水环境容量计算方法三

水环境容量计算方法研究环境容量的概念首先是由日本学者提出来的。60年代末，日本为改善水和大气环境质量状况，提出污染排放总量控制问题。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。我国对环境容量的研究开始于70年代，其发展大致经历了下列三个阶段：80年代初，主要结合环境质量评价等项目进行研究，研究集中在水污染自净规律、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；“六五”攻关期间，一部分高校和科研机构联合攻关，把水环境容量理论同水污染控制规划相结合，出现了一批有实效的成果，初步显示了水环境容量理论与实际相结合的威力，这一时期的研究对污染物在水体中的物理、化学行为进行了比较深入、系统的探讨；“七五”国家环保科技攻关研究把水环境容量理论推向系统化、实用化的新阶段，1985年以来，随着我国环保事业的发展，全国一些重点城市和地区相继提出了城市综合整治规划、水污染综合防治规划、污染物总量控制规划以及水环境功能区划，为环境容量理论研究和实际应用提供了广阔的天地。前人所做的研究主要集中在水质模型、水环境容量的理论研究以及局部流域或河段的环境容量。基于“九五”攻关课题的研究，针对渭河干流从林家村到华县水文站315km河段环境容量计算过程中遇到的实际应用问题，本文着重讨论一维稳态条件下水环境容量的计算方法。1计算方法1.1基本概念和方程稀释容量和自净容量：当水体通过物理稀释作用使污染物达到规定的水质目标时所容纳的污染物的量称为稀释容量；水体通过物理、化学、物理化学、生物作用等对污染物所具有的降解或无害化能力表征为自净容量。水环境容量：一定水体在规定环境目标下所能容纳污染物的量［1］。容量大小与水体特征、水质目标及污染物特性有关，同时水环境容量还与污染物的排放方式及排放的时空分布有密切的关系。基于以上定义，本文作如下假设：首先，研究河流的混合输移过程通常只关心污染物浓度的沿程变化，而不关心其在断面上的变化，这时可采用一维水质模型进行描述。考虑到国内，尤其是关中地区的具体治理能力及有关水环境保护要求［2］,同时考虑到稳态模型发展较成熟，本文采用一维稳态模型进行容量计算。其次，当前国内河流的污染都以有机物污染为主，渭河的有机物污染相当严重，所以本文以COD(化学耗氧量)为代表对有机物的环境容量计算方法进行研究。第三，为了简化计算，本文只对点源污染(即排污口)进行计算，同时假定各排污口连续、均匀排污。由于本文中只为验证方法而进行计算，故将各支流来水假定为净水，这样求得的环境容量为最大值。在实际应用中，只要将支流浓度改为相应浓度即可。一维稳态情况下有机物的降解过程可用托马斯（Thomas)模型表述（忽略弥散）［3］：(1)在C(0)=C0的初值条件下得到托马斯模型的积分:(2)式中,C（x）、C0为x=x和x=0处河水COD浓度(mg/L)；x为到排污口（x=0）的河水流动距离(m)；u为河水平均流速(m/s)；k1、k3分别为COD衰减系数和COD沉浮系数(d－1)。1.2段首控制段首控制中的段是指沿河任何两个排污口断面之间的河段，而段首则是指各段的上游第一个排污口断面。某一功能区内各段的划分情况如图1所示。段首控制就是控制上游断面（也即段首）的水质达到功能区段的要求，那么由于有机物的降解，则在该段内的水质处处达到或高于功能区段的控制指标。段首控制严格控制了功能区段的水质不超标。图1功能区段内各小段的划分下面就段首控制的水环境容量计算方法进行分析。在功能区段的段首，由于来水的COD浓度与功能区段水质要求的差别，为来水提供了稀释容量：E0=Q0(Cs-C0)(3)式中,E0为功能区段段首的稀释容量（t/d）;Cs为功能区段水质标准（mg/L);Q0,C0分别代表来水的流量（m3/s)及浓度(mg/L)。功能区段内任意一段的容量计算如图2所示。由于控制各段段首为水质标准，那么经过一段降解(如图2中A、B所示)后，到达段末时的降解量即为该断面处的环境容量(如图2中C、D所示)。A.第i-1段浓度衰减曲线；B.第i段浓度衰减曲线；C.第i-1断面环境容量；D.第i断面的环境容量图2段首控制容量计算示意图第i个断面处的环境容量为：Ei=(Qi+qi)Cs-QiCsf(xi-xi-1)(4)式中，Ei为第i个断面处的环境容量（t/d）;qi为第i个断面处的排污流量（m3/s);Qi为混合后干流流量；其余各符号意义同上。则功能区段内所具有的总环境容量为：(5)化简式(5)得：袖颠进笔(剪6)态1.3梳段尾控僚制财段尾沈控制中段若的划分与筑段首控制奔相似，只尸是段的控疾制断面在毁下游的排缓污口断面蝴，亦即段代尾。段尾取控制的目耐的在于让作水质在各臣段末达到前功能区段威水质标准三，那么我讯们可以反势推出该段规段首处的亭环境容量凑。在段尾容控制水环抢境容量计案算中，功侵能区段全肆段水质低吃于水质要尚求，但考捷虑到降解农能力很低什，而且各宣小段较短贼，超标不瓜会太高，棕因此，水槽质超标很返小。功能袜区段内小隐段的划分逗如匹图乎1痛所示。免下面贸就段尾控岸制的水环似境容量计按算进行分纱析。类似野于段首控绸制，功能殊区段段首胜的稀释容结量为：兰E崖0东=Q欧0篇(估C缸s役-C贺0经)藏功能肆区段内任嫌意一段的拦容量计算左如势图帅3柏所示。由纤于控制断秘面在段末板，那么可柴由段末按锹降解曲线锤（如乔图姨3知中腐A震、城B绸所示）反颂推到段首胁，即可求身得段首处挺的环境容英量，如浅图坦3钟中找C佣、待D船所示。罢(7)疤竞式浓中畅,Q母i+1伸为申第坚i+尤1亿个断面前料的干流流会量芒（亦m阔3磁/悲s毙）垃;q洋i+1猾是赏第锁i+键1串个断面处酷的排污流渣量币（糠m抢3屋/s)范;下其余各符游号意义同助上。坟A角.伙第态i-腾1喝段浓度衰捐减曲线；稿惭B宅.宣第掠i滋段浓度衰蛇减曲线击；传C敲.孕第猪i-婆1硬断面的环财境容量；读废D凑.失第绣i仪断面的环慨境容量后图柜3牌段尾控晌制容量计鞋算示意图密功能枯区段内所葡具有的总斜环境容量样为：旦甚叹(糟8)螺化简式岭（造8慕）得：峰盯股贸(灾9)绳1.4猴功能区膀段段末控插制弹功能区伸段段末控膨制就是在全功能区段庆的最末断悦面控制水槽质。这里元的段末常妈常是特定切功能区段狗的段首。杨方法的实肿质是控制异功能区段跪最终断面度，而不考蛾虑段内水定质变化是曲否超标。系类似于段暮首控制，奴功能区段粮段首的稀药释容量为贴：锐E哑0垃=Q集0绢(粘C烟s性-C允0课)的功能区段总内各排污矮口的浓度捉变化如捕图民4枪所示，具纲体公式表追述如下：框玻缸仔题(薄10)昆同理可求高得功能区胃段最终控坦制断面的妹浓度为：相扶浴拐欧(早11)防式中茎，虾q钞i签、桨c隙i轻为敞i滨断面处排哗污口的排增污流量扒（伴m根3极/s辫)岛及浓度贩（吨mg/L废)街；锤Q枪n讯、出C溪n掉为最终控赢制断面的传干流流量请（丝m基3事/s昂)驴及浓度功（赞mg/L捎)捡；锅q搏n院、时c暖n探为最终控注制断面处计的排污流富量软（挥m走3脖/s跃)损及浓度盈（粉mg/L祖)厚。欲A温.螺第诉i-抚1骄段浓度衰标减曲线；痒呼B洋.挨第词i竹段浓度衰乓减曲线咐图宋4费功能区铃段段末控习制容量计杏算示意图霞本论社文第二部稻分提供的忧计算结果捐是按排污胡总量比例直消减后得完到的数据奴。所谓的税按总量比绢例消减是瞎指如果最丙终断面水像质低于控者制标准愤（僚c殖n薄>C床s镇)汇，则按各铁排污口的畜排污总量侮进行消减逗；反之，刷则相应让汽各排污口及增排放孔量宪(撕c季n揭<C议s参)暖，以计算救环境容量船。敢若芬C血s倍=c诵n蓝，则各排臭污口排放劫总量即为返该段在现渡行情况下施的环境容岭量。经校骑核，消减准后的水质粗在最终控条制断面可用以达标。均2萝计算实和例与方法待比较颈取著4佩月份保证即率为振75浆%齿的流量系鹊列铸及真198伴7名年的排污杯口排污资患料，分别吊用三种方岭法进行计俊算。对于什渭河干流悼从林家村刻到华县水爱文站剃约摔315健km愚区段进行毙计算，各暂功能区段昂的划分及钩水质标准届依陕西环暴保局的规销定而定搭［忙4赚］疫。计算中疲各系数取谊值如下：贪林家村至叫咸阳顿，睛k厘1港=0.3经8从（援d拌-1射）赶，序k缝3药=0.母2纺；咸阳至掀华县水文违站弓，懂k震1售=1.0趟0猫（谷d怪-1副）投，训k水3喜=0.2瘦5棍；流速随聪流量而纪变亭,慢计算公式址由相关分执析得到。脊计算结果裕见退表独1阻。佛表叮1蒜环境容震量计算结烛果表齿扫t/d挡编号最水域范围叔水质标准阶段首控制屈段尾控制默区段末控艇制艰1驰林家村至安千河入渭汁口胃Ⅲ闲类甲11.4禽6奶16.8挑8责17.9访8鞋2客千河入渭补口至蔡家除坡穴Ⅳ的类卷22.7泳7潮31.2尝5床42.0改3沙3诊蔡家坡至鸦咸阳区界验Ⅲ杏类偏6.84求14.7及3训36.7割0妹4涌咸阳区界率至兴平断白面牵Ⅳ收类炒31.5充7季47.8瞎5晕50.6巩9半5吊兴平至南毕营醒Ⅲ呜类他3.75门9.90律49.0诞8威6截南营至铁喂桥筋Ⅳ酸类辱20.2次4盘26.1卷4墨49.4主0昨7扬铁桥至天窗江铺Ⅲ买类嫁15.0偶2坟28.1缩3门60.3去6馒8授天江至交迁口提水站传Ⅳ败类妹81.2叫4酷115.渗76询121.抗14恩9忧交口至白熟杨水源地旋Ⅲ蛮类汪15.1斧0于31.0础2邻74.0材2伪10佣白杨至华场县水文站凳Ⅳ弓类针76.9挣9世109.米63春118.防13吊可以看粒出，段首仰控制方法械计算得到素的环境容监量略小于回段尾控制径方法的计兵算结果，草这是与预歼期相符合荷的。因为写段首控制婶的计算使狂全段水质祖高于标准抹，而段尾包控制使全厌段略低于劫标准，所即以才有以迁上结果。称这两组值睛的差别因案排污口的带多少而变工化。当把伏功能区段名无限划分键，即假定冶排污口有拳无限多个四，且均匀饥分布时，月用极限的俊原理求得喜这两种方声法的计算吨结果是相都等的。因支q乔i口相对于脏Q倾i例很小，故突在求极限破的过程中摄略去。对扯于这两种使方法，其饮功能区段舟段首的稀码释容量是杯相等的，导故只对自呆净容量膏E酿Z筐进行比较杂即可。冲对于段济尾控制：菠利用倒代长换，拜令翻t=1/亲n秃，则上式更变为：已利用罗必淡达法则求累极限白得配:块嫁曲赴蛛搞(瑞12)乞对于暑段首控舰制道(河类似于段食尾控警制沈)杠：耻利用倒代逃换蛮,写令乘t=1/额n末,乞而后再利愚用罗必达累法则求极懂限愁得炎:阁沾贯秒龄弓(爷13)悟从以肠上推导可扮以看出，庙两种方法摔求得的自席净容量的雕极限值也丝是相等的消。在这两做种方法计叶算环境容长量的过程粪中，环境粪容量只与紫排污口的裤位置及排尖放方式等午因素粘有关，而寿与排放浓灯度无关。掏结合各排旷污口的排酬放份量边M惭i盯=q蓝i勉*c漫i逼可以得出询各排污口伟应削减量叔，即：释Δ屿M帜i揪=M闭i耐-E困i涂采用汇功能区段柏段末控制须方法求得爷的环境容存量，虽受婶排污口数枯目及位置丝的影响，用但总的来茄说还是比特较大懂的菠,敬因为该方役法的计算柔中超标量剪往往很熔大太,嘴超标区段兼较搭长好,召尤其对于位排污总量粘大的排污塘口。按排坟污总量进啦行削减是径很不合理拦的，但是疫，可以通馆过经济效耕益分析，究利用其它标的优化分再配方案分锐配最终断擦面的容量酱值，必将佣取得满意箱的结果，缩这尚需进俩一步研究坟。3结论萍段首控制文方法，因榨其控制非规常严格，响所以适用育于对水质咬要求高、丈经济发达嫩、污染治咽理能力强槐的地区，膊或水质较迅好的源头蒜地区，该只方法的适宴用对象应悄为污染较远轻或旨在丙改善水质显条件的地通区。糠段尾控制疤方法对水买质的要求顿略低于标棵准，所以刮适用于污题染较严重河、经济不肾太发达的核地区，使步用该方法显的目的在看于控制污泳染，而并止非改善水赞质。肆现阶段关拍中地区污奖染治理过姥程中可将促功能区段殃分为高功帽能段和低注功能段惠。催遗对于高功疑能