（水利水电工程专业论文）抚顺市水环境容量和总量分配研究.pdf

摘要 摘要 水质模型是在实现水环境容量测算过程中，建立污染源与环境质量输入相 应关系的数学方法，是模拟水体中污染物质迁移转化规律的重要手段，是实旌 容量总量控制的重要技术环节。 抚顺是我国的老工业基地之一，素有“煤都”之誉。自2 0 世纪初以来的百 年时间里，抚顺市依托煤炭工业，逐渐形成了煤炭、石油、化工、钢铁、建材 等完整的工业体系。2 0 0 3 年3 月，国务院根据党的十六大精神，把加快东北地 区等老工业基地调整、改造和振兴列入重要议程。在此背景下，抚顺市制定了 全新的社会经济发展和产业结构调整计划，同时为保护和改善抚顺市生态环境 质量，提出变“煤都”为“绿都”的构想。 本文研究美国环保局推荐且已得到广泛应用的水质模型，介绍主要模型的 功能和用途，以供我国开展容量总量分配借鉴。污染物允许排放量的分配是实 施总量控制的核心，介绍了总量控制的基本原则和常用方法以及主要的总量控 制规划模式，并对各种模式进行讨论。 从抚顺市水系、水资源构成入手，结合水环境质量及水污染物排放状况， 重点进行了水环境容量的计算，同时分析了抚顺市的可利用水环境容量，希望 能探索出抚顺市社会经济与水环境保护协调发展之路。 关键词水质模型；河流；模拟；水环境容量；总量分配 a b s t r a c t a b s t r a c t w a t e rq u a l i t ym o d e li sam a t h e m a t i cm e t h o dt ob u i l dt h ec o n t e x to fi n p u t o u t p u t b e t w e e np o l l u t a n ts o u r c ea n de n v i r o n m e n t a lq u a l i t y , w h e nt h ec o m p u t a t i o no fw a t e r q u a l i t yc a p a c i t yi sw o r k e do u t ，i ti s a l s oa l li m p o r t a n tt o o lf o rs i m u l a t i n gt h e m o v e m e n ta n dt r a n s p o r t a t i o no fp o l l u t a n t s ，i ti sav i t a lt e c h n i c a lk e yo fp e r f o r m i n g t h et o t a lq u a n t i t yc o n t r o lo f c a p a c i t y f u s h u ni so n eo fn a t i o n a lo l di n d u s t r i a lb a s e s ，k n o w na s t h ec i t yo fc o a l ”s i n c e t h eb e g i n n i n go f2 0 t hc e n t u r y f u s h u nh a sc u r r e n t l yd e v e l o p e da ni n t e g r a t e d i n d u s t r i a l s y s t e m o fc o a l ，p e t r o l e u m ，c h e m i c a l ，m e t a l l u r g ym a c h i n e r ya n d c o n s t r u c t i o nm a t e r i a li n d u s t r i e st h r o u g ht h ee x p l o i t a t i o no fi t sa b u n d a n tn a t u r a l l y m i n e r a ld e p o s i t s ，i nm a r c h2 0 0 3 ，t h es t a t ec o u n c i lo fc h i n ad r e wl l pas t r a t e g yo f a d j u s t m e n t ，t r a n s f o r m a t i o na n dr e s u s c i t a t i o no ft h eo l di n d u s t r i a lb a s ei nt h et h r e e n o r t h e a s t e r np r o v i n c e sa c c o r d i n gt ot h es o u lo f1 6 t hp a r t yc o n g r e s s u n d e rt h i s b a c k g r o u n d ，t h eg o v e r n m e n to ff u s h u ne s t a b l i s h e dan e wp l a no fe c o n o m i ca n d s o c i a ld e v e l o p m e n ta n dr e a d j u s t m e n to f i n d u s t r i a ls 知c t u r ea n dp u tf o r w a r dat h e o r y - t u r n i n g ”t h ec i t yo f c o a l ”i n t o ”t h eg r e e nc i t y ” i nt h ep a p e ras u m m a r yo fe p a - s u p p o r t e dw a t e rq u a l i t ym o d e l sw i l lb em a d e w h i c ha r eu s e dw i d e l ya n dt h em a j o rf u n c t i o na n dp u r p o s eo fm o d e lw i l lb e i n t r o d u c e dt op r o v i d et h es u g g e s t i o nf o rt h et o t a lq u a n t i t yc o n t r o lo fc a p a c i t y h o w t od i s t r i b u t et h ea m o u n to f p o l l u t a n tw h i c hi sp e r m i t t e dt od r a i ni n t or i v e ri st h em o s t i m p o r t a n tp a r to f t h ep o l l u t a n tc o n t r o lm e a s u r e t h r o u g ht h es t u d yo ft h ec o m p o s eo ft h eb a s i na n dw a t e rr e s o u r c eo ff u s h u n ， w a t e re n v i r o n m e n t a l c a p a c i t yi sc o m p u t e da n da v a i l a b l ew a t e re n v i r o n m e n t a l c a p a c i t yo ff u s h u ni sa n a l y z e da c c o r d i n gt ow a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t ya n dt h e s t a t u so fw a t e rp o l l u t a n tl o a d si no r d e rt od i s c o v e rar o a do ft h ec o o r d i n a t e d d e v e l o p m e n tb e t w e e ne c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n ta n dw a t e re n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n k e yw o r d s w a t e rq u a l i t ym o d e l ；r i v e r ；s i m u l a t i o n ；w a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y ； t o t a ll o a da l l o c a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 签名：麦j 垒丝日期：2 翌至：! ：鱼 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：鞑导师签名：婢日期 跏i ，0 。 第1 章绪论 1 1 水环境容量的概述 第l 章绪论 环境容量的概念是根据环境管理的需要提出的。1 9 6 8 年日本学者首先采用 这个概念来控制污染物排放总量，日本为了改善水和大气的环境质量状况，提 出污染物排放总量控制的问题。欧美等国家的学者较少使用环境容量这一术语， 而是用同化容量、最大容许排放量和水体容许污染水平等概念“1 。如在美国主 要采用日最大排放总负荷( t o t a lm a x i m u md a i l yl o a d ) 的概念，由于中国目 前监测水平所限，所选的时间段多为一年，其内涵实际相同。 水环境容量的定义源于环境容量，国内外很多研究者提出过多种水环境容 量的定义，这些定义可大致分为以下几类： ( 1 ) 水环境容量是污染物容许排放总量与相应的环境标准浓度的比值； ( 2 ) 水环境容量是水体的自净同化能力； ( 3 ) 水环境容量是指不危害水体环境的最大允许纳污能力； ( 4 ) 水环境容量是指环境标准值与本底值确定的基本水环境容量和自净同 化能力确定的变动水环境容量之和。 现在水环境容量在学术界可以通常接受的定义：在给定水域范围和水文条 件，规定排污方式和水质目标的前提下，单位时间内该水域容纳最大允许纳污 量，称作水环境容量。 水环境容量既反映流域的自然属性( 水文特性) ，同时又反映人类对环境的 需求( 水质目标) ，水环境容量将随着水资源情况的不断变化和人们对环境需求 的不断提高而不断发生变化。 水环境容量定义可知水环境容量的大小与水体特征、水质目标和污染物的 特性以及排污方式有关。1 。 ( 1 ) 水体特征 水体特性是确定水环境容量的基础，主要包括：几何特征( 岸边形状、水 底地形、水深或体积) ；水文参数( 流量、流速、水温等) ：化学性质( p h 值， 硬度等) ；物理自净能力( 挥发、扩散、稀释、沉降、吸附) ；化学自净能力( 氧 化、水解等) ；生物降解( 光合作用、呼吸作用) 。 ( 2 ) 水质目标 水体对污染物的纳污能力是相对于水体满足一定的功能和用途而言的，因 此，水体的功能和用途要求不同，其容纳污染物的量亦不同。到目前为止，我 国各类水域一般都划分了水环境功能区。不同的水环境功能区提出不同的水质 北京工业大学工学硕士学位论文 功能要求。不同的功能区划，对水环境容量的影响很大：水质要求高的水域， 水环境容量小；水质要求低的水域，水环境容量大。 ( 3 ) 污染物特性 不同污染物本身具有不同的物理化学特性和生物反应规律，不同类型的污 染物对水生生物和人体健康的影响程度不同。因此，不同的污染物具有不同的 环境容量。 ( 4 ) 排污方式 水域的环境容量与污染物的排放位置与排放方式有关。一般来说，在其他 条件相同的情况下，集中排放的环境容量比分敖排放小，瞬时排放比连续排放 的环境容量小，岸边排放比河心排放的环境容量小。因此，限定的排污方式是 确定环境容量的一个重要确定因素。 ( 5 ) 排污时空分布 水环境容量的计算( 零维模型除外) 一般需要考虑污染物质在水体中降解、 扩散或离散，此时需要考虑排污口距离达标点的距离和时间。排污口距离水质 目标达标点较远对，其水环境容量相对较大。此外河流水环境容量还有一个全 断面达标率，可以避免只追求监测点达标，而总体水质情况较差的情况。 我国对水环境环境容量的研究开始于7 0 年代，经过以下三个阶段： ( 1 ) 七十年代末期，我国环境科学工作者在北京东南部、黄河兰州段、图 们江、第一、二松花江、漓江以及渤、黄海环境质量评价等项目中分别探讨了 水污染自净规律、水质模型、水质排放标准制定的数学方法，从不同角度提出 和应用了水环境容量的概念。这一时期的研究所采用水质数学模型多数较简单， 如s t r e e t e r p h e l p s 模型，t h o m a s 模型、c a m p - d o b b i n s 模型以及0 c o n n o r 模型等。”；采用模型状态大多数是稳态和准动态；模型的解法多数采用解 析解；水环境容量的研究内容一般局限在耗氧有机物及部分重金属的环境容量 上；研究的空间多数是小河或大河的局部河段。 ( 2 ) “六，五”国家环境保护科学技术攻关项目开展了主要污染物水 环境容量研究，进行了“沱江有机物的水环境容量研究”、“湘江重金属 的水环境容量研究” 年口“深圳市水污染控制规划研究”，这一时期的研究 与水污染控制规划相结合，成果显著。 ( 3 ) “七，五”国家环境保护科学技术攻关项目在水环境容量理论的研 究深度、研究广度和应用研究都取得重大进展，出现了多目标综合评价模型、 潮汐河网地区多组分水质模型、非点源模型。1 、富营养化生态模型“、大规模 系统优化规划模型等，污染物研究对象也从一般耗氧有机物和重金属，扩展到 氮、磷负荷和油污染，并编制出水环境污染物总量控制实用系列化计算方法。 过孝民等建立了区域环境经济规划模型“，该模型的解提供了一个满足经济发 2 第l 章绪论 展目标和环境保护目标，同时使废物治理费用最小的各部门产污量关系，即最 佳经济结构和最小治理费用的治理方案。 1 2 总量控制综述 1 2 1 总量控制的含义 总量控制，指在污染严重、污染源集中的区域或重点保护的区域范围内， 通过有效的措施，把排入这一区域的污染物总量控制在。定的数量之内，使其 达到预定环境目标的一种控制手段，它的基本思想是：由于在污染源密集的地 区，只对一个个单独的污染源规定排放浓度、不能保证整个地区( 或流域) 达到 环境质量标准的要求；应该以环境质量标难为基础，考虑自然特征，计算出为 满足环境质量标准的污染物总允许排放量，然后综合分析所有在区域( 或流域) 内的污染源，建立一定的数学模型、计算每个源的合理污染分担率和相应的允 许排放量，求得最优方案，每个源的排放量都控制在小于最优方案的规定值内， 即可保证环境质量标准的实现。 1 2 2 总量控制的研究现状 ( 1 ) 日本在水污染物总量控制的研究进展1 9 5 5 年以后，由于重型化工 产业和城市化的进展，日本各地频发公害问题，工业密集区域即使进行浓度控 制也不能消除污染，必须从环境方面加以制约。1 9 7 0 年前后，研究将“总量控 制”思想具体化，如四日市和大阪地区。“总量控制”是在环境污染严重的区 域和污染将会变得严重的区域，以确保环境质量标准为目标，就各个区域，根 据该区域的实际情况，规定污染物质的容许排放限度，然后向各个工厂分配容 许排放量而有效地进行排放的控制方式。 1 9 7 1 年5 月，三重县将“总量控制”制度纳入三重县公害防止条例； 1 9 7 8 年6 月，在部分水域实施了水质污染物总量控制规定，以c o d 为控制对象； 1 9 8 1 年6 月，氮氧化物也追加为“总量控制”的控制对象，此前四日市地区的 三重县、横滨市等地已执行氮氧化物的“总量控制”规定。1 9 9 7 年、日本环境 厅提出了“水质污染总量控制”办法；各都府县从1 9 8 0 年7 月开始执行水质污 染总量控制制度。与此同时水质污染防治法规定的浓度标准仍继续沿用。 截至1 9 8 3 年，日本全国已有3 0 个地区划为执行总量控制规定的指定地区； 总量控制的对象主要是二氧化硫、氮氧化物、c o d 等。日本在推行总量控制规 定中不是过多强调经济手段，而是偏重于管理和法规。自贯彻总量控制规定以 北京工业大学工学硕士学位论文 来，日本的大气环境和部分水域的水质得到了明显的改善。 ( 2 ) 美国在水污染物总量控制方面的研究进展在法规政策上，美国1 9 6 9 年制订国家环境政策法，1 9 7 9 年以来，推行刺激经济作用的环境控制政策， 如“气泡”政策、补偿政策、贮存政策等。 此控制体系的优点在于见效快，能很快将污染控制到指定的水平，缺点主 要为不利于经济上有效、新颖的污染控制技术发展。 采用最佳专业判断( b p j ) 法、排放限值准则( e l g s ) 法、水质依据法等。 1 9 7 2 1 9 7 6 年实施第一轮污染物排放许可证制度阶段，主要采用以判断为依据 的方法，即最佳专业判断( b p j ) 法；同时采用以技术为依据的方法，即针对工 业行业及其子行业颁发排放限制准则( e l g s ) 的方法；对某些特定的水体和水 质项目，也可采用以水质为依据的方法( 水环境容量法) 。 ( 3 ) 我国在水污染物总量控制方面的研究进展7 0 年代，我国防治工业污 染重点放在点源治理上：8 0 年代初，实行污染综合防治；9 0 年代提出工业污染 全过程控制，发展清洁生产，对污染物排放实施总量控制。国内外理论研究和 实践经验表明，只有对重点区域和重点污染源及重点污染物实施总量控制，才 能有效地从总体上控制污染。在“九五”计划和2 0 1 0 年远景目标中，实旌污染 物排放总量控制被列为环境保护目标的重大举措，国务院关于环境保护若干 问题的决定中明确提出：要实施污染物排放总量控制，抓紧建立全国主要污 染物排放总量指标体系和定期公布制度。 国务院环境保护委员会发布的防治水污染技术政策的规定中指出，水 资源的开发利用、要按照“合理开发、综合利用、积极保护、科学管理”的原 则，对地表水、地下水和污水资源化统筹考虑，合理分配和长期有效地利用水 资源。制订流域、区域的水质管理规划并纳入社会经济发展规划，流域、区域 水污染的综合防治，应逐步实行污染物总量控制制度，对流域内的城市或地区， 应根据污染源构成特点、结合水体功能和水质等级，确定污染物的允许负荷和 主要污染物的总量控制目标，并将需要削减的污染物总量分配到各个城市和地 区进行控制。 总量控制分为三种类型：容量总量控制、目标总量控制和行业总量控制“： 容量总量控制是自受纳水域容许纳污量出发，制订排放口总量控制负荷指 标，主要技术步骤为：( 1 ) 受纳水域容许纳污量的计算；( 2 ) 控制区域允许排 污量的确定：( 3 ) 总量控制方案技术、经济评价：( 4 ) 排放口总量控制负荷指标。 目标总量控制是自控制区域容许排污量控制目标出发，制订排放口总量控 制负荷指标，其主要技术步骤为：( i ) 控制区域容许排污量；( 2 ) 总量控制方案 技术、经济评价；( 3 ) 排放口总量控制负荷指标。 行业总量控制是自总量控制方案技术、经济评价出发，制订排放口总量控 4 第1 章绪论 制负荷指标，其主要技术步骤为：( 1 ) 总量控制方案技术、经济评价；( 2 ) 排放 口总量控制负荷指标。 1 2 3 总量分配的研究进展概述 总量分配是总量控制的核心和关键。总量分配不仅仅是将污染物量分配给 有关排污源，更重要的是通过对经济活动的管理、环境资源的分配推动经济系 统的合理运行和社会总资源的有效配置。一方面，通过在流域范围内分配容量 资源，实现流域范围内各控制区域的合理布局与负荷分担率；另一方面，在区 域范围内分配技术、经济投入，实现总量控制负荷指标的具体实施。 总量分配问题从总量控制区域的污染状况来看可以分为两种情况： ( 1 ) 对于环境资源己经占用消耗殆尽或造成严重污染的区域，总量分配的 任务是制定污染负荷最佳削减分配方案来达至控制区域环境质量管理目标。 ( 2 ) 对于环境资源有潜在开发前景或有剩余和待开发环境容量的区域， 总量分配的问题是制定剩余和待开发环境容量规划分配方案，其重点是规划未 来发展中的资源分配、保留和有偿使用问题。 目前，国内有关污染负荷分配多是在水环境容量或目标总量控制基础上， 主要是基于公平合理原则或经济优化分配原则( 即效率原则) 进行的污染物允许 排放总量分配。 基于公平原则进行的污染物允许排放总量分配研究，除等比例分配法、等 污染贡献分配法、加权分配法、等水质影响分配法、等单位产值排污量分配法 等方法、和行政协调分配外“。“”，近年来，一些学者还对此问题作了进 一步研究。如用关于公平的公理体系，设计出了满足公理体系的排污总量公平 分配原则和层次分析法。 基于经济优化原则，建立了水污染物削减量或允许排放总量的优化分配模 式。其实质是要求在实现一定环境目标前提下，区域污染治理费用最低。所用 方法主要为：线性规划法、非线性规划法、整数规划法、动态规划法、离散规 划法、灰色规划和模糊规划法等传统的运筹学方法，还有冲突分析理法，基于 宏观经济优化模型的区域污染负荷分配等。 1 3 论文的研究内容和意义 ( i ) 对国内外水质模型的研究，采用科学实用的水质的模型，模拟污染物 在水体中的迁移转化规律，用于水质模拟和水质规划。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 选择浑河阿及堡、七问房、和平桥三个断面及浑河7 条主要支流入浑 河口断面以及大伙房水库的4 个断面作为水质评价的重点，根据地表水环境质 量标准，选择单因子评价法对水质分析进行评价。分析水质现状，计算超标比 例。 ( 3 ) 分析抚顺市的污染源调查资料，总结污染物主要来源，确定污染结构， 找出重点污染企业和行业。 ( 4 ) 科学计算抚顺市水环境容量，对可利用的容量进行分析，并基于容量 和当地的现状排放量，根据当地的实际情况，制定出切实可行的规划目标和总 量控制指标。 ( 5 ) 达到水环境保护目标，根据现状排污分析、现状水环境质量分析、基 于容量总量或者目标总量来分配到点源，分别确定抚顺市各主要水体的治理工 程，并根据治理工程内容确定投资方案。 6 第2 章水质模型的介绍 第2 章水质模型的介绍 2 1 水质模型概述 2 1 1 水质模型( w a t e rq u a ii t ym o d e i ) 的概念 水质模型，是描述参加水循环的水体中各水质组分所发生的物理、化学、 生物和生态学等诸多方面变化规律和相互影响关系的数学方法。研究水质模型 的目的，主要是描述污染物在水体中的迁移转化规律，为水环境保护服务。它 可用于水质模拟和水质评价，进行水质预报和预警预测，制订污染物排放标准 和水质规划，是水污染防治的重要工具。 2 1 2 水质模型的分类 水质模型可按其空间维数、时间相关性、数学方程的特征以及所描述的对 象、现象进行分类和命名。 水质模型按解的特点可以分为确定性模型和随机性模型。对一种给定的输 入条件，确定性模型只给出确定的解，是应用最广泛的模型；随机性模型的输 入条件是随机的，其解具有不确定性。 水质模型按随时间变化情况可以分为稳态模型和动态模型。当水流运动要 素和系统的输入都不随时间改变时，系统的物质量也不随时间而变，这种模型 称为稳态模型。当水流为非恒定流动，不管输入是否随时间而变，系统内的物 质量将随时间而变，这种模型叫动态模型。介于这两种模型之间，当水流为恒 定流，由于输入随时间而变，系统内的物质量也随时间而变，系统内的物质量 也随时间而变的模型叫准动态模型“。 水质模型从空间维数上可分为零维、一维、二维和三维模型。主要根据系 统内的质点的水力要素的几个方向有梯度存在来加以区分。零维模型的输人、 输出条件不涉及任何有关水动力学方面的信息，除了“其水体是混合得很好 的”这一假设。在典型情况下，河流都当作一维流动来处理，其水质与水流的 参数认为只沿其纵向发生变化。水库往往也被当作一维来处理，认为沿垂直方 向有梯度变化。这样一来，一维模型典型情况下对于河流来说都是反映纵向梯 度( 河长方向) ，而对于水库来说则反映垂向梯度( 水深方向) 。二维的河流 模型也是常见的，可用来计算较宽水域内的污染带宽度和长度。三维的模型包 括水质与水流参数沿垂向、侧向和纵向的变化。 7 北京工业大学工学硕士学位论文 按模型的性质可分为黑箱模型、白箱模型和灰箱模型1 。当由系统的输入 直接计算出系统的输出，对污染物在水体中的变化过程和机制一无所知的模型 即为黑箱模型。对系统的过程和变化机制有完全透彻的了解的模型是白箱模型。 介于两种之间的模型叫做灰箱模型，目前大部分模型都属于灰箱模型。 按反应动力学性质可分为纯转移模型、纯反应模型、转移和反应模型、生 态学模型等。当系统内为不随时间而衰减的保守物质时，物质只随水流做机械 运动时，这种模型叫做纯转移模型。当系统内为非保守物质时，水体基本静止， 物质只有生物化学反应的模型叫做纯反应模型。系统内为非保守物质时，水体 处于运动状态，物质既有转移又有生物化学反应的模型叫做转移和反应模型。 包含有生物生长过程的模型称为生态模型。一个综台的生态模型，不仅要描述 生物过程，还要描述水的转移现象及其水质要素的变化。 2 1 3 水质模型的建立 为建立一个确定性的水质模型，需要以下几个步骤。“： ( 1 ) 弄清水生态系统中各种现象发生的过程和相互关系： ( 2 ) 确定流体的输移率及各种动力学过程的转换速率； ( 3 ) 应用质量、动量、能量守恒等基本原理建立系统的控制方程： ( 4 ) 求解系统的方程组； ( 5 )用已有的一组资料对模型进行标定，调整所采用的基本参数，直到 计算结果与实际资料一致； ( 6 ) 用另外的一组条件不同的资料对模型进行检查和标定，直到计算结 果满足要求为止。 ( 7 ) 将模型应用到实际问题。 2 1 4 水质模型的发展 自1 9 2 5 年以来，水质模型得到不断研究与发展，大致可以分为以下3 个阶 段： ( 1 ) 第1 阶段1 9 2 5 - - 1 9 8 0 年这一阶段模型研究对象仅是水体水质本身，被称 为“自由体”阶段。也就是说，在这一阶段模型的内部规律只包括水体自身的各 水质组分的相互作用，其它如污染源、底泥、边界等的作用和影响都是外部输入。 ( 2 ) 第2 阶段1 9 8 0 - - 1 9 9 5 年这个阶段可以作为水质模型研究快速发展的第2 阶段。这一阶段模型有如下的发展： 1 ) 在状态变量( 水质组分) 数量上的增长： 第2 苹水质模型的介绍 2 ) 在多维模型系统中纳入了水动力模型； 3 ) 将底泥等作用纳入了模型内部( 如o c o n n e r 等，1 9 8 3 ；t h o m a n n 矛u d i t o r e ，1 9 8 3 ：d i t o r o 和f i t z p a t r i c k ，1 9 9 3 ) ： 4 ) 与流域模型进行连接以使面污染源能被连入初始输入( 如d o n i g i a n 等， 1 9 9 1 ) 。 ( 3 ) 第3 阶段1 9 9 5 年至今随着发达国家对面污染源控制的增强，面源污染减 少了。而大气中污染物质沉降的输入，如有机化合物、金属( 如汞) 和氮化合物等 对河流水质的影响日显重要。虽然营养物和有毒化学物由于沉降直接进入水体表 面已经被包含在模型框架内，但是，大气的沉降负荷不仅直接落在水体表面，也 落在流域内，再通过流域转移到水体，这已成为日益重要的污染负荷要素。从管 理的发展要求看，增加这个过程需要建立大气污染模型，即对于一个给定的大气 流域( 控制区) ，能将动态或静态的大气沉降连接到一个给定的水流域。所以，在 模型发展的第3 阶段，增加了大气污染模型，能够对沉降到水体中的大气污染负 荷直接进行评估。 2 1 5 美国主要水质与水动力学模型 2 5 1 1q u a l 2 eq u a l 2 e 是一个通用的河流水质模型。它可以模拟由用户任意 组合的最多1 5 种水质组分。可以模拟的组分包括1 ： 溶解氧( d 0 ) 、生化需氧量、温度、作为叶绿素的藻类、有机氮、氨氮、亚 硝酸盐氮、硝酸盐氮、有机磷、溶解磷、大肠杆菌、任意非守恒物质和三种守 恒物质。 这个模型适用于混和的枝状河流系统。它假设主要的传输机制，平流和分 散作用，只是沿主要流向的变化是显著的( 河流或运河的纵轴) 。它允许多种废 物的排放、回收，支流，递增的流入量和流出量。它的另外一个能力是，可以 计算为了达到预先定义的溶解氧水平所需要的稀释流的流量。 2 5 1 2q u a l 2 kq u a l 2 k ( 或q 2 k ) 是河流水质模型，它是q u a l 2 e ( 或q 2 e ) 的 最新的版本，它与q 2 e 具有以下共性。“： 一维，河道内横向和垂直方向完全混合；稳态水力学，模拟稳定流量；每 目的热量收支；以每天为单位模拟热量收支和温度；每天的水质动力学，所有 的水质变量都以每天为单位；热量和质量的输入，点源和非点源负荷和汇都被 模拟。 q u a l 2 k 的结构包含以下新的内容： ( 1 ) 软件的环境和界面q 2 k 是在m i c r o s o f tw i n d o w s 的环境下运行的， 采用宏语言：v b 应用程序( v b a ) 编写的，e x c e l 作为绘图界面。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 模型的结构q 2 e 把系统分割成包含相等长度的河段，相对应的q 2 k 采用不相等的河段，此外许多源和汇都可以输入任何河段。 ( 3 ) 碳化b o d 的形成q 2 k 采用两种碳化b o d 的形式来表示有机碳，这些 形式是缓慢反应形式( s l o wc b o d ) 和快速反应形式( f a s tc b o d ) 。此外，无生 命的颗粒有机物也被模拟。岩屑材料由颗粒碳，氮和磷以固定的化学计量组成 c 2 4 d 2 5 1 3w a s p 6 水质分析模拟程序( w a s p 6 ) 是原来的w a s p ( d it o r o 等1 9 8 3 ： c o n n o l l ya n dw i n f i e l d ，1 9 8 4 ；a m b r o s e ，r b 等1 9 8 8 ) 的一个增强版本，这 个模型可以帮助用户解释和预测自然现象和人工污染的水质反应，相应作出决 策。w a s p 6 是水系统的动态模型，包括水体和水底生物。平流、扩散、点和非点 的质量负荷以及边界的改变，这些时间变化的过程都是基本方程的表示。 w a s p 6 的特征包括预处理程序、快速数据处理和图形的后期处理，这些可以 帮助使用者更快、更容易运行w a s p 求出模型的数值和图形结果。其运算速度比原 来的d o s 版本快过十倍，但是w a s p 6 和原来的版本使用相同的算法公式来解决水质 问题。 水质分析模拟程序应用的灵活性是独特的，w a s p 6 允许使用者构造一维、二 维和三维模型；允许时间变量交换系数、平流、废物排放和水质边界条件规范化； 允许分割出动力过程的结构。w a s p 6 的模型的两个选项，t o x i 和e u t r o ，都相当全 面。此外，用户也可以发展新的动力或反应结构。而这就需要在原有模型基础上 额外的判断、见解力和编程经验等方法。w a s p 中的动力子程序( 表示为“w a s p b ”) ， 以独立的代码部分来保存。 w a s p 6 o 是对美国环保局的水质分析模拟程序( w a s p ) 功能和外表作了完全 重新设计，w a s p 使用美国环保局模型的源代码作为基本的内容。设计了一个基于 预处理程序的新的窗口，现在在模型和预处理程序之间没有区别。事实上， 富 营养化模型是被预处理程序执行的一个动态链接库( d l l ) 。w a s p 不再需要输入 文件，通过动态数据的转换是需要运行的数据转移到模型的动态链接库。这样就 不用担心与原来d o s 基础模型的数据格式问题了呻1 。 2 5 1 4c e - q u a l - w 2c e - q u a l - w 23 1 版本是二维水质和水动力模型，由美国陆 军工程兵团水道实验站( c o l ea n db u c h a k ，1 9 9 5 ) 开发。这个模型已经被广泛的 应用于地表水水域如：湖泊、水库和河口 2 7 o 此模型预测了水面高程、流速和温 度。由于温度对水浓度的影响，包含在水动力学计算中。 水质的算法除了温度之外还包含了2 1 种组分，缺氧时营养物、浮游植物、 溶解氧( d o ) 之间的相互作用。组分之间的化合都可以被模拟，总的溶解固体 或盐度对浓度的影响都被包含在内。水质的算法组分很容易的作为子程序添加 进去。 】0 第2 覃水质模型的介绍 2 5 1 5c e - q u a l - r i v lc e q u a l r i v i 是由美国陆军工程兵团水道实验站环境试 验室开发，是动态、一维( 横向均匀) 模型，可以模拟河流和由水流运动的水库 中的水质。在沿水流方向上的变化很重要，垂直和横向的变化都可忽略。支流和 控制结构都可以模拟，尤其适合模拟高速非恒定流。主要模拟的水质组分有：温 度、大肠杆菌、氮、生化需氧量、藻类、磷、溶解氧和金属。 选择使用c e q u a l r i v i 模型的首要标准是问题能够用一维平均横截面解 决，许多河流的水质问题都可以用用一维模型解决，也就是在水系中，水质浓 度的侧向和垂直方向的梯度与纵向相比都不重要。这种假定说明垂直方向的温 度，密度和化学成层现象( 这些在水库和湖泊中起重要作用) 都不复存在或被 忽略了。此外，当点源排放被考虑时，模型不能在近场应用，在此处混合不充 分不能满足一维假定。 选择使用c e - q u a l - r i v i 模型的另一个标准就是流量和问题的类型。虽然 c e q u a l r i v l 是用来为具有高速非恒定水流而开发的，但是它也可以用来计算 稳态水流条件。 在稳态情况下，应该采用比它更简单的公式，例如上面提到的q u a l 2 e 。如 果问题的要求更高，每一小时或每天的流量变化都相对较大，则c e q u a l r i v i 应该采用。现在还没有明确规定，究竟在什么条件下动态模型才宜采用。但每 日波动对使用者非常重要，必须采用动态模型。 2 5 1 6b a s in sb a s i n s 全称是b e t t e ra s s e s s m e n ts c i e n c ei n t e g r a t i n gp o i n t a n dn o n p o i n ts o u r c e s ，即综合点源和非点源较好的评价原则，是美国环保局开 发的一个系统。b a s i n s 是一个多目标用途的环境分析系统，它综合了地理信息系 统，国家流域数据，气象资料，是达到最新技术发展水平的环境评价和建模工具 的一个程序包。 在1 9 9 6 年的版本中，b a s i n s 提出达到三个目标”1 ： ( 1 ) 便于检查环境信息 ( 2 ) 提供一个综合流域和模型的框架 ( 3 ) 支持分析点源和非点源管理方案 b a s i n s 支持日最大负荷( t m d l s ) 的发展，要求综合点源和非点源的流域为 基础的方法”。也支持许多污染物不同规模的分析，是一个从简单到复杂的工 具。此外，还可以用来确定如何削减点源和非点源的污染，洪水管理问题，饮 用水源地的保护，城市和农村的土地使用评价，生活环境的管理等。“。 目前已经发展到了b a s i n s3 0 版本，其核心部分是一套进行流域和水质分 析的相关部分。 2 5 1 7 a q u a t o xa q u a t o x2 版本是当前的淡水生态系统模拟模型的一个增强版 本，它可以预测各种污染物的归宿。“，例如：营养物和有机物，以及它们对生态 北京工业大学工学硕士学位论文 系统的影响，包括鱼、无脊椎动物和水生植物。a q u a t o x 是对生态学者、生物学 者、水质模型研究者和任何从事水生态系统的生态风险评价的人员很有用的工 具。q u a t o x2 不仅增加了完全模拟和理解水生态系统的分析工具，也使得模型更 加容易使用。 2 2 一维模型的算法 2 2 1 质量传输方程 求解的基本方程是一维平流一消散质量传输方程，方程对每一种水质组分 在空间和时间上进行数值积分。方程包括了平流、消散、稀释、组分的反应和 交叉作用、水源和渗入的影响。对于任意组分c ，质量传输方程可以写为。”： 警：攀出一挈酬舭皆d c 。，由ax融、。出 式中： m _ 质量( m ) x 距离( l ) t 时间( t ) c 浓度( m l 。) a ，横截面积( l 2 ) d 广一消散系数( l 2 t 1 ) 虿平均速度( l t l ) s 外部水源或渗入( m t l ) 因为m = v c ，可得下式： 一am a ( v c ) ：矿箜+ c 竺( 2 2 ) 式中 v = a ；d x = 增量体积 如果我们假设河流中的流量是定常， 程2 3 可以变形为： 堂：矿丝 a t融 即a q o t = 0 ，则a v a t = 0 ，所以方 把方程( 2 一1 ) 和( 2 - 3 ) 组合起来并重新安排此公式为 ( 2 3 ) 第2 章水质模型的介绍 t 口c ， 流量平衡 图2 - 1 离散后的河流系统 f i g u r e2 - ld i s c r e t i z e ds t r e a ms y s t e m 2 2 2 一维模型河流水质模型的简化算法 ( 2 - 4 ) 乱 对于河流而言，一维模型假定污染物浓度仅在河流纵向上发生变化，主要 适用于同时满足以下条件的河段：( 1 ) 宽浅河段；( 2 ) 污染物在较短的时间内基 本能混合均匀；( 3 ) 污染物浓度在断面横向方向变化不大，横向和垂向的污染物 北京工业大学工学硕士学位论文 浓度梯度可以忽略。 如果污染物进入水域后，在一定范围内经过平流输移、纵向离散和横向混 合后达到充分混合，或者根据水质管理的精度要求允许不考虑混合过程而假定 在排污口断面瞬时完成均匀混合，即假定水体内在某一断面处或某一区域之内 实现均匀混合，则不论水体属于江、河、湖、库的任一类，均可按一维问题概 化计算条件。 若河段长度大于下式计算的结果时，可以采用一维模型进行模拟： 三：坐皇二! ：丝巫( 2 5 ) ( o 0 5 8 h + o 0 0 6 5 b ) u 。 其中虬= g 脚 式中：l 混合过程段长度， b 河流宽度： a 一排放口距岸边的距离； u 河流断面平均流速； h _ 平均水深； g 一为重力加速度： j 河流坡度。 在一个深的有强烈热分层现象的湖泊或水库中，一般认为在深度方向的温 度和浓度梯度是重要的，而在水平方向的温度和浓度则是不重要的，此时湖泊 水库的水质变化可用一维来模拟。 在忽略离散作用时，描述河流污染物一维稳态衰减规律的微分方程为。： “! 生：一缸 矗r 将“：竽代入，得到 目f 竺：一 出 积分解得 c ：c o e 一锐 ( 2 6 ) 式中：u 河流断面平均流速，m s ； x 沿程距离，k m ； 1 4 第2 覃水质模型的介绍 k 综合降解系数，1 d ： c 沿程污染物浓度，m g l ； c 。前一个节点后污染物浓度，m g l 。 2 2 3 综合降解系数的确定 污染物的生物降解、沉降和其他物化过程，可概括为污染物综合降解系数， 主要通过水团追踪试验、实测资料反推、类比法、分析借用等方法确定。计算 模型参数可采用经验法和实验法确定，应进行必要的论证和检验。 ( 1 ) 水团追踪试验选择合适的河段，布设监测断面，确定试验因子。测定排污口污 水流量、污染物浓度( 试验因子) ，测定试验河段的永温、水面宽、流速等。根据流速，计 算流经各监测断面的时间，按计算的时间在各断面取样分析，并同步测验各监测断面水深 等水文要素。 整理分析试验数据，计算确定污染物降解系数。 ( 2 ) 实测资料反推法用实测资料反推法计算污染物降解系数，首先要选择 河段，分析上、下断面水质监测资料，其次分析确定河段平均流速，利用合适 的水质模型计算污染物降解系数，第三采用临近时段水质监测资料验证计算结 果，确定污染物降解系数。 河段选择时，为减少随机因素对计算结果的影响，应尽量选择没有排污口、 支流口的河段作为计算河段，这样可以排除入河污染物量和入河水量随机波动 对水质监测结果的影响。 k = ( l n c 广l n c z ) u 1 其中：c 、c 。分别为河段上、下断面污染物浓度，l 为上下断面距离，u 为 流速。 ( 3 ) 类比法国内外有关文献提及的部分河流污染物降解系数见表2 3 。在 国内外的2 4 条河流中，b o d 5 耗氧系数k 值的下限或变化范围4 0 3 5 d 1 的有1 7 条，占7 0 8 。根据以往的研究成果可知，c o d e r 降解系数比b o d 。要小，约为 b o d 。降解系数的6 0 7 0 。以此推断，大约有7 0 以上的河流其c o d c r 降解系 数在0 2 0 0 2 5d 。 北京工业大学工学硕士学位论文 表2 - i 国内外部分河流b o 隗耗氧系数( k ) t a b l e2 - 1 d e o x y g e n a t i o nc o e f f i c i e n ti ns o m es t r e a mi nt h ew