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刘超：仪征市水环境容量研究 摘要 环境容量是环境科学领域的一个重要概念，反映了在特定环境功能要求条件 下，区域环境对污染物的承受能力。确定水环境容量的大小，是污染物总量控制和 水环境规划的重要环节和技术关键。 本文在仪征市水环境功能区划的基础上，确定水污染控制单元，对各控制单元 的重点工业污染源、生活污染源及部分非点源污染源进行调查，计算出各控制单元 的c o d 和氨氮入河量。 为解决模型参数估值问题，本文以相对偏差绝对值的极差最小为优化准则，建 立了新的参数估值优化准则函数。将遗传算法与新的优化准则函数相结合，进行了 参数估值方法设计和改进。将设计的方法分别应用于解决水质模型单参数估值和降 水量p - - i i i 型曲线的多参数估值问题。在仪征市河流c o d 降解系数的估值问题中， 确定了仪扬河、胥浦河、龙河、沿山河和仪城河的c o d 降解系数；在降水量p i i i 型曲线的多参数估值问题中，预测值与实测值之间相对偏差在4 - 1 0 以内。均得到了 较好的结果。 本文尝试利用美国环保署2 0 0 6 年3 月最新发布的q u a l 2 k ( v 2 0 7 ) 水质模型， 对仪征市河流水质进行模拟。模拟了在不同流量保证率条件下，仪征市内河c o d 和氨氮的沿程浓度分布。模拟结果的相对偏差在4 - 2 0 以内。 本文对仪征市内河现有的主要排污口进行概化，得到集中排污口。集中排污口 所在断面的污染物本底平均浓度c o 由q u a l 2 k 模型模拟得到，根据这一浓度，计 算得到仪征市河流在不同保证率下的剩余环境容量。 研究结果表明，在1 0 、2 5 、5 0 、7 5 和9 0 五种不同流量保证率下，仪 征市的c o d 环境容量分别为5 2 0 6 3 3 3t a 、3 5 1 4 1 7 0 t a 、1 8 7 7 1 5 6 t a 、1 1 0 4 0 6 9 t a 、 8 8 8 5 3 0t a ；氨氮环境容量分别为8 3 6 8 5 4t a 、- 4 0 8 9 6 2t a 、- 8 9 7 4 0t a 、3 0 7 4 6t a 、 5 0 9 6 4t a 。 关键词：仪征市；环境容量；q u a l 2 k ：遗传算法；参数估值 刘超：仪征市水环境容量研究 a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yi sab a s i cc o n c e p ti ne n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ，a n di tr e f l e c t s t h eb e a r i n gc a p a c i t yt ot h ep o l l u t a n tu n d e rc e r t a i ne n v i r o n m e n t a lt a r g e t s i ti si m p o r t a n t t od e t e r m i n et h es i z eo ft h ee n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yf o rt o t a lc a p a c i t yc o n t r o la n dw a t e r e n v i r o n m e n t a lp l a n n i n g b a s e do nt h ew a t e rf u n c t i o nc l a s s i f i c a t i o n , t h ep o l l u t i o nc o n t r o lu n i t sa r ep a r t i t i o n e d t h e nt h ei m p o r t a n tp o i n ts o u r c e ss u c ha si n d u s t r i a lp o l l u t i o n , l i v i n gp o l l u t i o na n da p a r t o fn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nf i r ei n v e s t i g a t e di ne a c hp o l l u t i o nc o n t r o lu n i t a n dt h e c o da n dn h 3 - nq u a n t i t i e se n t e r i n gr i v e ro f c o n t r o lu n i t sa r ec a l c u l a t e d f o rp a r a m e t e re s t i m a t i o n ，an e wp a r a m e t e re s t i m a t i o no p t i m i z a t i o nc r i t e r i o n f u n c t i o n ( p e o c f ) h a sb e e ne s t a b l i s h e do nm i n i m u md e v i a t i o no ft h ea b s o l u t ev a l u eo f r e l a t i v ee r r o r s t h e nc o m b i e dw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m ，ap a r a m e t e re s t i m a t i o nm e t h o di s d e s i g n e d i ti sa p p l i e dt ow a t e rq u a l i t ym o d e lp a r a m e t e re s t i m a t i o na n dp i i ic h i v e m u l t i - p a r a m e t e re s t i m a t i o no fp r e c i p i t a t i o n t h ec o dd e g e n e r a t i o nc o e f f i c i e n t so fr i v e r s i n y i z h e n ga r ee v a l u a t e d ，a n da l s o ag o o dr e s u l to fp i i ic h i v e m u l t i - p a r a m e t e r s e s t i m a t i o no fp r e c i p i t a t i o na l eo b t a i n e d ，w i t ht h er e l a t i v ee r r o r sb e t w e e np r e d i c t e da n d m e a s u r e dv a l u e sb e i n gi n4 - 1 0 q u a l 2 km o d e lv 2 0 7i san e ww a t e rq u a l i t ym o d e lp u b l i s h e db yu n i t e ds t a t e s e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c yi nm a r c h2 0 0 6 t h i sp a p e ra t t e m p t st ou s et h i sm o d e l f o rw a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o n t h ec o da n dn h 3 - nc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni ny i y a n g r i v e r ，x u p ur i v e r l o n gr i v e r , y a n s h a nr i v e ra n dy i c h e n gr i v e ru n d e rd i f f e r e n t g u a r a n t e e sr a t ec o n d i t i o n sh a v eb e e ns i m u l a t e db yq u a l 2 k w a t e rq u a l i t ym o d e l ，w i t h i n r e s u l t s r e l a t i v ee r r o rb e t w e e n 士2 0 a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h ec o n c e n t r a t i o n sd i s t r i b u t i o na l o n gd i s t a n c e ，t h e e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo fa n yo u t f a l la r b i t r a r yp o i n tc a l lb ec a l c u l a t e d t h e nt h es u r p l u s e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo fc o da n dn h 3 - no ft h ef i v er i v e r sa r ec a l c u l a t e d a d d i n g t o g e t h e rt h es u r p l u se n v i r o n m e n t a lc a p a c i t ya n dt h ep r e s e n tq u a n t i t yo fp o l l u t a n t e m i s s i o n ，t o t a le n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yu n d e rt h ed i f f e r e n tg u a r a n t e e sr a t ei so b t a i n e d t h er e s u l ti n d i c a t st h a tt o t a lc o de n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo fy i z h e n gi s5 2 0 6 3 3 3 t a , 3 5 1 4 1 7 0t a , 1 8 7 7 1 5 6t a 1 1 0 4 0 6 9t a , 8 8 8 5 3 0t a ；t o t a ln h 3 - ne n v i r o n m e n t a l i v 扬州大学硕十学位论文 c a p a c i t yo ft h ef i v er i v e r si s 一8 3 6 8 5 4t a ，4 0 8 9 6 2 饥- 8 9 7 4 0t a ，3 0 7 4 6 氓5 0 9 6 4 饥 r e s p e c t i v e l yu n d e r1 0 ，2 5 ，5 0 ，7 5 a n d9 0 f i v ek i n do fd i f f e r e n tg u a r a n t e e sr a t e c o n d i t i o n k e yw o r d s ：y i z h e n g ；e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y ；q u a l 2 k ；g e n e t i ca l g o r i t h m s ；p a r a m e t e r e s t i m a t i o n 刘超：仪征市水环境容鬣研究 v 符号说明 符号符号意义单位 a汇流面积k m 2 4 ； 第_ j 项指标第i 断面第_ ，次观测值 m g l a j ，bj 第个变量的上下边界 b河宽m c o河流中污染物的背景浓度 m g l e水质标准 m l q 第k 项指标第i 断面第_ ，次观测对应的计算值 m g l p编码长度 耳f 河段的弥散系数 m d ( f )第f 个解个体的函数值 f ( f )第j 个解个体的适应度值 h水深m l降水强度 m m a 毛 入河系数 后2渠道修正系数 k污染物综合降解系数d 1 工河段长k m 所用水排水系数 p优化变量个数 v 扬州人学硕七学位论文 q污水排放平均流量 m s q 河流流量| s q 生活 生活污水产生量页心| a s i 第f 河段的组分变化量 趴m 3 d ) “流速r i g s 第i 河段的水体体积 ”、v ，w 相应于x 、y 、z 方向的速度分量 m s 并 稀释容量 g s 净 自净容量 g s w水环境容量 g s i ，gv ，z相应于x 、y 、z 方向的湍流扩散系数 m 2 s o j kk 项指标权重 ( o r 第，个待优化参数 刘超：仪征市水环境容量研究 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 随着近年来仪征市经济的快速发展，污染物排放量增加，局部地区水污染状况 严重，使得水环境保护与经济建设的矛盾日益突出，因此，解决经济建设与水环境 保护的矛盾，已成为当务之急。要在根本上解决这个问题，使有限的水资源发挥更 大作用，协调好经济建设与水污染物排放的关系，必须考虑区域水环境容量，依据 以水环境容量，实施排污总量控制。 开展环境容量的研究，有助于了解区域环境的内在属性。在实践中，环境容量 是环境目标管理的基本依据，是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，对于制定污染物的总量控制目标、工农业合理布局、环境影响评价 和环境规划等均具有相当重要的意义，尤其是在推行污染物总量控制的大背景下， 开展环境容量研究就显得尤为重要。只有科学、准确地掌握区域的环境容量，才能 确定区域污染物容许排放的最大量，为确定污染物的总量控制目标提供科学依据。 本研究是仪征市污染物排放总量控制课题的前期研究，确定仪征市主要水功能 区河流在不同流量保证率下的水环境容量，为后续的污染物总量控制提供科学的参 考依据，具有重要的意义。 ( 1 ) 为相关规划的顺利实施提供参照标准和基本保障。根据仪征生态市建 设规划和仪征市环境保护“十一五”规划提出的要求，仪征市要在2 0 1 2 年 前后建成国家级生态市，实现市域水体环境质量全面达标的目标。开展本项目研究 能够为确定一个合理的总量控制和管理目标提供参考。 ( 2 ) 有助于指导仪征市排污许可证发放和水污染防治工作。根据仪征市现状 的排污口分布和排污方式，确定在不同流量保证率下的水环境容量，有助于指导排 污许可证发放，提高仪征市水污染防治工作的科学化水平。 扬州人学硕十学干 ) = 论文 1 2 文献综述 1 2 1 水环境容量理论及其发展过程 1 水环境容量概念 2 0 世纪6 0 年代末，日本为改善水和大气环境质量状况，提出把一定区域内的 大气或水体中的污染物总量控制在一定的允许限度内“。3 。这个“一定限度”就是 日本学者1 9 6 8 年提出的环境容量概念的依据。之后，日本环境厅委托日本卫生工 学小组提出1 9 7 5 年环境容量计量化调查研究报告，使得环境容量的应用逐渐 得到推广，并成为污染物总量控制的理论基础”1 。欧美国家的学者较少使用环境容 量这一术语，而是用同化容量、最大容许纳污量和水体容许排污水平等概念。“1 。 根据各自对环境容量的理解，不同的研究者先后提出了多种关于水环境容量的 定义，这些定义大致可有以下几类表达： ( 1 ) 是污染物容许排放总量与相应的环境标准浓度的比值0 1 ； ( 2 ) 是水体的自净同化能力，它也可以表述为在保证某一水域水体质量符合 规定的级别，在单位时间内能够连续均匀地接纳某种污染物的最大允许负荷量嘲； ( 3 ) 是指在特定设计条件下，河段中某一污染物浓度达到期望水质目标的可 接受水平时，输x n 该河段污染物的最大允许排放量”1 ； ( 4 ) 是指环境标准值与本底值确定的基本水环境容量和自净同化能力确定的 变动水环境容量之和； ( 5 ) 是水体环境在规定的环境目标下所能容纳的污染物量。也即指在保证水 体水质符合规定标准的前提下，单位时间内能够承纳的某种污染物的最大允许负荷 量9 “1 ： ( 6 ) 是指河流控制断面在满足规定的环境目标条件下，该河段单位时间内所 能容纳的污染物量，或指一定水体在规定的环境目标下所能容纳的污染物量叭1 。 从以上定义可以看出水环境容量既反映流域的自然属性( 水文特性) ，同时也 反映人类对环境的需求( 水质目标) ，而且随着水资源利用情况的不断变化和人们 对坏境需求的不断提高丽不断发生变化。 2 0 0 3 年，国家环保总局组织在全国范围内开展水环境容量研究，在国环发 刘超：仪征市水环境容量研究 3 2 0 0 3 1 4 1 号文( 全国地表水环境容量核定和总量分配方案) 和同年9 月中国环境 规划院全国地表水环境容量计算方法中，对水环境容量的定义是：在给定水域 范围和水文条件，规定排污方式和水质目标的前提下，单位时间内该水域最大允许 纳污量。本文采用这一定义。 2 国内外水环境容量研究进展 ( 1 ) 国外的研究 国外对水环境容量问题的研究起步较早。如e c k e r 、l i e b m a n 和l o u c k s “”川等 人将流量等参数作为确定性变量处理，然后由线性规划方法计算治理投资最低情况 下的水体允许排污水平。r e v e l l e 、t h o m a n n 和s o b e l “”用确定性方法把目标函数 线性化后用优化模型求污染物允许排放量，没有考虑河流水文水质的随机波动性。 根据这些确定性模型求解所得的计算结果仅仅是某一给定条件下的值，这与河流水 文水质随机波动性本质以及河流同化能力的随机不确定性是不相匹配的。 随着随机理论研究领域和应用范围的不断扩展，又出现了随机优化理论模型。 f u l i w a r a 、e h e a r t 和l o h a n i “”“1 等把流量作为己知概率分布的随机变量，用概率约 束模型对超标风险厂的污染负荷分配进行了研究。d o n a l d 和e d w a r d 啪“”考虑了水 质现象等的随机波动性，并用一阶不确定分析方法将随机变量转化为等价的确定性 变量，通过所构建的优化模型，计算排污口允许排放量。除考虑参数不确定性外， c a r d w e l l 和e l l i s 啪“1 还从模型不确定性角度，对多点源情形下污染负荷分配问题进 行了研究。美国环保署( u s e p a ) 于1 9 7 2 年清洁水法中提出最大日负荷总量 ( n 位l ) 概念，并一直沿用至今。t m d l 是指在满足水质标准的条件下，水体能 够接受的某种污染物的最大日负荷量。目前，对t m d l 的研究主要是根据水文等不 确定性条件，将水质模拟与污染物负荷分配相结合，提出在满足水质标准条件下， 解决污染物负荷在点源和非点源之间分配的问题的方案啪”1 。 ( 2 ) 国内的研究 国内在水环境容量研究初期，主要是结合环境质量评价等项目进行的，集中在 研究水污染自净规律、水质模型、水质排放标准制定的数学方法上，从不同角度提 出和应用了水环境容量的概念汹1 。 如对沱江内江段环境容量的研究”，以b o d 5 和氨氮等可生化降解的污染因子 4 扬州大学硕十学位论文 作为控制指标，建立了沱江稳态河流水质模型，并在此基础上构建各江段水环境容 量计算模式。在此之后，国内一般天然河流纳污能力计算，也多是从稳态河流水质 模型得到的定常设计条件下的纳污量。 “七五”期间，一些重点城市先后提出制定科学的城市综合规划、水污染综合 防治规划、水污染物总量控制规划以及水环境功能区划，为水环境容量的理论研究 和实践应用的结合提供了广阔的发展前景。 这一期问出现了多目标综合评价模型、潮汐河网地区水质模型、农业面源模型、 富营养化生念模型、大流域水环境系统优化模型、自然生态模型以及模拟社会、经 济、环境人工调控过程的水质管理规划模型系统啪“1 。水环境容量的概念 也得到进一步深化，从单纯地反映水体对污染物的稀释、自净能力扩展到广义的总 量控制、负荷优化分配的水体纳污能力，进而提出了可分配水环境容量的概念。 2 0 0 3 年，国家环保总局颁发了关于加强环境容量测算工作的通知( 环发 2 0 0 3 1 1 6 号) 和全国地表水环境容量核定和总量分配工作方案( 环发 2 0 0 3 1 4 1 号) ，从8 月丌始，在全国范围内，开展水环境容量核定工作。 近年来些研究，将动态水质模型与线性、非线性规划相结合进行水环境容量 计算，其主要思路是在水动力学模型和动态水质模型的基础上，建立河段排污口污 染物排放量和控制断面水质浓度之间的动态响应关系，以该河段可容纳污染物排放 量最大为目标函数，约束集为各河段都满足规定水质目标；求解每一时刻河流水质 浓度满足给定水质目标的最大污染负荷。卅。 3 。影响水环境容量的要素 污染物进入水体后，即开始其随水迁移、分散及降解转化，这些过程与水体的 几何形状、水动力学参数、底质以及水中理化性质和生物降解等条件有关，有些条 件还会随着季节的变化而不同。因此，同污染物在不同水体或同一水体中的不同 时刻，其水环境容量是不同的，水环境容量在时间和空间上存在着明显的差异。同 时，不同种类的污染物在同一水体中的迁移和转化特性是不一样的，降解速率和毒 害作用也存在很大的差异，这导致了不同的污染物在同一水体中有不同的水环境容 量。因此，可以认为水环境容量是反映水热平衡、化学元素在水环境中的迁移转化 能力和生物与环境之间的物质能量交换等特性的综合指标，是水体环境的基本特性 刘超：仪征市水环境容量研究 5 之一。而影响水域水环境容量的要素很多，它的大小取决于水体的自然特性、要求 的水质标准及污染物本身的特性等，概括起来主要有以下四个方面： ( 1 ) 水体的自然特性。水体的自然特性是确定水环境容量的基础，主要包括： 几何特征( 河岸形状、水底地形、水深或体积) ；水文特征( 流量、流速、降水、 径流等) ；化学性质( p h 值，硬度等) ；物理自净能力( 挥发、扩散、稀释、沉降、 吸附) ；化学自净能力( 氧化、水解等) ；生物降解( 光合作用、呼吸作用) 等。 ( 2 ) 水质标准。不同的水质要求，对水环境容量的影响很大：水质要求高的 水域，水环境容量小；水质要求低的水域，水环境容量大。例如，对于c o d 而言， 在其它设计条件不变的情况下，要求达i u 类水标准水体的稀释容量仅为要求达v 类水标准水体的1 2 。 ( 3 ) 污染物的自身特性。不同污染物本身具有不同的物理化学特性和生物反 应规律，水生生物对其浓度的影响规律也不同。因此，不同的污染物具有不同的环 境容量，但不同污染物的水环境容量具有一定的相互联系和影响，提高某种污染物 的环境容量可能会降低另一种污染物的环境容量。因此，对计算出的单因素环境容 量应作一定的综合影响分析。较好的方式是联立约束条件同时求解各类需要控制的 污染物质的环境容量。 ( 4 ) 排污方式。水域的环境容量与污染物的排放位置与排放方式有关，在其 他条件不变的情况下，污染物排放方式的改变( 如排放口位置的不同) 将影响水域 的环境容量。一般来说，在其他条件相同的情况下，集中排放的环境容量比分散排 放小，瞬时排放的环境容量比连续排放小，岸边排放的环境容量比河心排放小。因 此，限定的排污方式是确定环境容量的一个重要因素。 1 2 2 水环境容量计算方法 1 方法之一 按照污染物降解机理，水环境容量可划分为稀释容量( 释) 和自净容量 ( 净) 。稀释容量是指在给定水域的来水污染物浓度低于出水水质目标时，依靠 稀释作用达到水质目标所能承纳的污染物量。白净容量是指由于沉降、生化、吸附 等物理、化学和生物作用，给定水域达到水质目标所能自净的污染物量。前者表征 6 扬州大学硕士学位论文 的是水体的自然环境特性，后者则反映污染物本身的特性泓“”。 w = 阡k 并+ 纾毛净 ( 1 1 ) 式中：，柿释稀释容量，s ； 净自净容量，幽。 、 c s c o 。 一lku q 图1 - - 1 嗣流水环境容量示意图一 巍释= c ，( q + o ) 一o c o ( 1 - - 2 ) 彤，净：( e 口：e ) ( 口+ q ) ：c ，。赤一1 ) ( g + q ) ( 1 3 ) w = 拜+ 净= e ( g + q ) p 土m i 4 u q c o ( 卜4 ) 式中：c o 河流中污染物的背景浓度，m g l ： e 水质标准，m g l ； g 污水排放平均流量，m 3 s ； q 河流流量，m 3 s ； k 综合降解系数，d 一； 工河段长，k m ： 1 , 4 流速，m s 。 该计算方法也是国家环保总局在全国水环境容量核定工作中推荐使用的计算 模型，然而该模型最大的弊端在于当河段段末浓度取水质标准c 。时，会造成全段浓 度超过水质标准，不利于污染物的削减，增大了目标河段总量控制的难度。 2 方法之二 刘超：仪征市水环境容量研究 7 根据物料衡算方法，可知进出某一封闭河段的物质总量保持一致m “： 流量平衡方程： q l e j e 4 。础。+ 9 ，p l = e q ( 1 - - 5 ) q l + 吼= q 式中：e 第i 段河流水质标准，m g l ； 只第i 个排污口污染物浓度，m g l ： q 河流第i 段流量，m ； g ，第i 个排污口排污平均流量，m 3 s ： 第i 段从上断面到下断面水流所用的时间，d ； k 第i 段污染物降解系数，d 。 c 瓢c &c & ， 、 、 c s 。c s ， 、 c c ic p i 1 k ll c ik h - j厶t m lj lj ljl jl q f 牛q i - 1q iq i + l ( 1 6 ) 图1 - - 2 河流水环境容量示意图二 令c f = c s , ( 第f 段的水质标准) ，e i = c s 。则得： p , q ，c t ( q ，一l + 孽j ) 一c 砖一j q l e 一蜀。 ( 1 7 ) 令： 彤- - c s , c q , 1 + 吼) 一i 雹- lq j l e t “1 ( 1 - - 8 ) 式中：形第f 个排污口的允许排放量，g s 。 该模型考虑了当不同功能区段水质变化时，上一功能区段的水质标准会影响下 扬州大学硕士学位论文 一功能区段的环境容量，若水质标准由低到高时，模型计算的水环境容量会出现负 值。该模型从系统整体的角度考虑，实际计算出的是可利用水环境容量，它在上下 段水质发生变化、排污口较多时应用比较方便。 3 方法之三 周孝德“等人在计算水环境容量时，提出了控制断面法。在满足控制断面水质 要求条件下，计算控制断面间的环境容量，并认为水环境容量为： = q ( e c o ) + q c a e “一1 ) + 吼c + c , z q 知m 一1 ) ( 1 9 ) j ll 爿 式中：q 河段设计流量，m 3 s ； 吼第i 个排污口排污平均流量，m 3 s ； e 水质标准，m g l ： c 0 上游断面污染物背景浓度，r a g l ： k 。第i 段污染物降解系数，d - ； 第i 段从上断面到下断面水流所用的时间，d 。 1 qc s 一 q 图1 - - 3 河流水环境容量示意图三 根据达标控制断面在河流的不同位置，具体提出了段首控制、段末控制和功能 区段尾控制三种计算方式。 刘超：仪征市水环境容颦研究 9 4 方法之四 孙卫红等人“”提出在计算水环境容量时，需要考虑到水环境容量的不均匀性； = 矿a ( b ，h q ，) ( 1 1 0 ) 式中：基于不均匀系数的水环境容量，e , s ； 矽水环境容量，g s ； 占河宽，m ； h 水深，m ； q 河流流量，m 3 s ； a 不均匀系数。 关于不稳定系数的求解，孙卫红m 提出以二维非稳态数学模型为基础，利用模 拟实验方法与试错法相结合进行推算。首先根据水量、水质方程计算浓度场；依据 功能区划要求确定混合区范围 不断调整污染物排放量职使混合区范围满足要求。 若满足要求，贝口不均匀系数口等于污染物排放量矽除以相应河段的完全混合系统水 环境容量值。 5 方法之五 将数理统计的相关理论与水环境容量计算相结合，美国的环保专家率先提出概 率稀释模型，将稀释容量划分为定常稀释容量彬和随机稀释容量。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。 概率稀释模型为“点源对数正态概率稀释模型( p d m - - p s ) ”的缩写，它是以 河流对污染物的稀释作用为依据的，由于在稀释方程中引入了随机因素，从而使模 型变得复杂了。当河水流量与排污量符合对数正态分布时，稀释比同样为对数j 下态 分布。先求得相应的河水流量、摊污量及稀释眈的对数正态分布靓律。再根据不同 的保证率计算相应的环境容量。 王有乐”等人应用概率稀释模型，考虑了在概率控制条件下水量、水质等的系 列分布，计算了黄河兰州段主要污染物的水环境风险容量。 0 扬州人学硕十学位论文 6 方法之六 林高松“”等人在研究河流水环境容量时，考虑到污染源强的随机变化和河流动 态水文条件对水质的影响，建立了河流水环境容量优化模型。该优化模型的目标函 数和约束条件如下： 目标函数： m a x l = o ( 卜1 1 ) 约束条件： ；粪 薯。3 口：+ 以， i c ，= - ，所，( 1 - - 1 2 ) p r 喜。一3 口：彰+ c ；，i ) q c ，= ，一，雄，( 1 - - 1 3 ) 彰一l o g n ( x j ，a 2 ) ( j = l ，”；t = 1 ，丁) ( 1 1 4 ) x j 0 ( - ，= 1 ，n ) ( 1 1 5 ) 式中：上总负荷量，g s ； 工，第，个排污口的负荷量，是决策变量，s ； 盯排污口个数； r 感潮河流的潮周期时间长度，s ； f 时刻，s ； q ，第个排污口的单位负荷量对第f 个水质控制点的污染贡献率； 善，为排污口的实际排污量，g s ； c b ，水质控制点的背景浓度，m g l ； 口，、缶和c 。的上标f 表示变量相应时刻的值； t 水质控制点的环境标准，r a g l ； p r 表示事件成立的概率； 刘超：仪征市水环境容量研究 见水质达标率的要求； l o g n ( ) 表示对数正态分布。 式1 1 l 表示以总负荷量最大为环境容量优化的目标函数：式1 1 2 、式l 1 3 是对水质达标的定义，其中式1 1 2 表示感潮河流平均浓度达标，式1 1 3 则对 潮周期达标率作了明确要求；式l - - 1 4 表示孝，服从的分布规律，在文献“”中假定f ， 服从均值为x 、标准差为的对数正态分布；式1 1 5 为排污量的非负约束条件。 该方法在计算河流水环境容量时，对污染源的考虑比较切合实际，水质目标要 求也较为明确和严谨，但由于模型引入了随机变量和动态参数，河流水环境容量计 算变成一个较为复杂的非线性规划问题，求解目标函数较为困难。 1 2 3 水质模型研究进展 ， 第一个水质模型是1 9 2 5 年由美国工程师s t r e e t e r 和p h e l p s 提出的氧平衡模型 c 4 3 ，由p h e l p s 在1 9 4 4 年总结和公布，即经典的s - - p 水质模型。这个模型的基本原 理是相当合理的，所以模型及其一些修正形式至今仍被用于模拟河流水质“”枷。 2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机技术的日趋成熟，国际上出现了一批利用 计算机建立起来的水质模型通用软件，随着国外对水环境容量定量化研究的深入， 这些软件被越来越多的学者应用于水环境容量计算中。 1 q u a l 模型体系 u s e p a 于1 9 7 0 年推出q u a l 水质综合模型，1 9 7 3 年开发出q u a l 2 模型，其 后又经多次修订和增强，推出了q u a l 2 e 、q u a l 2 e - - u n c a s 等改进型m 州，其 中q u a l 2 e 模型应用较多。然而，q u a l 2 e 模型仍存在一定的不足之处，其中主 要的一个不足就是没有确定死亡藻类和b o d 之间的关系删。2 0 0 6 年3 月，u s e p a 又发布了最新的q u a l 2 模型q u a l 2 k ”“。q u a l 2 k 模型克服了q u a l 2 e 模 型的缺陷，增加了新反应因子，如藻类b o d 、反硝化作用和固着植物对d o 变化的 影响，并对计算功能进行了扩展。 q u a l 2 k 对水环境生态系统模拟的主要假设条件有： 河水流动是恒定流； 河流水质的物理、化学和生物化学等过程是稳定的； 2 扬州人学硕十学位论文 河流的底泥泛起只与流量有关； 河流源头的水量及污染物本底浓度都保持恒定； 生物转化反应和污染物沉降过程都符合一级反应动力学规律。 在上述的假设条件下，q u a l 2 k 模型是以碱度、p h 为基础，可按用户所希望 的方式与温度、电导率、无机固体、d o 、快速降解的c b o d 、缓慢降解的c b o d 、 有机氮、氨氮、硝酸盐氮、有机磷、溶解磷、藻类一叶绿素a ，浮游生物、颗粒有 机物、大肠杆菌等1 5 种水质组分进行任意组合模拟。 图l 一4q u a l 2 k 中各主要组分的交互作用 q u a l 2 k 模型中，被模拟的物质主要迁移方式是平移和弥散，且认为这种迁移 只发生在河道或水道的纵轴方向上，是维水质综合模型。其基本方程是一个平移 弥散质量迁移方程，同时考虑了水质组分间的相互作用以及外部源和汇对组分 浓度的影响。 对于第i 个计算河段，其中的每种组分( 除河底藻类) 的物质交换过程如下： 刘超：仪征市水环境容量研究 大气交换 沉入+ 卜 卜流出 弥敞 一卜- , 4 + 弥敞 一 一i 1 一 事f，i 底部藻类沉积物 图1 - - 5q u a l 2 k 河段微元中各组分的质量平衡 因此，q u a l 2 k 模型中单位水体组分的质量平衡基本方程为： 鲁= 告一昔g 一警g + 等c 一q ，+ 鲁+ s t ( 1 - - 1 6 ) 式中：车第f 河段某种组分的浓度变化量，烈m 3 d ) ； a t 矿第f 河段的水体体积，m 35 q ”q 、q 0 。第i - i 、i 河段的流量及流出的量，i l l 3 d ； e 第i 河段与第i + 1 河段之间的组分弥散系数，l r l 3 d ； 彬第i 河段的外源负荷，g d ； s 第f 河段由于反应和交换而引起的组分变化量，烈m 3 d ) ； q u a l 2 k 模型适用于混合较好的技状河流，它允许河流有多个排污口，取水i z l 及支流；允许入流量有缓慢变化：可用于研究流入污水负荷对受纳河流的水质影响； 也可用于非点源问题的研究，它既可作为稳态模型也可作为时变的动态模型。 2 r w q m l 模型 为建立一个科学、标准、通用的，并能与活性污泥模型( a s m ) 相兼容的水质 模型，国际水协会( i w a ) 于1 9 9 7 年成立了河流水质建模任务小组。2 0 0 1 年i w a 发布了河流水质l 号模型( r w q m l ) ，该模型是以广泛应用的q u a l 2 e 水质模型 和a s m 活性污泥模型为基础建立的，利用c 、o 、n 和p 为特征的循环过程代替传 ! ! 塑型盔堂堡主堂鱼笙苎 一 统模型中以b o d 等组分作为水质基本组分的转化过程，并建立了各种污染物转化 过程中的电子平衡；引入了组分与沉积物、附着细菌和藻类等相关作用过程，消除 了以往模型中存在的封闭质量不平衡的问题：在表达方式上采用了化学计量系数矩 阵方法描述了河流水体中2 4 种组分和2 3 个循环转化过程。2 5 “。目前，在国内外河 流水质预测中也有较多的应用脚“1 。 大气 大气复氯 ， 图1 - - 6r w q m l 模型中各组分的交换过程 r w q m l 模型中所模拟的水质组分质量浓度变化的基本方程是： 要：一。竽一，墨一w 要+ 昙( q 篓) + 昙( 罢) + 昙( t 要) + ，( c ( 1 1 7 ) 6 y 百一“瓦”瓦- w i + 瓦( q 面) + 面万+ 否峨西川卜刀 式中：c 组分浓度，m g l ： f 时间，s ； x 、y ，z 空间坐标轴，m ； “、v ，w 相应于z ：y 、z 方向的速度分量，m s ： s ，s ，占：相应于z 、y 、z 方向的湍流扩散系数，m 2 s ； 刘超：仪征市水环境容量研究 1 5 ，吠态变量的变化率，m g ( s l ) 。 3 w a s p 模型体系 u s e p a 于1 9 8 3 年开发出了w a s p ( w a t e r q u a l i t y a n a l y s i ss i m u l a t i o n p r o g r a m ) 软件系统，可用于对河流、湖泊、河口、水库、海岸的水质进行模拟。它包括两个 独立的计算程序：d y n h y d 和w a s p ，它们可以联合运行，也可以独立运行。 d y n h y d 是水动力学程序，它模拟水流的运动：w a s p 是水质程序，可以模拟水 中各种污染物的运动与相互作用，它包含t o x i 和e u t r o 两个子模型，其中t o x i 模拟有毒物质的污染，包重金属和泥沙；e u t r o 用来分析常规的污染物质，包括 d o 、b o d 、营养物质等。 w a s p 程序具有相当的灵活性，在其基本程序中反映了对流、弥散、点源负荷 与扩散负荷以及边界的交换等随时间变化的过程，可以用来建立一维，二维和三维 模型等。 2 0 0 6 年6 月，u s e p a 已经发布了w a s p7 2 版本啊1 ，在实践中也有了较广泛的 应用。 4 c e 0 u a l r j v l 模型 1 9 8 3 年，美国陆军工程兵团和美国水道实验站联合开发了c e q u a l r j v l 模型，它是完全动态的一维水动力学与水质模拟模型哪! ，可以用来预测与暴雨径流 有关的水质变化过程。c e q u a l 一砌v l 软件包含两个独立的予程序r i v e h 和 r i v e q ，r i v e h 根据圣维南方程的数值解法进行水力学演进的水力学程序；r i v e q 则是水质程序，它们既可联合使用，也可独立使用。 5 m i k e 模型体系 m i k e 模型是由丹麦水动力研究所( d h i ) 开发的，包含m i k e l l 、m i k e 2 1 和 m i k e 3 。m i k e l l 是一维动态模型，能用于模拟河网、河口、滩涂等水域的水质变 化情况，研究的变量包括水温、细菌、氮、磷、d o 、b o d 、藻类、水生动物、挟 沙、底泥、重金属以及用户自定义物质。m i k e 2 1 是m i k e l l 的姐妹模型，常用来 模拟忽略水质垂向变化的湖泊、河口、海岸地区。m i k e 3 是另一个由d h i 开发的 模型，与m i k e 2 1 类似，但它能处理三维空间的水质模拟问题呻删。m i k e 模型体 系在我国也已有应用实例旧1 。 6 扬州大学硕士学位论文 6 o t i s 模型 o t i s “”是由美国地质调查局( u s g s ) 开发的可用于对河流中溶解物质的输 移进行模拟的一维水质模型，带有内部调蓄节点。这个模型能模拟河流的调蓄作用， 还可用于模拟示踪剂试验。它只研究用户自定义水质组分，还提供了参数优化器。 此外，还有其它一些比较有效和常用的水质模型，如w q r r s 、h e c - - 5 q “”、 b a s i n s 、a t v 1 、d u f l o w ”等，它们在水质模拟和污染物排放的环境管理中 发挥了重要作用。 1 2 4 遗传算法概述 遗传算法( g a ) “”1 是一种基于自然选择和遗传机理的具有统计特性的现代 优化算法，在优化问题的求解中，遗传算法属于直接算法。和传统优化算法不同， 遗传算法的搜索过程是基于群体的，遗传算法从一组随机产生的初始解群体开始搜 索，通过选择、杂交和变异算子来产生后代。每一代中都仅仅依靠适应度来衡量个 体的好坏，经过若干代以后，算法收敛至设定的结束条件。 图l 一7 遗传算法基本流程 刘超：仪征市水环境容量研究 1 7 遗传算法发展迅速，被广泛应用于函数优化、组合优化、自动控制、图像处理、 模式识别和人工智能等诸多领域，取得了极大的成功。 近年来，一些学者开始尝试将遗传算法应用于环境模型的参数最优化估值问题 “”，研究了遗传算法在河流水质模型参数最优化估值问题中的适用性，取得了较为 满意的结果，表明遗传算法具有解决河流水质模型参数最优化估值问题的潜力。 但是简单遗传算法算子设计比较简单，选择算子是轮盘赌选择，杂交算子为单 点杂交，容易出现早熟现象，并且在进化后期的搜索效率较低m 1 ，使其在水质模型 参数估值的实际应用中仍存在一定的局限性。 1 3 水环境容量研究的发展方向 综合国内外对