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淮北市地表水资源保护研究 摘要 随着社会经济的快速发展和城市化进程的加快，水资源短缺和水质恶化的 问题目益突出。合理开发、利用水资源，实现水资源的有效保护，促进水资源 可持续利用，已经成为实际工作面临的重要课题。 本文以淮北市地表水环境为研究对象，从水资源保护的需要出发，对淮北 市主要河流进行了水环境评价、水功能区划及水环境容量的研究。用等标污染 负荷法评价了区域内的主要工业污染源，并对面源污染进行了调查估算，确定 了各主要河流的污染物量和污染因子；用模糊综合评价的加权平均模型评价了 水质，并指出该方法的优缺点；在水功能区划的基础上，依据现状水质资料对 水质模型的参数进行了分析、率定并分析计算了河流的水环境容量，制定了开 发利用区各单元的污染物排放量和削减量，对淮北市地表水资源的保护提出了 建议。 关键词：淮北市模糊评价水功能区划水环境容量对策措施 s u r f a c ew a t e rr e s o u r c ep r o t e c t i o nr e s e a r c h i nh u a i b e ic i t y a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h es o c i e t ya n de c o n o m ya n dt h ea c c e l e r a t i o no f u r b a n i z a t i o n ，t h ep r o b l e m so fw a t e rr e s o u r c es h o r t a g ea n dw a t e rq u a l i t yw o r s e n i n g h a v ea l r e a d ye x t r e m e l yi n c r e a s e d r e s o n a b l ee x p l o r a t i o na n du t i l i z a t i o no fw a t e r , e f f e c t i v ep r o t e c t i o no fw a t e rr e s o u r c ea n ds u s t a i n a b l eu s eo fw a t e rr e s o u r c eh a s a l r e a d yb e c o m et h ei m p o r t a n tt h e s i si na c t u a la c t i v i t e s b a s e do nt h ew a t e re n v i r o n m e n to fh u a i b e ia n dt h en e e do fw a t e rr e s o u r c e p r o t e c t i o n ，t h ew a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o n ，t h ew a t e rf u n c t i o nr e g i o n a l i z a t i o na n dt h e w a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo ft h em a i nr i v e r sh a v eb e e ns t u d i e d e q u a ls t a n d a r d p o l l u t i o nl o a dm e t h o dw a se m p l o y e dt oa s s e s st h em a i ni n d u s t r i a lp o l l u t i o na n d e s t i m a t et h en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n f u z z ys y n t h e t i ce v a l u a t i o na n dw e i g h t e d a v e r a g em o d e lw a sa d o p t e dt oa s s e s sw a t e rq u a l i t y , t h r o u g hw h i c ht h ea d v a n t a g e a n dd i s a d v a n t a g eo ft h em e t h o dw a sp o i n t e do u t o nt h eb a s i so fw a t e rf u n c t i o n r e g i o n a l i z a t i o n ，t h ew a t e rq u a l i t ym o d e lw a sa n a l y s e da c c o r d i n gt ot h eh y d r o l o g i c d a t a t h ew a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yw a sc a l c u l a t e d ，t h ea m o u n to fd i s c h a r g i n g a n dr e d u c e dp o l l u t a n tt h ei nd e v e l o p i n gr e g i o n sh a sb e e ni n s t i t u t e d m e a s u r e sa n d p r o p o s a l so nw a t e rp o l l u t i o np r e v e n t i o nw e r ep u tf o r w a r d k e y w o r d s ：h u a i b e ic i t y , f u z z ys y n t h e t i ce v a l u a t i o n ，w a t e rf u n c t i o nm g i o n a l i z a t i o n ， w a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t y ，s t r a t e g i e sa n dm e a s u r e s ， 图1 - 1 图4 1 图5 1 图5 - 2 图5 - 3 图5 - 4 插图清单 淮北市地表水资源保护研究技术路线 水功能区划分级体系图 l o 2 7 污染源均匀概化示意图3 9 污染源均匀到中点示意图 c o d 水环境容量分布图 氨氮水环境容量分布图 4 0 4 l 4 l 表1 - 1 表2 1 表3 1 表3 2 表3 3 表3 - 4 表3 5 表4 - 1 表如2 表5 1 表5 2 表5 3 表5 - 4 表5 5 表格清单 常用的水质综合评价方法数学表达式4 淮北市水资源评价成果表1 3 淮北市2 0 0 4 年主要工业污染源评价表。1 7 淮北市非点源的污染物排放量1 9 2 0 0 4 年淮北市各纳污水域污染物排放量统计表1 9 评价因子在各个监测断面的监测值2 l 各断面的模糊综合评价结果2 4 淮北市地表水体水功能一级区划表3 l 淮北市地表水体水功能二级区划表3 2 淮北市部分河段k 值表3 6 淮北市各条河流的设计流量3 7 模型验证统计表3 8 淮北市地表水环境容量计算成果表4 0 2 0 0 4 年排污基础上开发利用区总量控制成果表“ 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 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， 也不包含为获得 盒妲王些态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同 。l ：作的同志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谢意。 嫦龇嘲黼瓤_ 年5 服日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g b 王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有戈部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金目l 兰些叁璺可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存，汇编学位论文。 ( 保密的学位论文住解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 斌州 签字日期砷年莎月阳 学位论文作者毕业后去向；祚年2 翟石司 l ：作单位： 通讯地址 金，蚴量冱戮 导师签名：m 们嚼 签字日期：鼎彳肖。日 电话：( ) r ， p 邮编：，j 俐j l 致谢 时光如梭，转眼问三年的研究生的生活即将结束，值此论文完成之际，特 别向本人研究生学习期间给予我无私帮助和支持的老师，同学和亲友们表示衷 心的感谢! 感谢我的导师徐得潜教授。本文是在导师悉心指导下完成的。导师深厚的 学术造诣、严谨的治学态度、敏锐的思维方式使我受益匪浅。正是在导师的辛 勤培养之下，学生迈出了人生的重要一步，师恩永铭我心。 感谢安徽省水利科学研究院水资源所的全体成员。特别是王振龙所长在学 习和生活上给予了关心和帮助；感谢章启兵、刘猛、柏菊、李瑞、陈益群等各 位工程师，我们一起度过了9 个月的快乐时光一一资料收集、实地踏勘直至论 文写作中都包含了你们的汗水。 感谢养育我的父母，你们是我生活和学习的巨大动力和坚强后盾，感谢你 们的理解和牵挂。 作者：付敏明 2 0 0 7 年4 月于合肥 1 1 研究背景 第一章绪论 水是人类生存和发展不可缺少的自然资源、战略性的经济资源和公共性的 社会资源，在社会经济发展中起着越来越重要的作用。随着人口的增长、经济 的发展和人类生活水平的提高，人类对水的需求日益增长，而与此同时水体污 染趋势的严重，使水资源质量持续下降，既带来了严重的环境问题又加剧了水 资源短缺的矛盾，直接影响了水资源的可持续利用l l j 。 中国年均降水总量为6 1 8 8 9 亿m 3 ，平均降水深度6 4 8 m m ，年均地表水资 源为2 7 1 1 5 亿m 3 ，地下水资源量8 2 8 8 亿m 3 ，扣除重复利用量以后，年均水资 源总量为2 8 1 2 4 亿m 3 ，居世界第四位。按1 9 9 9 年人口统计，中国人均占有水 资源量约2 2 3 2 m 3 ，仅为世界人均水资源量8 8 4 0 m 3 的1 4 ，排在世界1 1 0 位，有 1 8 个省区、3 0 的国土、6 0 的人口处于严重缺水的边缘1 2 j 。近年来，我国水 资源矛盾进一步加剧，据预测【3 1 ，到2 0 1 0 年在充分挖掘潜力的情形下全国供水 总量为6 2 0 0 6 5 0 0 亿m 3 ，相应的总需水量将达7 3 0 0 m 3 ，供需缺口近1 0 0 0 亿 m 3 ，相当于淮河一年的水资源量。由此可见，我国水资源难以支撑国民经济的 快速发展和人民生活水平的提高，水资源危机将成为2 1 世纪中国最为棘手的问 题。 依据2 0 0 4 年“中国水资源公报”对全国1 3 万千米河流水质的评价结论显 示f 4 】：全年符合和优于类水体的河长占总评价河长的5 9 4 。比2 0 0 3 年减少 了3 个百分点，类河长占1 2 8 ，v 类河长占6 0 ，劣v 类河长占2 1 8 。 主要江河受到不同程度的污染，北方河流较南方河流严重。我国河流以有机污 染为主，主要超标项目为化学需氧量、高锰酸盐指数、氨氮、溶解氧和挥发酚， 重金属污染主要出现在西南诸河长江流域的局部河段。严重的水污染引起国家 的高度重视。进入九十年代以来，我国把防治水污染作为关系到经济和社会发 展全局的大事来抓。“三河( 淮河、辽河、海河) ”、。三湖( 太湖、巢湖、滇池) ” 流域的水污染防治，被放在全国环境重点防治工程的首要位置，国务院提出了 在2 0 0 0 年实现工业污染物排放总量控制和工业企业主要污染物达标排放的环 保目标。但是，经过了这些年的努力，我国水污染防治效果却依然不尽如人意。 “三河”流域水质没有明显好转，污染事故时有发生；“三湖”仍是呈富营养化 状态。 事实证明，我国传统的以浓度控制为基础的环境管理制度已经不适应形势 发展。为此，2 0 0 0 年2 月，水利部以关于在全国开展水资源保护规划编制工 作的通知( 水资源 2 0 0 0 5 8 号) 向各流域机构，省，自治区、直辖市水利 厅( 局) 部署了水资源保护规划编制工作。2 0 0 2 年1 0 月，水功能区划以及以水 功能区为基础的水域允许纳污能力计算、污染物容量总量控制等被纳入全国人 大常委会通过的新水法中，成为新水法实施的重要技术支撑；部分省、 自治区，直辖市的水功能区划也相继通过当地人民政府批准并实施。2 0 0 2 年， 为认真贯彻中央关于新时期治水的方针政策，全面落实国家可持续发展战略， 着力缓解水资源短缺、生态环境恶化等重大水问题，水利部和国家发展计划委 员会部署开展全国水资源综合规划编制工作，并以水规计 2 0 0 2 8 3 号文批复 了全国水资源综合规划任务书可见，在新时期我们的任务不仅仅是控制污 染，更要探索出一条符合国情的改善水环境的道路。 淮北市是全国5 0 个严重缺水城市之一，水资源严重匮乏，人均占有水资源 量为4 9 3 5 m 3 了，为全省人均占有量的1 2 ，不足全国人均占有量的1 4 。总体 上看，淮北市的水资源并不丰富，城市不但缺水严重，而且污染程度不容乐观。 建市4 0 多年来，逐步形成了以煤炭、电力、纺织、酿酒四大行业为支柱，轻工、 建材、化工、冶金、机械、电子、医药等行业共同发展的工业格局。特别是近 l o 年来，随着经济社会和城市化的快速发展，电力、煤化工、纺织等高耗水企 业的相继上马投产，居民生活水平的提高，工农业生产、居民生活所产生的废 污水对水环境的污染程度大幅度增加，已远远超出水体的纳污能力，水体污染 严重，在淮北市资源型缺水的情况下造成了更严重的水质型缺水。水资源短缺 和水体污染已经成为淮北市经济和社会发展的严重制约因素。 因此，对淮北市水资源现状进行调查、监测和评价，对主要河流进行水功 能区划分、水环境容量计算及其纳污能力评估，提出污染物总量控制方案，对 于保护好淮北市珍贵而有限的水资源，使其能够可持续利用，具有重要的现实 意义。本论文正是基于此目的，结合水利部开展的水资源综合规划任务的 课题，通过对淮北地区主要河流、工业企业及生活排污口实地监测和评价，计 算出各主要河流的纳污能力、排污控制量和削减量，为行政主管部门和决策部 门提供可靠的第一手资料和科学依据。 1 2 研究的目的与意义 本次研究的目的在于确定淮北市水质污染状况、保护水质，合理地利用水 资源，通过研究得到科学合理的淮北市地表水功能区划二级体系，并在此基础 上计算开发利用区中各类功能区的水域纳污能力，并确定污染物允许排放总量， 提出淮北市污染物总量控制方案；保证满足水体功能对水质的要求，并合理地 发挥水体的多功能作用。 淮北市社会和经济的迅速发展和城市化进程的加快，废污水排放量迅速增 加，水资源的短缺与浪费、水污染日益严重的状况等问题所构成的水危机己成 为制约淮北市实施第十一个五年规划和实现“加快发展、争先进位、率先崛起” 战略的制约因素。因为水资源短缺造成地区间、行业间争水、超采地下水和挤 2 占生态用水等水事问题，从而导致日趋严重的水污染和生态环境的恶化。这与 国家提出的建设环境友好型社会、建设和谐社会的目标明显地不协调。依据淮 北市社会经济发展“十一五”规划，及时科学地编制水资源保护规划，是遏止 水资源浪费与污染状况的迫切需要；是实现水资源永续利用的依据，是保证淮 北市社会、经济与环境可持续发展的重要保障，逐步从水量支持淮北市的经济 社会发展转变为水量水质并重支持淮北市社会经济的发展 1 3 国内外研究现状 本文涉及的国内外研究现状的内容包括水质评价、地表水功能区划以及水 环境容量计算三个方面。 1 3 1 水质评价方法研究综述 近年来，随着生态及环境问题日益突出，水质问题引起了社会的广泛关注。 国内外现行水质评价方法有单项污染指数法、综合污染指数法、灰色关联法和 模糊评判法等。 水质评价是水环境保护中的重要基础工作，通过对水质监测数据的合理评 价，才能制定科学的整治规划，可以说河流综合水质评价的合理与否会直接影 响决策【5 】。 目前常用的水质评价方法【6 ，7 s 1 可以分为单因子评价方法和综合评价方法。 单因子的评价方法通常采用“最差项赋全权法”，将各个因子的监测值通过与水 质级别标准值进行逐项比较以水质监测项目的最低等级确定水体水质。该方 法的优点是简单易用，能明确水质存在的问题。但是其缺点也非常明显，各个 单项评价指标的评价结果存在不相容的问题，判定的水质类别过于片面，不能 反应水质的综合状况。 为改善上述方面的不足，在单因子评价方法的基础上发展了综合污染指数 法、加权平均污染指数法、幂指数法、内梅罗水污染指数法等方法。实质上它 们均是以标准指数只= c j i s , 为基本单元。通过不同的数学运算得到的评价方法。 内梅罗污染指数法较前几种方法有所发展，在进行水质评价时首先考虑到 水质的用途，把水质用途分为人接触的，人使用的、人不接触使用三类用途1 9 】。 但计算结果受水中污染物的相对大值影响较大，使评价的污染情况较不乐观 【1 0 1 。 指数法的优点计算较为简单，其明显的缺点是计算结果不能与环境质量标 准统一起来，缺少可比性，未能明确水质类别 1 1 1 。 3 表1 1常用的水质综合评价方法数学表达式 ( 1 ) 灰色理论方法 在环境质量评价中，有限的时空监测数据所能提供的信息使不完全和非确 知的，环境质量系统是一个灰色系统，因此采用灰色理论的方法对水质进行评 价有其合理性和客观性的应用价值【l 羽。 灰色聚类法通过选取水质分级标准构造白化函数和确定聚类权，计算聚类 系数吒，再根据最大隶属原则确定水质类别。随着灰色理论的发展，在灰色聚 类法的基础上又发展了灰色关联评价方法，灰色关联评价法以水质实测值为实 际数列，以选取的水质标准为比较数列，使用灰色关联度分析法计算实际数列 和各比较数列的关联度，最后依据关联度的大小确定水质类别。如果将待评水 质样本作为事件，水质级别作为对策，构成局势，就可建立水质评价灰色局势 决策模型。此外，还有在灰色关联度理论的基础上，参照模糊模式识别模式理 论，提出了水质评价的灰色模式识别模型【 】。 ( 2 ) 模糊集理论方法 由于水环境本身存在的大量不确定因素，各个评价因子的级别划分、标准 确定都存在着中间过渡的“亦此亦彼性”一一模糊性的特点。因此，应用模糊 数学的相关理论解决此类问题不失为一种可行的方法。在水质评价方面较典型 的应用方法为模糊综合评价法【1 4 1 。模糊综合评价通过构造隶属度矩阵r 和权重 向量矩阵a ，利用r 作模糊线性变换，把权重集a 转换为在评语集v 上的模 糊子集，再根据隶属度最大原则确定被评价因素的类别。模糊模式识别法i l 刀 较好地克服了模糊综合评价结果的均值化倾向、提高了分辨效果。此外还有模 糊聚类法【1 5 j 、模糊可变集合法f 1 6 】等方法。 ( 3 ) 人工神经网络方法 4 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 是2 0 世纪8 0 年代迅速崛起的 一门非线性科学，由于其存在的“自我学习、智能化”的特点，在众多领域得 到了应用。刘国东等以成都市金堂县东风水库水质资料为例，建立了地面水水质 综合评价的b p 网络和h o p f i e l d 网络模型。b p 网络模型以单输出代替多输出可 保证评价结果的唯一性。h o p f i e l d 网络更优于b p 网络，既适用于定量指标的水 质参数又适用于定性指标的水质参数，而且使水质评价形象化【1 7 】。郭劲松等建立 了三层b p 神经网络，考虑了8 个水质因子，3 个隐蔽层单元，1 个输出神经元 的b p 神经网络模型，并在b p 网络中引入隶属度的概念，是得到的评价结果更 加客观、合理【1 8 1 。但是大部分基于反向传播的前向式多层网络都有学习速度满、 容易陷入局部极小等问题【1 9 l ，近年来开始利用径向基函数( r a d i a lb a s i s f u n c t i o n ) 人工神经网络较有效地解决了上述存在的问题。 不难发现，用神经网络评价水质的基本思想是：把水质标准作为要学习的 标准模式，经网络“记忆学习”之后，再输入实测水质值作为测试样本，经过 训练的网络就能“识别”出测试样本的水质类别。 1 3 2 水功能区划研究综述 美国1 9 6 5 年水质法要求各州1 9 6 7 年制定出水体的标准 2 0 1 。在制定标准前， 首先要确定需保护水体的用途，即先对水体进行功能区划分，然后制定相应功 能区的水质标准。水域功能区由各州的环保主管部门按照水资源的用途制定。 日本依据“环境污染控制基本法”，由环境厅和都道府县各级地方政府主管 部门负责水质标准制定和水体功能划分。1 9 7 0 至1 9 7 1 年，环境厅委托都道府 县对指定的4 7 个县际水域和1 5 个道县的水域均进行了功能分区。 我国国家海洋局于九十年代编制了中国海洋功能区划，其范围全面覆盖 我国管辖海域。从成果完成后实践检验成效来看：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、有效保护海洋 生态环境、加强海洋综合管理提供了重要的科学依据。 2 0 0 0 年以来，水利部水资源司 2 1 1 根据我国水资源保护管理特点，提出了具 有创新性的水功能区划技术方法，并在此理论的基础上发展了以水功能区划为 基础的水环境容量研究，开拓了我国水环境容量研究的新方向。 2 0 0 3 年1 0 月安徽省人民政府批准了安徽省水功能区划，该区划以2 0 0 0 年为基准年，近期水平年为2 0 1 0 年，远期水平年为2 0 2 0 年，共划分出1 8 2 个 一级功能区，其中3 0 个保护区，2 8 个保留区，3 1 个缓冲区，9 3 个开发利用区； 二级区划在9 3 个开发利用区中进行，共划分出1 4 1 个二级功能区 2 2 1 。 1 3 3 水环境容量研究综述 环境容量的概念是1 9 6 8 年由日本学者首先提出来的2 3 1 。2 0 世纪6 0 年代末， 日本首先提出在一定区域内，大气或水体的污染物控制总量应控制在一定的允 许限度内，但是直到1 9 7 5 年才从定性的概念研究发展到定量化的控制。日本学 者西村肇根据总量控制的基本原则，认为污染物允许排放总量与环境中污染物 浓度的比值即是环境容量。接着，吉川i 博【矧提出“环境容量是由自然还原能力、 人工处理设施和人们对环境的意见所规定的整个生活圈内所允许的活动容量”。 矢野雄幸提出“环境容量是按照环境质量标准确定的环境所能承纳的最大污染 物负荷总量”。西村肇的观点仅限于自然环境自身对污染物所具有的环境容量， 而吉川博和矢野雄幸的概念已经考虑了自然中的各种客体对环境的要求，达到 了更高的层次。 欧美国家的学者很少使用“环境容量”，而是采用同化容量、最大允许纳污 量等概念刻画“环境容量”。7 0 年代美国国家环保局( e p a ) 开始在全国范围内 实行水污染排放许可证制度1 2 5 , 2 6 ，在采用最佳判断方法( b p j ) 和工业行业及其 子行业颁发排放限值准则( e l s s ) 的方法后，于1 9 8 3 年1 2 月正式立法，实施 以水质限制为基础的排放总量控制。在总量控制的基础上，美国率先采用了更 为先进的季节总量控制方法和变量总量控制方法。季节总量控制方法是为了适 应不同季节、不同用途对水质的不同标准要求；变量总量控制方法根据河流实 测的同化能力不断调整排污量，而不同于根据历史资料选定临界条件为依据而 得出的固定的排污量。 我国关于“水环境容量”至今尚未有完全统一的定义，国内很多专家学者在 这方面进行了研究。钟成华、幸治国等【2 7 】将环境容量的几种定义总结如下； 水环境容量就是环境质量标准与环境单元体总体积的乘积；水环境容量是环 境质量标准与本地差值乘以总体积；水环境容量是指某环境单元所允许承纳 的污染物i 质的最大数量。方子云给出定义：水环境容量是在一定环境目标下， 水体所能容纳的某种污染物的负荷量【2 引。水体稀释自净规律、水量及时间的变 化、水体背景值浓度和排污点的位置、方式等因素有关。程声通指出了河流环 境容量与允许排放量的联系和区别1 2 9 l 。他认为环境容量受到环境自身的特点、 污染物质的特点、人们对环境的利用方式、环境质量目标四个因素的影响。一 旦确定了环境功能，人们能够控制的因素仅是污染物的排放方式。不同的排放 方式对河流水质产生不同的影响。因此，完全分散排放方式所对应的污染物容 纳量就是水体的环境客量，与其他排污方式相对立的污染物容纳量都称为允许 排放量。环境容量是允许排放量的极限值。张永良等认为水环境容量是指某一 水环境单元在特定的环境目标下所能容纳的污染物的量，也就是指环境单元依 靠自身的特性使本身功能不至于破坏的前提下能够允许的污染物的量【3 0 】。 我国的水资源保护开始于上世纪7 0 年代，1 9 7 2 年，按照国务院要求，中 国科学院等3 8 家单位，几百名科学研究人员开展了北京市官厅水库污染问题的 研究，这是我国明确以水环境问题为目的开展的第一次大型科研活动。自上世 6 纪8 0 年代以后，许可首先在水体环境容量方面做了研究工作，使环境容量向定 量化和实际应用方向前进了一步( 3 1 1 。国家环境保护“六五”科技攻关计划期间， 夏青等1 3 2 】前辈在进行沱江水环境容量的研究中深化了环境容量的理论，在国内 首次完成了溶解氧模型的改进，首次提出了用离散规划的方法进行总量分配， 并且制定了沱江水质规划和总量控制方案。国家环境保护“七五”科技攻关计划 期间，集中开展了区域水环境污染综合防治，伴随着“全国代表性水域环境容 量开发利用研究”攻关课题的进行，对湘江湘潭段、长江安庆段、淮河淮南段 等多个水域开展了水污染控制方面的研究。总量控制制度和排污许可证制度的 实施和推广，使环境容量在我国的研究推向实用化、系统化的新阶段。进入9 0 年代以后，许多机构和学者对我国的许多重要河流的水环境容量进行了研究， 1 9 9 2 年国家环保总局开始了“淮河流域综合整治研究”；1 9 9 6 年，李青山等对“松 花江有机毒物污染防治研究”。近年来，水环境的容量的研究理论不断走向深化， 非稳态的河网地区的水环境容量进行研究一些，新的数学理论也被引入到水环 境容量的研究中。徐贵泉等研究了感潮河网地区的水环境容量计算方法，提出 了基于感潮河网水质模型的水环境容量计算方法，该方法不仅反映了感潮河网 地区水流流态不稳定、流向多变的特点，而且反映了感潮河网水环境容量在水 利工程运行等因素影响下的时空变化规律【3 3 1 。李如忠等【卅、孙秀玲等 3 5 】基于河 流水环境系统信息不确定性的特点，运用未确知数学的理论研究河流水环境容 量，不仅得到了趋于合理的水环境容量，而且还得到了相应水环境容量下的可 信度。 从总体上看，我国在水环境保护与管理方面开展的工作并不多，以借鉴欧 美经验为主，在流域和区域水资源保护、管理对策方面的研究则更少。 1 3 4 水质模型研究综述 水环境容量的计算，离不开水环境容量的模型，水质数学模型是描述污染 物在水体中运动变化规律及其影响因素相互关系的数学表达式。近几十年来， 国内外许多学者针对所研究问题的不同，提出了许多水质模型，1 9 2 5 年美国工 程师h s t r e e t e r 和e p h e l p s 对俄亥俄河的污染进行调查，根据质量守恒定律 提出了氧平衡数学模型，即所谓的s - p 模型。它描述污染物进入河流水体之后， 耗氧过程和大气复氧过程的平衡状态，是最早建立的水质模型。自建立s p 水 质模型以来，水质模型的开发与研究可分为四个发展阶段 3 6 , 3 7 , 4 7 】： 第一阶段( 1 9 2 5 1 9 6 5 年) ：开发了比较简单的生物化学需氧量( s o d ) 和溶 解氧( d 0 ) 的双线性系统模型，对河流和河口的水质问题采用了一维计算方法进 行模拟。 第二阶段( 1 9 6 5 1 9 7 0 年) ：随着对生物化学耗氧过程认识的深入以及计 算机的应用，除继续研究发展b o d d o 模型的多维参数估值问题外，将水质模 7 型扩展为六个线性系统模型。研究的水质问题除河流、河口外，进一步发展到 模拟计算湖泊及海湾的水质问题，水质模拟方法从一维发展到二维。 第三阶段( 1 9 7 0 1 9 7 5 年) ：研究发展了相互作用的非线性系统水质模型， 涉及到营养物质磷和氮的循环系统、浮游植物和浮游动物系统、以及生物生长 率同这些营养物质和阳光及温度的关系、浮游植物与浮游动物生长率之间的关 系等。其相互关系都是非线性的，一般只能用数值法求解，空间上用一维及二 维方法进行模拟计算。 第四阶段( 1 9 7 5 年一1 9 8 0 年) ：除继续研究第三阶段的食物链问题外，还 发展了多种相互作用系统，涉及到与有毒物质的相互作用，空间尺度发展到了 三维。随着模型的复杂化，要准确描述模型的性质是很困难的。某些模型中状 态变量的数目已大大增加，有2 0 个或更多状态变量的水质模型已不少见。 第五阶段( 1 9 8 0 年一1 9 9 5 年) ：在水质的状态变量数量上的增长，在模型 的内在和外在关系上更加完善，将底泥等作用纳入到了模型内部，在多维模型 系统中纳入了水动力模型，与流域模型进行连接可以更好地处理面源污染问题， 在这一阶段，由于能对流域内面源进行控制，从而使管理决策更加完善：由于将 底泥的影响作为模型内部相互作用的过程处理，从而在不同的输入条件下使底 泥通量能随之改变：由于水质模型的约束更多了，预测的主观性大大减少了 目前对环境污染问题的研究，发展到将地表水、地下水的水质水量与大气 污染相互结合，建立综合模型的研究阶段【3 8 1 。这个过程需要增加大气污染模型， 即对一个给定的大气流域，能将动态的或静态的大气沉降过程连接到一个给定 的水流域。另外，新兴的g i s 技术成为水质模型的平台，水质模型建立之初所 需的大量相关信息可以通过建立数据库来实现。利用g i s 技术不仅使确定研究 区域边界、划分计算网格变得容易，而且可以实现计算结果的可视化、便于对 计算结果进行空间分析，提供很多有用的信息，从而辅助决策【3 9 】。同时，由于 水环境问题的复杂性和不确定性，在水质预测中，已经开始水质的非确定性模 拟与预测，为水质控制与规划，提供更为丰富的信息。 1 4 研究内容 本文以水质模糊综合评价，地表水二级功能区划体系以及一维水质模型等 水资源保护的相关理论为指导，以淮北市为例，围绕水环境现状，水功能区划、 水环境容量等方面进行了系统的研究，在此基础上给出了淮北市地表水水资源 保护的对策措施。 ( 1 ) 淮北市的水环境分析。通过对流域自然环境和社会经济状况的调查，采 用等标污染负荷法评价区域内的主要工业污染源，并用一级模糊综合评判评价 河流水质，确定影响淮北市的主要污染源与污染物，影响的程度。 ( 2 ) 淮北市水功能区划以及水质目标的确定。通过对淮北市地表水水资源开 8 发、利用和保护现状的调查以及规划水平年水体主要利用功能的分析，采用最 新的水功能区划二级体系对淮北市进行合理的水功能区的划分；并结合水体功 能、水体现状水质以及淮北社会经济的发展，确定淮北市各功能区水质保护目 标。 ( 3 ) 淮北市水环境容量的研究。根据水功能区划以及水质目标的确定成果， 计算出设计水文条件下淮北市研究河段的水环境容量。并根据污染物的排放情 况，进行污染物的允许排放量和剩余水环境容量的计算，在此基础上，提出了 污染物削减方案并对计算结果进行合理性分析。 预期效果：( 1 ) 得到主要河流监测断面的水质评价结论； ( 2 ) 得到科学合理地淮北市地表水功能区划二级体系： ( 3 ) 计算开发利用区各类功能区的水域纳污能力，并确定污染物允许 排放总量，提出相应的水资源保护对策和措施 具体的技术路线如图1 1 。 9 ； l l 水资源量的现状评价 水质现状评价 i l i i l 划分水体功能区及 l | 拟定水质保护目标 l l | 划分水域、确定断面及 ； 检验点、拟定设计条件 ；l ； l 确定控制标准及 l i主要污染物控制量 l i 选择模型、估算参数、 计算河段、水域 污染控制总量 根据水功能区划计算出 各段主要污染物的消减量 图1 1淮北市地表水资源保护研究技术路线 1 0 一状题一 一资规录一 一现j 宦一 一水护菲一 一解确一 一定保氍一 一一一一 一一一一一 2 1 自然概况 2 1 1 自然地理 第二章淮北市概况 淮北市位于安徽省北部，现辖濉溪县和杜集、相山、烈山三区，2 4 个镇、 9 个乡，1 4 个办事处。全市总面积2 7 4 1 k m 2 ，其中市辖区面积3 6 1 k i n 2 ，濉溪县 面积2 3 8 0 k m 2 。总地势北高南低，北部环山，南部、西南部为平原地带。 区域地貌单元主要有低山丘陵、山涧盆地和洪冲积平原。低山丘陵与山 涧盆地呈n n e 向展布于本区北部，其中山丘区面积1 2 8 k m 2 ，海拔5 0 3 0 0 余 米：山涧盆地面积2 3 0 o k m 2 ，海拔3 2 o 5 0 o m ：洪冲积平原广泛分布予中 南部地区，面积2 3 6 7 k m 2 ，占全市面积的8 6 9 ，海拔为2 2 5 3 2 0 m ；平原区 地势自西北向东南缓缓倾斜，平均地面坡降1 5 1 0 0 0 0 。 区域地质特征：本区属华北地层，北部出露古生代寒武系、奥陶系碳酸盐 岩夹碎屑岩，在山涧盆地等构造部位，下伏有石炭、二迭系煤系地层。山涧盆 地和平原区为第四系洪冲积物所覆盖。 区域构造处于n n e 向新华夏构造体系与纬向构造体系的复合部位。北部属 徐宿弧形构造中段，自西向东分布有肖县相山石楼复背斜、朔里杨庄 ( 闸河) 复向斜，东部馍顶山老龙脊郭山寨复背斜。 区域土壤：坡残积成因的棕壤、红色石灰土、黑色石灰土，分布于低山残 丘周围及山涧盆地边缘地带，总面积1 1 2 k m 2 ；冲洪积成因的潮土一黄泛砂 土，分布于山涧盆地、宿永公路以北平原及主要河流近岸地带，面积1 0 8 2 8 k m 2 ； 洪冲积成因的砂礓黑土，面积1 4 4 6 2 k m 2 ，分布于宿永公路以南广大平原地 区。 2 1 2 水文气象 淮北市处于亚热带和暖温带的过渡地带，属暖温带季风气候区，春夏季节 盛行东南风，炎热潮湿多雨，秋冬季盛行东北风，气候干燥少雨。 降雨量的年内年际变化大。多年平均降雨量8 4 4 3 m m ，主要集中在汛期6 - - 9 月，约占全年的6 5 6 ；年最大降水量为1 3 8 0 2 m m ( 1 9 6 3 年) 是最小年降雨量 5 4 8 0 r a m ( 1 9 6 6 年) 的2 5 倍。年均水面蒸发量9 9 7 5 m m ( 以e 6 0 l 计) ，多年月平 均水面蒸发量，除7 、8 两个月外，其余月份均大于同月降水量。年均干旱指数 1 3 ，年均气温1 5 1 0 c ，最高气温4 1 1 。c ( 1 9 7 2 年6 月1 日) ，最低气温2 1 3 。c ( 1 9 6 9 年2 月5 日) ，年均日照时数2 3 1 5 8 小时，积温4 7 5 3 6 。c ( 忿5 。c ) ，年 均无霜期2 0 2 天，太阳辐射总量1 2 4 5 千卡c m 2 ；年均风速3 0 m s ，最大风速 1 9 0 m s ，干热风多出现在5 月中、下旬，年均相对湿度6 9 1 。 2 1 3 河流水系 淮北市地表水系较发达，区内河流属淮河洪泽湖水系，自北向南依次分布 有闸河、龙岱河、肖濉新河、王引河、南沱河、浍河、獬河等自然和人工河流， 水流自西北流向东南，注入洪泽湖，主干河道总长3 7 8 k m ，两岸配套大沟1 4 0 多条。河道平均宽度5 0 6 0 m ，面积约1 8 万m 2 。区内闸河、龙岱河、肖濉新 河等，均为季节性河流，一般偏早干旱年份及枯水季节常常干枯见底，偏丰 丰水年分及汛期洪水泛滥，洪涝旱灾较为严重。 ( 1 ) 闸河流域面积4 6 6 k m 2 ，境内集水面积1 9 6 7 k l l l 2 ，主干河道长度4 1 0 k m ，其 上建有节制闸3 座，总库容4 0 0 0 万i n 3 ，兴利库容3 0 0 0 万m 3 。 ( 2 ) 龙岱河属肖濉新河支流，流域面积1 7 4 5 k i n 2 ，其上建有节制闸3 座，库容 3 9 6 5 万m 3 ，兴利库容2 7 0 3 万m 3 ，其中青龙山闸库容3 1 7 0 万m 3 ，兴利库容2 1 0 3 万m 3 。 ( 3 ) 肖濉新河黄桥闸上流域面积1 5 6 2 k m 2 ，境内河道长4 0 9 k m ，集水面 积1 4 8 3 k m 2 。其上建有黄桥、淮纺节制闸，总库容8 0 0 万m 3 ，兴利库容5 6 0 万m 3 。 ( 4 ) 王引河仲大庄闸上流域面积1 1 1 2k m 2 ，境内河道长3 0 4 k m ，集水面 积1 6 1 0 k m 2 。其上建有仲大庄闸，库容3 3 l 万m 3 ，兴利库容2 6 0 万m 3 。 ( 5 ) 沱河徐楼闸上流域面积2 7 7 3k m 2 ，境内河道长4 3 9k m ，集水面积 3 4 4 6 k m 2 ，建有徐楼、四铺2 座控制闸，其中徐楼闸上蓄水库容8 5 0 万m 3 ，兴 利库容6 2 0 万m 。四铺闸闸上库容7 7 5 万m 3 ，兴利库容6 2 0 万m 3 。 ( 6 ) 浍河南坪闸上控制流域面积3 4 7 2 k m 2 ，境内河道长6 8 5 k m ，集水面 积1 0 7 0 3 k m 2 ，南坪闸库容8 0 0 万m 3 ，兴利库容6 4 0 万m 3 。 ( 7 ) 獬河流域面积3 4 4 1 k m 2 ，境内河道长3 9 3 k m ，集水面积3 4 4 1 k m 2 ， 其上建有李大桥闸，蓄水库容2 5 7 万m 3 ，兴利库容2 0 0 万m 3 。 综上所述，全市河道节制闸1 4 座，蓄水总库容4 7 9 0 万m 3 ，兴利库容3 6 1 0 万m 3 。全市现有大沟1 4 0 余条，长1 5 3 9 k m ，中沟2 1 9 0 条，长3 6 1 5 k m ，大、 中沟上游建有涵闸2 5 l 处，蓄水总库容2 5 5 0 万m ，兴利库容1 7 8 0 万m 3 。 淮北市山丘区中型水库l 座华家湖水库，库容1 3 3 0 万m 3 ，兴利库容 9 3 0 万m 3 ，小型水库3 座，总库容1 5 1 万m 3 ，兴利库容1 2 7 6 万m 3 。东北山 丘区较大的塘坝有4 处，库容1 9 0 万m 3 ，兴利库容1 6 3 万m 。但是山丘区水 库、塘坝位于岩溶发育地带，渗漏较为严重，偏早干旱年份，基本干枯见底。 2 2 社会经济现状及规划 2 0 0 4 年末淮北全市户籍人口2 0 9 4 万人，其中，非农业人口8 0 9 万人全 年国民生产总值( g d p ) 达到1 6 9 1 亿元，按可比价格计算，比上年增长1 5 7 ， 其中第一产业增加值2 4 0 4 亿元，增长1 6 1 ；第二产业增加值9 3 0 3 亿元，增 长1 8 6 ；第三产业增加值5 2 0 3 亿元，增长1 1 2 。按户籍人口计算，人均生 产总值8 1 8 3 元，比上年增加1 6 4 2 元【柏】。 根据淮北市城市总体规划( 2 0 0 5 - - 2 0 1 0 ) ，淮北定位为陇海兰新经济带上的 重要城市之一，是以煤炭、电力工业为主的能源基地，轻纺、化工、建材和高 科技企业综合发展的新兴工业城市，是皖北边界地区的商贸、物流中心。今后 继续促进电力、煤炭、化工、建材、轻纺等产业的发展，强化骨干行业在华东 经济乃至全国的重要地位。 2 3 水资源及开发利用现状1 4 1 | 根据最新的淮北市水资源评价成果：淮北市地表水资源量3 9 5 1 亿m 3 ，地 下水降雨入渗补给量5 1 8 亿1 1 1 3 ，重复计算量o 7 9 亿m 3 。淮北市多年平均水资 源总量为8 3 1 4 亿m 3 ，保证率p = 5 0 、7 5 、9 5 的年份分别为8 3 0 4 、6 0 1 6 、 3 8 9 6 亿n 1 3 。多年平均地表水可供水量o 9 8 8 亿m 3 ，浅层地下水可开采量2 8 7 8 亿m 3 ，岩溶水0 9 7 3 5 亿m 3 。淮北市水资源评价成果见表3 1 。 表2 1淮北市水资源评价成果表 ( 1 ) 现状年用水状况 2 0 0 4 年淮北市总用水量为4 2 1 亿m 3 ，其中城镇生活用水量为o 5 8 0 亿m 3 、 占总用水的1 3 8 ；农村生活用水量为o 2 9 0 亿m 3 、占总用水的6 9 ；工业用 水量为1 5 9 0 亿m 3 ，占总用水的3 7 7 ；农田灌溉用水量为1 6 2 0 亿m 3 、占总 用水的3 8 5 ；林牧渔用水量为0 1 3 0 亿m 3 、占总用水的3 1 ( 2 ) 缺水状况 淮北市现状缺水主要表现在工业和城市生活用水两个方面，特别是在工业 和人口较为集中的北部地区供需矛盾更为突出。 随着淮北市经济的快速发展和城市化的推进，对水资源需求总量增长较快， 特别是“十一五”期间，淮北市将有