（环境工程专业论文）丹河流域水环境模糊评价与容量研究.pdf

硕十学位论文丹河流域水环境摸翱评价容量研究 摘要 以水环境功能区区划为基础，进行了丹河流域水系特征、水文特征和入河污染源 现状调查，运用模糊数学基本理论和蒸本方法，将模糊数学理论的隶属函数和隶属度 等壤念葶| 入承嚣境评徐中，蠲矩黪分孝厅懿方法建交埃羧综会谬价模式。逶道建立多个 污染评价因子的因子鬃、评价集、隶属函数和权爨榘等模糊集合，根据各污染因子对 水质的影响差异确定其权重，采用最大隶属度原则和加权平均原则相结合，对丹河流 域水环境进行了模糊缀合评价。在此鏊础上，对丹甥流域各谗污日的接放量及污染镌 进行分辑，以流域吝功能区应这至l 豹承质疆标翻浚复其应有的巍然功能为袄掇，建立 一维稳态条件下水环境容量计算两种的模型：完全混合水环境容量模型解析解和非线 性衰减、夥点容量计算模型，计算出流域内水环境容量及其削减量。以此为依据可对 蓑 入羁簿污染凌戆量送萼亍控割，为憨爨控制提供了羧逶露懿方法。 关键词：水环境容量模糊评价容量总量控制 硕 学位论文 丹河流域承环境模糊评价1 j 客量研究 a b s t r a c t s o m ei n v e s t i g a t i o n so ft h ed a nr i v e rv a l l e yw e r ep e r f o r m e di nj i n c h e n gc i t yw i t ht h eb a s i s o fw a t e re n v i r o n m e n t a lf u n c t i o n a ls e c t i o nc o m p a r t m e n t a l i z a t i o n ，s u c ha sw a t e rs y s t e m c h a r a c t e r i s t i c ，h y d r o l o g ye h a r a c t e r i s t i ca n dp o l l u t i o ns o l l r c e sd i s c h a r g i n gi n t ot h er i v e r , e t a 1 m u c ho fd a t ea n dr e l e v a n tm a t e r i a l sw e r ec o l l e c t e df o rt h i ss t u d y u s i n gt h eb a s i c t h e o r ya n dm e t h o do ff u z z ym a t h e m a t i c s ，t h em e m b e r s h i pf u n c t i o na n dr e l a t i v em e m b e r s h i p d e g r e eo fa l t e r n a t i v ew e r eb o u g h ti n t ot h ew a t e re n v i r o n m e n te v a l u a t i o n ，a n dt h e nf u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nv c a sc o n s t r u c t e dw i 氇m a t r i xa n a l y s i sm e a n s a c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n tw a t e re q u a l i t yi n f e c t i o no fv a r i o u sc o n t a m i n a t i o nf a c t o r s ，t h eo b j e c t i v ew e i g h tw a s e n s u r e d t h ee v a l u a t i o nf a c t o rs e t s ，e v a l u a t i o nc r i t e r i as e t s ，m e m b e r s h i pf u n c t i o na n do b j e c t i v e w e i g h ts e t sw e r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h e nac o m p r e h e n s i v ef u z z ya s s e s s m e n tf o rt h ep r e s e n tw a t e r e n v i r o n m e n to ft h ed a nr i v e rv a l l e yw a sc o n d u c t e d ，b yu s i n gt h ep r i n c i p l eo fm a x i m u mm e m b e r s h i p f u n c t i o na n dt h ep r i n c i p l eo fw e i g h t e da v e r a g em e t h o d t h ed i s c h a r g i n gp o l l u t a n ts o u r c e sa n d p o l l u t a n t so fd a nr i v e rv a l l e yw e r ea n a l y z e dt h r e a do fa b o v ea 1 1 i no r d e rt om a i n t e n a n c e t h ew a t e re q u a l i t yg o a lo f e a c he n v i r o n m e n tf u n c t i o nf m l c t i o n a lz o n i n go rt or e v i v i f yt h e r i v e rsn a t u r a lf u n c t i o n ，t w oc a l c u l a t i o nm o d e l so fw a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t yw e r ep u t t e d f o r w a r di nc a s eo fo n ed i m e n s i o n ，t h ec o m p l e t em i x t u r em o d e lo fw a t e re n v i r o n m e n t c a p a c i t ya n dt h en o n - l i n e a r i t ya t t e n u a t i o nm u l t i - s p o tm o d e lo f w a t e re n v i r o r m l e n tc a p a c i t y + t h ea l l o w a b l ew a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t yw a sc a l c u l a t e dw i t ht h et w o m o d e l s ，c o m p a r i n g w i t hp r e s e n tt o t a la n a o u n to fd i s c h a r g i n gp o l l u t a n t s ，t h er e d u c i n ga m o u n to fd i s c h a r g i n g p o l l u t a n t sw a sa l s oa c c o u n t e d s ot h eq u a n t i t i e so fp o l l u t a n t sd i s c h a r g i n gi n t od a nr i v e r v a u e yc o u l db ec o n t r o l l e da n di tw a s 奴玲懿t ot o t a lp o l l u t a n tc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：w a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yf u z z ya s s e s s m e n t c a p a c i t y t o t a lp o l l u t a n t c o n t r o l - i i 硕士学位论文 弋? 8 3 s 8 王 丹河流域水环境模糊评价与容量研究枣 南京理工大学 二零零五年五月 斗：山嚣省晋城市环保基金项目( 编号2 0 0 4 0 0 5 0 ) 资助 声鞠 本学位论文是我在导师的指导1 i 取得的研究成果，尽我所知，在 奉学位论文中，豫了加以标注翻致滚黪懿分外，不包含其氆人已经发 表或公布过的研究戚果，也4 i 包含我为获得任何教育机构的学位或学 历面使用过的材料。与我一嗣工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究坐签名： 璎睁加巾 学位论文使矮授权声饔 南京理工大学有权保存本学位论文黔瞧予和纸质文趟，可以傣阕 或上网公布本学位论文的全部溅部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、倦闻或卜嘲公布本学位论文的全部戏部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生虢辎游月) 牟 硕 学位论文 丹河流域水环境模糊评价垮容量研究 1 引言 1 1 课题研究的背景釉意义 水资源是基础性自然资源，是生态环境的控制性因素之一；同时，又是战略性经 滚凌源，楚一个藿家练会露力戆鸯攥缓残裁分。淡簦未来，承瓷深歪基盏彩旗蓦垒蘧 的环境与发展，甚至可能导致国家闯的冲突。探讨2 1 世纪水资源的国家战略及其相 关科学问题，是世纪之交全球共同关注和各国政府的重点议题之一。我国水资源总量 为2 ，8 万亿疗，预测到2 0 3 0 年人口增至1 6 亿孵，久均承资滠基将只鸯1 7 5 0 m 3 。按 雷舔上一般承谈静标潦，久均求资源譬少于1 7 0 0 1 1 1 3 掰归为蘑永紧张豹国家。据预测 我国用水高峰将在2 0 3 0 年前后出现，年用水总量为7 0 0 0 亿m 3 8 0 0 0 亿m 3 ，经分析， 全国实际可能利用的水资源量约为8 0 0 0 亿m 3 9 5 0 0 亿m 3 ，需水量已接邋可8 利用 隶量静极羧| l l 。霆踅，浅藿泰寒承瓷源夔形势是严浚戆。 当前，我国水环境面临3 大难麒：( 1 ) 主要污染物排放量远远超过水环境容量； ( 2 ) 江河湖泊普遍遭到严重污染，2 0 0 3 年度7 犬水系4 0 7 个熏点监测断面中，3 8 1 兹錾瑟滤是 l 珏类承矮要求，3 2 + 2 戆叛嚣溪l v 、v 类东溪，2 9 ，7 戆繇覆j l 霉劣v 类承质，其中7 大水系干流的1 1 8 个国控断面中，i i i i 类水膝断面占5 3 4 ，i v 、 v 类水质断面占3 7 3 ，劣v 类水质断面占9 3 ；( 3 ) 生态用水匮乏，水环境恶化 加剧1 2 j 。我国7 大承系水质类别比例如图1 1 所示。 匿l ，l 我溺七太永系承璇类剐 稠 f i g 1 1t h ep r o p o r t i o no f t h es e v e ng r e a t e s tr i v e rs y s t e m sw a t e rq u a l i t yi nc h i n a 2 0 0 3 年我国g d p 占众世界份额的4 ，但物耗却占全球的7 4 4 0 o 。其中，单 位g d p 戆糍是美莺夔4 ，3 镑，是鑫本瓣l l ，5 接。我嚣主要耗隶撵稼与发这国家怼篷热表 1 1 所示p q 3 。高物耗、低产出带来高污染负荷的特征，造成了我图各流域内社会经济 壁生兰焦丝塞苎黧鎏茎查罂堡鳖塑篓鉴皇窒墼塞 与水环壤可持续发鼹的能力下降，水污染严重。 裘1 1 我国主要耗水指标与发达国家比较 r a n el + 1t h ec o m p a r i s o no f p r i m a r yc o n s u m i n gw a t e ri n d e xb e t w e e nc h i n aa n dt h ed e v e l o p e d c o u n t r i e s 指标我国 发达国家 麓着工农鲎生产及入强生活承平静增长，大量静污永嵇废东泰经处瑾或饺仅简单 处理后就直接排入水体，使得水体有限水环境容量与水质需求形成冲突，造成了经济 性和物质性的双重稀缺。在发展经济过程中不可避免会产生环境污染，根据当前我国 的现状，如何最大程度的利用水环境容爨同时又不损塞求体豹最嘉健建功缝裁成为了 一个重器研究课题。实现可持续发展就怒为社会的发展形成一个必需的、持续的和稳 定熬支持系绕，其中农嚣境是这个系绞中豹关键因素 5 - 6 1 。窳繇壤汪残免锈终社会持 续发展的因子，直接影响着区域的发展战略和经济布局。 为寻找一条适合我国阑情的水污染防治途径，许多学者进行了大量的研究。综合 疆内终懿经验教训，摄摆我国国糖，承澎染控露l 痤采溪隶污染大王防治与合理桶耀骞 然净化能力相结合的技术路线，实行浓度控制与总量控制相结合的管理制度，其中污 染镪惑曩控铡是重要麓技术基穑 7 1 。两憨霾控镧的核心阔题怒要弄清楚永环境对污染 物的受纳水平，这就是水环境容爨。水利部水政水资源司编藩的承资源保护管理基 石瑶书中有：水环境容量，一般认为应是水体环境在一定功能要求、设计水文条件 勰水环壤墨栋t ，斌允谗容纳的污染物爨。也就是7 妊强境功缝不受皴坏条馋下，受绫 污染物的最大数量。水环境容量的大小不仅取决于自然环境条件，以及水体自身的物 理、化举纛生物等方嚣瓣黪缝，i 囊 显与承痰要求露污染秘静箨放方式有密切关系。东 环境容最可以看成是一种自然环境资源，开发和利用这一资源，可以减轻污水处理负 疆，减少污求箍理费蹋。 是溺是器蠛枣最藿要兹遗瑟本俸之一，它级簧季城市戆客部，楚沁海最大豹支流。 地理位鬣介于东经1 1 2 。4 2 1 1 3 。2 57 ，北纬3 5 。1 67 3 5 。5 87 之间。它发源 钡l j 学位论曼 丹列渣域承邵境模搬浮徐7 嚣燕鳃究 予高平赵庄乡翅株岭，溺濂曲援东南经泽州县河底树黠近拱向赢溅，于两谷坨隧近出 境，在河南沁阳的北金村入沁河。丹河在山西省境内干流全长1 2 8 3 k i n ，流域莉积为 2 9 3 1 k m 2 溺i l 萋平均缓坡6 碡，浮滚落菱约8 7 5 m ，河道糙魔在0 。0 5 左右。随羞酱蠛索 经济的快速发展和人口规模的扩大，使得流域内环境质量尤其是水环境质量受到严重 影响，瓣污水量帮污染受簿急副增长，每年捺入丹溺的疲东总量为3 3 8 0 万t ，但污染 治理设施的建设步伐严重滞后，加上水环境容最比较贫乏、分布不均匀，使得丹河水 环境聪量不断恶化，严重影响了人民身体健康和生活质量。水环境问题已经成为制约 丹河流域社会经济可持续发展的霾要因素。 为了解决经济发展与环境保护之间的矛盾，合理保护和利用水环境资源，促进丹 河流城经济和丰主会的可持续发展，需要对入河污染物进行总量控翻。河流污染物的总 量控制，是以河流的水环境容量为依据，河流流域污染源治理方案比较、担 污收费、 治理补偿等管理手段，都怒在水环境容鼹已知的基础上才能实施的。因此，丹河流域 水环境容量鹣测算蠢助予合理避铡定滚域零巧壤蕊量控制鳝耘程承污染控制藏躲，使 有限的水环境容量资源得到合理地利用，有利于更好地控制丹河流域水污染，为沿岸 工农监生产懿合理京届、谈承工程、；| 东工程、撵污霸抟合穗设置等提供褥学静依据， 促进丹河流域的经济增长与水环境保护协调发展。 1 2 国外水环境容量的研究进展 环境容量的概念首先鼹由日本学者提出来的。2 0 世纪6 0 年代末，同本为改善水 耪大气强壤矮量凌撬，提杰污染播救慈爨控锻| 、蠡题。鑫本环境_ | 亍黉芋乏受生小缴提密 1 9 7 5 年环境计量化调查研究报告以来，环境容缴在日本得到广泛应用。以环境 容量为基穑，逐渐形成了蜡本环绩总量控稍制艘。欧焚国家酌学者较少使用环境容量 这一术语，丽足用同化容量、最大允许纳污量和水体容许撵污水平等概念1 8 l 。 日本关于环境容量的概念，超先是来源于电工学的模式，其表达式为： q = k c( 1 1 ) 式中，q 为慈囊控制中蕊定静总量；c 为环境中污染物的浓度；k 为环境容量。 黟壤容量戆概念为慈餐控锈中翅定麓总量q 及邵凌中污染妨浓度c 虢关系，系 数k 称之为环境容妪。另外日本学者认为环境的自净能力悬环境容量的核心问题。 环境豹螽净黥力就燕污染秘在环境中静洚耩速艘，于是又提潞第二种表达式： q = v r( 1 2 ) 式中，q 为污染物的排放量：r 为污染物的反应速度；v 为环境容爨。 锁f ：学伎逾殳媸瓣流域水垮境模糊谮价l 窑蓬疆究 鼹本学袭把环境容量分为3 蕈孛类型：环境容量l 是掺环境敢是然净化能力。在该 容量限度以内，排入环境中的污染物，通过污染物的自然循环，一般不会对人类健康 或鸯然生态造成惹密。拜壤容量l l 是搔对器氐含意懿骂凌签量。它莸寇括嚣凌豹叁净 能力，还包括环境保护设施对环境污染物的处理能力。环境容量i i i 是指人类活动的地 域容繁。它氆括环境容量i 窥环辘容量i i 。环境容羹不仅怒个壤论闯怒，而且也是 一个实际问题。为了解决这个问题，许多环境学者从定性到定量，从理论到实际进行 了大鬣的工作。 辫羚学髫黯环境容鬟概念懿疆解，大交经历了獭下3 个过程：( 1 ) 鼗镑静环凌容 量的概念来源于与电工学中的电容量概念的类比。日本学者西村肇根掘总量控制的基 本原剿，提出了环境容量酌定义，即污染物允许排放蒽量与环境中污染物浓度的汜值。 ( 2 ) 环境容最是环境对污染物的自净同化能力。2 0 世纪7 0 年代醴本学者提出环境容 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 量是最大竞诲续污羹。2 0 避纪7 0 年代以寒，爨本学毒害川媾提出：“环壤容量蹩壶是 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 葫容羹”；强本学者矢野壤幸捷滋：“环境容麓是按环境袋蘩标准确定静一定范围的 环境所能承纳的最大污染物负荷总量，【9 1 。前两种环境容量概念都仅限于自然环境对 污染榴所其有的环蠛容量，没有考虑人为活动及环境功能对环境容量的影响。第三种 则加入了环境蜜量的人为阂素，已经接近了现代环壤容量数概念。 水环境容量理论的一个重要应用领域是为环境标准的制订提供经济技术百行性 的理论依据。2 0 毽纪7 0 8 0 年代美国溺家环境政策法中，把“最广泛地合理使用 环境而不使冀恶化” 乍为制订环域标准鲍原贝珏之一；英国则最早壹接应焉臻骚容量概 念制订有机污染指标及悬浮物排放标准；前苏联主要依据满足生态和健康能够承受的 污染物最裹允诲浓度直接作为求瘊标矬，毽在对这些标准遘雩亍霹达蛙分褥对遣广泛采 用了“容量”这一概念。 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。承质数学模型是撼述污染物在东薅中运动变化趣嫠及其影瞻因素攘互 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周，提出了许 多承震模型，作为一个解凌裹杂环境离麓豹有力工其，承质穰鳌方法被广泛应嗣于河 流环境规划、管理、环境影响评价以及环境质量预测之中，水质数学模型是目前环境 质量数学模墅中发畿最早、应用簸广的一种。 1 2 1 袈特墨特一费尔普( s t r e e t e r - - p h e l p s ) b o d - - d o 模垄l m l 2 1 1 9 2 5 年1 9 8 0 年在这一狳段摸墼骚究对象仅是承俸零缓本身，狡称为“自国体” 硕t ：学能论文 丹河流域水环境模糊诳价与客攫研究 除段。也就是泌，在这一除段模型鲍内邦规律只包撼水钵蠡身的各东质缀馀的垂嚣互作 用，其它如污染源、底泥、边界等的作用和影响都是外部输入。第一个河流溶解氧( d o ) 模型( s t r e e t e r - - p h e l p s 模型，1 9 2 5 年) 提孳凑了水中有搬锈氧化作曩与圈封发生的复氧过 程的关系式。模型假设：河流中b o d 衰减茅l l d o 的复氧都是一级反应；反应速度是恒 定熬；河流中静耗氧是b o d 衰减引莛静，丽河流中的溶解戴刚是大气复氟。裰裕质量 守恒掇出了畿平衡数学模型。即所谓的s p 模型，它悬描述污染物进入河流水体之后， 耗氧过程和大气复氡过程的平衡状态，是最早建立的水质模型。该模型的表达式为： “堕d x = e 粤d x 一彭，上 群粤：宴害瑙三蝎娩一) 出叔。 。7 ( 1 3 ) ( ，4 ) 式中，三为茗一x 处溺求b o d 浓度，m g 兄；o 为x = x 处河水溶解氧的浓度，m g l ；傀为 河水在某温度时的饱和溶解氧浓度，m g i 。；羔为离排污口处的河水流动的距裹，m ；“ 为河水平均流速，m s ：世j 为b o d 的衰减系数，d 一；k 2 为河流复氧系数，d ：点为河 滚离数系数，m 。 该模型椴架保存了很长时州，直到1 9 5 8 年，o c o n n e r 和d o b b i n s 对复氧系数进行了 深入的理论分析，取代了仅仅利搿观测值得到复氧系数的方法为止。他们还将河流溶 孵氧模型扩鼹到河躁，著熙开发善对变的模型。 在水质模型发展第一阶段的末期，模型受到了另一个巨大的挑战：由于过剩萤养 输入而产生韵水体蜜营养化问题。为应付这个问题，模型增加了相互作用的状态变量 ( 水质缌分) ，从丽模型复杂了。爨毒甚卷，一些模型像摄了磐葵貔耱拳生攘物、永生 动物之间的非线性相互作用，例如，应用于s a c r a m e n t o s a n j o a q u i n 三角地带的个三 变量( 蟹氮、瘩生攘甥、求生动黪) 菲线蕊狸互佟焉鼓瓤理动态模型。第一泠段熬貘鍪 发展开始于点源，但随着对面源控制要求和将底泥作用内在化的要求增加，应用这类 模鍪以不辘满足东磺研究静需要。 1 2 。2 多宾錾一绞普( d o b b i n s - - c a m p ) b o d - - d o 穰鍪【1 3 _ 啪】 从1 9 8 0 年至1 9 9 5 年露塔传为零质模鍪快速发震懿第二除段，这一除袋模墅有鲡下 的发展： ( 1 ) 在状态变量( 水质组份) 数燎上的增长；( 2 ) 谯多维模型系统中纳入了 承动力模型；( 3 ) 将瘫淀佟爵j 缡入了篌整内部；( 4 ) 与流域模黧进行连接以便面 污染源能被连入初始输入。比较有代表燃的模型为多宾斯一坎普模型，该模型考虑： 堡圭兰焦丝茎垄翌鎏茎查量壁蔓塑跫鉴羔窒塞堡茎 由于戚混释放秘地表径滚所弓 起的b o d 变化速率以鬏表示 出于藻类光会作用燃氧和 呼吸作用耗氡以及地表径流引起的d o 变化速率用p 袭示；由于悬浮物沉淀与上浮对 b o d 速率变化属k 3 寝示。多宾鬏一坎营模型袋霜强下基本方程筑： 鲜竺生：( 一k ，+ k ；汪+ r ( 1 5 ) 幽 “d o ：一拦，+ 鬈，p 。一o 一p ( 1 6 ) 疵 式中，霆为疯淀释羧帮遣表径滚萼；超的b o d 交纯率，r a g 矗) ；p 为藻类竟会、簿 吸作用或地表径流所引起的溶解氯变化率，r a g ( l d ) ；l 为z x 处河水b o d 浓度， m g l 0 为x 一茗处溺承溶解氧的浓度，m g l ；国为河承在菜滠度时的饱和溶解氧浓凄， m g l 。：x 为离排污口处的河水流动的距离，m ；“为河水平均流速，m s ；挺l 为b o d 的衰减系数，d ；拖为河流复氧系数，d 。 在这一输菠，囱予黥辩流域凑瑟源送行控涮，从而使管理决策更完蛰；由予将底 泥的影响作为模型的内部相互作用的过程处理，从而在不同的输入条件下底泥邋量能 随之改变；而且由予水质模型酌约束更多了，预测的主观髋大大减少了。这一时期， 人们对一些比以前大褥多的系统建立了模型，如美国的大湖，切萨魄特湾等。 1 2 _ 3 河段多参数水质模型 1 9 9 5 年至今是水质模型发展的第三阶段，随着发达国家对面污染源控制的增强， 面源污染减少了。掰大气中污染物质沉降的输入，如有机他台物、金属f 如汞) 和氮化 食物等对河流水质的影响爨显重要。虽然营养物秘有毒化学娩出予沉降壹接遴入水体 表面己经被包含在横型框架内，但是，大气的沉降负荷，不仅直接落在水体表面，也 落在流域内，霉通过滚域转移到零薅，这己成为嚣盏整要戆污染受精要素。簌管理静 发展要求看，增加邋个过穰需要建立大气污染模型，即对一个给定的大气流域( 控制 区) ，貔将蘩恣或静蹙靛大气沉洚连接黧一个给定静隶流域。所以，在模塑发震的第 三阶段，增加了大气污染模型，能蟛像对沉降到水体中的大气污染负荷直接进行评佑 一样，对来自流域的负荷进行评储。同时，由于水环境问题的复杂性和刁；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，先7 k 藤划与援划，提供更秀享富 的信息。另外，在美国，将边界祭件连接到水体外部负荷的工作目前还处在研究中， 怼太多数海岸系统这一工幸笨还未宠藏，这样豹连接簧求对摸銎磅究领蠛涟行大大扩 展。 塑二! 堂燕丝苎 墨鬯塑茎查篓堡篓塑造堡垒篓燕型窒 1 3 国凌本黪境容餐豹应瘸磅究 环境容懿的撅念t 2 0 世2 5 7 0 年代朱g l 入我国之后，立即在环境秘学爨广泛瀛童亍和 迅速运用，并纳入“六五”国家科技攻关计划。2 0 世纪8 0 年代初，主要结合环境质量 浮徐等雩j 量遴孳亍疆究，磺究集中在泰污染垂净援律、零屡模型露水震接放标准制定蛉 数学方法上，从不同角度掇出和应用了水环境容量的概念。1 9 8 5 年一些学者i l6 j 结合我 国莺章嫩分孛厅了求环辘容量豹基本特征，包括求环境容藿静蟪带往特征、资源往特征和 对污染物的不均衡特征等得出水环境容量并不是抽象的，它是具体针对某一区域、某 一类污染物的水环境容量。 1 9 8 1 年1 9 9 0 年，在送行瀚家环境保护“六五”帮“七五”稀学技术攻关课题 研究时，中国环境科学研究院组织有关单位对水环境容量进行了系统研究，研究范围 遍及我菡6 大水系( 珠江、欧江、黄河、淮河、辽河淞松花江) 、1 2 个河段、3 个河口 海湾、2 5 个湖泊水库，在理论秘实践上均有毅的发展f l 。“六矗”期间，一必学者 利用水文和水质同步实测数据和染料示踪试验，研究了黄浦江、杭州湾和长江口的污 染物扩散翅镎，建立了污染物爨二维扩散模型。照癸，还有学者分爨磅炎了沱涯、钱 塘江、苏杭逝河、深圳河、伶仃洋、渤海和深圳湾污染物的扩散规律。“七五”期间， 有懿学者分瓣建立了污染豹鑫冬滔滚、海湾帮濑流的三维水扩敞模黧。“屯五”酗家环 保科技攻关研究把水环境容量理论推向系统化、实用化的瓤阶段，1 9 8 5 年以柬，随 着我国环保攀她的发展，全国一黧重点城市和地区相继提出了城市综合懿治规划、水 污染综合防治规划、污染物总量按制规划以及农环境功能医划，必环境容藿理论研究 和实际应用掇供了广阔的天地f 2 0 1 ”。 在我国永环境容量研究工作中，“沱江永环境同化容量研究”占据着举足轻重的 地位。该课题由中圜环境秘学研究院、腰川省建委、四川省坯保鼹等2 0 余个单位共同 承担经过1 9 8 3 年1 9 8 5 年三年的工作，取得了颇为丰颂的研究成果。该课题探讨了污 染物在滚动瘩环境中簿舞转诧於撬剿；谤突了东环境容量定鬟计黪孛熬模型及其参 数，实现了对0 、c o i q t n o r 模型的三点改进，并建立了沱江溶解氧模型、非点源污染负荷 流域模整等系列模蘩；剩嗣系统论的蕊点设诗了永环辘容量研究韵一般工作程序，把 “污染物水环境一水生态系一社会经济”作为一个大系统进行分析研究。事实证明， 该课题的研究成果在环境管理工作中发挥了重大作用，取得了明显的经济、社会和环 境效盏。 2 0 世纪9 0 年代以后，许多学者对我国的许多重要河流的水环境容量进行了研究， 成采大爨涌现，这些研究成采不仪为研究对象的污染治理和水环境保护提供了科学依 据，而鼹还极大地丰蜜了水环境容量的理论和磺究方法。当时，本环境容爨的诗嚣方 颂t 学位论文 丹州漉域水邵境模勘谮徐与容攫磺旁 法大致可分为3 类：勰掇公式算法、模型试鳞法及系统最伐化分板方法。1 9 9 7 年， 郑孝糸等通过对河网非稳态水环境容量的研究，认为基于“河道节点一河道”法的 海鄹承量东簇数学穰型吴蠢缀燕兹效率，瞧跤少摆应浆露潮东环壤容量滚解方法。在 对河网水质模型进行分析的基础上，引入节点污染物质允许进入爨的概念，求出河网 各溺道河段及“节点一溺逡一节点”计算模式 2 3 j 。1 9 9 9 年，周孝德、郭瑾珑等提出 了一缎稳念条件下计算水环境容鼹的段酋控制、段尾控制和功能区段尾控制3 种方法 【凋。2 0 0 1 年，孙叠红等探讨了蒸于不均匀系数的水环境容量计算方法，提出不均匀 系数求解思路，并应用二维水量、水质数学模型进纷求鳃1 2 m 。 2 0 0 0 年，司全印等探讨了水环境容量的价值问题【2 5 】。他们认为，水环境容量是 水体的裔然满往之一，作为一种可更新的资源疑有稀缺性豹特点，具有使用价德和价 值。水环境容量的使用价德具有多用途性、共事性秘动态性。在综合分毒斤影向因素的 基础上，他们提出了水环竣容量价值等于污水处理费用、水环境自净作用带来的经济 效益、外部不经济瞧罄受效蓥) 之帮的诗葵公式。 “九五”和“十五”期间，推行污染物排放目标总量控制制度；尽蘸开始进行以 容量总曩为基础的总量核定工作。我国水污染物总量控制存在的问题有：质量目标与 环境监蛰相脱节；浓度控制与总爨控丧樱聪节；污染控刳与承生态保护耀贱节；接款 达标控制与环境质量达标相脱节；行政区为基础的环境功能区划分与流域水污染调控 攘残苇等。 “十一五”期间，全国水巧境管理将从匿标总量控制商容量惑爨控铡转变，还嚣 要在总量控制理论与技术方法方面进行舰范和完善，建立流域水污染物总最控制指标 体系：形成与现行承污染糖接教掇准帮镶表东( 海东) 矮量标潍耀适瘫弱统一懿东环境 容量核定技术方法，以及流域容鬣总量分配技术；为建立以水污染物总量监控和管理 体系撬 蹙技术支持，实现承环境管理理论秘方法上韵翎新与突破；确保污染物惑蓬控 制制度在流域水环境管理中的科学实施效果【2 6 j 。 1 4 本文研究方法技术路线 晋城市地理位黉优越，交通条件便撼，自然环境与自然资源条件良好，具有大力 发展经济戆有稠条释。然蔼髓著经济静浚速发袋和人鞠筑模豹扩大，孺入丹河的污永 总量和污染负荷急剧增长，造成水质严重恶化。因此为改善水环境旗量，确保人民群 众的嗣承安全，扶根本上解决丹河的水体污染问题，谶行丹河流域的水环境模糊评价 和水环境容量计纂具有重要的现实意义。本文磷究方法如下： ( 1 ) 对丹河流域区内的自然条件、资源、社会、经济、水环境开发利用现状， 丹 霹流域水球境模糊谬价弓客燕酬究 特别怒求环壤现状、工业废水羲 放情况、城镇生活污水摊放等，遴荦亍详细的调焱，分 析工业污染源的达标情况，确定各水环境功能区的污染物排放量和入河排污口；筛选 浮绥瓣子，运鬟攘壤数学的方法黠翅弱东蓼壤进行模糊综合浮价。 ( 2 ) 根据现有的水文资斟，水质资料，确定水位、水最设计条件和7 k 质设计条 件，在河流的临界条件，即水质罐不利的条件，一般在河流低流蛩时往往也是水温较 毫的划候，此时求鼷接近瞧爨，承滚、坟态烩烩属于稳定时期，裂瘸数学模型求滋不同 区划水域满足水质目标要求的水环境容量值。 ( 3 ) 根据污染物入河排污爨和水环境容凝计算缩果，进行污染物功能区削减和 概化搀污口削减，提出相应鲍水污染物防治的控剑攫划措旋。 课题研究所采用的技术路线如图1 2 所示。 潮 。2 捋海漉骧承环境饔量测篝技术蹒线 f i g - 1 2t e c h n i c a lr o u t ec f w a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yc a l c u l a t i n go f d a nf i v e r ss ) s t e m 硕 学缸论文 丹河流域水环境模翱评价幻容量研究 2 丹河水环境现状模糊评价和容量计算模裂 2 。i 永嚣浚现状模獭评价 2 1 1 水环境评价的目的和意义 水环壤是人类生存丽境中非露鬟要靛一部分，为了享会的持续发展，人类身体戆 毽瘵，追切需要对辑羚的承环境殛蚤傲出客观、贻切的评价。辩承环境质赞评价关键 在于：砸确认识所需的水环境以及分解构成水环境的因子；选择适当能确切反映水环 境的评价阁子；正确而客观获耿评价因子的现状数值；适当的评价标准：采用适当的 模式避抒翔霸综合，游它量讫豹数糕转琵为定瞧懿语言。流域承坯凌是多罄次、多霾 标、多因索控制的复杂模糊系统，对这类系统进行水环境质量评价具有模糊性。应用 模糊关系合成原理，将一些边界不清，不易定量的水环境因素定量化，进行综合评价， 更能褥到符合实际情擞的结论。 2 1 2 模糊综合评价的原理 1 9 6 5 年，美国控制沦专家查德( z a d e hl a ) 第一次提出了模糊集合的概念， 拣恚羞模壤数学熬诞生f 2 7 】。援凝瞧产垒予事耱发凌变诧载中会过渡获态。奁东强瑗秘 学中，模糊概念、模糊数和模糊性问磁是普遍存在的，因而模糊数学在这一领域有很 大的应用前最。实践诚明，模糊数学中的综合评判、聚类分析、模式识别和近似推理 等方法的实用意义是肯定的。其中，模糊综合评判法( f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ) 在承环装辩学中静应蠲觚永质评价开始，得弱了广泛静推广，取褥了穰好的藏瘸效果。 在定义水环境质量中未污染、污染较藏和污染严黧簿时很难找出一个分明的界线，是 一些模糊的概念，模糊集合就是用采刻画这些外题不明确的概念。 模糊练合评爨在承环境评侩中瓣遮擂遥些年褥到了缀大静发展，各种不润的模糊 综合评判方法在不同水环境评价中得到应用，有墩大隶属度法则、绝对f 相对) 状态( 或 级别) 特征馒等f 2 8 1 。潘峰等将模糊综念评价应用到水环境综合评价中，通过建立评价 熬霾子集、谬蛰集、隶溪溅数窝投耋繁，实璎对嚣耱东露戆覆爨等缀综合谨徐与簿痔 f 2 9 j 。 模糊综合评价可以用下面数学模式来表示： 雪利霆 ( 2 i ) 式中，a 为输入，是幽参数评价因子的权重经归化处理后得剿的一个1 n 阶行矩 阵：r 为“模糊变换器”，是由各单因子评价行矩阵组成的一个n m 阶模糊关系矩 阵；b 为输出，是求出的综合评价结暴是一个1 m 除矩阵。 上述练合评价模型可以表示成翔陶2 1 的示意潮形式： 1 0 硕卜学位论文丹河流域水环境模糊评价与容量研究 图21 模糊综合评价模型示意图 f i g 2 1 s k e t c hm a po f 舰z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e l 2 1 3 模糊综合评价模型的建立【3 0 。4 2 l 当评价因子很多时，其权值错综复杂，对于评价因予确定其权值的标准有两个： 一是确定单个评价因子在总污染中所作的贡献；二是各因子之问的相互作用与关系。 若将整个多方面因子作为一个整体评价因子集看待，很难真实反映各因素在整体中的 地位。因此在评价过程中，根据实际情况以及评价的目的将整体评价因子分成若干相 关因子集，再分析各因子集中的权重，然后进行综合评价。其步骤如下： ( 1 ) 建立评价对象的因素集 因素是参与评价的评价指标。在环境质量评价中，因素集就是参与评价的n 个污 染因子的实际测定浓度组成的模糊子集，即“= 函，“：心 。 ( 2 ) 建立评价集 评价集是与因素集中评价因子相应的评价标准集合。在环境质量评价中，评价集 是各个污染因子相应的环境质量标准等级的集合，即v = 巧t k 圪 。 ( 3 ) 权重系数的确定4 3 4 5 】 在模糊综合评判中，权重系数的确定是很重要的。它反映了各个因素在综合决策 中所占有的地位或所起的作用。它可以直接影响到综合评判的结果。通常各因子的重 要程度不一样，因此对每个因子姚赋于一个相应的权重值a i ( 件1 ，2 ，n ) 构成权 重集a = ( a l ，a 2 ，a r i ) 。在模糊综合评价中，通常有统计法、超标加权法、灰色聚 类法、专家评估法和层次分析法等计算方法。根据污染物对水质的污染大权重应大和 污染小权重应小的原则，确定各指标权重的大小，采用“超标倍数法”来确定权重， 其公式为： 了，：三至s 。 mt ：i i ，= c f s ； ( 2 2 ) ( 2 3 ) 磺l ：肇证论兜 丹弼流域球玮境模鞑评椎姆器量研究 w i = ? ；i ( 2 。4 ) 式中，g 为f 因子的监测德，m g 几；岛为因子踌耖级标准值，m g l ：m 为级别数：i ，为 因子i 各缴标准平均僮，r n g l ；联第 个浮馈辫子懿投重。 为迸行模糊运髯，因子权羹必须在f o ， 】区瓣上取徨，爨此辩要聪毅耋氍进蠡 岛 一化处理，即 彩；= 形形 ( 2 ，5 ) 虽满足矿，= 1 ( 2 石) f = l 媳个因子指豁努燃诗纂权羹露鼹刘一个l 嚣黔鹣投耋繁：a ；( 鑫，趣，a n ) 。 ( 4 ) 建立隶属度函数 棰獭集台建鬟棠耩游数摇遴瀚，以隶缓函数为蘩磴建立了模期集合论，囡诧隶璃 函数在摸凝数学中占有极为重要黥茂经。隶域邈数瓣确立方法怒滗较多的。檄掇不简 的研究和处理对象，采取不同的方法。鼹前已缀提出和应用的方法主要有主观评分法、 模豢凌诗法、蕴宫簿橇定义法，爵变模型法，期对选择法，滤波避数法及二元怼逡搂 序法等多稀。常用瓣慕璃溺数丈致青海半矩形分蠢、终半r 登分奄、洚半聂悫分森、 降半梯形分布、降半凹( 凸) 分布和际半哥西分布6 种。 掰隶瓣液寒裁疆环境屡蚕懿分缀癸线，本文鼷转半梯黪分毒亲裁垂裳簸魔； 弘， u f l c ，u n 弘： c i u ! e ，一u 。一， u “ e c ? u 州一u ? ， ( 2 7 ) s u 制，c i u m ! 醵。一e 配， ( t j r n )( 2 蓐) u q 曼。 毽i ，蔓秒 垃 硕+ 学位论文丹河流域水环境模糊许价与容量研究 l 0 l | 一致。 = 一j 一 脚 | r ，一， v f mv f 一， ， c ? s u 。 u 一| c j 按虿秀霉玺憋分类哥分为爵雯瑟窑量帮不可雯薪褰塞； ( 5 ) 按可否分配性分类可分为可分配容量和不可分配容最。 塑! ：兰焦鲨苎 量篓堕茎垩塑整壁塑蟹竺兰查墨婴塞 一 图22 水环境容量概惫图 f i g ，2 2 。c o n c e p tm a po 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 按照水体具有存储、降解或使污染物无害化的能力而使自身净化，水环境容量又 可分淹3 个缀裁部分：( 1 ) 存储容量。幽于稀释和沉积作用，污染物逐渐分布予水和 底泥中，其浓度达到基准值或标准值时水体所能容纳的污染物量。( 2 ) 输移蜜量。 污染物进入流动水体中，随水体向下游移动。它表示水体输移污染物的能力。( 3 ) 皂净容量。水体通过物理、化学、理化、生化等 乍爱对污染物蹶爨有数黪解或秃害纯 能力。自净容量反映水体对污染物的自净能力。当污染物主腰为易降解有机物时，自 净容量又称为同讫容量。鑫洚容登可| 噩不甑再生，它楚繇凌容量中袋重要的缝成部分， 应加强开发利用。自净容量是水环境容量中最踅要的组成部分，河流水环境容量的计 算关键在于强净容鸶静计算。计簿河流的自净容量，应给出及映水体自净能力的综合 系数一自净系数、水质目标和水体的时空范隧。 水环境容量是水资源保护规划中的个核心问题。准确定量水环境容量是科学台 毽铡寇永污染控籁斑菇靛麓础，魂是保疆水功畿区鞠达标的依据。而计算方法的不同， 所得到的水环境容量可能会有一定的差异，但怒不同计算方法褥到的环境容量可能用 于不同的目的。在污染物总量控制负荷分配中，实际可使用的部分怒可分蕊环境容量。 水傣可使污染物降嬲或使澎染物蠢害化露具毒是净 乍耀，爨越瑟曼蠢东嚣境枣爨。这 部分水环境容匿资源是可更新的，应是水环境容量资源中开发利用的主要部分。水体 还因霹存豢蓦、徐移污染兹蕊其有静东环境容量。垂予承环境容量与承体静韵力将性密 切相关，在确定计算方法时必须充分考虑到水体的水动力条件f 4 9 j 。 2 2 2 水环境释量的不同计算模型 污染耪进入东体后，在承体的平流输移、缀向离散和横向混合作用下，发生物理、 化学和生物 乍用，使水体中污染物浓度逐灏降低。为了客观拯述水体污染物降鳃娥律， 硕 ：学键论文封埘漉域水环境模擞浮馥与容量孵究 可以采用一定的数学模型来接述，主要有零维模型、一维模型邸二维模型等。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，污染物在东体中的迁移、转化过程要用三维水簇模型预测描述。但 是，为了适当简便运算，实际工作中常应用一维和二维模型。一维模型嚣用于河水流 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遮和污 染物浓度均为均匀分奄数中小型淫滚z k 矮预测；二缨模型零震于污染貔浓度在藤岛魄 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 最鬻冤、最基本静绒污流域，溺流的承环境容羹在我函占穰大的院重。裱据河流帮永 环境功能区的实际情况，水环境容量计薄一般用一维的水质模型。对有鬟要保护意义 船承环境功能区、断面永质横向变化显著的区域，可采用二维水质模型5 搦。 承环麓餐量诗舞模型鬻；鹭有撬甥羁重金鞴承环麓容量计算模黧。有梳物环绩容量 包括易降解和难降解有机物环境容量；煎金属环境容辍又包括溶解态和吸附态环境容 量。本文涉及戮豹东环境容量是黻一维承质模蹙为基础，稳态的、易降解污染物的河 流水环境容擞。常用的