1、第六章水環境質量評價和影響預測118716 水環境質量評價和影響預測6.1 水體與水體污染6.1.1 水體和水體污染6.1.2 水體污染物及污染源6.1.3 水體污染類型6.2 河流水質模型6.2.1 河流水質模型簡介6.2.2 河流的混合稀釋模型6.2.3 守恒污染物在均勻流場中的擴散模型6.2.4 非守恒污染物在均勻河流中的水質模型6.2.5 Streeter-Phelps（S-P）模型6.2.6 河流水質模型中參數估值6.3 湖泊水庫模型與評價6.3.1 湖泊環境概述6.3.2 湖泊環境質量現狀評價6.3.3 湖泊環境預測模式6.4 地面水環境影響評價6.4.1 評價目的、分級及程序6.

2、4.2 環境影響評價大綱6.4.3 項目分析和污染源調查6.4.4 地區水環境調查6.4.5 水環境影響預測及評價6.4.6 清潔生產和水污染防治6 水環境質量評價和影響預測 6.1 水體與水體污染6.1.1 水體和水體污染水是環境中最活躍的自然要素之一。水是一切生命機體的組成物質，也是生命代謝活動所必需的物質。如果地球上沒有水，很難設想有整個生物界。人類生活需要水，各種生產活動也需要水，水是萬物之本。因此，水是人類不可缺少的非常寶貴的自然資源。它對人類的社會發展起著很重要的作用。水體是水集中的場所，水體又稱為水域。按水體所處的位置可把它分為三類：地面水水體、地下水水體、海洋。這三種水體中的水

3、可以相互轉化，它通過水在自然界的大循環和小循環實現。三種水體是水在自然界的大循環中的三個環節。在太陽能和地表面熱能的作用下，地球上的水不斷地被蒸發變成水蒸氣，進入大氣。從海洋蒸發的水蒸氣進入大氣，被氣流帶到陸地上空，遇冷凝結成雨、雪、雹等落到地面，一部分被蒸發返回大氣，一部分經地面徑流流入地面水體(江河、湖泊、水庫等)，一部分經地層滲透進入地下水體。地面水體的水經地面徑流，最終都回歸海洋。這種海洋和陸地之間水的往復運動過程，稱為水的大循環。僅在局部地區(僅在陸地上或僅在海洋上)進行的水循環稱為水的小循環。在自然界中水的大、小循環是交織在一起的，周而復始地運動著。地面水水體主要指江、河、湖泊、沼

4、澤、水庫等。地面水水體的概念不僅包括水，而且包括水中的懸浮物、底泥和水生生物。它是完整的生態系統或自然綜合體。地面水水體按使用目的和保護目標可劃分為五類。I類主要適用于源頭水和國家自然保護區的水體；類主要適用于集中式生活飲用水水源地級保護區內的水體，以及珍貴魚類保護區、魚蝦產卵場的水體；類主要適甩于集中式生活飲用水水源地二級保護區和一般魚類保護區及游泳區的河段；類主要適用于一般工業用水和娛樂用水水體；V類適用于農業用水及一般景觀水域。上述五類水體對其水質有各自不同的要求。水體受到人類或自然因素或因子(物質或能量)的影響，使水的感觀性狀(色、嗅、味、濁)、物理化學性能、(溫度、酸堿度、電導度、氧

5、化還原電位、放射性)、化學成分(無機、有機)、生物組成(種類，數量、形態、品質)及底質情況等產生了惡化，污染指標超過地面水環境質量標準，稱為水體污染。水體污染分為自然污染和人為污染兩類。后者是主要的，更為人們所關注。水體的自然污染是自然原因所造成的。如某一地區的地質化學條件特殊，某種化學元素大量地富集于地層中，由于大氣降水的地表徑流，使這種元素或它的鹽類，溶解于水或夾雜在水流中被帶入水體，造成水體污染。地下水在地下徑流的漫長的路徑中，溶解了比正常水質多的某種元素（離子態），或它的鹽類，造成地下水的污染。當它以泉的形式涌出地面流入地面水體時，造成了地面水體的污染。 水體的人為污染是由于人類的生活

6、和生產活動向水體排放的各類污染物質(或能量)，其數量達到使水和水體底泥的物理、化學性質或生物群落組成發生變化，從而降低了水體原始使用價值，造成了水體的人為污染，或稱水體污染。水體污染是工業與環境沒有諧調發展的產物，從某種意義上說也是經濟落后國家貧窮的產物。水體污染的發生及其演變過程取決于污染源、污染物及受納水體三個方面的特征及其相互作用和關系。污染物進入水體后，發生兩個相互關聯的過程：一是水體污染惡化過程，二是水體污染的凈化過程。水體污染惡化過程包括以下幾個過程。(1) 溶解氧下降過程排入水體中的有機物，在好氧細菌的作用下，復雜的有機物被分解為簡單的有機物直至轉化為無機物，要消耗大量溶解氧，使

7、水體中溶解氧下降，水質惡化。水體底部多為厭氧條件，底泥中的有機物在厭氧細菌的作用下產生出硫化氫、甲烷等還原性氣體，水質惡化。水體中溶解氧的下降，威脅水生生物的生存。(2) 水生生態平衡破壞過程由于水體中溶解氧的下降，營養物質增多，使耐污、耐毒、喜肥的低等水生動物、植物大量繁殖。魚類等高等水生生物遷移、死亡。當水體中溶解氧低于3mgL時，就會引起魚類窒息死亡。因此；漁業水體中溶解氧(DO)不得低于3 mgL。如鯉魚要求溶解為68mgL,青魚、草魚、鰱魚等均要求溶解氧保持在5mgL以上。(3) 低毒變高毒過程 由于水體中pH值、氧化還原、有機負荷等條件的改變多使低毒化合物轉化為高毒化合物。如三價鉻

8、、五價砷、無機汞可轉化為更毒的六價鉻、三價砷、甲基汞。(4)低濃度向高濃度轉化過程由于物理堆積和生物富集作用，使低濃度向高濃度轉化。如重金屬、難分解有機物、營養物向底泥的積累過程，使底泥的污染物濃度升高。由于生物的食物鏈作用，使污染物在魚類或其它水生生物體里富集，造成污染物的高濃度。水體中污染物濃度自然逐漸降低的現象稱為水體自凈。水體自凈機制有三種。(1)物理凈化物理凈化是由于水體的稀釋、混合、擴散、沉積、沖刷、再懸浮等作用而使污染物濃度降低的過程(2)化學凈化化學凈化是由于化學吸附、化學沉淀、氧化還原、水解等過程而使污染物濃度降低。3)生物凈化生物凈化是由于水生生物特別是微生物的降解作用使污

9、染物濃度降低。水體自凈的三種機制往往是同時發生，并相互交織在一起。哪一方面起主導作用取決于污染物性質和水體的水文學和生物學特征。水體污染惡化過程和水體自凈過程是同時產生和存在的。但在某一水體的部分區域或一定的時間內，這兩種過程總有一種過程是相對主要的過程。它決定著水體污染的總特征。這兩種過程的主次地位在一定的條件下可相互轉化。如距污水排放口近的水域，往往總是表現為污染惡化過程，形成嚴重污染區。在下游水域，則以污染凈化過程為主，形成輕度污染區，再向下游最后恢復到原來水體質量狀態。所以，當污染物排入清潔水體之后，水體一般呈現出三個不同水質區：即水質惡化區，水質恢復區和水質清潔區。6.1.2 水體污

10、染物及污染源1 水體污染物造成水體的水質、生物、底質質量惡化的各種物質或能量都稱為水體污染物。水體污染物的種類繁多，從不同的角度可將水體污染物分為各種類型。按理化性質分類可分為物理污染物、化學污染物、生物污染物綜合污染物。按形態分類可分為：離子態(陽離子，陰離子)污染物、分子態污染物、簡單有機物、復雜有機物、顆粒狀污染物。按污染物對水體的影響特征分類可分為感官污染物、衛生學污染物、毒理學污染物、綜合污染物。2 水體污染源向水體排放或釋放污染物的來源或場所稱為水體污染源。從不同的角度可將水體污染源分為不同的類型。按造成水體污染的自然屬性分類可分為自然污染源和人為污染源。按受污染水體的種類分類可分

11、為：地面水污染源、地下水污染源、海洋污染源。按污染源排放污染物(或能量)種類分類分為物理 (熱污染源、放射性污染源) 污染源、化學(無機物、有機物)污染源、生物污染源(如醫院)。按污染源幾何形狀特征分類可分為點污染源(城市污水排放口，工礦企業污水排放口)、線污染源(雨水的地面徑流)、面污染源。按污水產生的部門分類可分為：生活污水、工業污水、農業退水、大氣降水。污染源的種類不同，使水體的污染程度不同，污染物在水體中遷移轉化規律也不同。6.1.3 水體污染類型水體污染類型較多，主要有以下幾類。1 有機耗氧性污染生活污水和一部分工業廢水中含有大量的碳水化合物、蛋白質、脂肪和木質素等有機物。這類物質進

12、入水體，在好氧微生物的作用下，多分解為簡單無機物質。在此過程中消耗水體中的大量溶解氧。大量的有機物進入水體，勢必導致水體中溶解氧急劇下降，因而影響魚類和其它水生生物的正常生活。嚴重的還會引起水體發臭，魚類大量死亡。2 化學毒物污染隨著現代工農業生產的發展，每年排入水體的有毒物質越來越多。有毒污染物的種類已達數百種之多，大體可分為四類：(1)非金屬無機毒物(CN、F、S等)，(2)重金屬與類金屬無機毒物(Hg、Cd、Cr、Pb、Mn等)，(3)易分解有機毒物(揮發酚、醛、苯等)，(4)難分解有機毒物(DDT、六六六，、多氯聯苯、多環芳烴、芳香胺等)。3 石油污染隨著石油工業的迅速發展，油類對水體

13、特別是海洋的污染越來越嚴重。目前由人類活動排入海洋的石油每年達幾百萬噸以至幾千萬噸。1991年的海灣戰爭造成的石油污染是至今最大的石油污染。進入海洋的石油在水面形成一層油膜，影響氧氣擴散進入水中，因而對海洋生物的生長產生不良影響。石油污染對幼魚和魚卵危害極大，油膜和油塊粘附在幼魚和魚卵上；使魚卵不能成活或使幼魚死亡。石油使魚蝦類產生石油臭味，降低海產品的食用價值。石油污染破壞優美的海濱，風景，降低了作為療養、旅游地的使用價值。4 放射性污染水體中放射性物質主要來源于鈾礦開采、選礦、冶煉、核電站及核試驗以及放射性同位素的應用等。從長遠來看，放射性污染是人類所面臨的重大潛在性威脅之一。5 富營養化

14、污染富營養化污染主要是指水流緩慢、更新期長的地表水體，接納大量氮、磷、有機碳等植物營養素引起的藻類等浮游生物急劇增殖的水體污染。自然界湖泊也存在富營養化現象，由貧營養湖富營養湖沼澤干地，但速率很慢。人為污染所致的富營養化，速率很快。在海洋水面上發生富營養化現象稱為“赤潮”。在陸地水體中發生富營養化現象稱為“水華”。在地下水中發生富營養化現象，稱該地下水為肥水”。一般認為，總磷和無機氮含量分別在20mgm3 和300mgm3以上，就有可能出現水體富營養化過程。不同的研究者對水體富營養化的劃分指標給出不同的值。6 致病性微生物污染致病性微生物包括細菌和病毒。致病性微生物污染大多來自于未經消毒處理的

15、養殖場、肉類加工廠、生物制品廠和醫院排放的污水。back to top6.2 河流水質模型 6.2.1 河流水質模型簡介河流水質數學模型是描述水體中污染物隨時間和空間遷移轉化規律的數學方程(微分的、差分的、代數的等)。水質模型的建立可以為排入河流中污染物的數量與河水水質之間提供定量描述。從而為水質評價、預測及影響分析捉供依據。它是水體環境影響評價與規劃的有力工具。如果從斯特里特菲爾普斯(Streeter-Phelps)，在1925年第一次建立水質模型算起，人們對水質模型的研究已近80個春秋了。在這漫長的年代里，已經提出了許多的水質模型。為了選擇使用的方便，可以把它們按不同的方法進行分類。按時間

16、特性分類，分動態模型和靜態模型。描寫水體中水質組分的濃度隨時間變化的水質模型稱為動態模型。描述水體中水質組分的濃度不隨時間變化的水質模型稱為靜態模型。按水質模型的空間維數分類；分為零維、維、二維、三維水質模型。當把所考察的水體看成是一個完全混合反應器時，即水體中水質組分的濃度是均勻分布的，描述這種情況的水質模型稱為零維的水質模型。描述水質組分的迕移變化在一個方向上是重要的，另外兩個方向上是均勻分布的，這種水質模型稱為一維水質模型。描述水質組分的遷移變化在兩個方向上是重要的，在另外的一個方向上是均勻分布的，這種水質模型稱為二維水質模型。描述水質組分，遷移變化在三個方向進行的水質模型稱為三維水質模

17、型。按描述水質組分的多少分類，分為單一組分和多組分的水質模型。水體中某一組分的遷移轉化與其它組分沒有關系。描述這種組分遷移轉化的水質模型稱為單一組分的水質模型。水體中一組分的遷移轉化與另一組分(或幾個組分)的遷移轉化是相互聯系、相互影響的，描述這種情況的水質模型稱為多組分的水質模型。按水體的類型可分為：河流水質模型、河口水質模型(受潮汐影響)、湖泊水質模型、水庫水質模型和海灣水質模型等。河流、河口水質模型比較成熟，湖泊、海灣水質模型比較復雜，可靠性小。按水質組分分類可分為：耗氧有機物模型(BODDO模型)，無機鹽、懸浮物、放射性物質等的單一組分的水質模型，難降解有機物水質模型，重金屬遷移轉化水

18、質模型。按其它方法分類，可把水質模型分為水質-生態模型；確定性模型和隨機模型；集中參數模型和分布參數模型；線性模型和非線性模型等。水質模型如此眾多，如何選擇、使用水質模型呢？選擇水質模型必須對所研究的水質組分的遷移轉化規律有相當的了解。因為水質組分的遷移(擴散和平流)取決于水體的水文特性和水動力學特性。在流動的河流中，平流遷移往往占主導地位，對某些組分可以忽略擴散項；在受潮汐影響的河口中，擴散項必須考慮而不能忽略；這兩者選擇的模型就不應一樣。為了減少模型的復雜性和減少所需的資料，對河床規整，斷面不變、污染物排入量不變的河流系統，水質模型往往選用靜態的；但這種選擇不能充分評價時變輸入對河流系統的

19、影響。選擇的水質模型必須反映所研究的水質組分，而且應用條件必須和現實條件接近。目前，在水質模型的研究中，比較多地關注了河流中的生化需氧量和溶解氧之間關系的模型，碳和氮的形態的模型，熱污染模型，細菌自凈模型等。因此，這些模型相對比較成熟。對重金屬、復雜的有機毒物的水質模型了解得較少。對營養物的非線性和時變的交互反應了解得更少，而且這些模型比較復雜。在此只介紹一些常見的水質模型。 6.2.2 河流的混合稀釋模型廢水排入水體后，最先發生的過程是混合稀釋。對大多數保守污染物混合稀釋是它們遷移的主要方式之一。對易降解的污染物混合稀釋也是它們遷移的重要方式之一。水體的混合稀釋、擴散能力，與其水體的水文特征

20、密切相關。當廢水進入河流后，便不斷地與河水發生混合交換作用，使保守污染物濃度沿流程逐漸降低，這一過程稱為混合稀釋過程。污水排入河流的入河口稱為污水注入點，污水注入點以下的河段，污染物在斷面上的濃度分布是不均勻的，靠污水注入點一側的岸邊濃度高，遠離排放口對岸的濃度低。隨著河水的流逝，污染物在整個斷面上的分布逐漸均勻。污染物濃度在整個斷面上變為均勻一致的斷面，稱為水質完全混合斷面。把最早出現水質完全混合斷面的位置稱為完全混合點。污水注入點和完全混合點把一條河流分為三部分。污水注入點上游稱為初始段或背景河段，污水注入點到完全混合點之間的河段稱為非均勻混合河段或混合過程段，完全混合點的下游河段稱為均勻

21、混合段。設河水流量為 Q(m3/s)，污染物濃度為C1(mgL)，廢水流量為 q(m3/s)，廢水中污染物濃度為C2 (mgL)，水質完全混合斷面以前，任一非均勻混合斷面上參與和廢水混合的河水流量為Qi (m3/s)，把參與和廢水混合的河水流量 Qi 與該斷面河水流量 Q 的比值定義為混合系數，以a 表示。把參與和廢水混合的河水流量Qi，與廢水流量 q 的比值定義為稀釋比，以 n 表示。數學表達式如下:（6-2）（6-1）在實際工作中，混合過程段的污染物濃度 Ci 及混合段總長度 Ln 按費洛羅夫公式計算。（6-3）（6-4）混合過程段的混合系數a 是河流沿程距離 x 的函數， （6-5）（6

22、-6）這里，水力條件對混合過程影響系數，（6-7）（6-8）式中，x 自排污口到計算斷面的距離，m；河道彎曲系數，= x/x0；x0 自排污口到計算河段的直線距離，m；排放方式系數，岸邊排放=1，河心排放=1.5；H 河流平均水深，m；u 河流平均流速，ms；E 湍流擴散系數；m2s；在水質完全混合斷面以下的任何斷面，處于均勻混合段，a、n、C 均為常數，有a =1；n = Q/q；（6-9）6.2.3 守恒污染物在均勻流場中的擴散模型進入環境的污染物可以分為兩大類：守恒污染物和非守恒污染物。污染物進入環境以后，隨著介質的運動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散而降低其初始濃

23、度，但它不會因此而改變總量發生衰減。這種污染物稱為守恒污染物。如重金屬、很多高分子有機化合物等。污染物進入環境以后，除了隨著環境介質流動而改變位置，并不斷擴散而降低濃度外，還因自身的衰減而加速濃度的下降。這種污染物稱為非守恒污染物。非守恒物質的衰減有兩種方式：一是由其自身運動變化規律決定的，如放射性物質的蛻變；另一種是在環境因素的作用下，由于化學的或生物化學的反應而不斷衰減的，如可生化降解的有機物在水體中微生物作用下的氧化-分解過程。在6.2.2中介紹的費洛羅夫公式解決的雖然也是守恒污染物在混合過程的污染物濃度及混合段總長度。但對于大、中河流一、二級評價，根據工程、環境特點評價工作等級及當地環

24、保要求，有時需要對河寬方向有更細致的認識，而需要采用二維模式。1 均勻流場中的擴散方程按照3.3.2推導的擴散方程，并考慮污染物守恒條件，在均勻流場中的一維擴散方程成為：（6-10）假定污染物排入河流后在水深方向(z方向)上很快均勻混合，x 方向和 y 方向存在濃度梯度時，建立起二維擴散方程基本模型：（6-11）式中，Dx x 坐標方向的彌散系數；ux x方向的流速分量；Dy y 坐標方向的彌散系數；uy y方向的流速分量。2 無限大均勻流場中移流擴散方程的解考察6-11式，對于均勻流場，只考慮 x方向的流速 ux=u，認為 uy 為0；且整個過程是一個穩態的過程，則有（6-12）若在無限大均

25、勻流場中，坐標原點設在污染物排放點，污染物濃度的分布呈高斯分布，則方程式的解為。（6-13）式中 Q 是連續點源的源強 (g/s)，結果 C 的單位為(g/m3= mg/L)。 3 考慮河岸反射時移流擴散方程的解6-13式是無限大均勻流場的解。自然界的河流都有河岸，河岸對污染物的擴散起阻擋及反射作用，增加了河水中污染。多數排污口位于岸邊的一側。對于半無限均勻流場，僅考慮本河岸反射。如果岸邊排放源位于河流縱向坐標 x=0處，岸邊排放連續點的像源與原點源重合，下游任一點的濃度為： （6-14）對于需要考慮本岸與對岸反射的情況，如果河寬為 B，只計河岸一次反射時的二維靜態河流岸邊排放連續點源水質模型

26、的解為（6-15）均勻流場中連續點源水質模型求解的三類排放情況如圖6-1所示圖6-1 均勻流場連續點源的三類排放模式4 完成橫向均勻混合的距離根據橫向濃度分布狀況，若某斷面上河對岸濃度達到同一斷面最大濃度的5，定義為污染物到達對岸。這一距離稱為污染物到達對岸的縱向距離，用鏡像法計算。本岸C(Lb,0) 計算時不計對岸的反射項。污染物到達對岸C(Lb,B)，只需要考慮一次反射。使用6-15式計算濃度，并按定義C(Lb,B)/C(Lb,0)=0.05 解出的縱向距離Lb為：（6-16）雖然理論上講，用鏡像法計算時，如果縱向距離相當大，兩岸反射會多次發生。然而，多數情況下，隨著縱向距離的增加，虛源的

27、作用衰減得十分迅速。正態分布曲線趨于平坦，橫向濃度分布趨于均勻。實際上應用中，若斷面上最大濃度與最小濃度之差不超過5，可以認為污染物已經達到了均勻混合。由排放點至完成橫向均勻混合的斷面的距離稱為完全混合距離。由理論分析和實驗確定的完全混合距離，按污染源在河流中心排放和污染源在河流岸邊排放的不同情況，可將完全混合距離表示為：（6-17）中心排放情況，（6-18）岸邊排放情況，6.2.4 非守恒污染物在均勻河流中的水質模型1.零維水質模型如果將一順直河流劃分成許多相同的單元河段，每個單元河段看成是完全混合反應器。設流入單元河段的入流量和流出單元河段的出流量均為Q，入流的污染物濃度為C0，流入單元河

28、段的污染物完全均勻分布到整個單元河段，其濃度為C。當反應器內的源漏項，僅為反應衰減項，并符合一級反應動力學的衰減規律，為 k1C，根據質量守恒定律，可以寫出完全反應器的平衡方程，即零維水質模型：（6-19）當單元河段中污染物濃度不隨時間變化，即dCdt =0，為靜態時，零維的靜態水質模型為經整理可得：（6-20）式中， k1，污染物衰減系數, x 單元河段長度，u 為平均流速，x/u 是理論停留時間。對于劃分許多零維靜態單元河段的順直河流模型，示意圖如圖6-2，其上游單元的出水是下游單元的入水，第i 個單元河段的水質計算式為：（6-21）圖6-2 由多個零維靜態單元河段組成的順直河流水質模型x

29、xxC0C3C1C5C4C2C3C1C5C4C22.一維水質模型當河流中河段均勻，該河段的斷面積A、平均流速、污染物的輸入量 Q、擴散系數 D 都不隨時間而變化，污染物的增減量僅為反應衰減項且符合一級反應動力學。此時，河流斷面中污染物濃度是不隨時間變化的，即dC/dt=0。一維河流靜態水質模型基本方程(3-32)變化為：這是一個二階線性常微分方程，可用特征多項式解法求解。若將河流中平均流速 ux 寫作u 初始條件為：x=0, C=C0 常微分方程的解為（6-22）如果忽略擴散項，沿程的坐標x=ut,dC/dt=-k1C , 代入初始條件 x=0, C=C0方程的解為（6-23） 。6.2.5

30、Streeter-Phelps（S-P）模型1S-P模型基本方程及其解描述河流水質的第一個模型是由斯特里特(H.Streeter)和菲爾普斯(E.Phelps)在1925年提出的，簡稱S-P模型,S-P模型迄今仍得到廣泛的應用，它也是各種修正和復雜模型的先導和基礎。S-P模型用于描述一維穩態河流中的 BOD- DO 的變化規律。S-P模型的建立基于兩項假設：(1) 只考慮好氧微生物參加的BOD衰減反應，并認為該反應為一級反應。(2) 河流中的耗氧只是BOD衰減反應引起的。BOD的衰減反應速率與河水中溶解氧(DO)的減少速率相同，復氧速率與河水中的虧氧量 D 成正比。S-P模型的基本方程為：（6

31、-24）式中:L河水中的BOD值，mg/L；D河水中的虧氧值，mg/L,是飽和溶解氧濃度Cs （mg/L）與河水中的實際溶解氧濃度C（mg/L）的差值；k1河水中BOD衰減(耗氧)速度常數，1d；k2河水中的復氧速度常數，1d；t河水中的流行時間， d。這兩個方程式是耦合的。當邊界條件時，式(6-25)的解析解為: （6-25）根據 S-P模型的解 6-26制作的Excel 模板如表6-4，在有底紋區域的參數值和初始條件確定后，即已獲得 BOD-DO 隨 x 的變化情況，并繪成圖6-3。在淡水中飽和溶解氧的濃度可根據溫度計算：（6-26）S-P模型解的Excel模板中，根據精度要求選擇 x 的

32、步長，其他算式如表6-5。表6-4 S-P模型解的Excel 模板ABCD1k1(1/d)=0.3T()=192k2(1/d)=0.65Cs(mg/L)=9.23 u (km/d)=1.3D0(mg/L)=2.74X(km)L(mg/L)C(mg/L)50226.560.221.0085.6800570.420.064.98691280.619.1554.40631890.818.2913.92545710117.4663.532831111.216.6783.218129121.415.9262.972104131.615.2082.786475141.814.5222.6538261521

33、3.8672.567523162.213.2412.521634172.412.6442.5108618圖6-3 BOD-DO 耦合的S_P模型 表6-5 S-P 模型解 Excel模板的算式。單元坐標算式D3=468/(31.6+D2)D4=D3-C6B7=$B$6*EXP(-($B$2)*A7/$B$4)B8B60(按需要)從 B7 復制到區域B8: B60，或用鼠標拖動C7=$D$3-($D$4)*EXP(-($B$2*A7/$B$4)-($B$2*$B$6/($B$3-$B$2) *(EXP(-($B$2*A7/$B$4)-EXP(-($B$3*A7/$B$4)C8C60(按需要)從

34、C7 復制到區域C8: C60，或用鼠標拖動2S-P 模型的臨界點和臨界點氧濃度從圖6-3可見，在河流的某一距離x，處，溶解氧具有最小值。此處水質最差，是人們較為關注的。此處的虧氧值(或溶解氧值)及發生的距離，可通過求極值的方法求得，即可由（6-26）式，令dC/dx=0，得到：（6-27）SP模型廣泛地應用于河流水質的模擬預測中，是預測河流中BOD和DO變化規律的較好模型。它也應用于計算河流的允許最大排污量。3S-P 模型的缺陷和修正方法在表6-4所示 S-P模型的Excel 模板中，如將初始條件改變為 C0=4.2(mg/L)，圖6-4 重污染河流 S_P模型的失效AL0=32(mg/L)

35、，獲得 BOD-DO 隨 x 的變化如圖6-4。其溶解氧在不到 2km 處成為負值。這種情況對應于發生水質重度污染的河流渠道。這些河流渠道形狀狹長，它們的沿岸人口居住較密集，污染物排放濃度大，正確評價這類河流的污染狀況有重要的現實意義。為了彌補S-P模型的這個缺陷，Shastry 等人提出了非線性模型：（6-28）該模型雖然不會出現負值解，但求解難度較大，對結果的分析也不夠直觀。事實上，考察S-P模型 6-25 的第 2 式，（6-25）引入自凈系數 fk2/k1，當 dD/dt0 時有 LfD 進一步分析表明：LfD，dD/dt0，河流中的溶解氧呈下降態勢；L=fD，dD/dt=0，河流中的

36、溶解氧保持不變；LfD，dD/dt0，河流中的溶解氧呈上升態勢；對于S_P模型失效的重污染河流可以進行分段討論。（1） 使用原模型根據6-26式解出溶解氧達到 0的點A, 對于x0 河流中的溶解氧開始上升，求得 LB 的數值。由此往后的溶解氧和BOD的變化仍遵循以此點狀態為初始條件的S-P模型。（3） 對于A-B河段，原S-P模型失效，由于A-B河段中必然有LfD，即k2Lk1Cs，BOD的降解速度受到獲氧速度的制約，6-25的第一式成為 這時BOD的降解速度是一個常數。積分并由 x=ut,代入邊界條件，LA、LB求解 AB段長度xAB 有： （6-29）3S-P 模型的修正型SP模型的的兩項

37、假設是不完全符合實際的。為了計算河流水質的某些特殊問題，人們在SP模型的基礎上附加一些新的假設，推導出了一些新的模型。(1)托馬斯(Thomas)模型對一維靜態河流，在SP模型的基礎上為了考慮沉淀、絮凝、沖刷和再懸浮過程對BOD去除的影響，引入了BOD沉浮系數k3，BOD變化速度為k3L。托馬斯采用以下的基本方程組(忽略擴散項)：表6-6 解重污染河段S-P模型的 Excel 模板。ABCDEFG1kd(1/d)=0.3Cs(mg/L)=9.2T()=192ka(1/d)=0.65D0(mg/L)=4.6X(km)L(mg/L)C(mg/L)3U(km/d)=1.3XAB(km)=3.10.0

38、0 42.00 4.60 4X(km)L(mg/L)C(mg/L)0.90 34.15 0.00 50.00 42.00 4.60 3.95 20.04 0.00 60.30 39.19 2.64 4.25 18.70 0.04 70.60 36.57 1.13 4.55 17.45 0.17 80.71 35.63 0.66 4.66 17.00 0.23 90.90 34.12 -0.01 4.85 16.28 0.35 101.20 31.84 -0.84 5.15 15.19 0.58 111.50 29.71 -1.41 5.45 14.18 0.84 121.80 27.72 -1

39、.77 5.75 13.23 1.13 132.10 25.87 -1.95 6.05 12.34 1.44 142.40 24.14 -2.00 6.35 11.52 1.76 152.70 22.52 -1.93 6.65 10.75 2.09 163.00 21.02 -1.77 6.95 10.03 2.42 173.30 19.61 -1.54 7.25 9.36 2.75 183.60 18.30 -1.25 7.55 8.73 3.08 193.90 17.08 -0.93 7.85 8.15 3.39 204.20 15.93 -0.57 8.15 7.60 3.70 21表6

40、-7 S-P 模型解 Excel模板的算式。單元坐標算式E6=$E$5+$D$4F6=D2*B3/B2E7=$E$5+$D$4+A7F7=$F$6*EXP(-($B$2)*A7/$B$4)G7=$D$2-($D$2)*EXP(-($B$3*A7/$B$4)-($B$2*$F$6/($B$3-$B$2)*(EXP(-($B$2*A7/$B$4)-EXP(-($B$3*A7/$B$4)E8E20(按需要)從 E7 復制到區域E8: E20，或用鼠標拖動(按需要)F8F20(按需要)從 F7 復制到區域F8: F20，或用鼠標拖動(按需要)G8G20(按需要)從 G7 復制到區域G8: G20，或用

41、鼠標拖動(按需要)圖6-5 重污染河流DO模型與失效的S_P模型的比較圖6-6 重污染河流 BOD5 模型與失效的S_P模型的比較（6-30）沉浮系數k3 既可以大于零，也可以小于零，對于沖刷、再懸浮過程，k3 0。(2)多賓斯坎普(DobbinsCamp)模型對一維靜態河流，在托馬斯模型的基礎上，多賓斯-坎普提出了兩條新的假設： 考慮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。 考慮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。多賓斯坎普采用以下基本方程組：（6-31）(3)奧康納(OConnon)模型對一維靜態河流，在托馬斯模型的基礎上,

42、 奧康納提假設條件為，總BOD是碳化和硝化BOD兩部分之和，即L=Lc+Ln，則托馬斯修正式可改寫為：（6-32）式中，kn 硝化BOD衰減速度常數， 1/d ；kn 硝化BOD衰減速度常數，1/d ；Lc0, 河流x=0 處，含碳有機物BOD濃度，mg/L。Ln0, 河流x=0 處，含氮有機物BOD濃度，mg/L。6.2.6 河流水質模型中參數估值1.縱向擴散系數 Dx 的估值根據泰勒的理論，擴散系數的表達式可寫為：（6-33）式中 系數，由實驗確定；Dx擴散系數，m2/s；H 斷面平均水深，m；U 摩阻流速(或稱“剪切流速” )，m/s；I 水面比降；g重力加速度，9.81 m/s2；埃爾

43、德(Elder)給出縱向擴散系數經驗式為：（6-34）2. 耗氧系數 k1 的估值方法耗氧系數 k1值隨河水中的生物與水文條件而變化，不但各條河流的 k1 值均不相同即使同一條河流的各河段的k1值也不一樣，因此，需要對各河段的k1值進行估算。確定 k1 值的方法有多種，常用的有下面幾種（1） k1 的實驗室測定法由于河流中有機物的生物化學降解條件與實驗室不同，所以實驗室測定值與河水的實際k1值有很大差別，前者往往小于后者。博斯科(Bosko)曾提出兩者的經驗關系為：（6-35）式中，是與河流坡度有關的系數，狄歐乃(Tierney)和楊格(Young)提出取值為：i(m/km)0.330.661

44、.323.36.60.10.150.250.40.6實驗室測定k1 值的基本方法是對所研究的河段取水樣，進行BOD實驗，用BOD的標準測定方法，在20條件下，做從1d 到10d 時間序列培養樣品，分別測定 1d10d的BOD值，對取得的實驗室數據，可用Excel的回歸分析或趨勢線方法估算k1 值。（2） 野外實測數據估算法由野外實測數據估算 k1 的方法主要有兩點法和考波(Koipo)-菲力普斯(Phillips)法(簡稱Kol法)。表6-8 按實驗室測定1d 到10d 的 BOD估算k1。ABC1歷時t(d)L(mg/L)ln( L )20253.2231223.094218.72.9353

45、15.22.726412.32.517510.62.36868.42.13976.41.861085.21.651194.41.4812103.41.2213圖6-7 實驗分析結果的趨勢線法獲得k1值 Kol法在 k2 值為已知數時從不同4點的溶解氧濃度值求 k1值。兩點法由實測的一河段上、下斷面的各自平均BOD5的濃度值，以及流經上、下斷面的時間，就可以估算出該河段的耗氧系數k1。兩點法雖然誤差較大。但此法操作簡單，仍被廣泛應用，實用時常取多次實驗 k1的平均值。估算公式為：（6-36）式中k1 BOD5的耗氧系數（1/d），t流經上下斷面的時間d，L1、L2上、下斷面污染物或BOD5平均濃

46、度，(mg/L)。上述各種方法求出的k1 值均為20時的值，在河水中所發生的物理、化學和生化過程中，水溫是一個很重要的影響因素，根據經典的阿累尼烏斯公式可以導出：（6-37）式中：k1,t、k 1,20 分別為在t、20時的耗氧系數。3. 復氧系數 k2 的估值方法流動的水體從大氣中吸收氧氣的過程為“復氧過程”，也稱再曝氣過程”。這種空氣中的氧溶解到水體中的現象，是一種氣-液之間的對流擴散過程，也是氣體的傳輸過程。確定 k2 的方法大致可分兩類，一類是實測、一類是估算。前者是在野外現場實測，或在實驗室內模擬測定，后者是根據一些機理模型或經驗、半經驗公式進行估算。在此介紹兩種常用方法。（1） 差

47、分復氧公式（6-38）式中 k1、k2 分別為耗氧系數和復氧系數（1/d），L、D 為上、下斷面BOD均值及虧氧值均值，D是上、下斷面虧氧值之差值，t從上斷面流到下斷面所需時間。（2） 斯特里特菲爾普斯(Streeter-Phelps)公式（6-39）式中：u 河流平均流速，ms；H 最低水位以上的平均水深，m；C謝才系數， ， R 為水力半徑，I為河流比降。n 粗糙系數，取值在 0.575.40之間變化。與k1 的取值情況類似，水溫對于 k2 也是一個很重要的影響因素，并遵循阿累尼烏斯公式。取值時應考慮溫度范圍，一般在1.001.20之間。不同文獻中提出了不同的建議值，在實際工作中一般對k1

48、 多使用1.047，對k2 多使用1.024。（6-40）back to top6.3 湖泊水庫模型與評價6.3.1 湖泊環境概述湖泊是被陸地圍著的大片水域。湖泊是由湖盆、湖水和湖中所含有的一切物質組成的統一體，是一個綜合生態系統。湖泊水域廣闊，貯水量大。它可作為供水水源地，用于生活用水、工業用水、農業灌溉用水。它可作為水產養殖基地，提供大量的魚蝦，以及重要的水生植物和其它貴重的水產品，豐富人民生活，增加國民收入。湖泊總是和河流相連，組成水上交通網，成為交通運輸的重要部門，對湖泊流域內的物質交流，繁榮經濟起到促進作用。它還可作為風景游覽區、避暑勝地、療養基地等。總之，它具有多種用途，湖泊的綜合

49、利用在國民經濟中具有重要地位。我國幅員遼闊，是一個多湖泊的國家，天然湖泊遍布全國各地，星羅棋布。面積在 1km2 以上的湖泊有 2800多個。總面積為 8萬多 km2，約占全國陸地面積的0.8左右。面積大于50km2 的大、中型湖泊有231個，占湖泊總面積的 80左右。湖泊的綜合利用在國民經濟中發揮作用的同時也受到人類的污染。湖泊的污染途徑主要有以下幾種。河流和溝渠與湖泊相通，受污染的河水、渠水流入湖泊，使其受到污染。湖泊四周附近工礦企業的工業污水和城鎮生活污水直接排入湖泊，使其受到污染。湖區周圍農田、果園土地中的化肥、農藥殘留量和其它污染物質可隨農業回水和降雨徑流進入湖泊。大氣中的污染物由湖

50、面降水清洗注入湖泊。此外，湖泊中來往船只的排污及養殖投餌等，亦是湖泊污染物的重要來源之一。如此多的污染源，使得湖泊中的污染物質種類繁多。它既有河水中的污染物、大氣中的污染物，又有土壤中的污染物，幾乎集中了環境中所有的污染物。從湖泊水文水質的一般特征來看，湖泊中的水流速度很低，流入湖泊中的河水在湖泊中停留時間較長，一般可達數月甚至數年。由于水在湖泊中停留時間較長，湖泊一般屬于靜水環境。這使湖泊中的化學和生物學過程保持一個比較穩定的狀態。可用穩態的數學模型描述。由于靜水環境，進入湖泊的營養物質在其中不斷積累，致使湖泊中的水質發生富營養化。進入湖泊的河水多輸入大量顆粒物和溶解物質，顆粒物質沉積在湖泊

51、底部，營養物使水中的藻類大量繁殖，藻類的繁殖使湖泊中其它生物產率越來越高。有機體和藻類的尸體堆積湖底，它和沉積物一起使湖水深度越來越淺，最后變為沼澤。根據湖泊水中營養物質含量的多少，可把湖泊分為富營養型和貧營養型的。貧營養湖泊水中營養物質少，生物有機體的數量少，生物產量低。湖泊水中溶解氧含量高，水質澄清。富營養湖泊，生物產量高，以及它們的尸體要耗氧分解，造成湖水中溶解氧下降，水質變壞。湖泊的邊緣至中心，由于水深不同而產生明顯的水生生物分層，在湖深的鉛直方向上還存在著水溫和水質的分層。隨著一年四季的氣溫變化，湖泊水溫的鉛直分布也呈有規律的變化。夏季的氣溫高，湖泊表層的水溫也高。由于湖泊水流緩慢處

52、于靜水環境，表層的熱量只能由擴散向下傳遞，因而形成了表層水溫高，深層水溫低的鉛直分布。整個湖泊處于穩定狀態。到了秋末冬初，由于氣溫的急劇下降，使湖泊表層水溫亦急劇下降，水的密度增大，當表層水密度比底層水密度大時，會出現表層水下沉，導致上下層水的對流。湖泊的這種現象稱為“翻池”。翻池的結果使水溫飛水質在水深方向上分布均勻。翻池現象在春未夏初也可能發生。水庫和湖泊類似，同樣具有上述特征。6.3.2 湖泊環境質量現狀評價對湖泊環境質量現狀評價主要包括以下幾個方面：水質評價、底質評價、生物評價和綜合評價1 水質評價湖泊(包括水庫)水質評價中，對水質監測有相應要求。監測點的布設應使監測水樣具有代表性，數

53、量又不能過多，以免監測工作量過大。因此，應在下列區域設置采樣點：河流、溝渠入湖的河道口；湖水流出的出湖口、湖泊進水區、出水區、深水區、淺水區、漁業保護區、捕撈區、湖心區、岸邊區、水源取水處、排污處 (如岸邊工廠排污口)。預計污染嚴重的區域采樣點應布置得密些，清潔水域相應地稀些。不同污染程度、不同水域面積的湖泊，其采樣點的數目也不應相同。湖泊分層采樣和湖泊水庫采樣點最小密度要求如表6-9所示。表6-9 湖泊分層采樣和湖泊水庫采樣點最小密度要求湖泊面積(km)2監測點個數湖泊水深（m）分層采樣10 以下105 以下表層(水面下0.30.5m)10-100205-10表層、底層(離湖底1.0m)10

54、0-5003010-20表層、中層、底層500-10004020 以上表層,每隔10m取一層水樣或在水溫躍變處上、下分別采樣。1000以上50湖泊水質監測項目的選擇，主要根據污染源調查情況、湖泊的用處、評價目的而確定。環評導則中提供了按行業編制的特征水質參數表，根據建設項目特點、水域類別及評價等級選定，選擇時可適當刪減。一般情況下，可選擇 pH值、溶解氧、化學耗氧量、生化需氧量、懸浮物、大腸桿菌、氮、磷、揮發酚、氰、汞、鉻、鎘、砷等根據不同情況可增減監測項目。在采樣時間和次數上，可根據評價等級的要求安排。監測應在有代表性的水文氣象和污染排放正常情況下進行。若獲得水質的年平均濃度，必須在一年內進行多次監測，至少應在枯、平、豐水期進行監測。在水質評價標準的選擇上，應根據湖泊的用處和評價目的選用相應的地面水環境質量標準