《水环境质量评价与影响预测》讲义.doc_大学文库

第六章水环境质量评价和影响预测187 6水环境质量评价和影响预测 6,1.1水体和水体污染 6.1.2水体污染物及污染源 6,1.3水体污染类 6,2河流水质模型 6.2,1河流水质模型简介 6.22河流的混合稀释模型 6,2,3守恒污染物在均匀流场中的扩散模型 6.2.4非守恒污染物在均匀河流中的水质模型 6.2.5S r- Phe lps(S-P)模型 6.2.6河流水质模型中参数估值 6.3湖泊水库模型与评价 6.3.1湖泊环境概述 6.32湖泊环境质量现状评价 6.3.3湖泊环境预测模式 6.4地面水环境影响评价 6.4,1评价级及程序影响评价大纲 6,4,3项目分析和污染源调查 64.4地区水环境调查 6,4,5水环境影响预测及评价 6,4.6清洁生产和水污染防治 6水环境质量评价和影响预测 6.1水体与水体污染 6.1.1水体和水体污染水是环境中最活跃的自然要素之一。水是一切生命机体的组成物质,也是生命代谢活动所必需的物质。如果地球上没有水,很难设想有整个生物界。人类生活需要水,各种生产活动也需要水,水是万物之本。因此,水是人类不可缺少的非常宝贵的自然资源。它对人类的社会发展起着很重要的作用。水体是水集中的场所,水体又称为水域。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。在太阳能和地表面热能的作用下地球上的水不断地被蒸发变成水蒸气,进入大气。从海洋蒸发的水蒸气进入大气,被气流带到陆地上空,遇冷凝结成雨、雪、雹等落到地面,一部分被蒸发返回大气,一部分经地面径流流入地面水体(江河、湖泊、水库等),一部分经地层渗透进入地下水体。地面水体的水经地面径流,最终都回归海洋。这种海洋和陆地之间水的往复运动过程,称为水的大循环。仅在局部地区(仅在陆地上或仅在海洋上)进行的水循环称为水的小循环。在自然界中水的大、小循环是交织在一起的,周而复始地运动着。地面水水体主要指江、河、湖泊、沼泽、水库等。地面水水体的概念不仅包括水,而且包括水中的悬浮物、底泥和水生生物。它是完整的生态系统或自然综合体。地面水水体按使用目的和保护目标可划分为五类。I类主要适用于

第六章水环境质量评价和影响预测 118 71 6 水环境质量评价和影响预测 6.1 水体与水体污染 6.1.1 水体和水体污染 6.1.2 水体污染物及污染源 6.1.3 水体污染类型 6.2 河流水质模型 6.2.1 河流水质模型简介 6.2.2 河流的混合稀释模型 6.2.3 守恒污染物在均匀流场中的扩散模型 6.2.4 非守恒污染物在均匀河流中的水质模型 6.2.5 Streeter-Phelps（S-P）模型 6.2.6 河流水质模型中参数估值 6.3 湖泊水库模型与评价 6.3.1 湖泊环境概述 6.3.2 湖泊环境质量现状评价 6.3.3 湖泊环境预测模式 6.4 地面水环境影响评价 6.4.1 评价目的、分级及程序 6.4.2 环境影响评价大纲 6.4.3 项目分析和污染源调查 6.4.4 地区水环境调查 6.4.5 水环境影响预测及评价 6.4.6 清洁生产和水污染防治 6 水环境质量评价和影响预测 6.1 水体与水体污染 6.1.1 水体和水体污染水是环境中最活跃的自然要素之一。水是一切生命机体的组成物质，也是生命代谢活动所必需的物质。如果地球上没有水，很难设想有整个生物界。人类生活需要水，各种生产活动也需要水，水是万物之本。因此，水是人类不可缺少的非常宝贵的自然资源。它对人类的社会发展起着很重要的作用。水体是水集中的场所，水体又称为水域。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。在太阳能和地表面热能的作用下，地球上的水不断地被蒸发变成水蒸气，进入大气。从海洋蒸发的水蒸气进入大气，被气流带到陆地上空，遇冷凝结成雨、雪、雹等落到地面，一部分被蒸发返回大气，一部分经地面径流流入地面水体(江河、湖泊、水库等)，一部分经地层渗透进入地下水体。地面水体的水经地面径流，最终都回归海洋。这种海洋和陆地之间水的往复运动过程，称为水的大循环。仅在局部地区(仅在陆地上或仅在海洋上)进行的水循环称为水的小循环。在自然界中水的大、小循环是交织在一起的，周而复始地运动着。地面水水体主要指江、河、湖泊、沼泽、水库等。地面水水体的概念不仅包括水，而且包括水中的悬浮物、底泥和水生生物。它是完整的生态系统或自然综合体。地面水水体按使用目的和保护目标可划分为五类。I类主要适用于

源头水和国家自然保护区的水体:Ⅱ类主要适用于集中式生活饮用水水源地-级保护区内的水体,以及珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场的水体:Ⅲ类主要适甩于集中式生活饮用水水源地二级保护区和一般鱼类保护区及游泳区的河段:Ⅳ类主要适用于一般工业用水和娱乐用水水体;V类适用于农业用水及一般景观水域。上述五类水体对其水质有各自不同的要求。水体受到人类或自然因素或因子(物质或能量)的影响,使水的感观性状(色、嗅、味浊)、物理化学性能、(温度、酸碱度、电导度、氧化还原电位、放射性)、化学成分(无机、有机)、生物组成(种类,数量、形态、品质)及底质情况等产生了恶化,污染指标超过地面水环境质量标准,称为水体污染水体污染分为自然污染和人为污染两类。后者是主要的,更为人们所关注。水体的自然污染是自然原因所造成的。如某一地区的地质化学条件特殊,某种化学元素大量地富集于地层中,由于大气降水的地表径流,使这种元素或它的盐类,溶解于水或夹杂在水流中被带入水体,造成水体污染。地下水在地下径流的漫长的路径中,溶解了比正常水质多的某种元素(离子态),或它的盐类,造成地下水的污染。当它以泉的形式涌出地面流入地面水体时,造成了地面水体的污染。水体的人为污染是由于人类的生活和生产活动向水体排放的各类污染物质(或能量),其数量达到使水和水体底泥的物理、化学性质或生物群落组成发生变化,从而降低了水体原始使用价值,造成了水体的人为污染,或称水体污染水体污染是工业与环境没有谐调发展的产物,从某种意义上说也是经济落后国家贫穷的产物。水体污染的发生及其演变过程取决于污染源、污染物及受纳水体三个方面的特征及其相互作用和关系污染物进入水体后,发生两个相互关联的过程:一是水体污染恶化过程,二是水体污染的净化过程。水体污染恶化过程包括以下几个过程。 (1)溶解氧下降过程排入水体中的有机物,在好氧细菌的作用下,复杂的有机物被分解为简单的有机物直至转化为无机物,要消耗大量溶解氧,使水体中溶解氧下降,水质恶化。水体底部多为厌氧条件,底泥中的有机物在厌氧细菌的作用下产生出硫化氢、甲烷等还原性气体,水质恶化。水体中溶解氧的下降,威胁水生生物的生存 (2)水生生态平衡破坏过程由于水体中溶解氧的下降,营养物质增多,使耐污、耐毒、喜肥的低等水生动物、植物大量繁殖。鱼类等高等水生生物迁移、死亡。当水体中溶解氧低于3mg/L时,就会引起鱼类窒息死亡。因此:渔业水体中溶解氧(DO)不得低于3mg/L。如鲤鱼要求溶解为6-8mg/ L,青鱼、草鱼、鲢鱼等均要求溶解氧保持在5ng/L以上 (3)低毒变高毒过程由于水体中pH值、氧化还原、有机负荷等条件的改变多使低毒化合物转化为高毒化合物。如三价铬、五价砷、无机汞可转化为更毒的六价铬、三价砷、甲基汞。 (4)低浓度向高浓度转化过程由于物理堆积和生物富集作用,使低浓度向高浓度转化。如重金属、难分解有机物、营养物向底泥的积累过程,使底泥的污染物浓度升高。由于生物的食物链作用,使污染物在鱼类或其它水生生物体里富集,造成污染物的高浓度水体中污染物浓度自然逐渐降低的现象称为水体自净。水体自净机制有三种。 (1)物理净化物理净化是由于水体的稀释、混合、扩散、沉积、冲刷、再悬浮等作用而使污染物浓度降低的过程 (2)化学净化化学净化是由于化学吸附、化学沉淀、氧化还原、水解等过程而使污染物浓度降低。 3)生物净化生物净化是由于水生生物特别是微生物的降解作用使污染物浓度降低水体自净的三种机制往往是同时发生,并相互交织在一起。哪一方面起主导作用取决于污染物性质和水体的水文学和生物学特征。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

源头水和国家自然保护区的水体；Ⅱ类主要适用于集中式生活饮用水水源地—级保护区内的水体，以及珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场的水体；Ⅲ类主要适甩于集中式生活饮用水水源地二级保护区和一般鱼类保护区及游泳区的河段；Ⅳ类主要适用于一般工业用水和娱乐用水水体；V类适用于农业用水及一般景观水域。上述五类水体对其水质有各自不同的要求。水体受到人类或自然因素或因子(物质或能量)的影响，使水的感观性状(色、嗅、味、浊)、物理化学性能、(温度、酸碱度、电导度、氧化还原电位、放射性)、化学成分(无机、有机)、生物组成(种类，数量、形态、品质)及底质情况等产生了恶化，污染指标超过地面水环境质量标准，称为水体污染。水体污染分为自然污染和人为污染两类。后者是主要的，更为人们所关注。水体的自然污染是自然原因所造成的。如某一地区的地质化学条件特殊，某种化学元素大量地富集于地层中，由于大气降水的地表径流，使这种元素或它的盐类，溶解于水或夹杂在水流中被带入水体，造成水体污染。地下水在地下径流的漫长的路径中，溶解了比正常水质多的某种元素（离子态），或它的盐类，造成地下水的污染。当它以泉的形式涌出地面流入地面水体时，造成了地面水体的污染。水体的人为污染是由于人类的生活和生产活动向水体排放的各类污染物质(或能量)，其数量达到使水和水体底泥的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体原始使用价值，造成了水体的人为污染，或称水体污染。水体污染是工业与环境没有谐调发展的产物，从某种意义上说也是经济落后国家贫穷的产物。水体污染的发生及其演变过程取决于污染源、污染物及受纳水体三个方面的特征及其相互作用和关系。污染物进入水体后，发生两个相互关联的过程：一是水体污染恶化过程，二是水体污染的净化过程。水体污染恶化过程包括以下几个过程。 (1) 溶解氧下降过程排入水体中的有机物，在好氧细菌的作用下，复杂的有机物被分解为简单的有机物直至转化为无机物，要消耗大量溶解氧，使水体中溶解氧下降，水质恶化。水体底部多为厌氧条件，底泥中的有机物在厌氧细菌的作用下产生出硫化氢、甲烷等还原性气体，水质恶化。水体中溶解氧的下降，威胁水生生物的生存。 (2) 水生生态平衡破坏过程由于水体中溶解氧的下降，营养物质增多，使耐污、耐毒、喜肥的低等水生动物、植物大量繁殖。鱼类等高等水生生物迁移、死亡。当水体中溶解氧低于3mg／L时，就会引起鱼类窒息死亡。因此；渔业水体中溶解氧(DO)不得低于3 mg／L。如鲤鱼要求溶解为6—8mg／ L,青鱼、草鱼、鲢鱼等均要求溶解氧保持在5mg／L以上。 (3) 低毒变高毒过程由于水体中pH值、氧化还原、有机负荷等条件的改变多使低毒化合物转化为高毒化合物。如三价铬、五价砷、无机汞可转化为更毒的六价铬、三价砷、甲基汞。 (4)低浓度向高浓度转化过程由于物理堆积和生物富集作用，使低浓度向高浓度转化。如重金属、难分解有机物、营养物向底泥的积累过程，使底泥的污染物浓度升高。由于生物的食物链作用，使污染物在鱼类或其它水生生物体里富集，造成污染物的高浓度。水体中污染物浓度自然逐渐降低的现象称为水体自净。水体自净机制有三种。 (1)物理净化物理净化是由于水体的稀释、混合、扩散、沉积、冲刷、再悬浮等作用而使污染物浓度降低的过程 (2)化学净化化学净化是由于化学吸附、化学沉淀、氧化还原、水解等过程而使污染物浓度降低。 3)生物净化生物净化是由于水生生物特别是微生物的降解作用使污染物浓度降低。水体自净的三种机制往往是同时发生，并相互交织在一起。哪一方面起主导作用取决于污染物性质和水体的水文学和生物学特征。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。如距污水排放口近的水域,往往总是表现为污染恶化过程,形成严重污染区。在下游水域,则以污染净化过程为主,形成轻度污染区, 再向下游最后恢复到原来水体质量状态。所以,当污染物排入清洁水体之后,水体一般呈现出三个不同水质区:即水质恶化区,水质恢复区和水质清洁区。 6.1.2水体污染物及污染源 1.水体污染物造成水体的水质、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。 2.水体污染源向水体排放或释放污染物的来源或场所称为水体污染源。从不同的角度可将水体污染源分为不同的类型。按造成水体污染的自然属性分类可分为自然污染源和人为污染源。按受污染水体的种类分类可分为:地面水污染源、地下水污染源、海洋污染源。按污染源排放污染物(或能量)种类分类分为物理(热污染源、放射性污染源)污染源、化学(无机物、有机物) 污染源、生物污染源(如医院)。按污染源几何形状特征分类可分为点污染源(城市污水排放口,工矿企业污水排放口)、线污染源(雨水的地面径流)、面污染源。按污水产生的部门分类可分为:生活污水、工业污水、农业退水、大气降水。污染源的种类不同,使水体的污染程度不同,污染物在水体中迁移转化规律也不同 6.1.3水体污染类型水体污染类型较多,主要有以下几类。 1.有机耗氧性污染生活污水和一部分工业废水中含有大量的碳水化合物、蛋白质、脂肪和木质素等有机物。这类物质进入水体,在好氧微生物的作用下,多分解为简单无机物质。在此过程中消耗水体中的大量溶解氧。大量的有机物进入水体,势必导致水体中溶解氧急剧下降,因而影响鱼类和其它水生生物的正常生活。严重的还会引起水体发臭,鱼类大量死亡。 2.化学毒物污染随着现代工农业生产的发展,每年排入水体的有毒物质越来越多。有毒污染物的种类已达数百种之多,大体可分为四类:(1)非金属无机毒物(CN、F、S等),(2)重金属与类金属无机毒物(g、Cd、Cr、P、M等),(3)易分解有机毒物(挥发酚、醛、苯等),(4)难分解有机毒物(DDT、六六六,、多氯联苯、多环芳烃、芳香胺等)。 3.石油污染随着石油工业的迅速发展,油类对水体特别是海洋的污染越来越严重。目前由人类活动排入海洋的石油每年达几百万吨以至几千万吨。1991年的海湾战争造成的石油污染是至今最大的石油污染。进入海洋的石油在水面形成一层油膜,影响氧气扩散进入水中,因而对海洋生物的生长产生不良影响。石油污染对幼鱼和鱼卵危害极大,油膜和油块粘附在幼鱼和鱼卵上:使鱼卵不能成活或使幼鱼死亡。石油使鱼虾类产生石油臭味,降低海产品的食用价值。石油污染破坏优美的海滨,风景,降低了作为疗养、旅游地的使用价值。 4.放射性污染水体中放射性物质主要来源于铀矿开采、选矿、冶炼、核电站及核试验以及放射性同位素的应用等。从长远来看,放射性污染是人类所面临的重大潜在性威胁之一

两种过程的主次地位在一定的条件下可相互转化。如距污水排放口近的水域，往往总是表现为污染恶化过程，形成严重污染区。在下游水域，则以污染净化过程为主，形成轻度污染区，再向下游最后恢复到原来水体质量状态。所以，当污染物排入清洁水体之后，水体一般呈现出三个不同水质区：即水质恶化区，水质恢复区和水质清洁区。 6.1.2 水体污染物及污染源 1．水体污染物造成水体的水质、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。 2．水体污染源向水体排放或释放污染物的来源或场所称为水体污染源。从不同的角度可将水体污染源分为不同的类型。按造成水体污染的自然属性分类可分为自然污染源和人为污染源。按受污染水体的种类分类可分为：地面水污染源、地下水污染源、海洋污染源。按污染源排放污染物(或能量)种类分类分为物理 (热污染源、放射性污染源) 污染源、化学(无机物、有机物) 污染源、生物污染源(如医院)。按污染源几何形状特征分类可分为点污染源(城市污水排放口，工矿企业污水排放口)、线污染源(雨水的地面径流)、面污染源。按污水产生的部门分类可分为：生活污水、工业污水、农业退水、大气降水。污染源的种类不同，使水体的污染程度不同，污染物在水体中迁移转化规律也不同。 6.1.3 水体污染类型水体污染类型较多，主要有以下几类。 1．有机耗氧性污染生活污水和一部分工业废水中含有大量的碳水化合物、蛋白质、脂肪和木质素等有机物。这类物质进入水体，在好氧微生物的作用下，多分解为简单无机物质。在此过程中消耗水体中的大量溶解氧。大量的有机物进入水体，势必导致水体中溶解氧急剧下降，因而影响鱼类和其它水生生物的正常生活。严重的还会引起水体发臭，鱼类大量死亡。 2．化学毒物污染随着现代工农业生产的发展，每年排入水体的有毒物质越来越多。有毒污染物的种类已达数百种之多，大体可分为四类：(1)非金属无机毒物(CN、F、S等)，(2)重金属与类金属无机毒物(Hg、Cd、Cr、Pb、Mn等)，(3)易分解有机毒物(挥发酚、醛、苯等)，(4)难分解有机毒物(DDT、六六六，、多氯联苯、多环芳烃、芳香胺等)。 3．石油污染随着石油工业的迅速发展，油类对水体特别是海洋的污染越来越严重。目前由人类活动排入海洋的石油每年达几百万吨以至几千万吨。1991年的海湾战争造成的石油污染是至今最大的石油污染。进入海洋的石油在水面形成一层油膜，影响氧气扩散进入水中，因而对海洋生物的生长产生不良影响。石油污染对幼鱼和鱼卵危害极大，油膜和油块粘附在幼鱼和鱼卵上；使鱼卵不能成活或使幼鱼死亡。石油使鱼虾类产生石油臭味，降低海产品的食用价值。石油污染破坏优美的海滨，风景，降低了作为疗养、旅游地的使用价值。 4．放射性污染水体中放射性物质主要来源于铀矿开采、选矿、冶炼、核电站及核试验以及放射性同位素的应用等。从长远来看，放射性污染是人类所面临的重大潜在性威胁之一

5.富营养化污染富营养化污染主要是指水流缓慢、更新期长的地表水体,接纳大量氮、磷、有机碳等植物营养素引起的藻类等浮游生物急剧增殖的水体污染。自然界湖泊也存在富营养化现象,由贫营养湖→富营养湖→沼泽→干地,但速率很慢人为污染所致的富营养化,速率很快。在海洋水面上发生富营养化现象称为“赤潮”。在陆地水体中发生富营养化现象称为“水华”。在地下水中发生富营养化现象,称该地下水为‘肥水”。一般认为,总磷和无机氮含量分别在20mg/m和300mg/m以上,就有可能出现水体富营养化过程。不同的研究者对水体富营养化的划分指标给出不同的值。 6.致病性微生物污染致病性微生物包括细菌和病毒。致病性微生物污染大多来自于未经消毒处理的养殖场肉类加工厂、生物制品厂和医院排放的污水 back to topl 6.2河流水质模型 6.2.1河流水质模型简介河流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(微分的、差分的、代数的等)。水质模型的建立可以为排入河流中污染物的数量与河水水质之间提供定量描述。从而为水质评价、预测及影响分析捉供依据。它是水体环境影响评价与规划的有力工具如果从斯特里特一菲尔普斯( Streeter- Phelps),在1925年第一次建立水质模型算起, 人们对水质模型的研究已近80个春秋了。在这漫长的年代里,已经提出了许多的水质模型。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。描写水体中水质组分的浓度随时间变化的水质模型称为动态模型。描述水体中水质组分的浓度不随时间变化的水质模型称为静态模型。按水质模型的空间维数分类;分为零维、一维、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,一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。按描述水质组分的多少分类,分为单一组分和多组分的水质模型。水体中某一组分的迁移转化与其它组分没有关系。描述这种组分迁移转化的水质模型称为单一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。按水体的类型可分为:河流水质模型、河口水质模型(受潮汐影响)、湖泊水质模型、水库水质模型和海湾水质模型等。河流、河口水质模型比较成熟,湖泊、海湾水质模型比较复杂,可靠性小。按水质组分分类可分为:耗氧有机物模型(BODD0模型),无机盐、悬浮物、放射性物质等的单一组分的水质模型,难降解有机物水质模型,重金属迁移转化水质模型按其它方法分类,可把水质模型分为水质-生态模型;确定性模型和随机模型;集中参数模型和分布参数模型:线性模型和非线性模型水质模型如此众多,如何选择、使用水质模型呢?选择水质模型必须对所研究的水质组分的迁移转化规律有相当的了解。因为水质组分的迁移(扩散和平流)取决于水体的水文特性和水动力学特性。在流动的河流中,平流迁移往往占主导地位,对某些组分可以忽略扩散项在受潮汐影响的河口中,扩散项必须考虑而不能忽略:这两者选择的模型就不应一样。为了减少模型的复杂性和减少所需的资料,对河床规整,断面不变、污染物排入量不变的河流系统,水质模型往往选用静态的;但这种选择不能充分评价时变输入对河流系统的影响。选择

5．富营养化污染富营养化污染主要是指水流缓慢、更新期长的地表水体，接纳大量氮、磷、有机碳等植物营养素引起的藻类等浮游生物急剧增殖的水体污染。自然界湖泊也存在富营养化现象，由贫营养湖→富营养湖→沼泽→干地，但速率很慢。人为污染所致的富营养化，速率很快。在海洋水面上发生富营养化现象称为“赤潮”。在陆地水体中发生富营养化现象称为“水华”。在地下水中发生富营养化现象，称该地下水为‘肥水”。一般认为，总磷和无机氮含量分别在20mg／m 3 和300mg／m 3以上，就有可能出现水体富营养化过程。不同的研究者对水体富营养化的划分指标给出不同的值。 6．致病性微生物污染致病性微生物包括细菌和病毒。致病性微生物污染大多来自于未经消毒处理的养殖场、肉类加工厂、生物制品厂和医院排放的污水。 [back to top] 6.2 河流水质模型 6.2.1 河流水质模型简介河流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(微分的、差分的、代数的等)。水质模型的建立可以为排入河流中污染物的数量与河水水质之间提供定量描述。从而为水质评价、预测及影响分析捉供依据。它是水体环境影响评价与规划的有力工具。如果从斯特里特—菲尔普斯(Streeter-Phelps)，在1925年第一次建立水质模型算起，人们对水质模型的研究已近80个春秋了。在这漫长的年代里，已经提出了许多的水质模型。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。描写水体中水质组分的浓度随时间变化的水质模型称为动态模型。描述水体中水质组分的浓度不随时间变化的水质模型称为静态模型。按水质模型的空间维数分类；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。按描述水质组分的多少分类，分为单一组分和多组分的水质模型。水体中某一组分的迁移转化与其它组分没有关系。描述这种组分迁移转化的水质模型称为单一组分的水质模型。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。按水体的类型可分为：河流水质模型、河口水质模型(受潮汐影响)、湖泊水质模型、水库水质模型和海湾水质模型等。河流、河口水质模型比较成熟，湖泊、海湾水质模型比较复杂，可靠性小。按水质组分分类可分为：耗氧有机物模型(BOD—DO模型)，无机盐、悬浮物、放射性物质等的单一组分的水质模型，难降解有机物水质模型，重金属迁移转化水质模型。按其它方法分类，可把水质模型分为水质-生态模型；确定性模型和随机模型；集中参数模型和分布参数模型；线性模型和非线性模型等。水质模型如此众多，如何选择、使用水质模型呢？选择水质模型必须对所研究的水质组分的迁移转化规律有相当的了解。因为水质组分的迁移(扩散和平流)取决于水体的水文特性和水动力学特性。在流动的河流中，平流迁移往往占主导地位，对某些组分可以忽略扩散项；在受潮汐影响的河口中，扩散项必须考虑而不能忽略；这两者选择的模型就不应一样。为了减少模型的复杂性和减少所需的资料，对河床规整，断面不变、污染物排入量不变的河流系统，水质模型往往选用静态的；但这种选择不能充分评价时变输入对河流系统的影响。选择

的水质模型必须反映所研究的水质组分,而且应用条件必须和现实条件接近。目前,在水质模型的研究中,比较多地关注了河流中的生化需氧量和溶解氧之间关系的模型,碳和氮的形态的模型,热污染模型,细菌自净模型等。因此,这些模型相对比较成熟对重金属、复杂的有机毒物的水质模型了解得较少。对营养物的非线性和时变的交互反应了解得更少,而且这些模型比较复杂。在此只介绍一些常见的水质模型 6.,22河流的混合稀释模型废水排入水体后,最先发生的过程是混合稀释。对大多数保守污染物混合稀释是它们迁移的主要方式之一。对易降解的污染物混合稀释也是它们迁移的重要方式之一。水体的混合稀释、扩散能力,与其水体的水文特征密切相关。当废水进入河流后,便不断地与河水发生混合交换作用,使保守污染物浓度沿流程逐渐降低,这一过程称为混合稀释过程污水排入河流的入河口称为污水注入点,污水注入点以下的河段,污染物在断面上的浓度分布是不均匀的,靠污水注入点一侧的岸边浓度高,远离排放口对岸的浓度低。随着河水的流逝,污染物在整个断面上的分布逐渐均匀。污染物浓度在整个断面上变为均匀一致的断面,称为水质完全混合断面。把最早出现水质完全混合断面的位置称为完全混合点。污水注入点和完全混合点把一条河流分为三部分。污水注入点上游称为初始段或背景河段,污水注入点到完全混合点之间的河段称为非均匀混合河段或混合过程段,完全混合点的下游河段称为均匀混合段。设河水流量为Q(m/s),污染物浓度为G(mg/L),废水流量为q(m/s),废水中污染物浓度为C2(mg/L),水质完全混合断面以前,任一非均匀混合断面上参与和废水混合的河水流量为Q(m3/s),把参与和废水混合的河水流量4与该断面河水流量Q的比值定义为混合系数,以a表示。把参与和废水混合的河水流量,与废水流量q的比值定义为稀释比, 以n表示。数学表达式如下 (6-2) 在实际工作中,混合过程段的污染物浓度G及混合段总长度L按费洛罗夫公式计算 C=C19, +C2q_Ciag+C29 Q+q aQ+q (6-3) L (1-a)q (6-4) 混合过程段的混合系数a是河流沿程距离x的函数, 1-exp(-b) a(x)= 1+(0/qexp(-b) (6-5) 这里 (6-6) 水力条件对混合过程影响系数 (6-7) E (对于平原河流) (6-8) 20 式中,x——自排污口到计算断面的距离,m 中一一河道弯曲系数,中=x/xo; x—一自排污口到计算河段的直线距离,m

的水质模型必须反映所研究的水质组分，而且应用条件必须和现实条件接近。目前，在水质模型的研究中，比较多地关注了河流中的生化需氧量和溶解氧之间关系的模型，碳和氮的形态的模型，热污染模型，细菌自净模型等。因此，这些模型相对比较成熟。对重金属、复杂的有机毒物的水质模型了解得较少。对营养物的非线性和时变的交互反应了解得更少，而且这些模型比较复杂。在此只介绍一些常见的水质模型。 6.2.2 河流的混合稀释模型废水排入水体后，最先发生的过程是混合稀释。对大多数保守污染物混合稀释是它们迁移的主要方式之一。对易降解的污染物混合稀释也是它们迁移的重要方式之一。水体的混合稀释、扩散能力，与其水体的水文特征密切相关。当废水进入河流后，便不断地与河水发生混合交换作用，使保守污染物浓度沿流程逐渐降低，这一过程称为混合稀释过程。污水排入河流的入河口称为污水注入点，污水注入点以下的河段，污染物在断面上的浓度分布是不均匀的，靠污水注入点一侧的岸边浓度高，远离排放口对岸的浓度低。随着河水的流逝，污染物在整个断面上的分布逐渐均匀。污染物浓度在整个断面上变为均匀一致的断面，称为水质完全混合断面。把最早出现水质完全混合断面的位置称为完全混合点。污水注入点和完全混合点把一条河流分为三部分。污水注入点上游称为初始段或背景河段，污水注入点到完全混合点之间的河段称为非均匀混合河段或混合过程段，完全混合点的下游河段称为均匀混合段。设河水流量为 Q(m3 /s)，污染物浓度为C1(mg／L)，废水流量为 q(m3 /s)，废水中污染物浓度为C2 (mg／L)，水质完全混合断面以前，任一非均匀混合断面上参与和废水混合的河水流量为Qi (m3 /s)，把参与和废水混合的河水流量 Qi 与该断面河水流量 Q 的比值定义为混合系数，以a 表示。把参与和废水混合的河水流量Qi，与废水流量 q 的比值定义为稀释比，以 n 表示。数学表达式如下: q aQ q Q n Q Q a i i = = = 在实际工作中，混合过程段的污染物浓度 Ci 及混合段总长度 Ln 按费洛罗夫公式计算。 aQ q C aQ C q Q q C Q C q C i i i + + = + + = 1 2 1 2 3 (1 ) lg 2.3               − + = a q aQ q Ln  混合过程段的混合系数a 是河流沿程距离 x 的函数， 1 ( / ) exp( ) 1 exp( ) ( ) Q q b b a x + − − − = 这里， 1/ 3 b = x α——水力条件对混合过程影响系数，；（对于平原河流） 200 1/ 3 Hu E q E =          =  式中，x ——自排污口到计算断面的距离，m； φ——河道弯曲系数，φ= x/x0； x0 ——自排污口到计算河段的直线距离，m；（6-1）（6-2）（6-3）（6-5）（6-4）（6-8）（6-6）（6-7）

5—一排放方式系数,岸边排放5=1,河心排放=1.5; H——河流平均水深,m 河流平均流速,m/ E一湍流扩散系数;m2/s 在水质完全混合断面以下的任何断面,处于均匀混合段,a、n、C均为常数,有a=1: C1Q+C29 (6-9) O+ q 6.2.3守恒污染物在均匀流场中的扩散模型进入环境的污染物可以分为两大类:守恒污染物和非守恒污染物。污染物进入环境以随着介质的运动不断地变换所处的空间位置,还由于分散作用不断向周围扩散而降低其初始浓度,但它不会因此而改变总量发生衰减。这种污染物称为守恒污染物。如重金属、很多高分子有机化合物等污染物进入环境以后,除了随着环境介质流动而改变位置,并不断扩散而降低浓度外, 还因自身的衰减而加速浓度的下降。这种污染物称为非守恒污染物。非守恒物质的衰减有两种方式:一是由其自身运动变化规律决定的,如放射性物质的蜕变:另一种是在环境因素的作用下,由于化学的或生物化学的反应而不断衰减的,如可生化降解的有机物在水体中微生物作用下的氧化一分解过程在6.2.2中介绍的费洛罗夫公式解决的虽然也是守恒污染物在混合过程的污染物浓度及混合段总长度。但对于大、中河流一、二级评价,根据工程、环境特点评价工作等级及当地环保要求,有时需要对河宽方向有更细致的认识,而需要采用二维模式 1.均匀流场中的扩散方程按照3.3.2推导的扩散方程,并考虑污染物守恒条件,在均匀流场中的一维扩散方程成为: ac a2C ax (6-10) 假定污染物排入河流后在水深方向(二方向)上很快均匀混合,x方向和y方向存在浓度梯度时,建立起二维扩散方程基本模型: a2ca2c a0 (6-11) 式中,D—x坐标方向的弥散系数:u—x方向的流速分量:Dy坐标方向的弥散系数:u一y方向的流速分量 2.无限大均匀流场中移流扩散方程的解考察6-11式,对于均匀流场,只考虑x方向的流速=,认为ly为0:且整个过程是一个稳态的过程,则有 ac a2ca2C ax (6-12) 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 l uh, /4rD.x/u exp\ 4D, x (6-13) 式中Q是连续点源的源强(g/s),结果C的单位为(g/m=mg/L)。 3.考虑河岸反射时移流扩散方程的解 6-13式是无限大均匀流场的解。自然界的河流都有河岸,河岸对污染物的扩散起阻挡及

ζ——排放方式系数，岸边排放ζ=1，河心排放ζ=1.5； H —— 河流平均水深，m； u ——河流平均流速，m／s； E ——湍流扩散系数；m 2／s；在水质完全混合断面以下的任何断面，处于均匀混合段，a、n、C 均为常数，有a =1； n = Q/q； Q q C Q C q C + + = 1 2 6.2.3 守恒污染物在均匀流场中的扩散模型进入环境的污染物可以分为两大类：守恒污染物和非守恒污染物。污染物进入环境以后，随着介质的运动不断地变换所处的空间位置，还由于分散作用不断向周围扩散而降低其初始浓度，但它不会因此而改变总量发生衰减。这种污染物称为守恒污染物。如重金属、很多高分子有机化合物等。污染物进入环境以后，除了随着环境介质流动而改变位置，并不断扩散而降低浓度外，还因自身的衰减而加速浓度的下降。这种污染物称为非守恒污染物。非守恒物质的衰减有两种方式：一是由其自身运动变化规律决定的，如放射性物质的蜕变；另一种是在环境因素的作用下，由于化学的或生物化学的反应而不断衰减的，如可生化降解的有机物在水体中微生物作用下的氧化-分解过程。在6.2.2中介绍的费洛罗夫公式解决的虽然也是守恒污染物在混合过程的污染物浓度及混合段总长度。但对于大、中河流一、二级评价，根据工程、环境特点评价工作等级及当地环保要求，有时需要对河宽方向有更细致的认识，而需要采用二维模式。 1．均匀流场中的扩散方程按照3.3.2推导的扩散方程，并考虑污染物守恒条件，在均匀流场中的一维扩散方程成为： x C u x C D t C x x   −   =   2 2 假定污染物排入河流后在水深方向(z 方向)上很快均匀混合，x 方向和 y 方向存在浓度梯度时，建立起二维扩散方程基本模型： y C u x C u y C D x C D t C x y x y   −   −   +   =   2 2 2 2 式中，Dx—— 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。 2．无限大均匀流场中移流扩散方程的解考察 6-11 式，对于均匀流场，只考虑 x 方向的流速 ux=u，认为 uy 为 0；且整个过程是一个稳态的过程，则有 2 2 2 2 y C D x C D x C u x y   +   =   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。         = − D x y u uh D x u Q C y 4 y exp 4 / 2  式中 Q 是连续点源的源强 (g/s)，结果 C 的单位为(g/m3 = mg/L)。 3．考虑河岸反射时移流扩散方程的解 6-13式是无限大均匀流场的解。自然界的河流都有河岸，河岸对污染物的扩散起阻挡及（6-9）（6-10）（6-11）（6-12）（6-13）

反射作用,增加了河水中污染。多数排污口位于岸边的一侧。对于半无限均匀流场,仅考虑本河岸反射。如果岸边排放源位于河流纵向坐标x=0处,岸边排放连续点的像源与原点源重合,下游任一点的浓度为: C(x,y) uhV4rx/u/su 4D (6-14) 对于需要考虑本岸与对岸反射的情况,如果河宽为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 C(x,y) -(2B-y)2u texp (6-15) h、4zD,x/u 4D yX 均匀流场中连续点源水质模型求解的三类排放情况如图6-1所示虚源〔1)无限大流场 y{2无限场 3)两岸反射图6-1均匀流场连续点源的三类排放模式 4.完成横向均匀混合的距高根据横向浓度分布状况,若某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,用镜像法计算。本岸C(LA,0)计算时不计对岸的反射项。污染物到达对岸C(L,B),只需要考虑一次反射。使用6-15式计算浓度,并按定义C(L,B)/C(L,0)=0.05解出的纵向距离L为 L=00675MB (6-16) 虽然理论上讲,用镜像法计算时,如果纵向距离相当大,两岸反射会多次发生。然而, 多数情况下,随着纵向距离的增加,虚源的作用衰减得十分迅速。正态分布曲线趋于平坦横向浓度分布趋于均匀。实际上应用中,若断面上最大浓度与最小浓度之差不超过5%,可以认为污染物已经达到了均匀混合。由排放点至完成横向均匀混合的断面的距离称为完全混合距离。由理论分析和实验确定的完全混合距离,按污染源在河流中心排放和污染源在河流岸边排放的不同情况,可将完全混合距离表示为中心排放情况,L0.lB (6-17) 岸边排放情况,L=0.4B (6-18) 6.2.4非守恒污染物在均匀河流中的水质模型 1.零维水质模型如果将一顺直河流划分成许多相同的单元河段,每个单元河段看成是完全混合反应器。设流入单元河段的入流量和流出单元河段的出流量均为Q,入流的污染物浓度为C,流入单

反射作用，增加了河水中污染。多数排污口位于岸边的一侧。对于半无限均匀流场，仅考虑本河岸反射。如果岸边排放源位于河流纵向坐标 x=0处，岸边排放连续点的像源与原点源重合，下游任一点的浓度为：         = − D x y u uh D x u Q C x y y 4 y exp 4 / 2 ( , ) 2  对于需要考虑本岸与对岸反射的情况，如果河宽为 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                 − − +         = − D x B y u D x y u uh D x u Q C x y y y 4 y (2 ) exp 4 exp 4 / 2 ( , ) 2 2  均匀流场中连续点源水质模型求解的三类排放情况如图 6-1 所示 4．完成横向均匀混合的距离根据横向浓度分布状况，若某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，用镜像法计算。本岸C(Lb,0) 计算时不计对岸的反射项。污染物到达对岸C(Lb,B)，只需要考虑一次反射。使用6-15式计算浓度，并按定义C(Lb,B)/C(Lb,0)=0.05 解出的纵向距离Lb为： y b D uB L 2 0.0675 = 虽然理论上讲，用镜像法计算时，如果纵向距离相当大，两岸反射会多次发生。然而，多数情况下，随着纵向距离的增加，虚源的作用衰减得十分迅速。正态分布曲线趋于平坦，横向浓度分布趋于均匀。实际上应用中，若断面上最大浓度与最小浓度之差不超过5％，可以认为污染物已经达到了均匀混合。由排放点至完成横向均匀混合的断面的距离称为完全混合距离。由理论分析和实验确定的完全混合距离，按污染源在河流中心排放和污染源在河流岸边排放的不同情况，可将完全混合距离表示为：中心排放情况， y m D uB L 2 0.1 = 岸边排放情况， y m D uB L 2 0.4 = 6.2.4 非守恒污染物在均匀河流中的水质模型 1.零维水质模型如果将一顺直河流划分成许多相同的单元河段，每个单元河段看成是完全混合反应器。设流入单元河段的入流量和流出单元河段的出流量均为Q，入流的污染物浓度为C0，流入单（6-15）图 6-1 均匀流场连续点源的三类排放模式（6-14）（6-18）（6-17）（6-16）

元河段的污染物完全均匀分布到整个单元河段，其浓度为C。当反应器内的源漏项，仅为反应衰减项，并符合一级反应动力学的衰减规律，为 –k1C，根据质量守恒定律，可以写出完全反应器的平衡方程，即零维水质模型： Q C C k CV dt dC V 0 1 = ( − ) − 当单元河段中污染物浓度不随时间变化，即dC／dt =0，为静态时，零维的静态水质模型为 0 = Q(C0 −C) − k1CV 经整理可得： u k x C Q k V C C  + = + = 1 0 1 0 1 1 式中， k1，污染物衰减系数, Δx 单元河段长度，u 为平均流速，Δx/u 是理论停留时间。对于划分许多零维静态单元河段的顺直河流模型，示意图如图6-2，其上游单元的出水是下游单元的入水，第i 个单元河段的水质计算式为： i i i u k x C Q k V C C        + =         + = 1 0 1 0 1 1 2.一维水质模型当河流中河段均匀，该河段的断面积A、平均流速、污染物的输入量 Q、扩散系数 D 都不随时间而变化，污染物的增减量仅为反应衰减项且符合一级反应动力学。此时，河流断面中污染物浓度是不随时间变化的，即dC/dt=0。一维河流静态水质模型基本方程(3-32)变化为： KC dx d C D dx dC ux = x − 2 2 这是一个二阶线性常微分方程，可用特征多项式解法求解。若将河流中平均流速 ux 写作u 初始条件为：x=0, C=C0 常微分方程的解为                 = − + x u k D D u C C x x 2 1 0 4 1 1 2 exp 如果忽略扩散项，沿程的坐标x=ut,dC/dt=-k1C , 代入初始条件 x=0, C=C0方程的解为 ( ) exp[ ( / )] C x = C0 − k1 x u 。 6.2.5 Streeter-Phelps（S-P）模型 1．S-P模型基本方程及其解描述河流水质的第一个模型是由斯特里特(H.Streeter)和菲尔普斯(E.Phelps)在 1925年提出的，简称S-P模型,S-P模型迄今仍得到广泛的应用，它也是各种修正和复杂模型（6-19）（6-20）图 6-2 由多个零维静态单元河段组成的顺直河流水质模型 Δx Δx Δx C0 C1 C3 C4 C5 C2 C1 C2 C3 C4 C5 （6-21）（6-22）（6-23）

《水环境质量评价与影响预测》 讲义

《水环境质量评价与影响预测》讲义