第五章水环境规划(必修)

环境规划课程讲义第五章水环境规划第五章水环境规划水环境规划是协调人类社会经济发展与水环境保护之间关系的重要途径和手段。它是在水资源危机纷呈的背景下产生和发展起来的，特别是近20年来，由于人口和经济的快速增长，以致对水量、水质的需求越来越高；但另一方面，水资源日益枯竭、水环境污染日趋严重，使水环境问题的矛质越来越尖锐。水环境规划作为解决这一问题的有效手段，因而受到了普遍的重视，并在实践中得到了广泛的应用。第一节水环境规划的内容和类型一、水环境规划的内容水环境规划是对某一时期内的水环境保护目标和措施所作出的统筹安排和设计。目的是在发展经济的同时保护好水质，合理地开发和利用水资源，充分地发挥水体的多功能用途，在达到水环境目标的基础上，寻求最小（或较小）的经济代价或最大（或较大）的经济和环境效益。水环境规划是区域规划和城市规划的重要组成部分，在规划中必须贯彻经济建设与环境保护协调发展的原则。在水环境规划时，首先应对水环境系统进行综合分析，摸清水量水质的供需情况，合理确定水体功能和水质目标，进而对水的开采、供给、使用、处理和排放等各个环节作出统筹的安排和决策。水环境规划过程简图二、水环境规划的类型及层次根据水环境规划研究的对象，可将其大体分为两大类型：1.水污染控制系统规划*（或称水质控制规划）以实现水体功能要求为目标，是水环境规划的基础。①流域水污染控制规划；②城市（区域）水污染控制规划；③水污染控制设施规划；2.水资源系统规划（或称水资源利用规划）强调水资源的合理开发利用和水环境保护，以满足国民经济和社会发展的需要为宗旨，是水环境规划的落脚点。①流域水资源规划；②地区水资源规划；③专业水资源规划；第二节水环境规划基础一、水环境容量二、水环境功能区划分三、水污染控制单元四、水环境污染控制规划模型第二节水环境规划基础一、水环境容量——定义、影响要素*、基本特征水环境容量是指某水体在特定的环境目标下所能容纳污染物的量。在理论上，水环境容量是环境的自然规律参数与社会效益参数的多变量函数；它反映污染物在水体中的迁移、转化规律，也满足特定功能条件下水环境对污染物的承受能力。在实践上，水环境容量是环境目标管理的基本依据，是水环境规划的主要环境约束条件，也是污染物总量控制的关键参数。水环境容量的大小与水体特征、水质目标和污染物特性有关。还与污染物的排放方式和排放的时空分布有关。资源性、区域性、系统性、客观性、社会性……水环境容量可根据应用机制的不同进行分类一、水环境容量——分类自然水环境容量管理水环境容量按水环境目标分类耗养有机物水环境容量有毒有机物水环境容量重金属水环境容量稀释容量自净容量可更新容量不可更新容量按污染物分类按降解机制分类按可再生性分类按可分配性分类可分配容量不可分配容量1.水域概化。将天然水域（河流、湖泊水库）概化成计算水域。天然河道可概化成顺直河道，复杂的河道地形可进行简化处理，非稳态水流可简化为稳态水流等。水域概化的结果，是能够利用简单的数学模型来描述水质变化规律。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集中的排污口。2.基础资料调查与评价。调查与评价水域水文资料、水域水质资料，收集水域内的排污口资料（废水排放量与污染物浓度）、支流资料（支流水量与污染物浓度）、取水口资料（取水量，取水方式）、污染源资料等（排污量、排污去向与排放方式），进行数据一致性分析，形成数据库。一、水环境容量——计算步骤——《全国水环境容量核定技术指南》2003年3.选择控制点（或边界）。根据水环境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浓度控制标准。对于包含污染混合区的环境问题，则需根据环境管理的要求确定污染混合区的控制边界。4.建立水质模型。根据实际情况选择建立零维、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。5.容量计算分析。应用设计水文条件和上下游水质限制条件进行水质模型计算，利用试算法（根据经验调整污染负荷分布反复试算，直到水域环境功能区达标为止）或建立线性规划模型（建立优化的约束条件方程）等方法确定水域的水环境容量。6.环境容量确定。在上述容量计算分析的基础上，扣除非点源污染影响部分，得出实际环境管理可利用的水环境容量。一、水环境容量——计算步骤水环境容量的设计条件是根据已出现过的各种环境条件和污染条件，如水文、水温、流速、流量、水质、排污浓度和排污量等，考虑各种可预测到的未来变化范围，寻求最不利于控制污染的自然条件，并提出这种自然条件下的环境目标条件及其他约束条件。平均化过程是设计条件的主要过程，即在稳态条件下平均化，或在概率分布条件下平均化。由此构成了两类设计条件：随机（或概率分布）设计条件和稳态（或定常）设计条件。设计条件的内容主要包括自然条件、排污条件、目标条件和约束条件等。时期、时段和保证率是建立这些条件必不可少的三要素。具体内容包括：设计自然条件；设计排污条件；设计目标条件；设计约束条件。一、水环境容量——设计条件二、水环境功能区划分——原则1.集中式饮用水源地优先保护2.不得降低现状使用功能3.统筹考虑专业用水标准要求4.上下游、区域间互相兼顾，适当考虑潜在功能要求5.合理利用水体自净能力和环境容量6.与陆上工业合理布局相结合7.对地下饮用水源地污染的影响8.实用可行，便于管理2.划分步骤水环境功能区划分可分为4个阶段：技术准备、定性判断、定量决策、综合评价。二、水环境功能区划分——方法与步骤1.系统分析水环境保护功能区划分的目的，就是提出明确的水质保护目标并最终加以实现。确定该水质目标的过程是一个系统分析过程。确定环境保护目标的系统分析过程图三、水污染控制单元水污染控制单元是由源和水域两部分组成的可操纵实体。水域是根据水体不同的使用功能并结合行政区划而定，源则是排入相应受纳水域的所有污染源的集合。水污染控制单元作为可操作实体，既可体现输入响应关系时间、空间与污染物类型的基本特征，又可以在单元内与单元间建立量化的输入响应模型，反映出源与目标间、区域与区域间的相互作用；优化决策方案可以在控制单元内得以实施；复杂的系统问题可以分解为单元问题来处理，以使整个系统的问题得到最终解决。举例四、水环境污染控制规划模型在水污染控制系统规划中，规划方法的选择是决定规划成败的关键，也是规划的核心内容。根据解决水污染问题的途径，可将水污染控制系统规划分为两大类：1.系统的最优化问题2.规划方案的模拟选优问题1.最优化问题所谓水污染控制系统的最优化问题，就是利用数学规划方法，科学地组织污染物的排放或协调各个治理环节，以便用最小的费用达到所规定的水质目标。对于这类问题可分为三种：四、水环境污染控制规划模型排污口最优化处理(水质规划问题)最优化均匀处理（厂群规划问题）区域最优化处理2.模拟选优问题规划方案的模拟选优与最优规划方法不同，其是先进行污水输送与处理设施规划研究，提出各种可供选择比较的规划方案，这时，可先不考虑污水输送和处理系统与水体之间的关系，然后对各种方案中的污水排放与水体之间的关系进行水质模拟计算，检验规划方案的可行性，最后从可行方案中找出比较好的方案。该方法将定性分析与定量计算结合在一起，先定性确定模拟的范围再进行定量的模拟计算，最后选优确定最佳实用方案。四、水环境污染控制规划模型第三节水环境规划的技术措施水环境污染整治的途径大致有两种：1.减少污染物排放负荷包括清洁生产工艺、污染物排放浓度控制和总量控制（容量总量控制、目标总量控制、行业总量控制）、污水处理等。2.提高或充分利用水体的自净能力包括河流流量调控、河内人工复氧和污水调节等。水环境规划方案制定后，为了检验和比较各个方案的可行性与可操作性，可通过费用一效益分析、可行性分析以及水环境承载力分析，对规划方案进行综合评价，从而为最佳规划方案的选择与决策提供科学依据。第四节规划方案的综合评价牛栏江小流域水环境规划流域概况：牛栏江小流域位于云南省寻甸县东南部，其干流牛栏江是寻甸县内最重要的河流，也是长江上游金沙江的一级支流。流域所在的寻甸县地处昆明市北部，横跨金沙江、南盘江两流域之间。牛栏江小流域流经了包括寻甸县城仁德镇在内的7个乡镇，流域面积1133km2。沿牛栏江两岸的寻甸坝子土地肥沃，是寻甸县粮烟的主产区之一，也是寻甸县政治、经济、文化和交通中心。2003年牛栏江流域内人口共217409人，国民生产总值7×108元，是寻甸县经济文化最为发达的区域。实例小流域水环境规划框架牛栏江小流域内集中了寻甸县主要的工业企业，是工业污水的纳污水体。由于城市污水处理设施建设的严重滞后和管网设施的不配套，城镇生活污水大量排入水体，加上严重的水土流失以及畜禽养殖等农业面源污染，牛栏江小流域水环境质量受到严重威胁。根据污染负荷分析，2003年小流域内CODCr和NH3-N的入河总量分别为2300t/a和131t/a。牛栏江的水质近年来基本保持在Ⅲ类，枯水期降为Ⅳ类。在现状调查的基础上预测污染负荷，由于社会经济的快速发展，污染负荷呈大幅增加之势，到2010年，CODCr和NH3-N的入河总量分别上升为2967.2t/a和196.6t/a，对应的水质降为Ⅳ~Ⅴ类，无法满足水环境功能区划的要求。水环境现状分析及发展趋势预测牛栏江小流域及其水污染控制单元划分水污染控制单元划分根据牛栏江小流域系统特征，在污染负荷分析的基础上，将牛栏江划分为3个水污染控制单元。控制单元I（工业污染重点控制区）：牛栏江上游流入该单元的天然径流较小，且该段河床的渗透性较强，根据城市功能分区，寻甸县的工业绝大部分都分布在该单元的集水区内，该单元特征为天然水量小、河床渗透强、未来污染强度大。控制单元II（生活点源污染重点控制区）：该单元流经县城任德镇，城镇人口较多，县城的工业和生活污水主要汇入该单元内，从而大大增加了牛栏江的污染负荷。控制单元III（水质恢复区）：单元内产业结构以农业为主，基本无工业，可考虑作为牛栏江的自净河段，充分利用河段水体自净作用，以便减轻牛栏江出水水质对下游带来的不利影响。为便于水环境容量的计算，将排污口的位置概化为各控制单元起点控制断面处，则各河段水环境容量值就等于各控制单元起点控制断面处的最大允许排放量，根据对水文和污染排放特征的分析，假定在排污口断面完成均匀混合，可按一维问题简化计算条件，选取的水环境容量模型如下：水环境容量研究W——河段环境容量，g/s;Cp——上游来水设计水质浓度，mg/L;Qp——上游来水设计水量，m3/s；Qw——污水流量，m3/s；K——衰减系数，d-1；Cs——控制河段水质标准，mg/L；U——河流平均流速，m/s，取实测值0.05m/s；x——稀释混合区的长度，m；由于流量较小，稀释混合区取5000m。总量控制方案水环境规划方案工业点源污染主要分布在控制单元Ⅰ和Ⅱ内，城镇生活点源主要集中在控制单元Ⅱ内，水土流失及农村和农业面源污染在3个单元内均有分布。控制单元污染特点及其景观格局决定了污染控制方案的实施级别。首先根据国内外在流域水污染防治中采用的技术，结合区域内具体情况进行初步筛选，得到备选技术方案。a.Ⅰ级：水土流失防治。多采用顺水坝、拦砂坝、谷坊和潜坝等工程措施，结合退耕还林、封山育林和低效林改造等森林生态恢复措施。b.Ⅱ级：点源和面源污染控制。点源污染控制措施有工业清洁生产，污水管网系统的完善，建设污水处理厂和人工湿地，城镇固体废物收集与处置等；面源污染控制措施有平衡施肥、保护性耕作、等高耕作、条状种植、植物覆盖、保护性作物轮作、营养物管理、有害物质综合管理、生态农业、植草水道、人工湿地、多水塘系统、农村固体废物处置以及畜禽养殖业废物综合利用和资源化等。c.Ⅲ级：河道生态修复与污染控制。生态堤岸、缓冲带、前置库等。d.Ⅳ级：河道内源疏浚。河道清淤、人工增氧和水生植被恢复等。从措施投资、维护成本、削减能力和环境效益等方面对其进行比较分析，得到适宜的项目清单。根据方案对CODCr和NH3-N削减贡献率，综合考虑资金筹措等方面的原因，按照先急后