（环境工程专业论文）南沙河流域水环境容量研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 水是生命性资源，是人类生存和国民经济发展不可缺少的重要自然资源，近 些年来，随着国内经济的飞速发展，水环境遭到了严重的破坏，水资源不足和水 污染严重已经成为制约社会经济发展的主要因素，造成水环境破坏的原因之一就 是对于水环境容量的不合理开发利用。如何合理开发利用现有的水环境容量，这 已经成为当今社会急需解决的问题。 南沙河属辽河水系，发源于千山风景区，横贯鞍山北部市区，承载着工业废 水及城市生活污水。近年来，随着工业生产的发展，城市人口的递增，工业废水 和生活污水排放量日趋增多，大量未经处理的污水直接排入南沙河，悬浮物、c o d 等污染物严重超标，河道水质发生恶化，臭味较浓，呈黑色浑浊状态，河中生物 基本绝迹，水环境极度境恶化。 本文对南沙河0 9 年水质现状以及1 9 9 6 2 0 0 9 年历年水质变化进行了详细的调 查分析，南沙河流域现状水质为劣v 类，达不到功能区要求，主要的污染类型是 好氧型和营养盐型污染，其中主要的污染物是氨氮和化学需氧类。1 9 9 6 2 0 0 9 年南 沙河监测断面水质均为劣v 类，都没有达到水环境功能区要求，平水期和枯水期 是污染物超标的主要时段。 本文对南沙河污染源也进行了调查分析，确定点源污染是造成南沙河污染的 主要原因，而就点源而言城镇生活污染的贡献率最大，其c o d 和氨氮的排放量分 别占总量的7 9 7 5 和9 6 0 3 ：工业污染源的c o d 和氨氮的排放量分别占到总量 的1 3 8 和1 6 6 。 本文对比了零维、一维、二维水质模型的使用范围，根据模型选取原则和南 沙河实际情况，选用一维稳态水质模型来计算南沙河流域c o d 和氨氮的水环境容 量；根据水文站的实测流量，建立流量与其他水文参数的关系；根据不同水质下 污染物的降解范围确定c o d 和氨氮的降解系数；以河段的水环境功能区划要求来 确定河流各河段水质目标值；选择南沙河流域历年最枯月9 0 保证率为设计流量； 以计算断面功能区划要求的污染物浓度与背景浓度差值作为约束浓度，进行规划 沈阳理工大学硕士学位论文 求解，得出结果c o d 容量为：2 6 3 4 2 0 t a ，氨氮容量为：1 3 4 9 7 t a 。，在此计算结果 的基础上选取容量利用率，人口，耕地，g d p 以及现状负荷作为总量分配评价指 标，采用专家打分法确定权重系数，以环境容量利用率和总量分配合理性指数最 大为原则，兼顾效率和公平，对所计算的水环境容量进行分配，提出合理的分配 方案。 关键词：南沙河；水环境容量；一维稳态模型；总量分配 a b s t r a c t w a t a i st h e 、r i t a lr e s o u r c e ，w h i c hi s t h ei m p o r t 肌ta n di n d i s p e n s a b l en a t 嗽l r e s o u r c e 研h u m a ns u i v a la 1 1 de c o n o m i cd e v e l o p m c n t h l r e c e n ty c a r s ，t h ew a t e r 州r o n m e n th a sb e e ns e v e r e l yd 锄a g e dw i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h ed o m e s t i c e c o n o m y w a t c rs h o r t a g ea n dp 0 1 1 u t i o nh a sb e c o m e am 旬o rc o n s t r a i n i n gf a c t o ro fs o c i a l a n de c o n o ：m i cd e v e l o p m e n t 0 n eo ft h er e a s o n sf o rm ed 锄a g eo f w a t e re n v i r o m e n t a l i su 1 1 r e a s o n a b l ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no f i t sc 印a c i t y h o wt od e v e l o pa n du t i l i z e l ee x i s t i i 】gc 印a c i t yo ft h ew a t e re n v i r o 姗e n t ，w h i c hi sb e c o m ea nu r g e n tp r o b l c m m 锄a y f ss o ( ：i e t y n a l l s h ar i v e ri sb e l o n gt ol i a o h er i v e rm a to r i 西n a t e si nq i a l l s h 锄s c e n i c 心e a a 1 1 dc r o s sm en o r t ho fa n s h a l l n a n s h ar i v e rc a r r i e st h ei n d u s t r i a lw a s t e w a t e ra n d m u n i c i p a ls e w a g eo ft h ec i t y i nr e c e n ty e a r s ，i n d u s t r i a l w a s t e w a t e ra i l dd o m e s t i c s e w a g eh a v ei n c r e a s e dw i mt h ed e v e l o p m e n t o fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n d 谢b a n p o p u l a t i o ni n c r e a s 岵l a r g e 锄o u n t so fu n t r e a t e ds c w a g ed i r e c t l yd i s c h a r g e d i n t o n a n s h ar i v e r ，s om a tm es u s p e n d e ds o l i d s ，c o da i l do t h e rp o l l u t a n t se x c e e d e da i l dt h e f i v e rq u a l i t yd e t e r i o r a t e d ，m es m e l lt h i c k ，p r e s e n t i n gb l a c kt u r b i ds t a t e ，m e b a s i c b i o l o 百c a ld i s a p p e a r e da 1 1 dw a t e re n v i r o 衄e n t a ld e t 耐o r a t e de x t r e n l e l y i n 曲l i sp a p e r ，i tc o r l d l j c t sad e t a i l e da n a l y s i so ft h ei n v e s t i g a t i o nf o rt h ew a t e r q u 2 l l i t ys t ；灿sa n d19 9 6 2 0 0 9c a l e n d a ry e a rt h ew a t e rq u a l i t yc h a n g eo f m en a i l s h a h e r i v e r ，t h en a l l s h ar i v e rb a s i nw a t e rq u a l i t yi no fp r e s e n ts i t i l a t i o ni sb a d vc l a s s ，c a l l n o tr e a c ht h ef i m c t i o nr e q u i 砌n e n t s ，m em a i np o l l u t i o nt y p ei sg o o do x y g e nt y p ea 1 1 d m 埘e n t 】) o l l l n i o nt y p e ，t h em 旬o rp o l l u t 觚t s a r e 脚吼o n i an i t r o g e na n do x y g e nt o c i 圮m i c a lc l a _ s s d u f i n g19 9 6 2 0 0 9t h en a n s h ar i v e rw a t e rq u a l i t yi nt h em o n i t o r i n g s t i o nw 瑟b a dvc l 鹪s a l lo ft h 锄d i dn o tr e a c ht h ew a t c re n 讥r o 眦e n t 如n c t i o n 嘲u i f 锨嗽s n e 蹦l u t 咖sd i s c h a r g e de x c e e dm es t 删s m a i n l yf o c u s e di nt h c p 耐o d so f l - o 吼a ln o w 锄d 1 0 wn o w i l it h i sp 印e f ，i ta l s oc o n d u c t saa 1 1 a l y s i so f t h ei n v e s t i g a t i o nf o rp 0 1 l u t i o ns o u r c e s o fm en a n s h a h er i v 锐，d e t e n n i n em en a n s h a h e 础v e r p o l l u t i o nc a u s e db yt h em a i n 吼啪l sp 0 i n ts o u r c e ，j u s tf o rp o i n ts o u r c e ， u r b a l ll i f et h ec o n t 抽u t i o no f p o l l u t i o ni s t 1 1 el a f g e s t ，c o da 1 1 d 锄 1 n 1 0 n i an i t r o g e na c c o u n t e df o r7 9 7 5 o ft h et o t a l 锄i s s i o n s a n d9 6 0 3 ；h l d u s t r i a lp o l l u t i o ns o u r c e so fc o da n d 锄m o n i a f l i t r o g e na c c o u n t c df o r 1 3 8 o f t l l et o t a le i 血s s i o n s 觚d1 6 6 i t it 圭l i sp 印e r ，c o n l p 积s o nt ou s a b l er 锄g eo f z e r od i m e n s i o n ，o n ed i m e n s i o n a la n d 2dw 习i 衙删毋m o d e l ，a c c o r d i n gt om o d e ls e l e c t i o n p r i n c i p l ea n dt h ea c t l l a ls i t u a t i o n o fn 锄s h a l l er i v e r ，i ts h o u l dc h o o s e1 d i m e n s i o ns t e a d ys t a t ew a t e rq u a l i t ym o d e lt o c a l 刚a t ew a t e re l l v i r 0 i m 悯1 t a l c a p a c i t yi n t h en a n s h a h er i v e r f o rc o da 1 1 d a t i l i 】呦u a 。n i 仃o g e n ；a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dh y d r o l o g i c a ls t a t i o nf l o w ，e s t a b l i s hf l o w a n do m e r h y d r 0 1 0 9 yo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep 啪e t e r s ； a c c o r d i n gt 0d i 虢r e i l t w a t 口c o n d i t i o n sm ed e 黟a d a t i o no f p o l l u t a i l t sr a n g e ， i e t e n i l i n ec o d 姐da m m o n i a n i 拍窘d e 黟a d a t i o nc o e 街c i e n t ；r i v e rw a t e re n v i r o 蛳e n ti nt h e 缸l c t i o 蹦z o n i n g r c q l m 啪e n t st od 酏e n n i n ee a c hr i v e rs e c t i o nw a t e rq u a l i t yt a r g e t ；9 0 o ft l l el o w e s t n o wo 、懈。t h e y e a r sw a sc h o s e na sd e s 西nf l o w ；w i t hs e c t i o nf h n c t i o nd i v i s i o no f p o l l u 舡m tc o n c e i l t r a r t i o na n dm eb a c k g r o u n dr e q u i r e dc o n c e n t r a t i o nm ed i f | 衙e n c ea s c o 璐劬咖c o n c e i 】垭越o n ，f o rp r o 铲a n m i n gs o l v e r ，t oo b t a inm er e s u l t ：c o dc a p a c i t y 蠡w 2 6 3 4 2 0 t a ，a m m o n i an i 仃d g e nc 印a c i t yf o r ：l3 4 9 7 t a o nt h eb a s i so fc a l c u l a t i o n r e s u l 趣c h o o s i n gc 印a c i t ym i l i z a t i o nr a t e ，p o p u l a t i o n ，c u l t i v a t e dl a i l d ，g d pa i l ds t a t l l s q u o1 0 a d 胬e v a l u a t i o ni n d e x e so ft o t a l 锄o u n ta 1 1 0 c a t i o n ，u s i n ge x p e n ss c o 咖gm e t h o d t o 如妇m i n em ew e i g h tc o e 施c i e n t ，w i t hm e p r i n c i p l e ) ft h e 如r m e s t 铋v i r o n m 锄t a l c a p a c i 哆u t i l i z a t i o n 姐dt o t a l 锄o u n ta l l o c 撕o nr a t i o n a l i t yi n d e x ，西v i 甥c 0 粥i d 酬i o nt o e 硒c i 伽c ya n df a i m e s s ，i td i s 砸b u t e dw a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y a i l dp mf 0 御a r d r 瑚l i a ：b 1 9a l l 0 x 池o np l a n k e 啊r d s ：t h en a 潞h ar i v 盯；w 甜c re n 讥r o n m t a lc a p a c i t y ；ads 玺翎d y s t a t em o d e l ； t o 乇a l 锄o u n ta l l o c a t i o n 第1 章绪论 1 1 选题的背景及意义 水是生命之源，是人类生存和社会经济发展不可缺少的重要的自然资源。许 多国家，对水资源的需求已经超过水资源所能负担的程度。中国是人均水资源占 有量低且；水资源分布不均的国家，我国淡水资源总量为2 8 0 0 0 1 0 8 m 3 ，占全球水资 源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2 2 0 0m 3 ， 仅为世界平均水平的3 0 左右，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一；就空 间分布来说，松辽河、淮河、黄河、海河以及内陆河5 个北方河流流域面积占全 国国土面积6 4 以上，但是水资源占有量只有全国总量的1 9 ，人均占有量仅仅 是南方地区的1 3 。这些都是导致国内水环境问题的主要因素i 。从时间分布来看， 水资源分布也极不均匀，中国大部分地区冬、春少雨，夏、秋雨量充沛，降水量 大都集中在5 9 月，占全年雨量的7 0 以上，且多暴雨怛】。 近几十年来，随着我国社会经济跨越式的发展，水污染问题日益突出。地域 性、大范围的环境污染事件也日益增多，不断恶化的水环境污染已经成为阻碍社 会经济可持续发展的重要因素。根据调查【3 1 ，0 6 年在全国实际监测的7 4 5 个地表 水监测断面中i i i i 类，类、v 类，和劣v 类水质的断面所占比例分别为4 0 、 3 2 和2 8 ，国家监测控制的七大水系1 9 7 条河流中的4 0 8 个监测断面，i i i i 类， 类、v 类，和劣v 类水质所占比例分别为4 6 、2 8 和2 6 ，其中，淮河、松 花江、黄河为中度污染，海河和辽河属于重度污染【4 】。 我国对于水污染治理工作从上世纪7 0 年代初便已经开始，特别是第二次全国 环保会议以后，把水环境保护做为一项基本国策以来，通过相关部门的大力合作， 在环境治理方面已经有了长足的进度【5 j 。但是，由于没有建立水污染物排放量和水 体水质之间的对应关系，也没有解决水污染物排放量的分配问题，污染物总量削 减与环境基准环境质量和水生态功能保护相脱节，这必然不能适应当前和未来水 环境管理发展的需求。因此，迫切需要完善我国的水环境管理模式，严格控制进 沈阳理工大学硕士学位论文 - _ _ _ _ _ - _ - _ - - _ - _ _ _ _ - - _ l - _ 一- - - - _ _ 一 入各类水域的污染物排放总量，实行流域水质目标管理，进行污染物总量控制， 以适应我国社会经济发展和水环境保护的需要。而容量总量可以将水环境容量与 水环境质量紧密结合，充分利用容量资源，也可以为污染治理提出更为科学、合 理的阶段性控制目标。随着水环境保护工作的不断深入，我国的水污染总量控制 类型将逐步从目标总量控制转变为容量总量控制。 水环境容量作为一种资源有其自身的特点，主要表现在：有用性、分布不均 匀性、共享性、可更新性、稀缺性【6 】、对工业生产的指导性【7 1 。在实践过程中，环 境容量做为环境目标管理的基本依据，是环境规划的主要约束条件，并且也为污 染物总量控制提供关键技术支持。深入研究环境容量，不仅可以揭示自然环境的 内在属性，而且对于制定污染物的环境控制质量标准、工农业合理布局以及环境 规划和环境质量影响评价等均具有相当重要的意义。特别是在污染物排放总量控 制的大背景下，作为水环境污染总量控制的理论基础和环境容量最重要的组成部 分，水环境容量的研究己成为人们关注的焦点和热点问题【8 9 1 。 南沙河属辽河水系，发源于千山风景区仙人台，横贯鞍山北部市区，承载着 工业废水及城市生活污水。每年约有8 0 0 0 x 1 0 4 t 城市污水未经处理直接排放，废水 中悬浮物、c o d 等污染物严重超标，河道水质发生恶化，臭味较浓，呈黑色浑浊 状态，河中生物基本绝迹。近年来，随着工业生产的发展，城市人口的递增，工 业废水和生活污水排放量日趋增多。大量未经处理的污水直接排入南沙河，造成 了河流水质污染，地表水环境恶化。南沙河是典型的北方城市河段，具有一定的 代表性，研究南沙河水环境容量，既可为该区域水污染物总量控制提供依据，又 可以对其他区域提供借鉴。根据以上分析，水环境容量理论研究、水质模拟和计 算模型的研究不仅具有科学意义，同时也具有重要的现实意义。 1 2 研究进展 1 2 1 水环境容量研究进展 1 2 1 1 水环境容量的基本概念 环境容量反映了污染物在环境中的积累和迁移转化规律，也反映在特定功能 条件下环境对污染物的容纳能力。根据物理意义不同水环境容量分为自净容量和 2 第一苹绪论 一一 稀释容量，按照环境目标的不同又可以将其分为自然环境容量和管理环境容量 【l 们。水环境容量的概念比较复杂，国内关于水环境容量的概念还未能达成一致， 主要观点有以下几种：水环境容量是指在一定的水质目标下，水体环境对排放 于其中的污染物质所具有的容纳能力。水环境容量是指在保证水环境功能的前 提下，受纳水体能够承受的最大污染物排放量，或者在给定水质目标和水文设计 条件下，水域的最大允许纳污量【1 1 1 2 】。在特定环境目标条件下，某一水域能容纳 外来的某种( 类) 污染物的最大允许负荷量，也可以表述为在保证某一水域水体水质 标准达标的同时，在单位时间内允许某类污染物连续均匀排放的最大负荷量 1 引。 环境容：量是指不危害环境的最大允许纳污能力 1 4 ，15 1 。虽然关于水环境容量的概 念说法不同，但是无论哪种说法都是基于环境目标、水体本身的特性以及排入水 体的污染物的特性这三个要素展开的。 1 2 1 2 国外研究现状 国外关于水环境容量的研究，多以水质管理和水环境承载力的方式来表示， 但相关理论和方法与我们提出的水环境容量基本相同。最初的环境容量的概念是 在1 9 6 8 年由日本学者提出的，最初环境保护措施是指浓度控制，但是随着经济飞 速的发展，即便控制污染物达标排放，污染物总量却在不断的增加，这仍然致使 水环境持续恶化。2 0 世纪六十年代末，日本为了改善大气和水环境质量的状况， 提出了允许污染物排放总量的限度问题，并在1 9 7 5 年环境容量计量化调查研究 报告中应用，随后逐渐成为污染物总量控制的理论基础。在此之后日本学者西村 肇【l6 】于1 9 7 7 年提出了环境容量的定义，他认为环境容量就是污染物允许排放的总 量与环境中存在的污染物浓度之间的比值，直到2 0 世纪7 0 年代日本学者矢野熊 幸提出更为合理的定义，即认为环境容量是指按照环境质量标准确定的范围内， 环境所能：接纳污染物的总量【”】。欧美发达国家一直很少使用环境容量的概念，而 是多采用同化容量【1 8 】、最大允许纳污量 1 9 】、水体容许排污水平例等来表达环境容 量的含义。国外对于环境容量的研究大致经历了如下的过程： ( 1 、j 最初认为环境容量是污染物最大允许排放的总量与环境中存在的污染物 浓度的比值，这一概念来源于电工学中的电容量。 ( 2 ) 第二种环境容量的概念认为自然环境的自净能力就是环境容量，即环境 容量( 自净能力) 是污染物最大允许排放量与该类污染物在环境中的自然降解速 沈阳理工大学硕士学位论文 一- - _ _ _ _ - - _ - - i - _ - 一_ _ _ 一 率的比值； 这两种环境容量的概念都仅阐述了自然环境对于污染物所具有的容量，并没 有考虑到人类的活动以及自然的功能对于容量的影响。 ( 3 ) 第三种环境容量的的概念开始考虑人为的因素，认为环境容量是指在一 定的环境标准下，自然环境所能接纳的最大污染物的负荷量，这种理论相对比较 符合现代环境容量的概念。 国外通常采用系统理论和随机理论进行允许排污量的计算研究，l i e b m a n 【2 2 1 、 e c k e 产1 1 、l 0 w k s 【2 3 1 建立以流量等参数作为确定性变量的模型对污染负荷进行研究。 1 9 8 3 年1 2 月8 日，美国正式立法实施以水质限制为基础的排污控制路线，随后世 界各国陆续仿照美国调整了排污控制路线【2 4 】。 1 2 1 3 国内研究现状 我国的水环境容量研究开始于2 0 世7 0 年代末期，至今已经在水环境容量的 理论研究方法及应用等方面取得了较大发展，在此期间大致经历以下几个阶段： 首先是概念的提出：2 0 世纪8 0 年代初期，我国环境工作者探讨了水污染自净规 律、水质模型、水质排放标准规定的数学方法，从不同的角度提出和应用水环境 容量概念。接下来是在“六五”期间的理论探索：早期主要采用简单的稳态、准动态 模型在小流域进行耗氧有机物的研究【2 引，在中后期，做为“六五”科技攻关课题， 环境容量的研究迅速发展，数学模型扩展到包括d o 、n 转化的各类模型，算法也 发生改变，加入数值解等，深入、系统的探讨了污染物在水中的化学、物理行为。 同时根据实际情况改进了湖泊、河流水质模型f l o 】。“六五”期间的工作，为水环境 容量的应用奠定了良好的理论基础。 “七五”期间的具体实施：在“七五”期间开展的工作组建了我国水污染物总量控 制的初步框架，与“六五”期间相比，模型结合了人工调控过程，从单纯的用以描述 自然过程的物理模型，发展为“水质一规划一管理模型体系”的综合模型。同时开发 了潮汐河网地区多组分水质模型、多目标综合评价水质模型、富营养化生态模型、 大规模系统优化模型和非点源模型等等( 2 6 2 8 】；研究内容也有所发展，从一般的重 金属和耗氧有机物扩展到油污染和氮、磷负荷；研究范围也从单一河段或者单条 河流发展到湖泊、河网河流及河口海湾，甚至是像长江这样的大水系层面；提出 第一章绪论 一一 了容量总量控制、目标总量控制、行业总量控制的概念【2 9 1 。 到了“八五，期间，在全国3 0 多个水域，以总量控制规划为基础，进行了排污 许可证发放和水环境保护功能区的划分实践。水污染物总量控制的理论基础己与 排放标准和地面水环境质量标准相联系，全面推行水域分类管理污染源分级控制 策略。 “九五”期间国家重点攻关项目没有容量研究项目。“十五”期间的水环境容量与 总量控制技术研究的重点是应用研究，以为管理服务为目标，规范化、标准化为 主要以及“十一五”期间“国家水体污染控制与治理科技重大专项l 流域水生态功 能分区与质量目标管理技术项目开展了以实现从目标总量控制向容量总量控制转 变为目标，总量控制理论与技术方法进一步规范和完善，构建流域水污染物总量 控制指标体系，形成与现行水污染物排放标准和地表水质量标准相适应的统一的 水环境容量核定方法，起草流域容量总量分配技术，建立水污染物总量监控和管 理体系。 我国在水环境容量研究方面虽然起步较晚，但却发展很快，通过一系列的研 究取得了大量成果，这些成果在为水环境治理与保护等提供技术支持的同时还丰 富和完善了水环境容量理论及研究方法。 1 2 2 总量分配研究进展 1 2 2 1 总量分配基本概念 水污染物总量控制又称污染物负荷总量控制或者排放总量控制，是二十世纪 7 0 年代初发展起来的一种水环境管理方法，是指在一定的区域之内，根据该区域 实际的情况，并且充分考虑其经济发展的水平，仔细调查分析该区域的水资源现 状，科学合理的提出该区域水环境保护目标；核算出该流域按此环境目标下各类 污染物的年最大允许排放量；然后具体分析某一排污单位治污能力的经济、技术 的可行性：，并且比较优化方案，最终将总量指标分别加以分解，以排污许可证的 形式分配到各排污单位，作为其法定的排污指标【3 0 1 。其主要的内容是研究区域内 污染物产生、排放、治理的规律和保护资金的需求与社会、经济发展的协调关系， 从而在客观上定量的把握社会、经济发展对水环境造成的影响，提出保护策略， 沈阳理工大学硕士学位论文 - 一- 一 促进水资源可持续利用与社会经济、环境的协调发展 3 1 3 5 1 。所有排污口达标浓度 乘以捧水量所得排污总量之和，同样也是区域排污总量，但真正意义上的总量控 制并不是这样的，负荷分配才是真正意义上的总量控制。根据排污地点、方式和 数量，进行环境容量资源在各控制区域内的不均等分配；根据污染源排污总量削 减的技术、优先顺序和经济可行性，不均等地分配经济、技术投入。通过环境容 量资源在流域范围内不均等地分配，以及技术、经济投入在区域范围内的不均等 地分配，实现以最小投资完成最大程度的总量负荷削减，或以最小投资实现环境 目标，最终将实施方案和控制措施落实到源，体现为总量控制负荷指标分配到源， 并不是单纯的排污量相加【3 0 1 。通过水环境污染物排放总量控制，可以克服多年 来我国一直实行的水污染物浓度控制遗留的弊端，从而确保水环境质量得到逐步 改善和提高。 1 2 2 2 国外研究 最早的排污许可证制度是由美国于1 9 7 2 年实行的，并且后来在技术路线和方 法上不断得到改进和发展【3 2 】。1 9 7 2 1 9 7 6 年是美国实施第一轮许可证制度的阶段， 同时制定了实施污染物总量分配的技术指南【4 1 4 2 1 。这些技术指南都是以水质模型 为基础建立的总量分配，采用以判断为依据的方法，即最佳专业判断方法( b p j ) 。 这种方法是在充分收集工业行业可利用的数据和资料之后，经过高质量技术分析 做出的判断。当时，在美国使用的污染源消减的方法中，这种方法所占比例高达 7 5 ，它得到美国水法的承认，在历史上做出了贡献。美国同时还采用以技术为依 据方法，即针对工业行业及其子行业颁发排放限值准则( e l g s ) 的方法。这种方 法在以后得到了大力的推广，相继颁布了各行业的排放限值准则，逐步代替了以 判断为依据方法的作用。目前，以技术为依据的方法已成为美国实施排污许可证 制度的主要方法，以判断为依据的方法只在某些特定的污染物或某些工业行业尚 未有捧放限值准则的情况下采用 4 3 q 7 1 。美国于1 9 8 3 年1 2 月正式立法，实施以水 质限制为基点的排放总量控制。水体的自净能力是随着温度而变化的，为了在满 足水体的环境标准的条件下充分利用其自净能力，美国采用了季节总量控制的方 法，允许根据水质情况的不同在不同季节调节水污染物排放量，这是为适应水体 不同季节不同用途对水质的标准要求【4 8 】。在美国的某些州同时还实行一种“变量总 第一章绪论 一一 量控制”，以河流实测的同化能力来变更允许排污量，这种方法将水环境容量利用 的更加充分。为更有效地分配已经确定的污染负荷总量，美国有些州还实行污染 负荷在污染源之间进行对换的制度，其中包括“点源对换法”和“点源一非点源兑换 法”。美国从采取水染物排放的总量控制制度至今，水环境污染控制已经取得了 显著成效。为控制大气和水环境质量下降的状况，日本在2 0 世纪6 0 年代末提 出了污染物排放总量控制问题。在1 9 7 3 年制定的赖户内海环境保护临时措施法 中，首次引用了总量控制的概念。日本环境厅于1 9 7 7 年提出了“水质污染总量控 制”方法，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，日本在东京湾和伊始湾两个水域正 式实施污染物总量控制，并严禁无证排放污染物。通过采取上述方法，日本的这 两个海湾8 0 以上的污染大户受到控制，水环境状况得以改掣5 0 1 。 欧盟各国通过采用水污染物总量控制的管理方法，使排入莱茵河的生活污水 和工业废：水得到的处理率达到6 0 以上，莱茵河水质有了明显好转。其他国家如 韩国、瑞典、罗马尼亚、波兰、前苏联等也都相继实行了以污染物总量控制为核 心的水环：境管理方法，取得了一定的效果。 1 2 2 3 国内研究 我国在第三次环保会议上首次提出了水污染物总量控制的概念，概念是由日 本闭合水域总量规划演变而来，总量控制技术则是来自于美国水质规划【5 1 1 。参考 美国的水质规划标准，我国于2 0 世纪7 0 年代末，以制定第一松花江c o d 总量控 制标准为先导，进行了探索和实践。接着在“六五”期间( 1 9 8 1 1 9 8 5 年) ，国内专 家以沱江为研究对象，完成了溶解氧模型的改进，进行了关于水环境容量和污染 负荷总量分配的研究。1 9 8 5 年上海市开始在黄浦江上游的水资源保护地区试行了 以总量控制为目的的排污许可证制度。其后陆续在，华东、华南等一批城市推广 这项管理办法，并取得了显著的成果。 “七五”和“八五”期间，在国内多个水域进行了关于水环境容量的研究，并把 研究的成果落实到污染物总量控制上，相继在长江、淮河、黄河的一些河段和白 洋淀、泉州湾、胶州湾等水域，进行了以总量控制规划为基础的水环境功能区划 和排污许可证发放的研究。1 9 8 8 年，国家环保局制定了以总量控制为核心的开 放排放许可证试点工作通知和水污染排放许可证管理暂行办法这标志着我 沈阳理工大学硕士学位论文 国水环境管理已经进入到总量控制的阶段【5 2 】。2 0 世纪9 0 年代，国家环保总局编 制的跨世纪绿色工程计划及污染物总量控制总体方案表明我国的水质规 划与总量控制研究工作逐步进入了有效实施阶段【5 3 】。 “九五”期间，国务院正式批复了淮河流域水污染防治规划和“九五”计划 5 4 】， 这标志着我国水质规划和污染物总量控制进入了一个崭新的阶段，同时也为我国 总量控制与水质规划提出了更加艰巨的任务。 “十五”期间明确提出了消减全国主要污染物总量1 0 的目标，同时继续实施 “三河三湖”水污染防治的叫一五”计划，第一次把污染物总量排放控制指标纳入国民 经济和社会发展的计划中，国务院于2 0 0 0 年颁布的：水污染防治法实施细则中 多项条款作出了对总量控制的细节和可操作性的规定。确保了水污染物总量控制 制度在我国科学、严格、顺利的实施。 2 0 0 2 年国家环保总局要求面积在1 0 0 0k m 2 以上的流域必须实施水环境区域的 划分，这更加充分体现了我国对于水污染物排放总量控制的重视。根据各地区的 地理特点、规划布局、经济发展、环境状况等各种因素的不同，实行的污染物总 量控制的形式和方法，分别采取了不同的方式。其中有区域总量控制、有水系总 量控制、有行业总量控制、也有特定污染物的总量控制。这些探索和试点经验， 为全国开展这方面的工作提供了宝贵的经验。 1 2 3 河流水质模型研究进展 1 2 3 1 河流水质模型概念 河流水质模型就是利用数学方法来模拟污染物进入自然水域以后所发生的扩 散、迁移、转化的规律。 1 2 3 2 水质模型的发展 水质模型最早是由两位美国工程师于1 9 2 5 年研究河流污染源及其对生活污水 造成的影响中建立的。在此之后水质模型的发展可以概括为四个阶段：【5 5 ，5 6 】 第一阶段：2 0 世纪2 0 年代中期至7 0 年代初期这一阶段主要集中于氧平衡的 研究，属于一维稳态模型，其代表有：1 9 2 5 年是s 骶e t e r 和p h e l p s 提出的第一个 水质模型，即河流s p 楔型；美国环保局( u s ep ：a ) 推出的q u a l - i ，q u a l i i r 第一章绪论 模型。由二于该阶段中考虑的水质项目不多，因此可称为一维稳态模型发展的初级 阶段。 第二阶段：2 0 世纪7 0 年代初期到8 0 年代中期在此阶段模型迅速发展，出现 了以多维模拟、多介质模拟、形态模拟、动态模拟等为特征的多种模型。其代表 有：湖泊j 贰库一维动态模型l a k e c o 、w r m m s 、d y r e s m ，以及湖泊水库三维 的b o d d 0 模型；河流水质模型中能进行一维、二维、三维动态水质模拟的w a s p 也在此阶段产生。同时，该阶段水质评价准则与标准的制定也推动了形态模型的 研究与发展。如2 0 世纪8 0 年代初，f o r s t n e r 和l a 州e n c e 分别进行了重金属、有 机物的形态模型研究，1 9 7 9 年m a c k a y 首次提出多介质模拟逸度算法，这使形态 模型的发展成为了这一阶段的重要标志。 第三阶段：2 0 世纪8 0 年代中期至今在该阶段正式提出了多介质模型，其代表 有多介质箱式模型、植物根区模型、水生食物链累积模型、逸度模型。本时期的 最大特点就是在原有的基础上进行适应性改进，从而产生了新的模型。如河流代 表模型稳态q u a l 模型发展成为q u a l 2 e ( 1 9 8 5 ) 、q u a l 2 k ( 2 0 0 2 ) ；动态w a s p 模型也得到进一步的更新，先后形成w a s p ( 1 9 8 8 ) 、w a s p 5 ( 1 9 9 3 ) 、w a s p 6 ( 2 0 0 1 ) ， 从而发展为可适用于河流、水库、河口、海岸的通用模拟框架。湖泊代表模型有 一维动态模型c e q u a l r l 、二维动态模型c e q u a l w 2 等。形态模型的代表 为美国环保局阿森斯实验室开发的地球化学热力学平衡模型m i n t e q a l ( 1 9 8 7 ) 和m i n t e q a 2 ( 1 9 9 0 ) ，此模型主要用于计算天然水体重金属分布形态。同时， 随机数学模型、模糊数学、人工神经网络、3 s 技术等多种新技术方法也相继被引 入了水质模型的研究，极大丰富了水质模型的方法体系。 第四阶段为1 9 7 5 年以后，研究的空间尺度已经发展到三维空间。 现实中的水环境问题都是三维空问问题，但是根据流域的实际情况，可以将 某些计算简化为二维、一维甚至是零维。对于一般的简单的小流域研究一般采用 一维模型，对于重点保护的水环境功能区、断面横向水质变化显著的地区可采用 二维模型。 除了河流水质模型，经过几十年发展，开发出了众多的河口水质模型，对于 该水域的污染物浓度场的模拟也日趋成熟，己经出现不少用于河口及海岸地区的 商业模拟软件。从19 2 5 年至今，河流水质模型研究是朝着更复杂( 如平均流动分 o 一 沈阳理工大学硕士学位论文 析发展到紊流分析，单组分到多组分，线性到非线性，水质模拟到生态系统模拟) 的数学模型发展，它加深了人们对于水质变化机理的理解，同时也需要更多的数 据和更多的计算时间，虽然有可能为水质管理提出更好的对策，但由此引起的不 确定性也在不断上升。经过几十年的发展，水质模型的研究已日趋成熟，相继出 现了一批功能强大、通用性好、准确可靠的综合水质模型。 1 2 3 3 水质模型的分类 根据标准不同，水质模型分类也不相同。通常来说越复杂的模型模拟的精确 程度就越高，但是需要的资料就越详细，越难收集。相反简单的模型不需要过多 详细的资料数据，但是模拟的结果与实际情况的误差较大。在实际研究的过程中 需要根据研究水体的实际情况以及收集到资料的完成程度作出适当的选择。 根据水质组分，可分为单组分模型和多组分水生生态模型。根据混合程度的 不同，可以分为平流型、平流扩散型和完全混合型三种水质模型。根据时间尺度 的不同，可以分为非稳态和稳态模型。根据模型的理论结构，可分为不确定性和 确定性模型 5 7 】。根据空间维数，可分为零维、一维、二维和三维，三维水质模型 是水质模拟的趋势。虽然实际水域都是三维结构，但在实际应用中采用二维、一 维甚至零维水质模型已经足够了。根据使用管理的角度，可分为河流、河口模型， 湖泊、水库模型，海湾模型等。 第2 章南沙河流域自然经济概况 第2 章南沙河流域自然经济概况 2 1 自然概况 2 1 1 河流概况 南沙河发源于明山区高台子乡二马岭，东为小夹河，北、西邻北沙河。由北 向南贯穿7 葛台子乡，干流流经塔峪、奚家堡子和高台子村至威宁村，从右岸汇入 太子河。河长2 1 公里，流域面积1 2 6 平方公里，河道比降1 3 o 。南沙河属宽浅河道， 河宽4 0 6 0 米，一般水深0 6 米以下，河槽及滩地均为粗、细砂组成，冲淤变化大， 河床很不稳定。流域内系山区丘陵，植被较好。河槽由卵石、沙卵石组成，河道 断面收扩变化大。 2 1 2 气候条件 南沙河流域位于松辽平原的东南部边缘，属于温带季风性气候。其特点是： 四季分明，干冷同季，雨热同期，降水充沛，光照丰富，温度适宜，灾害性天气 发生在不同年份和季节。春季多风，少雨，湿度小；夏季多雨，气温高但酷热天 气少；秋季气候凉爽，雨量减少，气温下降；冬季北风多，雪少，干燥而寒冷。 年平均气温为8 0 9 o ，日照小时数年平均为2 3 5 0 2 7 0 0 小时，年降水量为 6 4 0 8 8 0 毫米，属于半湿润地区，降水集中在夏季，6 8 月降水量约为年降水量 的6 0