第六章水環(huán)境影響(之一)

第六章

水環(huán)境影響預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)

（之一）水體與水體污染污染物質(zhì)在河流中的混合擴(kuò)散河流水質(zhì)模型水質(zhì)模型參數(shù)估值1第一節(jié)水體與水體污染一、水體與水體污染的概念1水體的概念水是自然環(huán)境中最活躍的因素之一。水體-水聚集的自然綜合體分三類：地表水體、地下水體、海洋地表水體：江、河、湖泊、沼澤、水庫(kù)分五類天地定位，山澤通氣，雷風(fēng)相薄，水火不相射。22水體污染分兩類：一類水體自然污染；另一類水體人為污染，后者為主要水體污染過(guò)程：（1）溶解氧下降過(guò)程（2）水生生態(tài)平衡破壞過(guò)程魚(yú)類等高等水生生物遷移、死亡，耐污耐毒喜肥低等水生生物、植物大量繁殖（3）低毒變高毒過(guò)程水體的pH值變化、氧化還原、有機(jī)負(fù)荷等條件的改變，使低毒化合物轉(zhuǎn)化為高毒化合物（4）低濃度向高濃度轉(zhuǎn)化過(guò)程物理堆積和生物富集作用3水體自凈機(jī)制物理凈化稀釋、混合、擴(kuò)散、沉積、沖刷、再懸浮化學(xué)凈化化學(xué)吸附、化學(xué)沉淀、氧化還原、水解等生物凈化微生物的降解作用污染惡化水體自凈水質(zhì)惡化區(qū)水質(zhì)恢復(fù)區(qū)水質(zhì)清潔區(qū)4二、水體污染物及污染源1水體污染物理化性質(zhì)：物理污染物、化學(xué)污染物、生物污染物、綜合污染物形態(tài)分：離子態(tài)、分子態(tài)、簡(jiǎn)單污染物、復(fù)雜污染物對(duì)水體的影響特征：感官污染物、衛(wèi)生學(xué)污染物、毒理學(xué)污染物、綜合污染2水體污染源自然屬性：自然污染源、人為污染源排放污染物種類：物理污染源（熱、放射性）、化學(xué)污染源、生物污染源幾何形狀：點(diǎn)污染源—城市、企業(yè)的集中排放口面污染源—降水地面徑流5三、水體污染類型及危害1有機(jī)耗氧性污染耗氧→缺氧→厭氧→發(fā)臭→破壞水體功能2化學(xué)毒物污染（1）非金屬無(wú)機(jī)毒物（2）重金屬與類金屬無(wú)機(jī)毒物（3）易分解有機(jī)毒物（4）難分解有機(jī)毒物3石油污染在水面形成一層油膜，阻止溶解氧進(jìn)入水中4放射性污染5富營(yíng)養(yǎng)化污染6第二節(jié)污染物質(zhì)在河流中的混合與擴(kuò)散一、污染物質(zhì)在河流中的混合對(duì)于保守污染物、易降解污染物混合稀釋都是它們遷移的主要方式之一1、河流的混合稀釋模型廢水進(jìn)入河流后，不斷地與河水發(fā)生混合交換作用，使保守污染物濃度沿流程逐漸降低，這一過(guò)程稱為混合稀釋過(guò)程污水注入點(diǎn)、完全混合點(diǎn)7注入點(diǎn)完全混合點(diǎn)初始段混合系數(shù)稀釋比在非均勻混合斷面上的污染物平均濃度按下式計(jì)算（6-3）8在水質(zhì)完全混合斷面以下的任意斷面的a,n和Ci均為常數(shù)非均勻混合段面上的污染濃度計(jì)算？需知道Qi簡(jiǎn)單的辦法：測(cè)定排水口至完全混合斷面的距離Ln假設(shè)混合系數(shù)與距離成正比，任意斷面的混合系數(shù)按下式計(jì)算：Ln無(wú)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，參考表6-1確定92費(fèi)羅洛夫經(jīng)驗(yàn)公式費(fèi)羅洛夫提出完全混合距離公式：10導(dǎo)則推薦公式：B-河流寬度；H-平均水深；I-河流底坡度；u-河流中斷面平均流速；a-排放口到岸邊距離11二、污染物在河流中的擴(kuò)散1分子擴(kuò)散物質(zhì)分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而引起的物質(zhì)遷移或分散。以擴(kuò)散方式通過(guò)單位截面的質(zhì)量流量與擴(kuò)散物質(zhì)的濃度梯度成正比分子擴(kuò)散影響很小，在水環(huán)境影響評(píng)價(jià)中忽略2湍流擴(kuò)散河流水作湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨機(jī)的湍流運(yùn)動(dòng)引起污染物擴(kuò)散河流中污染物以湍流擴(kuò)散為主123、剪切流離散流速梯度存在的流動(dòng)稱為剪切流空間各點(diǎn)處，湍流時(shí)均值與湍流時(shí)均值的空間平均值的系統(tǒng)差別所產(chǎn)生的分散現(xiàn)象4、對(duì)流擴(kuò)散溫度差或密度分層不穩(wěn)定性而引起的鉛直方向?qū)α鬟\(yùn)動(dòng)所伴隨的污染物遷移。物質(zhì)的擴(kuò)散輸移規(guī)律和水體的流動(dòng)特性緊緊聯(lián)系一起135移流擴(kuò)散方程取一微分六面體，按物質(zhì)守恒原理三維擴(kuò)散方程二維擴(kuò)散一維擴(kuò)散--污染物的“源”或“匯”流入“源”流出“漏”14第三節(jié)河流水質(zhì)模型一、河流水質(zhì)模型簡(jiǎn)介為排入河流中污染物的數(shù)量與河水水質(zhì)之間提供定量關(guān)系，為水質(zhì)評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)及影響分析提供依據(jù)（Streeter-Phelps)1925年第一次建立水質(zhì)模型，至今60多個(gè)春秋時(shí)間特性分類：靜態(tài)模型、動(dòng)態(tài)模型空間維數(shù)：零維、一維、二維、三維水質(zhì)組分：?jiǎn)我唤M分、多組分水體類型：河流水質(zhì)模型、河口水質(zhì)模型、湖泊水質(zhì)模型、水庫(kù)水質(zhì)模型、海灣水質(zhì)模型15如何選擇、使用水質(zhì)模型？流動(dòng)的河流中，平流遷移往往占主導(dǎo)地位，對(duì)某些組分可忽略擴(kuò)散項(xiàng)-受潮汐影響的河口中，擴(kuò)散是主導(dǎo)的遷移現(xiàn)象，擴(kuò)散項(xiàng)必須考慮不能忽略對(duì)河床規(guī)整，斷面不變，污染物排入量不變的水體，可選用靜態(tài)模型目前：比較多的關(guān)注了河流中的生化需氧量和溶解氧之間的關(guān)系的模型，碳和氮的形態(tài)模型，熱污染模型，細(xì)菌自凈模型以下介紹一些常見(jiàn)的水質(zhì)模型16二、守恒污染物在均勻流場(chǎng)中的擴(kuò)散水質(zhì)模型進(jìn)入環(huán)境的污染物分為兩大類：守恒污染物（惰性污染物）和非守恒污染物守恒污染物：進(jìn)入環(huán)境以后，隨著介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)不斷地變換所處的空間位置，還由于分散作用不斷向周圍擴(kuò)散而降低其初始濃度，但它不會(huì)因此而改變總量，不發(fā)生衰減。非守恒污染物：污染物進(jìn)入環(huán)境后，除了隨著環(huán)境介質(zhì)流動(dòng)而改變位置，并不斷擴(kuò)散而降低濃度外，還因自身的衰減而加速濃度的下降171.守恒污染物在均勻流場(chǎng)中的擴(kuò)散方程在均勻流場(chǎng)中，流速應(yīng)為常數(shù)，擴(kuò)散參數(shù)為常數(shù)二維空間擴(kuò)散方程一維空間擴(kuò)散方程2.擴(kuò)散方程的解瞬時(shí)點(diǎn)源，守恒污染物在均勻無(wú)限大流場(chǎng)中，污染物濃度的分布呈高斯分布18M-污染物排放量二維擴(kuò)散方程的解:一維擴(kuò)散方程的解:193.二維靜態(tài)河流水質(zhì)擴(kuò)散模型及其解靜態(tài)污染物排入河流的點(diǎn)在x=0處，連續(xù)點(diǎn)源二維靜態(tài)的擴(kuò)散方程的解為：考慮河岸影響，排放源位于河流縱向坐標(biāo)x=0處，河寬為B時(shí)，考慮河岸一次反射的二維靜態(tài)河流岸邊排放連續(xù)點(diǎn)源水質(zhì)模型為：204.完成橫向均勻混合所需的距離點(diǎn)源二維擴(kuò)散的橫向濃度分布為正態(tài)分布，隨著縱向距離的增加，橫向濃度分布曲線會(huì)變得愈加平坦而趨向均勻化。若斷面上最大濃度與最小濃度之差不超過(guò)5%，可以認(rèn)為污染物已經(jīng)達(dá)到了均勻混合。由排放點(diǎn)到完成均勻混合的斷面的距離稱為完全混合距離。理論分析和實(shí)驗(yàn)確定：河中心排放的完全混合距離：岸邊排放的完全混合距離21三、非守恒污染物在均勻河流中的水質(zhì)模型1.零維水質(zhì)模型完全混合反應(yīng)器當(dāng)單元河段中污染物濃度不隨時(shí)間變化dC/dt=0,零維靜態(tài)模型一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)222.一維水質(zhì)模型均勻河段，斷面面積A、平均流速u、污染物輸入量W、擴(kuò)散系數(shù)E都不隨時(shí)間變化，源和漏項(xiàng)僅為反應(yīng)衰減項(xiàng)且符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。二階線性常微分方程，用特征多項(xiàng)式法求解：（6-30）23（1-m）相應(yīng)排污口的下游區(qū)(x>0);而（1+m）相應(yīng)于排污口以上的上游區(qū)（x<0)。對(duì)于衰減的污染物，x<0的取值在此無(wú)意義。初始條件：X=0時(shí)，C=C0，公式（6-30）的解為：式中C0按下式計(jì)算：243.忽略擴(kuò)散項(xiàng)的一維水質(zhì)模型忽略擴(kuò)散項(xiàng)的一維水質(zhì)模型的偏微分方程為：在初始條件x(t)=0,C=C0時(shí)，其解為：這個(gè)偏微分方程可以改寫為兩個(gè)成微分方程：254.S-P模型描述一維靜態(tài)河流中的BOD-DO變化規(guī)律兩條假設(shè)：（1）方程中的源和漏項(xiàng)，只考慮好氧微生物參加的BOD衰減反應(yīng)，并認(rèn)為該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，即S=-k1L(2)河流中的耗氧只是BOD衰減引起的。BOD的衰減反應(yīng)速率與河水中溶解氧DO的減少速率相同，復(fù)氧速率與河水的虧氧量成正比。26虧氧量D以溶解氧（Os、O）表示，則河流中溶解氧的變化規(guī)律為：27——自凈系數(shù)在河流的某一距離xc處，虧氧值D具有最大值，或溶解氧具有最小值。用求極值的方法求出。dD/dx=0285.S-P模型的修正模型在S-P模型的基礎(chǔ)上附加了一些新的假設(shè)（1）托馬斯模型考慮沉淀、絮凝、沖涮和再懸浮過(guò)程對(duì)BOD去除的影響，引入了BOD沉浮系數(shù)k2，BOD變化速度k3L。K3取值：沖涮、再懸浮過(guò)程，k3<0;沉淀過(guò)程，k3>029(2)多賓斯-坎普模型地面徑流和底泥釋放BOD所引起的BOD變化速率，該速率以R表示?？紤]藻類光合作用和呼吸作用以及地面徑流所引起的溶解氧變化速率，該速率以P表示。在L(0)=L0,D(0)=D0的初始條件下，得到多賓斯坎普方程的解（6-42）、（6-43）、（6-44）30（3）奧康納模型對(duì)一維靜態(tài)河流，在托馬斯模型的基礎(chǔ)上，