（环境工程专业论文）汾河太原城区段水环境容量的研究.pdf

太原理工大学硕十研究生学位论文 汾河太原城区段水环境容量的研究 摘要 论文以山西省基金项目“干旱地区河流水质数值模拟”的研究为背 景，针对汾河太原城区段接纳污水量多、污染严重、水质恶化的问题， 选汾河太原城区段水环境容量的研究为题。从汾河太原城区段的自然形 态结构、水文特征出发，以该河段水质现状监测分析及评价为基础，将 水质模型的选取、按物料平衡法原理对汾河太原城区段水环境容量进行 定量化的计算及对该河段减污增容的情景设计作为主要内容进行研究。 研究具有一定的理论意义和实用参考价值，主要研究成果： ( 1 ) 通过对汾河太原城区段水质监测数据的分析，掌握了该河段的 污染现状和各支流及排污口所接纳污水的基本参数。基于汾河太原城区 段的监测结果，采用单项污染指数评价法对河流水质进行了评价，由此 确定该河段的主要污染问题及主要污染因子。 ( 2 ) 针对汾河太原城区段的水文特征，建立了一维水质模型，并进 行了参数的率定和模型的验证。在此基础上应用物料平衡法确定了该河 段水环境容量的定量化模式，通过水环境容量的计算结果确定了汾河太 原城区段的污水允许排放量，并根据各支流及排污口所接纳污水量，计 算出主要污染物的削减比例和削减量。研究中，引入预留容量的概念是 太原埋上人学硕士研究生学位论文 对干旱地区水环境容量研究的新的理念。 ( 3 ) 首次将情景分析法应用到汾河太原城区段减污增容的研究中， 提出情景目标、不同目标下的情景设计和具体的实施方案，进行水质目 标可达性和实现情景目标费用的综合分析，确定最优方案。 关键词：汾河太原城区段，水环境容量，情景分析，水质模型 r e s e a r c ho nt h ew a t e re n v i r o n m e n t a l c a p a c i t yi nt a i y u a nu r b a n s e c t i o n o ff e nr i v e r a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nb a s eo nt h ef u n di t e mo fs h a n x it h a tt h er i v e rw a t e r q u a l i t ys i m u l a t i o ni na r i da r e ai si n v e s t i g a t e d i ta i m e da tt h ef e nr i v e ro f t a i y u a nu r b a ns e c t i o n ，w h i c ht a k e so nl a r g ea m o u n to fs e w a g e s ，t h er i v e ri s p o l l u t i n gb a d l ya n dt h ew a t e rq u a l i t yi sd e t e r i o r a t i n g a n dt h es u b j e c t o fi ti s w a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo ff e nr i v e ri nt a i y u a nu r b a ns e c t i o n t h e c e n t r a lc o n t e n ti sb a s e do nt h ea n a l y s i sa n de v a l u a t i o no ft h ef e nr i v e ro f t a i y u a nu r b a ns e c t i o nc o n s i d e r i n gt h en a t u r ec o n f i g u r a t i o na n dh y d r o g r a p h i c c h a r a c t e ro ft h i ss e c t i o n t h ep r i m a r yc o v e r a g e sa r et h es e l e c t i n go fw a t e r q u a l i t ym o d e l a n dq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y , a s w e l la st h es c e n e d e s i g n o f d e c r e a s i n gp o l l u t a n t s a n d i n c r e a s i n g e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y s ot h e r ea r ei m p o r t a n tt h e o r ym e a n i n ga n dr e f e r e n c e d i i i 太原理l 人学硕士研究生学位论文 v a l u ei np r a c t i c a l i t y t h em a i ni n v e s t i g a t i o n sb e l o w ： ( 1 ) t h ew a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gd a t u mo ff e nr i v e ro ft a i y u a nu r b a n s e c t i o na r e a n a l y s e d a n dt h eb a s i c p a r a m e t e r s o fp o l l u t i o na n ds e w a g e c a p a c i t yo fd r a i n sa r ee s t a b l i s h e d t h ev a l u em e t h o do fs i n g l ep o l l u t i o n e x p o n e n ti su s e df o rv a l u a t i n gt h ew a t e rq u a l i t yo ft h i sr i v e ra c c o r d i n gt ot h e m o n i t o r i n gr e s u l t s a n dt h e nm a k es u r et h em a i np o l l u t i o np r o b l e m sa n d p o l l u t i o nf a c t o r s ( 2 ) t h eo n ed i m e n s i o nw a t e rq u a l i t ym o d e li s s e tu pb a s i n go nt h e h y d r o g r a p h i cc h a r a c t e ra n dt h ep a r a m e t e r sa n dm o d e la r ev a l i d a t e d a n dt h e q u a l i f ym o d eo fw a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yi nt h i ss e c t i o ni sm a d es u r eb y a p p l y i n gm a t e r i e le q u i t ym e t h o df o l l o w e da b o v e t h ec a p a c i t yo fs e w a g e v o l u m ei nf e nr i v e ro ft a i y u a nu r b a ns e c t i o ni sa b t a i n e da c c o r d i n gt ot h e r e s u l t 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 er e d u c t i o nr a t i oa n da m o u n to f s e w a g e sa r e w o r k e do u t f o l l o w i n gt h es e w a g e si n t a k ec a p a c i t y i ne v e r y t r i b u t a r i e sa n dd r a i n s t h ec o n c e p to fo u t a g ei si n d u c e dd u r i n gr e s e a r c h e s ， w h i c hi san e wt h e o r yf o ri n v e s t i g a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yi n a r i dr e g i o n s ( 3 ) t h es c e n ea n a l y t i c a lm e t h o di sa p p l i e dt ot h es t u d y i n go fr e d u c i n g p o l l u t a n t sa n di n c r e a s i n gv o l u m ec a p a c i t i e si nf e nr i v e rf i r s t l y i na d d i t i o n ， t h es c e n et a r g e t s ，s c e n ed e s i g n si nd i f f e r e n ta i m sa n ds p e c i f i ci m p l e m e n t i v 太原理t 大学硕+ 研究生学位论文 s c h e m e sa r ep u tf o r w a r d a n dt h e nt h ep r o b a b l ea c h i e v i n go fw a t e rq u a l i t y t a r g e t s a sw e l la st h ec o s tf o ri m p l e m e n to fs c e n e t a r g e t s a r ea n a l y s e d s y n t h e t i c a l l y t h eo p t i m u ms o l u t i o ni se s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：f e nr i v e ri nt a i y u a nu r b a ns e c t i o 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 y ，s c e n a r i oa n a l y s i s ，w a t e rq u a l i t ym o d e l v 声明 y9 7 9 3 s 2 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取碍的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含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 做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：堡丝日期： h 一r 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名纩强 导师签名： 日期： 、沁6 。r 太原理t 火学硕士研究生学位论文 第一章概述 水是生命的摇篮，是地球上不可替代的自然资源，更是人类生活和生产不可缺少 的最基本的物质。达芬奇曾有一句名言：“水是自然的驾驭者。”世界上几乎没有一 个文明发源地是脱离可供水源而发展起来的，中国的黄河、埃及的尼罗河等都曾孕育 了伟大的人类文明 “。然而二十世纪以来，随着科学技术的进步、社会生产力的提高 和城市的迅猛发展，人类社会达到了新的高度，创造了前所未有的物质财富。人类在 推进社会文明发展进程的同时，也为自身带来了日益突出的全球性重大问题：人口剧 增、资源过度消耗、生态环境恶化等等。其中对水的需求量是越来越大，同时又将产 生出的大量污染物排入水体，造成水体的严重污染，使得本来就不充足的水资源更加 稀缺。统计表明，全世界每年约有4 0 1 0 1 0m3 的污水排入江河湖泊，使占全球淡水 总量1 4 以上的可用水源受到污染，水资源的短缺已经成为现代社会发展和人类文 明建设的制约因素。1 9 9 2 年，在巴西里约热内卢召开的“世界环境与发展大会”上， 由1 0 0 多个国家的首脑共同通过的2 1 世纪议程中提到：“水不仅为维护地球的一 切生命所必需，而且对一切社会经济部门都具有与生活攸关的重要意义” 2 1 。然而人 类对水资源的需求不会就此减少，水污染程度也不会立刻得到改善，再加上水资源本 身的不均匀分布，使得全球都在面临着水资源危机，更加可悲的是这种状况会仍将持 续。 1 1 研究背景和研究意义 我国的水资源总量为2 8 万亿m 3 ，居世界第四位，而人均水资源量却只有2 2 0 0 i t l 3 ，约为世界人均的1 4 ，只排在世界第1 2 1 位，目前我国已被列入世界1 2 个贫水 国家名单之中3 1 。随着我国经济的持续增长以及城市化进程的不断加快，水体受污染 太原理人学硕十研究生学位论文 的程度也越来越严重，这又加剧了本来就已经很短缺的水资源。据统计，我国每天大 约排出8 0 0 0 力吨的工业废水，其中8 0 的污水未经处理就直接排入江河湖泊，目前 在我国7 8 条主要河流中，已有5 4 条河流受到不同程度的污染，全国河流中符合饮用 水、渔业用水标准的仅占1 4 1w 。全国6 0 0 多个城市中，缺水城市已达3 0 0 余个， 而其中1 1 4 个城市更是严重缺水 4 】。水资源的匮乏再加上水质性缺水已经严重阻碍了 我国社会的f 常发展，所以对水资源的保护更是刻不容缓【5 】。 山西省地处我国干旱半干旱地区，水资源十分贫乏，水资源总量居全国倒数第二， 是全国缺水最为严重的省份之一，有“十年九旱，年年抗旱”之说，所以干旱一直是困 扰山西经济发展的主要问题之一1 6 j 。进入8 0 年代后期，全省水资源总量严重衰减， 就1 9 8 5 1 9 9 0 年而言，水资源平均值只有1 0 3 x 1 0 mm 3 ，最干旱的1 9 8 51 9 8 7 年， 平均值只有o 9 2 x 1 0 1 0n 1 3 ，分别相当于多年平均数的7 2 和6 5 。其中河川径流量 的衰减尤为突出，历年河川径流量变化见图1 1 【7 】。与日益衰减的水资源相比，用水 量却迅猛增加，山西省近年需水量变化见图1 2 。 5 0 年代6 0 年代7 0 年代8 0 年代9 0 年代 图1 - 1 历年河川径流量变化图( 单位：1 0 1 0m 3 ) f i g u r e l - 1r u n o f f o f r i v e rc h a n g ei ns h a hx i ( u n i t ：1 0 ”m 3 ) 2 6 2 8 4 o l 1 o 0 太原理i ：火学硕十研究生学位论文 一。二一 1 9 8 7 年1 9 9 1 年1 9 9 5 年 2 0 0 0 年 图卜2 山西省近年需水量变化( 单位：10 ”m 3 ) f i g u r e1 2 t h ec h a n g eo f d e m a n d e d w a t e ra m o u n t i ns h a n x i ( u n i t ：1 0 1 。m 3 ) 汾河，作为黄河的第二大支流，流经大半个山西，一直以来被视为山西的母亲河， 它哺育了悠久灿烂的三晋文化，同时也是创造黄河文明的摇篮之一。历史上的汾河水 量曾经十分丰富，用来运送粮食和木材。汉武帝刘彻在秋风辞中形容汾河水是“泛 楼船兮济汾河，横中流兮扬素波”【8 1 。1 9 6 3 年政府组织经汾河往河津运粮食，这也是 汾河历史上最后一次航运。汾河流域是山西经济最发达、人口密度最高、城镇最集中 的区域，迅速增长的工农业和城市取水量使得汾河水量的大部分被消耗，河道实际流 量迅速减少【9 1 。其中，汾河太原城区段由北向南贯穿太原市区，自六十年代以来，除 上游的汾河水库放水和降雨期间外，就经常处于断流状态。目前太原市的污水排放量 约为7 0 1 0 4m 3 d ，而经过一级或二级处理的污水不足3 0 1 0 4m 3 d ，其余污水未经 任何处理就直接排入了汾河【l o 】。作为太原市区境内的主要河流，汾河一直在接纳太原 市的工业废水和生活污水，由于汾河太原城区段在常年多数时间内流量较小、丰水期 短，使得该段河流已经基本丧失自净能力【“】。所以，改善该河段水质并能够依靠自身 特性使本身功能不至于破坏的前提下可以接纳更多的污废水，就变得十分紧迫。因为 保护汾河水资源、促进汾河水资源的可持续利用将推动太原市经济建设的可持续发 展，是关系到太原市整体发展战略的关键因素之一。 对一个区域的水环境容量进行全面、系统、综合的分析，确定污染物最大允许排 放量，是排放水污染物总量控制的科学依据，是有效的保护和利用水资源的依据| l q 。 在这种形势下，开展水环境容量的研究，确定汾河太原城区段水环境容量，从而充分 3 2 8 4 o 1 0 o 太原理【：人学硕十研究生学位论文 利用水环境容量，制定合理的污染物排放总量控制目标及其在各行业和各地区问的分 配，使流域污染物的排放不超过城市水环境的承载能力，促进水环境保护和经济同步 协调发展，这无疑是一个具有重大现实意义的课题。本文正是以此为背景定题，从总 量控制的角度出发，将汾河太原城区段水域看成一个整体，根据水体的功能要求和污 染物的分布情况，进行满足该河段环境目标下的河流水环境容量及污染物削减量优化 等的研究。 1 2 水环境容量的研究进展 1 2 1 国外研究进展 国外学者对环境容量的描述大致经过三个阶段： ( 1 ) 环境容量的概念，最初来源于类比电工学中的电容量。认为环境容量是污 染物允许排放总量与环境中污染物浓度的比值。 ( 2 ) 环境容量是环境对污染物的自净同化能力。即环境容量( 自净能力) 是污 染物允许排放总量与该污染物在环境中降解速率的比值。 ( 3 ) 环境容量是最大允许纳污量。 其中，前两个阶段只是说明了自然环境对污染物所具有的环境容量，并没有考虑 人为活动及环境功能对环境容量的影响，只有第三个阶段考虑到了这些影响，其定义 已经接近了现代环境容量的概念。 环境容量的概念是日本学者在1 9 6 8 年最先提出的，并且以此为依据，在改善日 本水和大气环境质量状况的过程中，提出污染物总量控制的问题，即把一定区域内的 大气或水体中的污染物总量控制在一定的允许限度内。日本学者吉川博在环境工学 的系统化中提出：“环境容量是由自然还原能力、人工处理设施和人们对环境的意 见等所规定的整个生活圈内所允许的活动容量”，另一位日本学者矢野雄幸还提出： “环境容量是按环境质量标准确定的一定范围的环境所能承纳的最大污染物负荷总 量，。 4 太原理t 人学硕士研究生学位论文 欧美国家的学者较少使用环境容量这个术语，而是用同化容量、最大允许排污量 和水体容许污染水平等等。例如，前苏联水体法纲要中这样描述：“排入污水不 致于造成水体所含污染物质超过规定的标准”。美国、德国等国家也有类似的规定， 同时在水质模型开发、环境容量分配方面作了不少研究工作【1 4 。”。1 9 8 3 年1 2 月8f | ， 美国f 式立法，实施以水质限制为基点的排污控制路线后，世界各国也陆续对排放污 染物作了调整【1 8 】。对允许排放量的计算，国外一般是用随机理论和系统理论进行研究 的。e e k e r 【1 9 】、l i e b m a n 【2 0 】、l o u k s 【2 l 】将流量等参数作为确定性变量并建立模型对 超标风险下的污染负荷进行研究。f u j i w a r r a 等僻】贝0 把流量等作为己知概率分布的随 机变量，用概率约束模型研究污染负荷及其分配。d o n a l d 和e d w a r d 【2 州用一阶不确定 性分析方法将水质随机变量转化为不确定性变量，计算排污量。r e v e l l 【2 4 j 、t h o m a n n a n ds o b e l l 2 5 】将流量等参数作为确定性变量处理。另外，为了在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，它是为了适应水体在不同季节 对水质不同的要求以及不同水体对水质不同的标准要求，如在一年中水生生物产卵期 间实行了严格的溶解氧标准，而在其余时间则可实行另一水质标准，允许排污量在一 年内的不同季节有所变化。同时，美国有些地方还实行一种“变量总量控制”，它以 河流实测的同化能力来变更允许排放量，而不同于根据历史资料界定条件而得出固定 的排污限量，这更能充分利用水环境容量。 1 2 2 国内研究进展 我国环境界在七十年代引入环境容量的概念，并从七十年代后期开始对水环境容 量进行研究。 八十年代初期，我国在北京东南郊环境质量评价、黄河兰州段、图们江、松花江、 漓江以及渤海、黄海环境质量评价等项目中，在运用水污染自净规律、水质模型、水 质排放标准制定等数学方法的基础上，一些环境科学工作者从不同的角度，提出和应 用了水环境容量的概念。如，王华东等人把水环境容量分为两部分：即分为环境标准 与环境本底之差确定的基本环境容量和由该环境单元的自净能力确定的变动环境容 量，其中后者亦即同化容量【26 1 。在这一时期的研究中采用了s t r e e t e r o p h e l p s 模型、 5 太原理工人学硕十研究生学位论文 t h o m a s 模型、c a m p d o b b i n s 模型等，但是这些水质数学模型多数比较简单、研究内 容局限在耗氧有机物及部分重金属的环境容量上、研究空间多数是小型河流或大河的 局部区域、模型状态多数为稳态和准稳态、解法多数采用解析法。 “六五”和“七五”期间，我国环境晃对环境保护的一些项目进行了科学技术 的攻关，在这一阶段大大的加快了对水环境容量的研究。首先开展了主要污染物水 环境容量研究，根据我国水体的水文特征和经济发展特点，分别进行了“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”和“深圳河有机物水环境容 量研究”，并综合这些研究成果，提出了科学、全面、简明的水环境容量的定义，为 水环境容量理论研究和实际应用提供了广阔的天地。1 9 8 5 年以来，随着我国环境保 护事业的发展，全国一些重点城市和地区相继提出制定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，并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、富营养化生态模型、大规模系统优化规划模型等，污染 物研究对象从一般耗氧有机物和重金属，扩展到氮、磷负荷和油污染，研究范围也扩 大到大水系、河网化地区的研究，水污染物总量控制实用系列化分析、计算方澌口计 算程序也在全国大范围的推广和运用，至此我国的水环境容量理论和实践都有新的发 展。在“九五”计划和2 0 1 0 年远景目标中，实施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。 对于水环境容量的计算方法的研究，自从日本学者西村肇根据总量控制的基本原 则，首先给出了环境容量的定义表达式后，我国的环境保护人士也纷纷开始研究。汤 鸿霄、叶常明等最早给出环境容量的表达式，但是最初的这几种计算模式都是从定 义出发的，理论上存在不足。这之后的研究，大多以水质模型为基础，建立水环境容 量计算数学模式。周孝德等【2 8 】提出了一维稳态条件下计算水环境容量的三种方法，即 段首控制、段尾控制和功能区末端控制三种计算方法。万飚，吴贻名口9 】分析了河流环 境容量的常规计算方法，给出了修正的算法。之后蒲迅赤、赵文谦【3o 根据污染物在河 流中的扩散过程和发展的不同特点，将排污河段水体自净容量分段进行计算。针对不 同的河流，有很多人进行了计算，其中包括韩进能【3 l 】通过河流一维水质模型对水环 6 太原理一i ：人学硕士研究生学位论文 境容量进行计算、董梅等3 2 l 对山东小清河干流水环境容量的计算、钟成华等1 3 3 】对 长江、嘉陵江重庆段水环境容量的计算研究、陈燕华等【3 4 】对长江九江段水环境容量的 研究、李开明等口5 1 对东莞运河水环境容量优化的研究、梁荫【3 6 】对岷江都江堰段水环 境容量计算及水质综合评价，近年来还有张俊等【”1 对大枯河干流青岛段水环境容量研 究、田卫等【3 8 l 在浑江吉林省段水环境容量及其在总量控制中的利用研究、叶桂忠等 3 9 1 对漓江桂林市区段水环境容量的研究、宋策等对陕西汉江干流有机质环境容量 的研究、李建萍等4 1 对伊通河水环境容量与污染防治对策的研究、马文敏等【4 目对银 川市水环境容量的计算与分析、卢杰等【4 3 1 对山东淄河上游河段水质现状与水环境容量 的分析与计算，他们对我国不同的河流根据不同的水文情况和受污染情况选择了合适 的模型进行了计算。 1 2 3 汾河太原城区段水环境容量研究进展 干旱半干旱地区由于其降水量少、地表径流流量小，再加上污染严重，所以水环 境容量比较小，局部地区甚至为负值。由于其变化值也小，所以针对于干旱地区的河 流水环境容量的研究也相应比较少，近些年来研究较多的是黄河流域及其支流，例如 山西的汾河流域、陕西的渭河流域等，这些河流往往都是处在城市的工业区、经济开 发区附近，受污染程度较严重，水资源利用率低、用水量大而且又不足的区域。这些 河流往往在当地地表水资源中占主导地位，不仅是工农业生产的重要水源，而且是流 域内主要城市的供水水源。随着经济的发展，水资源的利用量不断增大，废水排放量 与日俱增，使水质恶化趋势有所扩展，污染程度加重，严重影响人民群众的身体健康， 制约当地的经济发展。在国家西部大开发战略中，研究这些区域重点流域水环境容量， 合理、充分发挥天然水体自净能力，是科学地制定该区域环境与经济协调发展的依据， 对保障该区域社会经济的可持续发展具有十分重要的意义。 太原市属于干旱半干旱地区，对于汾河太原城区段的水环境容量研究，太原市环 境科学研究设计院的吕志华1 1 0 1 、山西省古交市环境监测站的宣建国f l l 】、太原市环境 监测中心站的刘子川f l l 】等都曾进行过相关研究。其方法是将水环境容量分为两部分计 算，即稀释容量和自净容量，以小店桥断面为控制断面，取保证率为8 0 的设计流量， 7 太原理大学硕+ 研究生学位论文 分别以g b 3 8 3 8 8 8 地表水环境质量标准中的i i i 、v 类水体水质标准作为水质 的控制目标进行计算，得出汾河太原城区段各河段均无容纳能力，环境容量均小于实 际的纳污量。同时，针对汾河太原城区段的河流现状及受污染现状给出了几点建议。 他们的研究是对汾河太原城区段水环境容量的初期研究，对今后汾河太原城区段水环 境的研究仍具有现实的参考意义。但是研究也存在一些不足，他们只是选取c o d 和 b o d 作为主要控制因子进行计算，对目前汾河太原城区段氨氮超标严重的现象没有 进行充分考虑，因此反映出的问题相对来说不够全面。 1 | 3 论文研究的主要内容和技术路线 1 3 1 论文的主要内容 ( 1 ) 汾河太原城区段水质的现状分析：通过对该河段水质的研究分析，掌握该 河段水体受污染情况，为下一步进行的工作提供依据。 ( 2 ) 汾河太原城区段水质评价：定量的对该河段水质现状作出评价，提高对该 河段水质现状的深层认识，确定主要污染物，并对该河段环境容量的研究提供依据。 ( 3 ) 汾河太原城区段环境容量的研究：通过分析汾河太原城区段主要污染物的 迁移转化规律，应用河流水质数学模型对污染源排放量与水质指标的关系进行定量描 述，并据此分析污染物排放量增减对水环境容量的影响，为水污染治理提供依据。 ( 4 ) 汾河太原城区段减污增容的情景分析：提出对汾河太原城区段进行减污增 容的具体方案，为实施水污染物总量控制和河流污染治理奠定基础，为区域规划、管 理提供依据，为环境管理体系决策提供参考。 1 3 2 论文的技术路线 本文以汾河太原城区段( 玉门河一小店桥) 为研究区段，在水质分析、评价的基 础上，针对该河段水环境容量的研究较少的情况，计算其容量值，并以此为据，提出 该河段水环境的增容措施。具体技术路线参见图1 3 。 8 太原理l ：人学硕士研究生学位论文 图卜3 研究技术路线框图 f i g u r ei 一3t h ec h a r to f t e c h n o l o g yr o u t ef o ri n v e s t i g a t i o n 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章河流水环境容量的基本理论 水环境容量是基于对流域水文特征、排污方式、污染物迁移转化规律进行充分科 学研究的基础上，结合环境管理需求确定的管理控制目标。水环境容量既反映流域的 自然特征( 水文特征) ，同时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环境需求的不断提高而不断发生变化。 2 1 水环境容量基本概念 水环境容量是指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，单位时间内该水域所能容纳的污染物的量。水环境容量在实际应用中就是最大允 许纳污量，所以最大允许纳污量通常被作为实际水环境容量，而上面定义中提到的水 环境容量则为理论容量。但是两者还是有区别的：后者是指在排污口空间分布及排污 方式给定条件下环境单元所能允许排放污染物的量，另外允许纳污量不仅和水质标准 有关，还和污染源的时空分布有关。水环境容量既反映了流域的自然属性，同时也反 映出人类对流域水环境的需求。也就是说，水环境容量既体现出水文特性又体现出水 质目标。所以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。 2 1 1 水环境容量的分类 根据不同的应用机制，水环境容量分类如下【4 4 】： ( 1 ) 按水环境目标可分为自然水环境容量和管理水环境容量。两者都是将水体 的允许纳污量作为水环境容量的，只是前者是以污染物在水体中的基准值为水质目 标，后者则是以污染物在水体中的标准值为水质目标。很明显，管理环境容量不仅反 1 0 太原理j f ：人学硕士研究生学位论文 映出了水体的自然属性，而且还反映出人为的约束条件和社会因素的影响。 ( 2 ) 按污染物性质可分为可降解有机物水环境容量、难降解有机物水环境容量 和重金属水环境容量。可降解有机物也就是耗氧有机物，由于其本身可以在水体中被 氧化，所以有着较大的环境容量；难降解有机物和重金属类污染物属于保守性污染物， 它们在水体中很难被分解或根本不能被分解，所以要慎重利用该类污染物的水环境容 量。 ( 3 ) 按污染物降解机理可分为稀释容量和自净容量。天然水体对污染物有一定 的同化自净能力，当水体通过物理稀释作用使污染物达到水质目标时，所能容纳污染 物的量就称为稀释容量，所以根据水体流量、污水排放量以及排放浓度的不同又可以 将稀释容量分为定常稀释容量和随机稀释容量。水体除了具有稀释能力外，还可以通 过物理的、化学的生物的作用使污染物发生降解，由这些作用使水体具有的容纳污染 物的容量就是自净容量。 ( 4 ) 按容量的可再生性分为可更新容量和不可再生容量。前者指的就是上面所 提到的水体对污染物的降解自净容量或无害化容量，可以永续利用，但是如果对它超 负荷利用，同样可以造成水环境的污染。而不可更新容量则是说水体对不可降解或只 能微量降解的污染物所具有的容量，对于这样的容量，应该给与足够的保护，使污染 物在其源头得到控制。 水环境容量分类图参见图2 1 。”。 2 1 2 水环境容量的特征 ( 1 ) 资源性 水环境容量是一种自然资源，其价值体现在对排入污染物的缓冲作用，即容纳一 定量的污染物。同时也能满足人类生产、生活和生态系统的需要。但是水域的环境容 量是有限的，是可以被耗尽的，尽管有一部分是可再生的，然而一旦污染负荷超过了 其最大容量，其恢复将十分缓慢和艰难。所以必须弄清楚水体对污染物的承受能力， 来确定容量保护和利用的界限。 ( 2 ) 区域性 太原理f ：大学硕士研究生学位论文 由于受到各类水域的水文、地理、气象条件等因素的影响，不同水域对污染物的 物理、化学和生物净化能力存在着明显的差异，从而导致水环境容量具有明显的地域 性特征。我国地域广阔，气候多样，不同区域的环境容量特异性很强。除此之外，人 为社会环境特征也对水环境容量有一定的影响。 ( 3 ) 系统性 河流、湖泊等水域一般处在大的流域系统中，水域与陆域、上游与下游、左岸与 右岸构成不同尺度的空问生态系统，因此，在确定局部水域水环境容量时，必须从流 域的角度出发，合理协调流域内各水域的水环境容量。一个城市、一条支流是流域系 统中的一个要素，水环境容量既要考虑本区条件，同时还要兼顾流域整体特征。 ( 4 ) 差异性 水环境容量不是抽象的，而是针对某一类污染物的一个具体的概念。不同性质的 污染物，在水体中的迁移转化程度就会不同，最终体现出来的就是水环境容量对各类 污染物的不均衡。例如，耗氧污染物的水环境容量很大，而重金属的水环境容量则很 小。 水 环 境 容 量 图2 - 1 水环境容量的分类 f i g u r e2 - 1t h es o r to f w a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y 1 2 更新 容量 不可 更新 容量 太原理工人学硕士研究生学位论文 21 3 水环境容量的影响因素 ( 1 ) 水域特性 水域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、 水深或体积等) ，水文特征( 水体流量、流速、降雨情况、地表径流等) ，物化性质( 挥 发、扩散、沉降、硬度、p h 值等) ，自净能力( 稀释、吸附、氧化、水解、光合作用 和呼吸作用等) 等。 ( 2 ) 环境功能要求 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 出了不同的水质功能要求。不同的功能区划，对水环境容量的影响也很大。对同一水 域而言，水质的要求越高，水环境容量就相对越小；水质的要求越低，水环境容量就 会相对越大。比如对于c o d 的水环境容量来说，要求达到u i 类水域时的水环境容量 仅为要求达到v 类水域时水环境容量的一半。 ( 3 ) 污染物质 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， 但这也不是绝对的，在它们之间也会具有一定的相互关联和影响，提高某一种污染物 的环境容量就有可能会降低另一种污染物的环境容量。所以，对于单因子计算出来的 环境容量应作一定的综合影响分析，较好的方式是联立约束条件同时求解各类需要控 制的污染物质的环境容量。 ( 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散排放小，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。 1 3 太原理1 ：人学硕士研究生学位论文 2 2 河流水质模型1 4 6 】 河流水质模型是用数学模型的方法来描述污染物进入天然河流后所产生的稀释、 扩散、自净的规律。严格地说，污染物在水体的扩散问题都属于三维问题，但实际上， 往往可以根据污染物的混合情况将某些水体简化为二维或者一维、甚至于用零维来处 理。研究河流水环境容量的关键在于建立准确的能够描述河流主要特征和污染物特征 的水质数学模型【4 7 】。 为了便于讨论，假定进入环境的污染物质能够与环境介质互相溶合，污染物质点 与环境介质质点具有相同的流体力学特征。这样，污染物质点在流体中能均匀地分散 开，不产生凝聚、沉淀和挥发，从而可以把污染物质点当作流体质点进行分析。当然， 在实际环境条件下，污染物质点除了随流体质点运动外，还会产生凝聚、沉淀等现象， 这些将作为对基本模型修正的形式予以考虑。这样就可以得到水体水质的基本方程： o c 研= 乜d 订3 2 c + b 雾+ 砬窘叫篆飞等吨詈一埘( 2 - 1 ) 式中c 污染物的浓度，它是时间t 和空间位置x ，y ，z 的函数； “。地分别是x , y , z 方向上的流速分量； d k d 。功分别是葺卫z 方向上的扩散系数； 瓦污染物的衰减速度常数。 2 2 1 零维水质模型 污染物进入河流水体后，如果能在瞬间内分散到水体空间的各个部分，在任何一 个空间方向上都不存在环境质量的变化，即不考虑空间方向上的浓度梯度时，就可以 用零维水质模型来处理。对于河流，零维模型常见的表现形式为河流稀释模型；对于 湖泊和水库，零维模型也有类似的完全均匀混合模型，称为盒模型。 在某些特定条件下，可以将所研究水体视为一个完全混合的反应器，根据质量守 恒原理，就可以写出其平衡方程，即零维模型： 1 4 太原理工人学硕士研究生学位论文 矿百d c = q c o q c + s + ，矿 ( 2 2 ) 式中v 一反应器的容积； q 流入流出反应器的物质流量： c o 输入介质中的污染物浓度； c 输出介质( 反应器) 中的污染物浓度； r 污染物的反应速度； s 一污染物的源与汇。 对于一个没有源、汇项的反应器，而且污染物的反应符合一级反应动力学的衰减 规律时，即当s = o 、r = 一k c 时，上式可以写成： 矿d c 研= q ( c o c ) 一嬲y ( 2 3 ) 式中岸污染物衰减速度常数，式( 2 3 ) 就是零维模型的基本形式。 在具体的实际问题中，能够符合下述条件之一的环境问题也可概化为零维问题： ( 1 ) 无需考虑污水进入水体的混合距离； ( 2 ) 河水流量是进入水体的污水流量的1 0 2 0 倍。 对于含重金属污染物、难降解有机物等物质以及含降解可忽略的可降解性有机物 的污水，在进行浓度的计算和预测时均可采用零维模型【4 8 1 。 由式( 2 3 ) ，在稳态条件下，d c _ c ：0 ，得 d t c 2 手 2 4 1 + 一k q 式中 叫q 称为理论停留时间。 2 2 2 一维水质模型 对于河流而言，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：宽浅河段；污染物在较短时间内基本能混合均匀； 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浓度梯度可以忽略。 1 5 太原理。l ：x 学硕士研究生学位论文 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，即假定水体内在某断面处或某一区域之外实现均匀混合，则不 论水体属于江、河、湖、库的任一类，均可按维问题概化计算条件h 9 1 。 由于污染物浓度仅在河流纵向上发生变化，即只在x 方向上有浓度的变化，所以 娑：墨：o ，由式( 2 一1 ) 可知一维水质模型为： 百o c = b 万a 2 c 一牧瓦o c k c ( 2 - 5 ) ( 1 ) 瞬时点源排放 如果忽略弥散作用，即d y = 0 ，上式可写成 堡性一o c + k c ：0 ( 2 6 ) + “一一十 = l 二。oj 又因为描述河流污染物一维衰减规律的微分方程为 “。塑一肥 ( 2 一一) “。一a l l z 一， 牦鲁一，、筹= 一g c 4 弋a ，得 c ( x ，) = c o e x p ( - k t ) 畸e x p ( 一割 沼s ， 式中l d ，一河流断面纵向平均流速，m s ； x 一沿程距离，m ： c 。一x = 0 处河水中污染物浓度，m g l 。 如若考虑弥散系数，则一维水质模型的解为 c 阱翥舞e 坤 - 斗舳， 沼， ( 2 ) 连续稳定排放 1 6 太原i n ：1 ：人学硕十研究生学位论文 当环境介质处于稳定流动状态、污染源连续稳定排放的条件下，环境中的污染物 分布状况也是稳定的。由于一维水质模型只在纵向上存在浓度梯庋，则其稳态模型为 d x 箕叫娑一足c ：o ( 2 邶) c9c0x 假定初始条件x = 0 时，c = c o ，则上式的解为 2 2 ，3 二维水质模型 c = c o e x 槲一晤 弦， 相对于污染物浓度仅在河流纵向上发生变化的一维模型，当水中污染物浓度仅在 一个方向是均匀的，而在其余两个方向变化的情况下，一维模型将不再适用。这时对 于排入河中的污染物的分布就应该用二维的水质模型来描述。 河流二维对流扩散水质模型通常假定污染物浓度在水深方向是均匀的，而在纵 向、横向是变化的，即睾：0 ，在恒定排放情况下，可知二维水质模型为【5 0 】 鲁= 域d = 丽a 2 c + q 等一虬篆一q 爹k c ( 2 - 1 2 ) 二维模型较多应用于大型河流、河口、海湾、浅湖中。同一维模型相比，二维模 型控制偏严，适合于饮水水源地河段的纳污能力计算。为了保护水源地水质，对于设 有生活用水取水口的河段需采用二维模型进行计算引i 。实际上，污水进入水体后，凡 是不能在短距离内达到全断面浓度混合均匀的河流均应采用二维模型；水面平均宽度 超过2 0 0 m 的河流也应该采用二维模型进行计算 5 2 。 ( 1 ) 瞬时点源排放 假定所研究水质问题处于