江苏水环境容量计算案例.ppt

江苏省水环境容量计算案例分析及应用河海大学（逄勇）pangyong2003年9月28日,主要内容第一部分江苏省水环境容量课题研究介绍第二部分水环境容量的概念及基本计算方法第三部分设计水量、水质降解系数确定第四部分长江江苏段允许排污量研究,江苏省的水体主要分为河网区；湖泊区；长江三大类。对于这三类区，可按不同方法进行江苏省水体的水环境容量的计算。,1、江苏省基本水系概况,第一部分江苏省水环境容量课题研究介绍,对于湖泊水系，由于江苏省湖泊水环境问题的严重性，主要考虑控制入湖河道水质达标，不进行湖泊内水环境容量的计算；对于长江水系，由于长江的污染物主要以污染带形式出现，故进行排污混合带与排污量关系计算；对于河网水系，进行水环境容量计算研究。江苏省河网区水系主要分为：太湖流域；秦淮河流域；沂沭泗流域；洪泽湖流域；南通河网区；里下河河网区六大片。,第一部分江苏省水环境容量课题研究介绍,2、主要工作内容计算出江苏省各主要河段的水环境容量值。以各主要河段的水环境容量计算结果为基础，汇总出江苏省各县及各市的水环境容量值。进行太湖入湖河道cod、氨氮污染物总量控制计算。建立南水北调工程区的简单水质预测模型；建立长江江苏段特大供水水源区的水质预测模型并进行排污混合带计算研究。研制完成江苏省水环境容量信息系统，在该系统中，建立动态水环境容量计算系统。,第一部分江苏省水环境容量课题研究介绍,3、研究技术路线,第一部分江苏省水环境容量课题研究介绍,4、水环境容量的确定方法水环境容量计算公式,式中：w：水环境容量值（公斤/日）；q0、c0进口断面的入流流量和水质浓度(mg/l)；q旁侧入流流量(m3/s)；cs该水体的水质标准(mg/l)；v水体体积(m3)；k水质降解系数(1/d)。水环境容量的主要影响因子：水文设计条件（q0、v）、水质降解参数（k）、水环境功能区划（cs),第一部分江苏省水环境容量课题研究介绍,5、水环境容量计算中几个主要问题的考虑5.1设计水文条件的选取原则首先确定典型年，典型年的确定原则为根据区域平均降水量资料，选取90%保证率的典型年。在典型年确定基础上，依据区域的月平均水位资料分高、中、低三种情况确定边界水文计算条件。根据确定的边界水文条件，利用研究区域河网水量数学模型，分高、中、低三种方案计算出研究区域各河道的水文设计条件。,第一部分江苏省水环境容量课题研究介绍,5.2水质降解系数确定采用室内外实验、模型模拟法、类比调查的确定水质降解系数。,第一部分江苏省水环境容量课题研究介绍,5.3水环境功能区划根据“江苏省地表水（环境）功能区划，江苏省人民政府，2003年3月18日”来计算水环境容量。,第一部分江苏省水环境容量课题研究介绍,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,1、水环境容量的概念1.1总量控制的两种方法目标总量控制：根据基准年的排污量来确定总量指标，主要是便于管理和操作，但和水环境功能区管理的要求有一定距离。容量总量控制：根据水体功能区要求的水质来确定总量指标，和水环境功能区管理的要求相一致。1.2水环境容量的概念水环境容量是水体在规定的环境目标下所能容纳的污染物的最大负荷，其大小与水体特征、水质目标及污染物特性有关。水环境容量的确定是容量总量控制的基础。,2、水环境容量计算的基本方法及分析,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,2.1基本计算方法总体达标计算法控制断面达标计算法2.2总体达标计算法的优缺点优点：计算结果和污染源位置没有关系，人为影响小；计算简便，易操作。缺点计算结果值偏大，需进行不均匀系数值订正。,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,2.3控制断面计算达标法的优缺点（1）优点能够保证控制断面的水质达标，特别适合于饮用水水源地的保护；以及国控、省控、市控等重要水质控制断面水质达标的管理。,控制断面2,控制断面1,（2）缺点要事先明确每个排污口的位置，在对未来污染源的把握上，一般不确定性因素较多，故这种方法在操作上有难度。当控制断面上游有多个排污口时，控制断面水质达标时的水环境容量值有多个解，使得该方法在操作上有难度。控制断面水质浓度正好达标，意味着控制断面至排污口这一段河道的水质均超标，与功能区水质管理稍有出入。,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,建议：对于重要控制断面，采用控制断面水质达标的方法进行水环境容量的计算，对于一般水体，采用总体水质达标的方法进行水环境容量的计算。,3、总体达标水环境容量计算方法（零维模型）3.1水质计算,w：污染物排放量；q0：流入河流、湖库流量；c0：上游来水的背景浓度值；k：水质降解系数；v：水体容积；q：旁侧支流流量。,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,c0、q0,w、q,c(q0+q),v,kvc,3.2水环境容量计算3.2.1基本计算方法,当c=cs时，w即为环境容量，公式中的单位为：kg/天。,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,自净容量,稀释容量,3.2.2几个问题的讨论（1）不均匀系数订正总体达标水环境容量方法计算出的结果值偏大，一般称为偏不保守。故为了符合实际起见，引入不均匀系数的概念进行订正。订正方法如下：w订正=w为不均匀系数，为界于0和1之间的一个数。,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,对于大于1000宽的河流，不采用完全混合模型进行水环境容量计算，而是采用岸边污染带控制法进行水环境容量计算。对于小于1000宽的河流，进行不均匀系数订正，具体如下：河宽：500-1000米=0.1-0.2200-5000米=0.2-0.5100-200米=0.5-0.8小于100米=0.8-1.0,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,（2）双向河流时的计算方法正向河流：w正=q01(cs-c01)+k1v1cs+q1cs反向河流：w反=q02(cs-c02)+k2v2cs+q2cs设计算时间段为a，反向流在计算时间段中的天数为b，则双向流允许纳污量的计算公式：,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,（3）时空变化明显的河段划分空间单元和时间单元进行计算，对于各单元的计算结果再进行空间和时间单元的叠加。,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,3.2.3计算中的注意点,（1）水文设计条件（q0、v）：根据水文频率分析结果直接给出；确定边界水文设计条件值；建立水量模型，根据水量模型计算出研究区域各河道的水文设计条件。（2）水质降解参数（k）：根据室内外实验、模型模拟法、类比调查法确定。（3）水环境功能区划（cs)：根据省政府批准的水环境功能区划结果进行计算。,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,4、控制断面水质达标水环境容量计算方法4.1概念为保证控制断面水质达标，上游各污染源的最大允许排污量。,4.2控制断面水质达标时的水环境容量计算方法4.2.1一维稳态水质模型4.2.1.1水质计算,公式中c1、q为排污口废水浓度mg/l和废水量m3/s；c0、q0为上游河水浓度mg/l和流量m3/s。k为水质降解系数1/日；x为距排污口的距离m；u为流速m/s。,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,c0、q0,c1、q,c,c,4.2.1.2水环境容量计算只有一个排污口时的计算公式：,当c=cs时，c1q=w即为环境容量，公式中的单位为：kg/天。,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,4.2.2二维稳态水质模型4.2.2.1水质计算单个污染源时：,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,x,y,多个污染源时：,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,排污口1,排污口2,排污口3,控制端面,4.2.2.2水环境容量计算一个排污口时的计算公式：,当c=cs时，cpqp=w即为环境容量，公式中的单位为：kg/天。,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,4.2.3多个排污口时的计算公式：控制断面水质与排污量响应关系曲线计算设：控制断面水质浓度为c1；控制断面上游各污染源排污量为：w1、w2、w3.等，则可根据水质模型公式推导得出控制断面水质与上游排污量之间的函数关系式为：c1=c1（w1、w2、w3.）根据公式可绘制在不同上游排污量情况下w1、w2、w3.对c1影响的关系曲线。,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,c控1=c控1（w1、w2、w3）,排污口1（w1）,排污口3（w3）,控制断面（c控1）,排污口2（w2）,表6.2.2-5街口水厂(c1)与w1,w2,w3响应关系曲线计算方案,其中w10=6.81t/a，w20=9.54t/a，w30=23.34t/a为基准排污量值。w11=0.5w10,w21=0.5w20,w31=0.5w30w12=2w10,w22=2w20,w32=2w30,控制断面水质与排污量响应关系曲线计算结果图,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,5、湖库水体纳污能力计算5.1对于面积较小的湖库利用完全混合公式进行水环境容量的计算。,在进行水环境容量计算时要进行不均匀系数订正，具体如下：w订正=w湖库面积：大于50km2采用其它方法进行计算；10km2-50km2=0.1-0.35km2-10km2=0.3-0.6小于5km2=0.6-1.0,5.2对于面积较大的湖库5.2.1入湖口断面水质浓度达标的计算思路利用入湖河口水质浓度与上游污染排污量响应关系曲线进行计算。,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,排污口1,排污口2,排污口3,入湖河口水质控制断面,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,5.2.2分功能区按水质达标情况进行计算利用水质模型，计算出湖体中各功能区的水质状况，分析各功能区水质达标时，入湖排污口的污染物排放量即为湖库的水环境容量值。,排污口1,排污口3,排污口2,功能区2,功能区4,功能区3,功能区1,功能区6,功能区5,功能区8,功能区7,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,5.2.3湖库中排污混合带约束计算计算入湖库口门中的排污混合带大小，对此进行约束，得出的入湖排污口的污染物排放量即为湖库的水环境容量值。,排污口,5.2.4湖库中断面水质达标的简化模型,w为水环境容量，单位为kg/日。,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,排污口,控制断面水质,6、长江等大水体水环境容量的计算6.1总体水环境容量的考虑(1)岸边污染带允许排污量，这部分允许排污量就是长江等大水体总体水环境容量的一部分。(2)引清水增加的周围河道的水环境容量。总的水环境容量应该是这两部分之和。,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,6.2岸边污染带允许排污量计算中的几个主要问题及解决问题的思路(1)排污口的确定（考虑现状及规划）(2)排污混合带范围的确定（500-1000m)(3)上游来水水质浓度的确定(功能区划值及监测平均值）,6.3岸边污染带的计算6.3.1水文、污染源、水质等资料收集6.3.2水量、水质模型建立及率定6.3.3计算方案制定（设计水量、边界水质条件、污染源条件等）6.3.4污染带、及长、宽、面积等特征值结果输出及分析,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法,6.4污染带大小与排污量响应关系曲线的计算根据不同排污量、不同水文设计条件、不同上游边界水质浓度值建立污染带大小（长、宽、面积）与排污量响应关系曲线。,排污口cp、qp,排污混合带边界线1,排污混合带边界线2,第三部分设计水量、水质降解系数确定,1、设计水量的概念由于水体来水量每年不是一个定值，故取大于某一流量（或高于某一水位）的值时的概率作为设计水量，一般取90%的概率作为水环境规划、评价或水环境容量计算用。2设计水量的计算2.1有资料地区可取近10年最枯月平均流量作为设计流量条件。,2.2资料缺乏地区采用水文比拟法：p：参证区域的设计水量p1：计算区域的设计水量,2.3人工影响剧烈区根据人工闸坝等的调度资料进行分析。,第三部分设计水量、水质降解系数确定,第三部分设计水量、水质降解系数确定,3、水质降解系数的求取方法3.1基本求取方法水团追踪实验水质模型率定法室内外实验法类比法、分析借用法3.2实例介绍(江苏省水环境容量研究）,3.2.1室内外实验法若污染物的反应接近于一级动力学反应，其反应速率与其相应时刻剩余的有机物的浓度成正比，即：,解微分方程可得:一般可选用最小二乘法、图解法和两点法等方法对实验数据进行计算处理得降解系数k1的值。,第三部分设计水量、水质降解系数确定,第一部分江苏省水环境容量课题研究介绍,硝化反应参数确定所谓硝化过程，是在水环境中，在特定的自养菌作用下，氨氮和亚硝酸盐氮被溶解在水中的氧氧化成硝酸盐氮。氨氮降解系数的计算公式为：,第一部分江苏省水环境容量课题研究介绍,3.2.2模型率定法通过太湖流域污染源和水量、水质的同步监测资料进行模型参数的率定。3.2.3类比调查法,从实验得出的的污染物降解系数值如下表。,第三部分设计水量、水质降解系数确定,4、几种常用的求取方法4.1水质模型率定法（1）两点计算法,（2）多点计算法,第三部分设计水量、水质降解系数确定,排污口,c3,c2,c1,c4,4.2类比调查法根据类似水体的成果，类比得出研究水体的水质降解系数值。5、排污削减量计算5.1污染源排污量计算及预测方法5.1.1工业5.1.2生活5.1.3农业,第三部分设计水量、水质降解系数确定,5.2排污削减量计算w=w排污量-w容量w大于0，则要削减排污量；w小于0，则有剩余环境容量。5.3各排污口排污控制量分配采用线性规划法（利用单纯形法进行求解）、或综合考虑社会经济因素进行各排污口排污控制量的分配。,第三部分设计水量、水质降解系数确定,1、研究技术路线及主要研究内容,第四部分长江江苏段允许排污量研究,2、水环境数学模型建立及率定,采用一、二维水流、水质模型的方法进行求解：一维水流模型对整个长江江苏段进行进行计算；然后，根据二维计算区域所相应的空间位置，由一维水流模型为二维水流、水质模型提供相应的边界条件，再进行二维区域水流、水质模拟。,第四部分长江江苏段允许排污量研究,水量、水质数学模型的率定及验证,99年,表4.3-4南京八卦洲江段1998年2月11日水质验证表,表4.3-1二维水流水质耦合模型参数表（扩散系数单位:m