流域水质模型与模拟Chapter8
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第八章 基于水质模型的流域 水质管理
本章内容
流域水质管理概述 流域水质管理模型 水质评价模型 流域水质规划模型 案例分析
第八章 基于水质模型的流域水质管理
流域水质管理概述
流域水质管理概念 流域水质管理工作内容
流域水功能 分区 流域污染源评价 流域水质评价
控制单元划分
流域水环境 质量标准
水质问题分析
水环境功能分析
总量控制指标确定
水质保护目标确定
水环境容量计算 污染物总量 控制 污染源削减量分配
总量控制方案制定
流域水质管理体系框架
第八章 基于水质模型的流域水质管理
流域水质管理模型
BASINS模型
概述
Better Assessment Science Integrating Point and Non-point Sources， 即综合点源和非点源较好的评价原则，是由美国环保局（USEPA） 发布的多目标环境分析系统，基于GIS环境，可对水系和水质进 行模拟，是达到最新技术发展水平的环境评价和建模工具的一个 程序包。
开发理念 （1）基于现有技术和文档 集成现有模型（HSPF，Qual2e，swat） 集成national derived data coverages (PCS，STORET) （2）用GIS技术支持组织、显示、选择、分析信息 （3）与数据和分析工具互动的GUI。
（4）对信息流的自动连接
系统界面
WARMF模型
美国EPRI发起研制
支持流域管理和TMDL
以水环境为中心的流域管理决策支持系统（DSS）， 主要通过引导涉益者（stakehoklers）参与水质管理方案 制定、总量负荷计算、分配及其成本效益分析达到对整个 流域管理的目的。
功能模块
（1）工程模块 （2）涉益者参与模块 （3）总量负荷计算模块 （4）数据模块
分区基本原则
分区方法与步骤
（1）系统分析，综合调查，搜集基础资料
（2）综合定性判断阶段
（3）定量决பைடு நூலகம்阶段 （4）综合决策阶段
划分类型
水功能区划
一级区划
保护区
缓冲区
开发利用区
保留区
二级区划
饮 用 水 源 区
工 业 用 水 区
农 业 用 水 区
渔 业 用 水 区
景 观 娱 乐 用 水 区
航 运 用 水 区
（5）知识模块
模型功能
（1）逐日预测河、湖的水文、水质随时间的变化特征； （2）模拟引起河、湖水质污染的点源与非点源负荷在空间上的 分布； （3）支持流域水质总量负荷计算、排污交易（包括点源、非点 源内部及其之间）及其经济/效益分析； （4）支持水质污染风险分析，表现在：选取天然或人为风险事 件，模拟水质污染的风险；
Nij
Pij
Cij C0 j
Qij
Cij
C0 j Pij Kij Pj
流域水质评价
单因子评价
Ci Ii Si
多因子综合指数评价 直接叠加法 加权平均法 向量模法 算术平均法 内梅罗（Nemerow）水质指数
第八章 基于水质模型的流域水质管理
流域水质规划模型
流域水功能分区
分配原则
分配思路
总量控制模型
线性规划法 非线性规划法 整数规划法
0-1型整数规划模型
（1）数学优化法
混合整数规划
动态规划法 离散规划法
（2）非数学优化法
等比例法
一般等比例分配 排污标准加权分配 分区加权分配
调节系数分配法
按贡献率削减排污量分配法 行政协商分配法
控制方案制定
（1）根据流域规划区域内主要控制污染物的总量控制数和削减量 分配额，按照近期为主、远近结合的原则，有针对性的拟定各种 治理工程方案。 （2）对各治理方案进行可行性分析，在此基础上，可以对不用的 工程方案进行优化、对比，从而得出规划区的多种组合治理方案。
计算步骤
水域概化
基础资料调查与评价 选择控制点（或边界）
建立水质模型
容量计算分析 环境容量确定
计算模型
零维水环境容量模型 一维水环境容量模型 二维水环境容量模型 湖泊的水环境容量模型
流域污染物总量控制
基本概念
控制单元划分 削减目标
水污染物削减量 = 预测排放量 - 允许排放量
削减量分配
第八章 基于水质模型的流域水质管理
案例分析
宁波市水环境功能区划 BASINS模型实例研究 WARMF模型实例研究
（5）评估流域生态环境管理方案，如：缓冲带建立、水资源调 配、农耕方式、农药化肥施放等水环境效果评估；
（6）引导涉益者参与流域管理决策制定等。
第八章 基于水质模型的流域水质管理
水质评价模型
流域污染源评价
排污量法
污径比法 超标法 排毒指标法 等标污染评价法 等标污染指数 等标污染负荷 污染负荷比
特点
支持基于流域的分析和Total Maximum Daily Loads (TMDL)集成的 GIS、数据分析、建模。
组成
（1）数据提取（Data Extraction）工具和方案定制（Project Builders）工具
（2） 评价工具，包括污染控制目标分析（Target）、科学评价 （Assess）和数据挖掘（Data Mining） （3）流域边界划定工具 （4）数据管理工具，包括数字高程（DEM）、土地利用（Land Use）、土壤（Soils）和水质观测（Water Quality Observation） （5）流域特征报告 （6）QUAL2E （7）HSPF （8）SWAT （9）PLOAD
排 污 控 制 区
流域水环境容量模型
基本概念
在给定水域范围和水文条
件，规定排污方式和水质目标 W自净 的前提下，单位时间内该水域 最大允许纳污量，称作水环境
自净
容量。
W稀释
稀释
排放方式
水环境容量概念示意图
环境容量特征
资源性 区域性 系统性
影响因素
水域特征 环境功能要求 污染物质 排污方式
本章内容
流域水质管理概述 流域水质管理模型 水质评价模型 流域水质规划模型 案例分析
第八章 基于水质模型的流域水质管理
流域水质管理概述
流域水质管理概念 流域水质管理工作内容
流域水功能 分区 流域污染源评价 流域水质评价
控制单元划分
流域水环境 质量标准
水质问题分析
水环境功能分析
总量控制指标确定
水质保护目标确定
水环境容量计算 污染物总量 控制 污染源削减量分配
总量控制方案制定
流域水质管理体系框架
第八章 基于水质模型的流域水质管理
流域水质管理模型
BASINS模型
概述
Better Assessment Science Integrating Point and Non-point Sources， 即综合点源和非点源较好的评价原则，是由美国环保局（USEPA） 发布的多目标环境分析系统，基于GIS环境，可对水系和水质进 行模拟，是达到最新技术发展水平的环境评价和建模工具的一个 程序包。
开发理念 （1）基于现有技术和文档 集成现有模型（HSPF，Qual2e，swat） 集成national derived data coverages (PCS，STORET) （2）用GIS技术支持组织、显示、选择、分析信息 （3）与数据和分析工具互动的GUI。
（4）对信息流的自动连接
系统界面
WARMF模型
美国EPRI发起研制
支持流域管理和TMDL
以水环境为中心的流域管理决策支持系统（DSS）， 主要通过引导涉益者（stakehoklers）参与水质管理方案 制定、总量负荷计算、分配及其成本效益分析达到对整个 流域管理的目的。
功能模块
（1）工程模块 （2）涉益者参与模块 （3）总量负荷计算模块 （4）数据模块
分区基本原则
分区方法与步骤
（1）系统分析，综合调查，搜集基础资料
（2）综合定性判断阶段
（3）定量决பைடு நூலகம்阶段 （4）综合决策阶段
划分类型
水功能区划
一级区划
保护区
缓冲区
开发利用区
保留区
二级区划
饮 用 水 源 区
工 业 用 水 区
农 业 用 水 区
渔 业 用 水 区
景 观 娱 乐 用 水 区
航 运 用 水 区
（5）知识模块
模型功能
（1）逐日预测河、湖的水文、水质随时间的变化特征； （2）模拟引起河、湖水质污染的点源与非点源负荷在空间上的 分布； （3）支持流域水质总量负荷计算、排污交易（包括点源、非点 源内部及其之间）及其经济/效益分析； （4）支持水质污染风险分析，表现在：选取天然或人为风险事 件，模拟水质污染的风险；
Nij
Pij
Cij C0 j
Qij
Cij
C0 j Pij Kij Pj
流域水质评价
单因子评价
Ci Ii Si
多因子综合指数评价 直接叠加法 加权平均法 向量模法 算术平均法 内梅罗（Nemerow）水质指数
第八章 基于水质模型的流域水质管理
流域水质规划模型
流域水功能分区
分配原则
分配思路
总量控制模型
线性规划法 非线性规划法 整数规划法
0-1型整数规划模型
（1）数学优化法
混合整数规划
动态规划法 离散规划法
（2）非数学优化法
等比例法
一般等比例分配 排污标准加权分配 分区加权分配
调节系数分配法
按贡献率削减排污量分配法 行政协商分配法
控制方案制定
（1）根据流域规划区域内主要控制污染物的总量控制数和削减量 分配额，按照近期为主、远近结合的原则，有针对性的拟定各种 治理工程方案。 （2）对各治理方案进行可行性分析，在此基础上，可以对不用的 工程方案进行优化、对比，从而得出规划区的多种组合治理方案。
计算步骤
水域概化
基础资料调查与评价 选择控制点（或边界）
建立水质模型
容量计算分析 环境容量确定
计算模型
零维水环境容量模型 一维水环境容量模型 二维水环境容量模型 湖泊的水环境容量模型
流域污染物总量控制
基本概念
控制单元划分 削减目标
水污染物削减量 = 预测排放量 - 允许排放量
削减量分配
第八章 基于水质模型的流域水质管理
案例分析
宁波市水环境功能区划 BASINS模型实例研究 WARMF模型实例研究
（5）评估流域生态环境管理方案，如：缓冲带建立、水资源调 配、农耕方式、农药化肥施放等水环境效果评估；
（6）引导涉益者参与流域管理决策制定等。
第八章 基于水质模型的流域水质管理
水质评价模型
流域污染源评价
排污量法
污径比法 超标法 排毒指标法 等标污染评价法 等标污染指数 等标污染负荷 污染负荷比
特点
支持基于流域的分析和Total Maximum Daily Loads (TMDL)集成的 GIS、数据分析、建模。
组成
（1）数据提取（Data Extraction）工具和方案定制（Project Builders）工具
（2） 评价工具，包括污染控制目标分析（Target）、科学评价 （Assess）和数据挖掘（Data Mining） （3）流域边界划定工具 （4）数据管理工具，包括数字高程（DEM）、土地利用（Land Use）、土壤（Soils）和水质观测（Water Quality Observation） （5）流域特征报告 （6）QUAL2E （7）HSPF （8）SWAT （9）PLOAD
排 污 控 制 区
流域水环境容量模型
基本概念
在给定水域范围和水文条
件，规定排污方式和水质目标 W自净 的前提下，单位时间内该水域 最大允许纳污量，称作水环境
自净
容量。
W稀释
稀释
排放方式
水环境容量概念示意图
环境容量特征
资源性 区域性 系统性
影响因素
水域特征 环境功能要求 污染物质 排污方式