水环境保护规划与管理2

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1、课程内容 水污染特征及水环境监测 第一章 问题 方法水环境评价 第二章 标准 方法水污染治理技术 第三章 目标 技术水环境保护规划 第四章 目标 方法 第四章水环境保护规划 概述水环境系统控制规划水污染物总量控制规划 第四章水环境保护规划 概述水环境系统控制规划水污染物总量控制规划 水环境系统是由污染物发生系统 污染物承纳系统和污染物控制系统组成的综合系统 水环境系统的组成 水环境系统 污染物承纳系统 污染物控制系统 污染物发生系统 工业废污水源 生活污水发生源 厂内单项治理 城市污水处理厂 土地处理氧化塘 河流水体 湖泊水体 海洋水体 土地系统 污染物发生系统水污染发生系统是造成水环境污染的

2、来源系统 该系统是由人为活动和自然污染源组成 水污染发生系统中包括点源污染和非点源污染 水环境系统的组成 水污染发生系统 自然污染 人为污染 自然侵蚀 水土流失 植物残骸 动物残骸 工业区 矿区 住宅居民区 农田径流 污染物承纳系统污染物承纳系统一般是指天然的或人工的水体 如河流 湖泊 水库 海洋和地下水等等 污染物承纳系统内部发生着物质的迁移转化和能量的传递过程 水污染物的承纳系统的质量是我们追求的目标和规划的出发点 水污染控制系统水污染控制系统是一个非常广泛的概念 从广义上来说 它可以涉及到人类的资源开发 人口规划 经济发展与水环境质量之间的协调平衡问题 从地域上来说 可以在一条河流的整个

3、流域上进行水资源开发 利用和水污染防治规划 也可以再一个小区域内进行水质与污水处理 乃至一个具体的污水处理设施的规划 设计和运行 水污染控制系统是保护水环境质量的措施系统 包括生产工艺的革新 污染物治理工程 水土保持 行政管理措施和法规等等 水环境系统的组成 环境保护规划的一般概念 环境规划 环境容量 系统论 总量控制 系统规划 环境模拟 总量控制 环境规划是国民经济与社会发展规划的有机组成部分 是环境决策在时间 空间上的具体安排 这种规划是对一定时期内环境保护目标和措施所作出的规定 其目的是在发展经济的同时保护环境 使经济与环境协调发展 实现经济可持续发展 内容之一 环境污染的发展环境问题萌

4、芽阶段发展恶化阶段第一次高潮阶段第二次高潮阶段内容之二 环境污染的治理历程工业污染防治城市环境综合治理生态环境综合防治区域环境综合防治全球环境保护 环境保护规划学科的产生 内容之三 三个阶段1973 1981起步阶段1981 1985纳入国民经济1986 2000全面提升内容之四 四个转变污染防治 污染预防污染 污染防治与生态保护并重 循环经济 可持续发展内容之五 工业 末端治理 综合防治 结构调整 环境保护规划学科的产生 环境保护规划学科的产生 六 七 八五 属污染控制型规划 在规划中逐步实现了工业污染由末端治理为主转向以污染控制预防为主的转变 九五 规划提出了生态保护和农村保护的内容 第一

5、次编制了总量控制计划 重点项目规划和重点流域 区域规划 十五 规划较好体现以人为本的思想和污染防治与生态保护并重的原则 提出了以污染污总量控制为主线 以防治区域的污染和遏制人为生态破坏为重点 以政府主导 市场推进 公众参与为机制创新的方向 定义 水环境保护规划是根据经济社会发展以及生态环境系统对水体质量的要求 以水环境承载能力和污染物排放状况为基础 通过总量控制 对各种污染源和污染物的排放作出安排 以达到控制污染改善水环境的目的 目标 协调系统内部各组成或部分之间的关系 以最低的水污染控制费用满足水环境质量要求 水环境保护规划 水环境保护规划的分类 从范围和层次来划分 流域规划任务 在一个流域

6、范围内确定水污染控制的战略目标 包括环境质量目标和经济目标 主要内容 在流域范围内协调各个重要污染源之间的关系 以保证流域范围内的各个河段和支流满足水质要求 水环境保护规划的分类 从范围和层次来划分 区域规划区域规划是指流域范围内具有复杂的污染源的城市或工业区的水污染控制规划 区域规划是在流域规划的指导下进行的 其目的是将流域规划的结果 排放总量分配给各个污染源 并为此制定具体的方案 设施规划设施规划的目的是按照区域规划的结果 来选择合理的污水处理设施 所选的污水处理设施既要满足污水处理效率的要求 又要使污水处理的费用最低 水环境保护规划的分类 从不同管理目的来划分针对水质管理的不同目的 水环

7、境规划可以分为水环境综合整治规划 水污染物总量控制规划 水污染系统规划 城市饮用水源保护规划等类型 水环境综合整理规划师根据经济社会发展需要和水资源开发利用现状编制的开发 利用 节约 保护水资源和防止水害的总体部署 而其它规划属于专业规划范畴 水环境保护规划的基本原则和步骤 基本原则以经济 社会可持续发展的战略思想为依据 明确水环境保护规划的指导思想 水环境目标要切实可行 要有明确的时间要求和具体指标 在制定区域经济社会发展规划的同时 制定区域水环境保护规划 两者要紧密结合 经济目标和环境目标之间要综合平衡后加以确定 要进行全面的效益分析 实现环境效益与经济效益 社会效益的统一 区域水污染物的

8、排放要实现总量控制 过程和步骤 功能区划分 确定相应水质指标 考察排污量与水质现状的定量关系 分析达到国标可供选择的方法 设计不同控制要求的总量控制方案 成本 效益分析 领导决策 重新确定功能 第四章水环境保护规划 概述水环境系统规划水环境总量控制规划 根据解决污染问题的途径 我们可以把河流污水系统控制规划分为两大类型 最优化规划问题规划方案模拟问题 基本经济分析以最小的经济代价改善水环境质量 这是水污染那控制规划的核心思想 也就是说经济合理性是评价水污染控制系统好坏的基本依据 水环境保护规划的经济评价 以收益 费用分析来看 水污染控制所去除污染物的总量与收益和费用之间存在如下关系 去除污染物

9、量越大 临界费用越大 临界收益越小 临界费用和收益是指去除单位污染物所需要费用价格和所得的收益价格 污染控制的收益和费用 总的可以分为两大部分 第一 有关人为活动的收益和费用 包括污染源的回收 处理活动 管道输送活动 污水处理活动 以及其他河流治理活动 第二 有关水资源的污染及其控制所造成的社会收益与费用 包括直接影响和间接影响 水环境保护规划的经济评价 人为活动的收益和费用影响因素包括以下几个方面 1 污水处理活动的费用与污水处理的规模和处理效率有关 如图所示 水环境保护规划的经济评价 污水处理费用的规模与处理效率的经济效应 2 当污水处理去除效率固定时 规模的经济效应如下图所示 水环境保护

10、规划的经济评价 也就是当处理水量增加时 总费用随之增加 但处理污水的单价却降低 相当于图中曲线C Q 的斜率随Q的增加而减小 污水处理费用的规模与处理效率的经济效应 水环境保护规划的经济评价 但是 从污水处理与管道输水这两种活动来说 它们的分散与集中对费用又有相互的制约关系 当污水处理厂的数目n由大变小时 污水处理费用下降 但是由于输水管线总长度的增加 输水费用将不断上升 如图所示 图中总费用曲线最低的点也就是污水处理厂的最优设置参数 或最优位置 区域污水处理系统处理厂规模的费用变化及其构成 3 当污水处理厂的规模固定时 处理效率与费用如图A中 也可表示为图B 水环境保护规划的经济评价 也就是

11、当处理效率提高时 总费用随之增加 但处理污水的单价 即图B中曲线段斜率却迅速增长 图A 图B 4 在一定限度内 水体具有同化污染物质而保证水质满足某种功能要求的能力 即水体的自净能力 水环境保护规划的经济评价 自净能力取决于水体自身的物理 化学和生物特性 也与污水的排放方式 包括排放位置 排污负荷 和水质要求有关 开发和利用这种资源可以代替污水人工处理的部分符合 从而降低污水处理的投资和运行费用 4 在一定限度内 水体具有同化污染物质而保证水质满足某种功能要求的能力 即水体的自净能力 水环境保护规划的经济评价 自净能力取决于水体自身的物理 化学和生物特性 也与污水的排放方式 包括排放位置 排污

12、负荷 和水质要求有关 开发和利用这种资源可以代替污水人工处理的部分符合 从而降低污水处理的投资和运行费用 主要评价指标经济评价时水环境保护规划的核心内容之一 而平价规划的经济效果的优劣必须借助科学的评价指标 静态指标 不考虑资金时间价值的评价指标 主要包括投资利润率 投资收益率 投资收入率 投资回收期与抵偿年限等 动态指标 考虑了资金时间价值及项目在整个寿命期内收入与支出的全部经济数据后所得到的评价指标 水环境保护规划的经济评价 环境费用效益分析费用效益分析方法是环境等公共项目经济评价的主要方法环境费用效益分析的一般步骤如图所示 水环境保护规划的经济评价 排放口最优化处理最优化均匀处理区域最优

13、化处理 河流污水系统控制规划 一 排放口最优化处理 排放口优化处理问题 以每个小区的污水处理厂为基础 在水体水质条件的约束下 求解各个污水处理厂的最佳处理效率组合 排放口优化处理问题 在水污染控制系统中研究最多 技术也最为成熟 它是建立在河流水质状况模拟基础上的优化问题 约束条件 目标函数 1 排放口优化处理数学模型 2 模型求解方法 线性规划方法 LP 近似规划及小步梯度法的应用动态规划法处理 A 线性规划方法 LP 应用费用函数的线性方法 可将目标函数化为线性方程 并将的排污口排入河流中BOD5的浓度改为已经过处理后的浓度代入约束方程中 也就是 经过这一变换后即可用单纯形法求最优 B 近似

14、规划及小步梯度法的应用 根据本地区能搜集到的资料来建立费用函数 对于这些非线性的费用函数 目标函数 选定后 应用 数学规划教程 中近似规划法即可求得最优解 若考虑到污水处理厂的处理效率有上 下限的约束 即 可行解域不允许超过上 下限 这时可用小步梯度法来求解 这里也不再重复 C 动态规划法处理 污流的水污染控制系统是一个典型的多级串联系统 或者说是一个序列系统 对于序列系统寻求目标函数最优的方法应用动态规划是能收到满意的效果的 二 最优化均匀处理 在实际的河流污水系统中常与城市污水系统 或工业区 联系在一起 需均衡考虑污水处理厂规模及经济效益问题 也就是一个小区的污水可能进行处理 也可能输往另

15、一个小区后作集中处理 这就出现最优化均匀处理问题 1 最优化的均匀处理模型 这一问题是上节问题缩小到某个排放口 已由河流排放标准约束求得该排放口最优排放后 再来求该排放口以上区域内 各小区污水如果汇集或处理问题 因此在处理效率已确定的情况下 其目标函数就应是污水处理规模最优的问题 约束条件 这一问题的约束条件是各个小区的水量平衡必须满足 目标函数 式中 为第i个污水处理厂的污水处理费用 为由i地输往j地的污水输送费用 为由i地输往j地的污水量 为在i地收集的污水量 为在i地处理的污水量 由于费用函数是非线性函数 均匀处理最优化规划模型也是非线性模型 2 全部处理与全不处理 由于污水处理厂的规模

16、一经确定后 为发挥其经济效应 在某一个节点汇集来的污水 不可能把它 分裂 为两部分或多部分进行处理 对一个节点来说 它本身收集的污水加上由其它节点转输来的污水 只存在两种可能选择 或者全部处理 或者全部转输到其它节点上去处理 这就是 全部处理与全不处理 的决策 将一个水污染控制系统划分为n个小区 第一个小区设有一个潜在的污水处理厂 各污水处理厂之间可以互相转输污水量 用下图表示其中第i个小区和第i 1个小区的两个节点 方框表示相应的污水处理厂 由图所示可知 对于第i个小区来说 污水处理费用可以写成为对于一条线路确定的管线 输水费用可以写成为对于含有n个小区的系统 总费用可以写为上述两项费用之和 目标函数 约束条件为水量平衡 可以写出为 对第i个节点 而对于含n个小区系统总的约束条件 3 求解方法 对于这一问题 由于是多项式形态的非线性规划问题 我们可应用 数学规划教程 中的拉格朗日乘子转化法为无约束条件情况下求根值问题 得拉格朗日函数 求出上式的海森 Hessian 矩阵可知 L函数的二阶导数在主对角线全部小于0 其余元素全为0 由此可知 根据多元函数极值定理判断原函数必在区间内取得极