（环境工程专业论文）弯曲河流水环境容量研究.pdf

嚣麓交逮夭牮殒圭磷究生学稼论文 第ll 舞 a b 8 t r a c t a l o n gw 髓t h ed e v e l o p m e n to f 俑ee c o n o 找攀i no u rc o u n 枉y ，p o l l u t i o no f 攮嚣。羲v i 妁巷搬e 珏专i si 拄e 揩a s i 狂嚣y r 主。驻s ，蘸娃i c 毽l 嬲y 氆e 嚣藏v i 矗黻e n lo f 猢t 群。 i n 他c e n ty e 铷浩，( h ew a t e rp o l h i o na f 甑i f st a k ep l ea g a i n 越以a g a i n 。下h a t e n 幽l l l g e r st l l eh e 8 t ho ft h c s i d e n t s ，跳e e k sm 拳d e v e l o p m e n to fm ee c o n o m y 。 零瓢o wc o 毽越搿e n v i 黜e 棚罐p e e 蛀。鞋o p 9 5 tp o 薮。嬉sw o 瘦l ko v # 豫l i i m p l e m e n t9 0 l l u t 锄te x h 器u s t st h et o t a lc o 嫩r o l ，w i t l lm i st oi n s u r e 搬e 击s 试c to f 氆e 磊e 狂s i t yo f 攮。争o l l 越8 n 矗主主蜒珏蛾ee 热v i 挝n e 珏l 壤鞋黼娃锣钕f g e v 矗l 挂棼。 t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho f 搬ew a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yb e c o m e st h ef o c u s t h 嚣te a c he n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ns e c t i o np a y sa t t e n t i o nt o 鼢l e re n v 轾。势m e 嫩e 婶毪c i 每l s 搬e 糙毫x i 黼a la l l o w 珀l e8 硅瓣主专持ds e w 魏鬈e ， w h i e h 主s 融s e do n 也et 龇g e ，h y d r o l o g yc o n d i t i o n ，s t a t e d 出a i n a g ew a ya n dw 8 t 蹦 遵u 瓣i 移g o 巅，曩l ee 牲v i n m e 藏le 鑫p a c i 重yi sb a s e d 硅p o 爨s e i 搴n t i 蠡糟s e a 瓤o f h y d r o l o g yc h a r a c t e ro fd r a i n a g ea r c a ，d r a i n a g cw a ya n dt r a n s f e rd i s c i p l i n a r i a n o f w a g e i ta l s oc o m b i n e st h em a i l a 蒜e m e n ta i l dc o n t r o lo b j e c tc o n f i m e db y n e e do f 蹦v i 掇隧鞠t 嫩鞠a g e 糖e 魅1 _ 法e e 魏v i 撼巍m e n 耄c 警i t y 黼董薹e c t sn o to 狂l y n a l t 重r e p r o p e r t yo fd r 蝣n a g eb a s i nb u ta l 嚣o h u m a ne n v i r o n m e 嫩n e e d t h e e n v i 黼矬趣e n tc 鑫p a c i l y 、畦l l c h 强g ew i 搬v a r i e t yo f 醐l 尊r 揩s o u 托ea n d h e i m p r o v e m e n to f h u m a ne n v i n m e n tn e e d i nt h i st o p i c 也ep a n g z h i h u as e c t i o no fj i n s h ar i v e rw a su s e da st h er e s e a r c h o 谚e c t 。s o m ef e s e a f c hw 毪sd o n ea b o u tt h e 羲y d l o 委e 蠢穗a a e 抛癫；圭i ea 爨d 氆棼 w a 毫e re | l v i r o n m e n t 袅l c a p a c i t y o f m 茹箍n d e r i n g r i v e r a e e o r d i n g t e像e h y d 黼l o 錾i e 鑫差c h 8 f a e t 积s 专i eo fm e a n d e r i 獬f i v e r ，t h ew a t e f 驯瓤i t yo fp a n 窑z h 融黼 s e c t i o nw a ss i m u l a t e dl l s e dc o da st h 嚣s i m u l 娟o no b j e c ti n 矗n i t ec e l lm e t h o 硅。 a no p t i m i z e dm o d e lo fw a t e re n v i r o 瑚眦e n t a lc a p a c i t yo fm e 毡i l d o r i n gr i v e rh a s b e # 觳e s t 鑫b l i 燕e d 。t h e 瓣s u | 毫o fw a 括fe n v i 拘n m e n t a le a p 鑫o i 毫yc o m p 珏考e d 幽o w s t h 8 tt h ew a t e re n v i f o n m e n t a lc a p a c i t yi np a n g z 赫h u as e c l i 斓h a sb i g g i 矗s 珊p l 麟s s oi 辕薯凝i s 虹珏gc o 落i i e 螓lo fl i m b e f 量l o l ed i s l f i b l 越n ga l 撼w a t e re n v i r o n l n e 娃 n m c 髓o n a lp a f t i t i o n ，t h el i m b e rg r o s so fe n t e 巾f i s ei sn on e e 矗t ob ef e d u c e 或b _ l l t i ti sn e e df o r t h ee t e r p r i s et os t r i c t l yc o m p l yw i t ht h es 协n d a r do fl i m b e r t h e s 曩to f 壤i ss u 巧e 姓如e 毛l s i n go nf i v e fe n v i 鞋黻e n t 矬le 印a c i 锣o f 西南交瀵夹掌硕士饼窕生擎德论文繁lll 黉 j i n g s h ar i v e ri np a n 幺h i h u ai s 谢出p r 8 c t i c 曲i l i t ya n d 辨r t i n e n e y ，w l l i c hp r o v i d e s 鑫融s 瓤。携羲o w 鼍op t e c lw 毒妇fe 删i 燃麟e 嫩攮p 拄鞋馥攮妣。 嚣e yw # 州冀：氧秘袅琏d e 娃犸f i v 牲；j ；鑫g s b 鑫 r l ；獭媾e re 曩v e 鑫撼le 婶蒜霉静；撇嫩 q 黼l i t ym o d e l i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 水是生命的源泉，是社会性经济发展的命脉，是人类宝贵的、不可替代 的自然资源，是人类赖以生存的重要物质，也是人类社会可持续发展的限制 因素。1 9 9 2 年联合国环境和发展大会上通过的二十一世纪议程指出：“淡 水是一种有限资源，它不仅为维持地球陆上一切生命所必需，而且对一切社 会经济部门都具有生死攸关的重要意义。”虽然地球上的大海看起来一望无 际，深不可测，但供给人类生存所需的淡水量却是有限的。 在地球水圈中现有1 3 8 亿k m 3 水，它以液态、固态和气态形式分布于 海洋、陆地、大气和生物机体中，其中海洋总储水量约为1 3 _ 3 8 亿k m 3 ，占 全球总水量的9 6 5 4 ；南极、北极和高山地区冰川积雪的储水量约o 2 4 亿 k m 3 ，占1 7 4 ；全球地下水约o 2 3 亿k m 3 ，占1 6 9 ；存于陆地河流、湖 泊、沼泽等地体水体中的水约为5 0 6 万k m 3 ，占0 0 3 7 。所以在地球水圈 中淡水仅占总水量的2 5 3 ，且主要分布在冰川与永久积雪和地下水中。如 果考虑到现有的经济、技术能力，扣除目前暂时无法取用的冰川、雪和深层 地下水，理论上可以开发利用的淡水不到地球总水量的1 。就我国而言， 我国水资源总量约2 8 1 0 0 亿m 3 ，人均占有量很低，居世界第1 0 8 位，仅为 世界平均水平的四分之一，是水资源十分紧缺的国家之一。我国水资源在时 间和空间上分布很不均匀，它与土地资源在地区组合上不相匹配，水的供需 矛盾十分突出。 随着我国经济的迅速发展和城市化进程的不断加快，水体污染、水资源 短缺已经成为制约经济社会可持续发展和人民生活水平提高的重要因素，由 于水体污染造成的水体功能丧失使得水资源危机同益加重。根据2 0 0 4 年 中国环境公报，1 2 】2 0 0 4 年度七大水系4 1 2 个重要水质监测面中，4 1 8 的 断面满足i i i i 类水质要求，3 0 3 的断面属、v 类水质，2 7 9 的断面 属劣v 类水质。珠江、长江水质较好，辽河、淮河、黄河、松花江水质较差， 海河水质差。主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油 类。其中七大水系干流的1 2 1 个省界断面中，1 i 类水质断面占3 6 3 ， 、v 类水质断面占3 3 9 ，劣v 类水质断面占2 9 8 。污染较重的为海河 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 和淮河水系的省界断面。监测的2 7 个重点湖库中，满足i i 类水质的湖库2 个，占7 5 ；i 类水质的湖库5 个，占1 8 5 ；类水质湖库4 个，占1 4 8 ： v 类水质湖库6 个；占2 2 2 ；劣v 类水质湖库1 0 个，占3 7 o 。其中“三 湖”( 太湖、巢湖、滇池) 水质均为劣v 类。水体污染加剧了水资源短缺的 程度，致使黄、淮、海、辽河流域遭受资源型缺水和水质型缺水的双重威胁， 甚至被誉为“鱼米之乡”的太湖流域也面临“身居水乡无水吃”的尴尬境况。 水环境恶化使得许多动植物数量大大减少，一些珍惜物种濒临灭绝；地区之 间水污染纠纷增多，影响社会的稳定【3 j 。污染问题已成为制约我国经济发展、 影响社会稳定的一个重要因素。 因此，保护水资源，防污水污染是当今世界性的问题，更是加速我国城 市水污染防治进程，促进水资源的合理开发利用，以推动城市建设和经济发 展所面临的当务之急。为从根本上解决水资源供需矛盾和水环境污染问题， 各国各地纷纷重视和加强水环境规划工作，将水资源开发利用和水环境保护 结合起来，促使水环境与人口、经济协调同步发展。合理利用水资源切实改 善水环境是一项长期、艰巨和复杂的任务。出台建立在科学测算区域环境容 量基础上的污染物排放总量控制制度迫在眉睫。 1 2 水环境容量研究现状 环境容量是环境科学的一个基本理论问题，也是环境管理中的一个重要 的实际应用问题。环境容量反映污染物在环境中的迁移和积存规律，也反映 在特定功能条件下环境对污染物的承受能力；在实践中，环境容量是环境目 标管理的基本依据，是环境规划的主要环境约束条件，也是污染物总量控制 的关键技术支持。 1 2 1 水环境容量基本理论研究 1 2 1 1 环境容量概念 环境容量是2 0 世纪7 0 年代以来提出的环境科学的基本问题之一。环境 容量的概念首先是由同本学者在1 9 6 8 年提出来的【4 】。上世纪六十年代，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。总 量控制方法是指对流入区域环境的污染负荷量的总量规定一定的允许限度， 使流入污染负荷量控制在这个允许限度范围内。从总量上控制来自各排放源 的污染负荷量，并把这种控制总量称为环境容量1 5 】。1 9 8 3 年1 2 月8 日，美 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 国正式立法，实施以水质限制为基点的排污控制路线后，世界各国都陆续对 排放限制为基点的排污控制路线作了调整。但是欧美等国家的学者较少使用 环境容量这一术语，而是用同他容量、最大容许排放量和水体容许污染水平 等概念。 环境容量的研究在我国已取得一些成绩，但是，目前国内外对环境容量 的定义仍未统一，认识和理解不一致。大致可分为：( 1 ) 环境容量就是环境 质量标准与环境单元内总体积的乘积：( 2 ) 环境容量等于环境质量标准与本 底的差值乘以总体积；( 3 ) 把环境容量看成是最大允许排污总量的增量与控 制浓度的增量的比值；( 4 ) 环境容量定义为环境自净能力的度量，它是自净 系数与总体积的乘积；( 5 ) 环境容量就是指环境介质容量容纳各种污染物的 多少；( 6 ) 环境容量就是某一源地释放某种有害物质于环境中，由于环境作 用而不造成环境危害的最大允许释放频率；( 7 ) 环境容量是指某环境单元所 允许承纳的污染物质的最大数量1 7 j 。 根据环境科学大辞典中的定义：环境容量是一个复杂的反映环境净 化能力的量，其数值应能表征污染物在环境中的物理、化学变化及空间机械 运动性质。以污染物的允许排放量作为环境容量是不科学的，污染物排放总 量控制目标实质上是以功能区环境容量为基础的目标。 1 2 1 2 水环境容量概念 水环境容量源于环境容量，通常定义为某水体在特定的环境目标下所能 容纳污染物的量。据此定义，水环境容量是一个与水体特征、水质目标和污 染物特性有关的一个交量。同时，它还与污染物排放方式以及排放时空分布 有着密切关系。在理论上，水环境容量是环境自然规律参数与社会效益参数 的多变量函数；它反映了污染物在水体中的迁移、转化规律，也满足特定功 能条件下水环境对污染物的承受能力。在实践上，水环境容量是环境目标管 理的基本依据，是水环境规划的主要环境约束条件，也是污染物总量控制 的关键参数。 国内外很多研究者【4 “】，提出过许多水环境容量的定义，这些定义大致 可分为以下几类：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；水环境容量是环境的自净同化能力；水环境容量是指不危害 环境的最大允许纳污能力；水环境容量是环境标准值与本底值确定的基本 环境容量和自净同化能力确定的变动环境容量之和。上述各种定义是从不同 侧面反映了水环境容量的部分涵义，但并非全面的论述。这样同一水体在相 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 同的水质目标下，按上述水环境容量不同定义就可以得到不同的环境容量 值。 我国对水环境容量的研究开始于2 0 世纪7 0 年代，其发展大致经历了三 个阶段： ( 1 ) 8 0 年代初，研究主要集中在水体中污染物的自净规律、水质模型、 水质排放标准制定的数学方法上，从不同角度提出和应用水环境容量的概 念。 ( 2 ) “六五”国家环保科技攻关项目确定，有力的推动了我国水环境容 量的研究。根据我国水体的水文特征和沿岸经济发展的特点，选择典型河流 和河口海湾区，进行不同污染物的水环境容量研究，并把水环境容量理论和 水污染控制规划结合起来，对污染物在水体中的物理、化学行为进行了比较 系统深入的探讨。以此为基础，提出了科学、全面、简明的水环境容量定义： 水体环境在规定的环境目标下所能容纳的污染物量。 ( 3 ) “七五”国家环保科技攻关研究把水环境容量理论推向系统化、实 用化的新阶段。1 9 8 5 年以来，全国一些城市制定了综合整治规划、水污染 综合防治规划、污染物总量控制规划以及水环境功能区划等，为环境容量的 理论研究和实践应用提供了广阔的天地。 “八五”、“九五”期间，随着水污染物总量控制政策的逐步落实，水环 境容量理论得到了更为全面而广泛的应用，充分显示了环境容量理论在水污 染控制和水质改善中的重要性，进一步推动了水污染控制理论的发展。总的 来说，经过2 0 多年的探索，水环境容量理论在研究的深度和广度上都有了 新的进展。在研究深度上，出现了多目标评价模型、潮汐河网地区多组分水 质模型、非点源模型、富营养化生态模型、大规模系统规划模型：在研究的 广度上，研究对象从一般耗氧有机物和重金属，扩展到氮、磷负荷和油污染， 空间分布上从一般的中小河流水环境容量研究扩展到长江、珠江、淮河等大 水系的环境容量研究，从枝状河流的水环境容量研究扩展到湖泊、河口、海 湾及河网化地区的水环境容量研究。 1 2 2 水环境容量计算研究现状 1 2 - 2 1 水质模型研究现状 水环境容量的计算，离不开水环境容量的模型，水环境容量模型的建立 又依赖于水质数学模型。水体中污染物的迁移、转化和浓度分布规律一般都 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 是借助于水质模型加以描述，它是描述污染物在水体中运动变化规箨及其影 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【3 1 2 ) ，是目前环境质量数学模型中发展最早、 应用最广的_ 种。自1 9 2 5 年斯特里特一费尔普斯( s t r e e t e r - p h e l p s ) 第一次 建立水质模型以来，经过不断的修正和完善，现在已经提出适用于河流、水 库、湖泊、河口、海湾以用大型综合性的水质模型。描述河流水质的数学模 型有很多，有稳态模型和动态模型，有简单的零维模型、一维水质模型、二 维水质模型、三维水质模型。 国际上对水质模型的开发与研究可分为下列四个发展阶段【l3 。1 4 j 。 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和溶解 氧( b o d d o ) 的双线性系统模型。对河流和河口问题采用了一维计算方 法。 第二阶段( 1 9 6 5 一1 9 7 0 年) ，随着计算机的应用以及对生物化学耗氧过 程认识的深入，除继续研究发展b o d d 0 模型的多维多数估值问题外，水 质模型发展为六个线性系统，计算方法从一维进到二维，除河流、河口问题 外，开始计算湖泊及海湾问题。 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模型。 涉及到营养物质p 、n 的循环系统，浮游植物和浮游动物系统，以及生物生 长同这些营养物质、阳光、滠度的关系，浮游植物和浮游动物生长率之间的 关系。其相互关系都是非线性的，一般只能用数值法求解，空间上用一维和 二维方法进行计算。 第四阶段( 1 9 7 5 年以后) ，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。空间尺度已发展到 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。 目前对环境的污染问题，己发展到将地面水、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。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。 国内外被广泛应用的主要水质数学模型有以下几种： ( 1 ) b o d d o 耦合模型及其修正模型它是1 9 2 5 年斯特里特费尔普 斯( s t r e e t e r - p h e l p s ) 根据俄亥俄河的污染调查得出，在河流的自净过程中， 同时存在两个过程：有机污染物进行生化氧化，消耗水中溶解氧，其速率与 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 水中有机污染物浓度成正比；大气中的氧不断进入水体，即所谓大气复氧， 其速率与水体的氧亏值成正比。根据质量守恒提出了氧平衡数学模型，即 s p 模型。s p 模型是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。该模型提出了两点假设，一是假 设b o d 的衰减与d o 无关，二是假设由于沉淀作用的影响，b o d 在河流中 的衰减速率会大于d o 的衰减速率，而由于再悬浮等过程，b o d 的衰减速 率会小于d o 的衰减速率。在1 9 3 7 年，h a 1 1 1 0 m a s 在考虑了河流水力条 件变化对河水耗氧和复氧状况的影响的基础上提出了t h o m a s 修正模型，该 模型考虑了沉淀、絮凝、冲刷和再悬浮等实际发生的过程对b o d 和d 0 的 影响。在1 9 3 9 年，d o b b i n s 和c a m p 在t h o m a s 模型基础上，进一步考虑了 沿河坡面径流、底泥耗氧和藻类光合作用的影响，提出了d o b b i n s c a m p 修 正模型。在1 9 6 1 年，o c o n n o r 模型把b o d 分为碳化b o d 和硝化b o d 两 部分，对s p 模型进行完善，提出了o c o n n o r 修正模型。 ( 2 ) q u a l 2 e 综合水质模型该模型是在1 9 7 0 年q u a l i i 模型的基 础上美国t u f t s 大学公用工程系和美国e p a 水质模型中心环境研究室共同开 发的。该模型适合混合较好的枝状中小河流，它允许有多个排放口、取水口 以及支流，也允许流量有缓慢的变化，还适用于计算靠增加河流流量来满足 预定溶解氧水平时所需的稀释流量。它全面了河流自净的机理，可用以预测 多种污染物在水体中的衰减变化。【1 6 7 】该模型可作为稳态模型使用，也可 作为非稳态模型使用。 ( 3 ) 美国水道实验站的s t e a d y 模型【1 8 】该模型可用于分析河网水质 的一维稳态模型，可以用来计算河水温度、溶解氧和生化需氧量等。 ( 4 ) w a s p ( w a t e r q u a l i t y a n a l y s i ss i m u l a t i o n p r o g r a m ) 模型 该模型 是1 9 8 3 年由美国环保局的d i r o r o 等开发出来的，【1 9 l 它由两个动力学模型 e u t r o 和t o x i 组成，前者用来分析传统的一般污染物，后者用来模拟有 毒物质的污染。该模型属于动态模型。 ( 5 ) c e - q u a l r i v i 模 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 模型。该模型可以按率定、年模拟和长期三种模式加以应用，水质组分随任 选下列两种可能的模拟方式改变：在第一种方式下，模型中所能包括的组分 有水温、3 种守恒的组分和3 种非守恒组分以及溶解氧；在另一种方式下包 括水温、溶解固体总量、氨态氮、浮游植物、碳素、生化需氧量、硝化氮和 溶解氧等8 种组分。 1 2 2 2 水环境容量模型研究 ( 1 ) 国内研究现状 自2 0 世纪7 0 年代日本科学家提出环境容量这一概念以来，对于环境容 量的计算研究取得了很大的成果。水环境容量计算模式在理论上，从最初的 质量平衡原理发展到现在的随机理论、灰色理论和模糊理论；在实际应用上， 从一般河流水体发展到潮汐河网、湖泊( 水库) 和海湾等水体；在计算方法 上，也从解析公式算法、模型试错法发展到系统最优化分析方法。 日本学者西村肇根据总量控制的基本原则，提出了环境容量的定义表达 式： x = k y 式中：x 一排放负荷；k 一环境容量；y 一污染物的环境浓度。 中国科学生态环境研究中心汤鸿霄定义了一种以函数形式表达的环境 容量，环境容量函数的提出使环境容量在水质数学模式的计算中得到应用。 叶常明【1 5 】则基于热力学第二定律，提出环境容量等于环境体积与环境比容 乘积的计算式。其表达式为： w 2 v p 式中，w 一环境容量；v 一环境体积；p 一环境比容。 这几种关于环境容量的计算都是环境容量的定义式，理论上存在不足， 在这之后的研究中，大多以水质模型为基础，建立水环境容量计算数学模式。 以上几种计算模型都是从定义出发的，理论上存在明显不足，由于没有明确 界定环境容量与水环境特征、污染物性质、水质目标以及污染物排放方式间 的关第，因此计算模式实用价值不大。在以后的研究中，大多都是以水质数 学模型为基础，建立水环境容量计算数学模型。 国内具有实用价值的水环境容量计算模式是从稳态条件下河流水质模 型的应用开始的。“六五”期间，首次对水环境容量问题进行大规模的联合 科技攻关。课题分别以沱江内江段、湘江株洲段等河段作为典型水体，研究 西南交通必举硪士研究生攀德论文第8 页 其相应的水环境容量问题。在以沱江内江段的研究中p ”，以b o d s 、n h 3 一n 等霉生傀辫躺懿污染因予终必羧潮据标，建象了溜江穗态浮溅农矮攘型，著 在就基础上摘建备江段求环境辫黧计算模式。蹲湘江株澜段”q 建立了重金 属髓水、悬浮物、底泥的迁移、转化模型，提出了河流重金属承环境容量计 冀表达式。沱汉、湘江水舔壤容爨数学模型酌撬嫩，对水环境容爨定量化计 算具骞重要豹邂论意义和瑗炙意义。在就之鬃，黧蠹一簸天然海流纳污能力 计算，耄多燕默稳态潺濠窳矮横鍪褥鬟翡宠鬻浚诗条 孛下薅浮爨。遥年来， 周孝德等f 2 4 j 挺溅一维稳态祭彳率下计算永环境容爨瀚3 稃方法，静段曾控镧 方法、段燧控铡方法帮功戆送裁耀控制方法，势对器种计算方法适用的条件 避嚣了努掇、讨论；陈燕牮等f 2 5 l 提出了河瀛邋滗胃分配农环壤蜜爨计算方 法；魏整全等【2 翻在诗算零环浚密爨瓣，考惑了不甥匀系数，并掇窭了考瘩 不均匀系数辩黪承环麓容囊熬公残i 箨荚镪等驻q 遁过瓣潮汐湾流繇凌容量 的主要影蛹西繁豹分析，建立了潮汐河流水环撩容量的计算方法；李适宇e 嚣j 弓| 进贡献度系数，分区达标羧制法用于求解海域环壤容量；赣慧等1 2 ”、罗 嬷舞【3 越瓣拳瘁貔舔凌吝嚣邋嚣了诗箕；缀爨袋簿融3 2 1 霆窭滏汐终弼、调蓄 痒容、求爨王程豹诿控运蠢、浮綮物豹终辫蓉数朔边秀雩| 零窳袋帮是环境容 薰豹西索，并建立了感潮煅送溺潮承环境容爨的计葬公式；誉开鹱释列建立 了潮汐河网地黻的随机模型，给出了随机参数的分布形式，髑m o n t e c a r i o 随掇接样法袋躺本质模型，势避褥了敏感性讨论：郑孝宇p 4 繁予“酒遵一 繁熹一海港”冀滚熬溺瘸窳矮搂熬戆海疆簿稳恣永繇壤容量熬诗葵模式；箕 德一些学者媳辩河两缝区或感潮河流水系瘩环境容量计算润激佟了探讨。由 于河网水文水鹱现象豹复杂髅，酒网水质模溅凭论在表达形式上，还是在计 算方法上都掀一般河流复杂褥多。霞蘸环境容嫩和允许排放量的磷究至少存 在蘧方两盼不慰【3 飞一是瓣繇凌蜜量和允诲攥放爨的定义势不嚼确，薅者 粒赛隈不够清楚；二是量豫方法不成熬，谗多醭究躐掇砉酃戳繇凌蜜量为镶 据，但是缺惹实糟纯的琢境容爨计算方法，葵依据大多是定性的。因i 龟，建 立有效的、熙为实用的水环境容鼹计算模型怒今后水科学的一个热点和难 点。 、 ( 2 ) 溺终磷瓷瑗状 国外，特翱戆欧美发达豳窳，缀少使蔫环境释量，两用间化容量、最大 允许纳污墩、水体容许排污水平铸概念，而髓阑个单纯就水体纳污能力或同 他容量计算的研究并不 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 的紊动扩散系数来说，由于纵向紊动扩散作用与平流作用相比，其影响小得 多，因此横向紊动扩散系数协与竖向扩散系数乜才具有实用意义。 3 弥散 弥散，是指由于河流横断面上各点流速不等所引起的污染物分散现象。 河流断面上各点流速由于剪切应力的不同有大有小( 河底和两岸处流速小， 河中大) ，这就使污染物沿水流方向前后被拉开，浓度分布趋于均匀。河流 一 一 = 横断面上某点的时均流速“和污染物浓度c ，分别是断面平均流速“和污染 物浓度c 以及偏差流速“和偏差浓度c 4 之和。即“= “+ 矿，c = c + c 。则弥 散运动通量可表为： j 。：一b 罢 或 以：”一c 一 ( 2 4 ) 嬲 式中：j ，一x 方向( 纵向) 污染物的离散通量； e ，一x 方向的弥散系数，它表征了纵向弥散作用的大小； c x 断面上污染物的断面平均浓度； 甜”、c 。一与断面平均值相比的断面各点流速和浓度的偏差值。 由于上述三种迁移运动的综合作用( 或这三种迁移运动与其他转化作用 的联合) ，当污水进入河流后，与河水的混合形成三个明显的混合阶段：第 一阶段，污水在离天排放口以后，以射流( 维持运动的主要动力是初始动能) 或浮射流( 动力是污水和受纳河水的密度差及初始动能) 的方式和周围水体 掺混及扩散，这个阶段又称初始稀释阶段。第二阶段，从污水在排放口附近 的初始稀释到污水扩散到全河宽，这个阶段有一个较长的过程，在这段过程 中，污水仅占据河宽的部分空间，形成所谓的污染带。大多数河流的宽度比 深度要大的多，所以污水很快在垂向完全混合，浓度分布均匀。接着主要是 河宽横向紊动扩散。如果污水动力惰性物质，与周围水体密度相同，紊动扩 散主要纵向和横向进行，由此阶段的扩散可视为二维扩散问题。第三阶段， 这是污水在横断面上近似均匀混合后的下游分散阶段，这时沿纵向的随流分 散点主导地位，可作为一维纵向分散问题看待。 三、 水体中污染物的衰减与转化 进入水体中污染物可分为两大类：守恒物质与非守恒物质。 守恒物质进入环境以后，随着介质的运动而不断变换所处的空间位置， 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 水质的模拟和规划。动态水质模型可用来估算暴雨径流和污染物事故泄漏等 瞬时变化的情况，适用于短期性的水质管理和控制，要求有较多的统计数据。 同时，由于输入河道中的点、面污染源的时变状况常被忽略，因此也就降低 了动态水质模型输出的可靠性。 从水质模型的空间维数来说，虽然所有的真空系统都是三维的结构，但 在使用上往往采用零维、一维或两维的水质模型已足够了。水质模型的空间 维数，主要取决于所研究的范围及其水体中污染物的混合情况。如果对区域 性水质进行粗略的煺划估算，一维模型已能得出较好的结果。如果要研究河 流局部河段范围内 喝镉谓飨柩 霪雌翦嘲畦甥瑾吲唏型趔嚷淄嘣：秘鞭燃酆螺黧髫量驯鞠引确；鼓割兰强雕 劐塑ii爱漤追曜鋈通萄混合(一般相对浅而宽的河流)或横向混合(如在 分层的河口) ，而其它二个坐标方向的浓度梯度较大的情况。从水质模型的 确定性而言，有确定性和不确定性两种模型。虽然绝大多数数据本身要 求随机或概率性的模型。但随机性模型的识别，要求河流水质各种变量采用 概率分布的数据来定量，而不能采用它们的期望值和平均值，这是非常困难 的，因此目前绝大多数采用确定性模型来进行水污染控制的模拟和规划。2 2 2 水质基本模型河 流水质模型是用数学模型的方法来描述污染物质进入天然河流后所产 生的稀释、扩散、自净的规律。严格来说，河流、水库、湖泊、河口等水体 的污染问题都是三维问题。但实际上，往往可以根据污染物的混合情况，将 某些水体的水质计算简化为二维、一维乃至零维来处理。研究河流水环境容 量的关键在于建立比较准确的描述河流主要特征和污染物特征的水质数学模型。污 染物进入水体后，其发生的变化是水体水流和水中污染物受各种物理 、化学和生物化学等因素综合作用的结果。与水中污染物浓度变化有关的项 目包括：平流、扩教、降解或转化，及其它源与汇。为了导出河流水质基本 方程，可以先考虑天然地面水中污染物的输送(包括对流和扩散)，推导出 对流扩散方程。然后再加上化学、生化降解或转化项以及吸附、沉淀再悬 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 詈= 一昙( 屹c ) 一言( 。c ) 一昙( 屹c ) + 去c b + 斋c 冯+ 尝c 见秘 q 巧 式中，吒、y ，、y ：一分别为x 、y 、z 方向的流速分量： 玻、d ，、见一分别为x 、y 、z 方向的扩散系数； c 一污染物浓度；t 一时间；s 一其他源汇项。 一、零维水质模型 污染物进入河流水体后，在污染物完全均匀混合断面上，污染物的指标 无论是溶解态的、颗粒态的还是总浓度，其值均可按节点平衡原理来推求。 对河流，零维模型常见的表现形式为河流稀释模型；对于湖泊与水库，零维 模型主要有箱式模型。 在某些特定条件下，可以将所研究的环境单元视作一个完全混合的反应 器。在这样一个反应器里，不存在环境质量的空间差异，即在任何一个空间 方向上都不存在环境质量的变化。图2 1 所示为一连续流完全混合反应器， 进入反应器的污染物能在瞬间内分散到反应器的空间各部位。 根据质量守恒原理，可以写出完全混合的反应器的平衡方程，即零维模 型： 矿 = q c o q c + s + r 矿 ( 2 6 ) 式中： 矿一反应器的容积；q 一流入流出反应器的物质的流量；c n 一输 入介质中的污染物浓度；c 一输出介质中的污染物浓度，即反应器中污染 物的浓度；，一污染物的反应速度；s 一污染物的源与汇。 圈2 一l 零维模型图示 c 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 对于没有源与汇的反应器，即当s = o 时，上式可写成： y 孚= 鳊一q c + ，矿 ( 2 7 ) 研 如果污染物的反应符合一级反应动力学的衰减规律，即，= 一嬲时，式 ( 2 7 ) 可以写作： 矿罢 = q c j 一9 c j 配y ( 2 8 ) 口 式中：k 一污染物衰减速度常数。 式( 2 - 8 ) 是零维模型的基本形式，在湖泊、水库等水质模型中广泛应 用。 _ = 、一维水质模型 当污染物在河流的横向、竖向均匀混合，比如污染源位于研究的河段上 游较远时，一般要进行一维河流的水质模拟和预测。 一维模型是通过一个微小的体积元的质量平衡推导的，在这个体积元中 只在一个方向( 设为x 轴向) 上存在浓度梯度。如图2 2 所示在x 方向上存 在输入、输出的微小体积元，其边长分别为缸、y 、止。 单位时间内输入该体积元的污染物量为 kc 一皿副挑 一域娑洫 d 譬 ( 2 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 单位时间内输出的污染物量为： 卜+ 警斛c 一皿去c 一皿争缸| y z 融戚掰 若污染物在微小体积元内发生一级衰减反应，由衰减输出的量为： i 阳x ) ，z ( 2 - 1 1 ) 于是，单位时间内，该体积元的污染物输入、输出总量为： 鲁蛐虹卜小q 陋 一i 虬c + 是r 旦缸+ 兰( 一皿罢) 血+ ( 一皿要) i 缸缈比( 2 一1 2 ) 观嬲出饿i k c 缸弩缸 将上式简化，并令缸斗0 ，得： 要：一警一昙( 一域罢) 一髓 ( 2 - 1 3 ) 西知缸、1 缸7 、7 在均匀流场中，“。和d ，都可以作为常数，则上式可以写作： 丝：d 。箕也墨一船 ( 2 1 4 ) 百2 址丽一“，面一n 2 。1 4 式中：c 一污染物的浓度，它是时间，和空间位置x 的函数； d ，一纵向扩散系数； 足一污染物的衰减系数； “，一断面平均流速。 式( 2 1 4 ) 就是均匀流场中一维模型的基本形式，一维模型可以应用于 河流的模拟、预测。 三、二维水质模型 如果需要模拟的河段较短，或宽度较大，污染物在宽度方向上的浓度梯 度较大，就要进行纵向和横向的模拟，必须建立二维水质模型，比如大型河 流、河口、海湾、浅湖等。 在沿河岸有排放口的河流水质中，污染物的排放在横向和纵向很不均 匀，是不断变化的。这时我们往往首先可以认为在水深方向的污染物是均匀 的，而去研究水体中污染物在横向和纵向两个方向的二维水质数学模型。 类似于一维模型的推导，二维模型同样可以通过选取河流水体中一个微 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 要：一警一吴( 一破罢) 曩2 二亏- _ ? 刮 池 一等一导c q 争们 “。 詈= 见窘+ d ，等一篆一b 詈一船 c z 小， 等2 e 窘+ b 雾+ e 窘 陆 飞篓叫篓眦丝一嬲 、。 一虬面叫，丽州：瓦“c 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 环境容量是指以污染物在水体中的标准值为水质目标时水体的允许纳污量， 管理环境容量为稀释容量和自净容量之和。 ( 2 ) 按污染物分类有耗氧有机物水环境容量、有毒有机物水环境容量、 重金属水环境容量； ( 3 ) 按降解机制分类有稀释容量、自净容量； ( 4 ) 按可再生性分类有可更新容量、不可再生性分类； ( 5 ) 按可分配性分类有可分配容量、不可分配容量。 2 3 2 水环境容量的特性 水环境容量的使用强度是人类开发利用环境资源的重要标志，影响着继 续开发利用的方向和应该采取的保护措施。环境具有自我修复外界污染所致 损伤的能力，所以其容量是一种可更新的资源。同样，只要污染物的排放量 不超过该区域的水环境容量，这种资源就可以持续地循环下去。总体上说， 水环境容量具有以下特性： ( 1 ) 资源性水环境容量是一种资源，因而具有价值，其价值表现在 其对污染物缓冲和降解的能力，由此可以降低排放污水的处理率，从而减少 污水处理费用。从环境经济学角度研究水体环境容量资源的价值，已成为环 境科学研究的一项重要内容。 ( 2 ) 有限性水环境容量是可以被耗尽的，必须合理利用。对环境容 量的过度使用，将会导致区域环境容量日益稀缺，甚至产生枯竭，从而造成 污染和生态环境的破坏。因此，水环境容量资源的合理分配和使用，特别是 在环境容量资源紧缺和东部经济发达地区和西北水环境容量稀少的地区，将 会关系到地区经济的可持续发展。 ( 3 ) 变化性水环境容量是水体特征、污染物特性和水环境目标的函 数，它随自然因素、社会经济状况、人类生活水平等因素的变化而变化。随 着人们生活水平的不断提高，对环境质量的要求也越来越高，因此水环境容 量将会在一定程度上逐渐减少。 ( 4 ) 流域性 由于对水环境的排污量与水环境系统的净化能力( 环境 容量的更新) 之间呈非线性关系，所以在同一流域中，上游对水环境容量的 使用程度不仅直接影响了下游水体纳污能力，而且还会影响全流域的水环境 总容量。因此，对河流水环境保护和治理必须立足于流域整体，从宏观上进 行科学调接，才可能实现合理、有效地利用有限的水环境容量资源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 2 3 3 影响水环境容量的因素 对于水环境容量的共识可以表达如下：一个环境单元在满足环境目标的 前提下，所能接受的最大污染物量。根据这个共识可以判断，环境容量的大 小既决定于环境自身的特征，亦与污水的特性及排放方式有关。具体体现为： ( 1 ) 受体环境自身的特点。环境稀释、迁移、扩散能力是环境特点的 重要表征。一般来说，环境单元的稀释能力取决于环境对象的容积，环境单 元容积越大，稀释能力越高；污染物在环境中的迁移能力是环境介质运动特 征( 如速度) 的函数，环境介质运动速度越高，迁移越强；污染物在环境介 质中的扩散，既决定于介质运动状态，也与污染物自身的性质有关，通常， 湍流条件下的扩散条件要比层流条件好。 ( 2 ) 污染物质的特点。同样一个环境单元对于不同的污染物具有不同 的容纳能力，主要取决于污染物的扩散特性与降解特性。在自然状态下不能 降解且具有累积效应的污染物的环境容量远小于可降解的污染物。 ( 3 ) 人们对环境的利用方式。环境容量可以认为是一种资源，可用于 净化污染物质。与其他资源一样，环境资源的利用也存在效率问题，污水深 海排放的扩散管、烟气排放的高架烟囱就是提高环境资源利用效率的例证。 ( 4 ) 环境质量目标。接纳污染物的环境单元存在一定的使用功能，功 能目标是人为确定的，不同的环境目标对应不同的环境标准。所采用的环境 标准不同，环境容量也不阿。一般来说，环境目标越严格，环境容量越低。 以上4 个因素在一个实际的环境单元里是相互影响、相互制约。在环境 功能确定的情况下，人们能够控制的因素仅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。在各种排放方式中，污染物的分散排 放( 即污染物与河水完全混合) 可以获得最大的水体污染物容纳量。环境容 量是允许排放量的最大值。也就是说在完全排放方式下所对应的允许排放量 就是环境容量。 2 3 4 水环境容量计算模型 污染物进入水体后，在水体的平流输移、纵向离散和横向混合作用下， 发生物理、化学和生物作用，使水体中污染物深度逐渐降低。为了客观描述 水体污染物降解规律，可以采用一定的数学模型来描述，主要有零维模型、 一维模型和二维模型等。根据控制单元的水质目标、设计条件和选择的模型， 计算水环境容量。 从理论上说，污染物在水体中的迁移、转化过程要用三维水质模型预测 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 描述。但是，为了适当简便运算，实际工作中常应用维和二维模型。一维模 型常用于河水流动对污染物的迁移作用大于湍流对污染物的扩散作用，且河 流的任一断面上流速和污染物浓度均为均匀分布的中小型河流水质模型；二 维模型常用于污染物浓度在垂向比较均匀，而在纵向( x 轴) 和横向( y 轴) 分布不均匀的水面宽阔的大河流。河流是我国最常见、最基本的纳污流域， 河流的水环境容量在我国占很大的比重。根据河流和水环境功能区的实际情 况，水环境容量计算一般用一维的水质模型。对有重要保护意义的水环境功 能区、断面水质横向变化显著的区域，可采用二维水质模型。【5 1 ，【2 4 】 水环境容量计算模型常指有机物和重金属水环境容量计算模型。有机物 环境容量包括降解和难降解有机物环境容量；重金属环境容量又包括溶解态 和吸附态环境容量。目前计算水环境容量的模型主要有以下几种。 1 水环境容量解析模型 按照水体具有存储、降解或使污染物无害的能力而使自身净化，模型把 环境容量分为三部分，稀释容量、自净容量和区间来水附加迁移容量。即： e = 巨+ e 2 + 岛= q ( e c 0 ) + k k