（环境工程专业论文）沂沭泗流域江苏片水环境容量研究.pdf

摘要 沂沭泗流域是我国人口比较密集的地区，近年来，由于地区经济的快速发展，工 业化和城市化进程的加快，工业、能源生产和建设造成水污染严重，水环境恶化已经 成为沂沭泗地区主要社会问题之一。为满足国民经济快速发展、人民生活水平日益提 高的需要，分析区域水污染现状，开展水环境容量研究，掌握河流水质变化规律和允 许纳污量，制定河流污染物排放总量控制方案，达到既保护水环境质量，又充分利用 水体环境容量，降低污水处理费用的目的。因此，本研究具有重要的理论意义和实际 应用价值；同时，对指导沂沭泅流域制定水资源保护规划，促进人与自然和谐及地区 经济的可持续发展，具有十分重要的现实意义。 本论文在广泛收集国内外研究成果的基础上，对沂沭泗流域江苏省境内徐州、宿 迁、连云港三市的水环境现状进行了详细调查，收集了该地区自然地理、水系分布、 社会经济等基础资料，对水资源供需情况、各河流水质现状、重点污染物排放情况进 行分析和评价。在现状调查分析的基础上，结合江苏省地表水( 环境) 功能区划( 2 0 0 3 ) 要求，选取典型年设计水文条件，运用水环境数学模型计算方法，对主要控制单元进 行河网概化，借助于水量水质基本方程式，运用实测资料进行模型参数率定，建立河 网流量、水质计算模型。利用该模型对主要环境区划河流2 0 1 0 年和2 0 2 0 年水环境容 量逐一进行计算，预测出本地区各有关市、县水环境容量和地区水环境容量总量，为 沂沭泗流域污染物总量控制方案制定提供科学依据。 通过地表水环境容量计算分析表明，本论文采用的水量水质预测计算模型是可行 的计算成果可以作为流域水环境管理的重要依据。沂沭泗流域江苏片的徐州、宿迁、 连云港三市的c o d 大体相当，徐州市功能规划区水环境容量相对较小。在研究区域 内，水环境容量可以适度利用，但徐州市水污染治理和水环境保护的压力更加明显。 关键词：地表水水质水污染功能区划环境容量 a b s t r a c t t h ey i s h u - s ir i v e rb a s i ni s c o m p a r a t i v e l yad e n s e l yp o p u l a t e da r e ai nc h i n a i n r e c e n ty e a r s ，t h ei n d u s t r i a l i z a t i o na n du r b a n i z a t i o nh a v eb e e na c c e l e r a t i n gb e c a u s eo ft h e r a p i dd e v e l o p m e n to f t h er e g i o n a le c o n o m y i n d u s t r i a la n de n e r g yr e s o u r c ep r o d u c t i o na n d c o n s t r u c t i o nh a v el e dt os e r i o u sw a t e r p o l l u t i o n t h ed e t e r i o r a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n t h a sb e c o m eo n eo ft h em a j o r p r o b l e m so f t h ey i s h u - s ir i v e rv a l l e y i no r d e rt om e e tt h e n e e d so ft h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h e u p - g o i n go ft h ep e o p l e s l i v i n gs t a n d a r d s ，i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z et h ec u r r e n tr e g i o n a lw a t e rp o l l u t i o n ，t od ot h e r e s e a r c ho nw a t e re n v i r o n m e n t c a p a c i t y , t oa b r e a s to f t h ec h a n g i n gp a t t e mo f w a t e rq u a l i t y a n dt h ea c c e p t a b l es e w a g ed i s c h a r g ec a p a c i t ya n dt om a k eap l a nf o rt h et o t a lv o l u m eo f t h e s e w a g ed i s c h a r g e s ot h a tt h ew a t e re n v i r o n m e n t q u a l i t y a n di t s c a p a c i t y a r e r e s p e c t i v e l yp r o t e c t e da n df u l l yu t i l i z e da n dt h ec o s tf o rs e w a g et r e a t m e n ti sl o w e r e d b e c a u s eo fa l lo ft h ea b o v e ，t h i sr e s e a r c hi so f g r e a tt h e o r e t i c a ls i g i l i f i c a n c ea n dp r a c t i c a l v a l u e m e a n w h i l e ，i ti so fg r e a tr e a l i s t i cv a l u ef o rg u i d i n gt h er e a s o n a b l ed e v e l o p m e n ta n d u t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e so fy i s h u - s ir i v e rv a l l e ya n di t c a l la l s oe n h a n c et h e h a r m o n yb e t w e e nh u m a nb e i n g sa n dn a t u r ea n dt h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to ft h e r e g i o n a le c o n o m y w i t ht h eh e l p f u lc o l l e c t i o no fd o m e s t i ca n d f o r e i g nr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s ，t h i st h e s i s c o n d u c t st h ed e t a i l e dr e s e a r c ho nt h ew a t e re n v i r o n m e n ts i t u a t i o no f t h e3c i t i e s ，x u z h o u ， s u q i a na n dl i a n y u n g a n go f t h ey i s h u - s ir i v e rv a l l e yi nj i a n g s u p r o v i n c e i tc o l l e c t st h e b a s i cd a t af o rt h er e g i o n a lp h y s i c a lg e o g r a p h y , w a t e r b a s i nd i s t r i b u t i o n , s o c i a le c o n o m y a n do t h e ri n f o r m a t i o n i ta l s oo f f e r st h e a n a l y s i sa n da p p r a i s a lo f t h es u p p l ya n dd e m a n do f w a t e rr e s o u r c e s ，t h ec u r r e n ts i t u a t i o no f w a t e r q u a l i t yo f t h er i v e r sa n dt h em a i np o l l u t a n t s d i s c h a r g e o nt h eb a s i so f t h es t u d ya n da n a l y s e s ，t h i st h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h es u r f a c ew a t e r f u n c t i o n a l d i v i s i o n s ( i nt h ey e a r2 0 0 3 ) i nj i a n g s up r o v i n c e ，s e l e c t st h e t y p i c a l a n n u a l h y d r o l o g i cc o n d i t i o n s ，u s i n gt h em a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o do fw a t e re n v i m n m e n t c o n c e p t u a l i z i n gt h er i v e rn e t w o r ko ft h ed o m i n a n tu n i t s w i t ht h e h e l po ft h eb a s i c e q u a t i o no fw a t e rv o l u m ea n dq u a l i t ya n df i e l dm e a s u r e m e n t ，m o u l dp a r a m e t e rr a t e i s c o n d u c t e da n dt h ec a l c u l a t i o np a t t e mf o rr i v e rn e t w o r ka n dw a t e rq u a l i t yi sf o r m e d w i t h t h i sp a t t e r n , w ec a nc a l c u l a t e r e s p e c t i v e l yt h ea n n u a lw a t e re n v i r o n m e n tv o l u m eo ft h e m a j o re n v i r o n m e n tr e g i o n a lr i v e r sf r o mt h ey e a r2 0 1 0t ot h ey e a r2 0 2 0 w ec a l la l s o p r e d i c tt h et o t a lv o l u m eo f t h ew a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t yo f t h er e l a t e dc o u n t i e sa n dc i t i e s a n dt h e r e g i o n a le n v i r o n m e n tc a p a c i t y , s ot h a ti tc a l lp r o v i d et h es c i e n t i f i cr e f e r e n c ef o rt h e t o t a lp o l l u t a n t s c o n t r o l l i n gp r o j e c to f t h ey i s h u - s ir i v e r b a s i n f r o mt h ec a l c u l a t i o na n d a n a l y s e so f t h es u r f a c ew a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t y , w ec a n k n o w c l e a r l yt h a tt h ep r e d i c t i o nc a l c u l a t i o np a t t e r nf o rw a t e rc a p a c i t ya n dq u a l i t yi nt h i s t h e s i si sf e a s i b l e a n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sc a l lb e p r o v i d e d a st h ei m p o r t a n tr e f e r e n c ef o r t h ew a t e re n v i r o n m e n ta d m i n i s t r a t i o n t h ec o d c rf o r e a c ho ft h e3c i t i e sx u z h o u ，s u q i a n a n dl i a n y u n g a n gi nt h et h ey i - s h u - s ir i v e rb a s i ni sa l m o s tt h e s a m e ，b u tt h ew a t e r e n v i r o n m e n tc a p a c i t yi nx u z h o u sf u n c t i o n a ld i v i s i o n si sc o m p a r a t i v e l ym i n o r t h e r e f o r e ， w ec 锄u s ew i t h i nl i m i t st h ew a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t y h o w e v e r , t h ep r e s s u r eo ft h e h a r n e s s i n go f w a t e rp o l l u t i o na n dw a t e re n v i r o n m e n t p r o t e c t i o no nx u z h o uc i t yi sm o r e o b v i o u s k e y w o r d s ：s u r f a c ew a t e r ；w a t e rq u a l i t y ；w a t e rp o l l u t i o n ；f u n c t i o n a lr e g i o n a l i z a t i o n e n v i r o n m e n t c a p a c i t y 刚舌 我国是一个缺水比较严重的国家，人均水资婚占有量汉占世界平均水平v u 分之 一。党的十六火提mr 全山建设小康社会的奋斗层标。党的十六届三l j 争全强调，要 - 坚持以人为本，树立全面、协调、可持续的发展观，促进经济社会和人的全面发展。 新时期我国治水方针是要正确认识和处理人与自然的辩 正关系，由传统水利向现代水 刊、可持续发展水利转变：重视和加强水资源的配冒、节约、倪护；实现人与鲁然的 和谐。 沂沭泗沉域地处我国南北气候过渡带，土地辽阔，资源丰富，是我目商品杖缔基 地和重点煤炭、电力、能源生产和建设基地。压流域水资源较少，人均地表水资泺量 4 3 l m ，仅为全匿人均水量的1 87 髓着围民经济的快速发茬和人民生活水乎的n 益提高，水资源短缺和水7 了典严重问题目益突出，已经战为制约社会经济发j 1 勺主要 障碍芝，是各级政府迫切需要解决的问题。 沂沭泗水利管卵局作为水利部淮河水利委员会庄沂江泗流域的水利管i 咀机陶亡 所辖范围内行使水行。政管理职能，对骨干工程和水资源实行统一管理。2 0 0 lj 一至2 0 0 3 年，沂沐测局先后斤展7 沂沭泗流域沂沐i 可、南四湖、骆马湖攻资源用台：州川，江 与、省历保厅委托河海大学丌展了江苏省水环境容量研究臻题和沂沐汹沉域水资源 保护规戈l 工作，本人结合多年从事水瓤管理实际工作经验，在参与上述研宄l ，作的过 程中完成了沂沭删流域江苏片水环境吞量研究。本研究二作复杂，任务重是亡e 裸题 组王超教授、郑天柱剐敷授等共同努力下完成，本人与课题组一起制定了研究技术 路线和容量计算上作，特圳是在水文设计条件分析、流域水利工程布局等荩础资料攻 集和分析做了具体t 作、 本论文针州圻沭泗流域江苏片水环境现状研究该地i 水环境容量，为更好地保 护水坏境，合埋砘用戊资源促进入与自然的和谐及地区社会经济的发展掰蔓务。 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 沂沭泗流域水资源较少，人均地表水资源量4 3 1 m 3 ，仅为全国人均水量的1 8 7 ， 不到世界人均水资源占有量5 ，是我国缺水比较严重地区之一，如何利用好有限的 水资源，对沂沭泗地区的社会经济发展十分重要。 沂沭泗流域江苏片位于沂沭泗流域的下游，涵盖徐州、宿迁、连云港等三市十一 县1 8 2 0 ，多万人口，沂、沭、泗诸水是供给该地区工业、农业和生活用水的水源。随 着国民经济的可持续发展，人民生活水平日益提高，用水量亦越来越大，水资源的短 缺矛盾日益突出，而水污染进一步加重了水资源紧缺。为了保证该地区社会经济的可 持续发展，合理地利用水资源，必须对水资源进行有效地保护。这关系到广大人民饮 用水源的质量，关系到广大群众的身体健康。 为了有效地控制该地区的水污染，必须合理地确定各河流水系的水环境容量，这 是一项基础性的工作。综合国内外的经验教训，结合我国的国情，水污染控制应着眼 于水污染人工防治与合理利用自然水环境容量相结合的技术路线，实径浓度控制和总 量控制相结合的管理制度，污染物总量控制是重要的技术基础。而总量控制的核心问 题是要仔细研究水环境对污染物的容纳水平，即水环境容量。 在理论上，环境容量是自然的环境因素与社会效益参数的多变量函数，它反映污 染物在环境中的迁移、转化和积蓄的规律，也反映满足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，是环境规划的主要约 束条件，也是污染物总量控制的关键参数。河流的污染物总量控制，也是以河流的水 环境容量为依据a 河流流域污染源治理方案比较、排污收费、治理补偿等管理手段， 都是在环境容量已知的基础上才能实施的。因此，流域水环境容量的预测对于水环境 管理是十分重要的。 1 2 研究目标 1 、在现状调查分析的基础上。结合江苏省地表水( 环境) 功能区划( 2 0 0 3 ) 要 1 求，选取典型年设计水文条件，建立河网流量、水质计算模型。 2 、计算沂沭泗流域江苏片2 0 1 0 年和2 0 2 0 年地表水环境功能区划河流的水环境 容量，为该地区污染物总量控制方案制定提供科学依据。 1 3 主要研究内容 本研究在收集研究沂沭泗流域江苏片相关资料和水环境数学模型应用现状的基 础上，对该地区水环境容量有针对性的提出相应计算方法，建立计算模型，进行水环 境容量的计算。具体工作内容如下： 1 、收集和调查该地区的基本资料。包括降雨等气象资料、河道水文资料、点污 染源资料和河流水质监测资料等：在此基础上，采用统计方法进行整理分析，筛选重 点污染源和功能水域，为河流污染评价和水污染控制做准备。 2 、水环境现状调查及评价。调查该地区各市排污现状和污染源分布，水质控制 断面，各市污染控制规划，对水环境现状进行评价，并确定水环境保护目标。 3 、研究设计水文条件，确定计算方案。 4 、对各主要控制单元进行河网概化，建立河道流量计算模型，并进行模型率定。 5 、建立水环境容量模型。选取水质综合降解系数。 6 、对沂沭泗地区各控制单元主要河道进行水环境容量计算。 1 4 研究依据 1 、中华人民共和国环境保护法，1 9 7 9 年9 月 2 、中华人民共和国水法，2 0 0 2 年8 月 3 、中华人民共和国水污染防治法，2 0 0 0 年3 月 4 、国务院关于环境保护若干问题的决定，国发( 9 6 ) 3 l 号 5 、国务院关于环境保护“九五”计划和2 0 1 0 年远景目标的批复 6 、江苏省环境保护条例，1 9 9 3 年1 2 月2 9 日 7 、江苏省地表水水域功能类别划分，江苏省人民政府，2 0 0 3 年3 月 8 、江苏省建设项目环境保护管理办法实施细则，江苏省环境保护委员会、计划 经济委员会、建设委员会，( 8 8 ) 0 1 号 9 、关于加强建设项目环境保护管理的若干规定，苏环委，f 9 8 ) 1 号 1 0 、江苏省排污口设置及规范化整治管理办法，苏环控( 9 7 ) 1 2 2 号 1 1 、地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 - - 2 0 0 2 ) 1 5 技术路线 制定技术路线，是开展课题研究的重要措施，是研究工作的重要环节。针对本研 究所涉及的理论领域，制定技术路线如下图1 1 所示。 图1 1 研究技术路线 3 第二章水动力数学模型与水环境容量研究概况 2 1 河网水动力模型研究概况与求解方法 河网问题虽然也是一维问题，但由于在分汊点处要考虑水流的衔接情况，增加了 问题复杂性，所以人们一般把河网问题单独提出来加以研究。在过去的几十年中，这 方面的研究已取得了很大进展，并且已经能直接应用于生产实际。 描述河网地区河道水流运动的基本方程组是s a i n t v e n a n t 方程组，包括连续方程 及动力学方程，属于非线性双曲线型偏微分方程组。它只适用于两端为结点的单一河 道，一般情况下只能用数值方法进行求解。目前，关于河网水量模型及其求解方法已 有较多的研究，主要可归纳为两种类型： 第一类方法是由法国j e a n a c u n g e 提出的( 1 9 7 5 ) ，该方法将河网区域根据其水力 特性，划分为若干个水力特征相似、水位变化不大的河网单元进行水力计算，取每个 单元几何中心的水位作为该单元的代表水位，求出各单元的代表水位及单元间的流 量，因此可简称为单元划分法。该方法适用于水力条件随时间和空间变化不大的河网 区域，如湖泊及小型水库较多的大型平原河网情况；而对计算区域内水位、流量变化 较大的河网则不适用，如汛期洪水急剧涨落、沿海感潮河网或溃坝情况。 第二类方法是将圣维南方程组应用于河网中的各河道及河道交汇点进行数值求 解，因此可简称为河道一节点法。该方法又可分为逐河道求解法，全河网直接求解法 及分级求解法： ( 1 ) 逐河道求解法一般适用于树枝状河网，河网中各河道水流方向保持不变，因 此可以从各河道的源头向下游逐河道进行计算，如美国的q u a l i i 模型( 1 9 7 3 ) 中的水 力计算方法。 ( 2 ) 全河网直接求解法是建立全河网中各河道所有河段( 或断面) 的隐式差分方 程组，求解该方程组可直接求得全河网各河段( 或断面) 的水力要素值，如中山大学 的河网非恒定流隐式方程组的稀疏矩阵解法( 1 9 7 7 ) ，曾应用于珠江三角洲河网的水流 计算。 ( 3 ) 分级求解法由荷兰的d r o n k e r s 提出( 1 9 5 5 ) ，该方法建立了河道及河道交汇点 的隐式差分方程组，将求解过程分结点及河道两级处理，从而在不降低计算精度的前 提下，使差分方程中的未知数压缩到只含各交汇点( 结点) 的水位与流量，节省了内 存单元。其思想是将问题归结为先求解关于交汇点( 节点) 未知数( 水位、流量) 的 方程组，然后再求解节点间各断面的水位、流量；目的是减少方程组中变量个数，从 而最终降低需要求解的线性方程组的阶数，以利于存储并减少运算量。该方法曾应用 于荷兰、美国加利福尼亚州等地的河口三角洲水网中。在该方法的基础上，一些研究 者曾先后提出类似的三级解法、四级解法等【1 】【2 1 。分级求解法可有效地减少求解的隐 式差分方程组稀疏矩阵的阶数，减少计算机内存的需求，节约计算时间。 在水量模型中，各河段糙率参数为模型待率定参数【3 】。糙率的精度直接影响着水 量模型的计算精度。天然河道的糙率与很多因素有关，如河床沙、石粒径的大小和级 配、沙坡的形成或消失、河道弯曲程度、横断面形状的不规则性、深槽中的潭坑、滩 地上的草木、河槽的冲积以及整治河道的人工建筑物等。这些复杂的因素不仅沿河道 的长度变化，而且在同一河段上也随水位的变化而不同。糙率还与水流的含沙量有关。 当含沙量较小时，糙率较大，随着含沙量增加，糙率减小。 由于影响河道糙率的因素比较复杂，通常采用试错法进行率定，即根据某些断面 实测的水位资料或流量资料，反复调试各河段的糙率，使得计算的水位或流量过程充 分接近实测的水位或流量过程。 2 2 水质模型研究概况 水质模型是描述水体中污染物随时间及空间变化规律的一种数学模型，是进行天 然水体水质模拟的主要工具，可以为水质预测、水污染综合治理等提供理论依据。对 于较小的河流，大多利用一维水质模型进行计算，即可达到相当的精度；但对于大、 中型河流，也有采用二维水质模型进行水质计算。 2 2 1 水质模型在水环境研究中的意义 目前，控制水环境污染的方法很多，对水环境质量的预测已成为开展环境规划管 理、进行污染综合防治的一项重要措施。但是在某一河流系统内，若想通过实地试验 直接获得各种有关水质变化预测的资料，一般来说是不可能的。因为在自然状态下进 行这类试验，需消耗巨大的人力、财力和物力；而且，实验模型的对象往往具有局部 性，适应性也较差，大多数实验模型很难较准确地模拟和再现水环境的复杂问题，对 于预测也不易给出令人满意的结果。比如对于河网地区，由于模拟范围较大，一般只 能采用数值方法进行模拟。 所以，在实际工作中，人们往往采用“数学模拟”的方法来研究水质的变化规律。 这种研究方法是根据实际监测资料所提供的部分信息，通过逻辑推理、数理分析建立 起能够代替真实系统的模型，然后采用这种数学模型进行水质变化规律的研究。数学 模型针对不同的问题灵活多变，当与高速计算机和数值计算相结合时，运算速度又快 又准确，并可不受试验模型中相似准则的限制，具有较大的灵活性和适应性【4 】。 由于数学模拟经济、灵活的优点，国际上对数学模拟水环境污染给予了普遍的重 视，认为具有相当的真实性，可以为环境规划管理和水环境质量预测提供依据。目前， 利用水质数学模型进行水质变化规律的研究，既是水环境科学研究的内容之一，又是 水环境研究的重要工具。研究水质模型可有助于深入了解水体水质迁移转化的机理； 预测废水排入天然水域后的水质浓度场；对水环境质量进行定量的模拟与预测，由此 对区域开发和建设项目进行水环境影响评价；计算水环境容量和污染物允许排放量； 制定区域水污染物总量控制方案或控制规划；实施水环境目标管理等。总之，水质模 型的研究是开展环境影响评价、环境规划、环境管理和水污染综合防治等多项工作必 不可少的基础和前提【3 】【4 】i s 。 2 2 2 水质模型的发展概况与分类特性 水质模型是定量描述污染物在水环境中迁移转化规律及其影响因素之间相互关 系的数学描述。在一个较综合的水质模型中，有许多影响水体水质的因素，如物理的、 化学的、水力学的、生物学的以及气象学的因素，因此水质模型的研究实际上又是一 项多学科交叉起来的综合研究，涉及到水环境科学的许多基本理论问题和水污染控制 的许多问题，其发展在很大程度上取决于污染物在水环境中的迁移、转化和归宿研究 的不断深入，以及数学手段在水环境研究中应用程度地不断提高悯。 2 2 2 1 发展概况【4 】f 7 】【8 】 自1 9 2 5 年s t r e e t e r - - p h e l p s 在o h i o 河第一次建立河流水质模型以来，水质模型 的形成和发展已经历了半个多世纪，主要是以下四个发展阶段： ( 1 ) 两变量的线性系统模型( 1 9 2 5 年1 9 6 5 年) ，对河流或河口生物化学需氧量 和溶解氧( b o d - d o ) 进行一维水质模拟，适用于河流或河口的一维水质模拟( 模型的 结构如图2 1 所示) ； 6 ( 2 ) 六个变量的线性系统模型( 1 9 6 5 年1 9 7 0 年) ，对两变量的线性系统进行 修正，建立了包括d o 、b o d 、有机氮、n h 3 一n 、n 0 2 一n 和n 0 3 一n 六个成分的线 性系统模型，适用于河流、河口、湖泊及海湾的一维、二维水质模拟( 模型的结构如 图2 | 2 所示) ； ( 3 ) 非线性系统模型( 1 9 7 0 年1 9 7 5 年) ，在水生生态系统中因营养物的排放， 刺激了有机物的生长和繁殖，使水体富营养化问题日益突出。这类模型涉及到营养物 质磷、氮的循环系统，浮游植物和浮游动物系统，以及生物生长率同这些营养物质、 阳光、温度的关系，浮游植物和浮游动物生长率之间的关系。这些关系都是非线性的， 适用于河流、河口、湖泊及水库等水域的一维、二维水质模拟，一般只能用数值法求 解( 模型的结构如图2 3 所示) ； ( 4 ) 多元交互系统的多维模型( 1 9 7 5 年以后) ，包括水生生态系统生物量和水中 有毒物质的积累与转化的交互，水质与底质的交互、水相与固相的交互等方面。适用 于河流、河口、湖泊、水库及海湾等水域( 模型的结构如图2 4 所示) 。 污水 底部耗氧 光合作用与呼吸增氧 图2 11 9 2 5 - 1 9 6 5 两个线性系统 图2 21 9 6 5 1 9 7 0 六个线性系统 ：氮的循环 一一一一_ 一一一_ _ - - 一一一一_ - - - 一一一一一 圈2 319 7 0 - 19 7 5 相互作用的非线性系统 生物 有毒物质 图2 4 1 9 7 5 年以后多种相互作用的系统 目前，水流一水质计算模型由零维、一维稳态模型向二维、三维动态模型发展； 被模拟的状态变量不断增多，由开始的几个增加到二三十个，模拟的变量由非生命物 质如“三氧”( 溶解氧、生物化学需氧及化学需氧) 、三氮，( 氨氮、亚硝酸盐和硝酸 盐氮) 等等向细菌、藻类、浮游动物、底栖动物等水生生物发展：应用范围由河流、 水库、湖泊等单一水体向流域性综合水域发展；计算的时空网格数几何增长：地理信 息系统也已经开始在水质模型中应用。国内外的水质模型很多，国外常用的水流一水 质模型有美国环境保护局研制的q u a l 2 ，w a s p 5 及b a s i n s ，美国陆军工程兵团研 制的c e - q u a l r 1 ，c e - q u a l r i v l ，c e q u a l w 2 及w q r r s ，美国地质调查局 研制的g e n s c n 和m m s ，丹麦水力研究所研制的m i k e l l ，m i k e 2 1 ，m i k e 3 及 m i k es h e 等【9 1 。 水质模型在理论上，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，从最初的城市排水工程设计发展到现在的污染物水环境过 程模拟、水环境质量评价、污染物水环境行为预测和水资源科学管理规划等水环境保 护的各个方面；在研究方法上，从最初的解析解和浓度表达发展到现在的以人工神经 网络模拟辅助解析，以及与地理信息系统( o l s ) 相结合的数值解，这些成果都极大地 推动了水质模型在环境管理技术中的现代化发展【7 】。 2 2 2 2 分类特性【7 1 随着水环境污染的日趋加重和水资源保护工作的需要，人们对各种类型的水体都 进行了研究，并提出了许多类型的数值模型用于河流、河口、水库以及湖泊的水质预 报和管理。根据其用途、性质以及系统工程的观点，大致有以下几类： i 、从迁移转化机理方面分 ( 1 ) 扩散模型：对于非均质水体中的物质迁移，仅考虑因水流动力学作用而发生 的扩散混合过程： ( 2 ) 生化模型( 亦称化学反应模型) ：模拟对水中物质的化学和生物化学作用的 模型； ( 3 ) 生态模型：用来模拟水生生态系统，着重于模拟水体中植物营养素( 碳、氮、 磷) 的循环转化和水生生物( 细菌，藻类) 生长量的变化。 2 、从水质成分方面分 ( 1 ) 溶解氧模型：模拟溶解氧的源与汇之间的反应动力学关系； ( 2 ) 氮转化模型：描述水中氮的硝化与脱氮作用的动力学过程： ( 3 ) 温度模型：模拟水体中热输运过程中的热平衡： ( 4 ) 指示细菌( 病原体、病毒) 模型：用来模拟了解水体中细菌的分布和浓度衰 减规律； ( 5 ) 富营养化模型：模拟天然水体因有机的和无机的营养成分的输入促使水生植 9 物和藻类大量繁殖，从而干扰水体的开发和利用： ( 6 ) 有毒物质模型：模拟有毒物质在水体中将因水流、水生生物有机体和化学反 应等作用，形成新的化学形态和空间分布。 3 、从地域分布方面分 ( 1 ) 河流或河口模型：考虑河口因潮汐作用而引起的反复流机制。 ( 2 ) 湖泊或水库模型：其特点是水域开阔，流速缓慢，而且浅水湖泊容易发生富 营养化问题。 ( 3 ) 地下水模型：描述地下水水质的源与汇关系。 ( 4 ) 溢流径流模型：模拟面污染源的影响，包括流域上的泥沙侵蚀、农药化肥、 大气降落物、街道垃圾等的影响。 ( 5 ) 混合带模型：广义的混合带是指从排放口算起直至物质流纵向一阶导数为零 处，在这个区域内浓度有着显著变化特征。这类模型将直接为选择和评价排放口的形 式和位置服务，是设计计算排放口工程不可缺少的工具。 在众多水质模拟中，比较先进、应用较多的有美国7 0 年代初期的多变量水质模 型q u a l i 、7 0 年代中期的非恒定水质模型q u a l i i ，但q u a l - i i 模型没有考虑水 体处于缺氧、厌氧状态下的差别，不能计算网状河道及存在逆流情况的水量、水质变 化规律，且没有c o d 方程。随着8 0 年代美国国家环保局的水质模型w a s p 系列的 出现，特别是其1 9 9 3 年的新版本w a s p 5 的出现，使得水质模拟的功能越来越全面。 w a s p 5 是动力箱式模型，模拟范围包括水生生态系统生物量和水中有毒物质的积累 与转化的交互，水质与底泥的交互等方面，考虑了污染物在水体中的对流、扩散和转 化的时空变化规律，具有处理点源、面源及边界交换的功能，我国许多学者在这方面 也进行了大量的研究工作【7 】。 2 3 水环境容量研究概述 污染物质排入水体后，水中物质组成发生变化，破坏了原有的物质平衡。污染物 质参与水体中的物质转化和循环，随水流稀释浓度并进行扩散、迁移、吸附、沉降过 程。经过相当长的时间和距离，污染物质通过一系列水体的物理、化学和生物作用被 降解后，从而使污染物衰减。这样，水体又基本上或完全恢复到原来未被污染的生态 平衡状态，这个过程体现出水体的自然净化污染物的能力，即水体自净能力1 0 】【1 1 】 1 2 】。 然而，水体自净能力是有限的，水体不能无限量的包容一切。当污水量过大或污 1 0 水源口密集出现，有机物来量太多，导致水体受到严重污染或重复污染后，水体中的 溶解氧就会消耗太快，大气复氧过程补充不上，水体中原有的溶解氧将会耗尽，水体 就出现缺氧或无氧状态。有机物的分解将从有氧分解转为无氧分解。有机物中的硫元 素被转化为硫化氢，它与水中的金属元素结合，形成黑色硫化物，散发出恶劣臭气。 这时水体的污染程度就大大超过了水体的自净能力，如不加人为措施，水体水质就难 以自然净化。 因此，排放的污染物总量以不超过环境的净化能力为限度，环境才可以恢复到原 来的平衡状态，否则，就要造成环境污染。为保护某一水域的水质，必须将其污染负 荷总量限制在水域本身固有的自然净化能力范围之内。为此，环境容量的概念于1 9 6 8 年由日本科学界提出来，到1 9 7 5 年，从定性的概念发展到定量化。近年来，随着社 会经济发展和科技进步，水环境容量问题日益引起人们注意。 水环境容量【1 3 】1 1 4 1 【1 5 】【1 6 1 系指某一水体能维持住某种水质标准的某污染物最高允许 排放量。理论上，水环境容量是环境中的自然规律参数，它反映水中各种物质在水体 中的迁移、转化积存规律，也反映满足特定功能或要求条件下水体对污染物的承受能 力；在实践中，水环境容量是污染物总量控制的关键参数，是水资源利用规划的主要 约束条件，也是水体在一定区域范围内环境目标管理的基本依据。 2 3 1 水环境容量的定义 水环境容量是指一定的水体在规定的水质目标下，所能容纳的最大污染物量【5 1 【1 8 j 【1 9 1 。 废水或污染物进入水体后，主要产生两个相关联的过程：一是水质恶化过程：二 是水体净化过程。水体污染的发生和发展，要视这两个过程进行的强度，这与污染物 性质、污染源大小和水体及其相互作用有关。对于接纳废水的某一局部水域来说，其 污染与自净过程与一条河流大致相似。废水进入水体后，污染与自净过程同时开始： 距排放口近的水域，污染过程是主要的，表现为水质恶化，形成严重污染区；而在相 邻的下游水域，自净过程得到加强，污染过程的强度有所减弱，表现为水质有所好转 ( 相对严重污染水域而言) ，形成中度至轻度污染区域；在轻度污染区域之下的水域， 自净过程是主要的，表现为废水( 或污染物) 经水体物理、化学和生物作用，污染物 质或被稀释或被分解或被吸附沉淀，水质被恢复到正常状态。 所以，水体环境容量的大小与水体特征、污染物特征以及水质目标有关，这些因 素直接影响入流污染物的稀释能力，以及污染物质在水体中的时空分布。 1 1 水体特征与水环境容量 水体特征包含一系列自然参数，如：水系与流域参数( 形状、大小) 、水情参数 ( 流速、流量、水温、水化学、泥沙) 、水体的自净参数( 物理、化学及生物自净) 等。这些自然参数决定着水体对污染物的扩散稀释能力和自净能力，从而决定水环境 容量的大小。 污染物特性与水环境容量 因不同污染物对水生生物的毒性作用及人体健康的影响程度不同，则允许存在于 水体中的污染物量也不同。因此，针对不同污染物有不同的水环境容量。 水质目标与水环境容量 水体对污染物的纳污能力，是相对于水体满足一定的用途和功能而言的。所以， 水体的用途不同，则允许存在于水体中的污染物量也不同。因此，每类水体所允许的 水质标准将影响水环境容量的大小。 某一水域的水环境容量大小。实质上是各种因素的综合影响结果。因此，通过人 类活动使某一影响因素发生变化时，某一水域的水环境容量也会产生相应的变化，例 如：可通过工程措施进行调水，将水质较好的河道水流引入污染严重的河道，以增加 水环境容量，达到改善水质的目的。 2 3 2 水环境容量的分类 污染物进入水体后，随水流发生对流输移、稀释扩散及降解作用，根据不同的机 理可将水环境容量划分为5 l ： 输移容量 污染物在水体中随水流运动产生的输移量，即水体通过流动输送到下游河道的污 染物量，因此输移容量的最大值是流量与水质标准浓度的乘积。 稀释容量 当水体中的本底水质浓度低于水质标准浓度时，由于对流及扩散作用( 紊动及分 子扩散) ，使排入的污染物逐渐均匀分布至整个水体，其浓度达到标准浓度限值时水 体增加的那部分污染物容量。稀释容量在数值上等于标准浓度时的输移容量与本底浓 度时输移容量的差值，故也称差值容量。 自净容量 污染物在水体中由于物理、化学、生物作用产生降解，即通过水体对污染物的自 净作用而获得的环境容量，如耗氧有机物由于生化作用而被降解等。自净容量是可以 1 2 不断再生并加以开发利用的，因此是水环境容量中最重要的部分。河流的自净作用是 一个相当复杂的过程，对不同的污染物具有不同的自净作用。因此，在研究河流的自 净容量时，应有针对性的去研究某一种( 或一类) 污染物的自净容量。 2 3 3 水环境容量计算 水环境容量的分析计算，就是要充分了解河流水质变化规律和河流允许接纳污染 负荷的最大能量，避免盲目排放，有目的的控制排放量。针对不同的实际情况，研究 者们选用了相应的计算方法。刘兰芬等人【2 0 】针对中小河流河宽和深度相对较小、污染 物在断面上分布较均匀的特点，对其水环境容量的预测方法及必须考虑的条件进行了 研究，提出了套河流水环境容量的预测模式。周孝德等人( 2 l 】提出了一维稳态条件下 计算水环境容量的3 种方法，即段首控制方法、段尾控制方法和功能区段尾控制方法。 通过对渭河干流环境容量的计算，分析比较了各方法的优劣及其相互联系，阐明了各 方法的物理含义及其适用条件。计算结果证明了各方法的可靠性。韩进能田l 以一维对 流扩散方程，大涡模拟以及有限差分的格式为依据而建立起来的一维水质动态模型， 不但有可靠理论，通过将其应用到南方某一河流段近8 k m 河段的动态c o d 容量计算， 也获得较合理的结果，为应用于天然河流的水质规划，水环境容量分析计算提供了一 定的依据。鲍全盛等人【2 3 1 根据河流水环境容量丰裕度指数、紧缺度指数及季节变差系 数的地域分异规律，依据区内相似性和区间差异性的基本原则，将我国除台湾省以外 的区域划分为四个环境容量区和9 个水环境容量亚区，并分别研究了个区容量赋存数 量多寡、开发利用强调及季节变化程度与该区水质污染之间的内在联系。结果表明， 丰裕度指数的低值与紧缺度指数和季节变差系数的高值向耦合( 即负耦合) 的容量区 内，河流水质污染严重；相反，则水质污染比较轻微。此外，文章还结合各容量区的 实际情况，探讨了相应的水污染控制、管理策略。钟成华等人 2 4 1 根据特定的水环境容 量定义，推导出计算长江嘉陵江重庆干流段和城区段水环境容量的数学模型，并对计 算条件进行了叙述，同时对计算出的水环境容量时空分布也作了较详细的分析。李茂 军等人1 2 副采用一维稳态水质模型，分析牡丹江水环境容量，以反映牡丹江水系的河道 特性，用于江段水质模拟和预测，以期预测水质的时空变化，为牡丹江水质改善及水 资源管理提供依据。董梅等人【2 6 】参照一维河流( 河口) 有