EART63012 Pollution Management in Practice 2

 Week One: Surface Water Systems

 1. Outcomes:

 define the different types of artificial influences on flows;

 evaluate the different types of abstractions and discharges;

 explain why sustainable abstractions are important and why environmental permits to discharge are needed;

 explain the impacts of reservoir releases on riverine environments;

 define the different methods to naturalise flows which have been artificially influenced;

 explain about environmental flows;

 use different techniques to naturalise a flow time series at a river gauge to account for artificial influences upstream;

 practice using techniques to produce a naturalised flow time series for a gauge on the Xianhe River in China to estimate environmental flows requirements.

2. Lecutre

2.1 introduction

略

2.2 Artificial influences on flows

Q:

1. What types of artificial influences affect river flows?

2. What are abstractions from rivers used for?

3. What impact do abstractions have on river flows?

4. Why are sustainable abstractions important?

5. What types of discharges are made to rivers?

6. What impact do discharges have on rivers and lakes?

7. What impacts do reservoir releases have on rivers?

可持续发展

Unsustainable 不可持续 levels of abstraction impact the ecology and resilience 恢复力，弹性, Sustainable water abstraction ensure that river flow and groundwater levels suport ecology and natural resilience.

Climate change bring less groundwater recharge and larger seasonal variations, change timing and length of dry periods.

可持续抽水更适应气候变化

抽水

public water supply(PWS), agriculture and industry

河水中抽水的三种方式：河道中直接抽取地表水，间接通过水井水泵抽取地下水，inter-basin 跨流域transfer 转移

抽水流量影响因素：工业断断续续，粮食的灌溉季节变化，PWS过度消耗地下水导致河流流量变化

抽水的影响

影响：Decreases water velocity, depth and water perimeter, Change thermal regime and water chemistry, Reduces fast-flowing instream habitat types in streams, Increases sedimentation as velocities reduce

强烈抽水：Abrupt loss of a specific habitat, Changes in water chemistry conditions in pools downstream, Fragmentation of the river ecosystem.

Flow withdrawal changes the thermal regime in rivers decreasing the water temperature range by 25%

2.3 Discharges and impacts

排放

向河流中的排放：Sewage treatment plants of sewage effluent, Industry waste, Irrigation agriculture return flows.

连续或者间歇排放的可能性，在河流低流量下可能占比巨大

在英国需要排放许可，排放水质有限制

影响 Impacts of discharges in rivers

Sewage or Effluent 污水排放进入河流：

Severity of the impact of raw sewage discharged into rivers: organic and inorganic material content and flow rate of water

River ahve the natural capability to restore themselves

氧气进入河水的方式：

有氧光合作用Oxygenic photosynthesis by cyanobacteria 蓝细菌 algae 藻类 aquatic plants

Turbulence of river河流扰动

有机金属化合物degraded分解，被heterotrophic非自养的细菌，当depletes耗尽之后细菌就消失了

湖泊受污染问题：

可能会触发eutrophication富营养化，由于氮磷元素超标导致微生物microorganisms形成细胞团cellular mass

水体表面覆盖绿藻与绿苔组织阳光入水，水中微生物开始死亡，富营养化消减生物多样性。

相较于河流，湖水的自我修复能力交叉，水体流动性更差more stagnant(污浊的，停留的)

排放许可：

Liquid effluent or wastwater(poisonous, noxious or polluting matter, waste matter, or trade or sewage effluent) into river, lakes

Onto or into the ground

Any standalone(not part of a waste operation, installation or mining waste operation) water dischage or groundwater activity

Reservoirs Releases

Routinely release water into downstream

作为补偿流compensation flow, 给下游的抽水活动供水，管理水库水位，控制洪峰，给下游的水系统提供水流

Impacts of RR

影响自然流的温度和水质，温度和水质的改变影响了水生生物数量与多样性

在水库储存的水is typically much cooler than shallow downstream rivers, due to the attenuation of solar heating with depth.

Impacts mitigate缓和

控制水库放水；modifying reservoir release rates ot control the temperature

selective withdrawal from different depths

控制温度的限制：Atmospheric conditions, Stream channel geometry, Physical and institutional operating constraints, Nature of the operational objectives.

Flow Hydrographs

Abstractions: 从河流中取水减少河流流量，可以随时间变化

Discharges: 向河流中放水增加河流流量，可以随时间变化，在雨季可能随着WWTP释放更多径流从而变化

FDC

Pumping on Groundwater

抽取地下水一开始是温和的benign，地下水有可能是泉水spring or rivers的source，抽取随着时间推移耗尽deplete河流或者泉水，距离泉水或者河流越远需要更长时间影响。

2.4 Naturalising Flows

Naturalising Artificially Influenced Flows

Observed flow in a river is a combination of natural flow and artificial influences

Naturalising flows is the process of estimating natural flow from observed flow data从观测流量估计自然流量的过程，如果过程没有人类活动影响自然流就是观测流

Observed Flows = Naturalised Flows + Artificially Flows

Method:

Direct: Naturalised flow = observed flow - Reservoir releases (compensation, spill etc) + natural inflow into reservoir

Abstractions- added to observed flow( minus any flow returns)

Discharges- subtracted from observed flow

Reservoirs- observed flows adjusted for reservoir storage and releases

Diversions- add to observed flows for any inter-basin transfer of diversion for river regulation

Indirect:

Donor transfer of natural flow data, Rainfall runoff modelling, 1D model, Water balance models

Case Study: 略，见上机练习

WEEK TWO: Environmental Flows

1. Environmental Flows(EF)

保持河流ecology的最低限度河流水量，它描述了quantity, timing and quality of water flows required to sustain freshwater ecosystems and human livelihoods, 取决于这些系统。水管员努力strive达成flow regime or pattern, 提供了人类使用和保持河流健康生态系统

EF不强求重建生态，Pristine原始 flow patterns会在排除了人类使用之后出现。世界上的河流会因为人类建造dams, diversions, flood defences之后alter改变，半数以上世界上的大河都建造了dam，并且还在增加

EF-UK

需求量：干旱期间需求增长，但是大坝的建设可以增加低流量的时候的流量，可以量化环境流量。

WFD UKTAG2008定义了一种查找表方法来测定在WFD和CAMS工作中EFI的使用：The WFD UKTAG2008 defined a look-up table method for determining EFI as uesd in WFD work and CAMS：河流分类，使用检查表定义河流自然流改变的比例，EFI定义的概念作为基础决定Flow range和环境敏感性

EFI：Ecological Flow Indicator

WFD: Water Framwork Directive

CAMS: Catchment Abstraction Management Strategy

TAG: Technical Advisory Group

RAM: Resource Assessment and Management

GES: Good Ecological Status

EA: Environment Agency

在英格兰和威尔士的水管理中占有决定性作用。

来指示抽水到什么地步能对环境造成影响，用来指示flow会不会支持GES良好生态环境，基本零部件fundamental component确定哪里什么时候或者    什么水是可以抽取的，未来的水什么时候能抽，或者可能会造成什么影响。

EFI是一个percentage deviation from natural river flow represented useing a flow duration curve: percentage deviation is different at different flows, 也取决于环境敏感度，通过RAM framework计算得来，对于“新”的抽水通过评估给了一个indication

EF-UK

什么是EFI：UK TAG(2008)定义了不同类型河流支持GES的自然流量的% deviation：Q95也就是超过95%时间的流量，EA使用RAM评定河流资源

CAMS：Catchment Abstraction Management Strategies

EA 负责 Managing water resources, Regulating existing licences and granting new one

EA 使用CAMS和Abstraction licensing strategies，河流水资源可用情况（RAM），Licensing strategy, 河流是否需要供水：Measures appraisal process

水资源过剩或者赤字情况来决定什么时候或者哪里抽水或者加水

计算河流的自然流

Use of CAMS: EA abstraction regime 使用灵活 Hands-off flows

控制抽水在设定流量中，更有效利用环境水

水富余时定期抽水

从High Flow(Q30) 到Low Flow(Q95) EFI 都有定义，帮助管理高流量，保护低流量

Compliancee Assessment合规评估

DAM

Impact of Reservoir Operation: 大坝改变了河流inundation洪水的时间持续时间以及频率，影响河流两岸的植物与生物

保持生物在一年内的不同时间和河流生态系统中的关键习性critical habits

影响有：Fish nurseries, Their spawning behaviour, Triggering migrations, Effects on recharging of aquifers

改变了河流流速导致改变河床淤泥和淤泥转移

HEP：Hydroelectric power 无时间季节限制，下游流量小时内波动

Hydraulic Modelling可以模拟水库造成的下游流变化

Assessment of Reservoir Operations：

导致淤泥转移改变，淤泥转移的能量，日释放流量高峰的恶化

通过河床淤泥的变化来评估HEPstation的影响

通过Yang的模型评估

2. Environmental Flow Methods

Environmental Flow methods

Instream ecological water demand refers to the water demand required to maintain basic river functions 河道内生态水是指的维持河流基本功能所需要的水量，包括：

River ecological base flow

Water demand for pollutant dilution and purification

Water demand for sediment transport

Water demand for the protection of aquatic life

通过方法计算自然流：GEFC, DRIFT method是Ecological water demand calculators

flow data: Tennant method, Flow duration curve method, Minimum monthly flow method, Q10 method, Wet and dry season Q90

Method:

GEFC: Global Environmental Flow Calculator: 使用使用月度数据来反映自然流，符合FDC Flow Duration Curve, 环境流目的是保持生态系统或者升级成为一些规定的状态 EMC Environmental Management Class, 用来决定保持生态系统的用水量和保护的流量变化，FDC为了EMC建立从而转变为环境时间序列：

1. 选择时间来源2. 进行水文材料的统计3. 计算自然流量

DRIFT: Downstream Response to Imposed Flow Transformations

开发用来评估水库下游的自然流量，结合数据与生物物理学知识来模拟水管理的情况，描述水生生物系统预测流量改变的时候的改变能力

Tennant Method: 建立了aquatic organisms, recreational, aesthetic qualities, river flow之间的关系，通过MAF Mean Annual Flow和日均排放估计环境流体系，特定的流量可以保持特定栖息地，根据自然栖息地在不同的流量下评估环境质量

FDC Flow Duration Curve: 使用历史流量数据建立月度FDC频率测定生态流，使用20年的数据计算月度流量计算月度流量，干季90%和84%，洪水季50%，FDC简单的使用流量数据计算生态环境流然后比较月度区别

Minimum Monthly FLow Method: 一个河流内流量的计算方法来避免水生生态环境逆向影响，需求整年河流流量保持确定的水位来避免河流生态和功能性环境例如没水，方法使用年平均流数据月度最小数据计算河流所需的径流

Q10 Method: 计算保持河流基本功能和稀释与水体自我清洁的水需求，采用连续7日最干旱90%置信度的水流量，主要用来定义低流量为了设置排放限额，该方法设定的标准，一般河流一般采用近10年最枯水月的平均流量或保证率90%的最枯水月的平均流量。

Case Studies:

Grand Eethiopian Renaissance Dam GERD:

GERD面临的问题：Ethiopia长期缺电，需求大于供给。开发HEP提高电量供给。从Tana湖出来的峡谷提供了生物运动的走廊。

大坝坐落于峡谷开始扩口处

对于Ethiopia的影响有大坝导致河流区域形态变化；农业衰退损失；洪水控制；基础建设的潜力；水资源使用。

对于Sudan：减少淤泥淤积，减少灌溉花费，控制洪峰洪水，优化水资源使用

EIA Environmental Impact Assessment 没有细节的这玩意接手GERD，相似的环境情况对于另外两个大坝。DRIFT数据提供水资源变化

China Practice

ecological water demand保护对象：河边植物，湿地与生态系统，沙漠化控制，地下水与陆生生态系统

考虑因素：水深与流量频率，水温，河道形态与淤泥转移，水生生态系统容载力

历史因素：三步走战略

现在：建立保护目标，测量与计算水流成分，监测评估，管理与控制

WEEK THREE: Groundwater

1. Groundwater

What is groundwater：

在地表下面的饱水层saturated zone有地下水，water table是饱和水层上表面，地下水充满了气穴毛孔，如果能给它抽上来的话就是aquifers畜水层，地下水运动缓慢，六七十公分一天

water table下面的水就是地下水，water table上面的土层可能会有特定的湿度，不饱和的区域可以保证植被生长。

畜水层：地下能渗水的岩石等材料，用水井就能取水。aquitard是畜水层旁边的低渗区域

畜水层的蓄水性主要由它的多孔性决定。由recharge和discharge两部分决定储量。

Aquifer Properties:

重要的两个性质是：Porosity & Specific yield

porosity是空隙体积与多孔介质总体积之比，主要指示储水能力，5%是小，20%是大，中间是中等。

Specific yield：水的具体数量主要与饱和的岩石在中立的作用下的具体产出，里面水的分数叫Specific retention, Porosity就是yield和retention的集合

可以用具体产出计算不受限蓄水层的储量，开发水平衡最重要的一部分

Storativity: 释水系数是指的这地方能放出来多少水，在无限制蓄水层释水系数等同于岩石formation of specific yield 

Transmissivity：过滤系数主要是衡量这个地方地下水穿过的能力，定义为hydraulic conducitvity(K)和saturated thickness(B) 相乘

Monitoring Groundwater

监控地下水

估计地下水层对农业生产的风险，监控地下水层，地下水水质变化

单一测量地下水准确性不高，一系列的测量需要至少五年的常规测量能知道地下水高度变化，评估地下水高度变化的风险，地下水什么时候会变化，季节性的变化有什么影响，估计地面管理和抽水对地下水的影响。

监控孔

Observation wells适合测量无承压含水层的水深，只能测量water table的深度

Piezonmeters适合测量一部分承压或者部分承压的水压

两种测量水深的办法

定位监控孔的方法：

主要考虑用途和区域水文条件：为了控制盐度需要躲开地下水抽水的地方，可以对其或者个别在山坡或者横截面上，盐度可以通过EC测量。

地下水污染

污染扩散到地下水，由于地下水的杂志导致地下水里面自然而然的出现了污染，通过地表的垃圾堆，污水污水管泄露和农业等设施泄露，包括一些重金属与污染物

污染物飘忽不定，污染物转移与扩散，有一个边界叫Plume edge，与地下水井相交有可能导致泉水不安全，污染物转移面叫Plume Frone可以通过地下水模型分析，不同的机制影响污染物运动例如吸附降水衰退等等

2. Groundwater Variation

Seasonal variation

通过集水区的水流中地下水是流速最慢的，一般情况会表现出季节变化因为季节影响渗透与蒸发

water table由于渗透和过滤升高，集水区水量下降导致地下水也减少，长期存水是无足轻重的

Pumpinng

抽取或者泵取影响地下水

抽取速率，抽水孔的数量，蓄水层类型，抽水孔补充体系；一旦开始抽取，蓄水层的水面围绕孔下降形成一个锥体，锥体的尺寸决定了取水的速率和蓄水层的百分比

径流与洪水

地表径流可以向下渗水对地下水有帮助(losing stream)，地下水也可以补充地表径流的水(gaining stream)

地下水洪水是由于water table 提高到高于地表，大量降雨的雨季结束之后可能会发生这种情况，由于雨水渗入底下导致water table 上升到正常高度以上。

3. Modelling

Surface water

蓄水层是水在地下透水的岩石等材料中，水在地下补充是由于水的运动像渗透等，补充是首要的方式，主要发生在vadose zone，这部分在植物的底部层

地下水补充涉及water moving away from the water table farther into the saturated zone

补充发生在水循环的自然过程，人工影响的水补充

这种过程是发生在水穿越water table，是地下水模型中最重要的因素

主要来源就是渗透：terrestrial infiltration, ponded infiltration

径流：如上losing stream & gaining stream，地下水水位还受到自然降水补充，如果目标农作物没有吸收，灌溉会补充地下水，抽水会导致地下水水位下降。

Modelling

WEAP 可以模拟地表与地下水的相互作用，定义的决定因素有：

Hydraulic Conductivity, Specific Yield, Horizontal Distance, Wetted Depth

Case study 略

WEEK FOUR: Water Quality

Water quality

水体健康的重要指标，与人类幸福与健康息息相关，物理化学生物指标有关，由于更差的卫生和卫生条件导致3.1%的死亡，主要是受到人类活动和自然活动的影响。

自然和人类活动有:  Geology, Hydrology, Natural Hazards略

毁林对于水体恶化影响巨大

Parameter

pH, Temperature, TDS(Total dissolved solids), DO(Dissolved oxygen), BOD(Biochemical oxygen demand)细菌分解有机物需要的总氧气

Turbidity浑浊度, EC(Electrical conductivity), Total hardness, Total alkalinity

Lake Awassa

Characteristics

镇子在东边岸边，在RVLB里面是最小的淡水封闭盆地湖，13.3米深，最深23.4米

受污染程度很深，由于城市化，强烈农业，快速发展的工业，城镇径流

污染物质来源于工业和服务提供中心，农业和集水区的影响，废水排放到河流之后汇入湖泊，污染影响了淡水使用者和水生生物

恶化的水影响了喝水，灌溉，水生生物，休闲设施

侵蚀和大量降水这种自然活动也导致水体恶化

具体数据略

WEEK5 Urban Pollution

城市水源污染：增加的城市径流和城市污染源

由于城市是硬化地面导致雨水不能吸收进入地面，然后雨水就会进入城市预先铺设好的水路。雨水径流携带例如油，沉淀，化学物质和一些肥料直接进入水体，为了保护水体需要设计减少雨水径流。

增加的城市径流

湿地或者雨林等等地区可以让雨水经过过滤之后慢慢进入地下水，但是城市不透水的硬化地面会直接携带污染物进入水体

增加的污染源

污染源包括：Sediment, Oil等略

这些污染可能会对水生生物造成伤害，杀死水生植物，饮用水的污染，不安全和不舒服的活动

控制地表径流

从房主角度：

新设计：

现有设计：