（环境工程专业论文）山东省辖沂沭河水系地表水环境容量研究.pdf

原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：鲜数 日期：主竺墨型 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：之窿必师签名：论文作者签名：乞啦羔蛉师签名： 山东大学硕士学位论文 摘要 本论文以沂沭河水系河流为研究对象，依据其水环境功能区划，对水系内主 要河流的c o d 、n h 3 - n 理想环境容量进行了数学建模，计算与分析，并对水系 内各河流的可利用环境容量( 简称环境容量) 、最大允许排污量以及污染物削减 量进行了计算。 本论文建立了河流水环境容量的数学模型，提出了各类模型的参数水质 目标值、水文参数、污染物降解系数、水质背景浓度的设计方法。依据山东省地 表水环境功能区划，确定河流的水质目标值；参考水文、环保上世纪8 0 年代的 水质监测结果，以及未受人类污染的河流源头水质监测结果确定各河流水质背景 浓度。利用电子地图系统量取控制流域面积和断面间距；依据各水文站近1 5 年 实测资料统计计算最枯月、最枯季和枯水期的平均流量作为设计流量；通过建立 流量经验关系式，确定河流的设计平均流速、设计平均水深、设计水面宽，设计 断面面积和设计水体体积等其他水文参数。采用现场观测和文献设计法确定污染 物降解系数。 依据水环境容量数学模型，对沂沭河水系各河流各功能区的理想环境容量进 行了计算，得出沂沭河水系c o d 理想环境容量在最枯月、最枯季和枯水期条件 下分别为。5 0 0 2 1 4 t a 、7 0 8 6 5 7 t a 和8 2 5 1 1 l t a ；n h 3 - n 理想环境容量分别为 2 2 1 9 5 t a 、3 1 6 0 5 t a 和3 6 9 5 4 t a 。沂沭河水系c o d 可利用环境容量在三种设计 条件下分别为4 3 0 4 1 l t a 、6 4 4 4 6 1 f f a 和7 6 0 4 5 5 t a ：n 1 - 1 3 - n 可利用环境容量分别 为6 4 7 8 t a 、1 3 8 9 7 t a 和1 8 4 8 2 t a 。沂沭河水系c o d 最大允许排污量在三种设计 条件下分别为5 5 5 9 6 1 t a 、8 2 0 6 6 8 t a 和9 6 8 7 9 2 t a ；n h 3 - n 最大允许排污量分别 为8 3 7 1 t a 、1 7 2 8 0 t a 和4 3 7 1 7 妇。沂沭河水系c o d 削减量在三种设计条件下分 别为2 4 7 3 2 2 0 t a 、2 3 4 2 2 0 2 t a 和2 3 0 5 6 1 2 t a ；n h 3 - n 污染物削减量分别为 2 2 6 5 5 5 t a 、2 1 8 3 6 9 t a 和2 1 3 8 0 2 t a 。 该课题是对地表水环境容量全面、系统的研究，是北方干旱或半干旱地区水 环境容量及其相关研究的创新。通过此项研究既可以摸清水环境的家底，对该地 山东大学硕士学位论文 区全面推行水污染物总量控制和排污许可证提供了重要的基础数据；又可以摸清 南水北调输水干线及影响区域的环境容量，为该流域水污染防治、水资源可持续 利用提供了科学依据。、 关键词：沂沭河水系河流环境容量最大允许排污量 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h o s e dr i v e r si nt h ey i s h u 黜v e l b a s i na sr e s e a r c ho b j e c t , m a t h e m a t i c a lm o d e l s a r es e tu pt oc a l c u l a t ea n da n a l y z et h ec o da n dn h 3 ni d e a le n v i r o n m e n t a l c a p a c i t i e sb a s e do nw a t e re n v i r o n m e n t a lf u n c t i o n a lz o n i 王l g n cu s a b l ee n v i r o n m e n t a l c a p a c i t y , t h em a x i m a la l l o w e de m i s s i o na m o t m ta n dt h ep o l l u t a n t s s u b d u c f i o n a m o u n ta r ea l s oc a l c u l a t e d 1 1 l em a t h e m a t i c a lm o d e l s o f w a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t ya r es e t 坤1 f 1 塘d e s i g n m e t h o d so fa l lm o d e lp a r a m e t e r sa b o u tw a t e rq u a l i t yg o a l s ，h y d r o l o g i cp a r a m e t e r s ， p o l l u t a n td e g r a d ec o e 衢c i e n t s w a t e rq u a l i t yb a c k g r o u n dc o n c e n t r a t i o n sa r ep r o p o s e d a e e o r d i n gt ot h es u r f a c ew a t e re n v i r o n m e n t a lf u n c t i o nz o n i n go fs h u n d o n gp r o v i n c e ， t h ew a t e rq u a l i t yg o a l sf o rt h er i v e r sa r ec o n f i r m e d r e f e r r e dt oh y d r o l o g i ca n d e n v i r o n m e n t a lw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gr e s u l t si nt h ee i g h t i e so fl a s tc e n t u r ya n dt h e w a t e rq u a l i t ym o n i t o t i n gl e s u l t so ft h er i v c rs o u r c en o tp o l l u t e db yt h em a n k i n d , t h e w a t e rq u a l i t yb a c k g r o u n dc o n c e n w a t i o n sa r ec o n f n - m e d u t i l i z e de l e c t r o n i cm a p s t h e c o n t r o l l e db a s i na r e aa n di n t e r v a lo fs e c t i o n sc 弛b em e 籼e d b a s e do ns u r v c yd a t a o f e v e r yh y d r o m e t r i cs t a t i o no v e rt h ep a s t1 5y e a r s ，a v e l r g ef l o w so f t h ed r i e s tm o n t h , t h ed r i e s ts e a s o na n dt h ed r yp e r i o da r ec a l c u l a t e d a n da r eu s e d 嚣t h ed e s i g nf l o w s 1 1 圮e x p e r i c n c e dr e l a t i o n a lf o r m u l a eo ff l o wa e s t a b l i s h e d ；h y d r o l o g i cp a r a m e t e r s a b o l i ta v e r a g ev e l o c i t y , a v e r a g ed e p t h s u r f a c ew i d t h , s e c t i o na r e aa n dw a t e rv o l u m e a l ec o n f i r m e d 耵l ep o l l u t a n td e g r a d ec o e 丘i c i e n t sa r ec o n f i r m e db yt h em e t h o d so f o n - l i n eo b s e r v a t i o na n dd o c u m e n t a r yd e s i g nm e a n s a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fw a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y , t h e r i v e r s i d e a le n v i r o n m e n t a lc a p a c i t i e si nt h e s h ur i v e rb a s i na r ec a l c u l a t e d u r i d e r t h ec o n d i t i o no ft h ed r i e s tm o n t h , t h ed r i e s ts e a s o na n dt h ed r yp e r i o 正t h ec o di d e a l e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t i e ss e p a r a t e l ya r e5 0 0 2 1 4 f f a , 7 0 8 6 5 7t aa n d8 2 5 1 1 l t ai nt h e h a s i n ；t h en h t ni d e a le n v i r o n m e n t a lc a p a c i t i e ss e p a r a t e l ya r e2 2 i 9 5 t a , 3 1 6 0 5 t a a n d3 6 9 5 4 t ai nt h eb a s i mt h ec o du s a b l ee n v i r o n m e n t a lc a p a c i t i e ss e p a r a t e l ya r e 4 3 0 4 1 l t a , 6 4 4 4 6 l t aa n d7 6 0 4 5 5 t a ；t h en h l nu s a b l ee n v i r o n m e n t a lc a p a c i t i e s s e p a r a t e l ya r e6 4 7 8 “a , 1 3 8 9 7 t ，aa n d1 8 4 8 2 t ，ai nt h eb a s i n t h ec o dm a x i m a l a l l o w e de m i s s i o na m o u n t ss e p a r a t e l ya r e5 5 5 9 6 0 9 t a , 8 2 0 6 6 8 t aa n d9 6 8 7 9 2 t ai n t h eb a s i n ；t h en h 3 - nm a x i m a la l l o w e de m i s s i o na m o n n t ss e p a r a t e l ya r e8 3 7 1 t a , 1 7 2 8 0 t aa n d2 2 9 3 6 t ai nt h eh a s i i ln l ec o ds u b d u e t i o na m o u n t ss e p a r a t e l ya r e 2 4 7 3 2 2 0 t a , 2 3 4 2 2 0 2 妇a n d2 3 0 5 6 1 2 “a ；t h en i - 1 3 - ns u b d u c t i o na m o u n t ss e p a r a t e l y a r e2 2 6 5 5 5 t a , 2 1 8 3 6 9 t aa n d2 1 3 8 0 2 妇i nt h eb a s i n 1 1 1 es u r f a c ew a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t i e sa r es t u d i e dp r e h e n s i v l ya n ds y s t e m l y t h ed b i e c ti st h ei n n o v a t i o no fe n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo nn o h e ma r i d i t ya n d s e m i a r i dr e g i o i l s n er e s o u r c e so f t h ew a t e re n v i r o n m e n tc a nb eg r a s p e dt h r o u g ht h i s r e s e a r c h n o to n l yt h ei m p o r t a n tb a s i cd a t ao nc a r r y i n go u tw a t e rp o l l u t a n tt o t a l 3 山东大学硕士学位论文 a m o u n tc o n t r o la n dd i s c h a r g el i c e n c et ot h i sa r e aa r eo f f e r e d , b u ta l s o t h e e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t i e so f t h em a i nl i n ea n di m p a c ta r e ao f s o u t hw a t e rt on o r t ha r e f o u n do u t i to f f e r ss c i e n t i f i cb a s i sf o rp r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fw a t e rp o l l u t i o na n d t h es u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o no f w a t e rl e s o u r c ei nt h i sb a s i n w o r d s ：t h ey i s h ur i v e rb a s i n ；r i v e r ；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 h em a x i m a l a l l o w e de m i s s i o na m o u n t f ：坐查盔兰堡主堂堡垒奎 水污染物排放总量控制是水环境管理的重要手段之一。随着可持续发展战略 的不断推进，总量控制制度由目标总量控制逐步过渡到容量总量控制阶段，而容 量总量控制实行的基础，除了核准水污染物负荷外，更重要的是搞清纳污水域的 环境容量。南水北调是我国“十五”十大重点工程之一，该工程实施的关键是治 污。影响南水北调东线工程山东段水质的汇水区可分为三个流域，其中包括沂沭 河水系。按照国家统一要求，南水北调山东段输水干线水质必须达到地表水环境 质量类标准。为了实现这一规划目标，就必须对汇水区内包括沂沭河水系在内 的所有河流实行环境容量总量控制。因此，开展山东省辖沂沭河水系地表水环境 容量研究，将为沂沭河水系水环境管理中全面推行水污染物容量总量控制提供重 要的基础数据，摸清了水环境的家底。本研究可作为“山东省地表水环境容量研 究”科技项目的一部分，并且将摸清南水北调东线工程山东段沂沭河水系输水干 线及影响区域的环境容量，为该水系水污染防治提供基础数据和排污总量削减方 案。由于沂沭河水系地处北方，本研究所建立的水环境容量计算程序与方法将对 北方干旱或半干旱地区水环境容量研究起到重要的指导、示范作用，为我省水 污染物总量控制打下坚实的基础。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 国外研究概况 环境容量最早是由e l 本学者西村肇和矢野雄辛于1 9 6 8 年提出“1 ，并用于e l 本的环境总量控制制度。作为水环境规划指导思想和水环境管理策略的总量控制 方法如今也更加完善和灵活为了满足水体的环境标准下充分利用其自净能力， 美国采用了季节总量控制方法，它是为适应水体不同季节不同用途对水质不同的 标准要求嘲同时，美国有些州还实行“变量总量控制”，即以河流实测的同化能 力来调整允许排放量，而不是采用固定排污限量，这更能充分利用水环境容量。1 国外研究水体环境容量的计算指标一般为溶解氧和b o d 。国外对水环境容量的研 究比我国要早的多。 1 2 2 国内研究概况 山东大学硕士学位论文 1 2 3 山东省研究状况 对于全省大范围的地表水环境容量研究，山东省继江苏省之后，走在了前列。 为了实行容量总量控制和排污许可证，山东省环保局于2 0 0 1 年曾委托山东大学 开展了“山东省环境容量及主要污染物排放总量控制研究”，研究成果于2 0 0 2 年 8 月通过专家鉴定嘲该课题对地表水环境容量进行了一定程度的研究，初步探 讨了山东省境内大中型河流、大型水库、湖泊的环境容量。由于地表水环境容量 的研究投入大，耗时长，以整个山东省地表水为研究对象尤其如此，研究成果的 科学性和可靠性还有待于进一步完善。鉴于此，有必要在前述研究成果的基础上， 对地表水环境容量进行深入、细致的研究，进一步提升该研究的科学价值和应用 价值，为我省水污染物总量控制打下坚实的基础。山东省科技厅2 0 0 3 年下达山 东大学环境科学与工程学院 山东省地表水环境容量研究嘲科技项目。同时， 山东省环保局2 0 0 3 年下达山东省环境保护科学研究设计院山东省地表水环境 容量及电子地图系统研究科技项目。 本课题在山东大学开展的“山东省环境容量及主要污染物排放总量控制研 究”及山东省环境保护科学研究设计院承担的“山东省地表水环境容量及电子地 图系统研究”等课题的背景下，选定山东省沂沭河水系地表水为研究对象，对地 表水环境进行深入细致的研究。 1 3 研究方法及技术路线 1 3 1 环境容量计算指标的确定 首先要进行水环境功能区水质评价，即对照该水环境功能区的水质标准，从 多项水质指标监测值中找出主要污染物即超标因子，从而确定水环境容量计算指 标和总量控制因子其次要进行污染源调查，通过污染源的调查与评价可以找出 主要污染物。最后考虑到国家以及省要求的总量控制因子为c o d 和n h 。- n ，本论文 中将环境容量计算指标确定为c o d 和n h 3 - n 。 1 3 2 环境容量数学模型的选择 环境容量主要有零维、一维和二维数学模型“”，论文对三种模型进行选择与 比较，最终确定适合沂沭河水系的环境容量数学模型为零维的。 1 3 3 模型参数设计值的确定 7 ihiri i卅 山东大学硕士学位论文 在水资源利用水域内，在给定的水质目标、设计水量和水质条件的情况下， 水体所能容纳污染物的最大数量，称作水环境容量。河流理想环境容量是在存在 水质背景浓度的前提下，河流水环境容量所能容纳的污染物最大负荷量【 将环境容量数学模型参数的设计值代入选定的环境容量数学模型中，即可得 沂沭河水系各河流各河段的理想环境容量。由此可得各功能区、各河流及全水系 的理想环境容量，并给出沂沭河水系理想环境容量的行政区分布“”一。 1 3 5 可利用环境容量的核定 饮用水源地一级保护区、集中式生活饮用水源地以及跨流域调水输水干线这 些功能区不允许有点源污染物输入，其理想环境容量不可利用。其它功能区以理 想环境容量扣除面源污染负荷“1 后，可作为可利用的环境管理容量简称环境容量 嘲。求出沂沭河水系各功能区的环境容量，进而汇总出各河流、全水系的环境容 量，以及全水系环境容量的行政区分布。 1 3 6 点源最大允许排污量的确定 环境容量是河流水体中的概念，在水环境管理上不直观、直接：最大允许排 污量是陆上点源排放概念，在水环境管理上直观、直接，因此容量总量控制的对 象通常将环境容量转化为陆上点源最大允许排污量啪1 。 污染物的环境容量除以功能区的污染物综合入河系数即可得到功能区的最 大允许排污量。而功能区污染物综合入河系数可由该功能区全部点源污染物入河 量与全部点源污染物排放量比值确定。 通过各功能区最大允许排污量公式汇总出各河流、全水系的最大允许排污 量，以及全水系最大允许排污量的行政区分布。 1 3 7 污染物削减量的确定 若功能区所属点源排放量大于最大允许排污量，则该功能区点源排放量必须 削减。将功能区点源排放量减去功能区最大允许排污量，即得功能区的污染物削 减量：汇总得沂沭河各河流以及全水系的污染物削减量。 河流环境容量研究技术路线框图见图卜1 。 9 -r。r_r 山东大学硕士学位论文 2 流域背景 2 1 自然地理 2 1 1 地理位置】 沂沭河水系属淮河流域，位于山东省东南部和江苏省北部( 东经1 1 7 0 2 4 1 1 9 0 3 07 ，北纬3 4 。2 2 3 6 0 2 3 ) 。沂沭河流域地跨山东、江苏两省，总面积 4 6 9 k i n 2 。该流域在我省辖区内的总面积i 7 万k d ，北与潍坊、淄博市接壤；西 连枣庄、济宁、泰安、莱芜市；东临日照市：南与江苏省毗邻。涉及我省淄博的 沂源县，临沂的兰山区、罗庄区、河东区、沂水县、沂南县、莒南县、郯城县、 临沭县、平邑县、费县、蒙阴县，日照的莒县共3 市的1 3 个区( 县) 。沂沭河水 系所套淄博、日照、临沂的面积分别为1 6 3 7 1 m 、2 1 4 0 1 m 2 、1 3 4 1 0 k m z ，共计1 7 1 8 7 k 2 。 沂河发源于沂源县的鲁山，经沂源，沂水、沂南、河东、兰山，从郯城吴道 口入江苏省邳州市的骆马湖，全长4 3 2 k m ，山东省境内长3 7 2 k m 。沭河发源于沂 水县沂山，经莒县、莒南、临沭，于临沭大官f 莉分成两支，南流的老沭河经郯城 入江苏省新沂河；东流的新沭河经临沭大兴桥入江苏省石梁河水库后继续东流至 临洪口入海，山东境内长2 6 5 k m 沂沭河水系图见图2 1 。 2 i 2 地质构造 本地区地质构造复杂。沂沭断裂带纵贯整个流域，实际上沂沭河就发育在 四条主干断裂带形成的东西两地堑上。 沂沭河流域东北面以沂蒙山脉为分水岭与向东北方向流的潍河、弥河和向西 流的泗水、大汶河、城河流域为邻；该流域西南是胶南断块隆起，五莲山主脉东 南面是由绣针河、付疃河、两城河等形成的东南沿海流域。 四条东北向主干断裂带纵贯整个流域，自东向西依次是昌邑大店断裂、安 丘莒县断裂、沂水汤头断裂、唐吾葛沟断裂。其中最东边的昌邑大店断 裂是该断裂带的主断裂，鲁西、鲁东以此为界。这四条断裂在地貌上造成“两堑 夹一垒”构造式。中央为地垒即汞丹山凸起；西侧称西地堑，为沂河流域；东侧 称东地堑，为沭河流域。 l o ，1 图2 1沂沭河水系图 鲻 捌 曩垂 萋 拣 蜊 圣 双 暖 彘 甥 篓薹| 蟋 垒 庭 i - t 一 袄 i富 一要 匝 瑟 蚓 趟 山东大学硕士学位论文 2 1 3 地貌类型蚓 流域内地貌类型多样，有山地、丘陵和平原，面积约各占l 3 。 地势由西北向东南方向倾斜，山地主要分布在西部、北部，海拔多在2 0 0 5 0 0 m ，为泰沂山南部。自北向南分列有鲁山山脉、沂山山脉、蒙山山脉、尼山山 脉，最高峰为蒙山龟蒙峰，海拔1 1 5 8 r a ，为山东省第二高峰。 丘陵主要分布在莒南、临沭，称沭东丘陵；沂河以西，沂水，沂南、费县、 苍山等县分布着呈波浪型、谷底宽浅的低缓丘陵。 平原主要是沂沭河冲积平原和山间沟谷平原。沂沭河冲积平原由沂沭河共同 冲积而成，随地势降低而扩展，在临沂附近汇成一片，称“临、沭、苍”平原。 2 1 4 气候n 1 沂沭河流域地处暖温带，属暖温带半湿润季风气候。四季分明，光照充足， 雨热同季，无霜期长，是我省降水最充沛的地区。年平均气温1 1 8 1 3 3 c ， 年平均降水量7 5 0 9 5 0 m m ，无霜期1 8 9 2 3 0 d ，9 0 以上面积降水量在8 0 0 m 以 上。沂沭河水系区年降水量均值为8 0 3 3 m m , 其中淄博、日照、临沂年降水量均 值分别为7 3 3 9 a 1 i n 、8 0 7 5 m r a 、8 1 4 4 n n n 。沂沭河水系除曰照市绝大部分地区、 临沂市中南部的局部地区多年平均年降水量在8 0 0 n u n 以上为湿润带外，其它地 区均为过渡带。 2 1 5 水文 ( 1 ) 水资源总量“” 全水系多年平均水资源总量( 扣除地表水和地下水重复计算部分) 为9 0 0 8 亿m 3 ，为全省水资源总量的2 5 5 ；人均占有水资源总量8 8 0m 3 ，为全省人均 4 7 3i n 3 的1 8 6 倍；平均每亩耕地占有6 2 9m 3 ，为全省亩均占有量的1 8 6 倍。 ( 2 ) 地表水资源旧 水系年降水总量为1 9 3 2 亿m ，多年平均径流量为4 51 6 4 7 万m 3 ，这在全省 各水系区中是最大的；其相应的多年平均径流深为2 6 2 8 r m n ，也是全省各水系区 中最大的。 ( 3 ) 地下水资源 ij】叫 山东大学硕士学位论文 2 2 社会经济 2 2 1 农业 本地区农作物以小麦、玉米、甘薯、水稻、花生、黄烟、棉花为主，另有谷 子、高梁、大豆及其它小杂粮。 种植业布局随海拔高度和自然环境条件不同而变化，山前平原以小麦、玉米、 水稻、蔬菜为主；丘陵以地瓜、花生、黄烟为主。 2 2 2 林牧渔业 森林资源少，林木覆盖率低，林木的蓄积量和生产量也低。林业已成为本地 区的一个薄弱环节。本地区的林特产品如郯城的银杏、平邑的金银花、费县的山 楂等全国闻名。发展林业是本地区改善生态环境、防止水土流失和脱贫致富的一 项重要措施。 草山、草坡、划滩等草地面积占全区土地总面积的3 3 ，粮食、秸秆等饲 料充足，发展畜牧业的条件和基础比较好。 2 2 3 工业 本地区工业以食品、纺织为主，还有机械、化工、建材、冶金等；造纸、皮 革、陶瓷等工业发展较快。全区8 0 以上的全民企业和县营企业集中分布在市 和县城住地。集体所有制小企业大多分布在乡镇政府住地。临沂市区是全区的工 业中心，除临沂市区外，沂水、郯城工业产值也较高。 2 3 地表水环境概况 按水域功能划分，沂沭河水系共有饮用水源一级保护区6 个，饮用水源二级 保护区7 个，工业用水区8 个，农业用水区5 个，景观用水区1 个，排污控制区 5 个，共计3 2 个水环境功能区。按执行水环境质量标准分类，沂沭河水系执行 i i 类水质标准的功能区6 个，执行类的7 个，执行类的8 个，执行v 类的6 个，暂不执行水质标准的5 个5 1 。 通过沂沭河水系2 0 0 2 年的常规监测数据进行水质评价，发现沂沭河水系 2 0 0 2 年有水质观测数据的河流水环境功能区2 9 个，超标1 9 个，超标率达6 5 5 1 3 山东大学硕士学位论文 ；有水质观测数据的湖泊与水库水环境功能区2 个，超标1 个，超标率为5 0 0 。河流中主要污染物是c o d 、b o d , 、高锰酸盐指数等有机耗氧物质，以及挥发 酚、石油类、n 心州等。尽管水系内部分功能区水质与2 0 0 1 年相比有所改善，但 地表水污染仍较严重。 造成地面水环境污染的主要因素一是沂沭河水系工业废水虽然实现了达标 排放，但是低层次的，且大多数企业设施运转率低、治理效果不明显，废水中大 量的污染物进入水体，造成河流水质的恶化。二是沂沭河水系城市发展较快，城 市生活污水排放量呈增加趋势，城市生活污水排放量已超过工业废水排放量，近 几年虽建成了一些城市污水处理厂，但城市管网不配套，城市生活污水处理率仍 较低。三是水系内河流大多数属季节性河流，近几年持续干旱，枯水期基本上无 水或断流，平水期径流量较小或形不成径流，对接纳的大量工业废水和生活污水 起不到稀释和净化作用；废水中的污染物在河床中沉积、渗透，同时造成了沿岸 地下水的污染：丰水期由于降水形成地表径流汇入河内，使河床中沉积的污染物 被冲至下游，易造成下游水体污染的加重或造成突发性污染。四是面源问题日趋 突出，流域化肥使用量逐年增加，而利用率只有3 5 左右，不合理使用化肥， 导致土壤板结、地力下降，加剧了水体的富营养化，农药、化肥、地膜的污染不 断加重。 3 河流环境容量研究方法 3 1 河流环境容量数学模型 3 1 1 基于环境容量定义的河流水环境容量数学模型 通常是指在水资源利用水域内，在给定的水质目标、设计水量和水质条件的 情况下，水体所能容纳污染物的最大数量，称作水环境容量。当考虑排污口位置 及排污方式时，也称作水体纳污能力“”。 如图3 1 所示，按照污染物降解机理，水环境容量( 聊可划分为稀释容量 ( w _ - ) 和自净容量( w 自净) 两部分嘲，即 雾= 辟l l - + 需奇净 ( 3 - 1 ) 稀释容量是指在给定水域的来水污染物浓度低于出水水质目标时，依靠稀释 1 4 山东大学硕士学位论文 作用达到水质且标所能承纳的污染物量。自净容量是指由于沉降、生化、吸附等 物理、化学和生物作用，给定水域达到水质目标所能自净的污染物量。 图3 - 1水环境容量概念示意图 设有一河段j ，如图3 2 所示。根据上述水环境容量定义，可以给出该河段 水环境容量计算公式： 孵辫= 包( 乙也)( 3 2 ) 历直矿五k g( 3 3 ) 即 彤= 仍( 乙喝j + 彤k o( 3 - 4 ) 考虑量纲时，上式整理成： w , = 8 6 4 0 ，( g 品0 十o 0 0 1 膨k o( 3 5 ) 其中 r g ，当上方河段水质目标要求低于本河段时； ( w 21 l g ，当上方河段水质目标要求高于或等于本河段时。 式中：历第f 河段水环境容量( k g d ) ： 识第j 河段设计流量( m s ) ； k 第j 河段设计水体体积( m 3 ) ； 厄第j 河段污染物降解系数( d - 1 ) ： 第j 河段所在功能区水质目标值( m g l ) ； 第j 河段上方河段所在河段所在功能区水质目标值( m g l ) 。 山东大学硕士学位论文 若所研究功能区被划分为刀个河段，则该功能区的水环境容量是刀个河 段水环境容量的迭加，即 。 忙形(3-6) i = 1 或 w - - - - 3 1 5 3 6z 翻( g 1 + o o 0 0 3 6 5 五k c ( 3 7 ) j 。l l ；l 其中 w u - - - - 3 1 5 3 6 a ( 厶训( 3 - 8 ) i = l w a a = 0 0 0 0 3 6 5 k , e c , j l l 式中：矿一功能区水环境容量( t a ) ； w _ - 一功能区稀释容量( t a ) ： w 自净一功能区自净容量( t a ) ； 其他符号意义和量纲同前。 矿 、， 专专 c oq vk c 。 图3 2 河段概化图 3 1 2 基于一维水质模型的河流水环境容量数学模型之一 对宽深比不大的河流，污染物质在较短的河段内，基本上能在断面内均匀混 合，污染物浓度在断面上横向变化不大，可用一维水质模型模拟污染物沿河流纵 t 6 山东大学硕士学位论文 向的迁移问题汹1 。 通常情况下，对同一个水功能区划相应的河段而言，污染物排放口不规则地 分布于河段的不同断面，河段过水断面的浓度将所有排污口产生的浓度进行叠加 得到，但考虑到此项工作的复杂性，可将排污口在河段内的分布加以概化，即认 为所有污染物排放口在同一河段内集中于河段上界。此概化对某一河段存在一偏 差，但比较简单、实用。 设某一河段长j 为，其水质目标为乙，设计流量为现，设计流速为嘶， 入流设计水质为g ，降解系数为 以又设纳污能力为彤，由于概化后的排污口位于河段上界，则排污口对河段上 晃浓度贡献值为，即 c | ，毒 g ( 3 - 1 0 ) 对河段下界浓度贡献值则为：- - 警- e x p ( - r 音) 入流水质g 对河段下界浓度贡献值为。e x p ( 彤告) 一两者之和应为g ， 即 其中 音e x p ( 瑙音) 十e x p ( 啦告) = r ( 3 _ 1 1 ) 则该河段纳污能力为 彤= 醌x p ( 彤专 ) 乇劬 考虑量纲时，上式也可写成 孵- - - - - - 8 6 4 ( q , c , e x p ( 盖) 一刖 ( 3 - 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) r 乙，当上方河段水质目标要求低于本河段时。 易= lg ，当上方河段水质目标要求高于或等于本河段时。 式中：孵第j 河段水体纳污能力或环境容量( k g d ) ； 铌第j 河段设计流量( m v s ) ； 巩第j 河段设计平均流速( m s ) ： 1 7 山东大学硕士学位论文 上广第j 河段长度( m ) ； 厨第j 河段污染物降解系数( d 1 ) ： 乙第j 河段所在功能区水质目标值( r a g l ) ： g 第j 河段上一河段水质目标值( m g l ) 。 若所研究功能区被划分为刀个河段，则该功能区的水环境容量啪“1 为： 胆3 1 5 3 6 喜( q 铀x p ( 丢) 一g n ) ( 3 小) 式中：萨一功能区水环境容量( t a ) 。 其他符号意义和量纲同前。 3 1 3 基于一维水质模型的河流水环境容量数学模型之二 同样，将排污1 ：3 在河段内的分布加以概化，即认为所有污染物排放1 ：3 在河段 内沿河均匀分布。此概化实际上体现了污染物分布的一种平均状况，对某一河段 也许存在一定偏差，但却综合反映了若干河段污染物排放的一种平均状态。据此 可推算一维河道的纳污能力。 如图3 - 3 所示，设某一河段长为，水质目标为g ，设计流量为a ，设计 流速为嘶，设计断面面积为a ，入流断面设计水质为厶，降解系数为彤。 图3 3 河段概化图 设纳污能力为矾，根据概化，单位河长纳污量应为既，建图示坐标系， 在河段内选一微段，长为d x ，坐标为x ，则此微段污染物输运至x = 厶处的剩余 质量为： 孵 幽= _ e x p ( - i f , 直匹) d x( 3 - 1 5 ) 山i 材l 山东大学硕士学位论文 单位时间，经过x = l ，所在断面的污染物总质量，应为上游，长河段内捧放 的各微段的质量降解至本断面剩余质量的迭加。 = = f d m 2 历彘 卜e x p ( 嘶音) 相应浓度为 g 2 彤盎， 1 一e x p ( 告) 根据纳污能力的定义： 彤q u t 正， 1 一e x p ( - k , 鲁) + e x p ( 瑙告) = 巳 z ：c , , - c a , e x p ( - k , l - - & 班- ) 皇竺 彬= ：l 一 1 _ e x p ( 嘶管) 嘶 由于形砒：灶 则上式变为： 肥兰二丝竖立! 皿圯肥坚一皿圯 1 一e x p ( _ 所j 止) 其中 ( 3 - 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) 。- 每碧圯 p ：， 1 一。5 p ( 一i 畿 r t n 当上方河段水质目标要求低于本河段时： o = lg ，当上方河段水质目标要求高于或等于本河段时。 式中：彤第j 河段水体纳污能力或环境容量( k g d ) ； 岛第j 河段设计流量( m 3 s ) ； 1 9 山东大学硕士学位论文 嘶第f 河段设计平均流速( m s ) ； 巧一第，河段设计水体体积( m 3 ) 广一第f 河段长度( m ) ； 彤第f 河段污染物降解系数( d _ 1 ) ； 厶第j 河段所在功能区水质目标值( m g l ) ； 岛第，河段上一河段水质目标值( m g l ) 。 若所研究功能区被划分为力个河段，则该功能区的水环境容量” w = 0 0 0 0 3 6 5 喜三竺e x d 离五k z 。， ，；l l l 一：土：一j 式中：俨一功能区水环境容量( t a ) o 其它符号意义和量纲同前。 3 1 4 三种数学模型的比较与选择 上述三种河流水环境容量数学模型分别为零维、一维的。对于宽阔( 即宽深 比足够大) 的河道，污染物自岸边排入水体后，需要在很长距离才能在断面上充 分混合，浓度在排放口附近断面沿横向变化很大，若用零维或一维方法来求解纳 污能力，就会使得计算出的纳污能力大大的超过实际纳污能力。此时，需要采用 二维水质模型来计算纳污能力。在最枯月或枯水期的设计条件下，沂沭河水系内 没有河流水体具有较大的宽深比，不必采用二维模型计算。鉴于此，沂沭河水系 全部河流均采用零维零维或一维模型计算环境容量。那么，究竟是采用零维的， 还是采用一维的；何种情况采用零维的，何种情形采用一维的? 这就提出了上述 三种数学模型的选择问题”1 。 假定某河段长5 0 0 0 m ，上方来水浓度f 为2 0 m g l ，所在功能区c o d 水质目标 值为4 0 m g l 。设计5 种不同的计算方案，而水文参数和水质降解系数均位于本 次环境容量研究的取值范围，5 种计算方案三种模型的环境容量计算结果见表 3 - 1 。由表可见：( 1 ) 同是基于一维水质模型，模型2 计算结果要高于模型3 的， 这是由于模型2 将河段内全部排污口概化为集中于河段上界，增加了污染物在河 山东大学硕士学位论文 道内的输运时间，从而增大了污染物的降解量；而模型3 将河段内全部排污口概 化为沿河均匀分布，相对而言减少了污染物的河道内的输运时间。( 2 ) 三种数学 模型计算结果相对误差较小；模型l ( 零维) 计算结果位于两种一维模型之间， 即模型1 至少比模型2 偏保守。鉴于模型2 将全部排污口概化为位于河段上界， 与实际情况相比显然存在一定偏差，即使环境容量计算结果偏大，而模型1 计算 结果比模型2 小这一事实客观上是对模型2 的修正，即对山东省最枯月或枯水期 的水文和水质设计条件下，模型l 似乎比模型2 更合理些。 表3 - 1三种模型环境容量计算结果的比较 计算流量q平均流速河段长lc o d 降解系水质目标值来水浓度环境容量w ( k g d ) 方案 ( f s )口 m s )( m )数k c ( d ) c s ( m g l )c o ( r a g l )模型t模型2模型3 方案一0 0 50 0 55 0 0 00 0 54 02 09 6 49 6 79 3 9 方案二 o 50 1 05 0 0 00 惦 4 0 2 09 4 4 09 4 5 g9 2 4 2 方案三lo 1 05 0 0 00 1 04 0 2 0 1 9 2 81 9 3 4 1 8 7 8 方案四 30 2 05 0 0 00 1 84 02 05 7 2 45 7 3 85 5 9 0 方案五5o 2 55 0 0 00 2 04 02 09 4 4 09 4 5 99 2 4 2 在枯水期沂沭河水系区内相当一部分河流，由于闸、坝的拦蓄使水体处于静 止或几乎静止状态，即河段内水体平均流速为0 或接近0 ，从而使需要平均流速 u 这个参数的水环境容量模型( 3 - 1 3 ) 的应用受到限制，而当平均流速扩- 0 时， 模型( 3 2 2 ) 简化为 形= 0 0 0 1 z 虻( 3 2 4 ) 显然此时该模型仅考虑了自净容量。事实上，许多河流由于较宽、较深，当平均 流速，趋于零时，河道中尚有一定的流量，这时若上下河段功能区的水质目标要 求发生降低时，应当有一定的稀释容量，即仅用式( 3 - 2 4 ) 计算自净容量是不够 的。综合所述，三种模型相比较，模型( 3 5 ) 更能适应沂沭河水系区地表水的 实际状况嘲，且计算结果能对模型( 3 - 1 3 ) 有一定的修正，本次河流环境容量计 算主要以该模型为主。 3 1 5 排污控制区纳污能力