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1、1,流域（valley; riverbasin; drainagebasin）狭义上是指河流的干流和支流所流过的整个区域；广义上指一个水系的干流和支流所流过的整个地区。 另一种说法是，流域是以分水岭为界限的一个由河流、湖泊或海洋等水系所覆盖的区域，以及由该水系构成的集水区。或者说，地面上以分水岭为界之区域称为流域。,2,沱江特大污染事故：2004年3月，地处成都市的川化集团违法排污（高浓度氨氮），造成沱江特大污染事故，导致沿江百万群众饮水被迫中断，直接经济损失在3亿元左右。松花江水环境污染：2005年11月13日，中石油吉林石化公司双苯厂发生爆炸事故，大量苯类污染物进入松花江水体，引发重大水环
2、境污染事件。广东北江水污染：2005年12月，因韶关冶炼厂设备检修期间超标排放含镉废水，导致北江韶关段镉严重超标，严重威胁下游饮用水源安全。无锡太湖蓝藻暴发：2007年5月，太湖中蓝藻暴发导致水质恶化，自来水出现异味，居民饮水受到严重影响。,中国近年来的重大水污染事件,3,地表水域环境功能区：源头水、国家自然保护区、生活饮用水水源地保护区、鱼类保护区、一般工业用水区、农业用水区、一般景观水域。,注明：地表水环境质量标准 GB3838-2002,4,“三湖” 湖体水质均为劣类。主要污染指标为总氮、总磷。太湖、巢湖处于轻度富营养状态，滇池处于重度富营养状态。,“三湖”水质变化趋势,以、类水质为主；
3、 20042008年，库区蓄水后水质未发生明显变化。,三峡库区水,污染普遍。主要污染指标：BOD、氨氮和高锰酸盐指数。,监测断面：13个类：23.1% 类：53.9% 劣类：23.0%,5,流域水污染控制思考,各主要流域规划实施中遇到难以协调的水污染焦点问题是常规规划、执法、管理体系难以协调的跨行政区域、跨部门、跨流域问题，必须要有强有力的高层次协调机构。,6,实现流域可持续发展的生态环境保护措施。流域发展模式是二十一世纪中国可持续发展的重点所在，各流域在防治污染的同时，必须解决好发展经济与生态保护环境的关系。,7,我国主要耗水指标与发达国家比较,8,我国的城市污水治理比发达国家晚了3040年
4、，在管网建设方面甚至晚了100多年。,污水处理设施建成以后，正常运行的只有50%；有的污水处理厂污水处理率不足20%。,目前我国仍有80%的县城没有污水处理厂。,9,实施污染物排放总量控制是保护和恢复我国流域水环境质量的根本措施之一。全国水环境管理实行容量总量控制，还需要在总量控制理论与技术方法方面进行规范和完善，确保污染物总量控制制度在流域水环境管理中的科学实施。,10,提出水体功能区划和水质控制指标,确定水质超标河段和主要污染物,确定各河段主要污染物的环境容量,确定各排污口的允许排污量,预测污染治理费用，提出最佳规划方案,一、内容,第一节 流域水环境规划的内容和工作程序,11,第一，综合分
5、析，找出主要问题。,所需资料,水文与水质现状数据，以及用水现状,污染源清单,地图,水污染控制方法及其技术经济和环境效益资料,二、工作程序,12,第二，确定规划目标,水量、水质两方面下手。,数学规划法、模拟比较法。,第三，选定规划方法,清洁生产工艺，增加污水处理设施,第四，拟定规划措施,13,第五，提出供选方案第六，规划实施,通过费用效益分析、方案可行性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。,体现了规划自身的价值与作用。,14,水体功能区:是指水体使用功能所占有的范围。,水环境功能区划：是根据水体不同区段的自然条件、区域内的用水需求，按照国家和地方的有关法规和标
6、准，对水体不同区段按其功能加以划分，并确定其相应的环境质量目标。,第二节 水环境功能区划的基本原则和方法,15,地表水环境质量标准（GB3838-2002）,16,地表水环境质量标准基本项目标准限值 单位：mg/L,17,集中式饮用水源地优先保护； 优质水优用及低质水低用； 上下游、区域间互相兼顾； 合理利用水体自净能力和环境容量； 与工业合理布局相结合； 实用可行，便于管理等。,一、水环境功能分区原则,18,二、水环境功能区划分的方法与步骤,图 水环境功能区划系统分析过程,19,第三节 水环境容量与水环境保护目标,（一）定义,一、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。,
7、20,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，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。,21,水环境容量的影响因素,水体的形状、大小、流量、流速、水温、pH值、污染物的本底值等,我国地面水水质标准按用途分为5类，每类水体允许的水质标准决定着水环境容量的大小,危害性：危害越大，容量越小；净化特征：污染物在水体中的迁移转化；排放方式：集中分散、连续间断、江边江心,22,自然水环境容量,管理水环境容量,按水环境目标分类,耗氧
8、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,按污染物性质分类,按降解机理分类,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,（二）水环境容量分类,23,(1)自然水环境容量 以污染物在水体中的基准值为水质目标，反映水体以不造成对水生生物和人体健康不良影响为前提的污染物容纳能力，不受人为社会因素的影响，具有客观性。其模型为：,1.按水环境目标分类,24,(2)管理(或规划)环境容量以污染物在水体中的标准值为水质目标，水体的允许纳污量称为管理环境容量；以水污染损害费用与治理费用之和最小为约束条件所规划的允许向水体中的排污量，称
9、为规划环境容量。其模型：,25,（1）稀释容量 是指在给定水域的本底污染物浓度低于水质目标时，依靠稀释作用达到水质目标所能承纳污染物量。它是污染物进入水体后由稀释扩散作用引起的，它与水的体积、净污比有关。（2）自净容量 是指由于沉降、吸附、降解等物理、化学、生物作用，给定水域达到水质目标所能自净的污染物量。反映水体对污染物的自净能力，又称同化容量。,2.按降解机理分类,26,耗氧有机物的水环境容量,有毒有机物的水环境容量,重金属的水环境容量,3.按污染物性质分类,27,（1）耗氧有机物的水环境容量 耗氧有机物能被水中生物氧化分解为简单的无机物，有较大的水环境容量。该容量即是通常所说的水环境容量
10、。（2）有毒有机物的水环境容量 有毒有机物是指人工合成的毒性大、难降解有机物。这类有机物同化容量很小，一般只考虑水体稀释作用。应消除在污染源，而不是开发水体的环境容量。（3）重金属的水环境容量 重金属是保守性污染物，只发生赋存状态和空间位置的变化，只能被水稀释而不能被分解，没有同化容量，应该严格控制在污染源。,二、水环境保护目标:水环境质量目标、水总量控制目标,28,水环境污染防治的途径主要有两种：一是减少污染物的排放，二是提高或充分利用水体的自净能力。,第四节 流域水污染控制规划,减少污染物排放负荷源头控制，采取清洁生产工艺污染物排放浓度控制和总量控制污水处理提高或充分利用水体的自净能力河流
11、流量调控河内人工复氧污水调节,29,1.清洁生产工艺 定义为对生产过程和产品实施综合防治战略，以减少对人类和环境的风险。,（一）减少污染物排放负荷,一、水污染控制的技术措施,30,对人为污染源排入环境的污染物浓度所作的限量规定，以达到控制污染源排放量之目的。,2、浓度控制,环保效果不好，为什么？,31,依据某一区域的环境容量确定该区域污染物容许排放总量，再按照一定原则分配给区域内的各个污染源，同时制定出一系列政策和措施，以保证区域内污染物排放总量不超过容许排放总量。,32,补充：总量控制负荷优化分配,-将环境容量（允许排污量）不均等分配给各污染源。,33,非数学优化分配,(1)等比例分配-以现
12、状排污量为基础按相同削减比例分配允许排污量。,34,非数学优化分配,(2)排污标准加权分配 -考虑各行业排污情况的差异，以“污水综合排放标准”所列的各行业污水排放标准为依据，按不同的权重分配各行业的容许排放量，同行业按等比例分配。,如：污水综合排放标准二级标准中的BOD标准，制糖业：100mg/l;皮革业：150mg/l.,35,(3)行政协商分配 -已知目标削减量，根据环保管理人员了解的情况，和排污单位反复协商，由行政决策分配排污指标。,非数学优化分配,36,数学优化分配,已知目标削减量，通过各污染源削减方案的投资效益分析，按投资最小，污染物削减量最大的原则进行排污总量的数学优化分配。,37
13、,4.污水处理,数学优化分配目标函数:,38,（二）提高或充分利用水体纳污容量,1.人工复氧 借助于安装增氧器来提高河水中的溶解氧浓度。 如：苏州河综合整治，嚗气复氧，且成景观。,2、污水调节 在河流水量低的时期，用蓄污池把污水暂时蓄存起来，待河流水量高时释放，可以更合理地利用河流的自净能力来提高河流的水质。,3、河流流量调控 提高河流的枯水流量成为水质控制的一个重要措施。实行流量调控可利用现有的水利设施，也可新建水利工程。,39,是指源与水域组成的可操作实体。水域按不同使用功能划分，源为排入相应受纳水域的所有污染源的集合。,二、水污染控制单元,40,每个单元有单独进行评价、实施不同控制路线的
14、可能；,在每个控制单元内，污染物排放清单应齐全，水域水质控制断面应有常规监测资料；,针对不同的污染物、不同的保护目标，同一地区可以有多种控制单元划分方案，以适应解决不同环境问题的需要，即对于不同的控制目标，能够有不同的控制单元与之对应；,各控制单元之间的相互影响，应能通过污染物的输入、输出来定量表达，做到水量平衡、物质量平衡。,划分原则：,41,目标：达到水质控制目标约束条件经济合理控制费用尽量小目标函数包括两大类：最优化控制模型规划方案的模拟选优模型,三、水污染控制系统规划数学模型,42,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。可分为
15、三种：排污口最优化处理最优化均匀处理区域最优化处理,（一）最优化问题,43,排污口最优化,44,1.排污口最优化问题以各小区的污水处理厂为基础，在水质条件的约束下，寻求满足水体水质要求的各污水处理厂最佳处理效率的组合。一般以处理费用最省表示。 其数学模型为：,污水处理的总费用,第i个污水处理厂处理效率的下限(管理要求)和上限(技术限制),45,2.最优化均匀处理污水处理厂位置和处理量的最优化。是在污水处理效率固定的条件下，寻求区域的污水处理和管道输水的总费用最低时，污水处理厂的最佳位置和容量的组合。该问题也被称为厂群规划问题。以处理总费用最省表示。,46,Ci(Qi)-第i污水处理厂的处理费用
16、，是处理量的函数；Cij(Qij)-节点i输水到节点j的费用，是输水量的函数；Z-总费用。,目标函数：,47,qi-第i个污水处理厂收集的本小区的污水量；Qji-j小区输送到i污水处理厂的污水量Qij-i小区输送到j污水处理厂的污水量Qi-第i污水处理厂处理量。Qi,qi 0Qji,Qij 0,约束条件：,48,3.区域最优化处理为了使系统的总费用最低，综合考虑水体自净、污水处理和管道输水的三种因素，要求污水处理厂有最佳处理效率、最佳位置和处理量，还要合理利用水体的自净能力。前两项最优化的综合。,49,区域最优化处理规划模型,式中：Ci（Qi，i）第i个小区的污水处理厂的污水处理费用。这时，它
17、既是污水处理规模（Qi）的函数，又是污水处理效率（i）的函数。,50,最优规划问题的共同特点是根据污染源、水体、污水处理厂和输水管线提供的信息，一次求出水污染控制系统的最佳方案。 但在许多情况下，由于进行最优化的条件不尽具备，致使问题不易被纳入最优化的目标与约束之中，从而限制了最优规划方法的运用。,51,由于客观条件限制，最优化条件不一定具备，得不出一个最佳方案，需要对几个备选方案模拟选优。首先，根据经验制定出多个规划方案；然后，对各方案进行模拟计算，检验方案的可行性；最后，从可行方案中找出比较好的方案确定为实施方案。该实施方案不一定是最好的，取决于规划人员的经验和能力-应多做些方案以供选择。
18、,（二）模拟选优问题,52,河段上三个污染源向河水中排放污染物苯，上游河水苯的浓度为0.2mg/L，已知苯在河水中降解速度常数k=0.03km-1, =0e-kL；污水中处理苯的费用每1000m3为50 x元（x为去除率）。要使得整个河段苯的浓度不超标（1mg/L），并且最省钱。请列出线性规划模型的标准型（写出建模计算过程）。,练习题,53,54,目标函数,假设污染源（1）（2）（3）的污染物去除率分别为x1、x2、x3； 污染源（1）（2）（3）的污染物去除费用分别是：,Z1=50 x1（100000/1000）Z2= 50 x2（50000/1000）Z3=50 x3（200000/100
19、0）,污染治理总费用 ：Z=5000 x1+2500 x2+10000 x3目标函数：minZ=5000 x1+2500 x2+10000 x3,55,约束条件,假设各污染源污染物排入河中混合后的浓度分别为B1、B2、B3，则：B1 1mg/LB2 1mg/LB3 1mg/L,56,约束条件（1）,B1=10000010（1-x1）+5000000.2/(500000+100000) =(11-10 x1)/61解得：x10.5,57,约束条件（2）,浓度为B1的河水经降解到达污染源（2）所在断面时浓度：2=B1e-KL=(11-10 x1)/6e-0.03*10=1.36-1.23x1B2=
20、6000002 + 5000020（1-x2）/(600000+50000) =2.79-1.14x1-1.54x21解得：1.14x1+1.54x21.79,58,约束条件（3）,浓度为B2的河水经降解到达污染源（3）所在断面时浓度：3=B2e-KL=1.79-0.73x1-0.98x2B3=6500003 + 2000008（1-x3）/(650000+200000) =3.24-0.55x1-0.74x2-1.88x31解得：0.55x1+0.74x2+1.88x32.24,59,其他约束条件,0 x110 x210 x31,60,规划模型标准式,目标函数： minZ=5000 x1+2
21、500 x2+10000 x3约束条件： 1.14x1+1.54x21.79 0.55x1+0.74x2+1.88x32.24 0.5x11 0 x21 0 x31,61,评价方案一般从水环境质量目标的可达性、污水处理投资的可行性两个方面进行。1.水环境目标的可达性 水环境质量目标的可达性，可利用已建立的水质模型，对各个方案实施可能对水质产生的影响进行模拟，来检验规划方案是否能达到预定的水环境质量目标。,四、规划方案的综合评价,62,2.污水处理投资的可行性按环保投资占国民生产总值比例、占工业基础建设投资比例来估算投资能否得到落实。国际经验表明，当污染治理投入占国民生产总值的比例达到11.5时
22、，才能基本控制环境污染；提高到23时，才能改善环境质量。目前我国这一比例在1.6左右。应考虑社会投资。,63,邕江是过境河流郁江在南宁市的一段，穿越南宁市城区中心，为南宁市最大河流。邕江河段全长134km，流域面积6120km2，年均流量1292m3/s。水量充沛，具有较强的自净能力。是南宁市城市及工农业的主要水源，也是通向区内外的航运干线。,邕江水环境综合整治规划,第五节 流域水环境规划案例,64,一、明确问题 二、确定规划目标与水域功能区划分 三、确定规划方法 四、拟订规划措施 五、计算水环境容量与提出供选方案 六、规划方案实施,规划内容,65,邕江水域具有集中式生活饮用水水源、工业用水、
23、农业灌溉、航运、渔业、娱乐和纳污等功能。随着南宁市经济发展加快，工农业用水和生活用水也不断增加。 除市区固定用水人口80万外，还有一定数量的流动人口。因此集中式生活饮用水水源成为邕江南宁段的首要功能。 随着城市经济的发展，污水量会越来越多，纳污也成为邕江的重要功能。如何协调不同层次的用水需求，是规划面临的主要任务。,一、明确问题,66,总体目标：保证邕江的多种水体功能的达到。 首先需要进行水体功能的划分。根据水域功能区划的依据、原则、方法与步骤，以及邕江水质现状、社会经济发展对水资源的要求，将邕江水域的功能划分为五大类：心圩江以上流域为类，心圩江至二坑为-类，大坑至青秀山风景区为类，青秀山至莲
24、花为-类，莲花至六景为类，邕江各支流、心圩江、竹排冲为-类，大坑、二坑、水塘江为-V类，良风江为类，八尺江-类。具体目标：控制各河段水质达到相应的水质标准。,二、确定规划目标与水域功能区划分,67,规划中常用的混合区标准有两类，一类是面积控制标准，另一类是距离控制标准，后者应用较广泛。距离控制标准允许排污口下游若干距离内水质超标，允许距离的长短，视河段的功能和所处位置的重要性而定。邕江混合区的划分采用距离控制标准。以竹排冲河段为例，由于数十公里范围内无集中供水水源吸水口，排污口下游2000m处的岸边污染物最大浓度达到功能区水质标准即可满足要求。,三、确定规划方法,1. 混合区划分,68,南宁市
25、污水是通过几条排污沟流入邕江的，因此，控制排污沟与邕江入口处的排放量是水污染控制的关键。根据南宁市水系分布特点，确定可能纳污点为马巢河口、可利江口等（共10个）。根据邕江的污染特点，确定代表性水质指标为COD和BOD。,2. 水质模型与水质指标的确定,69,目前，南宁市有陈村、河南、中尧、西郊、凌铁五座饮用水厂，取水点均来自邕江，其中，凌铁水厂处在水质较差的支流大坑入口下游、亭子冲入口对面，受污染威胁较大，水质较差。拟对排入大坑支流的污水采取截流措施，将污水引至下游，经处理后排入邕江；亭子冲入口污染带的成因，是南宁电厂的锅炉冲灰水、南宁制糖厂和造纸厂的工业污水，拟采取工程措施，要求其削减排污量
26、。为满足水体其它功能要求，拟通过各河段的水环境容量的计算，确定相应污染源的污染物削减量。,四、拟订规划措施,70,江段水文条件是决定河道稀释自净能力的主要因素。根据国家标准规定，采用保证率为90%的最小月平均流量作为计算条件，同时选用保证率为50%的年均流量作为比较研究的计算条件。邕江南宁站90%保证率最小月平均流量为170m3/s，50%保证率年均流量为1330m3/s。,五、计算水环境容量与提出供选方案,1.水文条件设计,71,2.允许排放量的计算,表5-1 竹排冲口的允许排放量 单位：g/s,72,全市绝大部分工业和生活废水主要通过六条排污沟流入邕江。因此，控制六条排污沟的污染物总量，就能基本控制邕江水体的总纳污量。水污染控制单元的划分以各条排污沟为单位。,3.提出允许排污量分配方案,表5-2 竹排冲控制单元用户允许排污量与削减量 公斤/日,73,根据规划提出的各污染源的污染物削减量，限定时间，要求工厂采取必要的工程措施，减少污染物排放，同时采取经济措施，通过征收排污费，推动污染治理。,六、规划方案实施,
