（环境工程专业论文）河流型饮用水水源保护研究——以白银市为例.pdf

河流型饮用水水源保护研究 摘要 我国饮用水水源以地表水为主，但随着经济和社会的发展，地表水受到不 同程度的污染，使饮用水处理成本增加，甚至水质不能达标，危及人民的生活安 全；针对这种问题，国家环境保护部会同有关部委要求开展饮用水水源地环境保 护研究，本文以白银市饮用水水源保护为例，详细说明了建立和完善河流型水源 地保护相关技术方法、加强饮用水水源地污染防治和管理措施，从而保护饮用水 水源水质，保障饮用水安全。 本文共分7 章，从5 个方面为河流型饮用水水源地环境保护提供理论依据 和技术支持。在介绍各种水质评价方法的基础上，以白银市为例确定饮用水水源 水质评价方法，又根据供需水分析，说明白银市饮用水水源的合理性；通过分析 水质模拟原理和参数选取，确定饮用水水源地保护区划分方法，对白银市水源保 护区进行划分；在介绍各种计算河流允许纳污量的方法的基础上，确定水源地二 级保护区的容量总量控制方法，给出白银市饮用水水源地保护区的容量总量控制 目标；以国内外水源地水质监测项目为依据，制定饮用水水源监测指标体系和白 银市饮用水水源地监测规划；最后，提出河流型水源地保护的管理措施和制度。 关键词：水源饮用水水质模型 允许纳污量容量总量监测指标 河流型饮用水水源地保护研究 a b s t r a c t i no u rc o u n t r y , t h es o u r c eo fd r i n k i n gw a t e ra l w a y si nt h es u r f a c ew a t e r , b u tw i mt h e d e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m i ca n ds o c i e t y , s u r f a c ew a t e ri sc o n t a m i n a t e di nd i f f e r e n t d e g r e e ，m a k i n gt h ec o a s to fd r i n k i n gw a t e rd i s p o s ei n c r e a s i n g ，s om u c ha sw a t e r q u a l i t yc o u l d n tm e e tt h es t a n d a r d , j e o p a r d i n gp e o p l e sl i v i n gs e c u r i t y c o n t r a p o s i n g t h i sp r o b l e m ，t h em i n i s t r yo fc h i n e s ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n do t h e rm i n i s t r yc a l l f o re n v i r o n m e n t a lp r o c t e c t i o nt a s ki ns o l i c e so fd r i n k i n gw a t e r t h i st h e s i si si nt h e c a s eo fb a i y i nc i t y , e x p l i c a t ec o n s t i t u t i n ga n dc o n s u m m a t i n gt e c h n i cm e t h o d si n c o r r e l a t i o no fw a t e r h e a dp r o t e c t i o n , e n h a n c ep o l l i a t i o n p r e v e n t i o na n d c u r ei n w a t e r h e a do fd r i n k i n gw a t e r , s ot h a ts a f e g u a r d i n gt h eq 砌i t yo ft h ed r i n k i n gw a t e r r e s o u r c e t h e r ea r es e v e nc h a p t e r si nt h et e x t ，p r o v i d i n gt h e o r yg i s ta n dt e c h n i cs u s t a i nf o r d r i n k i n gw a t e rw a t e r h e a de n v i r o n m e n t a lp r o t e c tf r o mf i v ef a c e t s o nt h eb a s i so f i n t r o d u c i n ga l lk i n d so fm e t h o d sf o rw a t e rq u a l i t ya p p r a i s e ，c o n f i r m i n gt h em a t e h o d s o fs o u r c ew a t e rq u a l i t ya p p r a i s ei nt h ec a s eo fb a i y i nc i t y , a sw e l la so nt h eb a s i so f a n a l y z i n gs u p p l i i n ga n dr e q u i r ew a t e r ，s h o w i n gt h es o u r c eo fd r i n k i n gw a t e ri s r a t i o n a l i t yi nb a i y i nc i t y ；a n a l y s i n gw a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o na n ds e l e c t i n gp a r a m e t e r , a s c e r t a i n i n gt h em e t h o df o rc o m p a r t m e n t a l i z a t i o nt h es a f e g u a r ds e c t i o no fd r i n k i n g w a t e rw a t e r h e a d , a n dc o m p a r t m e n t a l i z i n gt h es a f e g u a r ds e c t i o no fd r i n k i n gw a t e r w a t e r h e a df o rb a i y i nc i t y ；o nt h eb a s i so fi n t r o d u c i n gt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d sf o r c o n c e n ta c c e p t a b l ep o l l u t i o no fr i v e r , a s c e r t a i n i n gt h em e t h o df o rc a p a c i t ya m o u n ti n t h es e c o n ds a f e g u a r ds e c t i o no fw a t e r h e a d ，p r e s e n t i n gt h ec o n t r o lt a r g e tf o rc a p a c i t y a m o u n to fw a t e r h e a ds a f e g u a r ds e c t i o ni nb a i y i nc i t y ；a c c o r d i n ga st h ei n s p e c t i o n i t e m so fs o u r c ew a t e ri n s i d ea n do u t s i d ec h i n a , e s t a b l i s h i n gi n s p e c t i o ni n d e xs y s t e m f o rs o u r c ew a t e ra n di n s p e c t i o n gp r o g r a m m i n gf o rd r i n k i n gw a t e rw a t e r h e a do fb a i y i n c i t y ；f i n a l l y , a d v a n c i n gm a n a g em e a s u r e sa n ds y s t e m sf o rw a t e r h e a dp r o t e c t i o nw h i c h d e r i v e df r o mr i v e r k e y w o r d ：s o u r c e s ；d r i n k i n gw a t e r ；w a t e rq u a l i t ym o d e l ；c o n c e n ta c c e p t a b l e p o l l u t i o n ；c a p a c i t ya m o u n t ；i n s p e c t i o ni n d e x u 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内 容外，不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二霉i 重改 日期： 竺二笸二兰 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名师签名：? 荀巍日期：业多 河流型饮用水水源地保护研究 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 在我国经济高速发展的同时，关系人民群众切身利益的饮用水安全状况却 令人堪忧。饮用水作为一类用途最为重要的水资源，目前在水质、水量及资源管 理方面存在着诸多问题；而且，水源水污染状况有不断加剧的趋势；老百姓饮用 水安全已受到严重威胁。据卫生部的调查统计，在我国有6 5 4 的人口饮用不合 格的水。1 9 9 9 年国家环保总局组织对全国重点城市饮用水水源地环境保护情况 进行调查，结果发现4 8 的地表水源不达标；2 0 0 6 年1 2 月监测表明，全国9 7 个环保重点城市中3 6 1 饮用水不达标【1 】；我国水源地污染已相当突出，饮用水 水源保护问题己成为关系国计民生的重大问题。与此同时，尽管各地对水资源保 护工作都已经开展，并取得一定的成效，但由于受地域、经济发展水平和水资源 总量的影响，饮用水水源保护工作在立法、执行水平和管理手段上差别很大，缺 乏统一的保护规划和管理。因此，建立和完善水源地保护相关技术方法、法律法 规、加强饮用水水源地污染防治和管理能力，切实推动我国饮用水水源地保护工 作，保障饮用水源的水质安全显得极为重要和迫切。 国家十分重视饮用水安全工作，要求一定保护好饮用水源，让群众喝上放 心水作为首要任务，国务院提出，以饮用水安全和重点流域治理为重点，加强水 污染防治；科学划定和调整饮用水水源保护区，切实加强饮用水水源保护，禁止 有毒有害物质进入饮用水水源保护区。国家环保部会同有关部委要求开展饮用水 水源地环境保护，但具体工作如何进行并不明确，主要体现在以下5 个方面： ( 1 ) 对饮用水水源地的水质评价没有合理的方法，评价方法没有统一性， 则结果将相差较大； ( 2 ) 对于饮用水地表水源保护区范围和划定，只具备原则性说明，未涉及 详细的划分方法； ( 3 ) 水源保护区容量总量控制没有说明用什么方法进行核算，针对不同河 段没有说明水文条件和技术参数的选取； ( 4 ) 对饮用水水源保护区的水质监测项目还没有明确的指标体系，监测内 兰州大学硕上学位论文1 嚣滚登饮惩拳承源缝绦护研究 容混乱、没有统一性； ( 5 ) 饮用水水源保护区的管理制度并不完善，管理措施、法律法规均有待 提高。 总体而言，我圜饮用水水源地存在水质恶化、管理不善的严重问题，迫切 需要对水源保护工作进行细致研究，制订相应的技术准则和保护策略，以僳证供 水的安全和公众健康。 1 。2 国内外水源地环境保护现状 美国国会1 9 8 6 年对生活饮用水安全法( s d w a ) 增补一项关于水源保护 区的规定【2 l 。所谓“水源保护区一是指作为公共水系统的水井和井周围地面和地 下昀、污染物可麓通过其到达水井或井区的区域。s d w a 要求各朔在修订案生效 后3 年之内制定水源保护计划。州的保护计划须经联邦环保局审批。还规定联邦 各部门对水源保护区的管辖权让位予水源保护区当局管辖权，联邦实体必须遵守 娜水源保护区计划，供永企监对地表和地下水源实旋整体保护网，制定严格的永 质监测指标，并在不断的修改 4 1 ，1 9 9 6 年已经要求各州对水源地进行评价，建立 水源地保护体系。以鳃约州为例说明水源地保护程序 5 1 1 6 1 ： ( 1 ) 建立目标：水源地保护目标的设定，水质屋标细化。 ( 2 ) 列出水源地资料清单，对潜在污染源进行评价：水源保护区范围设 定；水环境现状调查；水文、地形、土壤、植被、潜在侵蚀、湿地、生物等背景 资料收集；地利丽状况；污染源评价。 ( 3 ) 政策措施的制定：控制现有污染源；防止潜在污染。 ( 4 ) 实旄和改进。 ( 5 ) 政策措施有效性评估；水源地物理、化学、生物指标监测；公众健 康监测；社会经济指标评估；监测数据评估。 在整个管理体系中，各机构阆协调以及公众参与始终占据着核心地位。各 利益方必须出现在水源地规划、管理的全过程，必须就各自的观点进行交流、协 调，最终达成一致。 德国经过1 0 0 多年长期实践，迄今为止已建立2 0 0 0 0 个饮用水源保护区， 并在欧洲水框架法的基础上制订了水源地保护法，在水源保护方面积累 2兰州犬学硕士学位论文 河流型饮用水水源地保护研究 了大量经验，德国一般不支持采用河流型水源地，仅对水源地二级区划的规定为： 取水口上、下游河段隔一段，上下游河段长度均以河水日流距离为料7 l 。这个方 法充分利用的河流水体的自净能力。德国同时非常注重饮用水水质的监测和监督 研究，政府给监督机构配备了各种先进的水质监测设备，允许监督人员随时监测 水源水质状况。 法国条例不规定排放点，但规定非排放点。在这种非排放点区域内，或者 禁止排放或者严格控制排放，这种区域叫做保护区。1 9 6 4 年水法提出设立 “特别水域管理区一，对该区中的水流状况进行严格管理。这些特别管理区域是 在公开征求意见后，由国家立法委员会以命令公布，这些命令应确定并公布区内 水量分配计划的利用内容，从这些命令开始生效起，提水、引水都需经公开调查 后由行政当局批准。 日本在饮用水源保护调控中，形成一些卓有成效的制度和方法，极大地促 进了饮用水源保护的的开展。包括：饮用水源管理制度；饮用水源水质标准制度； 明确饮用水水源监测制度，紧急处置制度等，并对每种制度进行了详细的规定。 英国污染控制法授权水管局为防止所辖水域遭受污染而划定一定的区 域，该区域内有权禁止或限制特定的行为。此外，丹麦、俄罗斯、波兰等国都有 相同或相似的规定。但对水源保护区的划分方法，一都没有具体详尽的描述。 我国根据水源地的环境特征和水源地的重要性，地表水饮用水源保护区分 为一级保护区和二级保护区，必要时也可以在二级保护区外设置准保护区【8 】；并 要求在保护区内遵守相应的法律法规。 可见，各国都对水源地保护非常重视，但对保护区的分类方法、技术依据、 监测指标和管理制度都各不相同。 1 3 主要研究内容 本研究以白银市为例，在收集相关资料的基础上，针对水源保护中存在的 问题，逐个分析，并提出相应的改进措施。首先对水质进行现状评价、对供需水 量和水质变化趋势进行分析，从而评价水源地的合理性；进而进行水源地保护区 的划分方法研究、对白银市水源地保护区准确划分；建立各种水环境容量的计算 模型、计算水域允许纳污量；最后，通过加大水污染监控力度和环境管理措施， 兰州大学硕士学位论文 河流型饮用水水源地保护研究 保证水质达到国家规定的水质标准。从而为河流型饮用水源地保护提供技术支 持。 本研究具体工作内容如下： ( 1 ) 调查了解白银市自然、社会环境及水质现状、变化趋势分析，从而说 明白银市饮用水水源地是否合理； ( 2 ) 了解水质数学模型和我国环境功能区划方法，科学合理地进行水源地 保护区范围划分； ( 3 ) 采用各种允许纳污量的数学模型，以白银实际划分的水源地二级保护 区为例，提出合理的环境容量控制模型： ( 4 ) 进行水质监测规划，并提出适合白银市情况的水源地水质监测指标体 系； ( 5 ) 提出相应的水源地保护的管理措施和对策。 1 4 研究方法与技术路线 在充分论证和筛选利用以往有关规划成果和资料的基础上，收集水质和社 会经济发展现状等资料，采用一定的数学模式对水源地水质现状进行评价及变化 趋势分析，进行需水量预测，从而确定水源地的合理性；概述水质模型和水功能 区划原理，采用二维模型计算水源保护区长度；通过对比分析，运用“河道节 点河道计算二级保护区的允许纳污量，并用概率稀释模型和二维模型进行了 复核；在分析我国水源水质监测中存在问题的基础上，制定水质监测指标、规划： 并在总结我国水源保护存在问题的基础上，提出水源保护对策、制度。技术路线 见图1 1 。 4 兰州大学硕士学位论义 河流型饮用水水源地保护研究 图1 1 饮用水源地保护研究工作程序 兰州大学硕士学位论文 5 溪流墅饮鬻永拳滠透僳护磺究 第二章水源地环境质量现状研究 2 1 研究区域自然环境现状 2 1 1 地理位置 研究项墨以白银市为背景，自银市是甘肃省辖地缀市，地处苗肃省中部，神 州大地腹心，界子中华民族母亲河黄河上游中段、陇西黄土高原西北边缘、祁连 山东延余脉与腾格里沙漠三大区域的过度带，地处中国大陆几何中心。地理坐标 在东经1 0 3 3 1 0 5 3 4 和北纬3 5 0 3 3 q 7 0 3 8 之间，东西跨经度2 0l ，南北占纬度 2 0 5 。区域面积2 1 2 6 6 4 平方公里，在中国西部各城市中占第1 3 位。整个地域 按南北走向略成狭长状，形似桃叶。以四周边缘为界，南北纵距3 8 0 多公里，东 西横距1 4 0 多公里。周边与甘肃、宁夏、内蒙古一省两区的7 个市、盟和1 3 个 县、区、旗接址。 水源地位于白银市白银区，白银区西与兰州市皋兰县接壤，南邻黄河，与榆 中县青城乡及靖远县平堡乡隔河相望，东与靖远县刘列乡毗邻，j | ：与景泰县中泉 乡为界；白银区东西长4 7 k m ，南北宽6 0 1 m 。同时，处于黄河上游的白银段，该 河段自臼银区水川镇西部的西峡口入境，流经白银区、靖远县、平川区和景泰县， 至东北方向的黑出峡趣境，全长2 5 8 公里，总流域面积2 0 3 2 1 。1 8 平方公里。 黄河是白银市唯一的地表水，是白银市主要的工业、农业和生活水源。白银 市城市饮用水现有两个饮用水水源，分别是白银公司二水源和白银市动力公司水 源。根据甘肃省水功能区划( 2 0 0 7 年) ，两个水源的取水露均分布在黄河自 银段m 类水域。具体点位见表2 - 1 ，图2 - 1 。( 白银公司一水源由于受东大沟的影 响，现仅作为工业水源) 。 表2 - 1水源地点位 6 兰州大学硬士学位论文 h 议翠掣扑书器扑k丢圳 匝犁鲁鹱繁越蜉赣一式匝 妖器$拳霉翳*匠g剽斌霹 河流型饮用水水源地保护研究 2 1 2 水系和水文 白银市全境处于黄河水系流域，干流水系流域面积1 4 7 1 0 平方公里；发源于 甘肃省定西市的祖历河( 黄河一级支流) 在白银段汇入黄河干流，流域面积6 0 9 2 平方公里；渭河水系在白银流域面积较小，只有4 6 3 平方公里；清水河水系是白 银流域面积最小的水系，流域面积仅3 6 平方公里。 黄河多年平均过境流量1 0 4 0 m 3 s ，径流量3 2 8 亿m 3 ，是白银市的唯一过境河 流，是白银工、农业生产的水源地，也是白银市集中生活饮用唯一水源，本项目 所研究的饮用水源地保护就在黄河白银段。黄河上游径流主要为流域内降水形 成，以雨水补给为主，融雪补给为辅；径流量中地表径流约占6 0 ，地下径流约 占4 0 。由于有天然和人工湖泊、沼泽的调蓄，径流变化相对稳定。径流年内变 化受环流形势、降水、气温和下垫面等因素的影响，根据兰州水文站的观测资料， 可将径流年内分配划分为三个时期，6 9 月为丰水期；3 、4 、5 月和l o 月为平水 期；1 1 、1 2 、l 、2 月为枯水期。年际变化不大，但存在连枯、连丰交替现象； 最小流速0 4 2 m s ，平均流速1 0 m s ，最大流速5 7 5 m s 。各时期流量见表2 2 。 表2 - - 2兰州站各水期流量情况 2 2 水源地水环境现状评价及趋势分析 2 2 1 水质评价方法综述 ( 1 ) 单因子评价法 单因子指数法 单因子评价法应用最多，例如地表水环境质量标准1 9 ( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 就规定：“地表水环境质量评价应根据要实现的水域功能类别，选取相应类别标 准，进行单因子评价，评价结果应说明水质达标情况，超标的应说明超标项目和 8 兰州大学硕士学位论文 河流型饮用水水源地保护研究 超标倍数。单因子评价法最为简单： e = 丢 p i 为某污染物污染分指数 c i 为某污染物的平均浓度 c 0 _ 为某污染物的评价标准 如果p i 大于l ，超标倍数_ p i 1 ； 如果p i 不大于1 ，超标倍数不计。 d o 的标准指数为： 崎鼎 p v o j 司0 。9 耐 d o t = 4 6 8 ( 31 6 旧 式中：d o f 为饱和溶解氧浓度 d o i 为溶解氧的地面水质标准 d o i 为地面溶解氧值 t 为温度值 p h 的标准指数为： p p 旷谪7 0 一p h ； 2 莉7 0 p h ：一 式中：p h s d 为地面水水质标准中规定的p h 值下限； p h 鲫为地面水水质标准中规定的p h 值上限。 最差因子判别法 d o j d o i d o j ( d o i p h i 7 0 p h i 7 0 最差因子判别法【1 0 1 是根据几种评价因子中污染最为严重的那个因子所属 的水质类别来确定水体的总体水质类别。 最差因子判别法是操作最为简单的一种水质综合评价方法，只要依次判别 兰州大学硕士学位论文9 海漉堑饮耀永隶深逢绦护疆究 出选择的那个因子水质类别，然后以最差的那个类别作为水质综合评价的类别就 行了。不过这是一种最为悲观的评价方法，因为只要有一项因子污染严重，则不 论其它因子的污染程度如何，综合水质类别都是很差的。 最大评分法 最大评分法是最差因子判别法的变形，全国饮用承水源缝环境保护规划 技术培训中推荐该方法。按照表2 3 规定，用内插方法计算得出测点每个参加水 质评价项目的评分值，根据各个项目的水质评分值，取其最高评分值即为该测点 的水质综合评分值。水质综合评分值计算如下式： w g i = m a x ( w g i ( i ) ) 表2 3水质类别与评分值对应表 ( 2 ) 多因子综合评价法 有机污染综合指数评价法 有机污染综合指数评价法f l l 】主要是针对水体有机污染的一种综合评价方 法，它根据溶解氧、氨氮、高锰酸盐指数、五日生化需氧量这四项指标的等标污 染指数的和来判断水质综合指标。其计算方法如下： p i ：垒姒+ 垦丛+ 竖一垒 c 跏c 。0 d oc 照，一c d 0 0 式中t 分子中下标为i 的为评价参数生化需氧量、化学需氧量、氨氮和溶 解氧的实测值； 分母中下标为0 的为该指标地表最高或最低允许标准浓度值( 溶解氧为最 低，其余为最高) 。 简单综合污染指数法1 1 2 1 k = w , c i i 暑l w 污染物权重值； c i - - 地表水中各污染物的浓度 水质质量综合指裂1 2 1 1 0兰州犬学硕士学位论文 河流型饮用水水源地保护研究 k ：y i 或k ：yw i i j 一，、一一 i = lo m i 霉l 1 7 0 i w i 污染物权重值； c i - - 各污染物的实测含量； c o 广各污染物的地表水最高允许标准。 内梅罗污染指数 阽芦亨 p i _ 某一评价参数的污染指数值； p i m 田r 一参评参数污染指数中最大污染指数值； p i 平均- 吨部评价参数的综合污染指数平均值； 计算出的p i 值再，对照下表中的评价级别将其分类。 表2 _ 4内梅罗综合指数评价级别划分 划分范围级别 i 级 级 级 级 v 级 1 1 2 2 3 3 q 4 w 值水质评价方法 以水体各项监测指标实测值对照水质类别进行评分( i 、v 类水质分别得到1 0 分、8 分、6 分、4 分、2 分) 结果写成数学模式为 s n 品n ：n ：n ：n ；，其中s 为监测总项数，n 品、n ；、n ：、n ：、n ；分别为监测 值得1 0 分、8 分、6 分、4 分、2 分的项数，以最低2 项得分之和确定该水质的 类别，具体评价见表2 5 。 表2 5w 值水质评价方法 级别 i 类 i i 类 类 类 v 类 评价标准 最低2 项得分之和为2 0 或1 8 最低2 项得分之和为1 6 或1 4 最低2 项得分之和为1 2 或l o 最低2 项得分之和为8 或6 最低2 项得分之和为4 分 ( 3 ) 数学模式计算法 兰州大学硕上学位论文 河流型饮用水水源地保护研究 主成分分析法 用主成分分析法【1 4 】进行水质综合评价的步骤是，首先利用分指数公式将各 评价因子的实测数据标准化，然后对标准化数据矩阵进行主分量分析，计算其特 征值和特征向量，并确定公共因子数目和因子荷载，最后将这些因子线形综合成 一个量度环境质量的综合指标。 层次分析法 层次分析法【1 5 】原理是将要评价系统的有关替代方案的各种要素按照上一层 要素为准则，进行两两评判比较并计算出各要素的权重，根据综合权重按最大权 重原则确定最优方案，它是在简单加权法的基础上推导得出的。层次分析评价法 就是运用层次分析的理论对水质断面或各个水期的监测值进行分析评价。 模糊水质评价法【1 6 】 从环境要素因子层起，逐一进行每个因子与环境质量标准的距离分析，说 明它隶属于相应的环境质量等级，形成隶属矩阵，再把因子的权重集与隶属度矩 阵相乘，得到模糊集，获得一个综合评判集，表明评价水体水质对各级标准水质 的隶属程度，反映了综合水质级别的模糊性。根据隶属度确定方法又可分为：模 糊聚类法、模糊贴近度法、模糊距离法。 水质保证率及随机模式法【1 7 l 将数理统计与概率论用于水质评价。河流污染浓度，他们在不同地区或不 同界面，其检出的频率曲线是非常相似的，即他们的检出值系列分布有一定规律， 呈正态分布或对数正态分布，那么用常规取样资料、估算水质随机变量的累积密 度函数，再由累积密度函数即可计算出河流污染概率，由此评价河流的受污状况。 人工神经网络法 人工神经网络18 】0 9 1 ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，简称a n n ) 是基于模仿 人类大脑的结构和功能而构成的一种信息处理系统。它是对人脑或神经网络若干 基本特性的抽象和模拟，由大量的称为神经单元的简要信息处理单元构成，这些 神经元接受信息，也向邻近于该神经元的其它神经元传递信息。神经网络具有自 组织性、并行性、高度鲁棒表等特性，因此能够完成复杂的任务。在水质评价方 面，首先以环境质量为训练标准，按照一定模式进行学习，确定内部连接作用的 权重，然后对原始的数据进行分类。 1 2兰州大学硕士学位论文 河流型饮用水水源地保护研究 ( 4 ) 各评价方法的优缺 表2 - 6各评价方法对比表 评价方法优点缺点 单因子指 数法 单因最差因子 子评 判别法 价法最大评分最大评分 法 多因 子综 合评 价法 数学 模式 计算 法 有机污染 综合指数 评价法 简单污染 综合指数 法 方便、简单 方便、明确，最简单的评价水 体综合水质方法 方便、明确，比较适合于要求 严格的水源地水质评价或地 下水评价 简单，明确，说明水体有机污 染状况 简单，能说明水体综合状况 水质质量简单、明确，能说明水体污染 综合指数水平 嚣萎瓣篙需 兰筻奎要相对比较简单 评价方法。一” 主譬萎分燮辫麟 层瓷分析票亲篙獬慧翟 v a - 的综合评价比较科学 鬻然要嚣鬈燃 攀嚣瓣能 人工神经评价结果不依赖个人因素，准 不能说明水质综合状况，无法判断水质最 终是否能满足要求 水质质量由最差因子决定，不能准确表述 水质综合状况 虽说明了水体的综合污染状况，但实质是 最差因子判别 仅适合于有机污染为主要污染物的水体 综合评价，不具有普遍性 此方法基本不使用，不考虑各污染物的标 准、对环境的危害，把所有污染因子都视 为一致，不符合事实 该方法中要么视各污染因子权重相同或 者人为规定，缺乏科学的依据，对水体评 价明显带有主观性 均权后的水质忽略了少数超标污染物对 水环境影响更大的特征；内梅罗综合污染 指数实质是由水体中污染物的相对污染 值中的最大值决定的，使评价的污染状况 偏重 主要由污染比较严重的两个污染因子决 定污染水平，并不能全面考虑各项污染因 子对水体污染的贡献 如果进行降维处理，实际上等于忽略了个 别浓度随标准等级变化不大的项目，也许 这些项目正是对人类影响较重的重金属， 这在应用方面存在严重缺陷 对于第一层次的权重还是人为确定，并 且，最终的只能判断各个断面的相对污染 程度或者各种污染物的污染程度，而不能 明确说明水质达到几类标准。 模糊评价中各项污染因子的权重是人为 或者经过简单计算确定，不能反映水体之 间相互作用的机理 需要积累大量的统计数据，完全属于经验 判断的方法。而且，仅用这种方法不能满 足综合评价，需要和其他综合评价结合 训练样本数较少，只能在标准的范围内选 择，计算麻烦；在神经网络算法的学习过 兰州大学硕士学位论文 1 3 河流型饮用水水源地保护研究 2 2 2 水源地水质评价 2 2 2 1 评价方法 根据2 3 1 节的分析，本次水源地水质评价以既要求严格、又能反映水体综 合污染状况的、适合于水源地水质评价的最大评分法为基础，做适当的修改，从 而得出更加科学、合理的水质评价方法一分类评分法。 参与评价的项目分为三类，即第一类对人体危害程度严重且经水处理 厂处理后难以消除的污染指标，主要是重金属指标，第二类经自来水厂处理 后出水水质能够达标的污染指标；第三类除第一类、第二类以外的其他参加 评价的污染指标。地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中基本项目和补充项 目2 9 项，具体指标分类见表2 7 。 表2 7评价指标分类表 分类评价指标 第一类7 项硒、砷、汞、镉、六价铬、铅、氰化物 第二类8 项p h 值、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、粪 大肠菌群、水温 第三类1 4 项总磷、总氮、铜、锌、氟化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂、硫化 物、硫酸盐( 以s 0 4 2 。计) 、氯化物( 以c 1 计) 、硝酸盐( 以n 计) 、铁、锰 评价方法 水质指数的计算分三个步骤： ( 1 ) 单项指数( w g i ( i ) ) ：用内插方法计算得出测点每个参加水质评价项 目的评分值。 表2 8水质类别与评分值对应表 依据各项水质单个项目的浓度值，按以下公式计算单个项目的水质评分值： 1 4 兰州大学硕士学位论文 河流型饮用水水源地保护研究 w g t i ) = 删，+ 鼍鬻，( c 1 f ) 一删，) ， 1 ，周平均最大温 降 2 时，则取评分值1 0 0 分。 p h 值：如果大于6 且小于9 时，则取评分值2 0 分；p h 值如果小于6 或者 大于9 时，则取评分值1 0 0 分。 溶解氧：如果大于7 s m g l 时，则取评分值1 0 分 ( 2 ) 分类指数( i l ) ：在单项指数的基础上计算分类指数。 对第一类项目( i l ) 取单项指数最高者为该类韵分类指数，即： i l = m a x ( w g i ( i ) ) 对第二、第三类项目均取各单项指数和的均值。即： i l2 吉军w g “i ) ( n - 1 2 皿) ( 3 ) 水源地水质指数( w q i ) ：水源地水质指数取上述三类分类指数中的 最高者，即： w q i = m a x ( i l ) 2 2 2 2 水质监测结果 根据黄河的水文特征，将评价时段分为枯水期( 1 1 、1 2 、l 、2 月份) 、平水 期( 3 、4 、5 、l o 月份) 、丰水期( 6 、7 、8 、9 月份) 。 采用2 0 0 6 年各月的监测数据进行分析、评价；各水期的水质按相应月份取 兰州大学硕上学位论文 1 5 平均值。 水震评价的项隧按照现有实测项墨为准，荚1 6 项。具体蕴测内容及结果见 表2 - 9 。 表2 - 9 水质监测结果 ( 单位：m g a u ) 注：p h j t j 翠位 2 。2 。2 3 水质评价结栗 运用2 3 2 1 节所描述的评价方法，对水质进行评价，结果见表2 1 0 。 e l j 表2 1 0 可知，白银公司二水源在枯水期、平水期氨氮和总氮两项指标的 分指数离于4 0 ，超过遣表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) l l1 类水标准；丰 水期只有总氮的分指数超过4 0 ；综合评价白锻公司二水源在枯水期、平水期、 丰水期的水质指数分别为2 5 2 、3 1 3 、3 2 9 ，均在2 0 , - 4 0 的范围内，说明水质符 合地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) i i 类水质标准。 1 根据甘肃省水功能区划( 2 0 0 7 ) ，该地区属于h i 类水，但檄据地表水环境质曩标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ， 集中式水灏地应属于类水，考虑地方标准本该严于国家标准的规定，仍按照i i 类水进行评价 1 6兰州大学硕上学位论义 8 西t q 昌i 卜t q 赛g2 o o ooo 一一 拣1 1 1 粼 杈箔辽扑-t娶扑 - a x o a = a ) ，污染物的通过时间将会延长，如图( b ) 所示；如果同时 存在推流迁移、分散和衰减三重作用，则不仅污染物的分布形状发生变化，污染 物的量也会减少( ) 【i - a x o a - a x o a = a ( c ) 推流迁移+ 分散+ 衰减 a x l - a x o a - 4a 图3 2 推流迁移、分散和衰减作用 兰州大学硕上学位论文 河流型饮用水水源地保护研究 3 1 2 环境质量基本模型 环境质量基本模型是根据上面阐述的污染物在水体中的基本运动特征，以 质量平衡原理为理论基础，通过演绎法，建立起描述污染物在环境介质中的运动 变化规律的微分方程。 为了便于建模，假定进入水体的污染物质点与水体质点具有相同的流体力 学特性，能够与水体相互融合，暂不考虑污染物在环境中的凝聚、沉淀和挥发等 作用，这样，就可以把污染物质点当作流体质点考虑 2 3 j 。在基本模型建立后j 在时间环境条件应用时，再根据实际情况，在基本模型的基础上对污染物的凝聚、 沉淀和挥发等影响因素进行修正，以提高预测的精度。 ( 1 ) 零维模型 图3 - 3 零维模型图 对于像湖泊、某一河段，当污染物浓度在空 间上差异可以忽略不计时，可以将所研究的环境 单元视为一个污染物能在瞬时分散到空间各部位 的连续流完全混合反应器，如图3 3 所示。 这样，根据质量守恒原理建立的不包含空间 变量的平衡方程即为零维模型。 v d ，c ：q c o - q c + s + r v 式中：卜反应器的容积o p 流入流出反应器的物质流量o c 0 - 输入介质中的污染物浓度。 c 输出介质中的污染物浓度，也是反应器中的污染物浓度； s 污染物的源与漏： r 污染物的衰减反应速度。 当s = 0 时，可以不考虑源和漏的反应器；上节所述，污染物的衰减基本符 合一级反应动力学规律，即r = - k c ，则零维模型可以写作： v d c ，：q ( c 。一c ) + l 0 时，得： 要：一掣一昙( 一d 。要) 一k c一= 一一一一l 一- j i f ， a叙叙、叙7 在均匀流场中，u ；和d 。都可以看作为常数，则上式可以写作： 詈一u 。詈+ d 。筹一k c 一( 副 式中：c 为污染物浓度，它是时间t 和空间位置x 的函数； d 。为纵向弥散系数： u 。为断面平均流速； k 为污染物衰减速度常数。 式a 就是环境质量基本模型中的一维模式。 ( 3 ) 二维模型 二维模型分为水平二维和竖向二维两种情况，前者是指水体的流速和污染 物仅在水平面的纵向、横向变化，在竖向( 水深方向) 混合均匀，例如在浅水河 流和湖泊水质问题就可简化为水平二维来处理；后者是指水体的流速和污染物仅 在纵向和水深方向变化，横向保持不变，例如河道型水库，由于沿水深方向常出 现分层现象，使水温、污染物浓度随水深和水流方向变化较大，对于同一水层横 向则比较一致，这时可简化为竖向二维问题来考虑。其建模思路与一维模型的建 立基本一致，只是同事考虑体积元在两个方向上的质量平衡。其形式如下： 詈- o x 筹+ d y 雾一u x 詈飞詈堋一) a 夙c - o x 筹峨筹一u x 詈一u z 差堋一， 式中：d ，为y 方向的弥散系数；d ：为y 方向的弥散系数； u ，为y 方向的流速分量；u ：为y 方向的流速分量； 其余符号同前。 式b l 为水平方向的二维模型，b 2 为竖向二维模型。 ( 4 ) 三维模型 兰州大学硕士学位论文2 9 河流型饮用水水源地保护研究 当污染物的浓度在各方向都存在浓度梯度时，需要建立三维模型，其建模 思路同前。需要注意的是，在三维模型中，由于用的不是断面平均值，故出现的 不是弥散系数，而是湍流系数和分子扩散系数。其具体形式如下： 署= c e , + d m ，窘艄：+ 窘+ c e y + d 。，雾一u x 簧飞考- u zo 钇c k c c c ， 式中：d m 为分子扩散系数。 e x 、e ，、e 。分别为x 、y 、z 方向的脱硫扩散系数。 式( c ) 即是三维扩散模型，理论上是完整的。但要求解和应用它，需要分 别知道某时刻空间位置上的污染物浓度以及u 。、u v 、u ：等点的时均值，这将是 十分困难的，实际上需要针对污染物的不同混合状态做各种简化，三维模型应用 的并不多。 ( 5 ) 污染物混合和模式的选择 由于推流、扩散和离散作用的存在，污水排入河流后，一般经历三种不同 混合状态的区段，即竖向混合河段，横向混合河段和纵向混合河段。 竖向混合阶段 污染物进入河流后因分子扩散、湍流扩散和弥散作用逐步向河水中分散，由 于一般河流的深度与宽度相比较小，所以首先在深度方向上污染物在水体中混合 均匀，从排放口到深度上达到浓度均匀分布的河流区段称为竖向混合阶段。在竖 向混合阶段同样存在着横向混合作用。竖向混合区段的长度与河流水深成正比， 可为水深的几十倍到上百倍，天然河流水深一般较浅，竖向混合区段的长度相对 较短。 横向混合阶段 在竖向混合均匀到下游污染物在整个横断面上均匀混合的区段，称横向混合 河段。在该河段，水污染物浓度沿横向和纵向均有明显变化，水深方向则基本均 匀。由于天然河流河宽远大于水深，故横向混合区的长度比竖向混合区长度大得 多。 断面充分混合后阶段 横向混合阶段后的河段，污染物浓度在横断面上处处相等，称纵向混合河段。 兰州大学硕士学位论文 河流型饮用水水源地保护研究 在该河段中，没有外来废水进入时，持久性污染物浓度不再发生变化，非持久性 污染物浓度沿纵向逐渐减少。 通常根据不同的研究精度和污染控制要求，对应于不同的混合阶段，采用 不用的水质模型。如果考虑竖向混合阶段，通常采用三维模型；在横向混合阶段， 采用二维水质模型；在断面充分混合后采用一维模型。 3 1 3 水质数学模型的求解 对于微分方程形式的数学模型的求解，一般有解析解和数值解两种。解析 法求解基本模型的要求条件非常严格，由于环境条件复杂，真实条件下的基本模 型的解析求解对于复杂的微分方程有一定的难度，故常用以差分方程代表微分方 程的有限差分法和有限单元法求的模型的数值解，实现对环境系统的模拟与预 测。但环境质量基本模型是以演绎法建立的反映污染物在环境介质中迁移转化规 律的微分方程，其解析解更能保留和展示其内在规律，更便于研究考察污染物在 环境中的分布特征和对环境的影响。 ( 1 ) 水质数学模型的解析解 用解析法求解模型时，假定水体流动状态在研究时间段内不随时间变化， 这种情况下，污染物的分布仅取决于污染源的排放特征。一般来说，污染物的排 放分为连续稳定排放和非稳定排放两类。 在水体处于稳定流动状态、污染源连续稳定排放条件下，环境中污染物的 j ，、 分布状态是稳定的一污染物在某一位置的浓度不随时间变化，即_ i l k , = 0 ，这种 m 不随时间变化的状态称为稳定态。稳定态的环境质量数学模型是齐次微分方程， 解析解较易求解。非稳定排放多指由于事故泄露导致的瞬时点源排放，这种情况 ，| ，、 下，污染物在某一空间位置的