河流纳污能力计算.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,河流纳污能力计算案例分析,主要内容,主要技术问题,二,案例分析,三,一,计算步骤,一、计算步骤,1.水域概化,2.水文资料调查及设计水文条件的确定,3.水质控制节点的确定,4.确定水质模型及其计算参数,5.计算分析,6.成果合理性分析,一、计算步骤,水域概化：将天然水域（河流、水库）概化成计算水域，例天然河道可概化成顺直河道，动态水流简化为稳态水流等。水域经适当概化后，才能够利用数学模型来描述其水质变化规律。同时，支流、排污口、取水口等影响水环境的因素也要进行相应概化，若排污口距离较近，可把多个排污口简化成一个集中的排污口。,水文资料调查及设计水文条件的确定：收集研究水域水下地形、水文站的水文资料（河宽、水深、流速、流量、坡度和弯曲系数）等，明确每一个河段或水库的水文设计条件。对没有资料的河段，采取水文比拟等方法确定其水文条件。,1,2,一、计算步骤,水质控制节点的确定：根据水功能区划和水域内的水质敏感点位置分析，确定水质控制断面的位置和控制标准。对于大江大河（和大型水库），则需根据水体的功能用途和环境管理的要求，确定混合区的控制边界及水质保护目标。,确定水质模型及其计算参数：根据实际情况选择零维、一维或二维水质模型，在进行各类数据资料的一致性分析的基础上，确定模型所需的各项参数。,3,4,一、计算步骤,计算分析：以控制节点的水质目标为约束条件，（采用试算法）对选定的水质模型进行反解（即逐步调整功能区内各入河排污口的入河通量，直到控制节点的水质预测浓度达标为止），即可计算出该水域的水环境容量。当计算水域内有多个入河排污口时，试算过程应从现状入河量开始，原则上各入河口按同样的缩放系数逐步调整其入河排污量。,5,成果合理性分析：在水环境容量模型计算的基础上，结合上下游关系、左右岸关系、水质评价和污染源调查结果、混合区范围等因素，进行合理性分析。此外，应结合水功能区水质评价和污染源调查分析，建立污染源与水质目标之间的输入响应关系，进行参数的校核和反馈调整，核定控制单元内允许纳污量。,6,二、主要技术问题,1,、河流简化与模型选取,2、排污口概化,3、混合区的确定,4,、计算单元和控制节点,(,断面,),5、模型参数,1,、河流简化与模型选取,水质数学模型,有零维模型、一维模型、二维模型等。,对每个水功能区，应根据其空间形态、水文、水质特征选择合适的水环境容量计算模型。,二、主要技术问题,1,、河流简化与模型选取,二、主要技术问题,断面宽深比大于等于,20,时，简化为矩形河段；,小河可以简化为矩形平直河流；,大中河流中，当河段弯曲系数小于等于,1.3,时，可简化为顺直河段，否则视为弯曲河流；,河道特征和水力条件有显著变化的河段，应在显著变化处分段。,根据广东省,河流水功能区的河道特征和水文水质特征，分二种情况选用不同的纳污能力计算模型：,狭长河道：当河流宽度小于,200m,时，单向河流使用一维断面平均衰减模型，感潮河段使用潮平均一维衰减模型，感潮河网采用一维潮平均有限分段水质模型。,大江大河：当河流宽度大于,200m,时，单向河流选用二维垂向平均衰减模型，感潮河段使用潮平均二维衰减模型。,西江、东江、北江等河流的流量较大，稀释扩散能力强，虽然平均水质良好，但由于靠近岸边水流相对平缓，在排污口下游一定范围内形成污染带，宜采用二维污染带模型来计算控制排放量。,图 河流一维模型概化示意图,节点指河流上排污口、取水口、干支流汇合口等造成河道流量、水质发生突变的点，水量与污染物在节点前后满足物质平衡规律。,河段指河流被节点分成的若干段，每个河段内污染物的自净规律符合一阶反应定律。,一维水质模型由河段和节点两部分组成：,河流一维水质模型,图 河流一维模型概化示意图,在节点处，要利用节点均匀混合模型进行节点前后的物质守恒分析，确定节点后的河段流量和污染物浓度。,节点后的河段以节点平衡后的流量和污染物浓度为初始条件，按照一级降解公式计算到下一个节点前的污染物浓度。,图 河流一维模型概化示意图,考虑干流、支流、取水口、排污口均在同一节点的最复杂情况，水量平衡方程为：,Q,干流混合后,Q,干流混合前,Q,支流,Q,排污口,Q,取水口,污染物平衡方程为：,图 河流一维模型概化示意图,对河段：,2,、排污口概化,对有排污口的水功能区或河段，污水排放流量较大的排污口作为独立的排污口处理；其他排污口，可进行适当简化：,（,1,）若排污口距离较近，可把多个排污口简化成一个集中的排污口。,概化后的排污口位置为：,x,=(,Q,1,C,1,x,1,+,Q,2,C,2,x,2,+,Q,n,C,n,x,n,)/(,Q,1,C,1,+,Q,2,C,2,+,Q,n,C,n,),（,2,）距离较远并且排污量比较小的分散排污口，可概化为非点源入河，仅影响水域水质本底值，不参与容量优化分配计算。,上界,下界,上界,下界,1#,1 2 3,x,3,、混合区的确定,图,污水与河流的混合过程：,（,a,）河中排放；（,b,）岸边排放,(a),混合区定义,在排污口下游自排污口至功能区控制点或控制断面之间的，使污染物得以进行初始混合与稀释后达到水域功能区水质标准的区域称为混合区。,混合区是污染物自排放口至功能区控制断面达标的过渡区，是允许超标的区域。,混合区越小，意味着控制越严格，混合区消失，意味着不许排放或意味着排放口排出的水质与功能区的水质相等。,混合区的三要素,（,1,）位置：重要的功能区均应加以保护，其范围内不允许混合区存在。,（,2,）大小：排污口所在水域形成的混合区不应影响邻近功能区水质；河流混合区范围,不允许超过1,2km,2,。,（,3,）形状：河流混合区一般为岸边窄长水域距下游控制断面有足够的安全距离，且不超过河宽的,1/3,；河流混合区长度不允许超过,1200,1500m,。,整个河段的封闭性混合区是不允许的,确定某入河排放口的混合区长度时，以不影响邻近功能区（控制断面）和对岸水质达标为原则，并留有有足够的安全距离，且不得超过河宽的,1/3,；,对工业排放口，混合区长度控制在,5001000m,；,对城市污水处理厂排放口，混合区长度控制在,3000m,内；,在同一连续区段中，所有混合区长度总和小于对应大江大河岸线总长的,8%,。,根据西江、北江、东江流域水质保护规划的研究成果，混合区的确定如下：,混合区浓度计算,图,河流污染带计算坐标示意图,(a),(b),采用二维混合模式：,图 岸边排放混合区示意图,图 某排污口,COD,浓度场分布示意图,岸边排放，其浓度场的等浓度线沿水流方向成细长半椭圆状结构。,横断面分区及控制方法：即以任何一个断面（,x,，0）点为控制点时，其上游为相应水质标准的污染带混合区，下游为功能区。,污染带的等浓度线结构及功能分区方法,图 某排污口,COD,浓度场分布示意图,纵向断面分区及控制方法：,如果由于某种需要规定在,B,的水质达到指定标准,C,s,，根据污染带浓度变化规律可以确定,BB,区域是污染带混合区，,BB,以外的区域是水功能控制区。,污染带的等浓度线结构及功能分区方法,只要水质标准和控制点确定之后，其混合区、功能区和等浓度线即随之确定，应当指出所谓功能区和混合区是针对某一水质标准相对而言的概念。,4,、计算单元和控制节点,(,断面,),原则上以水功能区为基本单元；,由于容量计算模型中河道流量、流速等参数都是取常数，而天然河流的中上述参数是沿程变化的；,如果河流的长度较大，当以控制断面达标为约束条件反算容量时，必然出现长距离的超标河段。,为了避免长距离的河段超标以及反映河流参数的沿程变化，将河道参数沿程变化较大或空间距离较长的水功能区划分成若干个计算单元。,计算单元是容量计算模型应用的单元对象，即以河段长度和重要的取水口、排水口、河道条件变异区等重要敏感的断面划分节点并确定计算单元。,有较大的支流汇入或河道发生分流，导致河段流量等参数发生突变；,有较大的入河排放口汇入；,有重要的饮用水源吸水口；,计算单元长度不超过,10km,；,一个水功能区划分为多个计算单元时，各个计算单元的水质目标均采用本功能区水质目标。,4,、计算单元和控制节点,(,断面,),4,、计算单元和控制节点,(,断面,),控制断面是指能反映水环境功能区水质，或反映污染源对水域水质的影响，或反映功能区执行标准变化的代表性断面。,各控制断面以水功能区划以及广东省跨市河流水质达标管理办法规定的水质标准上限值为容量计算的依据。,4,、计算单元和控制节点,(,断面,),一般情况下，可以直接将水功能区内的常规监测断面或下游边界作为纳污能力计算的控制节点。,如果某一功能区内存在多个常规性监测断面，可以选取最高级别的监测断面、最有代表性的监测断面或者最能反映最大取水量取水口水质的监测断面作为控制节点。,如果功能区没有常规性监测断面，可以选择功能区的下断面或者重要的取水点作为控制节点。,对于高功能水域、重要水域以及距离较长的水域，根据需要，一个功能区内应设置多个断面来控制功能区的水质，作为水环境容量计算的约束条件。,（,1,）控制断面不能设在排污混合区内：一般的水功能区都允许有排污口存在，排污口下游必然存在一段由排放浓度过渡到功能区标准的排污混合区。因此，控制断面要避开混合区或过渡区，以反映水体的客观情况。,（,2,）控制断面要反映敏感点的水质：大部分水功能区内都有饮用水取水口或鱼类索饵、产卵活动区存在，控制断面设置应考虑这些敏感点的水质保护，以保证功能区真正达标。,（,3,）控制断面要保证出境水质达标：除了保证本水功能区的水质达标外，还应保证出境提供给下游地区的水质达到功能区要求。,在控制断面的选取时应注意的几个问题,5,、模型参数,模型参数清单,平均流量,流入边界水质浓度,类 别,数 据,注 释,水文,参数,流速,u,流量,Q,横向扩散系数,E,y,河流比降,J,或糙率,n,感潮河段应分别取涨潮期和退潮期的平均值，可由潮汐河网动态水动力模型提供,河道,参数,河段长度,x,河段平均宽度,B,河段平均水深,H,与设计流量对应的数据,水质,参数,污染物衰减系数,k,允许混合区纵向范围,X,s,允许混合区横向向范围,Y,s,允许混合区边界的水质目标,C,(,X,s,Y,s,),污染源,数据,污水流量,Q,E,污水水质浓度,C,E,5,、参数的确定,国内外对BOD的衰减系数研究较多，对COD降解系数,k,c,和氨氮降解系数,k,n,的研究成果并不多见。原则上，COD的降解系数约为BOD的6070%。,表,广东省部分河流,COD,、氨氮降解系数 单位：,1/d,项目名称,承担单位,k,c,k,n,珠江三角洲水环境容量与水质规划,华南环境科学研究所,0.080.45,0.070.15,西江流域水质保护规划,华南环境科学研究所,0.1,0.07,韩江流域水质保护规划,华南环境科学研究所,0.15,0.1,东江流域水污染综合防治研究,华南环境科学研究所,0.10.4,0.060.2,北江流域水质保护规划,华南环境科学研究所,0.080.1,0.10.15,珠江流域水环境管理对策研究,华南环境科学研究所,0.070.6,0.030.3,广东省水资源保护规划要点,广东省水利厅,0.18,无,广州佛山跨市水污染综合整治方案,中山大学,0.2,0.050.1,鉴江水质保护规划,中山大学,0.2,0.1,练江流域水质保护规划,广东省环境监测中心站,0.30.55,0.10.35,广东省地表水环境容量核定,技术报告,华南环境科学研究所,河流,0.10.2,0.050.1,库湖,0.050.1,0.05,三、案例分析,案例,1,：单一河道水功能区纳污能力计算,案例,2,：河流多个水功能区纳污能力计算,案例,3,：混合区纳污能力计算,案例,1,：单一河道水功能区纳污能力计算,假设某水功能区被（,n-1,）个节点细分为,n,个河段，由公式计算出第,i,河段的水环境容量为：,图 河段一维问题示意图,Q,R,C,R,Q,E,，,C,E,C,S,x,，,k,C,0,三、案例分析,如只划分了一个河段，排污口与控制断面之间水域的纳污能力：,图 单一河道排污口分布示意图,按照上述方法沿程计算整个功能区的沿程污染物浓度变化规律。,对排污口节点,i,有：,对第,i,个河段有：,Q,Ri,C,Ri,C,i+1,C,i+2,i-1,i,i+1,C,s,Q,Ei,C,Ei,Q,Ei+1,C,Ei+1,Q,Ei+2,C,Ei+2,C,0i,若以下界处作为功能区考核的断面，如功能区水质目标是,类，,COD,标准值为,20mg/L,，则计算结果超过,类水质标准要求，就要通过削减每一个排污口的排污量来重新计算。,图,水功能区内沿程污染物浓度变化曲线图,为了简化计算过程，原则上每个排污口按相同的缩放系数调整排污量，也可以根据各个排污口污染负荷削减的技术经济可行性，不等比例地进行调整。,当控制断面的模拟结果满足水质标准时，各个排污口的排污量之和，即就是该功能区内的水环境容量值。,图 单一河道排污口分布示意图,Q,Ri,C,Ri,C,i+1,C,i+2,i-1,i,i+1,C,s,Q,Ei,C,Ei,Q,Ei+1,C,Ei+1,Q,Ei+2,C,Ei+2,C,0i,图 单一河道排污口分布示意图,例：某河道水质、水文和排污口的基本数据如图所示。如果在末断面,COD,的浓度不能超过,30mg/l,，试求该河道,COD,的环境容量？,（单位：,C,mg,/l,，,Q,m,3,/s,，,k,d,-1,，,t=x/u,d,）,Q,R,=25,C,R,=18,C,2,C,s,Q,E1,=2,C,E1,=250,Q,E2,=1.5,C,E2,=200,C,1,k,1,=0.25,t,1,=0.5,k,2,=0.20,t,2,=0.8,图 单一河道排污口分布示意图,对排污口,1,的节点有：,对第,i,个河段有：,Q,R,=25,C,R,=18,C,2,C,3,Q,E1,=2,C,E1,=250,Q,E2,=1.5,C,E2,=200,C,1,k,1,=0.2,t,1,=0.5,k,2,=0.2,t,2,=0.8,C,12,C,23,对末断面有：,图 单一河道排污口分布示意图,Q,R,=25,C,R,=18,C,2,C,3,Q,E1,=2,C,E1,=250,Q,E2,=1.5,C,E2,=200,C,1,k,1,=0.20,t,1,=0.5,k,2,=0.22,t,2,=0.8,C,12,C,23,图 单一河道排污口分布示意图,Q,R,=25,C,R,=18,C,2,C,3,Q,E1,=2,C,E1,=250,Q,E2,=1.5,C,E2,=200,C,1,k,1,=0.20,t,1,=0.5,k,2,=0.22,t,2,=0.8,C,12,C,23,假设每个排污口按同比例削减,%,，使,C,3,30mg/L,，即：,解得,18.6%,。,该河道的纳污能力为：,图 单一河道排污口分布示意图,Q,R,=25,C,R,=18,C,2,C,3,Q,E1,=2,C,E1,=250,Q,E2,=1.5,C,E2,=200,C,1,k,1,=0.20,t,1,=0.5,k,2,=0.22,t,2,=0.8,C,12,C,23,如每个排污口按同比例削减,18.6%,，则：,表,河开发利用区及水文、水质参数值,水功能一级区,水功能二级区,L,(km),u,(m/s),Q,(m,3,/s),COD,C,0,(mg/L),C,s,(mg/L),k,(1/d),河开发利用区,河饮用水源区,8,0.1,10.5,20,20,0.2,河工业、景观用水区,8,0.1,10.5,20,30,0.2,河过渡区,4,0.1,10.5,30,20,0.2,案例,2,：河流多个水功能区纳污能力计算,图 河道功能区分布示意图,Q,C,0,C,s,C,s,C,s,1,2,3,将河段内的多个排污口概化为一个集中的排污口。假设该集中点源的实际自净长度为河段长的一半，设河段长度为,L,，则污染物自净长度为,L/2,。,排污口概化,一般情况下，污染物是沿河岸分多处排放，即每一河段（或河流）内可能存在多个污染源（排放口）。从理论上讲，应计算每一个排污口所排放的污染物对河流水质的影响结果。但从规划角度而言，规划的远期水平年期间各排污口的设置位置具有不确定性。,X=0,X=L/2,图 排污口概化示意图,假定污水量与河道流量相比可以忽略不计，则对于下游控制断面，其污染物浓度为：,（,2,）水质模型,根据控制断面处的水质保护目标，对上式进行反解，即可求出该河段的纳污能力：,若排污口在上游断面，计算公式为：,C,R,Q,R,X,=L,X,=L/2,X,=0,水功能一级区,水功能二级区,L/2,L,河开发利用区,河饮用水源区,1228.2,1347.3,河工业、景观用水区,4860.7,5332.2,河过渡区,0(-2548.1),0(-2668.8),表,COD,纳污能力计算结果 单位：,t/a,图,河道沿程污染物浓度变化曲线,处理方法之一：每个排污口（河段）按相同的缩放系数调整排污量，约减,52%,。,表,河开发利用区,COD,纳污能力 单位：,t/a,水功能一级区,水功能二级区,C,0,(mg/L),C,s,(mg/L),W,(t/a),河开发利用区,河饮用水源区,20,17.8,（,20,）,589.5,河工业、景观用水区,18.1,(17.8),22.0,（,30,）,2333.1,河过渡区,22.0,20.0,0,合计,/,/,3199.7,有一河道近似为均匀流，河长,x,=30km,，河宽,B,=200m,，流量,Q,R,=120m,3,/s,，断面平均流速,u,=0.30m/s,，污染物的衰减系数,k,=0.12/d,，横向混合系数,E,y,=38m,2,/s,，若上游来水氨氮浓度,C,R,=0.6mg/L,，离起始断面,1.0km,处（混合区长度）的污染物浓度不能超过,1.5mg/L,，试求混合区污染物允许排放强度,(,岸边污染物水环境容量）。,图,COD,浓度场分布示意图,图,污水与河流的混合过程,案例,3,：混合区纳污能力计算,岸边连续排放情况下的解为：,反演上式得水环境容量值：,图 岸边排放混合区示意图,案例,4,：潮汐河网纳污能力计算,感潮河网一维水环境数学模型,（,1,）潮汐河网水动力模型控制方程为,:,式中：,x,为沿河道中泓线的坐标,(m),；,u,为断面平均流速,(m/s),；,Q,为潮量,(m,3,/s),；,A,为过水断面面积,(m,2,),；,t,为时间,(s),；,z,为潮位,(m),；,g,为重力加速度,(m/s,2,),；,为水体有效粘滞系数,(m,2,/s),；,n,为糙率；,R,为水力半径,(m),。,感潮河网一维水环境数学模型,（,2,）水质模型的控制方程为：,式中：,K,为衰减系数（,1/s,）；,S,E,是外部的源或汇项，由于外部某种作用使单位水体的某种污染物在单位时间内的变化量，,mg/,（,Ls,）。,在稳态情况下，对上式进行有限分段离散求解，可得：,式中：,f,i,为第,i,分段的值；,f,i,j,为第,i,分段与第,j,分段的平均值。,图 河段划分示意图,根据感潮河网所有控制断面处的水质目标,C,si,，,i,=,1,，,，,n,，采用试算法对上述模型进行反解，即可求出潮汐河网区入河排污口组合的环境容量。,上式实际上是一个递推演算公式，根据河网边界处的水质浓度（边界条件），可推算出任何位置的水质浓度。,佛山水道水环境容量计算,图 佛山水道水道位置示意图,表 佛山水道污染源入河量（以概化排污口为单元）,排污口名称,废污水,(,万,m,3,),COD(,万,t),排污口名称,废污水,(,万,m,3,),COD(,万,t),马廊窦,616.1,748.0,谢边涌,803.7,963.6,罗村涌,1450.4,1368.5,水头涌,545.3,493.7,南北大涌,1374.9,1154.5,花地涌,917.9,1038.2,九江基涌,3480.9,2526.9,石岸涌,524.5,518.6,佛山涌,8142.9,4584.7,三洲涌,1082.2,547.9,叠窖,731.4,617.2,合计,19670.2,14561.9,方法一：将佛山水道划分成,28,个微段，,COD,衰减系数取为,0.13 d,-1,，如每段的水质均要求达到,类标准，上、下边界分别取功能区水质目标，按下式计算得氨氮的环境容量为,7499.4t/a,。,通过试算获得水环境容量的方法。在设计条件下，以污染源位置、排污量作为模型的输入条件，得到水体水质的输出结果，当控制断面水质达到水质目标时，各个排污口的排污量之和，就是计算单元的水环境容量值。,通常条件下，可以调整设计条件得到多个水环境容量值，通过分析各个排污口污染负荷削减的技术经济可行性，从一组水环境容量结果中确定合理的水环境容量。,方法二：采用模型试错法,选取罗沙、街边、佛山大道、中山桥、叠窖、横滘、石岸闸外、三洲闸外等,8,个水质控制断面。,利用河网一维水质计算模型试算，当水质控制断面的模拟浓度均满足,V,类水质标准时，所有概化排污口氨氮的排放量之和即为佛山水道的水环境容量，计算结果为,14523.2t/a,。,补充：,湖泊、水库的,纳污量,以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程时，可把湖泊看作一个完全混合反应器，Q代表环境介质的流量，反映了推流的作用；S代表进入环境的污染物总量；C,O,代表环境介质中某种污染物的原始浓度；C代表环境介质中污染物的允许浓度（即某种环境标准值）。完全混合模型可以写成：,当系统的出水满足环境质量目标时，进入环境的污染物总量就是该环境单元的环境容量：,如果讨论稳态问题，则：,如果反应项只考虑污染物的衰减，即,r,kC,，那么，环境容量,S,可以表达为：,式中，,k,是污染物降解速度常数。,由上式可以看出，,环境容量由两部分构成：,第一部分称之为,目标容量,，决定于水体的流量、环境质量目标与本底值之差；,第二部分称之为,降解容量,，与污染物的降解性能有关，降解速度越高，降解容量越大。由于污染物在河段中均匀分布，环境容量与河段的分割方式无关。,谢谢！,