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2019年饮用水源地允许限制负荷估算要点课件.ppt_图文


饮用水源地允许(限制)负荷估算要点
富国
中国环境科学研究院 2007.4
1 2019/4/24

饮用水源地允许纳污量分析方法
饮用水源地污染限制负荷计算方法设计要点
-水质目标选择 -设计水文条件选择 -计算模型选择 -容量规划方法选择

2019/4/24

2

饮用水源地允许纳污量分析方法

技术路线图
分析环境问题,确认容量分析 的控制因子,研究区域



分析水文变化规律,

点、面源调查

确定水质目标(功



确定设计水文条件

及分析,确定

能区区划及指标)



排污口座标





流场数值模拟

浓度场模拟,建立源 -浓度响应关系



建 立 浓度 约 束



矩 阵 及分 析 源



点的下限约束



确定总 量分 配原则

确定优化目标

线性或非线性规划,得到允许 排放量优化分配方案

协调反馈,各地提出的调整建议

容量管理系统:

各点入湖库(河流)负荷分配方案(决策方案)

GIS 平台,污染源及

水质数据库,容量规

2019/4/24

划 模 型 及决 策 支 持

各点以上排污总量及上游地区入境总量分配方案及消减

3

系统…

计划

饮用水源地允许纳污量分析方法

水质目标选择

? 功能区
– 虚置功能-对功能区设
置、调整、边界纠纷具有 指导意义
? 混合区
– 急性混合区 – 慢性混合区 – 超标混合区

? 水体类型
– 河流 – 湖库
? 分层 ? 不分层
– 河口
? 完全混合 ? 部分混合 ? 分层

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水质目标 4

饮用水源地允许纳污量分析方法
水质目标选择

浓度 C (mg/L)
浓度 C (mg/L)

8

6

4

2

功能区目标

0

分配目标

0

20

40

60

80

距离 X(km)

(a)

7 6

5

4

3

2

1

功能区目标

0

分配目标

0

20

40

60

80

距离 X(km)

(b)

2019/4/24

河流保守物质功能区实置功能示意图
水质目标 5

饮用水源地允许纳污量分析方法
水质目标选择

浓度 C (mg/L) 浓度 C (mg/L)

7

6 5

4

3

2

功能区目标

1

分配目标

0

0

20

40

60

80

距离 X(km)

(a)

7

6 5

4

3

2

功能区目标

1

分配目标

0

0

20

40

60

80

距离 X(km)

(b)

2019/4/24

河流非保守物质功能区实置功能示意图
水质目标 6

水质目标选择 饮用水源地允许纳污量分析方法

末断面控制

浓 度
水质标准

点 源 W1 W2

功能区 1

W3

W4

功能区 3

W5

W6

功能区 5
河长(m)

W7

W8

功能区 7

W9
功能区 9

首断面控制 中断面控制

水质标准

W1 W2

浓 度
功能区 1

W3

W4

功能区 3





W1 W2 W3 W4

W5

W6

功能区 5
河长(m)
W5 W6

W7

W8

W9

功能区 7

功能区 9

W7 W8 W9

水质标准

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功能区 1

功能区 3

功能区 5
河长(m)

功能区 7

功能区 9

水质目标 7

饮用水源地允许纳污量分析方法
河流混合区控制建议
?宽度控制
– 有毒指标:1/3河宽 – 传统指标:1/2河宽 – 富营养化指标:1/2河宽
?长度控制
– 有毒指标:1/5功能区长度(4-5类功能区可1/4功能区长度) – 传统指标:1/4功能区长度 – 富营养化指标:1/3 功能区长度
?面积控制(解析解控制)
– 有毒指标:1/15功能区面积(4-5类功能区可1/10功能区长度) – 传统指标:1/8功能区面积 – 富营养化指标:1/6 功能区面积

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水质目标 8

饮用水源地允许纳污量分析方法
河流混合区控制建议
?宽度控制
– 有毒指标:1/3河宽 – 传统指标:1/2河宽 – 富营养化指标:1/2河宽
?长度控制
– 有毒指标:1/5功能区长度(4-5类功能区可1/4功能区长度) – 传统指标:1/4功能区长度 – 富营养化指标:1/3 功能区长度
?面积控制(解析解控制)
– 有毒指标:1/15功能区面积(4-5类功能区可1/10功能区长度) – 传统指标:1/8功能区面积 – 富营养化指标:1/6 功能区面积

2019/4/24

水质目标 9

饮用水源地允许纳污量分析方法
湖库混合区控制建议
?半径控制
–有毒指标:30m-50m –传统指标:100m-200m –富营养化指标:500m

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水质目标 10

饮用水源地允许纳污量分析方法

2019/4/24

设计水文指标体系主要参数
? 径流量:Q(m3/s) ? 水(潮)位:Z(m) ? 流速:U(m/s) ? 水温:T(℃) ? 进潮量:W(m3) ? 交换率:EA ? 滞留时间:RT(天)
根据具体情况也可选择其它能 代表水体特征的参数
设计水文条件 11

饮用水源地允许纳污量分析方法
不同水体规划可选择的主要指标参数
? 河流: 径流量、水温、pH、硬度
? 湖库: 水位(容积)、流量、流速、水温、交换率、
滞留时间 ? 河口:
径流量、进潮量、潮位、水温、交换率、滞 留时间

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设计水文条件 12

饮用水源地允许纳污量分析方法
基于生物安全的设计水文条件
? 保护水生生物的水质基准,要考虑生物、生态及毒理 学的信息。三要素:浓度,持续时间,发生频率 ? 持续平均浓度基准CCC:4天平均浓度,平均三年不 超过一次(确定性模型可用) ? 最大浓度基准(CMC):1小时平均浓度,平均三年不 超过一次 (概率稀释模型可用于保守物质)

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设计水文条件 13

饮用水源地允许纳污量分析方法

水环境规划设计水文条件选择 -分类确定

保护目标分类 ? 生物安全 ? 人类健康 ? 生态安全
设计水文条件 2019/4/24

污染危害分类

? 1. ? 2.

非毒理指标
? 耗氧类(传统排污) ? 细菌类(传统排污) ? 富营养化类(传统排污)
毒理指标
? 金属类 ? 有机毒品类 ? 致癌类
14

饮用水源地允许纳污量分析方法
设计水文条件系统特征参数

? 允许平均期
? 重现期T(或频 率)
? 控制时段
? 平均方法

不同目标可选的允许平均期
? 水生生物急性毒理:1天 ? 水生生物慢性毒理:4天 ? 人类健康(致癌):70年 ? 人类健康(非致癌):30
天或其它

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设计水文条件 15

饮用水源地允许纳污量分析方法
重现期y(年)与保证率P(%) 关系

? 重现期选择:
生物安全一 般取三年; 人类健康安 全根据污染 物类型确定

y?

1

0.5 ? P ? 0.5

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设计水文条件 16

饮用水源地允许纳污量分析方法
控制时段选择

? 径流量的年内变化
? 污染源污水量的年内时间变化
? 点源与非点源比例的关系可能形成的控制时段变 化
? 环境功能要求的控制时段
大肠菌群(5-10月) DO(枯水时段、高水温时段) 富营养化(春、秋)

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设计水文条件 17

饮用水源地允许纳污量分析方法
河流保守物质设计水文条件
? 7Q10及30Q10 设计流量的问题 近似用算术平均代替调和平均的问题
? 河流保守物质模拟的常规技术-零维稳态 ? 水文条件分析技术( 稀释容量- 4B3及30B10)
-危险时段可以判断,稳态即可确定安全

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设计水文条件 18

饮用水源地允许纳污量分析方法

保守物质稳态水文参数平均方法

? 调和平均流量 单日浓度

Ci

?M Qi

多日算术平均浓度
? 几何平均流量 多日几何平均浓度
? 算术平均流量 多日调和平均浓度
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? ? ? Ca

?

1 n

n i ?1

Ci

?

1 n

n i ?1

M ?M n Qi n i?1

1 ?M Qi Qh

n

? n ? Cg ? (
? i?1

1

Ci ) n

?(

i ?1 n

M1 )n

?

M

Qi

Qg

i ?1

Ch

?

M Qa

设计水文条件19

饮用水源地允许纳污量分析方法
河流非保守物质设计水文条件研究
? 7Q10及30Q10 设计流量的问题
? 用算术平均代替调和平均误差大 ? 危险时段无法确定(流量大,有的断面反而危险)
? 河流非保守物质模拟的常规技术-一维稳态 ? 水文条件分析技术 (淡水稀释+自净容量- 4B3及30B10 )
? 准动态可以解决稳态模型误差大形成的安全问题,但不能解决危险 时段的选择问题

2019/4/24

设计水文条件 20

饮用水源地允许纳污量分析方法

非保守物质稳态水文参数平均方法
? 调和平均流量

单日浓度

Ci

?

M Qi

exp(?kx/ ui )

?

M Qi

exp(?

kx
?Q?

i

)

多日算术平均浓度

? ? 1 n

Mn 1

kx

Ca ? n 1 Ci ? n 1

Qi

exp(? ?Q? i

)

2019/4/24

设计水文条件21

饮用水源地允许纳污量分析方法
非保守物质设计水文条件的安全性分析

设计流量加大,下游浓度抬升可能导致下游高功能区超标

4.5

4.0

Q=10

Q=20

3.5

Q=30

3.0

浓度

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0 0

5

10

15

20

25

30

距离(km)

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22

饮用水源地允许纳污量分析方法
环境容量的概念
? 单水质目标(如一个湖泊以混合均匀浓度为水 质目标),一般可以采用先计算容量,再以小 于等于容量的条件分配总量的方式进行水环境 规划,其隐含的充分必要条件是:纳污总量小 于容量则水体一定达标。
? 多水质目标(如一个水体有多个功能区)条件 下,纳污总量与环境容量的关系为必要条件: 纳污总量大于容量则一定有功能区超标,而纳 污总量小于容量则水体不一定达标。

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容量分析 23

饮用水源地允许纳污量分析方法
单源包络线方程

原模型:

Ci

?

M Qi

exp( ?kt)

?

M Qi

exp( ?kx/

ui

)

?

M Qi

exp( ?bkx/

Qa) i

包络模型:
Cm ax ?(

M abk ex)1/a

?M

Qx

e1/a
max

包络线方程可得到稳定排放负荷下,河流流 量范围内每点浓度的最大值

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饮用水源地允许纳污量分析方法
水质模拟-上包线示意

200.00 180.00 160.00 140.00 120.00

临界流量
1 5 8 9 11 13 14 16 17 18 20 21 22 23 24 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 37
Q=7 Q=19 Q=27 Q=18 Q=44 上包线

浓度

100.00

80.00

60.00

40.00

20.00

0.00 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55

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距离
25

饮用水源地允许纳污量分析方法
水质模拟-上包线示意

浓度

12 10 8 6 4 2 0
0

10 Q S 20

30

40

50

60

流量

固定点位设计流量QS小于峰值流量Qmax

2019/4/24 时按容量总量分配方案执行存在超标危险

26

饮用水源地允许纳污量分析方法

总量分配合理性指数TCRI

? TCRI ? ?iCi

? ?

为权重系数,
i

?i ? 1,Ci单项指标值,

为0-1之间的无量纲值,数值越大合理。

指标

内容

科学性指标C1 环境容量利用率

公平性指标C21

容量利用与水资源贡献 比例

C22 人口(生存排污权)

C23 农田(生存生产排污权)

表达方式 分配负荷量与分配区域排污口环境容量之比
1-∑(分配负荷比例i-入海径流贡献比例i)2 1-∑(分配负荷比例i-人口比例i)2
1-∑(分配负荷比例i-农田面积比例i)2

C24 城市(发展达标排污权) 经济指标C3 (治理费用较低)

1-∑(分配负荷比例i-GDP比例i)2 1-∑(分配负荷比例i -现状负荷量i)2

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饮用水源地允许纳污量分析方法

浓度包络线进行容量规划可以避免安全性问题

浓度包络线模式

250.0 200.0 150.0 100.0
50.0

M=1 M=3 M=5 M=7 M=9 M=11 M=13 M=15

浓度
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

0.0

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距离(km)
28

饮用水源地允许纳污量分析方法
?谢谢谢谢各各位专位家

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29

饮用水源地允许纳污量分析方法
水系环境容量局部累加估算的局限性
? 上下游功能区不和谐将导致计算的反复 上下游功能区不和谐处理繁复 多个水质指标功能区协调困难
? 可行性差 ? 感潮河段无法应用

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饮用水源地允许纳污量分析方法
河流混合区分析方法
?简单方法
– 传统污染物:1/2河宽稀释流量,零维模型 – 有毒污染物:1/3河宽稀释流量,零维模型
?模拟方法:
– 远区计算法:
? 平面二维解析法 ? 平面二维累积流量法
– 近区计算法:
? 二维或三维紊流模型(κ -ε 模型等)
? 稀释模型(UM、UPLUM、COMMIX、JETLAG等)

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饮用水源地允许纳污量分析方法
水质模拟-上包线模式
一维水质方程与流量及距离的关系

旧模型:
40.00 新模型: 30.00
浓度 20.00 10.00 0.00

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流量

10 40 70
15050 49 43 37 31 25 19 13 7 1

距离
32



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