（水力学及河流动力学专业论文）感潮河网水功能过渡区及水环境承载能力研究.pdf

中立摘堕 摘要 本文结合上二海市科委关于“上海水环境综合整治环境功能区( 完善) 研究” 和“苏卅f 河环境综合整治：二期水务工程环境效益研究”的重点科研课题，以及上 海市水务局关于“上海市感潮河网水环境承载能力研究”的重大科研课题研究， 针对水功能区划以及水资源的开发、利用、保护和管理工作中迫切需要解决的几 个关键问题，进行系统研究，取得下列重要研究成果： 研究得出纵向分散系数的正确与否对水质模拟预测结果的影响不容忽视，通 过对国内外关于纵向分散系数试验研究的大量参考文献调研，提出感潮河网地区 水质数值模拟对纵向分散系数的合理取值范围，以及时纵向分散系数的计算公式 调整经验系数的方法。 根据水功能过渡区的新理念和水环境承载能力的理论，首次分别推导出恒定 均匀流和非均匀流流态下河流的水功能过渡区浓度分布及其长度计算公式，首次 研究了恒定均匀流、非均匀流和非恒定流流惫下河流水功能过渡区的长度计算方 法，并系统分析了水动力特性、污染物特性、水功能过渡区类型和内源底泥污染 等因素对河流水功能过渡区长度影响的变化规律。 结合感潮河网地区河道纵横交错、水流运动复杂、流向多变的特点，首次研 究建立了符合实际、实用创新的感潮河网水环境承载能力数学模型。该模型不仅 能够真实合理地反映水功能过渡区的长度与浓度分布的变化过程，及其对水环境 承载能力的影响变化，而且能够全面正确地反映感潮河网水环境承载能力受边界 水质变化、水质目标差异、调蓄水量多少、水利工程调控等多种因素影响f f 的时 空变化规律。 利用上海统一城建坐标系统的数字地图资源，研究了感潮河网水量水质模型 和水环境承载能力模型技术与g i s 技术的无缝链接和集成创新。对实际河网，考 虑了调蓄支河的水质及其与概化河网的水质动态变化耦合影响，采用维和零维 水质耦合模型来模拟计算水质的变化规律，细化了感潮河网水质模型的模拟功 能，提高了模拟预测精度。实现了河网自动优化编码、智能化识别的功能，并建 立了上海浦西地区基于数字河网的苏州河水系河网水量水质模型和水环境承载 河海人学博士学位论文 能力模型。 本文在完善感潮河网水量水质模型、研究河流水功能过渡区的长度、研发感 潮河网水环境承载能力模型以及系统研究河流水功能过渡区长度和水环境承载 能力的影响变化规律等方面，取得了较为突出的创新研究成果，发表的论文已被 e i 收录。该研究成果为水功能区的合理性分析、可行性论证和优化调整以及为 正确处理好水环境的质量、容量和污染物控制总量之间的扔调关系提供了关键技 术支撑和科学依据，可推广应用于水功能区划、水环境综合整治、水资源优化配 罱以及水资源有效保护和合理利用等规划设计与研究管理工作。 关键词：感潮河网；水功能过渡区；长度；水环境承载能力；水量水质；数学 模型；影响研究 i i 茎墨塑茎 a b s t r a c t a sp a r to ft h es h a n g h a is c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i s s i o ns u p p o r t e d p r o j e c t s t u d y o nt h e s h a n g h a iw a t e re n v i r o n m e n tf u n c t i o n a lz o n i n g a n d s t u d yo nt h e w a t e rq u a l i t yi m p r o v e m e n to ft h es u z h o uc r e e kr e h a b i l i t a t i o np h a s e p r o j e c t ”a n d a l s ot h es h a n g h a iw a t e r a u t h o r i t ys u p p o r t e dp r o j e c t s t u d yo nt h ec a r r y i n gc a p a c i t y o ft h es h a n g h a it i d a lf i v e rn e t w o r k s ”，t h i ss t u d yf o c u s e so ns o l v i n gt h e k e y t e c h n i c a l p r o b l e m se x i s t i n gi nw a t e re n v i r o n m e n tf u n c t i o n a lz o n i n ga n dt h ew a t e rr e s o u r c e d e v e l o p m e n t ，u t i l i z a t i o n ，p r o t e c t i o na n dm a n a g e m e n t as y s t e m a t i cr e s e a r c ha p p r o a c h h a sb e e nc o n d u c t e di nt h es m d ya n dt h ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t sa r ca c h i e v e d t h i ss t u d ys h o w st h a tl o n g i t u d i n a ld i s p e r s i o nc o e f f i c i e n th a sc l o s er e l a t i o nt ot h e p r e d i c t e dw a t e rq u a l i t y w i t hi n t e n s i v er e f e r e n c et ot h er e l e v a n ts t u d i e s ，t h i sp r o j e c t s u g g e s t e dar a t i o n a lr a n g eo fl o n g i t u d i n a ld i s p e r s i o nc o e f f i c i e n tv a l u e ，a n da l s ot h e m e t h o dt oa d j u s tt h ee m p i r i c a lc o e f f i c i e n ti nc o m p u t i n gt h el o n g i t u d i n a ld i s p e r s i o n t o e f f i c i e n t b a s i n g o nt h en e wi d e a so f w a t e re n v i r o n m e n tf u n c t i o n a lt r a n s i t i o nz o n ea n dt h e t h e o r yo f w a t e re n v i r o n m e n tc a r r y i n gc a p a c i t ya s s 伪s m e n t ，t h i ss t i l d y ，f o rt h ef i r s tt i m e ， f o r m u l a t e dt h ef o r m u l at oc o m p u t et h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na n dt h el e n g t ho f t h e t r a n s i t i o nz o n eu n d e rs t e a d ya n du n s t e a d yh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n s 。t h em e t h o do f c o m p u t i n g t h el e n g c ho ft h et r a n s i t i o nz o n eu n d e r s t e a d ya n du n s t e a d yh y d r o d y n a m i c c o n d i t i o n si s p r o p o s e d f o r t h ef i r s tt i m e ，a n dt h ei m p a c t o fh y d r o d y n a m i c ， c o n t a m i n a n tc h a r a c t e r i s t i c ，t y p eo ft r a n s i t i o nz o n ea n dt h ei n t e r n a lp o l l u t i o ns o u r c e f r o ms e d i m e n to nt h el e n g t ho f t h et r a n s i t i o nz o n ei ss t u d i e di nd e t a i lf o rt h ef i r s tt i m e w i t hc o n s i d e r a t i o no ft h ec o m p l e xr i v e rn e t w o r k sa n dt h er e l a t e d c o m p l e x h y d r o d y n a m i c s ，f o rt h ef w s tt i m e ，am a t h e m a t i c a lm o d e lt o a s s e s st h ea s s i m i l a t i v e c a p a c i t yw a ss e t u p f o rt h es h a n g h a it i d a lf i v e rn e t w o r k s t h em o d e lc a ne i t h e r s i m u l a t et h el e n 舀ha n dt h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fp o l l u t a n t si nt h et r a n s i t i o n l 河海大学博 学位论史 z o n e ，o rt oa s s e s st h ea s s i m i l a t i v ec a p a c i t ya n di t ss p a c e t i m ec h a n g ew i t hw a t e r q u a l i t yb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，w a t e rq u a l i t yo b j e c t i v e s ，s t o r a g eo fw a t e ra n dt h e o p e r a t i o n o f c o n t r o ls t r u c t u r e s b a s i n g o nt h es h a n g h a id i g i t a lf i v e rn e t w o r kw i t hu n i f i e dg e n c o o r d i n a t es y s t e m ， t h i ss t u d yi n t e g r a t e sh y d r o d y n a m i cm o d e l ，w a t e rq u a l i t ym o d e l ，a s s i m i l a t i v ec a p a c i t y a s s e s s m e n tm o d e la n dg i si n t oo n ep l a t f o r m t h ec o m b i n e de f f e c t so fw a t e rq u a l i t y c h a n g ed u e t os t o r a g eb r a n c ha n dt h er i v e rn e t w o r ks c b e m a t i z a t i o nh a sb e e nt a k e ni n a c c o u n ti nt h em o d e l t h ei n t e g r a t e ds y s t e mc a l l s u p p o r ta u t o - c o d i n g a n dt h e i d e n t i f i c a t i o no fn e t w o r k s ag 1 sb a s e dh y d r o d y n a m i c w a t e rq u a l i t ya n dw a t e r e n v i r o n m e n t a lc a r r y i n gc a p a c i t ya s s e s s m e n tm o d e lh a sb e e ns e t u pf o rt h es u z h o u c r e e kr i v e rs y s t e m s o m ec r e a t i v ea c h i e v e m e n t sh a sb e e na c h i e v e di nt h es t u d yo fi m p r o v i n gt i d a l f i v e rn e t w o r k s h y d r o d y n a m i c a n dw a t e r q u a l i t ym o d e l ，d e v e l o p m e n t o fw a t e r e n v i r o n m e n t a lc a r r y i n gc a p a c i t ya s s e s s m e n tm o d e l ，a n dt h ei m p a e t so i lt h el e n g t ho f t r a n s i t i o nz o n ea n da s s i m i l a t i v ec a p a c i t y t h em a i nr e s u l t sh a sb e e np u b l i s h e do nt h e e l j o u r n a l s 。 t h i ss t u d y p r o v i d e sk e y t e c h n i c a lt o o l sa n ds c i e n t i f i cb a s i st ow a t e re n v i r o n m e n t f u n c t i o n a lz o n i n g ，e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n gf e a s i b i l i t ys t u d y , a n di sa l s oc r i t i c a li n b a l a n c i n gw a t e rq u a l i t y , a s s i m i l a t i v ec a p a c i t ya n dt h et o t a lm a x i m u md i s c h a r g i n g 1 0 a d k e yw o r d ：t i d a l r i v e rn e t w o r k , w a t e re n v i r o n m e n tf u n c t i o n a lt r a n s i t i o nz o n e ， w a t e re n v i r o n m e n t c a r r y i n gc a p a c i t y , h y d r o d y n a m i c a n dw a t e r q u a l i t y , m a t h e m a t i c a lm o d e l ，i m p a c ts t u d y 前击 刖吾 水是基础性的自然资源和战略性的经济资源，水资源可持续利用是我国经济 社会发展的战略问题，也是经济社会可持续发展的重要物质基础。我倒以占全球 6 的可更新水资源、9 的耕地，支持了占全球2 2 人口的温饱和经济发展，水 利发挥了重要作用。但是我国水资源仍存在洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化三 大问题，即洪涝灾害频繁，防洪安全仍缺乏保障；水资源浪费和水环境恶化减少 了可利用的水资源，严重影响了水资源的利用效率，加剧了水资源的供需矛盾。 随着我国经济社会的不断发展，水资源短缺和水环境恶化闯题表现得越来越突 出，已经成为制约经济社会发展的主要因素。这些问题的出现都与水资源及水环 境承载能力的失控密切相关。目前，在水资源及水环境承载能力的理论和实践等 方面都进行了积极的探索，在理论上提出要按照水资源的承载能力，推进水利和 经济社会的协调发展。在定的流域或区域内，要“以供定需”，即根据当地的水 资源条件，确定适当的经济社会发展结构和规模，以维系良好的生态系统。同时， 经济社会发展必须充分考虑水环境承载能力，因为一定的水域所能容纳的污染物 是有限的，超过定的限度就会对生态环境造成很大破坏。因此，把水的问题放 在整个经济社会发展的全局中进行统筹考虑，处理好人与自然的和谐共处，协调 好生活、生产和生态用水，认真研究水资源和水环境承载能力，以水资源的可持 续利用保障经济社会可持续发展为目标，合理配置水资源，综合整治水环境，不 断建立和完善防洪减灾安全保障体系、水资源供给与高效利用的保障体系和维护 生态环境安全的水利保障体系，这对实现我国经济社会全面、协调和可持续发展 的战略目标具有重要意义。 国外的水功能区没有设置过渡区，国内的水功能区划提出了设置水功能过渡 区的新理念，目前尚未发现关于水功能过渡区范围的定量计算方法的科技文献， 过渡区范围的划定还停留在经验判断的阶段，在绝大多数的水功能区划中，过渡 区的范围一般采用5 - 2 0 k m 左右，带有一定的盲目性，缺乏定量的科学依据。对 于感潮河流水环境容量计算方法，已有几个文献报道，但是，建立的水环境容量 模犁是属于单一河流的水环境容量模型，模拟方法比较简单，没有反映过渡区的 河海人学博n 学他论史 变化对水坏境承载能力的影响，也没有研究感潮河流的水环境承载能力影响因素 及其影响程度。对平原河网的非稳态水环境容量数值计算郑孝宇曾经有过初步研 究，但是没有研究与水功能过渡区( 缓冲区) 相适应、相协调的水环境承载能力， 没有系统研究水环境承载能力的影响变化规律，对感潮河网的水环境承载能力研 究尚未发现他人研究过。尽管水资源保护工作取得了不少成绩，但是，有关我国 水资源保护规划的理论和技术体系还不健全，导致水资源保护规划中对关键问题 的确定带有较大的随意性和盲目性。如水功能区是否合理可行? 如何实现水功能 区的水质保护目标? 如何规范和约束水资源的开发、和用、保护和管理活动? 要 解决好这些问题，都需要科学确定水环境承载能力的大小。对于上海这样一个水 流运动复杂的感潮河网地区，水环境承载能力的计算，还缺乏系统的、全面的理 论指导，而且影响因素众多、变化复杂。当前，全国正在组织编制水资源综合规 划，已经完成了水功能区划、水资源及其开发利用现状调查评价的一阶段工作， 正进入以水资源合理配置为核心的专项规划编制阶段，在水资源保护规划中最复 杂、最敏感的一个核心问题就是水环境承载能力的准确定量化问题，它直接关系 到水功能区划中过渡区范围的大，j 、及开发利用区内污染物允许排放量的多少。不 同的计算方法，所得出的水环境承载能力可能会有很大差异，简单的或不恰当的 计算方法往往导致夸大的水环境承载能力进而使得水功能区水质难以得到有效 保护。为此，本文依托上海市科委的两个重点科研课题，即上海水环境综合整治 环境功能区( 完善) 研究和苏州河环境综合整治二期水务工程环境效益研究，以 及上海市水务局立项的重大科研课题“感潮河网水环境承载能力研究”，紧密结合 上海的水资源特点和水环境污染状况，着重研究水功能过渡区( 缓冲区) 范围的 计算方法和感潮河网水环境承载能力模型，并系统研究水环境承载能力及其影响 因素和影响程度，为水功能区的可行性分析、优化调整和科学管理，为合理利用 水环境承载能力资源和提高水环境承载能力，为制定水环境的污染物排放总量控 制方案以及正确处理好水环境的质量、容量和污染物控制总量的协调关系提供科 学依据和关键技术支持。该项研究不仅在学术上具有重要意义和理论价值，而且 在现实中也是水环境综合整治、水资源优化配置和有效保护迫切需要解决的实际 阊题。 本文的研究创新可简要归纳为：( 一) 提出纵向分散系数的正确与否对水质 前击 模拟预测结果的影晌不容忽视，在困内外关于纵向分散系数试验研究的大量参考 文献调研基础上，提出在感潮河网地区，水流物质输移问题的水质数值模拟对纵 向分散系数的取值范围应控制在1 0 0 m 2 s 之内。并对纵向分散系数的经验公式， 提出了必须结合当地河流的实际情况，调整经验系数的方法；( 二：) 通过理论推 导，首次得出了恒定流念下水功能过渡区的浓度分布及其长度计算公式，并首次 系统研究水功能过渡区的长度受河流水动力特性、污染物特性、过渡区类型、内 源污染物等因素组合影响的变化规律，提出对实际河流计算确定水功能过渡区范 围的方法；( 三) 应用水功能过渡区的新理念和水环境承载能力的理论，首次研 制了适应性强、快速高效、符合实际、有实用推广价值的感潮河网水环境承载能 力数学模型，经实例计算验证，方法正确可靠。该模型能够真实合理地反映感潮 河网地区水功能过渡区的长度与浓度分布的变化过程，及其对水环境承载能力的 影响变化，而且能够全面正确地反映感潮河网水环境承载能力受边界水质变化、 水质目标差异、调蓄库容、水利工程运行等多种因素影响下的时空变化规律；( 四) 感潮河网水量水质模型和水环境承载能力模型技术与g i s 技术集成方面有创新。 对实际河网，考虑了调蓄支河的水质及其与概化河网的水质动态变化藕合影响， 采用一维和零维水质耦合模型来模拟计算水质的交化规律，细化了感潮河网水质 模型的模拟功能，提高了模拟预测精度。实现了河网自动优化编码、智能化识别 的功能，减少了不必要的人为误差；实现了g i s 与模型前后处理n e t t e r 软件以及 n e t t e r 与数学模烈的无缝链接。研究建立了上海浦西地区涉及研究范围1 8 5 0 k m 2 基于数字河网的苏州河水系河网水量水质模型和水环境承载能力模型，为上海水 功能区的合理性分析、可行性论证和优化调整以及正确处理好水环境的质量、容 量和污染物控制总量提供了关键技术支撑，并奠定了坚实的基础，可推广应用于 水环境综合整治、水资源优化配置以及水资源有效保护和合理利用等规划设汁与 研究管理工作。 i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：2 0 0 5 年4 月1 0 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 敝储。签铀左玺盘2 嘶年4 月。日 河海太学游、 学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 水是基础性的自然资源和战略性的经济资源。治水害、水利，历来是治国 安邦的大事，贯穿于中国的发展历史。尤其是建国5 0 多年以来，党中央、国务 院领导全国人民坚持不懈治理江河、兴修水利，成就举世瞩目。我国以占全球 6 的可更新水资源、9 的耕地，支持了占全球2 2 人口的温饱和经济发展，水 利发挥了重要作用。但是我国水资源仍存在洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化三 大问题，即洪涝灾害频繁，防洪安全仍缺乏保障；水资源浪费加剧了供需矛盾， 水资源短缺已经成为制约经济社会发展的主要因素 水环境恶化减少了可利用的 水资源，严重影响了水资源的利用效率。随着我国经济社会的不断发展，水资源 短缺和水环境恶化问题表现得越来越突出，综合治理难度越来越大。尽管我国投 入了大量的人力、物力和财力去治理太湖、淮河、滇池的水污染问题，但经常可 以看到有关报道，治污效果不容乐观，这些问题的出现都与水资源及水环境承载 能力的失控密切相关。 党中央、国务院对水资源及水环境问题高度重视，强调“水资源可持续利用 是我国经济社会发展的战略f 司题”，水资源的可持续利用，是经济和杜会可持续 发展的重要保证。水利部在总结历史治水经验，深入分析我国水资源特点、存在 问题和客观形势的基础上，提出从工程水利向资源水利转变，从传统水利向现代 水利、可持续发展水利转变的治水新思路。强调在对水资源进行开发、利用的同 时，要特别重视水资源的配置、节约和保护。目前，在水资源及水环境承载能力 的理论和实践等方面都进行了积极的探索，在理论上提出要按照水资源的承载能 力，推进水利和经济社会的协调发展。在一定的流域或区域内，要“以供定需”， 即根据当地的水资源条件，确定适当的经济社会发展结构和规模，以维系良好的 生态系统。同时，经济社会发展必须充分考虑水环境承载能力，因为一定的水域 所能容纳的污染物是有限的，超过一定的限度就会对生态环境造成很大破坏。要 努力建设节水防污型社会，把水的问题放在整个经济社会发展的全局中进行统筹 考虑，处理好人与自然的和谐共处，协调好生活、生产和生态用水，认真研究水 笫一章绪论 资源和水环境承载能力，以水资源的可持续利用保障经济社会可持续发展为目 标，合理配置水资源，综合整治水环境，不断建立和完善防洪减灾安全保障体系、 水资源供给与高效利用的保障体系和维护生念环境安全的水利保障体系，对实现 我国经济社会全面、掷调和可持续发展的战略目标具有重要意义。 为了指导水资源的合理利用和有效保护，实现水资源的可持续利用，全国诈 在开展编制水资源综合规划，目前，已经完成了水功能区划、水资源及其开发利 用现状调查评价的一阶段工作，正进入以水资源合理配置为核心的专项规划编制 阶段。工作中发现，在水资源及水环境承载能力的研究方面还存在许多难点问题， 现在水功能区划中高标准功能区与低标准功能区多数直接相接，有的设置了过渡 区，但是过渡区的范围划定还停留在经验判断的阶段，带有一定的盲目性，缺乏 定量的科学依据。对水资源及水环境承载能力理论体系的深化、评价和指标体系、 定量分析问题，以及如何客观评估人类活动对水资源及水环境承载能力的影响、 水资源及水环境承载能力统一考虑等问题，都需进一步的深入研究。 本文结合上海市科委关于“上海水环境综合整治环境功能区( 完善) 研究” 和“苏州河环境综合整治二期水务工程环境效益研究”的重点科研课题，以及上 海市水务局关于“上海市感潮河网水环境承载能力研究”的重大科研课题研究， 将围绕感潮河网水环境承载能力定量分析的几个关键问题展开研究，着重研究水 功能过渡区( 缓冲区) 范围计算方法，研发感潮河网水环境承载能力数学模型， 并系统研究水环境承载能力及其影响因素和影响程度，为水功能区的可行性分 析、优化调整和科学管理，为合理利用水环境承载能力资源和提高水环境承载能 力，为制定水环境的污染物排放总量控制方案以及正确处理好水环境的质量、容 量和污染物控制总量的协调关系提供科学依据和关键技术支持。该项研究不仅在 学术上具有重要意义和理论价值，而且在现实中也是水环境综合整治、水资源优 化配置和有效保护迫切需要解决的实际问题。 1 2 水功能区划研究概况 以水资源的可持续利用保障经济社会的可持续发展为目标，就必须以水资源 和水环境的承载能力为依据，进行水资源优化配置，减少水环境污染，提高水资 源利用效率，加强水资源科学管理。而科学合理地划分水功能区是确定水环境承 载能力，进行水资源保护和管理的基础。 2 河海人学博：学位论文 水( 环境) 功能区划就是对水资源进行科学合理的功能分区，即根据流域或 区域水资源的自然属性( 如水资源条件、地理位置、水环境状况) 和社会属性( 如 水资源开发利用现状、社会经济发展对水量水质的需求等) ，立足于水资源的可 持续利用，对水的用途进行区域划分，明确分类功能和主导功能，并提出相应的 水质控制标准。简言之就是对水资源的保护和利甩进行分类、分区划定，为协调 好水资源保护和利用之间的关系，省际边界之间和用水部门之间的用水关系奠定 基础。因此，科学合理地划分水功能区，按照水功能区来组织和约束水资源的_ ，= 发、利用、节约、保护和管理活动，符合全面、协调、可持续发展的战略要求， 对保护好、利用好水资源具有重大的意义。 1 。2 1 国外水( 环境) 功能区划的方法与实践 美国早在1 9 6 5 1 9 6 7 年就对大部份水域进行了功能划分。1 9 6 5 年美国水质 法要求各州于1 9 6 7 年制定出水体的标准，而在制定标准莳，首先要确定各保护 水体的用途，即先对水体进行功能区划分，分类有城市用水区、农村用水区、娱 乐用水区、鱼和野生动物用水区、工业用水区、混合区等，然后制定相应功能区 的水质标准。但美国曾经一度放弃按功能划分保护水体，“联邦水污染控制法” ( f w p c a ) 1 9 7 2 年修正案提出水质基本目标是应维持水生物生态和娱乐( 指钓 鱼和游泳) 功能的水质要求，认为符合这两项要求的在大多数情况下适合于其它 功能，所有水体均按此要求保护。而实际上非重要水源不需要高标准保护，水生 态系统不受影响的水环境治理和保护在经济上难以承受，因而后来实际上恢复了 水域使用功能的管理办法。加拿大的地表水质量管理政策中较早地提出了混合区 ( 排污控制区) l ”。加拿大安大略省的地袁水质量管理政策对混合区的提法是： 在排污口附近的一部分水域水质不能达到规定的目标，它范围必须尽可能的小， 而且限于一般污染物不得干扰水体功能。允许混合区存在不应因此而省略合理 的、可行的处理措施；不能因此而造成不可恢复的环境损失，破坏生态平衡；不 能危害饮用水源、娱乐水体功能。混合区允许存在的前题是排污口必须取得许可 证。 关于水质标准的设定，美国的水质标准分两类，第一类水质标准( c r i t e r i o n ) 由国家技术咨询委员会或国家科学院等机构制订，第二类是我们通常说的标准 ( s t a n d a r d ) 。第一类水质标准不是法定标准，该标准用来全面保护水生物和评价 3 第章绪论 水体健康的程度，超标则表示水环境质量在变坏，危及水生物。标准值( 都是化 学物质的浓度值) 并不能直接指示水生物的状况，因而i f 在力图研究能直接指示 生物与评价生态健康状况的生物指标。第一类水质标准的制订并不考虑检出限， 也不考虑社会与经济因素、背景浓度、物质在空气和土壤中的迁移以及标准中的 某种物质的可处理、可去除性。它用作为制订水质管理决策制订排放要求( 污染 负荷限量) 和排污许可的依据，也被用来评价事故溢出的危害程度和修复行动是 否有效。美因在其第一类水质标准基础上制订的受纳水体地表水环境质量标准具 有法律效应，任何污染排放不得造成地面水标准超标。美国联邦水污染控制法 ( f w p c a ) 在1 9 7 7 年修订时将美国水污染防治重点由常规污染物转为有毒有害 物质：重会属、有机化合物。 英国在划分水( 环境) 功能区时，同时考虑了污水的直接受纳水体和最终受 纳水体。当水体兼有多种功能和用途时，则遵循按高功能保护的原则，以水质要 求最高者作为保护目标。 欧洲各国对于水资源的利用各不相同。在地中海国家，水资源主要用于农业 灌溉。而对于北欧诸国来说，水资源主要用于满足居民、公众事业、商业的需求。 欧盟在1 9 7 5 年通过了有关地表水的法规，将水资源分为不同类型的水源和不同 用途的水质：饮用水，渔业养殖水，贝类养殖水，游泳水，地下水 2 1 。 日本在1 9 7 0 1 9 7 1 年由环境厅委托都道府县根据“环境污染控制基本法”对 指定的4 7 个县际水域和1 5 个道县水域进行了功能分区，水功能区分类有自然保 护区，生活饮用水源区( 一级供水、二级供水、三级供水) ，一、二、三级渔业 用水区，工业用水区( 分为一级工业用水、二级工业用水、三级工业用水) ，浴场 用永区等。并按不同功能要求执行不同的水质标准 3 , 4 1 。 前苏联也在上世纪6 0 年代对水体按其化学成分不同及地质条件差异进行了 定性、定量划分【5 i 。 1 2 2 国内水( 环境) 功能区糍的研究与进晨 我国国家海洋局于上世纪9 0 年代编制了中国海洋功能区划，从实践检验 成效看，海洋功能区划逐渐成为制定我国海洋政策与法规、地方海洋规划和计划 的基础，协调行业用海矛盾、合理布置海洋产业的依据。海洋功能区划为合理开 发利用海洋资源、保护海洋生态环境、加强海洋综合管理提供了重要的科学依据 4 扣海人学博。 ：学位论文 州。 我国的水功能区划研究工作经历了学习探索和建立完善两个阶段。通过学习 国外发达国家关于水( 环境) 功能区划方法与实践的成功经验，我国在1 9 8 3 年 首次发御“地面水环境质量标准”( g b 3 8 3 8 8 3 ) ，地面水环境质量标准分为水质良 好、水质较好、水质尚可三级，提出2 0 项水质指标三级标准要求；1 9 8 8 年进行 了第一次修订，发布了( g b 3 8 3 8 8 8 ) ，开始划分了水域五类功能，执行不同的 水质标准：自然保护区及源头水，执行i 类水标准；集中式生活饮用水水源地一 级保护区、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场等，执行l i 类水标准；集中式生活饮用 水水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区，执行i 类水标准；一般工业用 水区和人体菲直接接触的景观娱乐用水区，执行类水标准；农业用水区和一般 景观要求水域，执行v 类水标准；水质指标要求3 0 项。同一水域兼有多种功能 的，按最高功能划分类别。自上世纪8 0 年代以来，水利、环保等有关部门和一 些地方政府先后在水( 环境) 功能区划方面做了大量工作，1 9 9 9 年进行了第二 次修订，发布了( g h z b i 。1 9 9 9 ) ，水质指标要求3 1 项。2 0 0 2 年进行了第三次修 订，发布了地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ，将水质标准项目分为：地 表水环境质量标准基本项目2 4 项，集中式生活饮用水地表水源地补充项目5 项， 集中式生活饮用水地表水源地特定项目8 0 项，诱整了部分水质指标的标准值， 对集中式生活饮用水地表水源地增加了特定项目4 0 项，并提出了较为全面、系 统、严格的水质标准要求。有的部门和地区还经批准正式颁布了水( 环境) 功能 区划成果。但是水( 环境) 功能区的划分与管理存在三个方面的突出问题： 一是没有很好解决地区间的用水矛盾。以往所做的水( 环境) 功能区划，没 有完全反映水资源的流域性、流动性的特点，多数是以行政区划为界分块进行的， 没有全面系统地按流域和水系制定。因此，它无法统一协调上下游、左右岸的用 水关系，尤其是跨行政区的用水矛盾，以至在管理中出现上游影响下游用水、发 生水事纠纷等问题。 二是部门之间的用水矛盾难以解决。同一水域不同部门有不同的用水要求， 在没有协调一致的情况下各部门容易产生用水矛盾，水资源配置缺乏依据。 三是功能区划分的标准、指标和分类方法不统一，缺乏全面、系统的理论和 方法作支撑。目前，全国制定了统一的水功能区划技术体系在划分原则、指标、 程序和方法上将更加系统化、规范化，并着力于区划分级分类系统的设计，力求 5 第。章绪论 通过分级分类方面的创新，解决地区和部门之间的用水矛盾。 根据水利部2 0 0 0 年5 8 号文件“关于在全国开展水资源保护规划编制r t 作的 通知”中提出的水功能区划技术大纲编制要求，水功能区划采用两级十一类 分级分类系统，即一级区划( 分4 类) 和：二级区划( 分7 类) 。 一级区划以流域为单元，在流域范围内从宏观上考虑水资源开发、利用、节 约、保护和管理的问题，主要协调好地域之间的用水关系问题，从长远考虑可持 续发展的需求。分保护区、缓冲区、开发利用区和保留区四类。二级区划是在一 级区划的基础上，只对开发利用区进行的二级水功能区划分。分为饮用水源区、 工业用水区、农业用水区、渔业用水区、景观娱乐用水区、过渡区和排污控制区 等7 类。二级水功能分区主要是为了协调和解决地方各用水部门之间的矛盾。该 区划体系提出了缓冲区和过渡区两个全新的水功能区概念，所谓缓冲区，是指为 协调省际间、矛盾突出的地区间用水关系，以及在保护区与开发利用区相接时， 为满足高功能区水质要求而划定的水域。过渡区是指为使水质要求有差异的相邻 功能区顺利衔接而划定的区域。缓冲区是属于一级水功能区，过渡区是属于二级 水功能区，两者本质上是致的，设景这两个水功能区的目的都是为了水质要求 有差异的相邻功能区之间的水质顺利衔接，确保满足商功能区的用水水质要求。 根据全国开展水资源综合规划的总体要求，各流域管理机构、省、市都相继 编制完成了水功能区划，并进行了复核、补充和完善，各地结合当地的水资源特 点、水环境状况和经济社会发展需求，兼顾水功能需求与现实可能，发表了关于 水功能区划方法、成果、实践以及水功能区管理的论文 7 - 1 6 】。 水功能区划存在的问题： 一是关于流域性与重要城市的大型供水水源地，跨流域的调水工程水域划为 一级水功能区的保护区，而将非流域性及中、小型供水水源地划为二级水功能区 的饮用水源区，在区划理论体系上不严密。作者认为对于高功能、高标准水质要 求的生活用水区域，要强调保护与利用并重，实现在保护中有效利用，在利用中 加强保护，只要是生活供水水源地，无论大小，应明确既是属于保护区，又是属 于饮用水源区，在范围划分上，关于供水水源地的保护区范围应大于相应的饮用 水源区范围。 二是水功能缓冲区和过渡区范围还缺乏明确的界定，如何保证水质要求有差 异的相邻功能区顺利衔按，还缺乏定量依据。由于过渡区( 缓冲区) 是新的水功 6 河海大学博 ：学位论文 能区，目前还没有发现国内外有定量确定过渡区( 缓冲区) 范围的计算方法。因 此，需要研究确定其范围大小的计算方法，通过建立水环境承载能力模型，来研 究过渡区( 缓冲区) 的准确范围，计算分析水功能区划成果的可行性、合理性， 并对水功能区( 尤其是过渡区、缓冲区) 的范围进行优化调整。 1 ，3 水环境承载能力研究概况 水功能区划划分了不同的水功能区，制定了不同功能区的水环境保护目标。 准确定量水环境承载能力是科学合理制定水污染控制规划和水资源保护规划的 基础，也是校核水功能区划的依据。即水环境综合整治到什么程度，水功能区范 围是否合理及水功能区水环境保护目标是否能够实现，需要通过水环境承载能力 计算进行可行性分析加以论证。 水环境承载能力的大小是决定人类经济社会发展速度和规模的重要因素。水 环境的可持续承载是保障经济社会可持续发展的基本前提之一，限制人类活动对 水资源的开发利用和对环境的影响保持在水环境承载能力以内，方能实现水资源 的高效、安全利用和对经济发展的持续支撑，保障人类的生态环境安全。因此， 准确评价水环境承载能力是科学、合理地保护水环境，实现水资源有效、安全利 用的前提和基础。 水环境承载能力涉及多学科的交叉，典型地反映了一定经济发展阶段对环境 的认识水平和价值判断。因此，水环境承载能力的研究受到各学科的进展以及国 家经济发展水平的影响。当前，我国“水少”、“水多”、“水脏”、“水混”、“水成” 的水资源问题已经制约着国民经济和社会的可持续发展，因此，水资源及水环境 承载能力的系统分析成为一个迫切需要解决的科学问题。 1 3 1 概念 水环境是一个以水体为核心的动态空间系统，永体包括水量、水流和水质条 件。对河道水环境而言，水体、河道、河岸构成水环境的三大基本要素。水环境 三大要素之间相互关联，任一基本要素的改变，都可能造成水环境状况及其赖以 生存的水生态状况的变化。例如，蓄滞洪区的无序开发利用、河道缩窄相应河岸 结构型式的硬质固化，不仅剥夺洪水出路、对防洪安全形成严重威胁，而且导致 7 第一章绪论 该区域生物多样性破坏和生念功能失衡，隔断水生环境与陆牛环境的沟通。 1 9 8 7 年，世界环境与发展委员会及挪威首相希伦特兰( b r u n d t l a n d ) 提出了 我们其同的未来这份著名的纲领性报告，可持续发展的概念被定义为“即满 足当代人的需要，又不对后人满足其自身需要的能力构成危害的发展”。为了实 现可持续发展人们很自然地提出了环境承载能力的阔题。水利部汪恕诚部长在中 国水利学会成立7 0 周年大会上，作了关于”水环境承载能力分析与调控”的学术 报告，论述了水环境承载能力【1 7 l 。即水环境承载能力指的是在一定的水域，其水 体能够被继续使用并仍保持良好生态系统时，所能够容纳污水及污染物的最大能 力。首先。它指的是一个水域，表明其与地域相联系，取水用水之后，产生了污 水，污水又排放到定的水域里去。其次它界定了区域的环境质量。即这个受纳 污染物的水体不仅能够被继续使用，而且还要能保持良好的生态系统，这就应与 国家的法定标准相联系，再就是提出了能够容纳污染物的最大负荷量，即是一个 临界值( 水环境容量) ，表明该值有一定的基准，即要以给定的水环境保护目标、 设计水文条件和水的自然背景值作为前提条件，最后所形成的水体仍能保持可持 续利用。在一些发达国家，要求城市和工业做到零排放，一方面节水，用水量几 乎为零增长，另方面对污水处理做到零排放。有的国家提出水环境承载能力等 于水体自净能力的概念。我国要做到上述要求十分困难，这里所指的水环境承载 能力包括水体的自净能力，统筹兼顾水环境的容量资源利用与水生态系统的保 护，既不牺牲水环境质量片面追求经济发展，也不抑制经济发展而不切实际地过 度追求水环境质量。 1 3 2 研究现状 承载能力概念最早源自生态学，其特定含义是指在一定环境条件下菜种生物 个体可存活的最大数量。随着资