三、水环境容量计算(演示稿)..

1小流域水污染防治规划培训讲稿水环境容量计算四川大学黄川友在小流域水污染防治规划编制过程中，有两个重要问题需要明确：①根据规划区域水污染调查监测资料及地表水环境质量监测数据，明确各水污染源是否实现达标排放及满足总量控制的要求，区域地表水环境质量是否符合水体使用功能要求；②如果地表水环境质量及区域水污染源满足环保要求，则可分析计算出研究水域剩余水环境容量，为区域社会经济发展及水污染源的总量控制提供依据；如果地表水质及区域水污染源达不到环保要求时，则需分析计算出研究水域削减污染负荷量，为地表水质达到水域功能要求与水污染源的达标治理合理控制提供依据。因此，不论是前者还是后者，都需要进行研究水体的水环境容量计算，以利于流域水污染防治规划方案的编制，及区域水污染源的控制与水环境质量达到水体功能要2求。水环境容量是基于对流域水文特征、排污方式、污染物迁移规转化律进行分析研究的基础上，结合环境管理需求确定的水污染负荷量管理控制目标。水环境容量既反映流域的自然属性（水环境特性），同时又反映人类对水环境的需求（主要是水质目标），水环境容量将随着水资源情况的不断变化和人们环境质量需求的不断提高而不断发生变化。1.基本概念1.1.定义在给定水域范围和环境水文条件、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。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）和降解容量（W降解）两部分。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要求，即在不改3变排污口位置、水质目标及确定环境水文条件等情况下，确定水域的环境容量（W容）。自净稀释WW排放方式1.2.基本特征水环境容量具有以下三个基本特征：资源性、区域性、系统性。稀降41.3.影响要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。主要是环境水文条件（或环境水力学特性）。2、环境功能要求。不同的水环境功能区提出不同的水质目标要求。在相同水质与环境水文条件下，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Ⅲ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、污染性质。不同污染物本身具有不同的物理化学特性和生物反应特征，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，对于不同的污染物具有不同的水质标准及迁移转化规律，确定了不同的水环境容量，但具有一定的相互联系和影响，提高某种污染物的水环境容量可能会降低另一种污染物的水环境容量。4、排污方式。水环境容量与污染物的排放方式有关。因此，限定的排污方式是确定水环境容量的一个重要因素。51.4.确定原则水环境容量的确定，要遵循以下的两条基本原则：一是保持水环境资源的可持续利用；二是维持流域各段水域水环境容量的相对平衡。2.计算步骤通常情况下，水环境容量计算可按照以下6个步骤进行：1、水域概化。将研究水域（河流、渠系、湖泊、水库等）概化成不同的计算水域，例如天然河道概化成顺直河道，非稳态水流可简化为稳态水流等。2、基础资料调查与评价。包括水文、水质、污染源、社会经济等。3、选择控制点。确定水质控制断面的位置和浓度控制标准。污染混合区则根据环境管理的要求确定其控制边界。4、建立水质模型。根据实际情况选择水质模型，确定模型所需的各项参数。65、水环境容量分析计算。6、水环境容量的确定。扣除非点源污染影响部分，以及上、下游水域功能命根水污染源控制后的水环境容量变化，得出实际区域环境管理可利用的水环境容量。3.设计条件3.1.计算单元水环境容量计算单元的划分，往往采用节点划分法，即从保证重要水域水体功能角度出发，以城市及工业区等重要和敏感的区域的上、下游断面作为划分节点，把河道划分为若干较小的计算单元进行水环境容量计算。如，可以原则上以水环境功能区为基本单元，以水环境功能区上、下界面或常规监测断面作为节点。1、排污河道的处理。对于没有天然径流量的水环境功能区或河流，可以不进行本水域的水环境容量计算，视作排污口看待。72、不能（或无法）利用的水域处理。对饮用水水源一级保护区等不容许排污的高功能水域或水环境容量无法利用的水域，可以不进行水环境容量的计算。3、水环境功能区有空白、漏项等问题的处理。当一条河流的中间水域没有进行功能区划，可以直接按照上下断面的水质要求确定本水域的水质控制标准。对于某些没有进行功能区划的河流，如果最终汇入一定的功能区划水域，可以将该河流作为下游功能区划的支流进行分析计算。3.2.控制断面控制断面的选取要注意以下几个问题：1、断面不要设在排污控制区域（超标水域）内。混合区的定义：混合区是指工程排污口至下游均匀混合断面之间的水域。超标水域的概念：工程排污口附近，废水主要受河水的稀释混合等物8理净化作用，且水质允许超标的水域。2、敏感点位按水质控制要求合理设置断面。3、研究水域的进出位置应设置控制断面。3.3.环境水文条件对于河流，指河段内的水深、流速和流量等条件；对于湖库，指湖库的水位、容积和出入湖库流量等条件。一般条件下，作为计算水环境容量的重要参数，各河流可选择近10年最枯月平均流量作为设计流量条件，湖库可选择近10年最枯月平均蓄水量作为湖库的设计容积。以下几类情况，可分别概化为：1、干流河面宽度较宽（一般河宽超过100米时），根据环境管理的需求确定控制区域范围，进行岸边水环境容量计算，以控制区域水环境容量作为可以实际利用的水环境容量数据。2、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。93、有闸坝控制的河段，关闸时间较长时，可以考虑近10年最小下泄流量作为设计流量。4、对于一般湖泊或水库，分别按照近10年最低月平均水位时相应的蓄水量确定设计水量（应扣除死库容）。如果上述情况下河段设计流量仍然为零，则该河段可以不计算水环境容量，视作排污渠道及作为入汇水域的排污口控制。3.4.边界条件1、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。2、质量标准：省界断面水质标准以国家制定的流域规划确定的目标和省界功能区水质目标为依据，省内断面水质标准以水环境功能区划为水环境容量计算的依据，跨市、县界的功能区划分方案由相关部门解决。103、设计流速：河流的设计流速为对应设计流量条件下的流速。4、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为本底浓度（来水浓度），对于跨界水环境功能区的本底浓度界定，需要考虑国家和省（直辖市、自治区）政府部门规定的出、入境断面水质浓度限值。5、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控制断面，断面水质达标即意味着水环境功能区水质达标。6、计算时间：一般指一年。用最枯月或最枯季的水环境容量换算为全年的水环境容量，作为相应功能区研究水域的水环境容量。3.5.排污方式本次水环境容量计算的前提条件是保持目前排污口的格局不变，各地必须计算出在现有排污口位置情况下的水环境容量数据。11当排污口污水排放流量较大的（根据各区域特征确定）现状排污口，必须作为独立的排污口处理。其他排污口，可以适当简化。简化方法为：1、若排污口距离较近，可把多个排污口简化成集中的排污口。概化排污口位置的计算：niniiiiiiCQxCQx11/＝集集x：概化的集中排污口到功能区划下断面或控制断面的距离；Qi：第i个排污口（或支流入汇口）的水量；xi：第i个排污口（或支流入汇口）到功能区划下断面的距离；Ci：第i个排污口（或支流入汇口）的污染物浓度；2、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，仅影响水域水质本底值，不参与排污口优化分配计算。124.水质模型选择根据水环境功能区的实际情况和水污染物特征，水环境容量计算一般用零维或一维水质模型。对有重要保护意义的水环境功能区、大江大河断面水质横向变化显著的区域可采用二维水质模型计算。在模型计算时特别是对于大江大河的水环境容量计算，必须结合控制区域或污染带的范围进行容量计算。4.1.零维模型对河流，零维模型常见的表现形式为河流稀释模型；对于湖泊与水库，零维模型主要有盒模型。4.1.1.河流零维水质模型的适用条件1、排污口上游河流来水的水质与水量较均匀；2、工程外排废水的水质与水量较稳定；3、多用于水环境影响预测的起始断面水质浓度（即C0值）计算；134、难降解污染物在小河流评价河段或大、中河流均匀混合断面以下河段的水质预测。对于湖泊、水库，常用零维模型的问题类型有：1、不存在分层现象且无须考虑混合区域范围的湖库中的富营养化问题或热污染问题；2、可依据流场、浓度场等分布规则进行分盒的湖泊和水库，其环境问题均可按零维模型处理。下面主要介绍二类常见零维模型。1、定常设计条件下的河流稀释混合模型；2、湖泊、水库的盒模型。4.1.2.定常设计条件下河流稀释混合模型1、点源，河水和污水稀释混合方程14EPEEPPQQQCQCC式中：C—完全混合的水质浓度（mg/L）；QP、CP—上游来水设计水量（m3/s）与设计水质浓度（mg/L）；QE、CE—污水设计流量（m3/s）与设计排放浓度（mg/L）；例：上游来水CODCr(p)=14.5mg/L，QP=8.7m3/s污水排放源强CODCr(E)=58mg/L，QE=1.0m3/sCODCr（0）=EpEECrppCrQQQCODQCOD)()(=19.0mg/L4.1.3.湖泊、水库的盒模型当我们以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程中，往往可以把湖泊看作一个完全混合反应器，这样盒模型的基本方程为：15VcSQCQCdtVdCCE)(式中：V—湖泊中水的体积（m3）；Q—平衡时流入与流出湖泊的流量（m3/a）；CE—流入湖泊的水量中水质组分浓度（g/m3）；C—湖泊中水质组分浓度（g/m3）；SC—如非点源一类的外部源和汇（m3）；R（c）—水质组分在湖泊中的反应速率。K是一级反应速率常数（1/t）。0KCVQCQCEtEKCC11式中：t=V/Q，t为停留时间。164.2.一维模型若河段长度大于下式计算的结果时，可以采用一维模型进行模拟：*)0065.0058.0()6.04.0(gHJBHBuaBL式中：L—混合过程段极限长度（m）；B—河流宽度（m）；a—排放口与近岸水边的距离（m）；u—河流断面平均流速（m/s）；H—河流断面的平均水深（m）；g—为重力加速度（m/s2）；J—河流坡度.174.2.1.一维水质模型的一般方程式（点源一维模式）Ct=C0·exp（-k·t）或)86400exp(uxkCCox例：Kc=0.5/d，u＝0.1m/s，其它数据同上，求排污口下游5.0km处的CODCr浓度。CODCr（0）=19.0mg/L，t=ux86400=0.5787dCODCr（5.0km）=19.0exp（―0.5×0.5787）=14.2mg/L4.2.2.一维水质模型的适用条件1、评价河段受纳水体的水质、水量较稳定；2、工程外排废水的水质与水量较稳定；3、易降解污染物在小河流评价河段或大、中河流均匀混合断面以下河段的水质预测。184.3.二维模型当水中污染物浓度在一个方向上是均匀的，而在其余两个方向是变化的情况下，一维模型不再适用，必须采用二维模型，常用于大、中河流超标水域界定及污染带分布计算。河流二维对流扩散水质模型通常假定污染物浓度在水深方向是均匀的，而在纵向、横向是变化的（因为多数河流河宽远远大于水深），水质模型如下：uxKxEuzuxEhumzxCYy4exp,2式中；C（x，y）—排污口对污染带内点（x，y）处浓度贡献值，mg/L；m—河段入河排污口污染物排放速率，g/s；n—河段入河排污口污染物排放速率，g/s；u—污染带内的纵向平均水深，m；Ey—横向扩散系数，m2/s；19x