第九章 水环境规划模型

第九章水环境规划第一节规划的原则与依据一、规划目标与水功能区划分水环境规划的主要目标是通过对水污染物排放的合理组织与控制，保证水体的水质满足人类生活、生产，以及生态与景观的需求。一般说来，水环境规划是一个多目标规划，涉及生态环境、经济技术、社会生活的各个方面。作为一个具体规划，其主要的目标是水质和实现水质目标的费用。人们对水质的需求体现在水功能区目标上。水功能区是指为满足水资源开发和有效保护的需求，根据自然条件、功能要求、开发利用现状，按照流域综合规划、水资源保护规划和经济社会发展要求，在相应水域按其主导功能划定并执行相应质量标准的特定区域。地表水的水功能区一般分为水功能一级区和水功能二级区。水功能一级区分为保护区、缓冲区、开发利用区和保留区四类。在水功能一级区中的开发利用区中又可以划分为七类二级区，它们是：饮用水源区、工业用水区、农业用水区、渔业用水区、景观娱乐用水区、过渡区和排污控制区。每一类水功能区都对应特定的水质标准（表9-1）。水功能区的划分是水环境质量标准在具体水域的具体应用，是水环境规划的依据。水功能区的划分需要遵循“自上而下”的原则，即从流域层次上制订宏观的功能区划，然后从区域或城市的角度制订具体的功能区划。表9-1水功能区划分的条件指标和水质标准二、水环境容量与允许排放量环境容量一词早先用于描述某一地区的环境对人口增长和经济发展的承载能力。20世纪70年代初，针对当时的环境污染和公害肆一级区二级区区划条件区划指标执行水质标准保护区国家级、省级自然保护区；具有典型意义的自然生境；大型调水工程水源地；重要河流的源头集水面积、水量、调水量、水质级别I～Ⅱ级或维持现状缓冲区跨地区边界的河流、湖泊的边界水域；用水矛盾突出的地区之间的水域省界断面水域；矛盾突出的水域按实际需要执行相关标准或按现状控制饮用水源区现有城镇生活用水取水口较集中的水域；规划水平年内设置城镇供水的水域城镇人口、取水量、取水口分布等Ⅱ～Ⅲ类工业用水区现有或规划水平年内设置的矿企业生产用水集中取水地工业产值、取水总囊、取水口分布等Ⅳ类农业用水区现有或规划水平年内需要设置的农业灌溉集中取水地灌区面积、取水总量、取水口分布等V类开发利用区渔业用水区自然形成的鱼、虾蟹、贝等水生生物的产卵场、索饵场。越冬场及回游通道天然水域中人工营造的水生生物养殖场渔业生产条件及生产状况《渔业水质标准》并参照执行Ⅱ～Ⅲ类景观娱乐用水区休闲、度假、娱乐、水上运动所涉及的水域；风景名胜区所涉及的水域景观、娱乐类型、规模、用水量执行《景观娱乐用水水质标准》或Ⅲ～Ⅳ类过渡区下游用水的水质高于上游水质状况，有双向水流且水质要求不同的相邻劝能区之间的水域水质、水量出流断面水质达到相邻功能区的水质要求排污控制区接受含可稀释、降解污染物的污水的水域；水域的稀释自净能力较强，有能力接纳污水的水域污水量、污水水质、排污口的分布出流断面水质达到相邻功能区的水质要求保留区受人类活动影响较少、水资源开发利用程度较低的水域；目前不具备开发条件的水域；预留今后发展的水资源区水域水质及其周边的人口产值、用水量等按现状水质控制虐，环境容量一词被应用到环境保护领域。环境容量的定义为：一个环境单元在满足环境目标的前提下，所能接受的最大污染物量。在环境容量的约束下，污染源的最大排放量称为允许排放量。1．影响环境容量与允许排放量的因素环境容量的大小既决定于环境自身的特征，也与污水的特性及排放方式有关。具体体现为：(1)受体环境自身的特点环境稀释、迁移、扩散能力是环境特点的重要表征。一般来说环境单元的稀释能力取决于环境对象的容积，环境单元容积越大，稀释能力越高；污染物在环境中的迁移能力是环境介质运动特征（例如速度）的函数，环境介质运动速度越高，迁移能力越强；污染物在环境介质中的扩散，既决定于介质运动状态，也与污染物自身的性质有关。通常，湍流条件下的扩散条件要比层流好。(2)污染物质的特点同样一个环境单元对于不同的污染物具有不同的容纳能力，主要取决于污染物的扩散特性与降解特性。在自然状态下不能降解且具有累积效应的污染物的环境容量远小于可降解的污染物。(3)人们对环境的利用方式环境容量可以认为是一种潜在的资源，可用于净化污染物质。与其他资源一样，环境资源的利用也存在效率问题，污水深海排放的扩散管、烟气排放的高架烟囱就是提高环境资源利用效率的例证。(4)环境质量目标接纳污染物的环境单元存在一定的使用功能，功能目标是人为确定的，不同的环境目标对应不同的环境标准。所采用的环境标准不同，环境容量也不同。一般说来，环境目标越严格，环境容量越低。上述四个因素在一个实际的环境单元里相互影响、相互制约。在环境规划和环境管理中一旦确定了环境功能，人们能够控制的因素仅仅是污染物的排放方式。不同的排放方式对河流水质产生不同的影响。在各种污染物排放方式中，污染物的完全分散排放（即污染物与河水完全混合）可以获得最大的水体污染物容纳量。也就是说，完全分散的排放方式所对应的污染物容纳量就是水体的环境容量；与其他排放方式相对应的污染物容纳量都称之为允许排放量。环境容量是允许排放量的极限值。2．河流环境容量与允许排放量(1)河流的环境容量污染物进入环境以后，存在随环境介质的推流迁移、污染物质点的分散以及污染物的转化与衰减三种主要的运动形态。如果将所研究的环境看成一个存在边界的单元（图9-1），Q代表环境介质的流量，反映了推流的作用；S代表进入环境的污染物总量；CO代表环境介质中某种污染物的原始浓度；C代表环境介质中污染物的允许浓度（即某种环境标准值）。完全混合模型可以写成：ordCVQCQCSVdt(9-1)当系统的出水满足环境质量目标时，进入环境的污染物总量就是该环境单元的环境容量：ordCSVQCQCVdt(9-2)如果讨论稳态问题，则：oSQCQCrV(9-3)如果反应项只考虑污染物的衰减，即r＝－kC，那么，环境容量S可以表达为：()ooSQCQCkCVQCCkCV(9-4)式中，k是污染物降解速度常数。由上式可以看出，环境容量由两部分构成：第一部分称之为目标容量，决定于水体的流量、环境质量目标与本底值之差；第二部分称之为降解容量，与污染物的降解性能有关，降解速度越高，降解容量越大。由于污染物在河段中均匀分布，环境容量与河段的分割方式无关。【例9-1】河段长10km，平均水深1.6m，平均宽度12m，流量1.5m3／s，上游河水BODs浓度3.5mg/L，降解速度常数0.8d-1。分别计算当河流执行Ⅱ类标准和Ⅲ类标准时的环境容量。解：已知Ⅱ类标准和Ⅲ类标准的BODs浓度分别为3mg/L和4mg/L。执行Ⅱ类标准时，BOD5的环境容量：S=Q(C－Co)+kCV=-64800(g/d)+460800(g/d)=396000(g/d)=396(kg/d)执行Ⅲ类标准时，BODs的环境容量：S=Q(C－Co)+kCV=64800(g/d)+460800(g/d)=525600(g/d)=525.6(kg/d)计算结果表明，如果能够使污染物在整个河段上均匀分布，在执行Ⅱ类环境质量标准时，河段BODs的环境容量为396kg/d；在执行Ⅲ类环境质量标准时，则为525.6kg/d。同时，从例9-1可以看出，当水质目标为Ⅱ类时，目标容量出现负值，但由于衰减容量较大，河段的环境容量仍然为正值。(2)河流允许排放量的计算一般情况下，污染物的排放不可能均匀分布在河段中，因此不可能完全利用河段的环境容量。这时，可以根据污染物的排放方式，分别计算污染物的允许排放量。在河流中，可以分为三种情形进行讨论。情形1一维环境，集中排放，没有混合区。此时由于不存在混合容积，所以不存在降解容量。污染物以点源的方式进入河流，水质的最不利点就发生在排放口附近。排放口附近的BOD5浓度可以用下式计算：C1='oCQqCQq式中，q为污水流量；C'为污水中污染物的浓度。当Cl为给定的水质标准Cs时，用G表示污染物的允许排放量，即G=qC'=Cs(Q+q)-CoQ=Q(Cs-Co)+Csq(9-6)如果污水流量相对于河水流量可以忽略，则G=Cs(Q+q)-CoQ=Q(Cs－Co)(9-7)与式(6-4)相比较可以发现，情形1的允许排放量等于相同条件下的目标容量。【例9-2】数据同例9-1，计算一维河流、无混合区时的允许排放量。解：执行Ⅱ类标准时：G=Q(Cs－Co)=－64800(g/d)=－64.8(kg/d)执行Ⅲ类标准时：G=Q(Cs－Co)=64800(g/d)=64.8(kg/d)从例9-2的计算结果可以看出，由于此时不存在衰减容量。当采用Ⅱ类水质标准时，允许排放量出现了负值，即此时不存在允许排放量。情形2一维环境，污水集中排放，存在混合区。混合区内的水质允许违反既定的水质标准，而在混合区的下边界处应该达到水质标准。混合区的范围定义为排放口下游一段给定距离内的区域。在这种情况下，允许排放量包括两部分，即目标允许排放量和降解允许排放量，推导如下：C=C混e-kt=('oQCqCQq)e-kt允许排放量：G=qC'=(Q+q)Cekx/ux--QCo(9-9)如果忽略污水流量，则允许排放量为：G=Q(Cekx/ux--Co)(9-10)混合区的长度根据管理的要求确定。【例9-3】数据同例9-2，假定混合区长度为lkm，计算允许排放量。解：根据给定数据，河段中的流速为：1.50.078(/)6.75(/)1.6xumskmd采用Ⅱ类标准，即C=3mg/L时，允许排放量为：G=Q(Cekx/ux－Co)－1.5×86400(3eo.6/6.75－3.5)=－28.7(kg/d)果用Ⅲ类标准，即C=4mg/L时，允许排放量为：G=Q(Cekx/ux－CO)=1.5×86400(4e0.6/6.75－3.5)=112.9(kg/d)存在混合区时，增加了混合区内的降解量，河段的允许排放量大于没有混合区的情景。3．湖泊水库的环境容量与允许排放量(1)湖库的环境容量由于湖泊与水库的水力停留时间较长，污染物存在累积效果，不同季节的污染物会产生叠加效应，点源污染物和非点源污染物都需要考虑。对于湖泊和水库，通常按照零维模型处理，水库和湖泊的环境容量就是允许输入湖库的最大污染物量，而湖库的污染物来源于两个方面：通过河流的输入1()ioiniQC和直接输入1()jnis即S湖库=111()ioijknnkriikdCQCSVQCVdt式中，Qi表示第i条人流河流的人流量，m3/a;COi/表示第i条人流河流的污染物平均浓度，mg/L或g／m3;Sj表示第j个内源的污染物释放量，g/a;Qk表示第k条出流河流的流量，m3/a;C表示流出湖库的污染物平均浓度，mg/L或mg／m3，在计算环境容量时，C就是水库的水质功能目标，mg/L或g／m3;r表示污染物的沉降速率，g／(m3．a);V表示湖库的平均容积，m3；n、m、K分别为人流河流、出流河流与内源的数目。如果考虑一个较长时问的平均值，污染物在湖库中的沉积主要由于降解作用，即假定dCdt=0,且令r=-kC,湖泊与水库环境容量为：S湖库=11kkkkkkQCrVQCkCV(9-18)式中，系数k表示湖库中的污染物降解速度常数，a-1。与河流环境容量类似，湖库的环境容量也包括目标容量（1kkkQC）与降解容量（kCV）两部分。(2)湖库的允许排放量因为在计算湖库的环境容量时采用了箱式模型，其环境容量就等于允许排放量，即G湖库=S湖库=1kkkQC+kCV(9-19)排放到湖库中的污染源包括：①上游河流的污染物输入量，包括点源和非点源的输入量；②湖库的直接输入量，即湖库周边的点源输入量；③湖库内源的输入量（例如湖库水产养殖业的污染物排放量、底泥的释放量等）；④大气的污染物沉降。湖库允许排放量的计算任务是将计算的环境容量分配给上述污染源，这个过程比较复杂，通常需要通过决策分析解决。在上述污染源中，大气沉降源一般不受允许排放量分配的控制，它主要取决于空