水环境质量监测与评价

1、第 1 章 *干流基本概况1.1流域的自然环境条件1.1.1流域概况*发源于普兰店市安波镇鸡冠山流经四平镇、沙包镇、瓦窝镇、元台镇、大谭镇、瓦房店城区、莲山镇、夹河庙镇、普兰店城区、杨树房镇，由大刘家镇入海，全长约965km。树枝状水系。流域面积约988km2，平均坡降1.3，总径流约25亿m3，平均径流深2567mm。1.1.2河流流量及流速*穿越流域内属于南温带湿润半湿润季风气候区，基本上是大陆性气候。多年平均降雨量643 mm，由于受北温带半干旱、半湿润季风气候影响，一年四季降雨量不均，相差很大，夏季盛行南风，多雨；冬季盛行西北风，干燥。暴雨洪水多发生于6-9月份，冬季降水极少，降水模式

2、为降雪。多年平均蒸发量1825.6 mm。1.1.3现状环境问题随着普兰店市民营、乡镇企业的不断壮大和经济迅速发展，工业污染严重，发展能耗大、用水多、污染大。*流域的四平镇、沙包镇及大刘家镇都是以农业生产为主导产业的乡镇。农药、化肥的施用会对环境造成污染。第 2 章 水质现状监测2.1水功能区划分*流域水系为树枝状，支流比较发育，对*进行水环境容量研究，目的在于掌握该河流不同河段的容量。因此本次研究中将*流域以刘大水库、元台大桥、洼子店闸三个断面为基准进行流域合并，划分为四个区域(见图2-1)。区域内的城镇详细情况见表2-1。分区河段河流长（Km）面积（Km2）流经城镇区域一源头到刘大水库10

3、.6201.64沙包镇、四平镇区域二刘大水库到元台大桥21.4203.31沙包镇、瓦窑镇、元台镇、瓦房店城区区域三元台大桥到洼子店拦河闸57.2491.77元台镇、大谭镇、莲山镇、夹河镇、大刘家镇、普兰店镇区域四洼子店拦河闸到入海口7.391.71大刘家镇、杨树房镇、普兰店镇表2-1 *流域水功能区划图2-1 *水功能区划示意图2.2水质现状监测2.2.1断面铺设 布设原则采样断面是为检测水参数而设置的采取水样的横断面，根据河流与排污口位置关系，可分为控制断面、对照断面和消减断面。采样断面的布设遵循以下几项原则：（1）充分考虑本河段取水口、排污口数量和分布及污染物排放状况，水文及河道地形、支流

4、汇入及水工程情况，植被与水土流失情况；（2）力求以较少的监测断面和测点获取最具代表性的样品；（3）避开死水区及回水区，选择河岸顺直、水流缓慢之处；（4）尽量与水文断面相结合。 布设方法由于河流地处不同的地区，水系发育、水文条件、河道地形和工农业发展情况等各种自然和社会环境因素不尽相同，水域或水体具有不同的特性和特征。因此应根据其主要特点，在不同的水域或区域分别设置水质站。河流采样断面的布设方法及要求如下：（1）城市或工业区河段，应布设对照断面、控制断面和消减断面；（2）污染严重河段可根据排污口分布及排污状况，设置若干控制断面，控制的排污量不得小于本河段总量的80%。；（3）有较大支流汇入时，应

5、在汇合点支流上游及充分混合后的干流下游处布设断面；出入境国际河流、重要省际河流等水环境敏感水域，在出入本行政区界处应布设断面。（4）水质稳定或污染源对水体无明显影响的河段，可只布设一个控制断面；河流或水系背景断面可设置在上游接近河流源头处，或未受人类活动明显影响的河段。（5）水文地质或地球化学异常区，应在上下游分别布设断面；（6）供水水源地、水生生物保护区以及河源型地方病发病区、水土流失严重区应设置断面。城市主要供水水源地上游1000m处应布设断面，重要河流的入海口应布设断面。（7）水网地区应按常年主导流向设置断面；有多个岔路时应设置在较大干流上，控制径流量不得少于总径流量的80%。根据*流域

6、的概况可知，所经普兰店市重工业发展相对薄弱，且污染源缺乏统计，排污状况主要以城市生活污水为主。乡镇发展以农业为主，排污状况主要以农村污水和农田污水为主。所以只需在流经普兰店市上游河段布设对照断面，在普兰店市下游不远处布设控制断面。由于*入海，则在入海口附近布设消减断面。分别在刘大水库，元台大桥及洼子店拦河闸处设置监测断面。详见图2-1。检测断面如下图2-2所示。对照断面控制断面消减断面图2-2 *流检测断面2.1.2.采样样品采集应符合下列要求：水质采样应在自然流水状态流水状态下进行，不应扰动水流底部沉积物。以保证样品代表性；采样地点和时间应符合要求；采样应经过专门训练；采样时必须注意安全。采

7、样时应注意以下事项（1）水样采集量是视监测项目及采用的分析方法所需水样及备用量而定。（2）采样时。采样器口部应面对水流方向。用船只采样时，船首应逆向水流，采样在船舷前部逆流进行，以避免船体污染水样。（3）除细菌、油等测定用水样外，容器在装入水前，应先用该采样点水样冲洗3次。装入水样后，应按要求加入相应的保存剂后摇匀，并及时填写水样标签。（4）测定溶解氧与生化需氧量（BOD5）的水样采集时应避免曝气，水样应充满容器，避免接触空气。（5）因采样器容积有限，需多次采样时，可将歌词采集的水样倒入洗净的大容器中，混匀后分装，但本方法不适用于溶解氧及细菌等易变项目测定。（6）采样的应做好现场采样记录，填好

8、水样送送检单，核对瓶签。2.1.3指标选择选择原则：国家与行业水环境与水资源质量标准中已列入的项目；国家及行业正式颁布的标准分析方法列入的监测项目；反应本地区水体中主要污染物的监测项目；专用站应依据监测目的选择监测项目。所以本文选择的水质指标为PH、DO、NH3-N、CODCr、BOD、CODMn等。数据表2-2所示。2.3监测项目分析分析方法的选用应根据样品类型、污染物含量以及方法适用范围等确定。分析方法的选择应符合以下原则:（1）国家或行业标准分析方法；（2）等效或参照使用ISO分析方法或其他国际公认的分析方法；（3）经过验证的新方法，其精密度、灵敏度和准确度不得低于常规方法。表2-2断面

9、监测数据mg/L断面PHDONH3-NCODCrBODCODMn元台大桥7.9114.07107.89.712.8刘大水库9.812.40.334.91.411.7洼子店闸7.613.11.232.52.84.4 从上述监测结果中并结合地表水质量标准(GB3838-2002)中对各因子所规定的等级标准可以知道，三个监测断面 PH 值在 79 中变化，指标等级处于 IV 类之间；其 D0值在 1114 之间中变化，指标等级均处于 I 类；其 NH3-N 值在 O5 中变化，其中刘大水库监测断面处于类标准，元台大桥监测断面超过 V 类标准，洼子店闸监测断面处于类标准之间；其 BOD 值在 110

10、中变化，刘大水库、洼子店闸监测断面指标等级处于 I 类元台大桥监测断面超指标等级处于类标准。对于 COD 指标，元台大桥监测断面超过 V 类标准，其它两个监测断面指标均位于V 类标准。第三章 水质现状评价3.1.单因素法3.1.1.计算原理1 单项水质参数i在j点的标准指标： Sij=Cij/Csi （31）式中，Sij-（i,j）点的污染物浓度或污染物i在预测点j的标准指标；Cij-（i,j）点的污染物浓度或污染物i在预测点j的浓度，mg/L；Csi-水质参数i的水质标准，mg/L。2 DO指数标准为 SDO,j=DOf-DOj/(DOf-DOs) ，DOj>DOs （32） SDO，

11、j=10-9DOj/DOs ， DOj<,DOs （33）DOf=468/（31.6+T）式中，SDO，j-DO的标准指数； DOf-饱满和溶解氧浓度； DOj-溶解氧实测值； Dos-溶解氧的评价标准限值。 3 PH的标准指数 SpH，j=7.0-pH，j/(7.0-pHds),pHj<7.0 （34） SpH，j=pHj-7.0/(pHsu -7.0）,pHj>7.0 （35）式中，pHsdPH的下限值； pHj 实测值； pHsuPH的上限值。 水质参数的指标数>1,表明该水质参数超过了规定的水质标准，已经不能满足使用要求。3.1.2具体计算1 水功能区划分及各水

12、域水质等级的确定 ：本次课设将*流域以刘大水库、元台大桥、洼子店闸三个断面为基准进行流域合并。刘大水库、元台大桥、洼子店闸三个断面的水质等级分别为级、级、级。单因子标准指数的计算：根据单因子指数计算理算得单因子标准指数，并做出水质评价，如表31。表3-1 单因子标准指数的计算结果断面指标PHDONH3-NCODCrBODCODMn温度（T）S1jS2jS3jS4jS5jS6jCsiII级标准6-960.51534Si元台大桥1070.348.147.193.233.20刘大水库108.90.220.602.330.472.92级标准6-95 1 20 4 6 洼子店闸58.50.31.201.

13、630.700.73由单项水质参数评价可知，元台大桥断面污染指标超标最为严重， NH3-N、 CODCr、 BOD、CODMn 均出现超标现象，而刘大水库断面 CODCr、CODMn 出现超标现象，洼子店闸断面 NH3-N、CODCr 出现超标现象。3.2模糊综合评价方法3.2.1计算原理模糊综合评价是以隶属度来描述模糊的水质分级界限的。这一方法不仅承认事物对某范畴的“非此即彼”的关系，而更强调事物对范畴的“亦此亦彼”的客观存在的“中间过渡不分明性”即模糊性。因此，它能准确刻画环境质量的客观存在的状况，并获得符合实际的评价效果。其计算步骤如下。1 评价对象的因子集的建立 在环境质量评价中，因子

14、集就是参与评价的m个污染因子的实际测定质量 浓度组成的模糊子集，记为2 权重的确定 通常各因子的重要程度不同，因此对每个因子赋于1个相应的权重；的确定方法如下：首先计算单项因子权重值公式：=/ （36） 式中，一第1种污染物的权重值；一第1种污染物的实测浓度值； 一第i种污染物并级环境标准的算术均值。=(/)/ （37）上述m项因子指标，分别计算出权重后，组成1个1×m模糊权重集：3 用隶属度来描述环境质量的分组界线。 隶属度的确定方法如下： 假设水体水质可分为n个等级：Z=(I级，II级，n级)。设表示某一 样品一种污染因子的浓度，则对于等级Z的隶属关系可表示为： （38）式中，表

15、示评价因子即指标i对级别j的隶属度(i=1,2,3，m;j=1,2,3, ,n)表示指标i的实测值；表示指标i在j级别时的标准值。由此可建立各环境因素与各评价标准之间的模糊关系m*n的矩阵R （39） 矩阵复合运算模糊评价考虑所有因子的影响，将模糊权集A与模糊评价矩阵R复合运算方法见式210式，得到各被评事物的模糊综合评价向量B。 （310）与模糊矩阵R进行复合运算A*R或一般运算，可得1×n集合B。在集合B中，取每行最大者所对应的水质等级数，为该月份水体的水质级别。3.2.2 具体计算（1）确定权重集选取监测项目DO、BOD、作为本次模糊评价的评价因子，进行模糊评价。1 采用地表水

16、质量标准(GB38382002)见表32，确立等级代表值。表3-2 地表水环境质量标准基本项目标准限值标准项目PH6-9DO（mg/L）7.5 6.0 5.0 3.0 2.0 NH3-N（mg/L）0.15 0.5 1.0 1.5 2.0 CODCr（mg/L）15.0 15.0 20.0 30.0 40.0 BOD（mg/L）3.0 3.0 4.0 6.0 10.0 CODMn（mg/L）2.0 4.0 6.0 10.0 15.0 2 根据单项因子权重值Vi的确定方法见公式36及公式37，计算得到三个监测断面的权重V。如表3-3。（2）计算模糊矩阵 根据隶属函数公式310，计算得到各评价因子

17、与评价标准之间的模糊关系，分别构成(5×5)的模糊矩阵R如下： 元台大桥断面：1000000001000010000.080.920000.440.56 刘大水库断面：100000.570.430000000.510.49100000000.660.34 洼子店闸断面：10000000.60.401000.750.251000000.80.200表3-3 三个监测断面的权重项目各项因子的权重集断面DONH3-NCODCrBODCODMn元台大桥0.160.270.310.130.12刘大水库0.420.050.230.040.25洼子店闸0.420.050.230.040.25（3）

18、 隶属度集合确定利用公式36的矩阵复合运算方法，求得隶属度如表3-4。 表3-4 隶属度项目隶属度断面元台大桥0.16 0.00 0.00 0.06 0.77 刘大水库0.49 0.02 0.00 0.28 0.20 洼子店闸0.51 0.07 0.13 0.23 0.05 （4）模糊评价结果分析根据三个断面隶属度得到的水质等级，元台大桥为I，刘大水库为I，洼子店闸为I。第四章 环境容量的计算4.1污染源调查污染源是指向水体排放或释放污染物的来源。依据污染物的来源、特性、结构形态等不同，污染源分类标准也不一样。按产生污染物的来源分为自然污染源和人为污染源；按对环境要素的影响可分为大气污染源、水

19、体污染源、土壤污染源、生物污染源和其他污染源；按污染途径可分为直接污染源、间接污染源；按污染源排放方式可分为点源、面源。污染源调查是了解环境污染的历史和现状、预测环境污染发展趋势工作中必不可少的工作，是剩余环境容量计算的主要内容。4.1.1相关资料本次污染源调查主要采用排污系数法进行计算，首先统计各流域城乡人口及耕地面积，再乘以各自相应的排污系数计算污染物排放量。根据大连统计年鉴及相关资料得到*流域内人口及农田面积数据各区域人口及耕地面积，表4-1。表4-1各区域人口及耕地面积区域人口数（人）耕地面积（公顷）城镇农村一2389305821812二5124295682681三8833206272

20、5585四75651758737254.1.2系数确定1.点源入河系数根据第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册、大连市2007年环境质量公报，查得普兰店及瓦房店城区的城镇人均排污系数：城镇居民生活污水排放量105升/天，CODCr排放量60克/天，NH3-N排放量7.5克/天；农业人均排污系数：农民生活污水排放量96升/天，CODCr排放量40克/天，NH3-N排放量4克/天；农田灌溉每年平均用水量为433立方米/亩，农田排污系数参考了不同地区的情况综合考虑，本次取每年CODCr排放量10千克/亩，NH3-N排放量2千克/亩。本次入河系数采用类似河流的相关数据确定。排污直接进入划定的水

21、功能区，其入河系数为1：排污未直接进入划定的水功能区，而是排入水功能区以外的一般中小河流，间接进入水功能区，则入河系数CODCr一般取0.72-1.0，NH3-N一般取0.48-1.0。2.面源入河系数确定表4-2农村生活污染物入河系数入河系数从农村化粪池到当地地表水体从当地地表水体进入水功能区CODCr0.750.8NH3-N0.90.5表4-3农田污染入河系数入河系数从农田到当地地表水体从当地地表水体进入水功能区CODCr0.110.5NH3-N0.110.8 3.点污染源调查随着人口的增长和城市化水平提高，生活用水量迅速增加，生活废水排放量也随之增加。城镇生活污染排放量按如公式41计算：

22、Q1=klN （4-1）其中：Q1一城镇生活污水排放量； K1一城镇生活污水人均排污系数； N一城镇人口数量。根据公式41得到城镇生活污染排放量，将其乘以相应的入河系数计算出污染物。表4- 4城镇生活污染排放情况区域城镇人口污水排水量（t）CODCr排放量（t/a）NH3-N排放量（t/a)CODCr入河量（t/a)NH3-N入河量（t/a)一23899155852.32 6.5439.244.12 二5124196377112.22 14.0384.16 8.84三8833338525 193.44 24.18 145.08 15.23 四7565289929 166.67 20.71 12

23、4.26 13.05 4.面源污染调查1 农村生活污染源 由于农村缺乏有效的排水措施，生活污水被排放到村落沟渠，从而造成污水下渗而污染物在沟渠中大量累积。农村生活污染排放量按公式42计算：Q2=k2N (4-2)其中：02一农村生活污水排放量； k2一农村生活污水人均排污系数； N2一农村人口数量。表4- 5农村生活污染排放情况区域农村人口污水排水量（t）CODCr排放量（t/a）NH3-N排放量（t/a)CODCr入河量（t/a)NH3-N入河量（t/a)一305821071593446.50 44.65267.9020.09二295681036063431.69 43.17259.0219

24、.43三206277227876 3011.62 301.161806.97 135.52 256.77 25.68 154.06 11.55 2 农田污染源农田用水一直是供水的主要去向，但农田灌溉后的农药、化肥的排污也是污染的主要来源。本次农田污染排放量根据公式43进行计算。Q3=k3S (43)其中：Q3一农田排污量： k3一农田排污系数；区域农田面积（亩）污水排水量（万t）CODCr排放量（t/a）NH3-N排放量（t/a)CODCr入河量（t/a)NH3-N入河量（t/a)一27179.31177 271.79 54.36 23.922.99 二40218.0

25、1741 402.18 80.44 35.39 4.42 三383776.516618 3837.77 767.56337.72 42.22 四55872.02419558.72 111.74 49.17 6.15 S一农田面积。表4- 6农田污染排放情况5.调查结果分析 将上述调查结果进行汇总，得到*各区域生活及农业污染排放情况汇总（详情见表4- 7）表4- 7 *流域污染排放情况区域污水排放量（万吨）CODCr生活及农田污染排放入河量(ta)NH3-N生活及农田污染排放入河量(ta)一116.43324.7034.89二123.42370.9144.80三107.79546.52167.9

26、9四90.86317.3347.79总计438.501559.46295.47 由表4- 7可知*流域生活及农田污染排放入河量CODCr及NH3-N总计分别为1559.46 t/a、295.47 t/a。其中，各区域的COD污染排放入量依次为324.70 t/a、370.91t/a、546.52 t/a、317.33 t/a；各区域的NH3-N污染排放入量依次为34.89t/a、44.80 t/a、167.99 t/a、47.79 t/a。4.2水环境容量 水环境容量是指在最清洁条件下，水体的最大允许纳污量或者在给定水域范围、给定水质标准、给定水力设计条件下水域的最大允许纳污量。水环境容量按水

27、环境目标分类，可分为自然水环境容量、管理水环境容量；按污染物降解机理可分为稀释水环境容量、自净水环境容量；按污染物性质可分为易降解有机物水环境容量、难降解有机物水环境容量、重金属水环境容量。水体具有存储、输移、降解或使污染物无害化的能从而使自身净化。水环境容量具体可分为三个组成部分：存储容量：由于稀释和沉积作用，污染物逐渐分布于水和底泥中，其浓度达到基准值或标准值时水体所能容纳污染物的量。迁移容量：污染物进入流动水体之中，随着水体向下游移动，它表示水体输移污染物的能力。自净容量：水体对污染物进行降解或无害化的能力。若污染物为有机物，自净容量也常成为同化容量。存储容量和迁移容量统称为稀释容量。由

28、于计算机的普遍应用，将稀释容量分为定常稀释容量和随机稀释容量。其中，定常稀释容量只是随机稀释容量在水文随机波动超过某一概率时的一个特例，它没有考虑水源(水量及水质)的波动情况，而随机稀释容量考虑了在概率控制条件下水量、水质、环境标准的系统分布，体现了水环境容量的时空分布不均匀性。4.3水环境容量计算4.3.1理想环境容量计算(一维模型)解析公式法是采用稳态水质数学模型，计算某一设计条件(或保证率)下，符合规定水质标准的河流平均纳污能力，即稳态水环境容量。一般认为水环境容量由稀释容量和自净容量两部分组成，可由公式4-1算出。W=W稀释+W自净=Q0Cs-C0+KVCs (4-4) 式中：Q0入流

29、流量，m3/s； Cs水质标准，mg/L； C0进水水质，mg/L； K自净系数，1/d； V水体体积，m3。其中，K可由公式 C（x）=C0exp（-Kx/u）,x=ut求得； 体积可由公式 V=L(Q0/u) 求得式中，u流速, m/s； L为河长，km； x计算段距离，km； 并假设污水进水水质污染物浓度为O，所得为理相状态下的环境容量称为理想环境容量。根据所收集的*各功能区的河段面积、平均径流深，算的各功能区的年径流量如表4-8所示。表4-8 *各区域年径流量分区河段河流长度（Km）面积（Km2）平均径流深（mm）流域年径流量（亿m3）河流流量（m3/s）区域一源头到刘大水库10.62

30、01.643000.605 1.918 区域二刘大水库到元台大桥21.4203.312700.549 3.659 区域三元台大桥到洼子店拦河闸57.2491.772411.185 7.417 区域四洼子店拦河闸到入海口7.391.712310.212 8.089 根据*采样断面布设可知，在元台大桥断面到洼子店拦河闸断面之间可利用公式（4-2）,由表2-8得其各断面各污染因子浓度，又假设其流速u为1m/s求得CODCr、NH3-N的污染物消减系数。𝐾（CODCr）= 1.81 𝐾 （NH3-N） = 1.84根据公式44得到计算结果如表4- 9。表4- 9*理想环

31、境容量结果区域CODCr标准值（mg/L）NH3-N 标准值（mg/L）CODCr 实际浓度（mg/L）NH3-N 实际浓度（mg/L）CODCr 水环境容量（t/a）NH3-N 水环境容量（t/a）一150.5001108.8937.09二150.534.90.3-1519.8249.44三201.0107.84.07-14927.48-432.41四301.532.51.20533.33136.17总计-14805.08-209.714.3.2消减容量计算*流域的理想环境容量减去相应的生活及农田污染排放入河量，计算出*各区域及剩余环境容量,见表410。表4- 10剩余环境容量情况区域COD

32、Cr 水环境容量（t/a）CODCr 污染入河排放量（t/a）CODCr 削减量（t/a）NH3-N 水环境容量（t/a）NH3-N 污染入河排放量（t/a）NH3-N 削减容量（t/a）一1108.89322.09594.8937.0928.998.1二-1519.82365.30-2618.6949.4435.3514.09三-14927.48536.85-20763.8-432.4196.29-528.7四533.33309.05-882.13136.1734.43101.74总计-14805.081533.29-23669.7-209.71195.06-404.77 4.3.3小结*流域CODcr削减量总计为-23669.7t/a， 其中只有区域一水环境容量有剩余。 NH3-N削减量总计为-404.77t/a,其中只有区域三已超载，无可利用的水环境容量剩余。总体而言，可利用情况由好到坏为区域一>区域二>区域四>区域三。通过上述剩余环境容量分析，可知*剩余的环境容量为工业发展提供了一定的污染物排放空间，但环境容