环境容量专题

1、环境容量与总量控制,第一节 环境容量与总量控制概述 第二节 大气环境容量与总量控制 第三节 水环境容量与总量控制 第四节 排污权交易,第一节 环境容量与总量控制概述,1 环境容量的概念,一 环境容量概述,环境容量是污染物允许排放量与环境中污染物浓度的比值。,环境容量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。,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。,我国对环境容量概念的解释,环境容量是指某环境单元所允许承纳污染物的最大数量（在保证不超出环境目标值的前提下，区域环境能够容许的污染物的最大允许排放量），包括：,基本环境容量（差值容量）：通过拟定的环境标

2、准减去环境本底值求得；,变动环境容量（同化容量）：环境单元的自净能力。,在人类生存和自然生态系统不致受害的前提下，某一环境所能容纳的污染物的最大负荷量。 是一个复杂的反映了环境净化能力的量； 其数值是污染物在环境中的物理、化学变化及空间机械运动综合作用的结果。 环境容量大小与环境空间尺度、环境要素特性、污染物理化性质密切相关。,2 环境容量的类型,通常地，可分为整体环境单元（区域环境）容量、某一环境单元单一要素的容量。,按环境要素：大气、水（包括河流、湖泊和海洋）、土壤、生物等环境容量。,按污染物性质:有机污染物、重金属与非金属污染物的环境容量。,按污染物在环境中的迁移转化机理：物理扩散型、化

3、学净化型。,3 环境容量的表达方式 （1）绝对容量（WQ）： 某一环境所能容纳某种污染物的最大负荷量，达到绝对容量没有时间限制。 绝对容量=环境标准规定值-环境背景值,案例,某地土壤中汞的背景值为0.5ppmw，农田土壤标准规定汞的最大容许值为5ppmw，试计算1亩农田汞的环境容量。,解：浓度容量=5ppm-0.5ppm=4.5ppm,土壤介质的总质量： 1亩20cm1.5g/cm3=200 ton 汞环境容量： 200 t4.5 ppm =900 g,未考虑污染物的迁移、化学转化、环境自净力,环境容量的表达方式 （2）年容量（WA） 某一环境在污染物的积累浓度不超过环境标准规定的最大容许值的

4、情况下，每年所能容纳的某污染物的最大负荷量。 年容量的大小除了同环境标准规定值和环境背景值有关外，还同环境对污染物的净化能力有关。,绝对容量=(规定值-背景值) 净化率,案例,某地土壤中汞的背景值为0.5ppmw，农田土壤标准规定汞的最大容许值为5ppmw，农田对汞的年净化率为80%，试计算1亩农田汞的环境容量。,解：浓度容量=80%(5-0.5)ppm=3.6 ppm,土壤介质的总质量： 1亩20cm1.5g/cm3=200 ton 汞环境容量： 200 t3.6 ppm =720 g,4 环境容量的估算方法,水环境容量的估算,大气环境容量的估算,模拟法：利用环境空气质量模型来模拟区域开发活

5、动所排放的污染物将引起的环境质量变化，从而确定环境容量。,线性规划法：以区域内不同功能的环境质量标准为约束条件，以区域污染物排放量极大化为目标函数，根据线性规划理论计算大气环境容量。,A-P值法：以大气质量标准为控制目标，在大气污染物扩散稀释规律的基础上，使用控制区总量允许限值和点源排放允许值来估算大气环境容量。,5 环境容量的意义 总量控制 70年代，单个污染物的总量控制 目前，多污染物同时进行总量控制 排污交易,二 总量控制概述,1 总量控制概念 总量控制就是依据某一区域的环境容量确定该区域污染物容许排放总量，再按照一定原则分配给区域内的各个污染源，同时制定出一系列政策和措施，以保证区域内

6、污染物排放总量不超过容许排放总量。,2 总量控制分类 总量控制可划分为三种类型： （1）容量总量控制。从受纳体容许纳污量出发，制定排放口总量控制指标。 （2）目标总量控制。从控制区域容许排污量控制目标出发，制定排放口总量控制指标。 （3）行业总量控制。在行业中以能源、资源合理利用为控制基点，从最佳生产工艺和实用处理技术两方面进行总量控制负荷分配。,3 总量控制法与浓度控制法的区别,几个说明： 总量控制包括三个方面的内容: (1)排放污染物的总质量； (2)排放污染物总量的地域范围；(3)排放污染物的时间范围。 企业为达到污染物总量控制指标，可通过两种途径实现： (1)在市场上购买排污权； (2

7、)实地削减污染物排放量。 浓度排放标准的指标： (1)最高允许排放浓度； (2)最高允许排放速率； (3)单位产品排放量。 最高允许排放浓度并没有规定最大持续排放时间，且监测规范中的监测时间也是很短的。,第二节 大气环境容量与总量控制,大气总量控制是通过给定区域污染源允许排放量，并将其优化分配到源，以确保实现大气环境质量目标值的方法。,一 大气污染物总量控制区边界的确定 二 大气污染物允许排放总量计算方法（A-P值法） 三 模拟法空气质量模型 四 大气污染物允许排放量计算方法（反推法） 五 总量负荷分配方法,一、大气污染物总量控制区边界的确定,大气污染物总量控制区是当地人民政府根据城镇规划、经

8、济发展与环境保护要求而决定对大气污染物排放实行总量控制的区域。 总量控制区以外的区域称非总量控制区，例如广大农村以及工业化水平低的边远荒僻地区。但对大面积酸雨危害地区应尽量设置SO2和NOX排放总量控制区。,1 对于大气污染严重的城市和地区，控制区一定要包括全部大气环境质量超标区，以及对超标区影响比较大全部污染源。非超标区根据未来城市规划、经济发展适当将一些重要的污染源和新的规划区包括在内。,2 对于大气污染尚不严重，但是存在着孤立的超标区或估计不久会成为严重污染的区域，总量控制区的划定方法同1。如果仅要求对城市中某一源密集区进行总量控制则可以将该源密集区及它的可能污染区划为控制区。,3 对于

9、新经济开发区或新发展城市，将其规划区作为控制区。 4 在主导风向下风方位，控制区边界以烟源的最大落地浓度为远处，该方位上控制区比非主导风向上长些。 5 总量控制区不宜随意扩大，应以污染源集中区和主要污染区为主。,二、 大气污染物允许排放量计算方法（A-P法）,A值法：地区系数法，只要给出控制区总面积和各功能分区的面积，再根据当地总量控制系数A值就能计算该面积的总允许排放量。 P值法：对固定的单个烟筒控制其排放总量，但无法对区域内烟筒的个数加以限制，即无法限制区域排放总量。,A-P法：用A值法计算控制区域中允许排放总量，用修正的P值法分配到每个污染源的一种方法。,总量控制区污染物排放总量的限值由

10、式（1）计算： 式中：Qak-总量控制区某种污染物年允许排放总量限值，104t； Qaki-第i功能区某种污染物年允许排放总量限值，104t； n-功能区总数； i-总量控制区内各功能分区的编号； a-总量下标； k-某种污染物下标。,各功能区污染物排放总量限值由式（2）计算： 式中：Qaki-第i功能区某种污染物年允许排放总量限值，104t； S -总量控制区总面积，km2; Si -第i功能区面积，km2; Aki -第i功能区某种污染物排放总量控制系数,104ta-1km-1。,各类功能区内某种污染物排放总量控制系数 由式（4）计算： 式中： Aki -第i功能区某种污染物排放总量控制系

11、数，104ta-1km-1； Cki-GB 3095等国家和地方有关大气环境质量标准所规定的与第i功能区类别相应的年日平均浓度限值，mgm-3N; A-地理区域性总量控制系数，104km2a-1，可参照表1所列数据选取。,表1 我国各地区总量控制系数A，低源分担率a，点源控制系数P值表,总量控制区内低架源（几何高度低于30m的排气筒排放或无组织排放源）大气污染物年排放总量限值由式（5）计算： 式中：Qbk-总量控制区内某种污染物低架源年允许排放总量限值，104t; Qbki-第i功能区低架源某种污染物年允许排放总量限值，104t； b-低架源排放总量下标。,各功能区低架源污染物排放总量限值按式

12、（6）计算。 Qbki=aQaki (6) 式中： Qbki -第i功能区低架源某种污染物年允许排放总量限值，104t； Qaki-第i功能区某种污染物年允许排放总量限值，104t; a -低架源排放分担率，见表1。,总量控制区内点源（几何高度大于等于30m的排气筒）污染物排放率限值由式（7）计算： 式中： Qpki-第i功能区内某种污染物点源允许排放率限值，th-1； Pki-第i功能区内某种污染物点源排放控制系数，th-1m-2 ； He-排气筒有效高度，m。,点源排放控制系数按式（8）计算： Pki=kikPCki-(8) 式中：Pki -第i功能区内某种污染物点源排放控制系数， th-

13、1m-2 ； ki -第i功能区某种污染物的点源调整系数； k -总量控制区内某种污染物的点源调整系数； Cki -国家和地方有关大气环境质量标准所规定的与第i功能区类别相应的年日平均浓度限值， mgm-3N; P -地理区域性点源排放控制系数，见表1。,各功能区点源调整系数按式（9）计算： 式中：ki -第i功能区某种污染物的点源调整系数 ，若ki 1则取ki =1； Qaki-第i功能区某种污染物年允许排放总量限值，104t; Qbki-第i功能区低架源某种污染物年允许排放总量限值，104t ； Qmki-第i功能区内某种污染物所有中架点源（几何高度大于或等于30m、小于100m的排气筒）

14、年允许排放的总量,104t;,总量控制区点源调整系数按式（10）计算： k=(Qak-Qbk)/(Qmk+Qek) （10） 式中：k -总量控制区内某种污染物的点源调整系数， 若k 1则取ki =1； Qak -总量控制区某种污染物年允许排放总量限值，104t; Qbk -总量控制区内某种污染物低架源年允许排放总量限值，104t; Qmk-总量控制区内某种污染物所有中架点源年允许排放的总量，104t; Qek-总量控制区内某种污染物所有高架点源（几何高度大于或等于100m的排气筒）年允许排放的总量,104t。,实际排放总量超出限值后的削减原则是尽量削减低架源总量Qbk及Qbki，使得k和ki

15、接近或等于1，然后再计算点源排放控制系数Pki。,2,Cki,2,Cki,ki,2,Cki,整个城市高架点源（H100m）的总允许排放量为：,Cki,按照A-P法，对规划区的污染物排放总量计算和分配步骤为： (1)确定规划区所在地区、面积S、识别A值、a值、P值等参数； (2)确定规划区的功能区、相应功能区面积Si，执行的环境质量标准Csi等； (3)计算各功能区允许排放总量Qai及低空源允许排放量Qbi,(4)根据P值法计算每个功能区中架源的排放量,(5)根据P值法计算规划区的高架源的排放量,(6) 计算功能区内的调整系数 和规划区的调整系数,(7) 计算P值的调整值Pi,(中架源),(高架

16、源),(8) 计算每一个中架源和高架源的允许排放量分配量,例：设某市二氧化硫总量控制区总面积为1369.9 km2，全部为二级功能区。其中一区、二区和整个控制区的面积，各区二氧化硫实际年排放量，低架源、中架源、高架源的实际年排放量等数据见例表1，点源高度（作为有效高度处理）及个数见例表2。试求各区二氧化硫总量控制限值及P的实施值（该例中以H25m为低架源）。,例表1 各区面积和二氧化硫的实际年排放量 单位：104t/a,例表2 各区点源分组及总数nij,三 模拟法空气质量模型,空气质量模式是空气质量研究的一种数学工具，它建立在科学的理论和假设基础上，用数值方法来描述大气中污染物的传输、扩散、化

17、学反应以及清除过程，通过输入研究地区的源排放、地形以及气象资料，运行模式得到该地区的空气质量数据。,空气质量模式包括四个功能结构层次 概念模型通过一系列假设和近似，将真实的物理问题简化为理想的概念模型，并保持原有问题的重要的、本质的特征。 数学模型描述理想物理体系的基本数学关系和附设条件。 数值解法解基本方程的数值算法。 程序代码具体执行计算的计算机程序和代码。,四、 我国大气环境问题,中国大气环境问题的发展历程,70年代 80年代 90年代 烟尘 TSP SO2 酸雨 NOx 光化学烟雾 SO2 TSP SO2 酸雨 TSP PM10 PM2.5,颗粒物： TSP 总悬浮颗粒物 PM10 可

18、吸入粒子 PM2.5 细颗粒物，细粒子,国外同领域发展现状,TSP 已解决 SO2 基本解决 NOX 和光化学烟雾 部分解决 PM10， PM2.5 刚提上日程,Under Urbanization 城市化进程中,人口增长 population growth,能源消费增加 energy consumption increase,机动车motor vehicles,燃 煤 coal combustion,复合空气污染 complex air pollution,Photochemical smog,Acid Rain,Poor Visibility (Fine Particles),中国经济高速

19、发展进程 Economic Growth in China (1985-1999),全国人均GDP 1981：489元 2001：7543元 15.4倍,城市化,1985-2001 城市数量 324-662个（667） 城镇人口 2.5亿-4.8亿 人口比重 23.7%-37.7% 基础设施 滞后于城市化进程,城市化快速发展,中国城市人口变化与他国之比较(1980-1995) Urban Population Change in China,2000年世界城市化水平达48%，发展中国家占60%,1980年以来机动车增长情况,(年),X10,000,万辆,1988-2000年北京市私人小客车保有

20、量,（年）,（万辆）,2.0,1.4,复合型污染 不是简单叠加,大城市当前大气污染的特征,+,+,例：大气气溶胶与氧化性,具体表现为： 二次污染加重 # 大气氧化性增强-臭氧增高 # 细粒子污染严重，能见度降低 # 酸雨的污染难以减轻,当前城市大气污染的特征,复合型大气污染,以城市为中心 呈区域性,大气氧化性增强 夏季出现光化学烟雾现象,能见度降低,I 光化学烟雾 大气臭氧,The Features of Complex Air pollution in Urban Areas 城市复合型大气污染的特点,低 平 流 层 Lower troposphere,氮氧化物+碳氢化合物+阳光=臭氧+各种

21、氧化剂+颗粒物 NOx + VOC + light = O3 + Oxidants + Aerosol,臭氧的环境作用 Environmental Function of Ozone,氮氧化物 NOx,碳氢化合物 Hydrocarbon,臭氧 O3,+,OH自由基OH radical,二氧化硫SO2,氮氧化物NOx,硫酸、硫酸盐Sulfuric acid and sulfate,硝酸、硝酸盐Nitric acid and nitrate,细颗粒物Aerosol,有机物 VOC,酸雨,臭氧对人体健康的影响 短暂暴露： 引起咳嗽，喉部干燥，胸痛，粘膜分泌增加，疲乏，恶心等 长期暴露： 可把瞬间影响

22、逐渐积累 严重暴露： 明显损伤肺功能，影响呼吸道结构，引起炎症，改变透气率 WHO推荐基准： 1小时暴露150-200微克/米3 8小时暴露100-120微克/米3 儿童出现影响的最低浓度140微克/米3 与酸性气溶胶（细颗粒物）结合有增效作用。,臭氧对植物的影响 O3是最重要的毒害植物的污染物： 影响细胞渗透性；降低光和作用对根部的的营养供应 影响根系向上部输送水分、营养 O3长期危害： 可能导致某些地区高产作物消失，甚至使遗传基础也随之消失。 O3对粮食产量影响： 欧洲减产1-10%（空气污染）；美国减产12-13%（光化学氧化剂），经济损失达19-43亿美元；发展中国家不明 臭氧对材料的

23、影响 染料与绘画褪色 橡胶脆裂,北京市中关村大气O3浓度日变化,标准：100ppb 200微克/M3,ppb,小时,Main wind,郊区上风向 upwind suburb,城区 urban area,郊区下风向 downwind suburb,北京市监测站O3浓度水平 （2000，6，21-7，3）,上海市（上图）和广州市（下图） 大气臭氧污染状况,佘山，1999,新垦，2000,The Features of Complex Air pollution in Urban Areas 城市复合型大气污染的特点,II 大气颗粒物 可吸入粒子PM10 细颗粒物PM2.5,我国开展颗粒物研究的历

24、程,T S P 总悬浮颗粒物,PM10 可吸入粒子,PM2.5 细颗粒物,70年代,80年代初,90年代后期,全国,部分城市,个别城市,北京等47个城市测 定并日报,青岛，广州、北京等,大气颗粒物（气溶胶）,大气中含有大量气溶胶粒子（颗粒物） 可高达107108粒子/cm3 粒径大小可覆盖四个量级， 几个纳米（nm)到100微米(m) 一个10 m粒子的质量等于100万个10nm粒子质量之和 0.01 m的粒子约含有104个分子 1 m的粒子约含有1010个分子,大气气溶胶（颗粒物）的粒径分布,0,2,4,6,8,10,0.01,0.1,1,10,100,Particle Aerodynami

25、c Diameter (um),Relative Concentration,Accumulation,Coarse,PM,10,PM,2.5,TSP,PM,0.1,Fugitive Dust,Pollen,Sulfate,Nitrate,Ammonium,Organic 机动车的急剧增加 在大气复合污染中，多种污染物都以高浓度同时存在，它们之间相互耦合，发生复杂的化学反应，形成新的二次污染物，如臭氧和硫酸盐等二次颗粒物。这些污染物的生命周期较长、输送距离较远，导致区域性光化学烟雾和大气灰霾频繁发生。,关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量的指导意见,大气污染由煤烟型变化为复合型、区域型

26、；环境管理的重点由二氧化氮、二氧化硫和粗颗粒物转变为二氧化氮、二氧化硫、粗颗粒物、细颗粒物以及臭氧。要从区域污染特点出发，进行二氧化硫、氮氧化合物、挥发性有机化合物、颗粒物等多污染物同时控制；要控制二氧化硫、氮氧化合物、挥发性有机化合物等的二次转化。,臭氧是光化学烟雾的代表性污染物，影响人体健康和生态环境，更重要的是，它反映大气氧化性，导致其他二次污染物的生成。大气在产生臭氧的同时会产生大量的自由基，这些自由基很快把大气中的二氧化硫、氮氧化物、有机物、细颗粒物氧化，产生硫酸、硫酸盐、硝酸、硝酸盐，容易形成酸雨。颗粒物、臭氧以及酸雨三者是连带关系，关联的关键物质就是大气氧化剂。,“三区六群”是指

27、长三角、珠三角、京津冀、辽宁中部城市群、山东半岛城市群、武汉城市群、长株潭城市群、成渝城市群、海峡西岸城市群，共涉及14 个省、直辖市。,五、 大气污染物允许排放量计算方法（反推法）,(1) 高架源允许排放量的计算： 高架源指烟囱的几何高度大于30 m 的排放源。在大气环境影响预测中经常根据高架源排放量和面源排放量分别预测其对环境的浓度贡献值，然后叠加求总浓度。 因此,污染物允许排放量的计算也按源的性质分别对待。 如果预测中高架点源使用的是高斯烟流模式,那么污染物的地面浓度为:,K 值为高架源转化系数,(2) 面源允许排放量的计算： 高架源以外的源都可以当作面源。在大气预测中，面源常用箱式模型

28、进行预测，箱模型的简单形式可表示为: 式中:B 为污染物平衡浓度预测值, mg/ m3 ；B0 为上风向大气环境背景浓度值, mg/ m3 ； Q 为该地区面源源强, g/ m2 s ;为进入箱体的平均风速，m/ s ; H 为箱体内高度，大气混合层的高度，m； L 为箱的长度，m。,+0,K 为面源转化系数.,如果气象因素稳定，城市边缘以外基本没有污染源,即B0 = 0 ,那么:,=,六、总量负荷分配方法,（一）按燃料或原料用量的分配方式 （二）一律削减排放量的分配原则 1等比例削减的分配原则 2. A-P值分配原则 3. 按贡献率削减排放量的分配原则 （三 ）优化规划分配原则 1.源强优化

29、规划分配原则 2.最小治理费用的分配原则,按燃料或原料用量的分配方式,将计算得到的控制区允许排放总量，按各污染源或工厂使用的燃料和原料用量进行分配。 简单易行，对于民用小烟源群也可以进行有效控制。 没有考虑不同排放高度和不同位置的源对环境的影响；也没有考虑燃料供应和燃料品质的选择对环境质量的影响。,等比例分配原则,在承认各污染源排污现状的基础上, 将总量控制系统内的允许排污总量等比例地分配到源。各源等比例分担排放责任没有考虑不同源对环境质量的影响程度以及自身治理水平的差异。这是一种在承认排污现状基础上比较简单易行的分配方法。这种等比例分配, 实际上是不平等的。因为, 一个技术革新做得好的环保先

30、进企业与一个生产工艺落后, 污染物排放量大的落后企业, 承担相同的义务, 实际上是鼓励落后的分配原则, 在承认现状, 简单方便这一点上, 等比例分配原则仍可供参考, 但其不合理性是明显的。 适用控制区域比较小或污染源相当密集的情况，一般情况最好不用。,A-P值分配原则,用A值法计算出控制区或不同功能区允许排放总量，然后将其按P值法分配给源的方法。 没有考虑不同位置的污染源对环境质量浓度超标贡献率的影响。,按贡献率削减排放量的分配原则,按各个污染源对总量控制区域内环境影响程度的大小, 按污染物贡献率大小来削减污染负荷, 对环境影响大的污染源要多削减, 反之则少削减, 它体现了每个排污者平等共享环

31、境容量资源, 同时也平等承担超过其允许负荷量的责任。 对排污者来说, 这是一种公平的分配原则, 有利于企业提高效率开展竞争。但是, 这种分配原则并不涉及污染治理费用, 也不具备治理费用总和最小的经济优化规划的特点, 在总体上不一定是合理的。但易于为各厂家所接受, 易于推行, 这是一种值得研究予以发展和完替的分配原则。,源强优化规划分配原则,适用于多源模型，在控制区达到环境目标值的约束条件下，使污染源排放量的削减量总和或削减率总和为最小，从而求出污染源的允许排放量和削减量的最佳分配原则。 实现控制区允许排放总量最大的最佳分配，对各污染源不公平合理。,费用最小分配原则,又称经济优化规划分配原则。该

32、原则系以治理费用最小为目标函数, 以环境目标值作为约束条件, 使系统的污染治理投资费用总和最小, 求得各污染源的允许排放负荷。 显然, 此数学优化规划求得的结果反映系统整体的经济合理性, 即有很好的整体经济效益、社会效益和环境效益。但并不能反映出每个污染源的负荷分担是合理的。有些源为了总体方案最佳化, 可能要被强迫承担多于自己该承担的削减量, 而另外一些源则准予承担少于自己应该承担的削减量。这种分配结果对于有计划的商品经济体制来说, 不利于企业在平等的市场交换条件下开展竞争, 束缚企业高效率。,第三节 水环境容量与总量控制,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

33、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属性（水文特性），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。,要在水环境功能分区的基础上，以达到水环境功能区划要求为目标，划定控制单元，通过选用适当的水质模型，建立基于控制单元的污染物排放与水环境质量的输入响应关系，在一定的排污条件下对各控制单元理想水环境容量进行计算，结合环境管理需求，确定水环境容量，作为确定最大允许排放量、进行总量控制的基础。,只有了解和掌握水域的环境容量，确定水域的允许纳污量，才能建立起环境总量目标与污染排放源的输入响应关

34、系，将水域的污染负荷量合理地分配到各排放源，从而达到有效控制区域水污染和改善水环境质量的目的。,一 基本概念 1 定义 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，称作水环境容量。水环境容量的确定是水污染物实施总量控制的依据，是水环境管理的基础。,如图1所示，按照污染物降解机理，水环境容量可划分为稀释容量（W稀释）和自净容量（W自净）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

35、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，因此水环境容量往往是一组数值。实际的水环境容量确定，是在分析稀释容量与降解容量的基础上，根据排污方式的限定与环境管理的具体需求，即在不改变排污口位置和水质目标等情况下，确定水域的环境容量（W）。,2 基本特征 水环境容量具有以下三个基本特征： （1）资源性； （2）区域性； （3）系统性。,（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也能满足人类生产、生活和生态系统的需要；但水域的环境容量是有限的可再生自然资源，一旦污染负荷超过水环境容量，其恢复将十分缓慢与艰难。

36、,（2）区域性。 由于受到各类区域的水文、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明显的差异，从而导致水环境容量具有明显的地域性特征。,（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间生态系统，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。,3 影响因素 影响水域水环境容量的要素很多，概况起来主要有以下四个方面： （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）；水文特征（流量、流速、降雨、径流等）；化学性

37、质（pH值，硬度等）；物理自净能力（挥发、扩散、稀释、沉降、吸附）；化学自净能力（氧化、水解等）；生物降解（光合作用、呼吸作用）。,（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很大：水质要求高的水域，水环境容量小；水质要求低的水域，水环境容量大。例如对于COD环境容量，要求达类水域的环境容量仅为要求达V类水域环境容量的1/2。,（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，但具有

38、一定的相互联系和影响，提高某种污染物的环境容量可能会降低另一种污染物的环境容量。因此，对单因子计算出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。,4 确定原则 水环境容量的确定，要遵循以下两条基本原则： （1）保持环境资源的可持续利用。要在科学论证的基础上，首先确定合理的环境资源利用率，在保

39、持水体有不断的自我更新与水质修复能力的基础上，尽量利用水域环境容量，以降低污水治理成本。,（2）维持流域各段水域环境容量的相对平衡。影响水环境容量确定的因素很多，筑坝、引水，新建排污口、取水口等都可能改变整个流域内水环境容量分布。因此，水环境容量的确定应充分考虑当地的客观条件，并分析局部水环境容量的主要影响因素，以利于从流域的角度，合理调配环境容量。,二 水环境容量的计算步骤 （1）水域概化； （2）基础资料调查与评价； （3）选择控制点（或边界）； （4）建立水质模型； （5）容量计算分析； （6）环境容量确定。,（1）水域概化。 将天然水域（河流、湖泊水库）概化成计算水域，例如天然河道可概

40、化成顺直河道，复杂的河道地形可进行简化处理，非稳态水流可简化为稳态水流等。水域概化的结果，就是能够利用简单的数学模型来描述水质变化规律。同时，支流、排污口、取水口等影响水环境的因素也要进行相应概化。若排污口距离较近，可把多个排污口简化成集中的排污口。,如图所示，1号、2号、3号排污口可合并为1个排污口1#。,排污口概化的重心计算： X=（Q1C1X1+Q2C2X2+QnCnXn）/(Q1C1+Q2C2+QnCn) X：概化的排污口到功能区划下断面或控制断面的距离； Qn：第n个排污口（支流口）的水量； Xn：第n个排污口（支流口）到功能区划下断面的距离； Cn：第n个排污口（支流口）的污染物浓

41、度；,距离较远并且排污量均比较小的分散排污口，可概化为非点源入河，仅影响水域水质本底值，不参与排污口优化分配计算。非点源的范围主要包括农村生活源、畜禽养殖、城市径流、矿山径流和农田径流等5个主要方面。各项污染源源的估算可采用源强系数法，具体估算可参阅有关文献。,（2）基础资料调查与评价。 包括调查与评价水域水文资料（流速、流量、水位、体积等）和水域水质资料（多项污染因子的浓度值），同时收集水域内的排污口资料（废水排放量与污染物浓度）、支流资料（支流水量与污染物浓度）、取水口资料（取水量，取水方式）、污染源资料等（排污量、排污去向与排放方式），并进行数据一致性分析，形成数据库。,（3）选择控制点

42、（或边界）。 根据水环境功能区划和水域内的水质敏感点位置分析，确定水质控制断面的位置和浓度控制标准。,1）控制点 一般情况下，计算单元内可以直接按照水环境功能区上下边界、监测断面等设置控制点或节点，如可以直接选取水环境功能区内的常规性监测断面作为控制节点。 如果某一功能区划水域内存在多个常规性监测断面，可以选取最高级别的监测断面、最有代表性的监测断面或者最能反映最大取水量取水口水质的监测断面。,如果功能区划水域没有常规性监测断面，可以选择功能区的下断面或者重要的用水点作为控制节点。 对于高功能水域、重要水域以及距离较长的水域，根据需要，一个功能区内可设计1个或多个监测断面来控制功能区的水质，作

43、为水环境容量计算的约束条件。,在控制断面的选取要注意以下几个问题： 断面不要设在排污混合区内。一般的水环境功能区都允许有排污口存在，排污口下游必然存在一段由排放浓度过渡到功能区标准的排污混合区或过渡区。注意监测断面要避开混合区或过渡区，以反映水体的客观情况； 断面一定要反映敏感点的水质。大部分水环境功能区内都允许有取水口（饮用水、工业用水、农业用水）或鱼类索饵、产卵等活动区存在，断面设置应考虑这些敏感点的水质保护，以保证功能区真正达标。, 断面要保证出境水质达标。本段水环境功能区内的水质功能不能仅保证本区内的取水用水功能，还应保证出境提供给下游地区的水质达到功能区要求。,2） 水文条件 对于河

44、流，指河段内的水位、流速和流量等条件；对于湖库，指湖库的水位、库容和流入流出条件。一般条件下，水文条件年际、月际变化非常大。作为计算水环境容量的重要参数，各流域一般可选择近10年最枯月平均流量作为设计流量条件；近10年最枯月平均库容作为湖库的设计库容。 以下几类情况，可分别概化为：, 对流域由于枯水月流量太小或可能断流，可同时选择近10年最枯季平均流量或近10年最枯季平均库容作为参考设计水文条件。 对江河主干流河面宽度较宽（一般河宽超过200米时），污染物扩散一般仅在岸边进行，不能影响到河流对岸。这时的设计水文条件可选择近10年最枯季平均流量或近10年最枯季平均库容，然后根据环境管理的需求确定

45、混合区范围进行岸边环境容量计算，以混合区水环境容量作为可以实际利用的水环境容量数据。 其他河段设计流量的计算选取枯水期月平均流量作为计算样本。, 有闸坝控制的河段，关闸时间较长时，可以考虑近10年平均水位下的水体容积作为设计流量或最小下泄流量。 对于一般湖泊或水库，分别按照近10年最低月平均水位水位相应的蓄水量和死库容的蓄水量确定设计流量。,如果上述情况下该河段设计流量仍然为零，则该河段可以不计算水环境容量。 有条件的地区，可以对丰平枯水期特征明显的河流，以及按照最枯流量计算没有水环境容量的情况，按照分水期进行水环境容量的计算（需要注明对应的水期月份），汇总得到全年的水环境容量。同时，在对这种

46、水环境容量最终核定上，需要注意容量的季节性利用问题和总量分配的特殊性。,3）边界条件的选择 控制因子：根据我国水污染现状和水污染物总量控制现状，选择COD和氨氮作为容量计算的主要控制因子。湖库增加总磷、总氮和叶绿素a指标。各地可根据当地水环境特征，增加区域特征污染物进行环境容量计算。应该强调的是，各类污染物在水域中的转化规律非常复杂，而且相互影响。大尺度的容量计算简化了微观复杂的物化和生化转变过程，仅关注整体结果。, 质量标准：交接断面水质标准以流域规划确定的目标为依据，对于未在流域规划中确定，而省界功能区存在一定矛盾的上下游功能区水质目标，需以省协调一致的区划要求为基础。省内断面水质标准以水

47、环境功能区划为水环境容量计算的依据，跨市、县界的功能区协调方案由各省解决。需要国家协调省际水环境功能区目标差异和目标水质的，可以提交总局和技术指导组解决。, 设计流速：河流的设计流速为对应设计流量条件下的流速。对于断面设计流速，可以采用实际测量数据，但需要转化为设计条件下的流速。 本底浓度：参考上游水环境功能区标准，以对应国家环境质量标准的上限值（达到对应国家标准的最大值）为本底浓度（来水浓度），对于跨界水环境功能区本底浓度需要考虑国家和省政府部门规定的出、入断面浓度限值。, 水质目标值：以水环境功能区相应环境质量标准类别的上限值为水质目标值。水环境功能区相应环境质量标准具体落实于相应的监控断

48、面，断面达标即意味着水环境功能区水质达标。 单位时间：一般指一年。最枯月或最枯季的环境容量换算为全年，作为功能区的年环境容量。一般排放浓度采用mg/l单位，流量采用m3/s单位，因此得出的计算结果是瞬时允许污染物流量（mg/s）。而环境管理分配的总量通常是以年计算与考核，因此瞬时污染物流量乘以时间段，才得出单位时间（全年）的水环境容量。,（4）建立水质模型。根据实际情况选择建立零维、一维或二维水质模型，在进行各类数据资料的一致性分析的基础上，确定模型所需的各项参数。, 零维模型 稳态条件下，不考虑衰减作用，河段的环境容量即为其目标容量： C0 代表环境介质中某种污染物的原始浓度；C 代表环境介

49、质中污染的允许浓度(即某种环境标准值)；,符合下列两个条件之一的环境问题可概化为零维问题： 水流量与污水流量之比大于1020； 不需要考虑污水进入水体的混合距离。 对于河流常用零维模型解决的问题有： 不考虑混合距离的重金属污染物、部分有毒物质等其它保守物质的下游浓度与允许纳污量的估算；,当有机物降解性物质的降解项可忽略时，可采用零维模型； 对于有机物降解性物质，当需要考虑降解时，可采用零维模型分段模拟，但计算精度和实用性较差，最好用一维模型求解。, 一维模型 将 代入模型，得到一维模型水环境容量的计算公式为： 式中：Wi第i个排污口允许排放量，t/a； Ci河段第i个节点处的水质本底浓度，mg

50、/l； C沿程浓度，mg/l； Qi河道节点后流量，m3/s； Qj第i节点处废水入河量，m3/s； u第i个河段的设计流速，m/s； x计算点到第i节点的距离，m。,若以下界处作为功能区考核的断面，按照上述方法沿程计算整个功能区的沿程污染物浓度变化规律，如图5所示。若功能区要求是类，COD 类标准是20mg/l，则计算结果模拟结果显然超过类水质标准要求，就要通过削减每一个排污口的排污量来重新计算，直到计算结果满足水质标准要求为止。这时各个排污口的排污量之和，即 就是此环境功能区内的一个水环境容量值。,图5 水环境功能区内沿程污染物浓度变化曲线图,湖库水环境容量计算方法 （不考虑混合区的水环境

51、容量） 当C为湖泊功能区要求浓度标准Cs时，： 其中：Wc为水环境容量，t/a。 V湖泊中水的体积（m3）； Q平衡时流入与流出湖泊的流量（m3/s）； CE流入湖泊的水量中水质组分浓度（mg/l）； C湖泊中水质组分浓度（mg/l）； K是一级反应速率常数（1/d）。,参数推求方法 污染物的生物降解、沉降和其他物化过程，可概括为污染物综合降解系数，主要通过水团追踪试验、实测资料反推、类比法、分析借用等方法确定。计算模型参数可采用经验法和实验法确定，应进行必要的论证和检验。, 水团追踪试验 选择合适的河段，布设监测断面，确定试验因子。测定排污口污水流量、污染物浓度（试验因子），测定试验河段的水

52、温、水面宽、流速等。根据流速，计算流经各监测断面的时间，按计算的时间在各断面取样分析，并同步测验各监测断面水深等水文要素。 整理分析试验数据，计算确定污染物降解系数。, 实测资料反推法 用实测资料反推法计算污染物降解系数，首先要选择河段，分析上、下断面水质监测资料，其次分析确定河段平均流速，利用合适的水质模型计算污染物降解系数，第三采用临近时段水质监测资料验证计算结果，确定污染物降解系数。,河段选择时，为减少随机因素对计算结果的影响，应尽量选择没有排污口、支流口的河段作为计算河段，这样可以排除入河污染物量和入河水量随机波动对水质监测结果的影响。 K=（LnC1-LnC2）u/L 其中：C1、C

53、2分别为河段上、下断面污染物浓度，L为上下断面距离，U为流速。, 类比法 国内外有关文献提及的部分河流污染物降解系数见表3-3。在国内外的24条河流中，BOD5降解系数K值的下限或变化范围0.35d-1的有17条，占70.8%。根据以往的研究成果可知，CODcr降解系数比BOD5要小，约为BOD5降解系数的60%70%。以此推断，大约有70%以上的河流其CODcr降解系数在0.200.25 d-1。,表3 国内外部分河流BOD5降解系数（K）,搜集国内外河流已有研究成果资料，结合各研究河段的具体情况，类比分析确定各研究河段污染物降解系数。如有研究表明，海河流域中，北京市COD、NH3-N分别为

54、0.1和0.05（l/d），河北省COD、NH3-N分别为0.30.4和0.40.6（l/d），山西COD、NH3-N分别为0.5和0.8（l/d），河南COD和NH3-N分别为0.051.07和0.060.6（l/d），山东COD、NH3-N分别为0.25和0.15（l/d）。由于影响CODcr和氨氮的降解系数的因素较多，对于不同的河段采用不同的方法，或多种方法结合推求。,（5）容量计算分析。应用设计水文条件和上下游水质限制条件进行水质模型计算，利用试算法（根据经验调整污染负荷分布反复试算，直到水域环境功能区达标为止）或建立线性规划模型（建立优化的约束条件方程）等方法确定水域的水环境容量。,

55、（6）环境容量确定。在上述容量计算分析的基础上，扣除非点源污染影响部分，得出实际环境管理可利用的水环境容量。,汾河太原市段水环境容量计算,汾河是黄河的一级支流，发源于山西省宁武县的管芩山。汾河干流自北向南从太原市域穿过，边山各大支流由东西向中部汇集于汾河，城市各大排退水系统及工矿企业工业废水和城市污水或直接排退于汾河，或就近排退于边山各支流后最终汇集排入汾河。汾河沿途支流径流主要靠大气降水补给，多属季节性河流，河流的季节性变化较大，部分支流如天池河、阳兴河、玉门沟、冶峪沟等起着向汾河排放工业废水和生活污水的排污沟作用，有清水流量的河流比例很少。,汾河在太原市区内全长约188 km，自1958年

56、建库以来，除汛期和灌溉放水外，实际上为主要纳污河流，使汾河的污染程度逐年加重。监测评价结果表明，兰村以下至下兰铁桥段，接纳了兰村造纸厂和北部地区的工业废水，水质属中度偏重污染；铁桥以下城区到小店桥段，受纳了太原市绝大部分工业废水和城市生活污水，水质成分比较复杂，属严重污染区段。由于汾河水库和汾河二库的截流，在该河段常年无稀释清水来源，河段基本上就是一条排污沟，因此毫无稀释容量可言。,汾河流域水质现状及主要排放源,流域及水质现状 汾河太原段流域包括太原市尖草坪区、杏花岭区、迎泽区、万柏林区、小店区及晋源区等六大城区。选择有国控和省控有常年监测资料的四个段面（上兰村胜利桥迎泽桥小店桥）的监测资料。

57、各段面水质基本情况见表1。,表1 汾河太原市段流域水质现状监测数据及评价结果,主要排放源 汾河太原市段的污染源主要可分为点源和面源两大类，点源有工业、城市生活；面源有农村生活、农田径流、畜禽养殖、城市径流及矿山径流等；点、面源共七种。 从已有资料可知太原市废水排放源主要有三处，一是尖草坪区（以太钢排水为重点）；二是晋源区（以太化公司排污水为重点）；其次为小店区（主要以太原市城区生活污水为重点）。COD的排放总量基本上与废水排放量成正比。汾河上兰断面清水不进汾河，农灌期汾河水库放水进入东、西干渠用于农田灌溉。流域范围内的主要排污河流为杨兴河，其它废水及污水全部进入东、西暗涵，从南内环桥开始由暗涵排入汾河城区下游断面主河道。,汾河