第四章地表水環(huán)境影響評價

1、第一節(jié)水體中污染物的遷移與轉化第二節(jié)水環(huán)境影響預測方法第三節(jié)河流水質模型的應用第四節(jié) 水質模型的標定第五節(jié) 水質現(xiàn)狀評價 一、水體中污染物的遷移與轉化概述1.物理過程混合稀釋和自然沉淀混合作用主要有下面三部分作用構成擴散(包括分子擴散和紊流擴散）移流離散分子擴散的定義：分子擴散是一種由原子或分子熱運動引起的物質傳輸過程。或：原子或離子遷移的微觀過程以及由此引起的宏觀現(xiàn)象。 濃度場：),(tXfc 穩(wěn)態(tài)擴散：單位時間內通過垂直于給定方向的單位面積的凈原子數(shù)（稱為通量）不隨時間變化。 Fick第一定律 0dtdJ 非穩(wěn)態(tài)擴散：通量J隨時間而變化。 Fick 第二定律0dtdJ 在穩(wěn)態(tài)擴散的條件下，

2、單位時間內通過垂直于擴散方向的單位面積的擴散物質量（通稱擴散通量）與該截面處的濃度梯度成正比。 擴散通量，J，atoms/(m2s)或kg/(m2s) 擴散系數(shù)，D，m2/s； 濃度梯度， ，atoms/(m3m)或kg/(m3m) “-”號表示擴散方向為濃度梯度的反方向，即擴散由高濃度向低濃度區(qū)進行。dxdcDJmdxdc 熱流，傅立葉定律， 電流，歐姆定律， 物質流，費克定律，dxdTkQdxdEIdxdcDJm 三維費克第一定律 三維費克第二定律哈爾米頓算子,kjizyxcDJm拉普拉斯算子,22222222zyxcDJtcm 流體流動引起的物質通量 濃度變化，vcJadcv, 0v)v

3、(adadaddtdccJtc不可壓縮流體cDJtctctcmdifad2vJcad 湍流具有高擴散性，湍流中的擴散通量 污染物濃度的時間演化cDccJJJJmtadvvcDccJtc2)(vv 類比分子擴散，將湍流通量模式化 最后得到湍流擴散方程cDvctcDKctc2)()v(湍流擴散系數(shù)tD 由于流場速度梯度而應起的縱向混合稱為離散。 層流流場有離散作用，湍流流場也有離散作用。 均可采用費克定律的形式進行模式化:xcDQL 一般情況mtLDDDKmtLDDD2.化學過程氧化-還原反應混凝沉淀-吸附3.生物作用 垂向混合區(qū) 橫向混合區(qū) 縱向混合區(qū) 1.污水排入海水，污水層厚度通常為2m，污

4、水從排除口到它的前沿須行進h0855. 0lg226. 1lgQA的關系：擴散面積與排放量之間.溫排水 溫排水入海后不久就和水體垂直混合均勻。溫排水一般只影響到淺表層24m。3.溢油 溢油動力學過程一般劃分為擴展過程和漂移過程 擴展過程：在溢油的最初數(shù)十小時內，擴展過程占支配地位，這種支配地位隨時間而逐漸變弱。擴展過程主要受慣性力、重力、黏性力和表面張力的控制。.溢油擴展過程分為三階段：慣性-重力階段；重力-黏性階段；黏性-表面張力階段。擴展過程的一個明顯特征是它的各向異性，如在主風向上，油膜被拉長，在油膜的迎風面上形成堆積等。漂移過程是油膜在外界動力場（如風應力、油水界面切應力等）驅動下的整

5、體運動，其運動速度由三部分組成，即潮流、風海流、風浪余流，其中前兩者不會因油膜的存在而發(fā)生大的變化。一、預測方法概述預測方法分為三大類：數(shù)學模擬法、物理模擬法和類比分析法。（1）數(shù)學模擬法 利用水體凈化機制的數(shù)學模型預測水質的變化。（2）物理模擬法 依據(jù)相似理論，在一定的環(huán)境模型上進行水質模擬試驗。（3）類比分析法 （1）污水水質、水量 （2）排污狀況 分正常排放（或連續(xù)排放）和不正常排放（瞬時排放、有限時段排放）兩種情況進行預測。 （3）水文條件 枯水期、豐水期及冰凍期 （4）模型參數(shù)和邊界及初始條件1.正常設計條件下河流稀釋混合模型（1）點源稀釋混合方程 /ppphpphhc QcQQcm

6、gLQcmgLQcmgL 3 33 3式式 中中 ，完完 全全 混混 合合 的的 水水 質質 濃濃 度度 ，上上 游游 來來 水水 設設 計計 流流 量量 ， m m / /s s設設 計計 水水 質質 濃濃 度度 ，污污 水水 設設 計計 流流 量量 ， m m / /s s設設 計計 排排 水水 濃濃 度度 ， 式中，Ws沿程河段內（x=0到x=xs)非點源匯入的污染物總負荷量，kg/d；Q下游x距離處河段流量, m3/s ；Qs沿程河段內（x=0到x=xs)非點源匯入的 污染物總負荷量;xs控制河段總長度，km;x沿程距離（0 xxs), km86.4pphhsssphsc Qc QxW

7、cQxQQQQQxx 分配系數(shù)Kp的物理意義是在平衡狀態(tài)下,某種物質在固液兩相間的分配比例。/ppXKccXKL mg式式中中，溶溶解解態(tài)態(tài)濃濃度度，m mg g/ /L L單單位位質質量量固固體體顆顆粒粒吸吸附附的的污污染染物物量量，m mg g/ /k kg g分分配配系系數(shù)數(shù)， (3).考慮吸附作用 對需區(qū)分溶解態(tài)濃度的污染物，可用下式計算式中：c溶解態(tài)濃度,mg/L CT總濃度, mg/L SS懸浮固體濃度，mg/L6101SSKccpT （1）完全混合距離 在實際河流中，污染物從排污口排出后要與河水完全混合需要一定的縱向距離，這個距離稱為混合長度。 當某一斷面上任意點的濃度與斷面平均

8、濃度之比介于0.95-1.05之間時，稱該斷面已達到橫向混合，由排放點至完成橫向斷面混合的距離稱為完全混合距離。 （2）混合長度的計算公式 當評價河段長度大于混合長度時，既可采用一維水質模型。當評價河段長度小于混合長度時，應采用二維水質模型。排放口距岸邊距離式中，aEBuaBgHIBHBuaBLy)6 . 04 . 0()0065. 0058. 0()6 . 04 . 0( ()()LLKAcQccD AASASTxxx 在穩(wěn)態(tài)（ ），忽略縱向離散作用，一級反應動力學方程-Kc, 河流無側旁入流，河流斷面面積為常數(shù)，上游來流量Qu, 上游來流水質濃度cu, 污染源排放流量Qe, 污染物排放濃度

9、ce, 則上述微分方程的解為：0t距離處的水質濃度下游距排污口沿河流方向距離河流流速，式中xcmxsmuQQQcQccuKxcceueeuu,/);/()()86400/exp(00011 012022100exp86400expexpexp864008640086400()/(),()/()pphhphpphhphxccKK cxxxDKKDKKKuuucc QC QQQBODDD QD QQQ其其中中，濃濃度度，溶溶解解濃濃度度1120012121ln86400KKKCDKKKKuxc臨界氧虧點位置 （1）二維水質方程 順直均勻河流。描述污染物的穩(wěn)態(tài)二維對流擴散的基本方程為： 22222x

10、222yMK cM yM*u*xyKyyycccuMMSxxycxccuMxyhuhg hJ 若若 忽忽 略略 縱縱 向向 擴擴 散散 項項， 上上 式式 成成 為為 ：橫橫 向向 擴擴 散散 系系 數(shù)數(shù)可可 近近 似似 用用 下下 式式 估估 計計 ：橫橫 向向 混混 合合 無無 量量 綱綱 常常 數(shù)數(shù) 平平 均均 水水 深深 用累計流量坐標表示的二維水質方程 累計流量的定義當?shù)卮瓜蚱骄魉?；河流橫斷面的形狀系數(shù)時的累計流量；距一岸的橫向距離為umyqhudymyqycyyc0)( 引入累計流量坐標qc(y)，代替直角坐標y，得相應的水質方程為：22/1/cxcccxyxxcxccccMKc

11、muxqqMmh u MmmuMK uK muccMKc uxq 式中，稱為橫向混合因子；式中，稱為橫向混合因子；河流縱向形狀系數(shù)，；河流縱向形狀系數(shù)，；斷面平均流速。斷面平均流速。設為常數(shù)，并用近似代替，則上式成為：設為常數(shù)，并用近似代替，則上式成為： （2）連續(xù)點源的河流水質模式 設定條件：河寬為B，在離岸邊距離為ys處有一連續(xù)點源，源強為QeCe。河岸的反射次數(shù)。相應于式中，nQQccyQqpQqpQxMppnppnuKxcceeascssccnss;/);(/;/;/4)2(exp42exp)4(exp/2222/ 1 在岸邊排放，即ys=0(ps=0)；上述方程成為：nnpuKxcc

12、4)2(exp)(exp/22/ 1在大多數(shù)情況下可以忽略河岸反射的影響，即n=04exp)(exp/22/1puKxcc 岸邊濃度為：uKxccexp)()0 ,(2/1（3）瞬時點源的河流二維模型設定條件：河流為順直均勻的一維河流，流量為Q，橫斷面積為A，斷面平均流速為u=Q/A，瞬時源源強為M，0001)(/0),()(),0(0)0,(0022tttQMctctctcxcKcxcDxcUtcL式中，初始和邊界條件：利用（t)函數(shù)的特性和拉氏變換，得到方程的解 tDutxuKxuDctxcLL4expexp/4),(22/120 1.湖泊、水庫的盒式模型 以年為時間尺度來研究湖泊、水庫的

13、富營養(yǎng)化過程中，往往可以把湖泊看作一個完全混合反應器，其基本方程為：VcrSQcQcdtVdccE)(V-湖泊中水的體積, m3Q-平衡時流入與流出湖泊的流量，m3/acE-流入湖泊的水中水質組份濃度，g/m3c湖泊中水質組分濃度，g/m3Sc- 非點源的外部源或匯， m3r(c)水質組分在湖泊中的反應速率。 在無非點源的外部源和匯，Sc=0; 且r(c)=-Kc， 在穩(wěn)態(tài)條件下, dc/dt=0, QVttKtccE/11水力停留時間，式中， 2. 湖泊（水庫）的富營養(yǎng)化預測方法 （1）Vollenweider負荷模型)1 (RpTQLp式中，p磷的年平均濃度，mg/m3 L年總磷負荷/水面

14、面積，mg/(a.m2) Q年入流量/水面積，m3/(a.m2) TR容積/年出流量，m3/(a.m3)（2）Dillon 負荷模型Dillon和Rigler 收集了南安達略湖等18個湖的數(shù)據(jù)，提出適合估算春季對流時期磷的湖內平均濃度的磷負荷模型：)1(RpTLp式中，p春季對流時期磷平均濃度，mg/L 磷的滯留系數(shù)，Niiipqpq1001 q0湖泊出流流量，m3/a; p0出流磷濃度，mg/L; N入流源數(shù)目； qi由源i的入湖水量，m3/a; pI入流i的磷濃度，mg/L;mAV平均深度，,/ 1.潮汐河流一維水質預測模式 （1）一維潮汐河流水質方程 （2）一維潮平均的水質方程 對上式進

15、行潮周平均：KBLxASSSAxcAExxQctAc)()()(潮平均徑流量潮汐周期時間；式中，fKBLxfUTSASSAxcEAxxcUATcA)()()( (3)一維潮平均方程的解析解 對于均勻的潮汐河流及水質組分為一級動力學反應的情形,潮平均穩(wěn)態(tài)方程為: 方程的形式解為:cKxcExcUxf潮平均流量式中，ffxfeefxxfQKEQQccKEqEUJxJccUU2/1202/120/41/412)exp(/ 2.潮汐河口二維水質預測模式，負為匯。動力學轉化率，正為源由邊界輸入的源強；直接的點源或非點源；縱向、橫向系數(shù)流速垂向平均的縱向、橫向水質組分濃度；式中，KBLyxKBLyxSSS

16、EEvucSSSyctEyxctExxcvxcutc,)()( 一、河流水質模型的選擇河流及污染物特征適用的水質模式持久性污染物（連續(xù)排放）完全混合河段河流完全混合模式橫向混合過程段（1）河流二維穩(wěn)態(tài)混合模式（2）河流二維穩(wěn)態(tài)累積流量模式沉淀作用明顯的河段河流一維穩(wěn)態(tài)模式，沉降作用近似為cKdtdc3非持久性污染物（連續(xù)排放）完全混合河段河流一維穩(wěn)態(tài)模式，一級動力學方程 橫向混合階段（1）河流二維穩(wěn)態(tài)混合衰減模式（2）河流二維穩(wěn)態(tài)累計流量衰減模式沉淀作用明顯的河段河流一維穩(wěn)態(tài)模式，考慮沉降作用的反應方程式為cKdtdc1cKKdtdc)(31溶解氧河流一維DO-BOD耦合模式瞬時源（或有限時段

17、源）中、小河流河流一維準穩(wěn)態(tài)模式（流量定常-污染負荷變化）大型河流河流二維穩(wěn)態(tài)模式 水質模型中各個參數(shù)，包括K1、K2、Ex、Ey等的數(shù)值的確定，即為水質模型的標定。這些參數(shù)的估值可以單個進行，也可以同時進行；單個估值可以實測估值，應用經驗式計算或借用類似水體的經驗數(shù)據(jù)。 一、混合系數(shù)估值 1.經驗公式 （1）通用公式: 一個流量恒定、無河灣的順直河段，如果河寬很大，而水深相對較淺，其垂向和橫向混合系數(shù)Ez、Ey和縱向混合系數(shù)Ex可按下面的公式估算：式中：H平均水深，m u*-摩阻流速，m/s，u*=（gHI)1/2 I水力坡度 g重力加速度 *HuEzz*HuEyy*HuExx 不同的河流條

18、件下，系數(shù)x 、y 變化很大。 一般河流的 z 在0.067左右。 y的情況較復雜，F(xiàn)isher統(tǒng)計分析了許多矩形明渠資料，得出y =0.1-0.2，平均為0.15，有些灌溉渠道達0.25。我國根據(jù)一些實測數(shù)據(jù)，可得 Taylor公式 y=0.058H+0.0065B, B/H100 式中H、B分別為河流斷面的平均水深和水面寬度。 在天然河流中， x的變化幅度很大，對于河寬15-60m的河流x =140-300。 （2）愛爾德（Elder）公式（適用于河流） （3） Fischer縱向離散系數(shù)21)(93. 5gHIHEx*/011. 022huBuDL 2. 示蹤試驗 示蹤試驗法是向水體中投

19、放示蹤物質，追蹤測定其濃度變化，利用水力模型分析計算環(huán)境水力學參數(shù)。 二、耗氧系數(shù)k1的估值 1.實驗室測定修正法 （1）原理：實驗室測定k1的理想方法是用自動BOD測定儀，描繪出要研究河段水樣的BOD歷程曲線。在沒有自動測定儀時，可將同一種水樣分10瓶或更多瓶放入20培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，分別測定1到10天或更長時間的BOD值。根據(jù))1 (11tkBODBODea用級數(shù)展開24)(6)(21 13121111tktktktketk又因為6 .21)(6)(21 )61 (312111311tktktktktktk兩式很接近，故311)61()(tktktyaBODtkktYtaaBODBOD)6()

20、()(3/13/213/113/1或3/13/213/116,)(aaBODBODkbka令3111,6akabKaBOD則 （2）實驗室測定值的修正 實驗室測定的k1值可直接用于湖泊或水庫的模擬，用于河流或河口需作修正。包士柯（R.Bosko，1966）年提出應按河流的縱向底坡、平均流速和水深對k1值進行修正。 HuIkk/)5411. 0(11 tkBODBODeac1,)1(11曲線利用BODetkBODBODaln1,1BBODABODtk 此法應用的條件是在斷面A和B之間無廢水和支流流入。為了減少測定誤差，可多選幾個斷面，得到幾個k1值，然后取平均。 用以上方法求得的k1值，實際上包

21、括了沉降和再懸浮耗氧速率（k3)。 1.奧康納-多賓斯（Oconner-Dobbins)公式： )17,)(294)20(2/32/12zmCHuDk度)17,824)20(25.125.05.02zmCHIDk度)17,)(294)20(2/32/12zmCHuDk度 式中，謝才系數(shù) 611HnCz 分子擴散系數(shù)Dm=1.77410-41.037(T-20) I河流底坡 n河床粗糙度 H水深 u平均流速 2.歐文斯等人（Owens,etal)的經驗公式 smuHuk/5 . 134. 585. 167. 0)20(2度3.丘吉爾（Churchill)公式 smumHHuk/8 . 16 .

22、0 ,86 . 003. 5673. 1696. 0)20(2度 在水質現(xiàn)狀監(jiān)測的基礎上對地表水水質進行評價。 1.評價標準 地表水的評價標準采用地表水環(huán)境質量標準（GB3838-2002）或相應地方標準。 2.單因子評價指標 iiiSI/ 由于溶解氧和pH與其它水質參數(shù)的性質不同，其評價指數(shù)要特殊一些。 溶解氧的評價指數(shù)*,DODODODODODODOjsjsjI*,910DODODODODOjjjI DOs飽和溶解氧濃度 DOjj點的溶解氧濃度 *DO溶解氧的評價標準 pH的評價指數(shù)0 . 70 . 70 . 70 . 7,0 . 70 . 7,jsujjpHjsdjjpHpHpHpHIp

23、HpHpHI 式中：IpH,j-j點的pH標準指數(shù)單元 pHjj點的pH監(jiān)測值 pHsd評價標準中規(guī)定的pH下限 pHsu評價標準中規(guī)定的pH上限 水質參數(shù)的標準型指數(shù)單元大于“1”，表明該水質分數(shù)超過了規(guī)定的水質標準。已經不能滿足使用功能的要求，名為超標。 3.綜合評價指數(shù)法 為了使監(jiān)測得到的各種水質參數(shù)數(shù)據(jù)能綜合反映水體的水質，可以根據(jù)水體水質數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特點選用以下指數(shù)。 冪指數(shù)法1, 10 ,11miiijwijmijwIIIi加權平均法1,11miiijmiijwIwI2/1121miijjImI向量模法算術平均值法miijImI11式中，Ijj點的綜合評價指數(shù) Wi水質分數(shù)i的權值

24、Ii水質分數(shù)i的指標（標準指數(shù)） m水質分數(shù)的個數(shù) Iij污染物i在j點的水質指數(shù) 以上各指數(shù)中，冪指數(shù)法適用于各水質分數(shù)的標準指數(shù)相差較大的場合；加權平均法一般用在水質分數(shù)的標準指數(shù)相差不大的情況，而向量模法用于突出污染最重的水質分數(shù)的影響的情況。 試根據(jù)S-P模型,證明當k1=k2時,濃度為起點的氧虧濃度和、；為臨界氧虧發(fā)生的時間為氧虧；式中，BODLDtDkLDttktkLDcc001001101)exp()( 湖泊是指天然形成的，水庫是由攔河筑壩形成的,它們的水流狀況類似。其水力特征為湖流混合作用和波浪運動和波漾。 （1）湖流：是指湖水在水力坡度、密度梯度和風力作用下產生沿一定方向的緩

25、慢流動，湖流經常呈水平環(huán)狀（湖水較淺場合）和垂直環(huán)狀運動（湖水較深） （2）混合：指在風力和水力坡度作用下產生的湍流混合和由湖水密度差引起的對流混合作用。 （3）波浪：主要由風引起，又稱風浪。 （4）波漾：是在復雜的外力作用下，湖中水位有節(jié)奏的升降變化。 水在湖泊中的停留時間較長，一般可達數(shù)月至數(shù)年。湖泊中的化學和生物學過程保持一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)。由湖泊中心至湖邊，由于水深的不同而產生明顯的水生植物分層，在淺水區(qū)生長挺水植物（莖葉伸出水面），如茭白，蘆葦、香蒲等，往深處，扎根湖底、但莖葉不露出水面的沉水植物，如苔草等。 由于湖泊水庫屬于相對封閉的水環(huán)境，進入湖泊水庫的營養(yǎng)物質在其中容易不斷積累

26、，致使湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化。 在水深較大的湖泊中，水溫和水質是豎向分層的（圖），隨著一年四季的氣溫變化，湖泊水溫的豎向分布也呈有規(guī)律的變化（圖）。夏季氣溫高，湖庫表層的水溫也高，由于湖庫的水流緩慢，上層的熱量只能有擴散向下傳遞，因而形成自上而下的溫度梯度，整個湖庫處于穩(wěn)定狀態(tài)。秋末冬初，由于氣溫的急劇下降，使得湖泊表層的水溫也急劇下降，同時導致表層水的密度的增加，當表層水的密度比地層水密度大時，就出現(xiàn)了水質的上下循環(huán)，這種水質循環(huán)稱為翻塘，使湖庫水質均勻分布。翻塘現(xiàn)象也發(fā)生在春末夏初。 與上述的湖泊水質特征相應，湖泊水質模型分為箱式模型、分層箱式模型和溫度及水質豎向分布的分層模型。 (1)污染物混

27、合降解模型 對于停留時間很長、水質基本處于穩(wěn)定狀態(tài)的中小湖泊，可以簡化為一個均勻混合的水體，其質量平衡方程表示為：污染物衰減速率常數(shù)出入湖、庫流量，時間污染物的平均排入量污染物濃度湖庫容積式中：KKWQtWVVQdtdV110VWdtdVQVQVWVQWqqWtVQWVQetttpptKKeeKWWKK則平衡濃度為，污染物濃度達到平衡時當時間足夠長，湖庫中則對于持久性污染物，則湖庫中污染物起始濃度廢水排放量濃度擬建項目廢水中污染物現(xiàn)有污染物排入量式中：,0,0)1 ()()(exp1100010011 溶解氧模型增氧量式中未考慮浮游植物的其它因素耗氧量魚類耗氧速率魚類密度素好氧總量湖庫的生物和

28、非生物因飽和溶解氧濃度污水中溶解氧濃度大氣復氧系數(shù)式中：BrABrARRDORDODOVQdtdDOsDODODOKKs0022)()( 水域寬闊的大湖，點污染源排入湖泊時，污染往往出現(xiàn)在入湖口附近水域。這時湖泊水質模型應考慮擴散作用，污染物在湖水中成圓錐形擴散，水質模型宜采用極坐標系。根據(jù)湖水中的移流和擴散過程，用質量平衡原理可得下列湖泊水質模型。擴散角擴散區(qū)平均水深度所求計算點的污染物濃的距離湖中某計算點離排污口排入湖中的廢水量式中：HrqErrHqEdtdrrrrr221)( 積分：cacBODBODBODBODkdtddtd1)(1（1）有機物的好氧生物降解：呈一級反應 式中：BODc

29、t 時刻剩余碳化需氧量，mg/l BODa水中總的碳化需氧量，mg/l BODa已降解的BOD，mg/l k1碳化衰減速率系數(shù)，1/d t時間tkBODBODBODBODeaac11)()1 (11tkBODBODea 水中氨氮氧化為硝酸鹽的過程稱為硝化作用，硝化反應也呈一級反應tkBODBODNNne 由于含氮有機物的降解過程中，硝化作用滯后于碳化需氧量衰減耗氧過程，故在一個水體中考慮碳化和硝化的總耗氧量時，式可寫成：)1 ()(2tkBODBODBODBODNNnNe 溫度對碳化和硝化速率常數(shù)的影響。 )1 ()(2atkBODBODNNe 式中：a硝化滯后的時間 BODN水中總的硝化需氧量值，mg/l BODnt時刻剩余的硝化需氧量值，mg/l KN硝化速率系數(shù)，1/d 式中：1=1.047 T=10-35 N=1.08 T=10-3020120,1,1TTkk2020,TNNTNkk 水中的藻類和其他水生植物在光合作用停止后的呼吸作用耗氧，其耗氧的速率為RdtdBOD3R-水生植物呼吸消耗水中溶解氧的速率系數(shù) 底泥耗氧的主要原因是由于底泥中的耗氧物質返回到水中和底泥頂層耗氧物質的氧化耗氧，底泥耗氧的機理目前還尚未完全闡明。費爾用阻尼反應來表達底泥的耗氧速率：ddBODbcBODBODkdtddtdb1)1 (4 水體中的溶解氧被不斷消耗的同時，大氣中的氧氣不斷溶于水，水生