（环境工程专业论文）湖州市环太湖河网区水环境容量与水质管理研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 。 太湖流域水污染控制是国家水污染防治的重点之一太湖流域社会经济的快 速发展导致大量污染负荷排入河湖，直接引发了太湖流域水环境危机加大沿湖 区域水质管理，确保清水入湖是改善太湖水质，重建健康水生态系统的关键环节 本研究针对湖州环太湖河网区，开展了水污染特征分析；以美国环保局推荐使用 的w a s p 7 3 模型计算了该区水体在9 0 水文保证率下c o d 和氨氮容量；从区 域和流域水质管理需求，探讨了该区域水质管理模式研究成果如下： ( 1 ) 区域污染源解析结果表明，研究区域2 0 0 5 年c o d 和氨氮入河量分别 为1 4 1 1 6 9t a 和2 4 1 5 3 3t a ；其中生活污染 工业点源 农田径流 水产养殖 畜禽 养殖非点源是该区水质恶化的主要原因，非点源c o d 和氨氮入河量分别占总 量的6 3 和8 1 ( 2 ) 通过参数率定、模型验证，采用w a s p 模型对该区域正、逆向水流进 行水质模拟，正向流和反向流c o d 相对误差均值为1 8 3 和1 7 0 ；氨氨相对 误差均值为4 0 9 和2 5 9 ，结果显示w a s p 模型适用于该区域水质管理 ( 3 ) 在9 0 水文保证率下整个区域c o d 和氨氮容量分别为1 1 3 3 4 4t a 和 1 8 6 6 0t a 按照区域管理需求，构建了包含自然、社会和经济因素的水环境容量 分配体系，运用基尼系数评价各乡镇水环境容量分配结果的合理性程度在2 0 0 5 年排污状况下，c o d 需削减1 9 7 ，氨氮需削减2 2 7 ，方能满足区域管理需求 ( 4 ) 借鉴美国t m d l 思想，探索了流域水质管理模式，将水环境容量在点 源和非点源问进行分配，同时考虑安全临界值结果表明，研究区域水质较好， 过半河道尚可容纳c o d ，氨氮状况与c o d 相反研究区域点源和非点源c o d 削减总量分别为1 4 6 5 1k g d 和3 6 7 0 6k g d ；氨氮为1 0 0 0k e d d 和1 8 6 0 1k g d ， 才能达到流域管理要求 关键字：水环境容量，w a s p ，t m d l ，基尼系数，河网 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e rp o l l u t i o nc o n t r o lo ft a i h ul a k ei so n eo ft h en a t i o n a lk e yp r o j e c t si no u r c o u n t r y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i o - e c o n o m i co ft h ew a t e r s h e d , m o r ea n d m o r ep o l l u t a n tw a sd i s c h a r g e di n t ot h el a k ea n dc a u s i n gw a t e rp o l l u t i o nc r i s i s i n o r d e rt oi m p r o v ew a t e rq 叫i 锣a n dt or e b u i l dah e a l t h ya q u a t i ce c o s y s t e m , i ti s n e c e s s a r yt oi m p r o v ec a p a b i l i t yo fp o l l u t a n t sc o n t r o la n dr e d u c ep o l l u t a n t sl o a di n t o t a i h ul a k e h u z h o uc 啵l o c a t e da tt h es o u t ho ft a i h ul a k e ，i sak e yp l a c et or e d u c e t h eq u a n t i t y o fp o l l u t a n t c h o s i n gt h ef i v e - n e t w o r kp l a i n a so b j e c t i v er e g i o n , t h e c h a r a c t e r i s t i co fw a t e rp o l l u t i o nw a sa n a l y s i s e d , 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 c o d c ra n da m m o n i u mn i t r o g e no ft h er i v e r ss u r r o u n d i n gt a i h ul a k ew 弱e s t i m a t e d b yu s i n gw a s p 7 3m o d e l ( 馓| l e rq u a l i t ya n a l y s i ss i m u l a t i o np r o g r a m , v e r s i o n7 3 ) ， a n dac o m p r e h e n s i v ew a t e rm a n a g e m e n tm o d ei n t e g r a t e dw i t hr e g i o n a lm a n a g e m e n t a n dt m d l ( t o t a lm a x i m u md a i l yl o a d s ) w a sd e v e l o p e di nt h ep a p e r t h em a i n r e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ( 1 ) i tw a se s t i m a t e dt h a tt h el o a d so fc o d c ra n da m m o n i an i t r o g e nw e 鹏 1 4 1 1 6 9t aa n d2 4 1 5 3 3t ar e s p e c t i v e l yi n2 0 0 5 t h em a i n 剐) l l r c e so f p o l l u t a n tl o a d s w e r ed o m e s t i cp o l l u t i o ns o u r c e 3a n di n d u s t r i a lp o l l u t i o ns o u r p 2 s t h eo r d e ro fs o u r c 君 c o n t r i b u t i o nr a t i of r o mh i g ht ol o wa sf o l l o w i n g ：d o m e s t i cp o l l u t i o ns o u r c e s i n d u s t r i a lp o l l u t i o ns o u r o s f a r m l a n d sr u n o f f a q u a c u l t u r ep o l l u t i o ns o u r c e s l i v e s t o c kp o h u t i o ns o u l v e s n p s ( n o n - p o i n tp o l l u t i o ns o u r c e ) w a st h em a i nc a l k q ef o r w a t e rq 谢i t yd e t e r i o r a t i o n , t h ec o n t r i b u t i o nr a t i oo fc o d c ra n da m m o n i an i t r o g e no f n p sw e r er e a c h e d6 3 a n d81 r e s p e c t i v e l y ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r sv a l i d a t i o no fw a s p 7 3m o d e l ，t h em e a nr e l a t i v e o n o r so fi n f l u e n tf l o ww h i c hf l o wi n t ot a i h ul a k ew a s18 3 f o rc o d c rw h i l et h a t w a si7 0 f o re f f l u e n tf l o ww h i c hf l o w i n gf r o mt h el a k e t h er e s u l t sa l s os h o w e d t h a tt h em e a nr e l a t i v ee l t o i so fa m m o n i an i t r o g e nr e a c h e d4 0 9 a n d2 5 9 f o r i n f l u e n tf l o wa n de f f l u e n tf l o wr e s p e c t i v e l y t h e v a l i d a i t o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e m o d e lc o u l db eu s e df o rw a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o nf o rt h er i v e r so fs t u d yr e g i o n 涵 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) a ni n t e g r a t e dr e g i o n a lm a n a g e m e n tm o d ei n c l u d i n gf a z t o r so fn a t t 瑚l ，s o c i a l a n de c o n o m i cw a sb u i l th e r e ，a n dg e n ic o e f f i c i e n tw a su s e dt oa s s e s sf a i r n e s so f w a t e re n v i r o n m e n td i s t r i b u t i o n i no 出t om e e tt h en d so fr e g i o n a lm a n a g e m e n t , t h er e d u c t i o nr a t e so fc o d c ra n da m m o n i an i t r o g e nm u s tr e a c h e d19 7 a n d2 2 7 o nt h el e v e l0 f2 0 0 5i nc o n t m c tt oc o r r e s p o n d i n gw a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t i e s ，w h i c h w e r e113 3 4 4t aa n d18 6 6 0t au n d e rt h e9 0 h y d r o g r a p h i cc o n f i d e n c e ( 4 ) ac o m p r e h e n s i v ew a t e r s h e dm a n a g e m e n tm o d eb a s e do nt m d l ，d e a l tw i t h v c a t e l e n v i r o n m e n tc a p a c i t yd i s t r i b u t i o nb t 婀 ，e e np o i n ta n dn o n - p o i n t 咖鼹，a sw e l l 鼬m a r g ：i no fs a f e t yw a sc o n s t r u c t e da tl a s t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc o d c r o fm a n y r i v e r si nt h ew a t e r s h e dm e tt h ef u n c t i o nn e e d s ，w h i l ea m m o n i ac o r r e s p o n dw a s o p p o n e n t i no r d e rt om e e tt h ef u n c t i o nn e e d so ft h ew h o l ew a t e r s h e d , t h er e d u 撕o n r a t eo fp o i n ta n dn o n - p o i n tc o d c rr e a c h e d1 4 6 5 1m da n d3 6 7 0 6k s dr e s p e c t i v e l y a n dt h a to fa m m o n i ac o r r e s p o n dm a c h e d10 0 0k g da n d18 6 0 1k g d k e yw o r d s ：w a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t y ；w a s p ；t m d l ； c r i n ic o e f f i c i e n t ；r i v e r n e t w o r k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：g 懈 签字日期： 歹。l 年乡月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝婆盘堂可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：孚识礁 签字日期：了l o 年弓月箩e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：多p 签字日期：枷1 口年多月r 日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 致谢 在即将毕业之际，我首先要感谢我的指导老师一一王飞儿老师，是您的谆谆 教导把我一步步带入科研的殿堂，是您的严格要求让我明白做科研要细致认真， 是您的一丝不苟让我知道做事情要心细如发，是您的耳提面命使我懂得读研不光 要学会做学问，还要学会待人接物 回想初来乍到，我一无所知，o f f i c e 用得不熟练，p p t 做得很难看，写作水 平差到让您摇头兴叹；我每次外出办事，为避免出错，您都一一交代清楚，生怕 满掉一丁点儿在写作上，您一点一滴教我，一次又一次帮我检查，一遍又一遍 给我修改，我才能走到今天在此，我想说，老师，您辛苦了，您的恩情我将铭 记于心，您的大德我将永不忘记 其次，感谢老师楼莉萍、李文红、粱新强在学习期间给予我无私的指导和帮 助，祝您们工作顺利，闽家欢乐感谢方晓波师兄，谢谢你多次陪我去湖州采样； 感谢张秋玲师姐，谢谢你多次教我c o r e l d r a w 和a r c # s ；感谢徐劫师兄，谢谢 你多次帮我解决o f f i c e 问题感谢师妹佥婧靓、戴露莹、杨佳、边金云、罗玲， 程广焕、师弟许涛，每天与你们一起学习，一起畅谈，相处非常开心，希望你们 往后更加相亲相爱：学习一帆风顺感谢环保楼的诸位同学、师兄、师姐、师弟、 师妹，与你们相处的日子将成为我最美的回忆，祝大家前程似锦 最后，感谢我的父母，是您们的支持让我读书二十多载，是您们生我养我， 教我育我、鼓励我、支持我如今，孩儿已经长大，愿意承欢膝下，以尽孝道， 祝您们身体健康、万事如意 史铁锤 20 10 年1 月2 0 日 于浙江大学华家池校区 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着社会经济的快速发展，人口数量急剧增加，资源能源过度消耗，生态环 境恶化等问题日益突出水资源不再是。取之不尽，用之不竭霸的自然资源，它 已经成为一种难以替代、使用价值极高的。能源一，成为影响全球国民经济发展 的瓶颈我国粗放型的生产方式、高度的人口集聚、滞后的环境基础设施，导致 部分地区污染排放量超过当地的水环境承载力，水环境支撑能力与经济发展需求 日益失衡据国家环保部发布的( ( 2 0 0 8 年中国环境状况公报显示：我国水污 染形势严峻，全国七大水系水质依然没有好转，其中松花江、淮河、海河、辽河 水质劣于类的断面分别占6 6 7 、6 1 6 、6 1 4 、6 4 9 0 , 6 湖泊富营养化问题 十分突出，在国家重点控制的2 8 个湖库中，差于类水质的湖泊有2 2 个，占 7 8 6 当前，水污染严重和水资源短缺已经成为我国水资源可持续利用的两大 障碍( 国家环保总局，1 9 9 5 ) 因此，加强水污染控制与防治，切实保护好水体 环境的工作，不容怠慢，不容松懈 我国水污染形势严峻是长期粗放型经济发展的结果为适应新世纪新要求， 顺利实现我国经济跨越式转变，开创人与自然和谐相处局面，早日迈入可持续发 展道路，我国采取了一系列举措应对水污染问题，水污染管理不断向新的征程推 进誓九五骨期问之前，我国主要针对工业点源实行排污口浓度控制，由于存在 浓度稀释达标而污染物总量超出水体承载能力的现象，以及非点源污染作用的增 强，浓度控制已经不能满足水质管理的需求1 9 9 6 年全国人大会议上首次提出 将污染物总量控制作为环境保护的一项重大举措，标志着我国水污染控制方式由 浓度控制向总量控制转变( 宋国君，2 0 0 0 ) 九五期间，以目标总量控制和水污 染控制规划为依据，在党中央国务院的号召和领导下，如火如荼地开展了“三河 三湖一库一海一流域的水污染整治工作，取得了一定成绩由于日标总量控制未 能把握水体纳污能力，未能反映污染负荷与水体质量间的响应关系，因此，g 三 河三湖一库一海一流域的水环境系统并未得到恢复，部分流域水质甚至持续恶化 ( 如太湖、巢湖，滇池) 为保障社会经济可持续发展，构建出人与自然和谐相 处的局面，建立健康水生态系统，维护和保障人类健康与安全，使水资源能够持 l 浙江大学硕士学位论文 续永久利用我国“十一五井期间确定以流域为单元进行容量总量控制，标志着 我国水质管理上升到新的台阶( 孟伟等，2 0 0 8 ) 太湖流域富营养化问题历来是我国水污染控制的难点和重点流域经济发 达、人口众多、河道交错、池塘密布，环湖水体与太湖物质和能量交换频繁周 边地区排放大量的污染物随着水体流动从周边河道进入太湖，使得太湖污染源控 制与管理难度极大，水污染问题至今未能解决因此，积极探索河网水质管理模 式研究，加强沿湖河网地区水质管理，确保清水入湖，对防治太湖水质恶化趋势， 恢复健康水生态系统具有极其重要的意义 1 2 国内外研究进展 1 2 1 水质管理研究 半个世纪以来，许多国家针对本国水污染状况相继开展了水质管理技术的研 究，以流域为单元进行水质管理已成为水环境管理的一种趋势，已经取得了丰硕 的成果和实效如欧盟莱茵河总量控制管理，英国泰晤士河流域管理，日本东京 湾、伊势湾及赖户内海等流域的总量控制计划，澳大利亚墨累达令河流域管理 以及美国日最大排污量计划( t o t a lm a x i m u md m l yl o a d s ，t m d l ) 等( 方晓波， 2 0 0 9 ；席酉民等，2 0 0 9 ) 各管理模式不尽相同，各有所长，为改善当地水环境质 量做出了重要贡献，其成功之处非常值得借鉴 ( 1 ) 美国t m d l 管理模式 m d l 是指在满足水质标准的前提下，水体能容纳某种污染物( 包括点源和 面源) 的日最大排放量，同时考虑安全临界值和季节性差异，并采取相应措施以 保证水质达标( u s e p a , 2 0 0 8 ) 美国自1 9 7 2 年清洁水法提出t m d l 计划以来， 在全国范围内得到了广泛的推广与应用，至今已实施了数万个加l 项目经过 3 0 多年的发展和完善，逐步形成了一套系统完整的总量控制策略和技术方法体 系；为改善美国水环境质量做出了重要贡献，成为了国际上最具代表性的水污染 管理体系，代表了世界水质管理的发展方向( 柯强等，2 0 0 9 ) 总体而言，t m d l 管理模式包含5 个方面的特点：水质标准值综合考虑了水环境功能，生物活动 影响以及地域差异；咖l 计划对每个环节做了详尽的规定，并纳入法律框架， 有法可依；全面分析流域水环境特征，充分考虑不同污染源的贡献，在考虑安 2 浙江大学硕士学位论文 全临界值的基础上进行点源和非点源负荷分配，建立了控制非点源污染的最佳管 理措施( b e s tm a n a g e m e n tp r a c t i c e ，b m p s ) ；考虑季节性差异，充分利用水环 境自净能力；包含2 0 多种污染负荷分配方法，各地可因地制宜选择相应的分配 方式，使得分配结果更趋于合理、可靠( 孟伟等，2 0 0 7 ) t m d l 发展历程可概括为：涉及污染源类型不断增多从最初的工业和生 活点源控制，过渡为农业面源、生活面源，目前包括暴雨径流、娱乐场所污染控 制等；包含水质指标类型不断增多从最初的b o d 、d o 控制，过渡为n 、p 等 营养盐和沉积物控制，目前正着重进行重金属、有机物、病原菌等控制研究 手段不断发展从最初s - p ( s t r e e t e r - p h e l p s ) 模型、经验和半经验公式，过菠为 水质模型，目前正开发出大型集成模型监测方法不断进步从原始的人工野 外采样，发展到如今的结合计算机、卫星和遥感技术实时监测控制范围不断 扩大从最初的单一河段控制，过渡到行政区域内流域控制，目前发展为跨越行 政区域的大型流域控制 ( 2 ) 欧盟区域合作水质管理模式 欧盟水质管理可追溯至1 9 6 8 年欧洲议会通过的欧洲水宪章，倡导各国应 以流域为单元进行污染控制和水质保护而非行政区域2 0 0 0 年l o 月2 3 号，欧盟理 事会和欧洲议会签署并颁布执行的欧盟水框架指令( e u r o p e a nu n i o nw a t e r f r a m e w o r kd 鼬e ) 要求各国以流域为水文单元进行污染物控制，加强协作， 防止水环境恶化并改善水质，进一步促进了欧盟水质管理往统一化的方向发展 ( 石秋池，2 0 0 5 ；王海燕等，2 0 0 8 ) 欧盟水框架指令规定各成员国应针对地表 水污染特点，实行点源和非点源联合控制的污染治理方法，务必在2 0 1 2 年前按照 最佳可行技术和措施，相关排放限值等综合治理方式控制污染物的排放，确保所 有水体在2 0 1 5 年建立良好的水生态环境( 孟伟等，2 0 0 7 ；e u r o p e a nu n i o n ，2 0 0 0 ) 欧盟莱茵河流域总量控制管理是欧盟流域水质管理史上的典范，其成功的经 验被众多国家借鉴和应用莱茵河位于欧洲大平原，为西欧第一大河河流支流 密度，成左右对称的树枝形态，跨过德国，瑞士，法国，荷兰，卢森堡五个国家 第二次世界大战之后，由于工业快速发展和沿岸居民不断增多，水生态环境一度 极为恶化，很多水生动物绝迹为恢复莱茵河水环境状况，五国于1 9 5 0 年成立了 防污染国际委员会( i c p r ) ，之后经过多次努力协商，于1 9 8 7 年制定了莱茵河 3 浙江大学硕士学位论文 行动计划，提出了莱茵河治理的长期目标，经过十多年的共同努力，莱茵河水 环境基本得到恢复，许多消失的水生动物重现( h u i s m a npe ta l ，1 9 9 7 ；王同生， 2 0 0 2 ) 莱茵河流域管理的独特之处是：圆满解决了不同行政区域的纠纷，成功 调动了各地区相互协作，促进了各方相互信赖，最终成功恢复了跨行政区域的水 体环境 ( 3 ) 我国水污染物总量控制模式 我国水质管理始于上世纪7 0 年代初期，借鉴国外先进的经验，先后开展了水 环境容量研究，水功能区划，水质数学模型，流域水污染综合防治综合规划，以 及排污许可证管理制度等研究将总量控制技术与水污染防治规划相结合，逐步 形成了污染物总量控制技术( 孟伟等，2 0 0 7 ) 水污染物总量控制是以整个区域 为对象，综合考虑点源和非点源污染的一种比较先进的水环境管理方法，其核心 内容是研究和规划区域污染物的产生、治理，排放规律与经济、人口发展的协调 关系，从客观上定量把握经济和人口发展对水资源的影响，提出保护对策，促进 水资源的可持续利用和社会经济与环境的协调发展( 戴本林等，2 0 0 8 ) 目前， 水污染总量控制有目标总量控制、容量总量控制和行业总量控制三种类型其中 目标总量控制以自控区域容许排污量控制目标为出发点，以排放限制为控制基 点，从污染源可控性研究入手，进行总量控制负荷分配，制定排污1 2 1 总量控制负 荷指标，是我国目前主要的污染物控制方式。九五嚣期间，我国以目标总量控 制技术为指导，先后开展了_ 三河三湖，南水北调，三峡水库，环渤海区域骨等 区的水污染防治规划由于目标总量控制易于操作，便于管理，成为当前我国水 质管理的重要模式，对于遏制我国水环境继续恶化起了非常重要的作用 容量总量控制基于受纳水域纳污量，以水质标准为控制基点，从污染源控制 性、环境目标可达性方面进行总量控制负荷分配，制定排污口总量控制负荷指标 我国在许多重要流域开展了水环境容量总量控制研究，如长江、黄河、珠江、太 湖、松花江( 包存宽等，2 0 0 0 ) 、辽河流域( 文毅等，2 0 0 8 ) 等，水环境质量恶 化趋势基本得到控制周海阳等人基于常熟河网原型调水实验、水功能区划，建 立了相应的水量水质模型，根据当地点源和面源污染物统计结果，计算了常熟河 网区水环境容量、污染物总量控制和污染物削减量，为该地区的水污染防控提供 了科学依据( 周海阳等，2 0 0 6 ) 梅新敏基于w a s p 5 水质模型，研究了昆山市 4 浙江大学硕士学位论文 c o d 和氨氨水环境容量并制定了相应的总量控制目标，为昆山市环境管理部门 进行水质管理提供了技术支持和理论依据( 梅新敏，2 0 0 6 ) 李胜采用太湖流域 管理局数字流域系统模型，研究了上海宝山区嘉宝北片河网地区的c o d 和氨氮 水环境容量，在此基础上提出了功能区内陆域污染源污染负荷控制量和削减量 ( 李胜，2 0 0 6 ) 容量总量控制将污染物总量与水体质量关联起来，已成为水质 管理的重要手段但水环境容量估算、污染负荷分配等方面仍存在较大的不确定 性，成为该模式推广应用的重要限制因子因此，加强水环境容量研究是进行污 染物容量总量控制的核心内容和关键环节 1 2 2 水环境容量研究 水环境容量最早由日本学者于6 0 年代提出，从7 0 年代末引入我国并引发了 研究热湖虽然经过4 0 多年的研究和发展，但是水环境容量的概念到目前为止 还没有达成共识方子云将水环境容量定义为：水环境容量是满足水环境质量标 准要求的最大允许污染负荷量，或纳污能力汪恕诚等从水环境承载力角度出发， 认为水环境承载力指的是一定的水域，其水体能够被继续使用并保持良好生态系 统时，所能容纳污水及污染物的最大能力( 汪恕诚，2 0 0 2 ) 崔树彬基于此概念， 认为在不严格区分的情况下，水环境承载力等同于水环境容量( 崔树彬，2 0 0 3 ) 廖文根等认为水环境容量与水体纳污能力定义的条件存在差异，因而不能等同 水环境容量是指在给定的水环境保护目标，设计水文条件和水的自然背景条件 下，水域能够容纳污染物的最大数量，而水体纳污能力是在给定水文、水动力条 件，水质标准，排污口位置和方式的情况下，水体能够容纳污染物的最大量，主 要针对污染控制区而言( 廖文根等，2 0 0 2 ) 全国水环境容量核定技术指南中 指出：。水环境容量是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，单位时间内该水域最大允许纳污量因此，可以简单认为：“水环境容 量是某一水体在给定的水文、水质目标和排污方式下的最大纳污量 按照污染降解机理，水环境容量划分为稀释容量和白净容量两部分稀释容 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，依靠稀释作用达到水 质目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 在其他条件不变的 情况下，污染物排放方式的改变( 如排放口位置的不同) 将影响水域的环境容量， 5 浙江大学硕士学位论文 因此水环境容量往往是一组数值 水环境容量计算方法主要有3 种：解析公式法、模型试错法和系统最优分析 法三种方法各有优缺点：解析公式法是一种稳态方法，不能用于计算非稳态的 水环境容量；模型试错法利用非稳态的水质数学模型，可以用于计算非稳态的水 环境容量，理论依据强、可靠性高、计算简单、但花费时闻较多、计算效率低； 系统最优分析法基于线性规划等理论，具有自动化程度高、精度高对边界条件 及约束条件的设计能力强等优点，然而该法约束条件较多，建模难度大目前， 对于复杂水域的水环境容量研究，国内外多采用模型试锗法 ( 1 ) 水质模型研究现状 水质模型是用数学方法描述污染物在水体中的迁移转化情况，包括许多物 理、化学和生物过程自s - p 模型提出以来，河流水质模型的研究取得了巨大的 发展，各类水质模型相继诞生，水质模型研究经历了由简单到复杂，由经验到机 理、由单要素( 或无机、大量、无毒要素) 到多要素( 或有机、微量、有毒要素) 、 由单介质到多介质、由稳态到动态、由点源到非点源以及二者统一研究、由包水 带到包气带再到两者统一研究、由小规模分散( 河流、湖泊、地下水等) 到大规模 集成( 整个流域) 、由理论研究到实际应用研究的发展历程，当前正处于由水质管 理到流域管理转变的关键时期它是水质模型研究的必然结果，同时也是社会发 展必然需求；并且今后仍会沿着这种规律继续向更高的层次发展，不断为国家水 体保护和流域管理以及污染物控制提供指导( 罗定贵等，2 0 0 5 ) 国外水质模型研究起步较早经过近一个世纪的发展，河流水质模型的研究 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， 如q u a s a r 、q u a , 系列、w a s p 系列、m i k e 系列，c e q u a l - w 2 ， c e - q u a l r v 1 等常用水质模型特征如表1 3 1 所示 各模型的结构，假定条件均有所不同q u a s a r , 括p c q u a s a r 、h e r m e s 和q u e s t o r 3 _ 三个部分，并且假定河流完全混合且无回流，仅上游对下游有影响， 忽略弥散作用，具有综合性、实用性、计算简便的优点缺点是不能研究污染物 迁移转化规律，运用统计方法，数据需求量大，不能模拟河流回流q u a l 系列 模型将河段分成等长且混合均匀的计算单元，并做了一些假定：污染物只沿水流 6 浙江大学硕士学位论文 轴向迁移，仅在纵轴方向发生对流，扩散等作用，流量和旁侧入流不随时间变化， 各水体单元的水力几何特征，如坡底、断面面积等均相同w a s p 包$ d y n m 巾 和w a s p 两个子程序w a s p 7 有许多优点：具有易操作的w m d o w s 界面；具 有数据预处理程序；高速的富营养化和有机化学物质处理模型；强大的图形 化后期处理功能，非常方便查看w a s p 的运行结果和观测数据的对比情况；能 绘制无限多的x y 曲线圈和空间删格图m i k e l l 是丹麦水动力研究中心发布的水 质模型，模型包含水动力学( h d ) ，降雨径流( r r ) ，水流扩散( a d ) ，水质( w q ) ， 泥沙输运模块( s t ) ，以及附件模块如洪水预报( f f ) 、g i s 、溃坝分析模拟( d b ) 、 水工结构分析( s o ) ，富营养化模块( e l ) 等，能模拟污染物在降雨，径流以及 水体中的迁移转化规律c e - q u a l - w 2 假定水质横向不变，纵向和垂向变化， 因此，模型非常适合于模拟相对狭长的湖泊和分层水库不足之处是： c e - q u a l - w 2 不包括浮游动物向较高营养层次转移的过程，认为泥沙只吸附有 机质，只含有1 种藻群，在厌氧条件盛行时硫、锰未有释放和氧化c e - q u a l r i v l 包括两个程序：r i v e h 和r i v e q 最大优点是可模拟支流和控制结构，尤其适合 模拟高速非恒定流缺点：只注重纵向水质变化，忽略了侧向和垂向的水质变化； 考虑点源时，模型不适合近场混合过程b a s i n s 是美国环保局发布的一个高度 集成的模型综合系统，内含多个子模型模型综合了g i s 、国家流域数据、气象 资料；支持t m d l 的发展，可同时模拟点源和面源，能对多种污染物进行不同 规模的分析；其次，还具有决策功能，支持点源和非点源的污染如何削减问题， 洪水管理问题，饮用水源地保护，城市和农村的土地使用评价，生活环境的管理 等模型最大不足是众多子模型缺点依然存在水质模型的应用与发展，极大地 降低了水质模拟的难度，提高了模拟结果的可靠程度，促进了水质管理与规划往 合理化的方向飞跃 表i 3 1 常用水质模型特点 模型开发者版本适用水体模拟指标 q u a s a r a w h i t e h e a d q u a s a r q u a l 体系hu s e p aq u a l - i 、 q o a l 2 e 、 一维动态河流，b o d ，d o ，硝氮，氨氮，p h ， 非需适合于大型温度和一种守恒物质的任意组 河流的d o 模拟 合 一维穗态，动态b o d ，d o ，温度，叶绿素a ， 河流 n 素，有机磷，大肠杆菌 7 浙江大学硕士学位论文 备注：a 来自文献( w h i t e h e a dp g ，1 9 9 7 ) ；b 来自文献( b r o w nlc ，1 9 8 7 ) ；c 来自文 献( w o o l t a ，2 0 0 1 ) ；d 来自文献( d h i ，1 9 9 3 ；d h i ，1 9 9 6 ) ；e 来自文献( u s a c e ， 1 9 8 6 ) ；睐自文献( u s a e w ，1 9 9 0 ) ；g 来自文献( u s e p a ，2 0 0 1 ) 国内水质模型研究起步较晚，落后国际水平较多多为直接应用国外尤其是 美国的先进模型，或者基于国外模型进行二次开发，模型原始开发研究极少目 前，国内比较有名的水质模型有：河海大学开发的t a i h ud s s ( 翟淑华等，2 0 0 2 ) 和h w q n o w ( 徐责泉等，1 9 9 6 ) 在模型二次开发方面，徐祖信等基于m i k e l l 模型( 徐祖信等，2 0 0 3 ) ，徐小明基于w a s p 5 0 模型( 徐小明，2 0 0 1 ) 进行二次 开发，分别建立了适合上海黄浦江和苏州河地区的水质模型但总体来看，我国 水质模型研究成果不多，特别是大型的流域性水质模型 ( 2 ) 我国水环境容量研究 水环境容量是实行污染物容量总量控制的重要依据自水环境容量的概念引 入我国以来，在我国获得广泛的研究与应用，尤其是。六五嚣和。七五一期间， 8 浙江大学硕士学位论文 更是被提上国家重点攻关项目的日程2 0 0 2 年，我国在全国范围内开展的水环境 容量核定工作，更是我国水环境容量研究史上里程碑武的突破目前，我国在长 江( 钟成华等，1 9 9 4 ；陈燕华等，1 9 9 4 ) 、黄河( 李劢等，2 0 0 7 ；路全利等，2 0 0 1 ) 、 松花江( 赵红梅等，2 0 0 8 ) 、辽河、淮河、海河，太湖( 朱锦旗等，2 0 0 8 ) 、滇池 ( 杨文龙等，2 0 0 2 ) 、郡阳湖( 方豫等，2 0 0 8 ) 、三峡水库( 欧阳丽等，2 0 0 8 ) 等 重要流域均开展了大量的水环境容量研究工作涉及的水体包括河流、湖泊、水 库、河1 2 ，海口( 郭森等，2 0 0 6 ) 等；研究指标包括c o d 、b o d 、氨氮、t n 、 t p 等 在河网水环境容量研究方面，开展了许多关于非稳态水环境容量数值计算的 研究，如郑孝宇等基于。河道节点河道骨法的河网水量水质数学模型，建立了 相应的河网非稳态水环境容量的。节点河道节点骨计算模式( 郑孝宇等，1 9 9 7 ) 徐祖信等提出了类似的计算方法，并对上海市蕴藻滨水系以及中心城区水系的水 环境容量进行了计算分析，结果表明该法对于河网动态水环境容量计算是方便有 效的( 徐祖信等，2 0 0 3 ) 徐责泉等提出了从水质超标到水质达标过渡区河段长 度的概念，表明在水体功能区划时，应在水体功能要求高的水域之外划出一定的 保护范围，印誓缓冲区嚣，并计算出缓冲区长度以及相应的水环境容量( 徐贵泉 等，2 0 0 0 ) 陈振洪运用双向流方式计算感潮河段水环境容量，该法具有计算速 度快、适用性强、简单方便的特点( 陈振洪，2 0 0 5 ) 罗缙等人建立了太湖流域 平原河网区水环境容量模型，然后据此计算苏南地区往复流河道典型水文年的 c o d 水环境容量( 罗缙等，2 0 0 4 ) 梅新敏基于w a s p 5 0 模型对昆山市河网的 c o d 和氨氮水环境容量进行了研究( 梅新敏，2 0 0 6 ) 因此，水环境容量研究为 我国进行污染物控制、水环境保护、建立健康水生态系统做出了重要贡献 1 3 研究热点与存在问题 建立健康水生态系统，不仅仅依赖于先进的水污染控制技术，更大程度上需 要先进的水污染管理方式做后盾纵观我国水质管理发展历程可以发现，容量总 量控制已成为我国水环境管理的发展趋势实行容量控制，水环境容量研究是基 础和依据，而水质模型是主要方法和工具因此，目前我国水质管理研究热点主 要集中在水环境容量模型以及水污染物总量分配两大方面经过“六五骨，“七五斗 两次攻关研究，我国水环境容量研究取得了很大进展然而，我国水质管理研究 9 浙江大学硕士学位论文 中仍然存在如下问题： ( 1 ) 我国现行总量控制过程中，主要实行目标总量控制，容量总量控制很 少，没有建立污染负荷和水体质量问的响应关系，实际上并未解决污染物科学分 配以及水质达标两大核心问题 ( 2 ) 水环境容量研究以理论上的量化估算为主，缺少相应的污染负荷削减 和分配的实证研究 ( 3 ) 我国水环境容量研究多针对流向单一的山溪性河流，平原河网地区的 研究较少，流向不定的河网地区研究鲜有报道 1 4 研究目标，内容与技术路线 1 4 1 研究目标 湖州市环太湖河网区是浙江省污染物进入太湖的咽喉地带，其水质状况对南 太湖有着直接且重要的影响迄今为止，该地区水环境容量研究仍然空白受太 湖顶托作用，河道水流呈现往复性特点本研究选取美国环保局( u s e p a ) 推荐 使用的w a s p 7 3 模型，开展流域9 0 水文保证率下c o d 和氨氨水环境容量研究 基于2 0 0 5 年c o d 和氨氮调查结果，以行政区和流域为单元分别制定容量总量控制 目标，并提出相应的建议和措施，以期为当地环境管理部门提供理论依据和技术 支持 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 污染源解析研究 以2 0 0 5 年为典型年份，开展流域点源( 包括工业、污水处理厂、规模化畜禽 养殖) 和非点源( 包括城镇生活、农村生活、分散养殖、水产养殖、农田径流) c o d 和氨氮污染负荷调查，结合地理信息系统技术( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ，g i s ) ，确认主要污染源和污染物主要排放区域 ( 2 ) 河网水质模型构建 采用w a s p 7 3 模型对湖州平原河网河道水质进行模拟为提高模拟结果可靠 性能。针对水文性质不同的河道，采用实验室静态降解法测定c o d 和氨氮降解系 数同时结合实测水质数据，对模型参数进行修正和率定，并对模型进行验证， 使模型的参数适用于该地区水质模拟 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 河网水环境容量研究 针对河网区水流往复性特点，以修正后的w a s p 7 3 模型为工具，按照正向流 ( 入湖) 和反向流( 出湖) 两种状况，开展流域9 0 0 , 4 水文保证率下c o d 和氨氨水 环境容量研究 ( 4 ) 流域水质管理研究 采用两种方法研究区域水质管理，一种是结合行政区管理要求，按照q 资源 共享共建，上下游公平，兼顾效率竹的分配原则，选择合适的水环境容量影响因 子，构建区域水环境容量的分配体系，采用基尼系数评价水环境容量分配结果的 合理程度另一种以河道水文单元为控制单元，借鉴美国删水质管理模式， 基于w a s p 7 3 模型，采用试错法对点源、非点源进行容