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1、第四章 地表水环境影响评价,4.1 地表水体的污染和自净 4.2 河流和河口的水质模型 4.3 湖泊（水库）水质数学模型 4.4 水质模型的标定 4.5 开发行动对地表水影响的识别 4.6 地表水环境影响影响预测和评价 4.7 地表水环境影响的评价,第一节 地表水体的污染和自净,1.1 地表水资源 1.2 水体污染 1.3 水体自净 1.4 水体的耗氧与复氧过程 1.5 水温变化过程,一、地表水资源现状,可利用的淡水资源只有河流、淡水湖和地下水的一部分，不到总量的1 。,第一节 地表水体的污染和自净,1.1 地表水资源,水体污染、水质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
2、区域或一定的时间内，这两者总有一种过程是相对主要的。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。 地表水是河流、湖泊（水库、池塘）、海洋和湿地等各种水体的通称，是地球水资源的重要组成部分。 人类开发活动对地表水体水质的影响是环境影响评价工作的重点内容。,1.2 水体污染,（1）定义 人类活动和自然过程的影响可使水的感官性状、物理化学性质、水生物组成，以及底部沉积物的数量和组分发恶化，破坏水体原有的功能，这种现象称为水体污染。 （2）分类 按照排放形式不同，可以将水体污染分为两大类：点源污染和非点源污染。,1.2 点源污染,（1）定义 是指由城市和乡镇生活污水和工业企
3、业通过管道和 沟渠收集和排入水体的废水。 （2）污染物类型 生活污水中含有纤维素、糖类、淀粉、蛋白质和脂肪等有机质，还含有氮、磷等无机盐以及病原微生物等污染物。 工业废水种类繁多，成分复杂，其所含主要污染物与污染源密切相关。,1.2 点源污染,（3）常用水质指标 由于水体有机污染成分复杂，要想分别测定含量很困难，因此采用一些综合指标来表示水体受有机污染的程度，常用的有生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）等。 生活污水的BOD5浓度在150350 mg/L 之间；悬浮物含量在150350之间；细菌数在2.5 106个左右，其中含大量致病菌与病毒。,1.2 点源污染,（4）污染物排放量的预测
4、 点源污染排放的废水量和污染物量常采用排污指标推算的方法进行预测。 居住区生活污水排放量： 工业废水量按下式计算：,1.2 点源污染,1.2 非点源污染,（1）定义 又称面源污染，是指分散或均匀地通过岸线进入水体的废水和自然降水通过沟渠进入水体的废水。主要包括城镇排水、农田排水和农村生活废水、矿山废水、分散的小型禽畜饲养场废水，以及大气污染物通过重力沉降和降水过程进入水体等所造成的污染废水。 （2）污染负荷的计算,1.2 水体污染物,由点源和非点源排入水体的主要污染物可分为：耗氧有机污染物、营养物、有机毒物、重金属、非金属无机毒物、病原微生物、酸碱污染物、石油类、热量和放射性核素等。,1.2
5、耗氧有机物,其主要的危害是在水中分解过程消耗溶解氧，对水生生态系统的正常运转产生影响。 水中耗氧有机物浓度常常以单位体积水中耗氧物质的化学或生物化学分解过程中所需要消耗的氧量表示。常用的指标（参数）有：化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）和高锰酸钾指数等。,1.2 营养物,是由点源和非点源将含有有机氮化物、氨氮、硝酸盐和磷酸盐的废水直接排入或通过河流进入湖泊、水库和近海水域带来的。 这些过量排入的营养物使水体富营养化，造成水中蓝、绿藻和有些浮游生物种群大量繁殖，他们的生长周期短，有的还会释放出毒素，死亡的藻类和浮游生物在被微生物分解过程中消耗水中的溶解氧，产生有害气体，使得水中原有水生生
6、物消失，水体发臭。,1.2 水中有机毒物,主要有酚类、多氯联苯（PCB）、有机氯农药和硝基化合物等。,1.3 水体的自净,水体可以在其环境容量范围之内，通过自身的物理、化学和生物作用，使受纳污染物浓度不断降低，逐渐恢复原有的水质，这种过程叫做水体自净。 水体自净可以看作是污染物在水体中的迁移、转化和衰减变化的过程。,1.4 水体的耗氧与复氧过程,（1）耗氧过程 碳化需氧量衰减耗氧：有机污染物生化降解，使碳化需氧量衰减，其耗氧量为： 含氮化合物硝化耗氧：,1.4 水体的耗氧与复氧过程,（1）耗氧过程 由于含氮化合物硝化作用滞后于碳化需氧量衰减耗氧，故在一个水体中考虑碳化和硝化的总耗氧量时，上式可
7、以写成： 其中a为硝化比碳化滞后的时间。,1.4 水体的耗氧与复氧过程,（1）耗氧过程 水生植物呼吸耗氧：水中的藻类和其它水生植物在光合作用停止后的呼吸作用耗氧，其耗氧的速率为： 其中BOD3为水生植物耗氧量；R为水生植物呼吸消耗水体中溶解氧的速率系数。,1.4 水体的耗氧与复氧过程,（1）耗氧过程 水体底泥耗氧： 底泥耗氧的主要原因是由于底泥中的耗氧物质返回到水体和底泥顶层耗氧物质的氧化分解。,1.4 水体的耗氧与复氧过程,（2）复氧过程 大气中的氧气的溶解，水生植物的光合作用产生氧是水体复氧的主要途径。 大气复氧 氧气由大气进入水体的速率与水体的氧亏量呈正比。氧亏量是同等水温条件下水体的饱
8、和溶解氧浓度和水中现有溶解氧浓度的差值。,1.4 水体的耗氧与复氧过程,（2）复氧过程 大气复氧 K2为大气复氧速度系数。它是河流水深、流态及温度等的函数。如果以摄氏20度作为基准，则任意温度时的大气复氧速率系数可以写为： r为大气复氧速率系数的温度系数，通常r1.024。,1.4 水体的耗氧与复氧过程,（2）复氧过程 光合作用 水生植物的光合作用是水体复氧的另一个重要来源。 奥康纳在假定光合作用的速率随着光照强弱的变化而变化，中午光照最强时，产氧速率最快，夜晚没有光照时，产氧速率为零。 此外也可以根据需要采用时间平均模型。,第二节 河流和河口的水质模型,2.1 河流中污染物的混和和衰减模型
9、2.2 BOD-DO耦合模型,第二节 河流和河口的水质模型,应用水质模型预测河流水质时，常假设： 该河段内无支流； 在预测时段内河段的水力条件是稳态的； 只在河流的起点有恒定浓度和流量的废水（或污染物）排入。 如果在研究河段内有支流汇入，而且沿河有多个污染源，这时应将河流划分为多个河段采用多河段模型。,第二节 河流和河口水质模型,河流水质模型简介,按时间特性分类：分动态模型和静态模型,按空间维数分类：分为零维、一维、二维、三维水质模型,按描述水质组分分类：分为单一组分和多组分的水质模型。,第二节 河流和河口的水质模型,模型的选择： 一维模型常用于污染物浓度在断面上比较均匀分布的中小型河流水质预
10、测； 二维模型常用于污染物浓度在垂直向比较均匀，而在纵向（X轴）和横向（Y轴）分布不均匀的大河； 对于小型湖泊还可以采用更简化的零维模型，即在该水体内污染物浓度是均匀分布的。,河流中污染物的混和和衰减模型,（1）完全混和模型 一股废水排入河流以后能与河水迅速完全混和，则混和后的污染物浓度为：,河流中污染物的混和和衰减模型,（2）一维和多维模型 当河流中河段均匀，河段的断面面积、平均流速、污染物的输入量、扩散系数都不随时间而变化，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，则根据物质平衡原理，一维模型可以表示为：,河流中污染物的混和和衰减模型,（2
11、）一维和多维模型 对于非持久性污染物或可降解污染物，若给定x=0时，O，上式的解为：,河流中污染物的混和和衰减模型,（2）一维和多维模型 对于一般条件下的河流，推流形式的污染物迁移作用要比弥散作用大得多，在稳态条件下，弥散作用可以忽略，则有： 式中，ux表示河流的平均流速，m/d或m/s；Ex为废水与河水的纵向混合系数，m2/d或m2/s；k表示污染物的衰减系数，1/d或1/s；x表示河水（从排放口）向下游流经的距离，m。,河流中污染物的混和和衰减模型,（2）污染物与河水完全混合所需距离 混合过程段：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。 横
12、向混合：当某一断面上任意点的浓度与断面平均浓度之比介于0.95和1.05之间时，称该断面已达到横向混合。 横向混合距离：由排放点至完成横向断面混合的距离。,河流中污染物的混和和衰减模型,（2）污染物与河水完全混合所需距离 当采用河中心排放时所需的完成横向混合的距离为： 在岸上排放时：,BOD-DO耦合模型S-P模型,Streeter-Phelps模型（S-P模型）是描述一维稳态河流中BOD和DO消长变化规律的模型。 （1）建立S-P模型有以下的基本假设： 河流中的BOD的衰减和溶解氧的复氧都是一级反应； 反应速度是定常的； 河流中的耗氧是由BOD的衰减引起的，而河流中的溶解氧来源则是大气复氧。
13、,BOD-DO耦合模型S-P模型,S-P模型可以写作： 式中BOD 表示河水中的BOD值，mg/L；D 表示河水中的氧亏值，mg/L；K1表示河水中BOD衰减（耗氧）系数，1/d；K2表示河流复氧系数，1/d；t为河水的流行时间。,BOD-DO耦合模型S-P模型,S-P模型的解析解为： 式中BOD0 表示河流起始点的BOD值；D 表示河流起始点的氧亏值。,BOD-DO耦合模型S-P模型,在淡水中饱和溶解氧的浓度可以根据温度计算：,BOD-DO耦合模型S-P模型,溶解氧浓度最低的点临界点氧亏值： 式中Dc 表示临界点的氧亏值；tc表示由起始点到达临界点的流行时间。,BOD-DO耦合模型S-P模型
14、,临界氧亏发生的时间可以用下式计算： 河流流速已知的情况下，可以算出溶解氧浓度最低的点出现的位置。,S-P模型的适用条件： 河流充分混合段 污染物为耗氧性有机污染物 需要预测河流溶解氧状态 河流为恒定流动 污染物连续稳定排放,BOD-DO耦合模型S-P模型,例题,1.一个拟建工厂废水将排入一条比较清洁的河流,河流的BOD为2.0mg/l,溶解氧为8.0mg/l,水温22,流量为7.1m3/s,工业废水的BOD为800mg/l,水温31,流量为3.5m3/s,排出前废水经过曝气使溶解氧浓度达到6mg/l,废水和河水在排放口附近迅速混合,混合后河道中平均水深达到0.91m,河宽为15.2m,河流的
15、溶解氧标准为5mg/l,各个常数经测定为：k1(20)=0.23d-1,1=1.05; k2(20)=3.0d-1, 2=1.02。计算工厂排出废水的最高允许BOD5。,2.某河段流量为216104m3/d,流速为46km/d,水温为13.6.K1=0.94d-1, K2=1.82d-1, K3=-0.17d-1.河段始端排放10104m3/d的废水，BOD5为500mg/l,溶解氧为0,上游河水BOD5为0,溶解氧为8.95mg/l.求该河段x=6km处河水的BOD5和氧亏值。,污染物在河口中的混合河衰减模型,采用二维动态混合数值模型预测：首先通过实测得到断面上各测点流速与断面平均流速的相关
16、关系，同时用一维非恒定流方程数值模型计算出沿程各断面平均流速，这样就可得到河口的流场分布。,二维动态混合物数值模型的微分方程：,注：此式可用显示或隐式差分解法解，或用计算机软件求解。,二维稳态混合衰减模式 对污染物在岸边排放的情况：,对污染物非岸边排放的情况：,a 排放口到岸边的距离,m c(x,y)-(x,y)点污染物垂向平均浓度，mg/L H平均水深，m B河流宽度，m My横向混合系数 m2/s,适用条件 1）平直、断面形状规则河流混合过程段； 2）持久性污染物； 3）河流为恒定流动； 4）连续稳定排放； 5）对于非持久性污染物，需采用相应的衰减模式,河口和河网水质模型,式中：W单位时间内排放的污染物质量，g,Q河口上游来的平均流量净泄量，m3/d,ux不考虑潮汐作用由上游来水（净泄量）产生的流速，m/s,第三节 湖泊（水库）水质数学模型,（1）湖泊的水体运动特征 湖泊或水库与河流在水质预测方面最大的区别在于其水体运动方式的不同，表现
