（环境工程专业论文）淮河蚌埠段水质现状评价及水环境容量的研究.pdf

淮河蚌埠段水质现状评价及水环境容量的研究 摘要 本文对淮河蚌埠段水质状况、污染源及污染特征、水环境容量进行研究， 根据该段2 0 0 4 年水质监测资料，采用有机物污染综合评价法、模糊数学评 价法和物元分析法对该段水质现状分别进行评价。通过三种方法评价结果进 行对比分析可以发现：水体水质发生严重污染时，这三种方法得出的结论是 一致的。评价结果表明：该段主要污染指标高锰酸盐指数、五日生化需氧量、 氨氮。以流量的大小划分水体为枯水期、平水期、丰水期，按照不同的水期 对该河段的污染状况进行评价，枯水期水质较好率占3 3 1 3 ，严重污染率占 6 6 7 ，表明在枯水期该段的水质状况主要处于严重污染状况。根据该段河 流的水文特性，选用一维稳态模型来进行水质模拟，根据前人已经研究的成 果来确定参数。以河段功能分区情况为基础对淮河蚌埠段的主要污染物 c o d 。，、b o d 5 、n h 3 n 三项指标，在逐月流量系列的9 0 、7 5 、5 0 和最 枯月系列的9 0 、7 5 情况下进行环境容量的计算，计算结果为：逐月流量 9 0 保证率情况下水环境容量c o d 。，为1 0 0 6 t d 。、b o d 5 为6 1 1 t d 、n h 3 一n 为1 4 3 “d ；逐月流量7 5 保证率情况下水环境容量c o d 。，为2 7 3 5 t d 、b o d 5 为1 5 2 4 t d 、n h 3 n 为3 6 6 t d ：逐月流量5 0 保证率情况下水环境容量c o d 。， 为6 3 4 4 f f d 、b o d 5 为3 3 7 3 t d 、n h 3 0 n 为8 2 4 f f d 。最枯月流量9 0 保证率情 况下水环境容量c o d 。，为3 0 2 f f d 、b o d 5 为2 0 9 t d 、n h 3 一n 为4 8 t d ；最枯月 流量7 5 保证率情况下水环境容量c o d 。，为5 5 1 t d 、b o d 5 为3 5 0 f f d 、n h 3 - n 为8 2 t d 。本研究成果将会为蚌埠市在满足水体使用功能、充分利用水体自 净能力的条件下，尽可能地减少污染源的排污削减量，降低治理费用，完成 排污量优化控制提供科学依据。为蚌埠市的工业布局、产业结构调整，编制 “十一五”规划和经济可持续发展提供了直接的科学依据。 关键词：淮河水质模型水质评价水环境容量 r e s e a r c ho nw a t e rq u a l i t ya p p r a i s a la n dw a t e r e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yi nh u a i h er i v e rb e n g b ua r e a a b s t r a c t t h i sa r t i c l er e s e a r c hi n t ot h ew a t e rq u a l i t yi nt h eh u a i h er i v e rb e n g f u s e c t i o n ，i n c l u d i n g t h es o u r c eo fp o l l u t i o n ，t h ep o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ew a t e r e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y a c c o r d i n gt ot h ew a t e rq u a l i t ym o n i t o rr e f e r e n c ei n2 0 0 4 ，t h e e v a l u a t i o no ft h eo r g a n i cm a t t e rp o l l u t i o n 、f u z z ym a t h e m a t i c sa n dm a t t e re l e m e n t a n a l y s i s s h o u l db eu s e d t h o u g ht h e s et h r e em e t h o d s ，w h e nt h ew a t e rh a sb e e n p o l l u t e ds e r i o u s l y , t h ec o n c l u s i o no ft h e mi sc o n s i s t e n t t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h e m a i np o l l u t i o nt a r g e to ft h i ss e c t i o ni sp e r m a n g a n a t ei n d e x ，f i v ed a y s b i o c h e m i c a l o x y g e nd e m a n da n da m m o n i an i t r o g e n t h er i v e ri sd i v i d e da st h ed r ys e a s o n ，t h e n o r m a lw a t e rs e a s o n ，a n dt h ea b u n d a n tw a t e rs e a s o n a c c o r d i n gt ot h ea p p r a i s a lo f d i f f e r e n tw a t e rt i m et ot h ep o l l u t i o nc o n d i t i o no ft h i ss e c t i o n ，t h eg o o dr a t eo fw a t e r q u a l i t ya c c o u n t sf o r 3 3 3 t h es e r i o u sp o l l u t i o nr a t ea c c o u n t sf o r6 6 7 w h i c h i n d i c a t em a i n l yt h a tw a t e ri nt h i ss e c t i o ni sp o l l u t e ds e r i o u s l yi nd r yw a t e rs e a s o n a c c o r d i n gt ot h i ss e c t i o no fr i v e r s lh y d r o l o g yc h a r a c t e r i s t i c ，t h eo n e - d i m e n s i o n a l s t a b l es t a t em o d e li ss e l e c t e dt oc a r r yo nt h ew a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o n w ed e f i n i t et h e p a r a m e t e rb yt h ea c h i e v e m e n ts t u d i e db e f o r e o nt h eb a s i so fd i f f e r e n td i s t r i c t ，t h e m a i np o l l u t a n tc o d c r ，b o d 5a n dt h en h 3 一na r ec o m m u t a t e do nd i f f e r e n t c o n d i t i o n - m o n t h l yc u r r e n tc a p a c i t ys e r i e s9 0 ，7 5 ，5 0 a n dt h ed r i e s tm o n t h s e r i e s9 0 ，7 5 t h er e s u l t ：b ym o n t h l yc u r r e n tc a p a c i t y9 0 g u a r a n t e e ，t h ew a t e r e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y sc o d c ri s1 0 0 6 t d ，b o d si s6 1 1 t d ，n h 3 - ni s 1 4 3 t d ；b y m o n t h l yc u r r e n tc a p a c i t y7 5 g u a r a n t e e ，t h ew a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y sc o d c ri s 2 7 3 5 t d b o d 5i s 15 2 4 t d ，n h 3 ni s 3 6 6 t d ；b ym o n t h l yc u r r e n tc a p a c i t y5 0 g u a r a n t e e ，t h ew a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y sc o d “i s6 3 4 4 v d b o d 5i s3 3 7 3 t d ， n h 3 一ni s8 2 4 t d ；b ym o n t h l yc u r r e n tc a p a c i t y9 0 g u a r a n t e ei nd r i e s tm o n t h ，t h e w a t e re n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y sc o d c ri s3 0 2 t d b o d 5i s2 0 9 t d ，n h 3 - ni s4 8 v d ；b y m o n t h l yc u r r e n tc a p a c i t y7 5 g u a r a n t e ei nd r i e s tm o n t h ，t 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 y sc o d c ri s5 5 1 f f d b o d 5i s3 5 0 t d ，n h s ni s8 2 v d t h ea c h i e v e m e n to f t h i s r e s e a r c hw i l lb ea b l et o p r o v i d et h es c i e n t i f i c b a s i so nr e d u c i n gt h eq u a n t i t yo f p o l l u t a n t sd u m p e db yt h e s o u r c eo fp o l l u t i o na sf a ra s p o s s i b l ea n dt h ec o s to f a d m i n i s t r a t e m e n ta n dc o m p l e t i n gt h eq u a n t i t yo p t i m i z a t i o nc o n t r o lo nd u m p i n g p o l l u t a n t s m e a n w h i l e ，t h i s r e s e a r c hp r o v i d e dt h ed i r e c ts c i e n t i f i c s i g n i f i c a n c e t o b e n g f u si n d u s t r yl a y o u t ，t h ei n d u s t r i a ls t r u c t u r ea d j u s t m e n t ，t h ee s t a b l i s h m e n to f ”e l e v e nf i v e ”p o l i c ya n dt h ee c o n o m i c a ls u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t k e y w o r d ：h u a i h er i v e r ； w a t e rq u a l i t ym o d e l ；w a t e rq u a l i t ya p p r a i s a l ；w a t e r e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y 日舌 水在人类文明史上占有举足轻重的地位，它见证着人类文明的兴衰，见 证着现代文明的逐步崛起。水是生态系统中最活跃的因子，地球上一切地质、 气象、水文、地理等的自然现象都与水的循环密切相关：水不仅是基础的自 然资源，维持着农业生产，而且是人们赖以生存和发展不可替代的、有限的 物质资源，没有水就没有生命。 我国是淡水资源缺乏的国家之一，虽然地表水年径流总量居世界第6 位， 但人均径流量仅为世界人均的1 4 ，名列世界第1 2 l 位，已被联合国列为1 3 个贫水国家之一。目前，我国已有近5 0 个城市严重缺水。而我国水资源分 布极不均匀，绝大部分河流分布在我国东部多雨的季风区，西北地区河流很 少，气候干燥，水资源缺乏。我国水污染趋势还没有得到控制，河流污染严 重，全国七大水系中有许多河段遭受了严重污染，尤以辽河、海河、准河最 为严重。污染造成的水资源功能降低或丧失对原本不足的水资源犹如雪上加 霜。 水环境问题是影响社会、经济可持续发展的一个重要问题。淮河流域是 我国人口密度较大的一个流域，随着人口与经济的发展，淮河遭受到比较严 重的污染。淮河的治理问题引起了人们的广泛关注。一些河段水质污染加重， 对沿淮地区的社会、经济发展和居民生活己构成了威胁。 本研究通过对淮河蚌埠段基本地理、水环境状况的分析评价，对该区 域的水环境现状有了进一步了解。通过对污染源的调查、水环境功能区的划 分，确定了总量控制区域、指标及对象。在此基础上，通过多种方法评价了 淮河蚌埠段水环境质量的状况，并比较了各种评价方法的使用条件和异同。 同时，本文根据河流水文特征确定了水质模型的类型，选取一维水质扩散模 型建立了污染源与环境质量之间的定量响应关系。最后，本文核算了9 0 、 7 5 、5 0 保证率下的水环境容量，按区域水环境容量和水环境质量目标要 求计算出各河段的剩余环境容量。 图清单 图1 1技术路线图8 图2 - i 淮河干流蚌埠段水功能区划示意图1 9 图3 1 淮河蚌埠段主要污染物等标负荷比2 6 图3 - 2 淮河蚌埠段主要污染物源排序图2 6 图4 - 1 淮河蚌埠段2 0 0 4 年各月份流量变化图2 9 图4 - 2 淮河蚌埠段2 0 0 4 年各月份p h 值变化图2 9 图4 - 3 淮河蚌埠段2 0 0 4 年各月份氨氨变化图2 9 图4 - 4 淮河蚌埠段2 0 0 4 年各月份高锰盐指数( 3 0 图4 5 淮河蚌埠段2 0 0 4 年各月份生化需氧量变化图3 0 图4 - 6 淮河蚌埠段2 0 0 4 年各月份溶解氧变化图3 0 幽4 7 淮河蚌埠段各月份水质有机污染综合3 3 图5 - 1 淮河蚌埠段最枯月9 0 保证率下c o d 。，环境容量5 5 图5 - 2 淮河蚌埠段最枯月7 5 保证率下c o d 。环境容量5 6 图5 - 3 淮河蚌埠段最枯月5 0 保证率下c o d 。，环境容量5 6 图5 - 4 淮河蚌埠段最枯月9 0 保证率下b o d 5 环境容量5 6 图5 - 5 淮河蚌埠段晟枯月7 5 保证率下b o d 5 环境容量5 7 图5 - 5 淮河蚌埠段晟枯月5 0 保证率下b o d 5 环境容量5 7 图5 - 6 淮河蚌埠段最枯月9 0 保证率下n h 3 n 环境容量5 7 图5 ，7 淮河蚌埠段最枯月7 5 保证率下n h 3 - h i 环境容量5 8 图5 - 8 淮河蚌埠段最枯月5 0 保证率fn h 3 - n 环境容量 58 表清单 表2 1 蚌埠市月平均气温表1 2 表3 1 废水监测项目与采用标准2 l 表3 2 各八河排污口排放量2 2 表3 3 入河排污口实测资料2 2 表34 废污水监测项目与标准值2 4 表3 - 5 各排污口参加评价污染物质入河量与等标污染指数2 4 表3 - 6 蚌埠市八淮排污沟评价表2 5 表3 7 蚌埠市入淮污废水中主要物质等标污染负荷表2 5 表4 - 12 0 0 4 年淮河干流蚌埠段水质资料2 8 表4 - 2 水质质量评价分级3 2 表4 - 5 蚌埠段水质有机污染综台评价结果表3 2 表4 - 6 水质评价等级表- ”3 5 表4 7 各主要污染指标等级隶属度3 6 表4 - 3 物元分析权重表4 1 表4 4 物元分析关联度计算表4 l 表4 - 8 有机污染污染评价法、模糊数学评价法和物元分析法评价结果的比较4 3 表5 - l 淮干c o d 、b 0 1 ) 衰减系数和硝化率结果表5 l 表5 - 2 蚌埠段排污口废水质”5 2 表5 3 设计流量值表( m 3 s ) 5 4 表5 - 4q - v 关系回归分析结果及检验5 5 表5 5 设计流速表5 5 表5 - 6 淮河干流蚌埠段水环境容量计算结果表5 5 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所取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加咀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，也不包括为获得 金胆至些盍堂 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己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字 矽周签字日期：2 p n 缉，j 月印日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盒目b 王些厶堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部i 、j 或机构送交论文的复印件和磁盘，由于本人论文涉及黄山风景区相关资 料，特申请该论文为保密的学位论文。 靴论文储虢哆，弦碉 签字日期：二。撕胆月呷日 | 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 2 邮编 钨 致谢 时光如梭，岁月荏苒。转眼之间，几年的学习和研究工作即将画上一 个圆满的句号。回首过去，深感收益匪浅，感触颇丰。 在我的导师孙世群副教授的悉心指导和大力帮助下，使我顺利的完成 了我的硕士论文。j l 年来，孙老师无论从做人还是做事方面都为我树立了 良好的榜样。他渊博的学识、严谨求实、精益求精的科学精神、诲人不倦 的教学态度是我受益终生。在此论文完成之际，谨向老师表达我最诚挚的 谢意! 感谢资环学院的其他授课老师们，在我研究生学习期间给予诸多指 教。在工大的学习经历将使我终身难忘! 感谢蚌埠水文水资源局的大力支持和帮助! 在此，还要感谢我年迈的父母和远在他乡的爱人! 是他们给了我无穷 的动力和战胜困难的勇气。 最后，感谢所有关心我、帮助我的老师、同学和同事们! 谢谢你们! 作者： 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 水是人类生存和发展不可缺少的重要自然资源，随着社会的迅速发展和 人民生活水平的提高，对水资源质量要求也越来越高1 。水资源的匮乏和水 污染日益严重，在许多地区已成为制约社会经济发展的“瓶颈”。 水环境管理中最为常用的水环境容量通常指水体在设计水文条件、规定 环境保护目标下，所能容纳的最大污染物量。但是，由于近年来在将环境容 量应用于实际污染物总量控制过程中，最主要的目的是针对特定的排污口， 制定总量控制目标，而不是根据环境容量来设计排污口位置。为此，在实际 水环境容量研究过程中，也是计算在特定排污口位置下的水环境容量。因而 目前实际应用的水环境容量也就是指水体纳污能力，两者具有等同的内涵。 本文为了与前期研究成果保持一致性，在实例探讨时，仍延用了水环境容量 的概念。 近年来，淮河流域的污染情况尤为突出，淮河流域位于黄河、长江之间， 流域面积2 7 万k m 2 ，多年平均水资源总量7 9 9 亿m 2 ，人均水量4 8 0 m 3 ，仅 为全国的1 4 1 5 。淮河流域是全国重要的商品粮基地，经济总量约占全国 的1 8 ，是全国水利建设投资的重点地区，也是南水北调东线工程的必经之 地，在经济社会发展全局中具有重要的战略地位拉l ，由于存在经济增长方式粗 放，治污体制和机制不顺，污水处理设施建设滞后，水资源开发利用过度等 问题，淮河治污尚未达到预期目标，人民群众还不满意。加强淮河治污工作， 对于维护沿淮地区1 6 8 亿人民群众的切身利益，保障华东、华中以及华北 地区经济社会协调发展，都具有十分重要的意义。淮河治污的长远目标是， 恢复山青水秀的自然面貌，维护流域生态系统良性循环；中期目标是，到2 0 1 0 年，淮河水质得到明显改善，达到水环境功能区和水功能区的要求；近期目 标是，到2 0 0 7 年，巩固淮河治污成果，保持水质基本稳定。本论文研究河 段的范围是从淮河干流蚌埠闸下到蚌埠市解放路淮河大桥，全长1 3 k m ，是 蚌埠市沿淮景区及排污沟口集中河段。前人对这一段的水环境容量研究较 少，原因是在淮河蚌埠闸上段及淮南段是蚌埠与淮南市的饮用水源地，是人 们关注的焦点。而研究淮河蚌埠段的水环境容量，对于调整蚌埠市产业结构、 加大污染治理、控制城市人口规模、实现淮河治污目标具有重要的现实意义。 淮河作为国家“九五”期间重点治理的“三河三湖”之先导，属“跨世 纪绿色工程计划”，其污染治理引起了广泛的关注。同时，本论文是结合“安 徽省水环境容量研究项目”进行的，研究的成果可运用于蚌埠市的水环境管 理，为该区域实现总量控制提供依据，有着切实的实际意义。 1 2 研究现状 1 2 1 水环境容量发展的历史与现状 环境容量概念最初是日本学者在1 9 6 8 年提出来的，目的是为了在环境 质量管理中实施问题控制，是污染物总量控制的关键参数，也是环境规划的 主要环境约束条件。我国环境界在七十年代后期引入了环境容量的概念，并 开始了水环境容量的研究工作。1 9 8 3 年1 2 月8 日，美国正式立法，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，与世界潮流相适应，我国自1 9 8 3 年以来，开展了水 环境容量的“六五”、“七五”攻关。”。 “六五”期间完成的“主要污染物水环境容量研究”课题提出了有机污 染物环境容量的系列模型、程序、应用实例及水质管理规划、环境经济规划、 水污染控制优化决策等，对重金属水环境容量概念进行了有益的探讨：研发 了二维动态流体力学方程和扩散模拟；海湾潮流场和污染物尝试等方面有研 究接近或已达到当时国际水平。“六五”期间的科研经验表明，我国水环境 容量研究的方向，是紧紧国境线环境管理，研究天然净化和人工处理的优化 结合。第二届全国水环境容量研究学术会议，也是以此作为中心议题来交流 学术成果，开创了我国水环境容量研究的新局面，通过“七五”科研攻关， 对水环境容量的涵义、组成及其应用有了进一步的认识和发展，提出了自然 环境容量管理环境容量和可分配环境容量等新概念6 。 近年来，我国进一步加快了改革开放的步伐，经济发展突飞猛进，区域 环境影响评价的重要性则日益突出，为了使经济建设与环境保护协调发展， 加快经济建设的速度，在进行规划的同时，必需进行环境影响评价和环境保 护规划。水环境容量的计算及管理是区域环境影响评价和环境保护规划的一 个重要内容 目前国内对环境容量的定义仍未统一，认识和理解尚不一致。对某一种 污染物，下面的各种定义从不同的侧面反映了水环境容量的部分含义，这些 定义大致可以分为以下几类”： ( 1 ) 水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 ) 水环境容量等于环境质量标准与本底的差值乘以总体积； ( 3 ) 水环境容量是最大允许排污总量的增量与控制浓度的增量的比值： ( 4 ) 水环境容量为环境自净能力的度量，它是自净系数与总体积的乘积； ( 5 ) 水环境容量是环境介质容纳各种污染物质的多少； ( 6 ) 水环境容量是指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 ) 水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。 一般地，污染源的位置( 尤其是把一些小的支流概化为污染源的情况下) 是不易改变的，求水域水环境容量的关键是求给定排污口的最大允许排放 量，所以本文采用“排放水污染物总量控制技术规范”中的环境容量的定 义：“将给定水域和水文、水力学条件，给定排污口位置，满足水域某一水 质标准的排污口污染物最大排放量，拟做该水域在上述条件下所能容纳的污 染物质总量，通称水域允许纳污量或水环境容量”。 1 2 2 水环境容量计算模型研究的主要成果 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。水质数学模型是描述污染物在水体中运动变化规律 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1 ”l ，水质数学模型是目前环境质量 数学模型中发展最早、应用最广的一种。1 9 2 5 年美国两位工程师( 斯特里特) 和( 费尔普) ( s - p 模型) 根据俄亥俄河的污染调查，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。即所谓 的s - p 模型，它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。自斯特里特一费尔普斯建立水质模型 以来，水质模型的开发与研究可分为四个发展阶段”“”1 。 第一阶段( 1 9 2 5 1 9 6 5 ) ：开发了比较简单的生物化学需氧量( b o d ) 和溶 解氧( d o ) 的双线性系统模型，对河流和河口的水质问题采用了一维计算方 法进行模拟。 第二阶段( 1 9 6 5 1 9 7 0 ) ：随着对生物化学耗氧过程认识的深入以及计算机 的应用除继续研究发展b o d d o 模型的多维参数估值问题外，将水质模型扩 展为六个线性系统模型。研究的水质问题除河流、河口外，进一步发展到模 拟计算湖泊及海湾的水质问题，水质模拟方法从一维发展到二维。 第三阶段( 1 9 7 0 一1 9 7 5 ) ：研究发展了相互作用的非线性系统水质模型，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，浮游植物与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，空间上用一维及二 维方法进行模拟计算。 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发展到了三 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的研究，发展到将地表水、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。 按描述水质变化的空间分布特性水质模型可分为零维、一维、二维、三 维模型。尽管实际水质问题都是三维结构，但水质模型维数的选择主要取决 于模型应用的目的和条件并非维数越多越好。按水质随时间变化的特性划 分，水质模型可分为稳态模型和动态模型( 或非稳态模型) 。这两种水质模 型的不同之处在于水文情况和排放条件是否随时间变化，不随时间变化的为 稳态模型；反之为动态模型。一般在规划设计中，常采用稳态水质模型模拟 一定设计条件下的水质变化情况：而动态水质模型常用于模拟暴雨径流和污 染事故等瞬时变化情况的水质过程，适用于短期性的水质管理和控制。近十 年来，我国河网动态水质模型的研究也有了很大进展，并在江苏省苏南、上 海等河网水系中获得了广泛的应用f l s 。”。 我国目前对于环境容量的计算，通常采用9 5 保证率的设计流量来计算 水环境容量关于这一方面的研究成果已有很多，并获得了广泛应用，相应水 环境容量是一种稳态的水环境容量即在较小的流量条件下，河流水质达到要 求的标准值，但是没有充分利用平、丰水期环境容量的资源( 尤其是对于季 节性河流) ，为了充分利用水体的自净能力，美国等国家已经按季节变化来 动态管理环境容量 2 1 - 2 9 j 。 实际上水环境容量的大小是水质目标的函数，同时也是河流流量和温度 的函数，而河流的流量和水温又是随时间变化的，因此，水环境容量是随流 量、水温等的变化而动态变化的，这种动态变化的水环境容量，可称之为“动 态水环境容量”。过去，由于自动化程度低，要精确地估算某一瞬时环境容量 是相当困难的，所以根据环境容量的变化，随时调节排入河流的污染物的排 放量是难以实现的。随着流量仪和水质自动监测仪器的出现及应用，我国利 用河流动态水环境容量成为可能。对河流动态水环境容量的研究目的就是要 寻求水环境容量与动态变化的河流流量、水温等因素间的定量关系，以便根 据流量、水温等的变化，实现自动控制污染物入河排放量的大小。目前我国 关于河流动态水环境容量的研究及应用尚且无报道”0 1 3 1 1 。 1 3 淮河蚌埠段水环境容量研究现状 淮河流域地处我国中东部腹地，是我国七大流域之一。它西起桐柏山、 伏牛山，南以大别山、江淮丘陵、通扬运河及如泰运河南堤与长江流域为界， 北以黄河南堤、沂蒙山与黄河流域毗邻，面积2 6 9 万k m 2 。 由于气候、地形等原因，特别是由黄河侵淮造成的水系紊乱、淤废，使 淮河历来灾害频繁。为了解决淮河严重的灾害问题，历代都对淮河的治理做 了很多工作，特别是建国以来，国家投入了大量人力、物力，基本在流域建 成了防御普通水旱灾害的体系。但是，自进入7 0 年代以来，随着经济建设 和社会的发展，环境污染这一现代社会的流行病又侵袭了淮河流域，由水环 境质量恶化造成的饮用水告急、人畜中毒、死鸭死鹅死鱼死苇死苗、工厂停 工，停产、水面失火、设备腐蚀等污染事故时有发生。 淮河作为国家“九五”期间重点治理的“三河三湖”之先导，其污染治 理引起了广泛的关注。虽然一直以来，不断有人研究淮河流域的水质评价、 水环境容量计算等理论和实际应用，也取得了较好的科研成果，但对于淮河 环境容量的研究及污染物总量控制大多侧重于c o d 指标，氨氮指标研究几乎 没有开展。同时，对于水环境容量方面的研究成果，都是一种稳态的研究， 而对于动态水环境容量的研究尚且没有。 蚌埠市是安徽省的第三大城市，位于淮河中游。市区主要分布在河右岸。 全市8 0 以上的污废水，经过五条排污沟( 口) 集流排入淮河蚌埠市区段。 市区的上设有蚌埠节制闸横断淮河，调节径流。由于淮河径流量不大，以及 年内分配不均，随着蚌埠市排污量逐年增加，致使淮河蚌埠段污染有所增加， 给该市的生活和生产带来影响，并进而影响到下游。近年来，随着工业化、 城市化的进程的加快，氨氮污染日趋严重，并作为主要污染物出现。就高锰 酸盐指数来说，2 0 0 0 年省辖淮河干流水质尚好，符合国家地面水i i i 类标准， 达到了国务院淮河流域水污染防治规划及“九五”计划的要求。但是， 氨氮超标比较普遍。如果增加氨氮这一控制指标，则淮河干流的水质类别将 普遍下降一至两个等。可见：氨氮是淮干流水质超标的主要因子。 早在1 9 8 7 年，( 水电部、建设部) 淮河水资源保护办公室就对淮河蚌埠 段进行考察，建立了水质数学模型，开展了淮河蚌埠段有机污染物变化规 律及水环境容量研究，但由于当时主要的污染物控制因子为c o d 矛u d o ，研究 中没有涉及到氨氮指标。1 9 9 8 年8 月，由世界银行资助、太平洋国际咨询公 司与丹麦水力学研究所联合也开展了中国：淮河流域水污染防治项目一一 水质管理模型的研究，此项目报告书中虽然涉及到了氨氮，但由于当时执 行的是地面水环境质量标准( 6 8 3 8 3 8 8 8 ) ，标准中没有包括氨氮，只 包括非离子氨、凯氏氮和硝酸盐氮，氨氮的值均是计算而来。2 0 0 2 年，原标 准改为地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) ，因此，此报告中的研究 结论不太适用于目前的水环境管理。并且，由于其所建立的环境容量模型， 是没有考虑如取水口的分布等因素的环境容量是不够精确的，也不是针对排 污口的环境容量，没有考虑到排污口分布的不均性。 1 4 淮河蚌埠段水环境研究存在的不足 目前，对水环境现状评价和水环境容量的研究虽然己有很多，但是水环 境污染问题、评价模型和计算模型不符合实际要求的状况仍然很严重。原因 在于： ( 1 ) 历史资料缺乏 目前流域中的主要干流均有较为完善的环境水质和水文常规监测系统， 己积累起来大量的水质和水文数据供研究分析。而对中小型河流而言，由于 经费和重视程度不足，水质和水文监测数据缺乏，或者仅有部分水质监测数 据和水文数据，但其数据匹配性较差；同时历史累积数据不足，因此难以分析 出整体情况及其历史变化过程。 f 2 ) 污染源多样化 与流域中的大型河流相比，中小型河流的污染源除了城市工业污染源、 生活污染源外，还包括农村、矿区等非点污染源。从而导致其复杂性。因此， 正确识别污染源，对污染源进行全面调查和评价，并对其进行定量计算，确 定其污染负荷，是水环境容量正确计算的前提。 ( 3 ) 河流本身复杂性 中小型河河流往往与一些次级小支流纵横交错形成一个水网体系，同时 也往往为较大的类似的河流所截成几段，正确地分析其水文特征和典型流 态，确定水质模型的边界条件也是一个关键。 目前，各种评价模型计算模型虽较成熟，但均是针对湖泊和大型河流， 而对于大多数中小型河流，其分析方法多采用类比法。因此，针对河流实际 情况，中小型河流的评价模型和计算模型却还有待进一步完善。 1 5 论文研究的主要内容及技术路线 本论文以淮河蚌埠市区段( 蚌埠闸一沫河口) 为研究区段，针对目前河 流氨氮容量问题的研究还很少的情况，以淮河蚌埠市区段为例，结合c o d ， 计算淮河蚌埠市区段氨氮、c o d 的环境容量。具体内容如下： ( 1 ) 收集资料，了解环境容量及容量分配在国内外的发展状况，找出存在 的问题和发展的趋势。 f 2 ) 以蚌埠市水环境功能区划成果为基础，对排入各功能区的重点排污 口、生活污染源、面污染源及其它污染源进行调查，分析排污口污染源的达 标状况。 f 3 ) 根据河流的水文特征及各排污口对其下游所造成的影响程度，选择不 同的水质模型，描述污染物氨氮、c o d 在水中的迁移转化规律，并加以验证。 f 4 ) 利用所建立的水质模型，计算各功能区的最大允许纳污量，各功能区 最大允许纳污量之和即为计算区段内的环境容量。具体的技术路线如下图： 图1 - 1技术路线图 7 第二章研究区域概况 2 1 地理位置 蚌埠市位于安徽省东北部的江淮丘陵与淮北平原交界处，介与北纬 3 2 。4 4 ”3 3 。3 0 ”和东经1 1 6 。4 0 ”1 18 。0 4 ”之间，北与淮北市、宿州市接壤， 南与淮南市、滁州市相连，东与滁州市和江苏宿迁市毗邻，西与毫州市、淮 南市交界。京沪、淮南铁路从境内穿过，淮河干流自西向东横贯全市，主城 区在淮河南岸，辖区的大部分处于淮北平原的南端【3 2 】。蚌埠市下辖怀远、五 河、固镇三县，土地面积5 9 5 2 k m 2 ，其中市区( 含郊区) 土地面积4 4 5 4 0k m 2 ， 淮河以北面积8 4 5 6k m 2 ，淮河以南面积3 6 0 8 4k m 2 。 2 2 地形地貌 蚌埠市境内淮河以南部分为丘陵区，沿淮2 k m 范围内地势低洼，高程在 1 8 2 2 m 之间，2 k m 以外地势渐高，地面高程一般在2 2 3 5 m 。现城区大多 位于低洼区，辖区内有锥子山、曹山和黑虎山等大小山头2 0 余座，高程在 3 5 2 0 1 m 。蚌埠市淮河以北部分属淮北平原，地势平坦，地面高程一般在 1 8 2 0 m 。 蚌埠幅区属黄淮海平原与江淮丘陵的过渡地带，处于江淮分水岭的末 稍。境内以平原为主，南部散落丘陵；地面西北倾向东南，自然坡降为万分 之一左右。市区大部分座落于淮河南岸，除市中心有孤立蚌山( 小南山) 一座 外，市的东、南、西部有大小2 0 余座山环绕，在市区4 4 5 4 k m 2 的土地上， 丘陵山地5 0k m 2 ，水面1 5 3k m 2 。地貌主要分平原、丘陵和台地3 种。 2 2 1 平原 境内平原以黄泛平原为主，另有河间浅洼地平原、含有丘陵的河流低阶 地及傍河的河滩。 ( 1 ) 黄泛平原 黄泛平原系黄河南迁夺淮泛滥和近期淮河泛滥所形成，分布在蚌埠淮河 北部和淮河南岸沿河一带，呈北宽南窄不对称状。平原由现代冲积层组成， 厚度在l o m 以上，地面高度在海拔1 7 1 8 m 间，形势坦荡，自然坡度万分之 一，起伏度小于l m 。近河沉积量大，地面稍高，远河沉积量小，地势稍低； 且近河组成物较粗，以亚砂土和粉砂质砂土为主，远河组成物较细，由亚粘 土过渡到粘土。黄泛平原自然肥力高，但易受洪、涝灾害侵袭，常造成作物 减产。 ( 2 ) 河间浅洼地平原 河f 刚浅洼地平原系新生代第四纪全新统黄土性古河流沉积物所构成，分 布在西南郊天河沿岸及东郊龙子河沿岸，呈枝叉状展开。地势平坦，除由北 向南微倾外，也略向河湖向倾斜，地面高度一般在海拔1 8 2 0 m 间。河问浅 洼地平原因靠近河湖，地下水位高，大都在l m 左右，易积水成涝。 ( 3 ) 河流低阶地 河流低阶地系晚更新统冲积物组成，主要分布在淮河南岸，东自新塘， 经乔徐庄、龙子河北，过吴小湾，至西八里桥、许庄一线以南地区。地面海 拔高度大都在2 0 2 5 m 间，个别地方可达海拔3 0 m ；地势由南向北微微降低， 自然坡降在五千分之一至八千分之一问。市建成区大部位于该阶地上。 2 2 2 台地 台地亦称岗地，主要分布在沿河以南波状地区，由戚嘴组黄土所构成， 分平岗地和倾斜岗地两种。 平岗地：南郊燕山、秦集、李楼、淮光、雪华和长青等乡均有平岗地， 多呈片状分布，地面高度在海拔2 5 3 0 m 间，由岗、螃、冲组成。岗螃和冲 沟地貌发育较完整，但岗、冲相对高度低，仅为5 l o m ，同时坡度较小，多 在2 0 一3 0 间。平岗土地利用率较高，一般岗顶为早作物，冲沟多为水田。 倾斜岗地：主要分布在淮河及支流被剥蚀残留下来的二级倾斜阶地，经 流水长期切割而成。岗地呈断续状，没有平岗地分布面积广，一般高于平原 2 4 r n ，起伏缓和。岗顶沿纵向倾斜，坡度在8 0 9 0 间。表土因长期受流水冲 刷，流失严重，黄土出露，质地较粘重，多被利用为早地，少数为水田。 2 2 3 丘陵 蚌埠丘陵主要分布在市郊淮河以南，为江淮丘陵的北缘。山丘基岩大都 经过风化剥蚀而出露：间或有残坡积物，基本不发育，具粗骨性。按地面高 度可分为高丘陵和低丘陵。 2 2 3 。l 高丘陵 蚌埠高丘陵一般海拔小于2 5 0 m ，比高大于l o o m 。坡度大都在3 0 0 左右， 最陡可超过6 5 0 ，能保持一定的走向，系由片麻岩、片岩、大理岩、石英岩、 石英砂岩和砂砾岩等组成。山坡、山麓覆有坡积物，但厚度薄；大部分丘坡 上已人工造林或生长有天然灌丛。高丘陵主要分布在市东南郊与凤阳县接壤 处及西部与怀远县的毗邻地带。 2 2 3 2 低丘陵 蚌埠低丘陵一般海拔小于1 0 0 m ，比高小于8 0 m ，大都呈浑圆状，孤立 散布。低丘陵走向乱，坡度和缓，常在1 5 0 一2 0 0 间。丘上很少有沉积物覆盖， 由片麻岩、片岩、大理岩、石英岩、混合花岗岩组成。不少丘坡地经长期人 工绿化，林木覆盖率高，少数仍为荒坡草地。 2 3 气象、气候与降水 蚌埠属北亚热带湿润季风气候与南温带半湿润季风气候区的过渡带， 兼有两个气候带的特点。季风显著，四季分明，气候温和，雨量适中，光照 充足，无霜期较长。但因处在中纬度，冷暖气团活动交锋频繁，且变化大， 加之降水集中，常有旱、涝气候灾害发生，对农业生产有一定影响。 春季，蚌埠上空北方冷高压势力逐渐衰退，南方太平洋副热带暖高压不 断增强，气温回升