第四章 地表水环境影响评价

DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing第四章地表水环境影响评价第一节地表水体的污染和自净第二节河流和河口水质模型第三节湖泊（水库）水质数学模型第四节水质模型的标定第五节开发行动对地表水影响的识别第六节地表水环境影响预测和评价第七节地表水环境影响的评价DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing第一节地表水体的污染和自净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。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。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DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing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。3水体污染类型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DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing第二节河流和河口水质模型1河流水质模型简介2河流的混合稀释模型3守恒污染物在均匀流场中的扩散模型4非守恒污染物在均匀河流中的水质模型5Streeter-Phelps（S-P）模型6河流水质模型中参数估值DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing河流水质模型简介为了选择使用的方便，可以把它们按不同的方法进行分类。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。DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing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。DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing2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)qaQqQnQQaii混合系数a，稀释比n定义qaQqCaQCqQqCQCCiii2121混合过程段的污染物浓度Ci及混合段总长度L3)1(lg3.2qaqaQLn)exp()/(1)exp(1)(bqQbxa混合过程段的混合系数a是河流沿程距离x的函数，DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing3守恒污染物在均匀流场中的扩散模型1）均匀流场中的扩散方程xCuxCDtCxx22yCuxCuyCDxCDtCyxyx2222Dx——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。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：DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing2）无限大均匀流场中移流扩散方程的解2222yCDxCDxCuyx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)。xDuyuxDuhQCyy4exp/42DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqingDepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqingxDuyBxDuyuxDuhQyxCyyy4)2(exp4exp/42),(22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xDuyuxDuhQyxCyy4exp/42),(2DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing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，ybDuBL20675.0ymDuBL21.0中心排放情况，岸边排放情况，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。ymDuBL24.0DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing例2•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？DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing4非守恒污染物在均匀河流中的水质模型1）.零维水质模型图2由多个零维静态单元河段组成的顺直河流水质模型ΔxΔxΔxC0C3C1C5C4C2C3C1C5C4C2CVkCCQ10)(0uxkCQVkCC101011dC／dt=0，CVkCCQdtdCV10)(iiiuxkCQVkCC101011DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing2).一维水质模型一维河流静态水质模型基本方程KCdxCdDdxdCuxx22xuDkDuCCxx2104112exp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)]/(exp[)(10uxkCxCDepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing5Streeter-Phelps（S-P）模型•1)．S-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：DkLkdtdDLkdtdL211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。DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing这两个方程式是耦合的。当边界条件时，式的解析解为:0,0,00xCCxLL)()(//2101/0/02121uxkuxkuxkssuxkeekkLkeCCCCeLL05101520250246810012345678XkmLmg/LLmg/LDOmg/LDOmg/LDepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing2)．S-P模型的临界点和临界点氧浓度)()()1(1//2101/000121212212uxkuxkuxkssScccceekkLkeCCCCLCCkkkkLnkkux•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DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing3)S-P模型的缺陷和修正方法DkLkdtdD21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。根据这一思想可建立S-P模型网络实验DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing例4-2024680246810-10010203040XkmLmg/LLmg/LDOmg/LDOmg/LShastry非线性模型：)(CCkLCkxCutCLCkxLutLSaddDepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing3)．S-P模型的修正型•(1)托马斯(Thomas)模型•对一维静态河流，在S—P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，DkLkdxdDuLkkdxdLu2131)((2)多宾斯—坎普(Dobbins—Camp)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。PDkLkdxdDuRLkkdxdLu2131)(DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing(3)奥康纳(O’Connon)模型一维静态河流，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，DkLkLkdxdDuLkdxdLuLkkdxdLunncnnncc2131)(•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。DepartmentofEnvironmentalEngineeringDr.BaoJiqing例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