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环境影响评价师技术方法知识点第八章

发表时间:2018/9/19 10:46:32 来源:互联网 点击关注微信:关注中大网校微信
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第八章

重点掌握:地表水环境影响预测不同模型的适用条件、模型参数的确定。

第一节地表水体中污染物的迁移与转化

知识点一:水体中污染物迁移与转化概述

水体中污染物的迁移与转化包括物理输移过程、化学转化过程和生物降解过程。

1.物理过程

物理过程作用主要指的是污染物在水体中的混合稀释和自然沉淀过程。混合稀释作用只能降低水中污染物的浓度,不能减少其总量。水体的混合稀释作用主要由下面三部分作用所致:

(1)紊动扩散。由水流的紊动特性引起水中污染物自高浓度向低浓度区转移的紊动扩散。

(2)移流。由于水流的推动使污染物的迁移随水流输移。

(3)离散。由于水流方向横断面上流速分布的不均匀(由河岸及河底阻力所致)而引起分散。

2.化学过程

化学过程主要指污染物在水体中发生的理化性质变化等化学反应。氧化一还原反应对水体化学净化起重要作用。天然水体中含有各种各样的胶体,如硅、铝、铁等的氢氧化物,黏土颗粒和腐殖质等,由于有些微粒具有较大的表面积,另有一些物质本身就是凝聚剂,这就是天然水体所具有的·

3.生物过程

生物自净的基本过程:水中微生物(尤其是细菌)在溶解氧充分的情况下,将一部分有机污染物当做食饵消耗掉,将另一部分有机污染物氧化分解成无害的简单无机物。影响生物自净作用的关键是:溶解氧的含量,有机污染物的性质、浓度以及微生物的种类、数量等。生物自净的快慢与有机污染物的数量和性质有关。

污水入海后混合扩散的一个剖面如6-2所示。反映弱混合海域,即潮汐较小,潮流不大,垂直混合较弱海域的扩散状况。

从图6-2中可以看出,排放到海中的污水浮在海洋表层向外扩展,它的稀释是海水通过它的底面逐渐混入到污水中进行的。随着离排污口距离的增加,稀释倍数也逐渐增加。污水层的厚度在排放口附近较深,然后逐渐减小。向外扩展到一定程度,即污水的密度达到一定界限值即形成扩展前沿——锋面,这时污水的稀释倍数达到60 ~100倍。锋面外侧的海水明显向污水层下方潜入,形成清晰的界面,即所谓锋面,这样的界面在污水层的底部也清晰可见。

污水层的厚度通常为1~2m,污水从排出口到达它的前沿需l~2h。根据大量的实测资料,扩散域的面积与排放量之间有如下经验关系:

式中:a——若是淡水的情况,则表示稀释60-100倍时的扩展范围,m2;若是温

排水的情况,则表示形成1~2℃温差的限界面积,m2;

q——排放量,m3/d。

温排水温度比海水高,热水总是会浮到冷水上面,如果浅海中潮流混合比较强烈,温排水入海后不久就和水体垂直混合均匀,如果垂直混合不是很强烈时,则温排水只影响到水的表层,这时需要用复杂的三维模型来描述,根据美国和法国科学家对温排水预测的研究结果,温排水只影响到浅表层2~4m,用修正后二维模型预测温排水的影响分布,同样可得到合理的结果。

溢油在海面上的变化是极其复杂的。其中有物理过程、化学过程和生物过程等,同时与当地海区气象条件、海水运动有着直接的关系。溢油动力学过程一般划分为扩展过程和漂移过程。

扩展过程:对实际溢油事件的观测发现,在溢油的最初数十小时内,扩展过程占支配地位,这种支配地位随时间而逐渐变弱。扩展过程主要受惯性力、重力、黏性力和表面张力控制,扩展过程可分为三个阶段:惯性一重力阶段;重力一黏性阶段;黏性一表面张力阶段。

漂移过程:漂移过程是油膜在外界动力场(如风应力、油水界面切应力等)驱动下的整体运动,其运动速度由三部分组成,即潮流、风海流、风浪余流,前两者不会因油膜存在而发生大的变化。

知识点一:预测方法概述

1.预测方法简介

预测地表水水质变化的方法,大致可以分为三大类:数学模式法、物理模型法和类比分析法。

类型定义优点缺点

数学模式法利用表达水体净化机制的数学方程预测建设项目引起的水体水质变化。该法能给出定量的预测结果比较简便。需一定的计算条件和输入必要的参数,而且污染物在水中的净化机制,很多方面尚难用数学模式表达。

物理模型法依据相似理论,在一定比例缩小的环境模型上进行水质模拟实验,以预测由建设项目引起的水体水质变化。能反映比较复杂的水环境特点,且定量化程度较高,再现性好。要有相应的试验条件和较多的基础数据,且制作模型要耗费大量的人力、物力和时间;污染物在水中的化学、生物净化过程难于在实验中模拟。

1.河流稀释混合模式

(1)点源,河水、污水稀释混合方程。对于点源排放持久性污染物,河水和污水完全混合、反映河流稀释能力的方程为:

式中:c——完全混合的水质浓度,mg/l;

qp——污水排放量,m3/s;

cp——污染物排放浓度,mg/l;

qh——上游来水流量,m3/s;

ch——上游来水污染物浓度,mg/l。

(2)非点源方程。对于沿程有非点源(面源)分布入流的情形,可按下式计算河段污染物的浓度:

式中:ws——沿程河段内(x=0到x=xs)非点源汇入的污染物总负荷量,kg/d;

q——下游x距离处河段流量,m3/s;

qs——沿程河段内(x=0到x= xs)非点源汇入的水量,m3/s:

xs——控制河段总长度,km;

x——沿呈距离(o≤x≤xs),km。

(3)考虑吸附态和溶解态污染指标耦合模型。当需要区分溶解态和吸附态的污染物在河流水体中的指标耦合,应加入分配系数的概念。

分配系数kp的物理意义是在平衡状态下,某种物质在固液两相间的分配比例。

式中:c——溶解态浓度,mg/l;

x——单位质量固体颗粒吸附的污染物质量,mg/mg;

kp——分配系数,l/mg。

对于有毒有害污染物,在已知其在水体中的总浓度的情况下,溶解态的浓度可用下式计算:

式中:c—— 溶解态浓度,mg/l;

ct——总浓度,mg/l;

s——悬浮固体浓度,mg/l;

kp——分配系数,l/mg 。

2.河流的一维稳态水质模式

对于溶解态污染物,当污染物在河流横向方向上达到完全混合后,描述污染物的输移、转化的微分方程为:

式中:a——河流横断面面积;

q——河流流量;

c——水质组分浓度;

dl——综合的纵向离散系数;

sl——直接的点源或非点源强度;

b——上游区域进入的源强;

sk——动力学转化率,正为源,负为汇。

设定条件:稳态,忽略纵向离散作用,一阶动力学反应速率k,河流无侧旁入流,河流横断面面积为常数,上游来流量qu,上游来流水质浓度cu,污水排放流量qe,污染物排放浓度ce,则上述微分方程的解为:

式中:c0——初始浓度,mg/l,计算式为c0=(cu·qu+ce·qe)/(qu+qe);

k——一阶动力学反应速度,1/d;

u——河流流速,m/s;

x——沿河流方向距离,m;

c——位于污染源(排放口)下游x处的水质浓度,mg/l。

1.湖泊、水库水质箱模式

以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程中,往往可以把湖泊看作一个完全混合反应器,其水质基本方程为:

当所考虑的水质组分在反应器内的反应符合一级反应动力学,而且是衰减反应时,则:

上式变为以下形式:

式中:k—— 一级反应速率常数,1/t。当反应器处于稳定状态时,dc/dt=0,式(6-35)

变为下式:

2.湖泊(水库)的富营养化预测模型

湖泊(水库)中早期经典的营养盐负荷预测模型有vollenweider模型和dillon模型等。

(1)vollenweider负荷模型。

vollenweider最早提出磷负荷与水体中藻类生物量存在一定关系,1976年提出营养物质负荷模型:

(2)dillon负荷模型。

dillon和rigler收集了南安大略18个湖的数据,提出适合估算春季对流时期磷的湖内平均浓度的磷负荷模型:

知识点四:河口海湾水环境影响预测方法

在潮汐河口和海湾中,最重要的质量输移机理通常是水平面的输移。因此,在浅水或受风和波浪影响很大的水体,在描述水动力学特性和水质组分的输移时,通常忽略垂向输移,将其看做二维系统来处理。在很多情况下,横向输移也是可以忽略的,此时,可以用一维模型来描述纵向水动力学特性和水质组分的输移。

1.潮汐河流一维水质预测模式

(1)一维的潮汐河流水质方程。

假定在垂向和横向方向上的混合输移是可以忽略的,即水质组分在纵向上的混合输移是最重要的,此时,水质方程简化为一维方程:

相应地,以质量守恒形式表示的方程为:

在潮汐河流中,最常用的是一维的水质方程。甚至在不完全满足一维条件的潮汐河流中,一维模型也用来描述水质组分的纵向分布及比较不同污染负荷的水质状况。

(2)一维潮平均的水质方程。

在潮汐河流中,水质组分浓度c=c(x,t)随潮流运动而变化,当排放的污染负荷稳定时,水质浓度的变化也具有一定的规律。此时,潮平均的浓度值是描述水质状况的一个重要参数。

对方程式(6-39)进行潮周平均:

(3)一维潮平均方程的解析解(o'connor河口衰减模式)。

对于均匀的潮汐河流及水质组分为一级动力学反应的情形,潮平均稳态方程为:

在潮汐河流中,由潮区界向下至河口,纵向离散系数e是逐渐增大的,一般地,o'connor也增大。

知识点一:河流水质模型选择

从理论上考虑,水质模型应该包括在所模拟的河流水体中对水质组分起重要作用的现象和过程;以实用性和经济性考虑,最好是选择使用简便、通用,又能满足所研究的特定水质问题的模型。

在选择模型时,必须考虑以下几个重要的技术问题:

(1)水质模型的空间维数;

(2)水质模型所描述(或所使用)的时间尺度;

(3)污染负荷、源和汇;

(4)模拟预测的河段范围;

(5)流动及混合输移;

(6)水质模型中的变量和动力学结构。

1.水质模型的空间维数

大多数的河流水质预测评价采用一维稳态模型,对于大中型河流中的废水排放,横向浓度梯度(变化)较明显,需要采用二维模型进行预测评价。

在河流水质预测评价中,一般不采用三维模型。

如果污染物进入水域后,在一定范围内经过平流输移、纵向离散和横向混合后达到充分混合,或者根据水质管理的精度要求允许不考虑混合过程而假定在排污口断面瞬时完成均匀混合,即假定水体内在某一断面处或某一区域之外实现均匀混合,则可采用水质模型进行预测评价。

在hj/t2.3-1993中给出了判定河流中达到横向均匀混合的计算公式(6-52)。在混合过程段下游河段(x>l),可以采用一维模型;在混合过程段(x≤l),应采用二维模型。

不考虑混合距离的重金属污染物、部分有毒物质及其他保守物质的下游浓度预测,可采用零维模型。

对于有机物降解性物质,当需要考虑降解时,可采用零维模型分段模型,但计算精度和实用性较差,最好用一维模型求解。

2.水质模型的时间尺度

在水质预测中使用的时间尺度,按逐渐增加水质模型复杂性的顺序列出如下:

(1)稳态;

(2)准稳态;

(3)动态。

在稳态预测中,只预测计算水质浓度的空间分布。当采用在一定时段内平均的污染负荷、河流流量等作为定常条件时,预测得到的水质浓度分布是该时段的真实水质浓度的平均值。

如在建设项目环评中采用预测的污染源强、多年平均枯水期月平均流量进行预测,得到的是相应于多年平均枯水期月平均流量条件下的水质浓度值。

准稳态的预测通常是在稳态的基础上考虑部分随时间变化的因素。

准稳态可以有以下几种状态:

◆定常污染负荷一变化的河流流量;

◆变化的污染负荷一定常河流流量;

◆定常污染负荷一定常河流流量一变化的其他环境参数。

在建设项目环评中常需要考虑的准稳态是“变化的污染负荷一定常河流流量”状况,如在设计河流水文条件、污染物事故排放的水质影响预测。

在动态预测中,河流流量、污染物负荷和温度等均随时间变化,预测计算得到的水质浓度随时间和空间而变化。

在河流水质预测评价中,绝大多数情况下采用稳态或准稳态进行预测。

3.模拟预测的河段范围

在hj/t2.3-1993中按污水排放量和河流规模确定了河段的预测范围。

从技术上考虑,对于预计可能受到明显影响的重要水域应划入预测范围;在预测溶解氧时,预测的范围应包括溶解氧区域。在预测的河段范围内,水文特征突然变化和水质突然变化处的上游、下游、重要水工建筑物附近、水文站附近、例行水质监测断面均是模拟预测的关心点。

4.流动及混合输移

需要考虑较重要的支流和污染源的流量。在某些情况下,还需要考虑地下水排泄和地表水下渗补给对河流流量的影响。除了与水质数据相对应的流量(包括设计流量)外,还需要有相应流量下的河流横断面面积、水深和流速等。

对于单向河流而言,在利用稳态模型进行预测时,纵向离散作用与对流输移作用相比很小,在模型中不考虑纵向离散的影响;但利用准稳态模型进行瞬时源或有限时段源的影响预测时,需要考虑纵向离散系数。

在利用二维稳态模型进行预测时,需要收集河道地形、水力学特征沿河流横断面方向变化的数据,同时需要考虑横向混合系数。

河流水质模型参数的确定方法包括:公式计算和经验估值、室内模拟实验测定、现场实测、水质数学模型率定。

1.单参数测定方法

(1)耗氧系数k1的单独估值方法。

a)实验室测定法。

试验数据的处理建议采用最小二乘法或作图法

b)两点法。

(2)复氧系数k2的单独估值方法——经验公式法。

a)欧康那·道宾斯(o'connor-dobbins,简称欧-道)公式。

b)欧文斯等人( owens,et.al)经验式。

c)丘吉尔( churchill)经验式。

1.水质模型标定与检验的概念

水质模型的标定与检验,实际上是实测的水质数据与模型计算的水质分布的比较。这些“比较”所包括的内容和条件如下:

(1)各实测的水质数据系列与根据其相应条件(例如污染负荷、流量、水温等)计算的水质数据(所有重要的水质组分)的比较;

(2)对于所有的水质数据系列和取得某一数据系列的所有河段,均应使用相同的负荷组分、速率系数和输移系统;

(3)负荷、源、汇、反应速率和输移在时间上和在空间位置上应该是长期不变的;除非系统的变量是与所定义的过程相互联系的,或者是能直接测量的(例如流量、水温等);

(4)要有两个或更多的相似条件下的计算水质浓度和实测水质浓度的比较;

(5)必须在将来的计算中将使用的时间和空间尺度进行比较。

最后一条的含意是稳态、准稳态和动态模型的计算水质必须与相对应的实测水质数据进行比较。例如,动态模型必须相应于动态数据来标定和验证,即,在t=0的数据用于模型的初始条件,在t=tl,t=t2,…,t=tn进行计算值和实测值的比较。


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