水环境承载能力计算方法研究

水环境承载能力计算方法研究

1水环境承载力的影响因素水生环境的承载能力是环境环境保护的重要基础。这是协调区域经济和社会环境可持续发展的重要依据。水环境的承载能力分析已成为一个紧迫而必须解决的科学问题。不论是一个地区,一座城市,还是一个流域,其经济社会发展都要受到水环境承载能力的影响和制约,一旦经济社会发展超过水环境承载能力的阈值,就会产生水污染等问题,造成水生态系统的破坏。水环境承载力涉及水环境、宏观经济、社会、人口等众多因素,各因素之间相互促进、相互制约,构成一个复杂的动态系统。根据水环境承载能力确定经济社会发展模式和规模,是实现科学发展、和谐发展和可持续发展的一个基本问题,具有重要意义。2水环境的负荷研究2.1水环境承载能力的内涵近年来,许多研究对水环境承载能力的概念进行了探讨。汪恕诚指出,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。郭怀成等认为,水环境承载力是指某一地区、某一时间、某种状态下水环境对经济发展和生活需求的支持能力。水环境承载力因经济发展速度和规模不同而各异,因此可用来评判城市水环境承载负荷的大小。李清龙、钱华等则认为,水环境承载力是指在水环境系统的自我维持、自我调节能力正常的情况下,水环境系统的承纳能力及其可维育的社会经济活动强度和具有一定生活水平的人口数量或最大规模;水环境承载力具有客观存在性、动态变化性、时代性、分区性和关联性等特点。崔树彬则认为,水环境承载能力也就是我们通常所说的“水环境容量”或者说是“水环境(水体)纳污能力、水环境容许污染负荷量”等等都是一个概念。综合以上观点,可以认为,水环境承载能力是指在某一时期,某种环境状态下,某一区域水环境对人类社会、经济活动的支持能力的限度或阈值。人类赖以生存和发展的水环境是生态系统中的一个大系统,它既为人类活动提供空间和载体,又为人类活动提供资源并容纳废弃物。水环境承载能力是相对于一定时期、一定区域的社会经济发展状况和水平而言的。其目标是保护现实的或拟定的水环境结构不发生明显的不利于人类生存的方向性改变,以保障水环境系统功能的可持续正常发挥。以此为前提,对区域性的人类社会活动,特别是人类经济发展行为在规模、强度或速度上的限值。水环境承载能力就是水资源开发利用保护的红线。从规划和管理的角度出发,作者认为水环境承载能力指的是在满足水域功能要求的前提下,在给定的水功能区水质目标值、设计水量、排污口位置及排污方式下,功能区水体所能容纳的最大污染物量。2.2水环境承载能力的内涵宋全香等用黑箱模型预测了郑州市的水环境承载能力。该模型仅需要根据现有资料计算出污染指标的综合削减系数K就可以计算出设计情况下的水环境承载能力,不需要研究污染物质进入河流后的衰减速率和迁移转化规律,具有简单、方便的特点。左其亭等按照以控制目标为约束反推水环境的承载能力的基本思路,采用COIM模型(控制目标反推模型)计算了郑州市现状年(2001年)和规划水平年(2010年)的水环境承载能力。丁世刚等运用系统动力学模型计算济南市区的水环境承载能力。申献辰提出了一种水环境承载能力的定量描述方法。陈永灿等从水环境承载能力的概念及其特征出发,评价了三峡水库的水环境承载能力及其时空变化,并分析了三峡水库蓄水前和蓄水后水环境承载能力的变化。本文的基本思路是:综合考虑水体动力特征、自净能力和研究区域污染物排放情况,选用零维和一维水质模型对水环境承载能力进行分析研究。首先确定研究区域及相应的水功能区;然后根据河段的水文条件和净化机理等选择适当的水质模型并确定恰当的控制因子;最后根据水环境质量标准计算出各河段的水环境承载力,进一步计算出全流域的水环境承载能力。3张家口市水环境承载能力分析3.1研究领域的总结3.1.1气候条件概况张家口市地处河北省西北部,基本地貌为坝上高原与坝下中低山类型区。坝下2.35×104km2处于永定河水系和潮白河水系的上游,是首都北京的重要供水水源地。全市属寒温带大陆性气候,风多雨少,气候干燥,多年平均气温1.2℃~9.1℃,坝上多年平均降水量360~400mm,坝下400~500mm,多年平均蒸发量850~1200mm,干旱指数2.0~2.5,无霜期90~130d,“十年九旱”是张家口典型的气候特征。全市地势西北高、东南低,阴山山脉横贯中部,将全市划分为坝上坝下两个自然地理区域。坝上高原属内蒙古高原的一部分,海拔1300~1500m,地势南北高,中间低,期间残丘、岗梁、滩地、湖淖相间分布,呈典型的波状高原景观,面积1.17×104km2,占全市总面积的31.5%。包括康保、沽源、张北三县和尚义县的北部;坝下山峦起伏,沟壑纵横,山地、丘陵、盆地相间分布,海拔均在2000m以上,包括张家口市区和怀安、万全、崇礼、赤城、怀来、宣化、涿鹿、阳原、蔚县及尚义县南部。全市面积3.68×104km2,人口4.49×102万。3.1.2废污水及污染物排放现状永定河水系是本文的重点研究区域。永定河水系流经张家口市9个县4个区,包括桑干河和洋河。区域内包括了主要的工矿企业和城镇所在地,是水污染较严重的流域。2003年全市和永定河水系废污水及污染物排放情况见表1。区内主要河流水质状况:桑干河主要河段水质类别在Ⅱ~Ⅲ类;洋河除部分河段为Ⅴ类外,大部分都是劣Ⅴ,水质污染严重;清水河从市区段到洋河响水堡断面均为超Ⅴ类水的河段。主要超标物有氨氮、氛、高锰酸盐指数等。受上游污染影响,位于永定河干流之上的官厅水库库面和出库水质现状为Ⅳ~Ⅴ类,已于1997年退出生活饮用水系统。张家口市海河流域内共有水功能区22个,其中有保护区4个、保留区1个、饮用水源区3个、农业用水区7个、缓冲区7个。3.2结果表明，北京水环境的承载能力3.2.1控制入河量,保证水环境自然健康发展根据污染源现状评价结果,张家口市COD和NH3-N是最普遍、最严重的污染因子,为了使水环境状况根本好转,必须严格控制其入河量。因此根据河段(湖库)水体功能的要求,选取以反映水污染特点的COD和NH3-N为指标计算水环境的承载能力。3.2.2参数估算设计流量的确定设计流量的大小对水环境承载能力的影响很大,流量资料系列太短则无法反映水文规律,太长则无法反映人类活动对水资源造成的影响,特别是对枯水期小流量的影响。本研究按如下原则选取:在水文实测资料较丰富的河段,选取75%保证率枯水期月平均流量作为设计流量,如本河段内无水文资料,可根据相邻上下游有系列资料的用内插法确定;在资料较少,上下游水均无系列水文资料时,选取平偏枯典型年的枯水期平均流量作为设计流量;在上下游均无水文资料的河段,利用产流面积与水系或水文站控制产流面积的比例确定枯水期设计流量;对湖(库)则用上述对应条件确定计算水位和计算库容。设计流速的测算对有实测流量流速资料的断面,可用以下经验公式计算该断面的设计流速:U=αQβ式中:α、β—经验系数,由实测资料回归得到。对没有实测流速资料的河段,借用特征相近的其他河道流量流速关系分析确定。环境对污染物浓度的影响污染物综合降解系数K是反映污染物沿程变化的综合系数,它体现污染物自身的变化,也体现了环境对污染物的影响。综合衰减系数(K)按下式计算:K=VXlnCACBΚ=VXlnCACB式中:CA—河段上断面污染物浓度(mg/L);CB—河段下断面污染物浓度(mg/L);X—河段长度(km);V—河段平均流速(km/d);ln—自然对数运算符。3.2.3水体环境承载能力水环境承载能力分析实际是以物质守恒定律为基础,根据水质模型和污染源概化结果推导出水环境承载能力计算模型。本文结合张家口的实际情况选用零维水质模型和一维模水质模型进行计算。其中零维水质模型适用于流量和流速较小、水流极缓、全水域污染物完全混合的水体;一维水质模型适用于水体流动明显、断面水质均匀的水体。水环境承载能力计算模型表达如下:零维模型W=CS(Q0+QW)-C0Q0+kCSV一维模型W=CS(Q0+QW)EXP(kx/2u)-C0Q0EXP(-kx/2u)式中:W—承载能力(g/s);Q0—设计流量(75%保证率枯水期平均流量)(m3/s);QW—入河污水流量(m3/s);C0—初始浓度值,取上一个断面的水质目标值(mg/L);CS—水质目标值(mg/L);V—水体体积(m3)。其他符号意义同上。通常情况下,一个计算区段内有多个排污口,在实际计算过程中,需将河段内排污口的分布加以概化。目前污染源概化主要采取两种方法:概化为均匀分布或概化为一个集中点源。概化为均匀分布体现污染物分布的平均状况;概化为集中点源体现了污染物分布的集中状况。根据张家口市地势复杂、监测困难等实际情况,采用后一种概化。将计算河段内的多个排污口概化为功能区中断面排污,相当于一个集中点源。3.3水环境承载能力采用海河水利委员会有关资料,根据污染源概化结果,通过零维和一维模型,以水功能区为单元对张家口市海河流域内的8.14×102km的河长和18.5km2的湖库进行分析计算,结果表明,张家口市COD和NH3-N的承载能力分别为1.18×107kg/a和5.04×105kg/a。2000年张家口市COD和NH3-N的入河量分别为1.79×107kg/a和5.33×106kg/a,已经超过了水环境的承载能力,尤其NH3-N的入河量超过承载能力的10倍。张家口不同水功能区的水环境承载能力见表2。张家口市海河流域5类不同水功能区中,保留区污染最为严重,COD和NH3-N入河量分别超过承载能力15倍和32倍;饮用水源区的污染也很严重,特别是NH3-N,其入河量已超过承载能力大的37倍;水环境承载能力最大的水功能区类型是农业用水区,COD和NH3-N的承载能力分别占张家口市水环境承载能力总量的76%和90%,NH3-N的入河量也超过承载能力的9倍;虽然缓冲区COD的入河量还小于承载能力,但是由于缓冲区是为协调省际间、市际间用水关系而划定的特殊水域,水质不得劣于Ⅳ类标准,因此缓冲区COD的承载能力也已经达到饱和。总体看来,研究区域所有功能区的污染物入河量都超过水环境的承载能力,特别是NH3-N,整个区域内其入河量超过承载能力的10倍,污染相当严重。保护区入河污染物主要来源于工业,因此在保护区的上游要严格控制工业排污;污染最严重的保留区内COD和NH3-N污染均主要来源于生活,保留区内要控制生活污水和污染物的排放量;饮用水源区内NH3-N主要来源于生活污染和工业污染,COD则以工业污染为主,生活污染为辅;农业用水区和缓冲区中主要的污染源都是混合污染。对于混合污染的控制比较困难,多种污染源交错分布,很难找到主要的污染源头,治理起来有一定的难度。不同污染物的入河情况见表3。4武健山水环境资源开发利用现状结果表明,2000年张家口市COD和NH3-N的入河量分别为1.79×107kg/a和5.33×106kg/a,已经超过了水环境的承载能力,尤其NH3-N的入河量超过承载能力的10倍。主要原因在于经济发展方式粗放,高耗水