（环境科学与工程专业论文）基于不确定性水质模型的湘江长株潭段水环境容量研究.pdf

硕十学位论文 a b s t r a c t w a t e rr e s o u r c ei s v e r yi m p o r t a n tt oh u m a nb e i n g t h e 21c e n t u r i e sc i t i e sw a t e rr e s o u r c e i n t e r n a t i o n a ld i s c u s s i o ni sd i s c l o s e d ，u n i t e dn a t i o n sa l r e a d yl i s t so u rc o u n t r ya so n eo f13c o u n t r i e s w h ol a c k sf o rw a t e rm o s ti nt h ew o r l d w i t ht h ei n c r e a s i n go fu s i n gw a t e rr e s o u r c e w a t e rp o l l u t i o n b e c o m em o r eg r a v e l yn o w i tr e q u i r e su st h a tw em u s tt r yo n e sb e s tt ot a k ee f f e c t i v em e a s u r e s p r o t e c t i n g w a t e rr e s o u r c e s i nr e c e n t y e a r s ，p e o p l e h a se n l a r g e dt h ee x p l o i t a t i o nt ot h ew a t e r e n v i r o n m e n tu n c e a s i n g l ya n dh a sm a d eu s eo f , w a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t i e sg oi n t oa l r e a d yb e c o m e s t h ei n d i s p e n s a b l ei m p o r t a n tf o rw a t e rp o l l u t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em a i np o l l u t i o nc o n t a m i n a t i o ns i t u a t i o no ft w o o r i e n t e ds o c i e t y r e s o u r c e s a v i n ga n de n v i r o n m e n t f r i e n d l yc h a n g z h u t a n s a n c h a j is e c t i o n w a t e ri sc o n t a m i n a t e d m o s tg r a v ei nc h a n g s h as e c t i o n t h es e w a g ed r a i n i n ge x i tf o c u s e so ni n d u s t r i a lz h u z h o uc i t y , x i a w a n b a yi sm o s tp o l l u t e d m a j i ar i v e ra n df i v e s t a rs e c t i o nc o n t a m i n a t i o na r ec o m p a r a t i v e l yg r a v ei n x i a n g t a ns e c t i o n w a t e rr e s o u r c e s ，o n eo ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n tf o rt h e p r o d u c t i o no fh u m a nl i f ei so fo b v i o u si m p o r t a n c e w a t e re n v i r o n m e n ti sd e v e l o p e dm o r ei nr e c e n t y e a r s b a s e do nw a t e rp o l l u t a n t so fx i a n g j i a n gf i v e rs e c t i o nf l o w i n gc h a n g - z h u t a na n da n a l y z e dt h e e n v i r o n m e n t a lm o n i t o rd a t e s ，t h i ss t u d yc a l c u l a t e sa n da n a l y z e sw a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yb a s e d o nt w o d i m e n s i o n a lm o d e lq u a l i t ye v a l u a t i o n t h i sp a p e r a d o p t st h eu n c e r t a i n t yi n t e r v a la n a l y s i sm a t h e m a t i c sm e t h o dt 0c a l c u l a t ew a t e r e n v i r o n m e n tc a p a c i t i e s ag r e a tq u a n t i t yo fi n v e s t i g a t i o na r es o m e t i m e sa d o p ta v e r a g ev a l u ei nq u a l i t y e v a l u a t i o nd a b ，t h a tc a p a c i t i e ss e c r e t l ys c h e m ea g a i n s ti nt h ed i f f e r e n tp e r i o da n dt h ed i f f e r e n tp l a c e t ot h ee n v i r o n m e n tm a y p r o d u c e c e r t a i ne r r o r t h e r ea r es o m eu n c e r t a i n t y h y d r o l o g y d a b s ，h o w e v e r , t h ew a t e rq u a l i t ym o d e lc a nc a l c u l a t eo u tm o r ea c c u r a t er e s u l to ni n t e r v a la n a l y s i s d e t e r m i n a c ym o d e lb a s i s u n d e rt h ed a bs t u d y i n gb yl a r g ea m o u n to fp o l l u t i o ns o u r c ei n q u i r e si n t o a n dc o u n t sc a p i t a l ，i tc h o o s e sau n c e r t a i nm o d e l i tu s e sp o l l u t i o nc o da n dn h 3 na sa no b j e c to f t h i ss t u d y w i t hi n t e r v a la n a l y s i sm a t h e m a t i c s b a s e dt w o d i m e n s i o n a lw a t e rq u a l i t ym o d e l ，a d o p t s t e a d ys t a t ea n a l y s i st oh a v ee x p l a i n e d ，i th a sc a l c u l a t e da n da n a l y s e dt h ew a t e re n v i r o n m e n t c a p a c i t i e si n t e r v a ld a t a s v a l u eo w i n ga r e ac o da n dn h 3 一n t h er e s u l t ss h o w st h a te n v i r o n m e n tc a p a c i t i e su p p e rl i m i t so fx i a n g j i a nr i v e ro fc h a n g z h u - t a n w a t e rc o di s6 9 4 4 6t aa n dl o w e rl i m i td a bi s6 2 5 7 0t a ，t h eu p p e rl i m i t so fn h 3 一ne n v i r o n m e n t c a p a c i t i e si s6 8 7 0t aa n dl o w e rl i m i td a bi s 6 216 6 t a c u r r e n tc o dd i s c h a r g e sq u a n t i t yb e i n g 10 2 0 5 2t a ，i s1 6t i m e sm o r et h a nt h em a x i m aa l l o wa m o u n t so fe n v i r o n m e n tc a p a c i t i e sa n d d i s c h a r g e s1 9 9 51 to ft h en h 3 - - ny e a ri s2 9t i m e sm o r et h a nu l t r a - e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y c o da n d i i i 基于不确定性水质模型的湘江长株潭段水环境容量研究 n h 3 nw o u l dr e s p e c t i v e l yc u td o w n3 5 a n d6 7 a tl e a s tt os a t i s f yt h en e e do fa l l o w e de m i s s i o n s t h i sc a l c u l a t i o np r o v i d e sab a s i s f o rt h et o t a lc o n t r o lo fc h a n g - z h u - t a nw a t e rf u n c t i o na r e a x i a n g j i a n gr i v e rc o n t r o lu n i ta n da s s i g n m e n ts c h e m e k e yw o r d s ：w a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y ；u n c e r t a i n t yt h e o r y ；h y d r a u l i c sa n dw a t e r q u a l i t yn u m e r i c a lm o d e l ；t w o o r i e n t e ds o c i e t y ；w a t e rt o t a lc o n t r o l i v 硕上学位论文 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名： 1 吼砷盯胪日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打”) 作者签名： 导师签名： 日期油户户月汐日 日期：7 年j 月z ，。日 硕上学位论文 1 1 水环境容量概述 第1 章绪论 水资源作为生态环境的一个重要成分对于人类生产生活都具有不言而喻的重 要价值，水环境是指地球上分布的各种水体以及与其密切相连的诸环境要素，如河 床、海岸、植被、土壤等，它主要由地表水环境和地下水环境两部分组成。前者包 括河流、湖泊、水库、海洋、池塘、沼泽、冰川等。后者包括泉水、浅层地下水、 深层地下水等。水环境是构成环境的基本要素之一，是人类社会赖以生存和发展的 最重要场所。水是生命的源泉，也是生产的必要物质条件。水环境对经济社会的重 要性不言而喻。水资源是人类调查了解得最清楚的资源，决不会像煤、铁、石油等 资源那样有新的大发现而改变数量结构和分布。水资源的价值在于，水资源地球生 命的需求、为人类服务包括水所具有的发电、航运、养殖、环境等方面的能力。在 现代工业中，没有一个工业部门是不用水的。也没有一项工业不和水直接或间接发 生关系。更多的工业是利用水来冷却设备或产品，例如钢铁厂等。水还常常用来作 为洗涤剂，如漂洗原料或产品，清洗设备或地面，每个工厂都要利用水的各种作用 来维护正常生产，几乎每一个生产环节都有水的参与。 水环境同其他环境要素如土壤环境、生物环境、大气环境等构成了一个有机的 综合体，它们彼此联系、相互影响、相互制约。当改变或破坏某一区域的水环境状 况时，必然会引起其他环境要素发生变化。因此，必须对水环境进行合理地利用和 保护，这是环境保护和研究的重要内容。 各种人类活动对水环境影响的研究也是非常重要的。随着城市人类活动的加 剧，人们对水资源的开发加大，我国近年来用水量急剧增加，排放的污废水量也在 不断增加，从而导致环境质量下降和水体水质污染，水质受到污染不仅威胁生物的 生存，增加水耗，减少可供水量，加剧水资源紧张，而且对周围人群的身体健康产 生一定的危害，同时水域的污染也使水域景观恶化，降低了旅游开发价值。 水本身具有自然属性和商品属性，只有认识到这条规律，才能充分提高水资源 利用率，实现社会、经济、环境效益最大化和水资源的可持续利用。而水资源是以 系统的面貌在层次上由三部分组成：一是水资源自然系统，由流域或区域的有关自 然地理要素形成；二是水资源工程系统，由人类活动目的所创造的工程单元组成： 三是水资源管理系统，由实施水资源保护，利用所建立的组织机构和管理制度构成。 这三部分的有机联系便形成了系统的结构，决定着系统的整体功能。在地理上水资 源系统以流域或水文地质单元构成一个统一体，大气降水、地表水和地下水之间， 相互转化，上下游、左右岸、干支流之间的开发利用相互影响。这种特点要求对水 的问题应以流域为单元，进行统一规划、调度、管理，建立权威、高效、协调的流 基于不确定性水质模型的湘江长株潭段水环境容量研究 域管理体制，实现水资源优化配置。水资源的一体化营理，可以把水资源的开发、 利用、治理、配置、节约和保护有机地结合起来，对城市和乡村的防洪、排涝、供 水、节水、治污、污水处理回用、地下水回灌实行一体化管理。 环境容量概念最早由日本学者西村肇、中田喜三郎和矢野雄幸于1 9 6 8 年提出， 其初衷是为了建立污染物浓度与环境自净能力之间的平衡关系，以实现对污染物的 总量控制。我国学者钟佐粲、田春声等人认为，环境容量是指相对于某种环境标准， 某环境单元所容许承纳污染物的最大数值。 在水环境使用功能不受破坏的条件下，受纳污染物的最大数量，或者在给定水 域范围，给定水质标准，给定设计条件下，水域的最大容许纳污量为水环境容量。 水环境容量由稀释容量与自净容量两部分组成，分别污染物在环境中迁移转化的物 理稀释与自然净化过程的作用。事实上，进入水体的各种污染组分可以与水中离子、 微生物发生作用，形成新的污染物或污染组分之间反应形成沉淀物而减轻污染，所 以，总环境容量不应是各种组分容量的简单叠加。 在地表水( 河、湖) 环境容量研究中，为了简化起见，有时不考虑环境的自净 过程，把环境容量划分成以下几种类型：( 1 ) 理想水环境容量( 绝对水环境容量) 即以水域的原始本底值或以清洁本底值( 表示在最清洁状态下的水质) 与环境标准 对照，用以反映未受人类活动影响水域的自然纳污能力。( 2 ) 现状水环境容量指根 据水域的水质现状，估算它在达到环境标准时，所能容纳的污染物数量。( 3 ) 可优 化利用的水环境容量即通过水质规划、优化决策计算，对整个水域的点污染源进 行合理安排，所能利用的水环境容量。 水环境容量具备以下几个特征：l 、有限性：在_ 一定的时间、空间、自然条件 及社会经济条件下，当区域保持一定的稳定结构与功能时，环境所能容纳的物质量 是有限的。不论是整体环境单元还是单一环境要素，环境容量都是有限的，人类活 动必须在环境容量容许值之内才能保持所处环境单元的稳定发展。2 、客观性：环 境容量作为一种自然系统净化、处理、容纳污染物的能力，同能量一样，是看不到， 摸不着的，但确实又客观存在的。3 、稳定性：在一定的自然条件，一定的人类社 会活动方式与规模，以及一定的经济技术水平和保持相对稳定的各部分结构、功能 的前提下，环境单元作为一个独立的环境系统处于动态平衡之中，必然具有相对的 稳定性。4 、变更性：自然条件，社会经济发展规模，人类对于环境所持观点的改 变，一方面会影响污染物的产生与处理能力，另一方面会影响环境评价指标的确定。 5 、可控性：在自然领域中，各种生态环境因素的降解能力是有限的，但是人们可 以通过增减能量、物质投入，改良环境系统结构提高其环境容量。6 、地域性，周 期性：环境单元的容量是与环境中大气、水体、土地、生物、人类社会等各因素容 量分不开的。各因素不仅在分布上有明显的地域差别，在时间上也有一定变化，尤 其自然环境因素会随时间发生周期性变化，如河流有丰水、枯水期，生物会随季节 2 硕士学位论文 发生繁茂与凋萎的演替等等。 1 2 水环境容量的影响因素 1 2 1 航道对水环境容量的影响 ( ) 对水电站库区而言，由于水库蓄水抬高了河道水位，河道变宽，库内水 体流速减小，导致水体自净能力下降，污水排入后不易扩散、降解，纳污能力将产 生变化。水资源论证时应对库区工业、农业、生活污染源，特别应对库区的城镇、 大型工矿企业的污染源进行调查，分析水库水功能的纳污能力和水质的变化情况。 同时还应分析重要污染源失事后对水库水质的影响。 ( 二) 对于坝址以下影响范围而言，应主要考虑以下方面： ( 1 ) 工程建成后对水文情势的影响。 日调节水库虽然库容不大，但仍有一定的调节能力，应分洪水期、平水期、枯 水期，分析水库对洪水以及各时段径流的调节作用，分析水库的拦沙作用，论证工 程是否改变了水库下游的水文情势，是否满足下游的生态用水量要求【4 】。 ( 2 ) 工程建成后对河道纳污能力和水质的影响。 工程建成后，虽然年月径流量不发生改变，但日径流时程分配却发生了变化， 甚至会出现电站不发电而水库蓄水使坝下断流情况。为此，应对下游影响范围内的 主要污染源进行调查，结合下游区间来水情况，分析机组满发、单机运行以及停机 不发电时不同时段、不同河段的水功能纳污能力和水质的变化情况。 ( 3 ) 工程建成后对河流水体温度的影响。 日调节水电站水库消落深度一般较小，电站一般为表层取水，可根据已建水库 观测的水深与温度关系，论证工程建成后对河流水体温度的影响，一般而言，表层 取水对河流水体温度影响很小。 1 2 2 排污口对水环境容量的影响 长江沿岸各大城市的工业废水和生活污水均排入了长江水域，对长江的水环境 有明显影响。研究者们通过现场调查，获得长江夏季水体p h 值、溶解氧、营养盐 等化学组分在排污口及邻近区域的分布情况。认为排污口分布、水动力条件、排放 方式及河口生物地球化学作用等是排污口影响长江水环境的主要因素【9 】。 ( 一) 排污口分布的影响 水质监测的结果显示长江总体水质状况尚好，但在靠近排污口的地方水质普 通下降，排污影响了局部河段的水环境状况。本次对p h 值、溶解氧、营养盐和部 分重金属的调查也都得到相一致的结果，初步认为，排污口分布对河流局部江段水 环境有较大影响。 ( 二) 水动力条件和排放方式 水动力条件也是影响河水化学环境的重要因素。一般而言，水动力作用强的环 基于不确定性水质模型的湘江氏株潭段水环境容量研究 境中，物质易于分散，扩散条件好，水体污染程度较微。反之，则水体污染加重。 采用岸边排放的排污口。近岸流速小，污水不能很快地稀释扩散，使得排污口附近 形成一条黑水带。采用多喷口扩散管深水排放的排污口，水流流速大，对污染物质 的稀释扩散十分有利。因此，需对此特大型排污口的运行、污水排放加强监测，以 了解水质情况，若对水质影响较大，则要考虑污水经二级处理或部分二级处理。 ( 三) 河口生物地球化学作用 进入河口地区的污染物质。最终都参与河口生物地球化学循环。径流及河口沿 岸排放的有机物为河口地区提供了丰富的生原物质。使区域内生物地球化学作用特 别活跃，大量含有机质的颗粒物表面成为微生物附着滋生繁衍的场所，引发多种颗 粒表面的界面物理化学作用，决定着水化学环境的分布状况。 1 2 3 消落带对水环境容量的影响 随着枢纽工程蓄水的完成，库区消落带将逐渐形成并进入淹没期。消落带初次 进入淹没期后，长期吸附在消落带土壤中的氮磷等营养物质将逐渐进入水体，并由此 对水库水质产生一定的影响。研究者模拟消落带土壤淹没后氮磷释放实验，根据实验 结果和一级动力学方程，计算出消落带土壤进入淹水期后的氮磷释放速率方程，并分 别预测了在高、中、低水平下库区各区县消落带土壤释放的氮磷总量。研究者预测 了开县消落带氮磷释放与水环境之间的响应关系，结果表明高水平条件下消落带土 壤全淹后对水环境中t p 、t n 和氨氮浓度的贡献值均较小【l0 1 。 1 3 水环境容量研究现状 随着生活水平提高，人们对水资源的依赖程度，环境科学者们意识到水环境污 染控制是一项重点系统工程，也受到全世界各国的重视。发达国家致力于受污染水 体水质功能的恢复研究，污染控制对象已转向微量有毒有机物。其中各国防治污染 的手段主要包括法律、行政、经济、技术、工程等手段。总量控制是很有效的行政 手段。这都说明为了控制水污染和恢复污染水体的水质功能，世界上大部分国家和 地区制定的与水有关的环境标准越来越严格。 6 0 年代末，美国环保局首先提出了总量控制这一概念，受到广泛的关注和高 度的重视。同一时期，欧美一些国家高度关注到本国的污染物总量控制概念：同化 容量、最大容许纳污量和水体容许排污水平。1 9 7 2 年斯德哥尔摩人类环境会议以后， 世界各国相继制定了一系列环境保护的法规和政策，建立相应的环境管理体制，对 污染源的排放执行了逐步严格的控制措施。但是，随着经济发展和环境保护工作的 逐渐深入，诸多弊端促使各国相继引入了一种新型的环境管理思想总量控制， 而把总量控制应用于水污染管理上则提出了水污染总量控制。日本提出污染物排放 总量控制问题。并于1 9 7 8 年6 月修改了部分水污染防治法，以c o d ( 化学耗氧量) 为对象，开始了总量控制工作。到1 9 8 4 年，日本将总量控制法正式推广到东京湾 4 硕士学位论文 和伊始湾两个水域，并严禁无证排放污染物。由于采取了上述方法，日本的这两个 海湾8 0 以土的污染大户受到控制，水环境状况得以改善。联邦德国和欧洲共同体 各国采用水污染物总量控制方法后，使6 0 以上排入莱茵河的工业废水和生活污水 得到处理，莱菌河水质有了明显好转。其他国家如瑞典、前苏联、韩国、罗马尼亚、 波兰等国家也都相继实行了以污染物排放总量为核心的水环境管理方法，取得了一 定的效果。美国是实行总量控制比较完善的国家，以控制排放标准管理为主，以水 质标准管理为补充，水污染防治机制以总量控制和排污证为主要内容；同时又通过 市场机制和经济手段一排污权交易来刺激污染源防治。日本也实行了严格的污染物 排放总量控制，企业废水总排放口设有自动连续监测仪器，以监测排放总量控制的 执行情况；企业每年都要提出下一年度的污染物削减指标，使环境质量得到明显改 整【1 1 1 口。 我国的污染物防治与治理工作也经历了污染物浓度控制和总量控制两个阶段。 我国的总量控制从7 0 年代开始起步，8 0 年初，开始集中研究水质模型、自净规律 和水量排放水平的数学方法上。目前业已形成一套具有中国特色的、切合中国国情 的水环境保护和水污染控制理论，以及与此相关的水污染控制技术和环境管理制 度。国务院于2 0 0 0 年3 月2 0 日颁布了水污染防治法实施细则，在其中用多项 条款对总量控制作了细化和更具可操作性的规定，确保了水环境污染物总量控制管 理办法在我国的科学、严格、顺利的实施国内实行污染物总量控制的方法和形式依 据各地条件和各地问题的不同有所改变。各地不同地区的地理特点、规划布局、经 济发展、环境状况的各种因素的不同，分别采取了相应的控制方式和总量控制措施。 例如：沈阳市化工行业污染物流失量的控制；沈阳市西部污水系统的总量控制；辽 宁省的点源排放总量指标管理；松花江水系的污染物总量控制：天津市的重金属排 放总量控制等。这些都是我国在探索污染物控制总量的最佳方案，为建立完善的总 量控制系统提供了依据和条件。从目前的情况来看，环境容量的研究正处在分解一 综合的分解阶段。对其研究正从研究某一环境单元的单环境要素、单一污染物的环 境容量入手，提出通用的环境容量计算方法，然后向多要素、多污染物的综合环境 容量过渡。国家对环境容量研究也很重视，我国目前正在改革污染控制体制，由达 标排放向总量控制过渡。 国内外许多专家学者在阐明环境容量的科学含义，建立环境容量的基本理论与 计算方法，以及在实际应用方面都作了大量的工作。但在定量方面的研究工作仍面 临很大困难。例如，由于各种污染物之间存在许多复杂的关系，如何准确定量环境 容量成为难题；认识清楚污染物在各系统内的运转规律与在界面之间发生的转化成 为另一研究问题：如何确定环境容量的时间和空间范围问题。外界物质因素的推动 和研究者们不断的努力下，水环境容量这一科学研究也在不断完善。 5 基于不确定性水质模型的湘江长株潭段水环境容量研究 1 4 不确定性水环境容量研究的目的和意义 水环境容量是一种社会资源，具有不可代替性和一定程度可更新性。水环境功 能区划是保证地表水标准、污水综合排放标准、区域环境综合治理、总量控制及环 境目标责任制正确实施的基础，是水环境保护的一项基本工作。可持续发展战略成 为全人类共识的一个目标，水环境容量资源的合理利用成了遏止环境污染，改善环 境质量，实现经济持续增长的必要保证。 实际生活中，在复杂的人类活动干扰下的环境系统中，参数完全确定的、模型 完全确定的水质非线性方程是不可能存在的。科学的处理方法是从环境系统具有的 不确定性角度进行研究。实际河流流场、水质资料的缺乏往往又给不确定性方法的 应用带来很大困难。因此，环境系统的不确定因素促使研究者寻找更精准的解决方 法，如何建立一个更有实际物理意义以及更符合实际环境系统的模型显得很有必 要。另外不确定性理论与方法众多，有随机理论、模糊理论和区间理论等，但针对 某一特定的系统和资料数据，如何去寻求较为可行的不确定性方法，同时又尽可能 满足实际系统的演化规律，也是我们目前需要研究的问题之一。本文中采用的基于 不确定性水质模型的二维模型的计算方法从基础水文参数的变动性出发，用不确定 的水文条件以及不确定性的二维水质模型来解决实际问题。 长株潭城市群是2 0 0 7 年1 2 月国家发改委批准全国资源节约型和环境友好型社 会建设综合配套改革实验区，也是湖南省重要的经济地带。长株潭两型社会建设必 须形成节约能源资源和保护生态环境的产业结构。长株潭两型社会要求我们走实旋 新型工业化，就是要走科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力 资源得到充分发挥的道路。水资源的利用与经济建设出现了矛盾，水环境成为限制 发展的重要因素之一。为有效地控制长株潭地区水体的污染，改善水环境质量，通 过对长株潭湘江流域水环境容量和纳污总量的研究，提出了总量控制对策。长株潭 城市群核心区水资源配置方案、水环境治理模式成功与否关系到资源节约型和环境 友好型社会建设的成败。为了有效地控制长株潭地区水污染日益恶化的趋势，改善 水环境质量，实现2 1 世纪水资源可持续发展规划，本文通过对湘江干流长株潭地 区流域水环境容量和纳污总量的研究，提出了总量控制对策，为长株潭水环境的合 理开发，水环境容量的充分利用，工农业生产结构的合理布局，高新项目的开发利 用提供重要依据。 1 5 研究内容 ( 一) 数据收集 数据是建立模型的基础，用于建立模型的数据必须是可靠的。对于水文，水流 数据的收集应根据评价水域的具体情况不同而有所侧重。在河流上收集水文数据 6 硕士学位论文 时，应侧重收集水位，流速，丰枯水流量，河流坡降，糙率等；在湖泊或水库，应 侧重于了解进出水系情况，湖( 库) 体的蓄水量及其年际变化，水流的流速与流向 等，对于海湾，则应收集海流，海浪，潮流，风和地形等数据。 常规的水质监测项目包括水温，p h 值，溶解氧，耗氧量，生化需氧量，三氮， 悬浮物，大肠杆菌，酚，氢，砷，汞，镉等，此外可根据污染源的具体情况增加其 它有害物质作为附加参数，如农业非点源影响较大时，可增加对氮、磷以及有机氯、 有机磷等的监测。对不同的水域，也有所区别。根据水质要素的监测结果与水体的 质量标准，可对评价水域的水环境状况作为现状评价，并从中明确评价范围内所存 在的环境问题。 另外还需对评价水域周围的社会经济结构特点进行调查，了解人口，村镇，城 市的分布情况，了解工、农、林、渔、牧业的现状情况及当地的经济发展规划，这 些资料可用于分析，预测污染物的数量及种类。 ( 二) 建立模型 根据水域的水文、地形特点和定量评价的目的与要求，对建立何种水质模型进 行判断。在空间上，需要对一维，二维，三维进行选择；在时间上，需要对稳态或 动态进行选择；在模拟与预测对象上，需要根据评价区域内的环境污染情况进行选 择。 对于水域模型的建立，一般说来其维数应与水质模型相同，其状态( 稳态或动 态) 则应视所采用的水流条件而定。 ( 三) 参数估计 水流和水质模型建立后，它们能否代表所考虑的实际系统? 此时还不能肯定， 因为模型中的一些参数值还未能确切的给出。因此，必须用数学模型去再现评价水 域中具有实测资料时段内的水流运动状况与污染物的迁移、转化情况，并观察监测 点上的水流，水质监测值与计算值的拟合情况。倘若拟合不好，就需要对模型参数 进行校正，直到监测值与计算值有满意地拟合情况为止。有时候，尽管对参数进行 多次校正，仍不能取得满意的拟合效果，此时就应对模型建立的正确性以及监测资 料的精确性提出怀疑。如是因为模型问题，就应该重新建立或重新选择数学方程式， 如是因为数据问题，就应该去掉监测误差较大的数据或采取重新进行监测的方法。 另外，化学分析法、经验公式法和示踪法也是估计水质参数的一般方法。 模型的参数估计，是模型能否刻画出真是系统行为的关键步骤。 ( 四) 研究思路 本文是以长株潭湘江段为研究对象，对水功能区划及水环境总量控制进行了一 定的分析研究，尤其对水环境容量测算这一核算内容作了一定深度的展开。 确定水文设计条件，测算在各约束条件下长株潭境内水体的纳污能力( 即水环 境容量) ，对水环境容量的影响因素作较深入的比较分析；根据各水功能区的水环境 7 基于不确定性水质模型的湘江长株潭段水环境容量研究 容量及现状污染物量，提出总量控制方案；制订对策措施。 在本研究中，主要是研究水质模型在河流水质预测方面的应用。研究思路如下， 如图1 1 所示。 本研究还从水量和水质两个方面综合分析了规划实施对湘江水资源的影响。河 段最小需水量为河道外用水与河道内三项用水之和，河道外用水主要包括生活需 水、工业需水及农业需水，河道内用水主要包括河道生态需水、环境需水及航运需 水。水环境容量采用反向法，利用不确定性的区间分析的二维水质模式核算。 图1 1 水环境容量控制研究技术路线 8 硕士学位论文 第2 章长株潭概况 2 1 自然环境 2 1 1 地理位置 长沙市地处湘中偏北，位于东经1 1 1 0 5 5 7 1 1 4 0 1 4 7 ，北纬2 8 0 0 0 7 - - - 2 8 。3 0 7 之间， 湘江下游，湘江自南向北流经市中心。地形地貌为山地丘陵，平原山地各占5 0 。 株洲市位于湖南省东部，湘江中下游，地跨东经1 1 2 0 5 9 7 1 1 4 0 0 8 7 ，北纬 2 6 0 0 3 7 - - - 2 8 0 0 2 7 ，东西宽8 8 7 5 k m ，南北长2 1 9 5 k m 。全境的面积中，山区3 9 6 0 ， 丘陵占2 1 6 1 ，岗地占1 9 6 1 ，平原占1 4 9 6 ，水域占4 2 。 湘潭市位于湖南省中部偏东，湘江中下游，地处东经1 1 5 。5 8 7 1 1 3 0 0 5 7 ，北纬 2 7 0 2 0 7 - 2 8 。0 5 7 。全市地形山丘环绕，总部相对平坦，东北部开阔，湘江从南至北呈 s 型流经湘潭市区。 长株潭区域位于全省最大的河流湘江的中下游，区内水系发达，有捞刀河、浏 阳河、涟水、涓水、渌水、沩水等许多支流( 图2 1 ) ，为城镇发展提供了便捷的交 通和充足的水源条件。 市 图2 1 研究区域概化图 2 1 2 气象 长沙站气象站多年月、年平均气象要素值统计见表2 1 。 湘江流域冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风，春秋两季流域内仍以偏北风居多， 年平均风速为1 9 2 8 r n s ，向南逐渐减弱。七至八月，盛吹南风，平均风速3 3 5 4 m s ，最大风速为2 5 o r n s ( 衡阳1 9 7 2 年5 月8 日) ，偶有台风侵入。流域大风日 数多在5 1 0 天之间。大风以春夏多，秋冬少，春季大风日数约占全年大风日数的 3 5 4 0 。 9 长沙地区多年平均风速2 4 m s ；历年最大风速2 0 7 m s ( 1 9 8 0 年4 月1 3 日， 1 0 分钟平均风速) ，极端最大风速2 4 0 m s ，历年最大风力9 级；主导风向w n ，其 频率为2 4 ；( 1 9 8 0 年4 月1 3 日) 多年平均最多风向为n n w ，其频率为1 7 。 表2 1长沙站气象站气象要素多年月、年平均值表 2 2 水资源概况 长株潭城市群核心区水资源总量较丰富，但全省污废水排放量主要集中在湘江 流域，其中株洲，湘潭，长沙三市污废水排放量占大多数，其水体污染严重，枯季 城市供水紧缺。长株潭核心区湘江干流段共有排污口4 1 个，现状污废水排放量为 1 6 2 2 亿m 3 a 。主要污染物排放量为：c o d c r 为2 2 0 7 万“a ，氨氮4 6 6 万t a ，总氮 5 5 8 万“a ，总磷1 5 6 万t a 。核心区水质污染较严重，湘江干流河段出现类、v 类水体。根据1 9 9 6 - - 一2 0 0 5 年湘江长株潭河段水质监测结果，1 0 年中共有1 4 项指标 超标。2 0 0 5 年出现超标的项目主要有粪大肠菌群、镉、氨氮、总磷、溶解氧、砷、 挥发酚、高锰酸盐指数等，其中湘潭、长沙河段粪大肠菌群和镉常年超标。 1 0 硕士学位论文 长株潭段近几年主要污染物情况如表2 2 ，其中c o d c r ，n h 3 一n 和大肠杆菌都 有超标现象。更严重的是株洲段大肠杆菌超标率超过了9 0 。 表2 2 长株潭湘江段主要污染物情况 长 沙1 1 9 00 7 56 6 0 8 31 0 7 40 6 47 0 8 4 71 0 6 0 6 57 9 7 2 3 段 株 洲 段 湘 潭 段 8 5 90 6 48 9 7 48 8 50 6 77 8 2 07 6 70 6 2 4 7 31 0 31 0 7 51 44 2 00 6 97 6 3 1 25 7 50 5 53 1 3 3 3 2 3 用水排水情况 2 3 1 供水概况 目前，长沙、株洲、湘潭三个城区绝大部分是以湘江作为给水水源，少量以地 下水为水源。 长沙市城市供水水源，除长沙县辖水厂外，其余水厂均以湘江作为供水水源， 目前长沙市区规划范围内，市自来水公司已有7 个水厂，供水能力为1 2 9 万m 3 d ； 长沙县自来水公司有星沙松哑河水厂，供水能力6 万m 3 d ；望城县自来水公司有望 城一、二水厂，供水能力分别为2 万m 3 d 和5 万m 3 d 。 湘潭市现有供水单位近2 0 0 家，供水水源以地表水( 湘江) 为主，地下水为辅， 其中城市自来水厂只有4 座，一水厂位于河西地区，二水厂位于铁牛埠，三水厂位 于河东板塘铺，易俗河水厂位于易俗河镇，上述4 个水厂总计供水规模3 5 5 万m d ， 其余供水设施均在企业内部。 株洲市区共有4 座水厂，供水能力1 2 5 万m 3 d ，居民自来水普及率为8 8 4 9 ， 部分自备水源供水也需城市集中供水进行补充。市辖4 座水厂均以湘江为水源，4 座水厂管网已连通成环，组成了较为合理的分质、分压、分区给水系统。 乡镇供水水源以地表水( 湘江) 为主，地下水为辅。供水方式，部分条件成熟 的城镇由相邻城市供水系统统一供给，部分城镇由城镇供水系统和相邻城市供水系 统联合供水，大部分城镇通过自身独立的城镇供水系统或城镇自备水源集中供给。 供水规模基本能够满足各乡镇现状用水需求，供水水质能够达到生活饮用水水质 基于不确定性水质模型的湘江长株潭段水环境容量研究 标准要求。 2 3 2 排水系统 ( 一) 长沙市排水系统 长沙市河流大多属湘江流域，少数外流河属南洞庭湖水系。支流河长5 k m 以 上的有3 0 2 条，其中湘江流域2 8 9 条，南洞庭湖水系1 3 条。按支流分级，一级支 流2 4 条，二级支流1 2 8 条，三级支流1 1 8 条，四级支流3 2 条。较大的一级支流有 5 条，其中浏阳河、捞刀河、沩水河为长沙市境内三大河流，总流域面积为 8 9 2 2 1 3 k i n 2 。占全市面积的7 5 6 ，其他一级支流为：靳江、南川河。二级支流主 要有楚江、乌江、八曲河、金井河、白沙河、奎塘河、涧江、浏阳河小溪河，它们 的流域总面积有3 4 4 8 4 8 k m 2 。 市区按自然地形，以湘江为界划分了两大排水系统：分别是城市主体湘江东岸 排水系统和湘江西岸排水系统。其余，新区东翼及北组团的马坡岭、泉塘和捞霞地 区分别按自然地形排放。 湘江东岸排水系统均采用合流排水制，按地形分形成了7 个汇水区域，并依照 规划形成了各自的污水收集系统。分别是：旧城、便河、跃湘、新开、石马、奎塘、 长善垸汇水区域。 湘江西岸排水系统，自然地形起伏大，厂矿单位布局分散，尚未形成排水系统， 按自然地形成汇水区域分为麓南和施家港两个汇水区。西翼天望区、西南组团坪塘 区以及其它支流两岸的大部分污水经厂、矿自行处理后，就近排入农田、菜土、鱼 池、港渠水体。部分其它污水经各单位简单处理后，就近排入农田、菜土和水体。 长沙市区生活废水排放量为2 9 7 0 3 6 万吨，全市生活废水排放量为3 7 4 1 6 5 万 吨。2 0 0 5 年c o d 排放量为5 6 4 7 4 4 7 吨，氨氮排放量为9 4 6 6 4 吨。 长沙市现有大型城市生活污水综合处理厂四座，设计日处理能力4 8 万吨。 第一污水处理厂位于城北金霞开发区，日处理能力由原来6 万吨，2 0 0 3 年提 高到1 8 万吨，服务范围由老城区扩大到了便河区、金霞开发区和四方坪地区，汇 水面积由原来1 3 5 7 平方公里扩大到现在的2 8 1 2 平方公里，服务人口由原来2 6 5 万人增加到4 5 3 8 万人。 第二污水处理厂位于城区东侧，服务范围南起雨花亭，北达八一路，东至砂子 塘、车站路，西至跃进路，服务区域l o 2 平方公里，服务人口3 0 余万，日处理能 力1 4 万吨。 第三座污水处理厂位于星沙经济技术开发区，1 9 9 8 年动工，2 0 0 3 年投入试运 行，日处理能力8 万吨，星沙县城工业、生活废水经城市管网汇至南干渠，再进入 该厂处理。 第四座污水处理厂位于浏阳市，2 0 0 5 年投入试运行，日处理能力8 万吨。 市区污水处理量为1 2 9 2 9 8 8 万吨，污水处理率为4 3 5 3 。另外，长沙市固废 1 2 硕士学位论文 中心建立垃圾渗滤液处理厂一座，日均处理垃圾渗滤液3 0 0 余吨。 ( 二) 湘潭市城市排水系统 湘潭市城市排水系统为合流制，排水管长3 3 5 o o k m ，据统计资料，2 0 0 5 年城 市污水排放总量约为2 0 亿m 3 a ，平均每天约为5 5 万m 3 d ，其中工业废水排放量 3 8 万m 3 d ，达标率7 5 2 ，生活污水1 7 万m 3 d ，目前湘潭市已运行的城市污水处 理厂有韶山污水处理厂o 6 万m 3 d ，河西污水处理厂，位于雨湖区护潭乡潭竹村， 规模l o 万m 3 d 。 全市人口2 8 2 8 2 万，城市生活用水9 2 8 8 万吨，年废水排放量8 4 4 4 万吨，处 理量1 2 9 3 万吨，处理率1 5 3 。 ( 三) 株洲市城市排水系统 株洲市城市排水系统分河东、河西两区。河东区( 老城区) 主