kAAA地表水环境影响评价.ppt
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1、kAAA地表水环境影响评价 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望水体分类 按水体所处的位置,可粗略地将其分为地面水体,地下水体和海洋等三类 地面水水体与人们的生活和生产活动密切相关,地面水可按不同用途对其进行分类,如农田灌溉水,渔业用水,饮用水等。并对水质有不同要求,同时制定了相应的水质标准,作为控制水质的依据。水体污染、水体污染源 影响地面水环境质量的污染物按排放方式可分为点源和面源,按污染性质可分为持久性污染物、非持久性污染物、水体酸碱度(pH值)和
2、热污染四大类,如表41表示水体中污染物迁移与转化(水体自净)水体中污染物的迁移与转化包括物理输送过程(物理自净)、化学转化过程(化学自净)和生物降解过程(生物自净)。物理过程作用主要指是污染物在水体中的混合稀释和自然沉淀过程。化学转化:氧化还原反应是水体化学净化的重要作用。不同的pH值下,对污染物有一定净化作用。天然水体本身具有的混凝沉淀作用和吸附作用。等生物自净的基本过程是水中微生物(尤其是细菌)在溶解氧充分的情况下,将一部分有机污染物当作食铒消耗掉,将另一部分有污染物氧化分解成无害的简单无机物。河流水体中污染物的混合过程(1)在水深方向充分混合,称为掺混段或近区(2)从竖向充分混合算起到横
3、向上开始充分混合的阶段,称之为混合过程过程段或远区。(3)横断面上开始充分混合以后的区域流为完全混合段。完全混合是指河断面任一测点污染物浓度不低于(或高于)断面平均浓度的5 在某些较大的河流中,横向混合可能达不到对岸,横向混合区不断向下游远处扩展,形成所谓“污染带”。海水中污染物的混合过程 排放海洋中的污水,一般是含有各种污染物的淡水,它的浓度比海水小,入海后一面与海水混合稀释,一面在海面上扩展,排放到海中的污水浮在海洋表层向外扩展,海水从底面逐渐混入,离排污口距离越远,稀释程度越大。污水层厚度在排放口附近较深,然后向外逐渐减小。向外扩展到一定程度,即污水的密度达到一定界限值即形成扩展前沿一锋
4、面,这时污水的稀释倍数达60100倍。常用的水质预测模型 在环境介质处于稳定流动状态和污染源连续排放的条件下,环境中的污染物分布状况也是稳定的。这时,污染物在某一空间位置的浓度不随时间变化,这种不随时间变化的状态称为稳态。这时c/t=0.把动态问题按稳态处理:水质管理中,人们的兴趣常常不在于了解水质的逐时变化,而是在于一个潮周内的平均水质状态。研究这样一种平均的水质既可以大大降低模型的复杂程度,也可以仍然满足管理要求。这种平均的水质状态也可以用稳态模型来描述。完全混合模型废水排入一条河流时,如符合下述条件:(1)河流是稳态的,定常排污。指河床截面积、流速、流量及污染物的输入量和弥散系数都不随时
5、间变化。(2)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。(3)废水的污染物为持久性物质,不分解也不沉淀。(4)河流无支流和其他排污口废水进入。此时在排放口下游某断面的浓度可按完全混合模型计算。式中C废水与河水混合后的浓度,mg/L Cp河流上游某污染物的浓度,mg/LQP河流上游的流量,m3/s Ch排放口处污染物的浓度,mg/LQh排放口处的污水量,m3/s(41)一维模型 废水排入一条河流后,如符合下述条件(1)河流是稳态的,定常排污。(2)污染物浓度在水深方向和横向已定全混匀,即河流中任一断面各点污染物浓度相等。(3)污染物浓度按一级化学反应衰减,(4)没有其他的源和汇。预
6、测常采用一维模型。此模型适用于较浅、较窄的河流。一维模型解析表达式如下:式中Cx下游距离处x污染物的浓度,mg/L C0河流初始断面x=0处污染物的浓度,mg/LK1污染物的衰减速度常数,1/d u河水流动速度,m/st河水从x=0流x处所用时间,d(42)例41一个改扩工程拟向河流排放水,废水量Q0.15m3/s.,苯酚浓度为Ch30mg/L,河流流量Qp=5.5m3,流速V0.3m/s,苯酚背景浓度为Ch=0.5mg/L,苯酚的降解系数K10.2d,求排放点下游10Km处的苯酚浓度。解计算起始点处完全混合的初始浓度,由式(41)得:下游10km处的浓度由式(42)得mg/L mg/L BO
7、DDO耦合模型描述一维河流中BOD和DO消长变化规律的模型(SP模型),有以下基本假定:1、河流的BOD的衰减和溶解的复氧都是一级反应;2、反应速度是定常的3、河流中的耗氧是由BOD衰减引起的;而河流中的溶解氧来源是大气复氧。S-P模型是关于BOD和DO的耦合模型,其数学解析表达式为L河水中的BOD值;mg/L L0-河流起点的BOD值;mg/LD河水中的氧亏值;mg/LDo河流起点的氧亏值;mg/LK1-河水中BOD衰减(耗氧)系数;1/dK2河流复氧系数;1/dt河水的流行时间。dD表示河流的氧亏变化规律。如果以河流的溶解氧来表示,则 式中CO河流中的溶解氧;mg/L饱和氧值。mg/L上式
8、称为氧垂公式,根据上式绘制的溶解氧沿程度化曲线,又称为氧垂曲线。图中假设在排放点断面处污水即与河水完全混合。CO一般说,人们最关心的是溶解氧浓度最低点临界点,在临界点,河水的氧亏值最大,且变化率为零,由此得式中Dc临界点的氧亏值;mg/LTc由起点到达临界点的流行时间;d临界氧亏发生的时间tc,可以由下式计算(4-7)(4-8)例4 一个拟建工厂的废水将排入一条比较清洁的河流。河流的BOD52.0mg/L,溶解氧浓度是8.0mg/L。水温220C,流量为7.1m3/s,工业废水的BOD5800mg/L,水温310C,流量为3.5 m3/s,排出前废水经过曝气使溶解氧浓度达到6mg/L。废水和河
9、水在排放口附近混合,混合后河道中平均水深达到0.91m,河宽15.2m,河流的溶解氧标准为5.0mg/L,各个常数经测定为k1(200C)=0.23d-1,k2(200C)=3.0d-1,1=1.05,2=1.02 k1是温度的函数,k2是河流流态及温度等的函数。如果以200C作为基准,则任意温度时的大气耗氧、复氧速率系数可以写为:式中k1,T,k2,T温度为T时的大气耗氧、复氧速率系数;k1,20,k2,20200C条件下的大气耗氧、复氧速率系数;1,2 大气耗氧、复氧速率系数的温度系数。饱和溶解氧浓度C(Os)是温度、盐度和大气压力的函数,在101kPa压力下,淡水中的饱和溶解氧浓度可以用
10、下式计算:式中C(Os)饱和溶解氧浓度,mg/L;T温度,0C.计算工厂排出废水最高允许BOD5。(4-9)解河水和污水总流量 混合后流速 起始水温 起始溶解氧 250C时饱和DO由式(4-9)C(Os)=8.38mg/L,因此250C时 最大允许氧亏值 计算工厂排放废水的最高物允许BOD5由式(4-7)、(4-8)得:采用试算法,假设不同的起点BOD浓度L0(mg/L),得到相应于溶解氧浓度不低于5.0mg/L的L0 因此取L0=47.4mg/L,这里 L0是指河流起点的BOD浓度,为 BOD总,而要计算的是BOD5(200C),即在起点允许的经过五天培养后消耗掉的BOD值。两者有如下关系:
11、BOD总=BOD剩余+BOD5BOD的衰减是一级反应,BOD剩余=BOD总e-k1t则 BOD5=BOD总-BOD剩余(混合后)工厂排出废水量最大允许BOD5而废水的实际BOD5=800mg/L因此,必须经过处理,削减88%后才能排放。二维模型污染物排入较宽(大、中)河流,其扩散存在纵向X和横向Y两个方向,预测常采用二维模型。无界的连续点源排放 在如图(4-3)的无边界均匀流场中,二维模型解析表达式如下:式中C(x,y)下游点(x,y)处污染物的浓度,mg/L QA单位时间内排放的污染物量,即源强;mg/sh-平均水深;mEx,Ey 河流的纵向,横向混合系数;m2/dux,uy-河流的纵向,横
12、向的速度分量;m/s k-综合衰减系数(4-11)式中(式中(411)可用于大型湖泊可用于大型湖泊岸边排放的污染岸边排放的污染预测预测 如果污染源在边界上向上边无限宽度空间排放,见图43(b),则有(4-12)式(412)用在宽度很大的河流上且点源岸边排放的污染预测。有边界的连续点源排放在有边界的情况下,污染物的扩散会受到边界的反射,这种反射类似于一个虚源的排放 图(44)。(a)离岸距离a处排放(aB/2)(b)岸边排放图(4-4)边界有限的点源排放在一般河流中,有两个边界,这时的反射次数P将是无限的;如果染污源处在两个边界之间,那么式(411)就成为:(413)在实际计算中,一般取P=2-
13、4次。如果污染源为河岸边排放,而且河宽度为B(图44 b),同样可以通过假设对应的虚源来摸拟边界的反射作用,则(414)污染物到达边界的纵向距离 二维介质中,在污染物中心排放的条件下,如果边界的污染物浓度达到断面平均浓度的5时,则称污染物到达岸边或地面;从污染物排放点到污染物到达边界的纵向距离称为污染物到达岸边所需的距离。河心排放河心排放若污染物在河心排放,污染物到达边界所需的距离为:岸边排放岸边排放若污染物在边界上排放,污染物到达对岸所需的距离为:污染物与河水完全混合所需距离污染物从排污口排出后要与河水完全混合需一定的纵向距离,这段距离称为混合过程段,其长度为x。河心排放河心排放完成横向混合
14、的距离为岸边排放岸边排放完成横向混合的距离为:经验估算模型:式中:L达到充分混合断面的长度,m;B河流宽度,m;a排放口到近岸水边的距离,m;H平均水深,m;u河流平均流速,m/s;g重力加速度,9.8 m/s2;I河流底坡,。浓度计算混合过程段用河岸边排放二维模型(414)完全混合段用一维模型(42),C0假定污水在入河处完全混合,用完全混合模型 (41)稳态时污染物在二维流场中的分布对于二维稳态的污染物分布,令(方差)(4-15)则式(411)可以写作4-16式(416)表明,在污染物排放点下游X断面上的污染物在横向呈正态分布,最大浓度出现在X轴上,其值为如果在定义污染物扩散羽的宽度为包含
15、全断面上95%的污染物量的宽度,那么,扩散羽的宽度就是4y。例68在流场均匀的河段中,河宽B=200m,平均水深h3m,流速UX0.5m/s,横向混乱系数Ey1m2/s;岸边连续排放污染物QA3600kg/hk0.试求下游2km处的最大浓度,污染物的横向分布,扩散羽的宽度和完成横向混合所需的时间。解污染物排放的源强QA3600kg/h=1000g/s.下游2km处的污染物分布的方差=89.4m 污染物的最大浓度应发生在y=0处,在计算中取p=1即可满足精度要求,当x=2000m时,按式(414)计算得exp(-kx/ux)=5.95mg/L2、污染物浓度横向分布 表43污染物浓度横向分布3、扩
16、散污染羽宽度b=2y=178.8m4、完成横向混合距离 =8000m 5、完成横向混合时间 t=x/ux=4.44h4.2.6混合区和超标水域二维水质模型的应用,跟混合区及超标水域密切相关,混合区是指工程排污口至下游的均匀混合断面之间的水域,它的影响预测主要是污染带分布问题。常采用混合过程段长度与超标水域范围两项指标反映。大、中河流由于水量较大,稀释混合能力较强(工程排放的废水量相对较小),因此,此类问题的水质影响预测的重点是超标水域的界定问题,常采用二维模型进行预测。4.2.6.1超标水域的含义,在排放口下游指定一个限定区域,使污染物进行初始稀释,在此区域内可以超过水质标准,这个区域称为超标
17、水域。超标水域有容许的意义,回此,它具有位置、大小和形状三个要素。a.位置 重要的功能区(敏感水域)均应提出加以保护,其范围内不允许超标水域存在。b.大小 排污口所在水域形成的超标水域,不应该影响鱼类洄游通道和邻近功能区水质,一般来说,湖泊海湾内可存在总面积不大于1-3平方千米的超标水域,河口、大江大河的超标水域不能超过12平方千米。c.形状 超标水域的形状应是一个简单的形状,这种形状就当容易设置在水中,以避免冲击重要功能区。在湖泊中,具有一定半径的圆形区域,一般是允许的。在河流中,一般允许长窄的区域,整体河段的封闭性区域将不被允许。4.2.6.2超标水域范围计算计算超标水域的目的在于限制混合
18、区,一般来说,只要超标水域外水质能保证功能区水质要求,就不需要对超标水域的排放口加以更严的排放限制。排放污染物导致功能区水质不能满足要求,其实质是超标水域范围侵占了功能区,或在排放口与取水口发生矛盾时,在预测向大水体排放污水的影响范围以及在研究改变排放方式的效果时,都必须进行超标水域范围计算。、根据现状污染物排放总量计算实际超标水域范围:各排污口、各污染物单独排放的超标水域范围;各功能区内,各排放口、各污染物超标水域分布情况;全河段内,各排污口、各污染物分布情况;各排污口、各污染物叠加影响后的超标水域范围。、根据允许污染物混合范围计算污染物应控制总量或消减总量:单一排污口控制和消减量,叠加影响
19、后的消减量及分配方案。、建立排污口与控制断面的输入响应关系:重点排污口对典型控制断面的贡献和贡献率;功能区内,各控制断面不同污染物的排放口贡献率。、在改变污染源情况时,可以进行如下预测:重点排放口的超标水域范围预测;功能区控制断面、各项污染物浓度预测;全河段混合区分布预测。5常规污染物瞬时点源排放水质预测模式 (1)瞬时点源的河流一维水质模式。(2)瞬时点源的河流二维水质模式。4.2.7河口和感潮河流水质模型河口是指入海河流受潮汐作用影响明显的河段,感潮河流则指汇入河口的、受潮汐作用影响明显的河流段。例如汇入长江口的黄浦江及其支流苏州河等为感潮河流。在环境影响预测中,一般取落潮时最大断面平均流
20、速与涨潮时最小断面平均流速之差等于0.05m/s的断面作为河口或感潮河流与河流的界限。我国的东部河口多为非正规半日潮,每日有两次涨落。一般说,涨潮历时短于落潮,如吴淞口张潮历时约4.5h,落潮约8h,大潮发生在农历初三、初十八前后,小潮发生在初八和初二十三前后。潮汐对河口的水质具有双重影响。一方面,由海潮带来大量的溶解氧,与上游水流相汇,形成强烈的混合作用,使污染物的分布趋于均匀;另一方面,由于潮流的顶托作用,延长了污染物在河口的停留时间,有机物的降解会进一步降低水中的氧,使水质下降。此外,潮汐也使河口的含盐量增加。潮汐作用使得水流在涨潮时向上游运动尽管在整个周期里水流总体上是向下游流动的。如
21、果在潮汐的高平潮(高憩)时的某处投放某种示踪剂,然后在以后的每一个高平测时测量沿程示踪剂的浓度,就得到如图(45)所示的分布,它说明在一维河口中,纵向弥散是主要作用。河口模型比河流复杂,求解也困难。对河口水质有重大影响的评价项目,需要预测污染物浓度随时间的变化。这时应采用水力学中的非恒定流的数值模型,以差分法计算流场,再采用动态水质模型预测河口任意时刻的水质。当排放口的废水能在断面上与河水迅速充分混合,则也可用一维非恒定流数值模型计算流场,再用一维动态水质模型预测任意时刻的水质。潮汐涨落的周期性运动及其特殊水力学性对河口水质有重大影响,但只需预测污染物在一个潮汐周期内的平均浓度,这时可以用一维
22、潮周平均模型预测。4.2.8湖泊(水库)水质模型4.2.8.1小湖(库)采用湖泊完全混合模型,也称沃兰伟德(Vollenwelder)模型对于停留很长时间、水质基本处于稳定状态的中小型湖泊和水库,可以看作一个均匀混合的水体。假定湖水中某种污染物的浓度随时间的变化率,是输入、输出和在湖泊内沉积的该种污染物的函数。根据物质平衡原理。即某时段某一水质元素含量的变化等于该时段流入总量减去流出总量,再减去元素降解或沉淀等损失的量,可列出微分方程:求最大浓度(平衡浓度)如假定湖泊初始浓度为0,即co=0,则上式变为 当式中t趋于无穷大时,则可确定平衡浓度Cp.求达到某浓度Ct时所需的时间t 达到Ct/CP
23、=(此为给定的比数)所需要的时间为:()求污染源消除后浓度的变化 若已知初始污染物浓度为C0(在t=0时),设没有污染物的输入(W00),容积V为常数,流量为q,净降解和沉淀系数为K。则根据式(4-27),可得浓度随时间的变化式:在此情况下,可求出污染物浓度达到与初始浓度之比为Ct/C0=时的时间t:中国南方河口的地区的冲积平原上常形成河网,例如长江和珠江三角洲河网非常发达。这些地区的河网流态流场受潮汐影响变化多端;几十年来河网上建有许多节制闸、船闸和防潮闸等,使河网流态流场受自然水文因素和人工调节的双重作用。要模拟和预测河网的水力学流场和水质非常复杂。虽然已有几种理论计算模型,但实际应用性和
24、可操作性差。一般的计算原则是将环状河网中过水量很小的河流忽略,将环状河网简化为树枝状河网。然后采用水力学流场模型耦合的计算模型进行动态模拟。在掌握详细的河网水文和水质同步监测数据时,可以将河网分段,然后采用完全混合模型估算。其他预测模型略4.2.10水质模型的参数估值方法1地表水水质模型中,参数值的估算是一个关键环节,直接关系到运用模型计算结果的合理性和准确性。对于水质模型中的参数,扩散系数E、耗氧系数为k1、污染物浓度横向分布大气复氧系数k2和沉淀再悬浮系数k3等,人们进行了广泛的研究,已形成较成熟的参数估算方法。4.2.10.1耗氧系数 k1的单独估值方法用BOD室内实验数据确定实验室测定
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