作为划分依据。没有多年平均资料的，用平水期的平均资料。划分规定如下： 当平均水深10m时： 大湖(水库) 50km2 中湖(水库) 550km2 小湖(水库) 5km2,当平均水深10m时： 太湖(水库) 25km2 中湖(水库) 2.525km2 小湖(水库) 2.5km2,28,（4）地表水水质要求,以地表水环境质量标准（GB3838-2002）划分地表水的水域功能，如果受纳水体的实际功能与该标难的水质分类不一致时，可根据项目所在地人民政府规定的水环境功能区划来确定受纳水体的功能，然后确定对地表水水质的要求。 地表水环境影响评价时可参照表4-12划分评价等级。,29,表4-12 地表水环境影响评价分级,30,续表4-12,31,地下水评价等级的划分,（1）工程特点 包括工程规模、性质、能源结构、生产工艺，特别是废水排放特征。 （2）环境特征 主要是与污染物迁移转化有关的自然环境特征，包括评价区的地层条件、水文地质条件、地球化学特征以及地下水的开发利用情况。 （3）所处地理位置 主要是与大城市、重要名胜古迹或旅游地区、水源地方位。,32,表4-13 地下水环境影响评价等级的划分依据,33,图4-1 水环境影响评价工作程序,34,4.2.3 预测条件的确定和预测方法,（1）评价因子的筛选 评价因子的筛选应根据评价项目的特点和评价范围内水环境污染的特点而定。筛选原则包括： 按等标排放量大小排序，选择排位在前的因子，但对那些毒性较大、持久性的污染物应慎重取舍。 在受项目影响的水体中已经造成严重污染的污染物或已无负荷容量的污染物。 经环境调查已经超标或接近超标的污染物。 地方环保部门要求预测的敏感污染物。,35,（2）预测范围与预测点位,预测范围一般与地面水环境现状调查的范围相同或略小，其确定原则与现状调查相同。 在预测范围内布设适当的预测点，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。 一般选择以下地点为预测点： 已确定的环境敏感点； 环境现状监测点； 水文特征和水质突变处、现有水文站、河流分又或会合处等。,36,（3）预测阶段,分建设期、运营期和服务期满后3个阶段。 所有建设项目均应预测生产运行阶段对地表水环境的影响。按正常排放和不正常排放进行预测。 对于建设期超过1年的大型建设项目，如可能进入地面水环境的堆积物较多或土方量较大，且受纳水体的水质要求较高（III类以上）时，应进行建设期的环境影响预测。 个别建设项目应根据其性质、评价等级、水环境的特点和当地的环保要求，预测服务期满后的水环境的影响。,37,（4）预测时段,地表水预测时段分为丰水期、平水期和枯水期3个时期。一般说，枯水期河水的自净能力最小，平水期次之，丰水期最大。 评价等级为一、二级时，应分别预测建设项目在枯水期和平水期2个时段的环境影响。 对冰封期较长的水域，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，还应预测此时段的影响。 评价等级为三级或评价等级为二级但评价时间较短时，可只预测枯水期的环境影响。,38,4.2.3.2 预测方法的选择,（1）数学模型法 是利用适合的水质模型预测建设项目引起的水体水质变化，从而预测建设项目的水环境影响的定量方法，已经在许多水域获得了成功应用。 该方法比较简单，应首先考虑选用。 但这种方法需要一定的计算条件和输入必要的参数，而且污染物在水中的净化机制有的很难用数学模型来表述，影响了预测的准确性。,39,（2）模拟试验法,根据相似理论，在按一定比例缩小的环境模型上进行水质模拟实验，以预测由建设项目引起的水体水质变化。 该方法需要相应的实验条件，制作实验模型需要花费大量的人力、物力和时间。 若评价级别较高，对预测结果要求很严，又无法用数学模型进行预测时，可采用这种方法。 但是，模拟实验的条件不能完全和实际水体一致，因此，评价环境影响时应留有一定的安全系数。,40,（3）类比调查法,是参照现有相似工程对水体的影响来预测拟建项目对水环境的影响。 该法要求建设项目和类比项目污染物来源、性质相似，并在数量上有比例关系。此种预测属于定性或半定量性质。 类比法所得结果较租糙，一般在评价工作级别较低，且评价时间较短，只有在无法取得足够的参数和数据时采用。,41,4.2.4 水环境影响评价中常用的水质模型,4.2.4.1 污染物在水体中的迁移转化 污染物从不同途径进入水体以后， 随着水体介质的迁移运动、污染物的分散作用以及污染物的衰减转化作用， 污染物在水体中会得到稀释和扩散， 从而逐渐与水体混合达到稀释， 降低污染物在水体中的浓度。,42,混合过程一般分为3个阶段：,竖向混合阶段，是从排污口到污染物在水深方向上充分混合； 横向混合阶段，是从竖向充分混合到横向充分混合阶段； 横断面上充分混合以后到长度方向充分混合的阶段。,43,（1）迁移运动,是指污染物在水流作用下的转移运动，只是改变污染物在水中的位置，并不改变水中污染物的浓度。污染物的迁移通量可由下式计算：,f = u C,44,（2）分散运动,污染物在水体中的分散运动是由浓度梯度引起。 包括分子扩散、湍流扩散和弥散扩散三种形式。 研究分散运动时，通常设污染物质点足够小，使其运动特性与水质点的运动学特征一致。 这一假设对于多数溶解性污染物或呈胶体状态的污染物质是可以满足的。,45,分子扩散是由于分子的随机运动引起的质点分散现象。 该过程服从Fick第一扩散定律，即分子扩散的质量通量与扩散物质的浓度梯度成正比，即：,i = 1，2，3,注意：分子扩散是各向同性的，上式中的负号表示质点的迁移指向负梯度方向。,46,湍流扩散是在水体的湍流场中质点的各种状态（流速、压力、浓度等）的瞬时值相对于其平均值的随机脉动而引起的分散现象。当水质点的亲流瞬时脉动速度为稳定的随机变量时，湍流扩散也可以用Fick第一定律描述，即：,i = 1，2，3,注意：由于湍流的特点，湍流扩散系数是各向异性的。湍流作用是由于计算中采用了时间平均值描述湍流的各种状态导致的，如果直接用瞬时值计算，就不会出现湍流扩散项。,47,弥散作用是由于断面上实际的流速及浓度分布的不均匀性引起的分散现象。 定义：由于空间各点湍流速度（或其他状态）的时平均值与流速时平均值的空间平均值的系统差别所产生的分散现象。 弥散作用导致的质量通量可用下式计算：,i = 1，2，3,48,（3）转化运动,进入环境的污染物可分为守衡污染物和非守衡污染物两大类： 守衡污染物进入环境后仅发生迁移和分散，从而改变其所处的位置和浓度，但总量保持不变。例如重金属离子。由于环境对其无严格意义上的自净能力，因此，应严格控制其排放量。 非守衡污染物进入环境以后，除迁移、分散而改变位置和浓度外，还因污染物本身的衰减而使浓度的降低，因此，其总量随时间不断减少。,49,非守衡污染物的衰减方式有两种： 由于污染物自身的运动规律决定的， 在水环境因素的作用下，由于化学的或生物的反应而不断衰减。 非守衡污染物在水体中的衰减过程通常用一级反应动力学规律加以描述，即：,50,4.2.4.2 常见的河流水质模型,（1）完全混合模型 废水排入一条河流时，如果满足下述条件： 河流是稳态的，即河床断面积、流速、流量不随时间变化，污染物稳定排放。 污染物在整个河段内混合均匀，即河段内各点的污染物浓度相等。 排人河流中的污染物为守衡污染物，不降解也不沉淀。 河流无支流和其他污水排入口。,51,此时，在排水口下游某点的污染物浓度可按完全混合模型计算：,52,（2）零维模型,如果污染物浓度在任何空间方向上不存在变化，即污染物完全均匀地混合到环境介质中去，可以考虑用零维模型计算污染物的浓度，如湖泊。 对于河流常用零维模型解决的问题有： 不考虑混合距离的守衡污染物浓度的预测和环境容量的估算； 有机物降解物质的降解项可以忽略时，可以采用零维模型。,53,零维模型的基本方程为：,54,对于一个没有源和汇的河段，如果假设污染物的反应符合一级反应动力学规律，即r-kC，则上式可以简化为：,可见，零维模型的解由稳态解和一个随时间的衰减项所构成。,55,（3）一维水质模型,一维河流水质模型是目前应用员广泛的模型，它适用于污染物浓度仅在一个方向上有变化的场合，如宽度比较窄的河流。 如果河段横截面、流速、流量、污染物的排人员和弥散系数不随时间变化，且污染物的衰减特合一级反应，河段不考虑源和汇，一维模型的基本方程为：,（4-26）,56,（4-27）,（4-28）,在通常情况下，式(4-26)中的扩散项与迁移项相比可以忽略不计，从而在稳态条件下有：,该式的解为：,（4-29）,57,式（4-27）和式（4-29）中的初始浓度，即xo处的浓度Co可按下式计算。,58,例2：某河段的上断面处有一岸边排放口稳定地向河流排放污水，其污水排放特征为：QE=4.5m3/s，BOD5(E)=60mg/L；河流水环境特征参数为Qp=25.0m3/s， BOD5(p)=2.6mg/L。假设污水一进入河流就与河水均匀混合，试计算在排污口断面处BOD5的浓度？,59,对于非稳态情况，即 时，比较简单的情况是污染物的瞬时排放，此时的边界条件：,其中：,在此边界条件下，可求出一维模型的非稳态解：,（4-36）,60,（4）二维模型,对于大型河流，污染物浓度不仅要考虑污染物浓度沿纵向的变化，还要考虑污染物浓度沿河宽方向的变化，这时需要用二维模型来预测计算。二维模型的基本微分方程为：,（4-34）,61,边界条件比较简单时，可以直接求出式（4-34）的解。加在等宽等深的河流中，断面平均流速vx不变，横向平均流速vy0，横向弥散系数Dy为常数。而且一般情况下，纵向扩散系数远小于迁移项。这时式（4-34）可简化为：,（4-35）,（4-36）,在岸边排放且无对岸边影响的条件下，其稳态解为：,式中 m污染物的源强。,62,（5）BOD-DO模型,河水中溶解氧的消耗是由于水和底泥中有机物的分解及水生生物的代谢作用引起的。 河水中溶解氧的来源包括大气复氧和水体中水生生物的光合作用等。 斯特里持-费尔普斯提出的BOD-DO模型假设： 有机物的降解符合一级反应，且反应速度为常数 河流中的耗氧仅由BOD的降解所引起； 河流中的DO仅来自与大气复氧，且复氧速度也为常数。,63,因此有：,DOsO，称为氧亏（与饱和溶解氧相比所缺的氧） 其中 Os为水中的饱和溶解氧浓度，mg/L； O为河水中的溶解氧浓度， mg/L 。,（4-37）,64,该模型的初始条件为：t0，LL0，DD0，不难求出上述模型的解为：,由斯特里特-费尔普斯模型（S-P模型）可以估算在已知排污点河水BOD和DO起始浓度时，沿河流下游各点河水中的溶解氧以及最低的溶解氧浓度和位置（即临界氧亏和临界距离）。,（4-38）,65,S-P模型是最早的水质模型，为后来的研究奠定了基础。后人关于该模型的修正只是补充考虑了一些模型中未予考虑的因素，而并未动摇模型的基本结构。,（4-39）,（4-40）,66,4.2.4.3 河流水质模型的参数估计,水质模型中的参数，如弥散系数等，是用来表征河流水质的物理、化学和生物过程的动力学参数。参数估计的准确性直接关系到水质模型的精确性和可靠性。 （1）纵向弥散系数见的估计 纵向弥散系数Dx是反映河流纵向混合输送特性的重要参数，它与河流的水利条件密切相关。 纵向弥散系数在河流水质预测尤其是事故性泄漏对下游水质的影响预测方面意义重大。 估计方法有示踪实验法和经验公式法两种。,67,在距离排放点下游xx0别处测得不同时刻的浓度Ci（i1, 2, ），将 对 作图，可得一条直线，其斜率则为 ，从而可求得见Dx。,示踪实验法,在示踪剂投放点下游断面采样测定不同时刻（ti）时的示踪剂浓度Ci则可以根据一维模型求出纵向弥散系数。假设k0，则式（4-33）可变形为：,68,经验公式法,爱尔德通过水深1.5m的明渠实验，得到了河流纵向弥散系数的计算公式。 Dx=axHu H河流平均水梯，m u摩阻流速， ，m/s； S水力坡度； ax经验系数，爱尔德理论计算的ax5.9，试验得到的ax6.3。在天然河流中河宽1560m时，ax14650。,69,实验室测定法 根据 可得： 因此，如果测得不同时刻（ti）的BOD值Lx，将lnLi对ti作图，可得一直线，其斜率的负值即为kd。 实验室测定的理想方法是用自动BOD测定仪，描绘出要研究河段水样的BOD历程曲线。 在没有自动测定仪时，可将同一种水体分10瓶或更多瓶放入20的培养箱培养，分别测定110d或更长时间的BOD值。对取得的实验数据可用图解法估算A4值。,（2）耗氧系数kd的估算,70,现场测定法,在河流上下游A、B两个断面取样，假设测得的BOD浓度分别为LA和LB，如果知道A、B断面间的距离为x，河水流速为vx，就可按下式求得kd的值。,71,（3）大气复氧系数ka的估算,实测法 天然河水中溶解氧浓度变化的速率可表达为： 若假设水生植物在白天和夜间的呼吸速率不变，且在夜间不进行光合作用，那就可以霍思伯格法估算大气复氧系数ka ，根据上述假设，可得：,R水生植物呼吸作用的耗氧速度，mg/(L, d),通过转换和计算，最终求得：,72,经验公式法,实测法估算复氧常数较准确，但须进行大量的试验，要消耗大量人力和物力。因此，在水环境影响评价时往往会利用经验公式确定大气复氧常数。,73,表4-14 文献中常见的C、m、n值,74,河流完全混合模式 式中：C均匀混合断面处水质平均浓度（mg/L）； CE项目排放污水的水质浓度（mg/L）； QE项目污水排放量（m3/s）； CP排污口上游河流水质浓度（mg/L）； QP排污口上游河流来水量（m3/s）。 例1：上游来水CODCr(p)=14.5mg/L，QP=8.7m3/s；污水排放源强CODCr(E)=58mg/L，QE=1.0m3/s。如忽略排污口至起始断面间的水质变化，且起始断面的水质分布均匀，则：,75,例1：一河段的上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：QE=19440m3/d，BOD5(E)=81.4mg/L。河流水环境参数值为：Qp6.0 m3/s，BOD5(p)6.16mg/L，B50.0m，H1.2m，u0.1m/s，J0.9，K1=0.3/d。试计算混合过程段（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的下游某断面处，河水中的BOD5浓度是多少？ QE=0.225m3/s，BOD5（0）=8.88mg/L，t=1.1574d BOD5（10km） BOD5（0）exp（-K1t）6.28mg/L,76,例2：一河段的上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：QE=19440m3/d，CODCr(E)=100mg/L。河流水环境参数值为：Qp6.0 m3/s，CODCr(p)12mg/L，Kc=0.5/d。假设污水进入河流后立即与河水均匀混合，在距排污口下游10km的某断面处，河水中的CODcr浓度是多少？ CODCr（0）15.2mg/L t=1.1574d CODCr（t）= CODCr（0）exp（-Kct）=8.52mg/L。,77,43 湖泊（水库）水质预测模型,完全混合模型 基本假定：湖泊（水库）为一个均匀混合的水体，即湖泊（水库）中某种营养物的浓度随时间的变化率是输入、输出和沉积的该营养物的量的函数。 适用条件：停留时间很长、水质基本处于稳定状态的中小型湖泊和水库。,78,污染物（营养物）混合和降解模型,当t0时，0；tt时， t。对上