水环境规划与管理.pptx

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1、第一节水环境规划与管理基础1.流域水环境规划的工作程序2.水环境规划的目标与指标框架3.水环境功能规划4.水环境容量与总量控制规划方法5.水生态系统健康与修复第1页/共74页1.1、流域水环境规划的工作程序第一，找出水环境的主要问题。一般情况，需要获得以下基础性资料：地图。图上应标明拟做规划的流域范围和河流分段情况；沈阳市水环境保护与生态修复规划第2页/共74页规划范围内水体的水文与水质现状数据，以及用水现状；水文要素：降水、蒸发和径流。此外，水位、流量、含沙量、水温、冰凌和水质等也可称为水文要素。水质：地表水监测项目分为两大类：必测项目和选测项目，其中包含了天然水化学指标和污染指标。必测项目

2、主要包括：水温、pH值、悬浮物、总硬度、电导率、溶解氧、高锰酸盐指数、溶解气体，耗氧量，生物原生质，总硬度，总碱度，主要离子和矿化度等23项。第3页/共74页选测项目主要包括：硫化物、矿化度、非离子氨、化学需氧量、总锰、总锌、硒、阴离子表面活性剂、苯并(a)芘等17项。饮用水源地的监测项目与其略有不同。用水现状：生活饮用水水源、工业用水、农业灌溉、航运、渔业、娱乐和纳污等第4页/共74页 石油类、总氮（mg/L）总磷（mg/L）第5页/共74页监测项目监测项目监测结果监测结果评价标准评价标准4 4月份月份5 5月份月份6 6月份月份7 7月份月份9 9月份月份年均值年均值GHZB1-GHZB1

3、-19991999类类水位（米）水位（米）95.0195.0195.1695.1694.1194.1193.9393.9393.9893.9894.4494.44库容库容（万米（万米3 3）260826082531253125522552色色 度度5 5度度5 5度度5 5度度5 5度度5 5度度5 5度度透明度（米）透明度（米）1.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.52.52.5pH*pH*7.87.88.278.278.698.698.838.837.967.966.5-8.56.5-8.5溶溶 解解 氧氧12.012.010.510.511.211.29.

4、79.77.87.810.2410.245 5化学需氧量化学需氧量1111141417171414101013132020石油类石油类1.051.050.590.590.710.710.220.220.200.200.550.550.050.05非离子氨非离子氨0.00360.00360.00050.00050.020.020.0040.0040.0030.0030.0060.0060.020.02高锰酸盐指高锰酸盐指数数3.93.95.15.15.45.45.55.55.05.05.05.08 8总总 氮氮0.9620.9620.6830.6830.4340.4340.8040.8040.1

5、880.1880.6140.6140.30.3总总 磷磷0.040.040.0050.0050.030.030.0460.0460.010.010.0260.0260.0250.025第6页/共74页项项目目 点位点位 指标指标入口入口库心库心出口出口水库水库总体总体浮浮游游藻藻类类属类数（个）属类数（个）10108 811111515生物密度（个生物密度（个/L/L）2295022950172501725023400234002120021200优势属名称优势属名称颤藻颤藻颤藻颤藻颤藻颤藻颤藻颤藻优势属占比例优势属占比例（%）多样性指数多样性指数2.82.82.42.42.42.42.52.

6、5污染等级污染等级中轻污染中轻污染 中轻污染中轻污染 中轻污染中轻污染 中轻污染中轻污染 2002年棋盘山水库水质生物监测结果第7页/共74页污染源清单。包括排入各段水体的污染源一览表（最好以重要性顺序排序）、各排污口位置、排放方式、污染物排放量、治理现状和规划，以及非点污染源的一般情况；流域水资源规划、流域范围内的土地利用规划和经济发展规划等有关的规划资料；可考虑采用的水污染控制方法及其技术经济和环境效益的资料。第8页/共74页第二，确定规划目标。使经济与水环境协调发展通常包括水环境质量目标和水污染物总量控制目标两类到2010年,长春市城区主要地表水体按功能区达标,其中,城镇集中式饮用水水源

7、地水质达标率力争达到100%;城区污水集中处理率大于70%。第三，选定规划方法（水环境容量与总量预测）。数学规划法和模拟比较法第9页/共74页第四，拟定规划措施。调整经济结构和工业布局，实施清洁生产工艺，提高水资源利用率，充分利用水体的自净能力和增加污水处理设施等。首先采取措施保护饮用水源。邕江上已有四座饮用水厂，其中，凌铁水厂处在水质较差的支流大坑入口下游、亭子冲入口对面，受污染威胁较大，水质较差。拟对排入大坑支流的污水采取截流措施，将污水引至下游，经处理后排入邕江；亭子冲入口的污染带，形成的原因，是南宁电厂的锅炉冲灰水、南宁制糖厂和造纸厂的工业污水，拟采取工程措施，要求其削减排污量。为满足

8、水体其它功能要求，拟通过各个河段的水环境容量的计算，确定相应污染源的污染物削减量。第10页/共74页第五，提出供选方案（提出允许排污量分配方案）。费用-效益分析、方案可行性分析和水环境承载力分析对规划方案进行综合评价。第六，规划实施。一个规划的成功与否，就是看最终的规划方案能否被采纳、执行并取得相应的效果。第11页/共74页第12页/共74页1.2、流域水环境规划的原则和时空尺度一、水环境规划与管理的原则（一）可持续原则（二）经济生态原则（三）和谐原则（四）自我调控原则（五）系统优化原则二、水环境规划与管理的时空尺度（一）空间尺度（二）时间尺度（三）规划与管理实践中的时空边界选择第13页/共7

9、4页2、水环境规划与管理目标与指标框架2.1目标框架1）具有一般规划目标的共性2）与涉及社会经济活动相协调3）保证可操作性4）满足先进性与前瞻性的要求2.2指标体系框架社会、经济、自然第14页/共74页3.水环境功能分区 3.1 水环境功能分区原则(1)集中式饮用水源地与敏感水域优先保护；(2)不得降低现状使用功能；(3)优质水优用及低质水低用；(4)统筹考虑，上下游、区域间互相兼顾，适当考虑潜在功能要求；(5)合理利用水体自净能力和环境容量；(6)与城市发展和产业合理布局相结合；(7)考虑经济技术可行性，实用可行，便于管理等。第15页/共74页3.2 水环境功能区划分的方法与步骤 第16页/

10、共74页4、水环境容量与总量控制4.1水环境容量水环境容量的概念 水环境容量是指水体在特定的环境目标下所能容纳污染物的量。在理论上，水环境容量是环境的自然规律参数与社会效益参数的多变量函数。它反映污染物在水体中的迁移、转化规律，也满足特定功能条件下，水环境对污染物的承受能力；在实践上，水环境容量是环境目标管理的基本依据，是水环境规划的主要环境约束条件，也是污染物总量控制的关键参数。第17页/共74页4.2、水环境容量分类1.按水环境目标分类（自然水环境容量和管理水环境容量）（1）自然水环境容量 以污染物在水体中的基准值为水质目标，则水体的允许纳污量称为自然环境容量。其模型为：式中：E-水环境容

11、量；B基-污染物在水体中的基准值；B-污染物在水体中的背景浓度；V-水的体积；K自-水体自净系数。第18页/共74页（2）管理（或规划）环境容量 以污染物在水体中的标准值为水质目标，则水体的允许纳污量称为管理环境容量；当以水污染损害费用与治理费用之和最小为约束条件，规划允许排污量时，称为规划环境容量。其模型为：第19页/共74页2.按污染物性质分类（1）耗氧有机物的水环境容量；（2）有毒有机物的水环境容量。有毒有机物是指人工合成的毒性大、难降解有机物。这类有机物的同化容量极小，一般只考虑水体的稀释作用。有毒有机物应主要在污染源中消除，而不宜利用水体的环境容量；（3）重金属的水环境容量。重金属也

12、可被水体稀释到阈值以下。重金属是保守性污染物，它只发生状态和空间位置的变化，而不能被分解，因此，重金属没有同化容量。且由于重金属易于在环境和生物体内积累，因此，要严格控制利用水体的环境容量。第20页/共74页4.3 水环境容量的影响因素影响因素主要包括自然条件、排污条件、目标条件和约束条件等。具体内容归纳如下：（1）自然条件主要包括设计水量、水温、流速和上游设计断面及其水质浓度、横向混合系数和纵向混合系数等。（2）排污条件包括设计排污流量、浓度、排放地点、排放方式和排放强度等。（3）目标条件主要包括设计污染控制因子、控制区段与断面和水质标准及达标率等。（4）约束条件包括与确定总量控制指标及控制

13、方案有关的约束性因素，如经济投资约束条件、工业布局及城市规划约束条件等。第21页/共74页4.4 水污染物总量控制总量控制就是依据某一区域的环境容量确定该区域污染物容许排放总量，再按照一定原则分配给区域内的各个污染源，同时制定出一系列政策和措施，以保证区域内污染物排放总量不超过容许排放总量。第22页/共74页总量控制可划分为三种类型：（1）容量总量控制。从受纳水体容许纳污量出发，制定排放口总量控制指标。（2）目标总量控制。从控制区域容许排污量控制目标出发，制定排放口总量控制指标。（3）行业总量控制。在行业中以能源、资源合理利用为控制基点，从最佳生产工艺和实用处理技术两方面进行总量控制负荷分配。

14、第23页/共74页例：长春市地区水污染控制规划根据水环境功能区的实际情况,长春市地表水环境容量计算采用一维水质模型。模型如下:式中,Wi为第i个排污口允许排放量,t/a;Ci为河段第i个节点处的水质本底浓度,mg/L;C为沿程浓度,mg/L;Qi为河道节点后流量,m3/s;Qj为第i个节点处废水入河流量,m3/s;Kx为降解系数,L/d;U为第i个河段设计流量,m/s;X为计算点到第i个节点的距离。第24页/共74页第25页/共74页主要水污染物总量分配指导意见 区域（流域）化学需氧量总量指标在水质控制目标容量测算和出境断面污染物总量削减的基础上进行分配，计算方法如下：（1）以2005年环境统

15、计数据为基准，核算2005年区域（流域）化学需氧量出境量，计算公式如下：Pc=PsiKiPc省（市、县）控断面化学需氧量出境量；Psi流域内第i个控制区域的实际排放量；Ki流域内第i个控制区域的污染物综合传递系数。第26页/共74页（2）根据出境断面浓度控制目标确定区域（流域）出境化学需氧量削减水平，计算公式如下：X=（1-Cm/Cs）100%X省（市、县）控断面出境化学需氧量削减水平；Cm出境断面2010年化学需氧量目标浓度；Cs出境断面2005年化学需氧量实测平均浓度。（3）确定区域（流域）化学需氧量初始分配总量，计算公式如下：(资料缺失)Pi区域（流域）化学需氧量初始分配总量；Pdi流域

16、内第i个控制区域排污单位排放定额总量。调整区域（流域）化学需氧量初始分配总量。若PiPsi,则Pi调整为Psi，以控制区域的实际排放量作为区域（流域）化学需氧量总量指标。第27页/共74页（4）分配排污单位化学需氧量总量指标采用定额达标法予以分配，即按照现有的国家行业污染物排放标准中规定的排污定额为依据确定总量指标。在优先考虑生活污水的基础上，对工业企业分配总量指标工业企业有行业污染物排放定额时，以企业的产品数量和单位产品排放污染物的限值计算：污染物排放定额计算排放限值：Mi=AiDiAi-第i个企业的产品数量Di第i个工业污染源单位产品排放污染物的限值。第28页/共74页第29页/共74页按

17、定额达标法分配的各排污单位总量指标之和超过上一级政府下达的总量控制指标时，各级环境保护部门应根据区域总体削减水平，以区域内排放水污染的重点排污单位（包括重点工业企业、城市污水处理设施和其它工业污水集中处理设施）排放定额为基础，按等比例分配方法重新分配其总量指标；其它工业企业则按定额达标排放量进行分配。第30页/共74页我国水污染物总量控制的缺陷水质指标选取单一未将非点源污染纳入总量控制体系总量分配时缺乏不确定性分析第31页/共74页美国的每日最大总负荷(Total Maximum DailyLoad,TMDL)全面将点源和非点源污染纳入总量控制系统。TMDL=WLA+LA+BL+MOS其中，W

18、LA(WasteLoadAllocation)为允许的现存和未来的点源污染负荷LA(LoadAllocation)是允许的现存和未来的非点源污染负荷BL(BackgroundLevel)是水体自然背景值MOS(MarginofSafety)为安全余量第32页/共74页第33页/共74页5水生态系统健康与修复5.1水生态系统健康1.基本内涵 满足人类社会合理需求能力和水生态系统本身自我维持与更新的能力。健康的水域不但要保持水体自然生态特征的完整性，还应强调对人类的生态服务功能的发挥。第34页/共74页2.评价方法生物监测法和综合指标法（Lason表5-1、澳大利亚的溪流状况指数是ISC）3.评价

19、标准无明确统一标准评价标准的确定是水生态系统健康评价的重点和难点。第35页/共74页5.2.水生态修复指在生态学原理指导下，以生物修复为基础，结合各种物理修复、化学修复以及工程技术措施，通过优化组合、使之达到最佳效果的综合修复受损水环境的方法。目的：减轻人类活动对水环境自然模式或多样性的限制。方式：恢复、重建、改建原则：循环再生、和谐共存、整体优化、区域分异修复模式：“水安全、水环境、水景观、水文化、水经济”五位一体水生态建设与修复模式。第36页/共74页例：桂林水生态系统保护与修复 从空间尺度考虑，为全流域、大系统，具体包括“六江四库四湖一湿地”(漓江干流、川江、小溶江、甘棠江、桃花江、小东

20、江，青狮潭、小溶江、川江、斧子口4座生态水库，榕湖、杉湖、桂湖、木龙湖，会仙湿地)；从时间尺度考虑，从1973年至2010年，跨度为37年。其中，1973年至1993年是重点治污阶段；1995年至2005年是以市区湖泊生态为主、加强规划区小支流管理的阶段；2006年至2010年为规划区全面生态修复的阶段。第37页/共74页例：浑河生态修复与景观建设规划图 6 浑河生态修复与景观建设规划模式八元修复模式 第38页/共74页主要包括：支流污染综合防治规划方案；滨岸廊道恢复规划方案；河口人工湿地修复规划；景观节点建设规划。“源头途径终端”的全过程污染控制体系。图 6 浑河生态修复与景观建设规划示意图

21、第39页/共74页第二节水环境规划、决策模型与方法一、排污系统的优化处理模型（一）最优化问题（二）模拟选优问题第40页/共74页一、排污系统的优化处理模型（一）最优化问题利用数学规划的方法，科学组织污染物的排放或协调各个治理环节，以便用最小的费用达到所规定的水质目标。这类问题分为三种：1。污水处理厂效率优化处理2。最优化均匀处理3。区域最优化问题第41页/共74页最优化分析方法在环境规划管理中，常需要采用最优化分析方法，将环境系统规划决策问题简化成预定的目标函数和约束条件下，对有若干决策变量所代表的规划方案以及进行优化决策的数学规划模型。环境规划中常用的数学规划方法：线形规划、非线形规划、动态

22、规划第42页/共74页线形规划在环境规划管理中，线性规划常常用来解决两类优化问题：一是如何优化资源配置使产值最大或利润最高，二是如何统筹安排以便消耗最少的资源或排放最少的污染物。数学模型：目标函数约束条件第43页/共74页例：假设一地区TSP来源于当地三个工厂。若工厂1和工厂2燃煤的TSP排放因子为95kg/t(煤)，和工厂3燃煤的TSP排放因子为85kg/t(煤)。工厂1，2，3的燃煤量分别为400000t/a,300000t/a,250000t/a。为满足环境质量要求，该区域TSP最大允许排放量为17600000t/a，试以最小治理费用达到环境目标。处处理理方案方案设备类型设备类型除除 尘

23、尘 效效率率%0无无01重力尘降室重力尘降室592惯性除尘器惯性除尘器743旋风除尘器旋风除尘器844喷雾洗涤器喷雾洗涤器945电除尘器电除尘器97第44页/共74页可行的除尘方法费用工厂工厂1工厂工厂2工厂工厂3处处理理方方案案变量变量（燃煤量燃煤量)费用费用（元（元/吨）吨）变量变量（燃煤量燃煤量)费用费用（元（元/吨）吨）变量变量（燃煤量燃煤量)费用费用（元（元/吨）吨）0 x10c10 0.0 x20c20 0.0 x30c30 0.01 x11c11 1.0 x21c21 1.4x31c31 1.12 不可行不可行不可行不可行不可行不可行不可行不可行x32c32 1.23 不可行不可

24、行不可行不可行不可行不可行不可行不可行x33c33 1.54 x14c14 2.0 x24c24 2.2x34c34 3.05 x15c15 2.8x25c25 3.0不可行不可行不可行不可行第45页/共74页解：该规划问题的优化模型可写成：minZ=1.0 x11+2.0 x14+2.8x15+1.4x21+2.2x24+3.0 x25+1.1x31+1.2x32+1.5x33+3.0 x34约束条件：x10+x11+x14+x15=400000 x20+x21+x24+x25=300000 x30+x31+x32+x33+x35=25000095*(1-0%)x10+95*(1-59%)x

25、11+95*(1-94%)x14+95*(1-97%)x15+.17 600 000用单纯行法求解得到最优解：X=(x11,x14,x24,x32)=(242793,157207,300000,250000)结论：工厂1采用重力尘降室和喷雾洗涤器，工厂2采用喷雾洗涤器，工厂3采用惯性除尘器除尘，则用于污染控制的总费用最低：Z=1517207 元/年。第46页/共74页非线形规划目标函数和约束条件其中任一方为非线形的。数值求解非线性规划的算法大体分为两类：一是采用逐步线性逼近的思想，通过一系列非线性函数线性化的过程，利用线性规划获得非线性规划的近似最优解；二是采用直接搜索的思想，根据部分可行解或

26、非线性函数在局部范围内的某些特性，确定迭代程序，通过不断改进目标值的搜索计算，获得最优或满足需要的局部最优解。第47页/共74页动态规划在环境规划管理中，经常遇到多阶段最优化问题，即各个阶段相互联系，任一阶段的决策选择不仅取决于前一阶段的决策结果，而且影响到下一阶段活动的决策，从而影响到整个决策过程的优化问题。这类问题通常采用动态规划方法求解。基本原理为：作为多阶段决策问题，其整个过程的最优策略应具有这样的性质，即无论过去的状态和决策如何，对前面的决策所形成的状态而言，其后一系列决策必须构成最优决策。可以把多阶段决策问题分解成许多相互联系的小问题，从而把一个大的决策过程分解成一系列前后有序的子

27、决策过程，分阶段实现决策的“最优化”，进而实现“总体最优化”方案。第48页/共74页1。污水处理厂效率优化处理 排污口最优规划是以各小区的污水处理厂为基础，以总处理费用最低为目标，在水体水质条件的约束下，寻求各处理厂处理效率的最佳组合，其数学模型为 n第49页/共74页2.最优化均匀处理厂群规划问题在均匀处理最优规划问题中，污水处理效率是已知值，处理费用只是污水处理规模的函数。在约束条件中不出现水质约束。模型表示为：第50页/共74页3。区域最优化问题区域处理最优规划是排放口处理最优规划和均匀处理最优规划的综合。在区域处理最优规划中，既要寻求最佳的污水处理厂的位置和处理量，又要寻求污水处理厂处

28、理效率的最佳组合。区域处理规划模型求解比较复杂，目前还没有比较成熟的技术求解这一类问题。试探分解法是较常用的方法。试探法的基础是:”全部处理或全不处理”的策略。即分成两个子问题，分别求得两个子问题的最优解。第51页/共74页（二）、模拟选优问题在许多情况下，采用数学方法进行最优化的条件难以具备，这时，规划方案的模拟选优就成为水污染控制系统规划的主要方法。规划方案的模拟选优与最优规划方法不同，它是先进行污水输送与处理设施规划，提出几种可供选择的规划方案，然后采用水质模型，计算各种方案中污水排放后水域控制断面的水质，找出比较好的方案。这种方法选优的结果，在很大程度上取决于规划人员的经验，因此，采用

29、模拟选优方法时，要求尽可能多提出一些初步规划方案，以供筛选。第52页/共74页二、污染负荷分配方法依据水环境中污染物最大允许排放量的要求，根据排污地点、数量和方式，结合污染源排污总量削减的优先顺序和技术、经济的可行性等，对各控制区域或单元分配环境容量资源，从而确定各污染源或控制单元的最大允许排放量或削减量。（一）等比例分配方法（二）按贡献率分配方法（三）费用最小分配方法第53页/共74页（一）等比例分配方法一般等比分配排污标准加权分配单元加权分配忽略了企业生产工艺、生产设备、水资源利用率、水污染治理水平等多方面差别第54页/共74页（二）按贡献率分配方法按各污染源或污染物的贡献率大小来分配具有

30、公平性，但是忽略了不同行业污染治理费用的差异。第55页/共74页（三）费用最小分配方法1）线性规划方法2）非线性规划方法3）动态规划法 追求社会整体利益最大，忽略了各排污实体之间的公平问题，例如环境治理的成本因素、效率，边际治理费用的高低，可能导致管理得力的企业负担更多的污染负荷削减，不利于企业开展公平竞争。第56页/共74页三、水环境综合规划与决策模型传统方法与模拟工具（系统动力学、人工神经网络、遗传算法等）结合起来，建立综合规划与决策模型第57页/共74页它综合应用控制论、信息论和决策论等有关理论和方法，建立系统动力学模型，以电子计算机为工具，进行仿真实验，所获得的信息用来分析和研究系统的

31、结构和行为，为正确决策提供科学的依据，是研究复杂大系统运动规律的理想方法。强调系统、动态和反馈，并使三者有机结合起来，同时强调系统的结构决定系统的功能。系统动力学第58页/共74页水资源配置SD-MOP整合模型需水一般是由社会经济发展状况决定的，而社会经济发展状况又受水资源供给量限制，供水量一方面和本地水资源量有关，另一方面也和水利资金投入有关，同时水利资金投入量与社会经济水平密切相关，从而形成一个“需水社会经济水平供水”的互为作用、互为反馈的复杂大系统。第59页/共74页目标：区域总体经济收益最大化区域水资源消耗最小化污染物产生量最小化约束条件：水资源量约束、废水处理能力约束、水环境容量约束

32、、总资金投入量约束第60页/共74页例：天目湖SD-MOP模型的建立第61页/共74页第62页/共74页第63页/共74页第64页/共74页第三节水环境规划与管理的技术措施一、水规划的技术措施实现三个结合：l宏观层面上的产业布局、结构与规模调整、循环经济体系建设与微观层面上的清洁生产、排污动态调整的结合；l污染物源头控制与末端治理结合；l陆域污染治理与水体自身净化能力发挥、内源污染控制的结合；第65页/共74页（一）控制与削减污染物排放量1.调整产业结构与规模2.提高水资源利用效率，降低污染强度3.建立市政污水处理与回用工程4.发展污水生态处理工程第66页/共74页（二）对污染排放进行时空调整

33、1.生产力布局调整2.选择适宜的污水排放方式污水排放时段水体类型、地点的选择排污方式的配置与设计第67页/共74页（三）提高水体净化能力1.发展水体内污染修复生态工程2.曝气3.添加化学试剂4.改善水动力条件第68页/共74页（四）控制水体内源污染1.实施底泥环境疏浚2.控制底泥污染物释放第69页/共74页二、常用的水环境管理手段（一）水资源开发与利用管理我国水资源产权属于国家取水许可管理、水资源费、城市用水定额管理第70页/共74页（二）污染物排放管理排污受费和排污许可（三）水体生态管理主要针对水生态恢复工程第71页/共74页本章重点掌握的内容：1.规划的主要工作程序或步骤有哪些？2.什么是水环境容量？水环境容量在流域水环境规划与管理中有什么作用？3.影响水环境容量的主要因素有哪些？如何确定一定水域的水环境容量？4.什么是水污染物总量控制及其类型？5.分析我国水污染物总量控制的缺陷6.我国水污染物总量控制与美国TMDL的区别与联系7.请分析排放口最优规划、均匀处理最优规划、区域处理最优规划与模拟选优各有哪些特点？各适用于什么情况？8.常用的水环境规划的技术措施9.常用的水环境管理手段第72页/共74页本章完第73页/共74页