环境管理_水环境质量评价综合课件

4.水环境质量评价,4.1水体与水体污染4.1.1水体和水体污染4.1.2水体污染物及污染源4.1.3水体污染类型4.2水环境现状评价4.3河流水质模型4.3.1河流水质模型简介4.3.2河流的混合稀释模型4.3.3守恒污染物在均匀流场中的扩散模型4.3.4非守恒污染物在均匀河流中的水质模型4.3.5Streeter-Phelps（S-P）模型4.3.6河流水质模型中参数估值4.4湖泊水库模型与评价4.4.1湖泊环境概述4.4.2湖泊环境质量现状评价4.4.3湖泊环境预测模式4.5地面水环境影响评价,4.1水体与水体污染,4.1.1水体和水体污染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。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。4.1.2水体污染物及污染源造成水体的水质、生物、底质质量恶化的各种物质或能量都称为水体污染物。水体污染物的种类繁多，从不同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。4.1.3水体污染类型(表4-1)4.1.4水体评价参数：物理参数：包括温度、臭、味、色、浊度、固体等。化学参数：分为无机和有机成分。无机的成分有含盐量、硬度、pH值、酸度、碱度及铁、锰、氯化物、硫酸盐、硫化物、重金属、氮、磷等。有机指标有：BOD5、CODcr、DO、酚、油等。生物参数：如细菌总数、大肠杆菌等。,表4-1水体污染源分类,4.2水环境现状评价,4.2.1地表水环境质量评价方法4.2.2地下水质量评价方法1.统计法2.综合指数法4.2.3水环境质量生物学评价1.一般描述对比法2.指示生物法3.生物指数法（1）贝克（Beck）指数(2)硅藻类生物指数(3)生物学污染指数(BIP)4.种的多样性指数(1)格立松(Gleason)多样性指数（2）Simpson多样性指数(3)Shannon-Weaver多样性指数5.生产力（1）P/R值（2）自养指数4.2.4湖泊环境质量现状评价水质评价、底质评价、生物评价和综合评价。,4.2.1地表水指数评价模型,4.2.1.1单因子指数环境质量指数是无量纲数,表示污染物在环境中实际浓度超过评价标准的程度,即超标倍数。Ii的数值越大表示该单项的环境质量越差。因此对溶解氧和pH值而言,其单项水质参数具有不同的定义式.,环境质量指数就是这样一个有代表性的数，是质量好坏的表征，既可以表示单因子的，也可以表示多因子的环境质量状况。,4.2.2多因子指数,1.均值型多因子指数2.计权型多因子环境质量指数计权型多因子环境质量指数的基本出发点是认为各种环境因子对环境的影响是不等权的，其影响应该计入各环境因子的权系数。,3.N.L.Nemerow(内梅罗)指数内梅罗指数是一种突出最大值的计权型多因子环境质量指数,例题4-1：在某河流的3个采样断面上进行采样分析的结果如表1所示（单位mg/L），如果河流的水40%用于游泳（断面A1），40%用于渔业（断面A2），20%用于航运（断面A3），计算各断面的内梅罗水质指数和河流总的内梅罗水质指数。断面A1：PI1=（2.47072+102）/20.5=7.2837断面A2：PI2=（1.26152+2.62）/20.5=2.0434断面A3：PI3=（2.87832+122）/20.5=8.7260因此总的内梅罗水质指数PI=0.47.2837+0.42.0434+0.28.7260=5.4760,1.罗斯（S.L.Ross）水质指数WQI选用悬浮固体、BOD、DO、氨氮4个评价参数，并分别给予权重（表4-4）。在计算水质指数时，不直接同各参数的测定值或相对污染值来统计，而是先把它们分成等级，然后按等级进行计算（见表4-5），其计算式为：WQI=分级值/权重值（4-10）规定WQI值用整数表示，这样就将水质指数分成从0-10的11个等级，数值越大，则水质越好，各级指数可进行如下分级：WQI=10天然纯净水WQI=8轻度污染水WQI=6污染水WQI=3严重污染水WQI=0水质类似腐败的原污水例题4-2：某水体监测结果为：悬浮固体：25mg/L，BOD：5.5mg/L，氨氮：1.3mg/L，DO：5.2mg/L，利用罗斯水质指数判断水质。解答：首先查表4-5，得到悬浮固体、BOD、氨氮、DO等4个评价参数的分级分别为：14、24、12、4分，根据它们的权重系数分别为：2，3，3，2，则WQI=14+4+24+12/（2+2+3+3）=5.4介于污染水和严重污染水之间。,4.1.3分级型指数,2.W值水质评价方法,为了全面评价地表水体，原则上讲，所有项目都应监测。一般情况下，BOD5、DO、COD、挥发性酚、氰化物、Cu、As、Hg、Cd、Cr6+、氨氮、阳离子合成洗涤剂（ABS）、石油等13项是必须监测的。SNn10Nn8Nn6Nn4Nn2式中S监测总项数;Nn10、Nn8、Nn6、Nn4、Nn2分别为监测值得10分、8分、6分、4分、2分的项数。其中得4分和2分的项数为超过地表水标准的项数。污染表达式：SWJ-C式中S监测总项数；WJ污染级别；C超标项数。,解答：13项目监测数据对应的得分情况是：DO2.2mg/L2分BOD55mg/L4分COD20mg/L4分酚0.005mg/L8分氰化物0.01mg/L10分Cu0.5mg/L4分As0.03mg/L8分Hg0.002mg/L4分Cd0.03mg/L4分Cr6+0.04mg/L10分石油0.2mg/L6分NH4+-N32.8mg/L2分ABS1.2mg/L4分因此数学模式为：13N210N28N16N64N22（超标项数为6个）总得分数为：70分，属于W3级水,因此污染表达式为：13W3-6,例题4-3：某地表水监测得到的数据如下：DO：2.2mg/L、BOD5：5mg/L、COD：20mg/L、酚：0.005mg/L、氰化物：0.01mg/L、Cu：0.5mg/L、As：0.03mg/L、Hg：0.002mg/L、Cd：0.03mg/L、Cr6+：0.04mg/L、石油：0.2mg/L、NH4+-N：32.8mg/L、ABS：1.2mg/L，用W值水质评价法写出数学模式和污染表达式。,例题4-4：某水库监测数值如下表所示，利用分级评价法判断水质级别。,因此总分=119分，查表4-9，则水质级别属于级轻污染级。,4.3河流水质模型,4.3.1河流水质模型简介4.3.2河流的混合稀释模型4.3.3守恒污染物在均匀流场中的扩散模型4.3.4非守恒污染物在均匀河流中的水质模型4.3.5Streeter-Phelps（S-P）模型4.3.6河流水质模型中参数估值,4.3.1河流水质模型简介,按时间特性分类，分动态模型和静态模型。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。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.,表4-2水质模型类型,水体中污染物的迁移,4.3.2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(mgL),污染物浓度为C2(mgL)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，,水质完全混合模型的适用条件：河流是稳态的，定常排污，即河床截面积、流速、流量及污染物的输入量不随时间变化；污染物在整个河段内均匀混合，即河段内各点污染物浓度相等，污染物能在瞬间分布到空间的各个部位；废水的污染物为持久性物质，不分解也不沉淀；河流无支流和其它排污口废水进入。,解答：Cp=310mg/LCh=1300mg/LQh=2.83m3/s河流的流量为：Qp=vWh=0.45713.720.61=3.82m3/s根据完全混合模型混合后的浓度为：C=(CpQp+ChQh)/(Qp+Qh)=731.8mg/L因此河水中的总溶解固体浓度是超标的（731.8mg/L500mg/L）。,P135例题4-5计划在河边建一厂，该厂将以2.83m3s的流量排放废水，废水中总溶解固体浓度为1300mg/L，该河流平均流速v为0.457ms，平均河宽W为13.72m，平均水深h为0.61m，总溶解固体C0为310mg/L，问该工厂的废水排入河后，总溶解固体的浓度是否超标(设标准为500mg/L)？,4.3.3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：,Dxx坐标方向的弥散系数；uxx方向的流速分量；Dyy坐标方向的弥散系数；uyy方向的流速分量。,4.3.3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，,4.3.4非守恒污染物在均匀河流中的水质模型,dCdt=0，,1.零维水质模型,1零维模型根据质量守衡可写出完全混合反应器的平衡方程,即零维模型,例题4-6: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Qh=1.0m3s，含酚浓度为Ch=200mg/L，上游河水流量为Qp9m3s，河水含酚浓度为Cp=0，河流的平均流速为v40km/d，酚的衰减速率系数为K=2d-1，求河段出口处的含酚浓度为多少?解答：河段起始断面河水中含酚浓度为：C0=(CpQp+ChQh)/(Qp+Qh)=（90+1200）/（9+1）=20mg/L河段出口处含酚浓度为：1km的河段以v40km/d流过所经历的停留时间为：t=1/40(d)C=,=19.0476mg/L,2.一维模型,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,。,解答：计算起始处完全混合后的初始浓度得到：C0=1.28mg/L,考虑纵向弥散条件下，下游10km处的苯酚浓度：t=L/v=10000/(0.386400)=0.3858d,=1.0005143,m=,=1.28exp,=1.18497mg/L,忽略纵向弥散时下游10km处的苯酚浓度：=1.28exp（-,）=1.18495mg/L,由此可见，在稳态条件下，忽略纵向弥散系数与考虑纵向弥散系数的差异可以忽略不计（相差仅仅0.0002%）。,例题4-7：一个改扩工程拟向河流排放废水，废水量Qh0.15m3s，苯酚浓度为Ch=30mg/L，河流流量Qp5.5m3s，流速vx=0.3m/s，苯酚背景浓度Cp=0.5mg/L，苯酚的降解系数K=0.2d-1，纵向弥散系数Dx=10m2/s。求排放点下游10km处的苯酚浓度。,4.3.5Streeter-Phelps（S-P）模型,1S-P模型基本方程及其解S-P模型的建立基于两项假设：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。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。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，1d；k2河水中的复氧速度常数，1d；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，解析解为:,2S-P模型的临界点和临界点氧浓度,讨论S-P模型临界点氧浓度求出负值怎么办。系统分析方法如何应对模型的失效,3S-P模型的修正型,(1)托马斯(Thomas)模型对一维静态河流，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,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；Lc0,河流x=0处，含碳有机物BOD浓度，mg/L。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，,4S-P模型的缺陷和修正方法,引入自净系数fk2/k1，当dD/dt0时有LfD：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4-8: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)。,例题4-9,4.3.6河流水质模型中参数估值,1.纵向扩散系数Dx的估值2.耗氧系数k1的估值方法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，9.81m/s2；,)，m/s；,4.4湖泊水库模型与评价,4.4.1湖泊环境概述4.4.2湖泊环境质量现状评价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水质评价方法：污染指数法、分级聚类法、模糊数学方法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4-4湖泊分层采样和湖泊水库采样点最小密度要求,4.4.3湖泊环境预测模式,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,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,4.5地面水环境影响评价,4.5.1评价目的、分级及程序4.5.2环境影响评价大纲4.5.3水环境影响预测及评价,水环境评价大纲,评价大纲的编写是以建设项目为基础，以水环境保护法规为依据，以各种政策为指导，以水环境质量为尺度，坚持严肃和科学的态度，把大纲编制成对评价活动具有指导性的文件。编写评价大纲的基本要求有：评价目的明确，选择标准和确定等级适当，评价范围的划分科学，工程分析完整，评价因子的筛选满足环保目标要求，模型参数确定符合技术导则要求。水环境影响评价大纲一般应包括以下内容：编制依据；建设项目概况；建设项目地区环境概况；评价内容：包括评价范围、评价因子、监测断面的布设、监测项目、分析方法、评价标准、预测评价方法等；污水治理措施的可行性及建议，经济损益简要分析；组织与进度,水环境质量评价学习要点,本章主要讲述了水体环境污染、河流与湖泊水质模型以及地面水环境影响评价方法。掌握水体现状评价的几种方法。水质数学模型是描述水体中污染物随时间和空间迁移转化规律的数学方程，主要介绍了守恒污染物在均匀流场和非守恒污染物在均匀河流中的两类水质模型。无限大均匀流场中移流扩散方程的解为,用叠加法可获得有河岸反射时的解；断面浓度的比例关系是污染物到达对岸和完成横向均匀混合的根据，并能椐此计算出相应的距离。非守恒污染物在均匀河流中的水质模型中最常用的是SP模型，即：,，其解为：,在SP模型基础上附加一些新的假设后可获得：托马斯(Thomas)模型、多宾斯坎普(DobbinsCamp)模型和奥康纳(OConnon)模型。(5)湖泊环境质量评价方法有：水质评价、底质评价、生物评价和综合评价等四种。湖泊环境预测模型有：完全混合箱式模型、分层湖(库)集中参数模型、湖泊水质扩散模型、湖泊环流二维稳态混合模式等。(6)了解地面水环境影响评价的工作程序、水环境质量调查、影响预测与评价方法。,难点,重点,1.水环境评价参数有哪些?2.湖泊水环境质量现状评价的内容和方法有哪些?3.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Qh=1.0m3s，含酚浓度为Ch=200mg/L，上游河水流量为Qp9m3s，河水含酚浓度为Cp=0，河流平均流速为v40km/d，酚的衰减速率系数为K=2d-1，求河段出口处的含酚浓度为多少?4.一个改扩工程拟向河流排放废水，废水量Qh0.15m3s，苯酚浓度为Ch=30mg/L，河流流量Qp5.5m3s，流速vx=0.3m/s，苯酚背景浓度Cp=0.5mg/L，苯酚的降解系数K=0.2d-1，纵向弥散系数Dx=10m2/s。求排放点下游10km处的苯酚浓度。5.拟建个化工厂，其废水排入工厂边的条河流，已知污水与河水在排放口下游15km处完全混合，在这个位置BOD5的浓度为7.8mg/L，DO为5.6mg/L，河流的平均流速为1.5m/s，在完全混合断面下游25km处是渔业用水的引水源，河流中饱和溶解氧浓度DO=9.0mg/L，河流的K1=0.351/d，K2=0.51/d，若从DO的浓度分析，该厂的废水排放对下游渔业用水有何影响。6.已知某一个工厂的排污断面上BOD5的浓度为65mg/L，DO为7mg/L，受纳废水的河流平均流速为1.8km/d，河水的K1=0.18d-1，K2=2d-1，试求：河流中饱和溶解氧浓度DO=9.0mg/L,求距离为1.5km处的BOD5和DO的浓度。,复习思考题,7.有一条河段长4km，河段起点BOD5的浓度为38