第五章水环境规划(必修)

1、环境规划课程讲义环境规划课程讲义第五章第五章 水环境规划水环境规划第五章第五章 水环境规划水环境规划 水环境规划是协调人类社会经济发展与水环境保护之间水环境规划是协调人类社会经济发展与水环境保护之间关系的重要途径和手段。它是在水资源危机纷呈的背景下关系的重要途径和手段。它是在水资源危机纷呈的背景下产生和发展起来的，特别是近产生和发展起来的，特别是近20年来，由于人口和经济的年来，由于人口和经济的快速增长，以致对水量、水质的需求越来越高；但另一方快速增长，以致对水量、水质的需求越来越高；但另一方面，水资源日益枯竭、水环境污染日趋严重，使水环境问面，水资源日益枯竭、水环境污染日趋严重，使水环境问题

2、的矛质越来越尖锐。题的矛质越来越尖锐。 水环境规划作为解决这一问题的有效手段，因而受到了水环境规划作为解决这一问题的有效手段，因而受到了普遍的重视，并在实践中得到了广泛的应用。普遍的重视，并在实践中得到了广泛的应用。 第一节第一节 水环境规划的内容和类型水环境规划的内容和类型一一 、水环境规划的内容、水环境规划的内容 水环境规划是对某一时期内的水环境保护目标和措施所作水环境规划是对某一时期内的水环境保护目标和措施所作出的统筹安排和设计出的统筹安排和设计。目的。目的是在发展经济的同时保护好水质，是在发展经济的同时保护好水质，合理地开发和利用水资源，充分地发挥水体的多功能用途，在合理地开发和利用水

3、资源，充分地发挥水体的多功能用途，在达到水环境目标的基础上，寻求最小（或较小）的经济代价或达到水环境目标的基础上，寻求最小（或较小）的经济代价或最大（或较大）的经济和环境效益。最大（或较大）的经济和环境效益。 水环境规划是区域规划和城市规划的重要组成部分水环境规划是区域规划和城市规划的重要组成部分，在规，在规划中必须贯彻经济建设与环境保护协调发展的原则。在水环境划中必须贯彻经济建设与环境保护协调发展的原则。在水环境规划时，首先应对水环境系统进行综合分析，摸清水量水质的规划时，首先应对水环境系统进行综合分析，摸清水量水质的供需情况，合理确定水体功能和水质目标，进而对水的开采、供需情况，合理确定水

4、体功能和水质目标，进而对水的开采、供给、使用、处理和排放等各个环节作出统筹的安排和决策。供给、使用、处理和排放等各个环节作出统筹的安排和决策。 水环境规划过程简图水环境规划过程简图明确明确问题问题确定确定规划目标规划目标选定选定规划方法规划方法拟定拟定规划措施规划措施提出提出供选方案供选方案规划方案规划方案二二 、水环境规划的类型及层次、水环境规划的类型及层次 根据水环境规划研究的对象，可将其大体分为两大类型：根据水环境规划研究的对象，可将其大体分为两大类型：1. 水污染控制系统规划水污染控制系统规划*（或称（或称水质控制规划水质控制规划） 以实现水体功能要求为目标，是水环境规划的基础。以实现

5、水体功能要求为目标，是水环境规划的基础。 流域水污染控制规划；流域水污染控制规划；城市（区域）水污染控制规划；城市（区域）水污染控制规划； 水污染控制设施规划；水污染控制设施规划；2. 水资源系统规划水资源系统规划（或称（或称水资源利用规划水资源利用规划） 强调水资源的合理开发利用和水环境保护，以满足国民经济强调水资源的合理开发利用和水环境保护，以满足国民经济和社会发展的需要为宗旨，是水环境规划的落脚点。和社会发展的需要为宗旨，是水环境规划的落脚点。 流域水资源规划；流域水资源规划； 地区水资源规划；地区水资源规划； 专业水资源规划；专业水资源规划；流域水污染控制规划；流域水污染控制规划； 研

6、究受纳水体（流域、湖泊或水库）控制的流域范围内的研究受纳水体（流域、湖泊或水库）控制的流域范围内的水污染防治问题水污染防治问题。城市（区域）水污染控制规划；城市（区域）水污染控制规划； 对某个城市地区内的污染源提出控制措施，以保证该区域对某个城市地区内的污染源提出控制措施，以保证该区域内水污染总量控制目标的实现内水污染总量控制目标的实现。水污染控制设施规划；水污染控制设施规划； 对某个具体的水污染控制系统，如一个污水处理厂及与对某个具体的水污染控制系统，如一个污水处理厂及与其有关的下水道系统作出建设规划。其有关的下水道系统作出建设规划。 水资源系统规划水资源系统规划是指应用系统分析的方法和原理

7、，在某区是指应用系统分析的方法和原理，在某区域内为水资源的开发利用和水患的防治所制定的总体措施、计域内为水资源的开发利用和水患的防治所制定的总体措施、计划与安排。划与安排。 基本任务基本任务是：根据国家或地区的经济发展计划，改善生态是：根据国家或地区的经济发展计划，改善生态环境要求，以及各行业对水资源的需求，结合区域内水资源的环境要求，以及各行业对水资源的需求，结合区域内水资源的条件和特点，选定规划目标，拟定合理开发利用方案，提出工条件和特点，选定规划目标，拟定合理开发利用方案，提出工程规模和开发程序方案。它将作为区域各项水工程设计的基础程规模和开发程序方案。它将作为区域各项水工程设计的基础和

8、编制国家水利建设长远技术的依据。和编制国家水利建设长远技术的依据。第二节第二节 水环境规划基础水环境规划基础一一 、水环境容量、水环境容量二、水环境功能区划分二、水环境功能区划分三、水污染控制单元三、水污染控制单元四、水环境污染控制规划模型四、水环境污染控制规划模型第二节第二节 水环境规划基础水环境规划基础一一 、水环境容量、水环境容量定义定义 、影响要素影响要素*、基本特征、基本特征 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。量。在理论上在理论上，水环境容量是环境的自然规律参数与社会效益参，水环境容量是环境的自然规律参数与

9、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，也数的多变量函数；它反映污染物在水体中的迁移、转化规律，也满足特定功能条件下水环境对污染物的承受能力。满足特定功能条件下水环境对污染物的承受能力。在实践上在实践上，水，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。约束条件，也是污染物总量控制的关键参数。 水环境容量的大小与水环境容量的大小与水体特征水体特征、水质目标水质目标和和污染物特性污染物特性有关。有关。 还与还与污染物的排放方式和排放的时空分布污染物的排放方式和排放的

10、时空分布有关。有关。 资源性、区域性、系统性、客观性、社会性资源性、区域性、系统性、客观性、社会性水环境容量可根据应用机制的不同进行分类水环境容量可根据应用机制的不同进行分类一一 、水环境容量、水环境容量 分类分类 自然自然水环境容量水环境容量 管理管理水环境容量水环境容量按水按水环境环境目标目标分类分类耗养耗养有机有机物水物水环境环境容量容量有毒有毒有机有机物水物水环境环境容量容量重金重金属水属水环境环境容量容量稀释稀释容量容量自净自净容量容量 可更可更新容量新容量不可更不可更新容量新容量按污按污染物染物分类分类按降解按降解 机制机制 分类分类 按可按可 再生再生性分类性分类按可按可分配分配

11、性分类性分类 可分配可分配 容量容量 不可不可 分配分配 容量容量1. 水域概化水域概化。将天然水域（河流、湖泊水库）概化成计算水域。将天然水域（河流、湖泊水库）概化成计算水域。天然河道可概化成顺直河道，复杂的河道地形可进行简化处理，天然河道可概化成顺直河道，复杂的河道地形可进行简化处理，非稳态水流可简化为稳态水流等。水域概化的结果，是能够利非稳态水流可简化为稳态水流等。水域概化的结果，是能够利用简单的数学模型来描述水质变化规律。用简单的数学模型来描述水质变化规律。支流、排污口、取水支流、排污口、取水口等影响水环境的因素也要进行相应概化口等影响水环境的因素也要进行相应概化。若排污口距离较近，。

12、若排污口距离较近，可把多个排污口简化成集中的排污口。可把多个排污口简化成集中的排污口。2. 基础资料调查与评价。基础资料调查与评价。调查与评价水域水文资料、水域水质调查与评价水域水文资料、水域水质资料，收集水域内的排污口资料（废水排放量与污染物浓度）、资料，收集水域内的排污口资料（废水排放量与污染物浓度）、支流资料（支流水量与污染物浓度）、取水口资料（取水量，支流资料（支流水量与污染物浓度）、取水口资料（取水量，取水方式）、污染源资料等（排污量、排污去向与排放方式），取水方式）、污染源资料等（排污量、排污去向与排放方式），进行数据一致性分析，形成数据库。进行数据一致性分析，形成数据库。一一 、

13、水环境容量、水环境容量 计算步骤计算步骤全国水环境容量核定技术指南全国水环境容量核定技术指南2003年年3. 选择控制点（或边界选择控制点（或边界）。）。根据水环境功能区划和水域内的水根据水环境功能区划和水域内的水质敏感点位置分析，确定水质控制断面的位置和浓度控制标准。质敏感点位置分析，确定水质控制断面的位置和浓度控制标准。对于包含污染混合区的环境问题，则需根据环境管理的要求确对于包含污染混合区的环境问题，则需根据环境管理的要求确定污染混合区的控制边界。定污染混合区的控制边界。4. 建立水质模型建立水质模型。根据实际情况选择建立零维、一维或二维水。根据实际情况选择建立零维、一维或二维水质模型，

14、在进行各类数据资料的一致性分析的基础上，确定模质模型，在进行各类数据资料的一致性分析的基础上，确定模型所需的各项参数。型所需的各项参数。5. 容量计算分析容量计算分析。应用设计水文条件和上下游水质限制条件进。应用设计水文条件和上下游水质限制条件进行水质模型计算，利用试算法（根据经验调整污染负荷分布反行水质模型计算，利用试算法（根据经验调整污染负荷分布反复试算，直到水域环境功能区达标为止）或建立线性规划模型复试算，直到水域环境功能区达标为止）或建立线性规划模型（建立优化的约束条件方程）等方法确定水域的水环境容量。（建立优化的约束条件方程）等方法确定水域的水环境容量。6. 环境容量确定环境容量确定

15、。在上述容量计算分析的基础上，扣除非点源。在上述容量计算分析的基础上，扣除非点源污染影响部分，得出实际环境管理可利用的水环境容量。污染影响部分，得出实际环境管理可利用的水环境容量。一一 、水环境容量、水环境容量 计算步骤计算步骤 水环境容量的设计条件是根据已出现过的各种环境条件和水环境容量的设计条件是根据已出现过的各种环境条件和污染条件，如水文、水温、流速、流量、水质、排污浓度和排污染条件，如水文、水温、流速、流量、水质、排污浓度和排污量等，考虑各种可预测到的未来变化范围，寻求最不利于控污量等，考虑各种可预测到的未来变化范围，寻求最不利于控制污染的自然条件，并提出这种自然条件下的环境目标条件及

16、制污染的自然条件，并提出这种自然条件下的环境目标条件及其他约束条件。其他约束条件。 平均化过程是设计条件的主要过程，即在稳态条件下平均平均化过程是设计条件的主要过程，即在稳态条件下平均化，或在概率分布条件下平均化。由此构成了两类设计条件：化，或在概率分布条件下平均化。由此构成了两类设计条件：随机（或概率分布）设计条件随机（或概率分布）设计条件和和稳态（或定常）设计条件稳态（或定常）设计条件。 设计条件的内容主要包括自然条件、排污条件、目标条件设计条件的内容主要包括自然条件、排污条件、目标条件和约束条件等。时期、时段和保证率是建立这些条件必不可少和约束条件等。时期、时段和保证率是建立这些条件必不

17、可少的三要素。具体内容包括：的三要素。具体内容包括：设计自然条件设计自然条件；设计排污条件设计排污条件；设设计目标条件计目标条件；设计约束条件设计约束条件。一一 、水环境容量、水环境容量 设计条件设计条件 二、水环境功能区划分二、水环境功能区划分原则原则 1. 集中式饮用水源地优先保护集中式饮用水源地优先保护 2. 不得降低现状使用功能不得降低现状使用功能 3. 统筹考虑专业用水标准要求统筹考虑专业用水标准要求 4. 上下游、区域间互相兼顾，适当考虑潜在功能要求上下游、区域间互相兼顾，适当考虑潜在功能要求 5. 合理利用水体自净能力和环境容量合理利用水体自净能力和环境容量 6. 与陆上工业合理

18、布局相结合与陆上工业合理布局相结合 7. 对地下饮用水源地污染的影响对地下饮用水源地污染的影响 8. 实用可行，便于管理实用可行，便于管理 2. 划分步骤划分步骤 水环境功能区划分可分为水环境功能区划分可分为 4个阶段：个阶段： 技术准备技术准备、定性判断定性判断、定量决策定量决策、综合评价综合评价。二、水环境功能区划分二、水环境功能区划分方法与步骤方法与步骤1. 系统分析系统分析 水环境保护功能区划分的目的，就是提出明确的水质保水环境保护功能区划分的目的，就是提出明确的水质保护目标并最终加以实现。确定该水质目标的过程是一个系统护目标并最终加以实现。确定该水质目标的过程是一个系统分析过程。分析

19、过程。确定环境保护目标的系统分析过程图确定环境保护目标的系统分析过程图 选择相应选择相应的环境质的环境质量标准量标准建立排污量与环境建立排污量与环境质量标准间的定质量标准间的定量关系，污染源量关系，污染源影响评价影响评价政策协调政策协调行政决策行政决策现状功能可达性现状功能可达性分析确定主要分析确定主要人工污染源人工污染源 功能分区功能分区 提出保护提出保护 目标目标负责分配，工程规划，环境负责分配，工程规划，环境技术和经济综合优化技术和经济综合优化分析实现目标可供选分析实现目标可供选择的方法，规划不同择的方法，规划不同总量的控制途径，进总量的控制途径，进行指定功能，可达性行指定功能，可达性分

20、析分析三、水污染控制单元三、水污染控制单元 水污染控制单元是由水污染控制单元是由源源和和水域水域两部分组成的可操纵实体。两部分组成的可操纵实体。水域水域是根据水体不同的使用功能并结合行政区划而定，是根据水体不同的使用功能并结合行政区划而定，源源则则是排入相应受纳水域的所有污染源的集合。是排入相应受纳水域的所有污染源的集合。 水污染控制单元作为可操作实体，既可体现输入响应关系水污染控制单元作为可操作实体，既可体现输入响应关系时间、空间与污染物类型的基本特征，又可以在单元内与单时间、空间与污染物类型的基本特征，又可以在单元内与单元间建立量化的输入响应模型，反映出源与目标间、区域与元间建立量化的输入

21、响应模型，反映出源与目标间、区域与区域间的相互作用；优化决策方案可以在控制单元内得以实区域间的相互作用；优化决策方案可以在控制单元内得以实施；复杂的系统问题可以分解为单元问题来处理，以使整个施；复杂的系统问题可以分解为单元问题来处理，以使整个系统的问题得到最终解决。系统的问题得到最终解决。 举例举例四、水环境污染控制规划模型四、水环境污染控制规划模型 在水污染控制系统规划中，规划方法的选择是决定规划在水污染控制系统规划中，规划方法的选择是决定规划成败的关键，也是规划的核心内容。根据解决水污染问题成败的关键，也是规划的核心内容。根据解决水污染问题的途径，可将水污染控制系统规划分为两大类：的途径，

22、可将水污染控制系统规划分为两大类： 1. 系统的最优化问题系统的最优化问题 2. 规划方案的模拟选优问题规划方案的模拟选优问题 1. 最优化问题最优化问题 所谓水污染控制系统的最优化问题，就是所谓水污染控制系统的最优化问题，就是利用数学规划方利用数学规划方法，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小的费用达到所规定的水质目标。对于这类问题可分为三种：。对于这类问题可分为三种：四、水环境污染控制规划模型四、水环境污染控制规划模型 l 排污口最优化处理排污口最优化处理( (水质规划问题水质规划问题) )l

23、 最优化均匀处理（厂群规划问题）最优化均匀处理（厂群规划问题）l 区域最优化处理区域最优化处理 2. 模拟选优问题模拟选优问题 规划方案的模拟选优与最优规划方法不同，规划方案的模拟选优与最优规划方法不同，其是先进行污其是先进行污水输送与处理设施规划研究，提出各种可供选择比较的规划方水输送与处理设施规划研究，提出各种可供选择比较的规划方案案，这时，可先不考虑污水输送和处理系统与水体之间的关系，这时，可先不考虑污水输送和处理系统与水体之间的关系，然后对各种方案中的污水排放与水体之间的关系进行水质模拟然后对各种方案中的污水排放与水体之间的关系进行水质模拟计算，检验规划方案的可行性，最后从可行方案中找

24、出比较好计算，检验规划方案的可行性，最后从可行方案中找出比较好的方案的方案。该方法将定性分析与定量计算结合在一起，先定性确。该方法将定性分析与定量计算结合在一起，先定性确定模拟的范围再进行定量的模拟计算，最后选优确定最佳实用定模拟的范围再进行定量的模拟计算，最后选优确定最佳实用方案。方案。 四、水环境污染控制规划模型四、水环境污染控制规划模型 第三节第三节 水环境规划的技术措施水环境规划的技术措施水环境污染整治的途径大致有两种：水环境污染整治的途径大致有两种：1. 减少污染物排放负荷减少污染物排放负荷 包括清洁生产工艺、包括清洁生产工艺、污染物排放浓度控制和总量控制污染物排放浓度控制和总量控制

25、（容量总量控制、目标总量控制、行业总量控制）（容量总量控制、目标总量控制、行业总量控制）、污水处理等。污水处理等。2. 提高或充分利用水体的自净能力提高或充分利用水体的自净能力 包括河流流量调控、河内人工复氧和污水调节等。包括河流流量调控、河内人工复氧和污水调节等。 水环境规划方案制定后，为了检验和比较各个方案的可行水环境规划方案制定后，为了检验和比较各个方案的可行性与可操作性，可通过性与可操作性，可通过费用一效益分析费用一效益分析、可行性分析可行性分析以及以及水水环境承载力分析环境承载力分析，对规划方案进行综合评价，从而为最佳规，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

26、依据。划方案的选择与决策提供科学依据。第四节第四节 规划方案的综合评价规划方案的综合评价牛栏江小流域水环境规划牛栏江小流域水环境规划流域概况流域概况：牛栏江小流域位于云南省寻甸县东南部，其干流牛：牛栏江小流域位于云南省寻甸县东南部，其干流牛栏江是寻甸县内最重要的河流，也是长江上游金沙江的一级支栏江是寻甸县内最重要的河流，也是长江上游金沙江的一级支流。流。 流域所在的寻甸县地处昆明市北部，横跨金沙江、南盘江流域所在的寻甸县地处昆明市北部，横跨金沙江、南盘江两流域之间两流域之间 。牛栏江小流域流经了包括寻甸县城仁德镇在内的。牛栏江小流域流经了包括寻甸县城仁德镇在内的7 个乡镇，流域面积个乡镇，流域

27、面积1133 km2。 沿牛栏江两岸的寻甸坝子土地沿牛栏江两岸的寻甸坝子土地肥沃，是寻甸县粮烟的主产区之一，也是寻甸县政治、经济、肥沃，是寻甸县粮烟的主产区之一，也是寻甸县政治、经济、文化和交通中心。文化和交通中心。2003 年牛栏江流域内人口共年牛栏江流域内人口共217 409人，国民人，国民生产总值生产总值7 108 元，是寻甸县经济文化最为发达的区域。元，是寻甸县经济文化最为发达的区域。实例实例小流域水环境规划框架小流域水环境规划框架 牛栏江小流域内集中了寻甸县主要的工业企业，是牛栏江小流域内集中了寻甸县主要的工业企业，是工业污水的工业污水的纳污水体纳污水体。由于城市污水处理设施建设的严

28、重滞后和管网设施的。由于城市污水处理设施建设的严重滞后和管网设施的不配套，不配套，城镇生活污水大量排入水体城镇生活污水大量排入水体，加上，加上严重的水土流失以及严重的水土流失以及畜禽养殖等农业面源污染畜禽养殖等农业面源污染，牛栏江小流域水环境质量受到严重威，牛栏江小流域水环境质量受到严重威胁。胁。 根据污染负荷分析，根据污染负荷分析，2003 年小流域内年小流域内CODCr 和和NH3-N 的入的入河总量分别为河总量分别为2300 t/a 和和131 t/a。牛栏江的水质近年来基本保持在。牛栏江的水质近年来基本保持在类，枯水期降为类，枯水期降为类。在现状调查的基础上预测污染负荷，由类。在现状调

29、查的基础上预测污染负荷，由于社会经济的快速发展，污染负荷呈大幅增加之势，到于社会经济的快速发展，污染负荷呈大幅增加之势，到2010 年，年， CODCr 和和NH3-N 的入河总量分别上升为的入河总量分别上升为2967.2 t/a和和196.6 t/a ，对，对应的水质降为应的水质降为类，无法满足水环境功能区划的要求。类，无法满足水环境功能区划的要求。水环境现状分析及发展趋势预测水环境现状分析及发展趋势预测 牛栏江小流域及其水污染控制单元划分牛栏江小流域及其水污染控制单元划分水污染控制单元划分水污染控制单元划分根据牛栏江小流域系统特征，在污染负荷分析的基础上，将牛根据牛栏江小流域系统特征，在污

30、染负荷分析的基础上，将牛栏江划分为栏江划分为3个水污染控制单元。个水污染控制单元。控制单元控制单元I（工业污染重点控制区）：（工业污染重点控制区）：牛栏江上游流入该单元的牛栏江上游流入该单元的天然径流较小，且该段河床的渗透性较强，根据城市功能分区，天然径流较小，且该段河床的渗透性较强，根据城市功能分区，寻甸县的工业绝大部分都分布在该单元的集水区内，该单元特寻甸县的工业绝大部分都分布在该单元的集水区内，该单元特征为征为天然水量小、河床渗透强、未来污染强度大天然水量小、河床渗透强、未来污染强度大。控制单元控制单元II（生活点源污染重点控制区）：（生活点源污染重点控制区）：该单元流经县城任德该单元流

31、经县城任德镇，城镇人口较多，镇，城镇人口较多，县城的工业和生活污水主要汇入该单元内县城的工业和生活污水主要汇入该单元内，从而大大增加了牛栏江的污染负荷。从而大大增加了牛栏江的污染负荷。控制单元控制单元III（水质恢复区）：（水质恢复区）：单元内产业结构以农业为主，基单元内产业结构以农业为主，基本无工业，可考虑作为牛栏江的自净河段，充分利用河段水体本无工业，可考虑作为牛栏江的自净河段，充分利用河段水体自净作用，以便减轻牛栏江出水水质对下游带来的不利影响。自净作用，以便减轻牛栏江出水水质对下游带来的不利影响。 为便于水环境容量的计算，将排污口的位置概化为各控制单元为便于水环境容量的计算，将排污口的

32、位置概化为各控制单元起点控制断面处，则各河段水环境容量值就等于各控制单元起点起点控制断面处，则各河段水环境容量值就等于各控制单元起点控制断面处的最大允许排放量，根据对水文和污染排放特征的分控制断面处的最大允许排放量，根据对水文和污染排放特征的分析，假定在排污口断面完成均匀混合，可按一维问题简化计算条析，假定在排污口断面完成均匀混合，可按一维问题简化计算条件，选取的水环境容量模型如下：件，选取的水环境容量模型如下：水环境容量研究水环境容量研究 W河段环境容量，河段环境容量，g/s; Cp上游来水设计水质浓度，上游来水设计水质浓度，mg/L;Qp上游来水设计水量，上游来水设计水量，m3/s；Qw污水流量，污水流量， m3/s；K衰减系数，衰减系数，d-1； Cs控制河段水质标准，控制河段水质标准，mg/L； U河流平均流速，河流平均流速，m/s，取实测值，取实测值0.05m/s；x稀释混合区的长度，稀释混合区的长度，m；由于流量较小，稀释混合区取；由于流量较小，稀释混合区取5000m。总量控