环境系统分析—水环境规划

第八章水环境规划CONCENTS目录水环境功能区与水污染控制区01水环境容量与污染物允许排放量02系统的组成与分类03最优规划方法04情景分析方法05水资源—水质系统规划06水环境功能区与水污染控制区PARTONE4水环境功能区11定义与特征：水环境功能区是指执行特定环境功能的一段（片）水域。水域功能依据水域环境容量、社会经济发展需要，以及污染物排放总量的控制的要求确定。水环境功能区划就是划分和确定水环境功能区的过程。一个水环境功能区可能执行多项功能，按照高要求来定义功能区的水质目标复杂流域性的水质问题分解成相对简单的功能区划问题和若干功能区的水污染控制问题（提高污染物总量控制的可操作性）水环境功能区概念和区划方法的提出是对水环境保护的贡献511功能区划分原则：生态保护与经济发展协调功能主导、饮用水保护优先上下游利益兼顾、相互协调近、中、远期相结合便于管理、易于操作水环境功能区决策可以选择生态环境、经济和社会三大目标，建立目标体系，进行决策分析，通过流域委员会的协商进行决策。水环境功能区611水环境功能区水环境功能区自然保护区饮用水水源保护区渔业用水区工业用水区农业用水区景观娱乐用水区混合区过渡区《地表水环境功能区划技术导则》中的分类711《水功能区管理办法》中的分类水功能区划分级分类系统开发利用区缓冲区保留区保护区一级区划：协调开发与保护及省区间用水关系过渡区排污控制区饮用水源区渔业用水区二级区划：协调部门及区域间用水关系工业用水区农业用水区景观娱乐用水区生态修复区水环境功能区811水环境功能区水功能区划分的条件指标和水质标准911水环境功能区功能区的水质标准：水环境功能区执行的水质标准1011水环境功能区海域水环境功能区：一类近岸海域环境功能区包括海洋渔业水域、海上自然保护区、珍稀濒危海洋生物保护区等；二类近岸海域环境功能区包括水产养殖区、海水浴场、人体直接接触海水的海上运动或娱乐区、与人类食用直接有关的工业用水区等；三类近岸海域环境功能区包括一般工业用水区、海滨风景旅游区等；四类近岸海域环境功能区包括海洋港口水域、海洋开发作业区等。各类近岸海域环境功能区执行相应类别的海水水质标准.11水质控制区12定义：水质控制区是指对水环境功能区产生污染的污染源所在的区域的总和。一般情况下，水质控制区包括3个方面：①陆地水质控制区；②水体水质控制区；③大气水质控制区。陆地水质控制区：水环境功能区的陆地汇水区。水体水质控制区：水环境功能区的水体部分，其中包含水中污染源和底质污染源。水中污染源：投料网箱养鱼、来自船舶和水生生物排泄物底质污染源：沉积在水体底部的底泥、沉积在底泥中的重金属、有机物及其分解产物大气水质控制区：水环境功能区和相应的陆地污染控制区上方空气中产生污染物干湿沉降导致水质污染的区域。二氧化硫、氮氧化物{点源面源{1212水质控制区水质控制区边界与小流域识别：水质控制区的边界和水环境功能区一致大气控制区=水环境功能区的水面范围+汇水范围陆域水质控制区=陆地汇水区（面源通过径流汇入对应的环境功能区）污染控制区的参数数据库：参数数据库与控制区水文条件有关的数据污染控制区的土壤分类数据污染源数据社会、经济数据土地利用类型数据1312水质控制区水质控制区与行政区：两者的边界完全重合一个水质控制区包含两个或两个以上行政区一个行政区内的水体含有两个或两个以上水质控制区水环境容量与污染物允许排放量PARTTWO15内陆水域水环境容量和允许排放量21影响环境容量与允许排放量的因素环境容量的大小既决定于环境自身的特征，也与污水的特性及排放方式有关。{受体环境自身的特点（环境稀释、迁移、扩散能力）污染物质的特点（扩散特性和降解特性）人们对环境的利用方式（污水深海排放的扩散管、烟气排放的高价烟囱）环境质量目标（环境标准不同，环境容量也不同）16内陆水域水环境容量和允许排放量21河流环境容量与允许排放量（1）河流的环境容量污染物进入环境以后，存在随环境介质的推流迁移、污染物质点的分散及污染物的转化与衰减三种主要的运动形态。存在边界的单元，Q代表环境介质的流量（推流），S代表进入环境污染物总量；C0代表环境介质中某种污染物原始浓度；C代表环境介质中污染物允许浓度（某种环境标准值）。当系统出水满足环境质量目标时，进入环境的污染物总量=该环境单元的环境容量考虑稳态时：如果反应项只考虑污染物衰减，即r=-kC，那么，环境容量S可以表达为：目标容量+降解容量17内陆水域水环境容量和允许排放量21（2）河流允许排放量计算根据污染物排放方式，分别计算污染物的允许排放量。在河流中，可以分为以下三种情形讨论情形1一维环境，集中排放，没有混合区。由于不存在混合容积，所以不存在降解容量。污染物以点源方式进入河流，水质的最不利点就发生在排放口附近。排放口附近的BOD5浓度表示为：q为污水流量；C'为污水中污染物的浓度。当C1为给定的水质标准Cs时，用G表示污染物允许排放量，即如果污水流量相对于河水流量可以忽略，则允许排放量=相同条件下的目标容量18内陆水域水环境容量和允许排放量21情形2一维环境，集中排放，存在混合区。混合区内的水质允许违反既定的水质标准，而在混合区的下边界处应该达到水质标准。混合区的范围定义为排放口下游一段给定距离内的区域。允许排放量=目标允许排放量+降解允许排放量如果忽略污水流量，则允许排放量为：19内陆水域水环境容量和允许排放量21情形3二维环境，集中排放，有混合区。利用二维水质模型求允许排放量（假定岸边排放）。岸边排放的二维水质模型：式中：C0为河流水质本底浓度；C为水质标准；Dy是横向弥散系数；Q是单位时间内污染物排放量，即允许排放量。允许排放量：20内陆水域水环境容量和允许排放量21湖泊水库的环境容量与允许排放量（1）湖库的环境容量点源污染物+非点源污染物污染物来源：河流输入+直接输入+如果考虑一个较长时间内平均值，污染物在湖库中的沉积主要由于降解作用，即dC/dt=0，令r=-kc,湖库环境容量为：目标容量和降解容量21内陆水域水环境容量和允许排放量21（2）湖库允许排放量计算湖库环境容量时采用了箱式模型，其环境容量=允许排放量排放到湖库污染源包括：①上游河流污染物输入量；②湖库直接输入量；③湖库内源输入量；④大气污染物沉降情形1只考虑流域点源的允许排放量情形2只考虑点源和非点源允许排放量情形3同时考虑流域点源、非点源和内源22河口与海域的环境容量22河口、海域环境容量基本类型容量模型：由以上模型可知，环境容量的确定关键是现状污染物浓度的确定。23河口与海域的环境容量22河口环境容量估算应用修正潮量法划分河口为n段，各分段长度划分的依据是一个水质点在一个潮周期内能够漂移的距离。计算各个污染源对各分段贡献的平均浓度，然后进行叠加得到各分段的平均浓度Ci设各分段功能要求的标准浓度Csi，则河口环境容量为;24河口与海域的环境容量22海湾环境容量估算在满足海湾功能要求的水质标准Cs条件下，海湾的环境容量CA就是允许最大的污染物负荷量:式中，αR为海水潮交换率，αR=qex/Q;qex为一个潮周期内交换的水量;Qf为涨潮期间的入流量。设海湾当前污染物的平均浓度为C,若C-Cs0;则海湾的剩余环境容量CAp为:若C-Cs0,则表明已超出海湾允许的纳污能力，需削减的污染物负荷量，其削减量CAE为:25允许排放量的分配23污染物排放总量的分配是在多层面上进行的，从国家到区域，从流域到城市，最终到点源。虽然污染物排放总量控制中存在多种形式的允许排放量的分配，但是原则上主要基于如下两种策略:一是公平性策略:二是效率策略。公平和效率是社会生活的两个基本准则。效率准则的实施，可以促进社会经济的发展，而公平原则则有利于保持社会的稳定和安定，效率和公平缺不可。此外，对于水环境管理来说，可操作性也是一个不可忽略的方面。分配策略的选择需要从实际条件出发，因地制宜。26污染源控制区24污染源控制区是指与水功能区对应的陆地区域,这个区域的污水(包括点源和非点源)通过各种形式的入河口排入水功能区。污染控制区的边界主要取决于地形地貌特征和城市规划，特别是污水收集系统规划。一个污染源控制区的必要信息是:(1)非点源信息（集流面积、地形地貌特征、人口分布、经济发展状况以及降雨与径流特征）(2)排放口的分布状况（点源入河排污口和非点源人河排放口）(3)点源的分布信息（点源的位置企业的性质、主要污染物、污水排放量、污染物浓度等）(4)城市或区域污水排放系统现状及规划信息（污水收集及输运系统的走向、污水处理厂的位置、容量、最终出水的主要污染物类型及其浓度）系统的组成与分类PARTTHREE28系统的组成31污水处理与中水回用接受水体污水收集与输送污染源污染源是污水的发生源，工业污染源和城镇生活污染物是水污染主要来源是指污水转输系统和提升泵站是改善水体的核心部分，包括一级处理、二级处理、氧化塘处理等。处理水可以用于水资源再生利用是污水的最终出路，在处理水质达标前提下可以排入河流、湖泊等水体中水环境规划系统29系统的分类32按规划层次分类流域规划：流域规划主要内容是在流域范围内协调各个主要污染源之间的关系，保证流域范围内各个河段与支流满足水质要求。区域规划：区域规划是在流域规划指导下进行的，其目的是将流域污染物排放总量分配给各个污染源，并为此制定具体方案。设施规划：目的是按照区域规划的结果，提出合理的污水处理设施方案。按规划方法分类最优规划：（1）排放口处理最优规划——寻求最佳污水处理效率（2）均匀处理最优规划——寻求最佳污水处理厂位置与规模（3）区域处理最优规划——将前两者综合情景规划：情景规划首先构建水环境规划的各种可能情境，然后对各个情境进行模拟，以检验情景的可行性，并对其经济效益进行分析。通过损益分析或多目标规划进行情景选优。30系统费用的构成33水环境规划系统的费用包括污水处理费用与污水输送费用，如果以一个地区污水处理厂数目为变量，则污水处理费用和污水输送费用都可以表示为污水处理厂数量的函数。31污水处理与输送的规模经济效应34污水处理的费用函数反映了污水处理的规模、效率的经济特征。目前，污水处理的费用函数还只能作为经验模型来处理。下面是采用较多的一种形式：式中，C表示污水处理费用，Q表示污水处理规模，表示污水处理效率，表示费用函数的参数。在污水处理效率不变时上式可以写成：式中为常数。根据国内外的研究成果，参数k2的值在0.7-0.8之间。由于k2＜1，单位污水的处理费用将随着处理规模的增大而下降。费用与规模的这种关系称为污水处理规模的经济效应，k2称为污水处理规模经济效应指数。污水处理规模经济效应的存在确立了大型污水处理厂的优势地位，是建设区域污水处理厂的经济依据污水输送管道也存在类似的规模经济效应。随着污水输送量的增加，单位污水输送费用将会下降。32污水处理效率的经济效应35如果污水处理规模不变，即Q为常数，污水处理费用函数可以写成：式中，，均为常数。大量研究和统计成果表明，k4＞1。由于k4＞1，处理单位污染物所需费用将会随着污水处理效率的提高而增加。污水处理费用与处理效率之间的这种关系称为污水处理效率的经济效应，k4称为污水处理效率的经济效应指数。由于污水处理效率经济效应的存在，在规划水污染控制系统时，应首先致力于解决那些尚未处理的污水，或者首先提高哪些低水准处理的污水的处理程度，然后再进行更高级的污水处理。33“全部处理或全不处理”的策略36由于污水处理规模经济效应的存在，一个小区的污水不可能被“分裂”成两部分或多部分进行处理。只可能全部就地处理或全部转输到他处进行处理。这就是“全部处理或全不处理”假设一个水污染控制系统被分成n个小区，每个小区设有一个潜在的污水处理厂，各小区之间可以互相转输污水。对第i小区来说，污水处理的费用为：在第i小区没有处理而转输到i+1小区的污水输送费用为：式中，Qi，i+1表示由小区i输往i+1的转输水量，l表示输水管线长度；k5，k6表示转输管线费用函数的系数。对一个包括n个小区的