水环境容量是指在给定水域和水文水力学条件排污口...

水环境容量是指在给定水域和水文﹑水力学条件﹑排污口位置的情况下，水域在水环境质量达到环境标准的前提下所能容纳污染物的最大量，或称之为最大允许排放负荷量。改善水环境质量是未来几年我国环境保护的主要任务之一，实施流域或者区域水环境污染物总量控制是改善水环境质量的重要措施。我国对水污染物排放总量控制先后经过了浓度控制和目标总量控制，现已逐渐进入到容量总量控制阶段。目前有关水环境容量的理论研究方法比较多，但由于水环境的特殊性和污染物在水环境中降解的复杂性，限制了这些理论和方法在实际中的应用。水环境容量的确定是区域环境评价和建设项目环境评价中污染物总量控制的重要内容，也是国家对建设项目实施污染物总量控制中的技术关键问题。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。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188km，自1958年建库以来，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。为了确定汾河太原市段区域地表水的环境容量，依据2004年太原市环境保护局和太原市环境科学研究设计院《关于山西省太原市地表水环境容量的核定与总量分配报告》，根据现有文献[1-4]中水环境容量计算方法，从中选择一种适合于目前汾河太原市段地表水环境容量计算的模型，以确保此次研究的科学性与合理性，为流域环境规划、建设项目环境管理提供科学依据。1汾河流域水质现状及主要排放源1.1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。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段面名称COD均值评价标准*达标情况上兰村10.72Ⅲ达标胜利桥32.20Ⅳ不达标迎泽桥24.07Ⅳ达标小店桥66.12Ⅳ不达标注：*《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）.1.2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。2汾河流域水体水质模型选用2.1河流稀释混合模型如果污染物进入水域后，在一定范围内经过平流输移﹑纵向离散和横向混合后达到充分混合，或者根据水质管理的精度要求允许不考虑混合过程而假定在排污口段面瞬时完成均匀混合，即假定水体在某一断面处或某一区域之外实现均匀混合，可以采用混合模型进行计算：)()(epeeppQQQCQCC式中：C—完全混合后的水质浓度（mg/L）；Qp﹑Cp—河流流量（m3/s）与水质浓度（mg/L）；Qe﹑Ce—污水流量（m3/s）与排放浓度（mg/L）。2.2零维模型所谓零维水体是指最简单的﹑水质完全混合均匀的﹑理想状态下的水体。零维模型视水体水质为完全均匀混合类型，故不考虑污染物在空间方向上的浓度梯度。该模型常用的表现形式为稳态设计条件与概率分布设计条件下的河流稀释混合模型。如果将所研究的环境看成一个存在边界的单元(图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；C0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的允许浓度(即某种环境标准值)；r代表单位容积的污染物衰减量。图1完全混合反应器完全混合模型可以写成：)1(0rVSQCQCdtVdC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S就是该单元的环境容量：SVQC0QC)2(0rVQCQCdtVdCS如果讨论的是稳态问题,则：)3(0rVQCQCS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：)4()(00kCVCCQkCVQCQCS式中：k—污染物降解速度常数。由式(4)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，降解速度越大，降解容量越大。由于视污染物在河段中为均匀分布，因此环境容量与河段的分割方式无关。当不考虑衰减作用，即降解容量为0时，河段的环境容量即为其目标容量：)5()(0CCQS符合下列两个条件之一的环境问题可概化为零维问题：①水流量与污水流量之比大于10～20；②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：①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；②当有机物降解性物质的降解项可忽略时，可采用零维模型；③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。2.3一维模型所谓一维水体是指河流宽度与深度不大的水体。该模型视污染物在河流各段面的宽度与深度方向分布均匀，即认为污染物在y与z方向的浓度梯度为零，仅考虑纵向方向(x方向)的浓度变化。在忽略离散作用时，河流的污染物一维稳态混合衰减的微分方程为：kCdxUdC式中：U—河流断面平均流速，m/s；x—沿程距离，m；k—衰减系数，1/d；C—污染物沿程浓度，mg/L.积分解得：UkxeCC0式中：0C—前一个节点后的污染物浓度，mg/L.其余符号含义同上。一维稳态混合条件下COD容量的计算一般采用稀释容量与自净容量求和的方法。稀释容量可按下式计算：000)(CQqQCWws稀释式中：W稀释—河流稀释容量（g/s）；Cs—控制断面水质标准（mg/L）；Q0—上游来水设计水量（m3/s）；qw—污水设计排放流量（m3/s）；C0—上游来水设计水质（mg/L）。对可降解的有机污染物质，其降解速率符合一级反应动力学规律，因而自净容量可按下式计算：)(1)4.86exp(0wsqQUkxCW自净式中：W自净—河流自净容量（g/s）；86.4—换算系数。其余符号含义同上.所以，当同时考虑稀释作用与自净作用时，排污口与控制断面之间水域的有机物允许纳污量按下式计算：000))(4.86exp(CQqQZUkxCWws式中：W—排污口与控制断面之间水域允许纳污量（g/s）；其余符号含义同上。一维模型主要适用于宽深比较小，污染物在较短的河段内基本上均匀混合，且污染物浓度在断面横向方向变化不大或者是计算河段不长，横向和垂向污染物浓度梯度可以忽略的河段。2.4二维模型该模型视污染物在河流各断面的深度方向分布均匀，即认为污染物在z方向的浓度梯度为零，而在x方向和y方向都存在着迁移和扩散。利用二维模型按照如下步骤推求污染物允许排放量（假定为岸边排放）。岸边排放的二维水质模型可以写作：xyxxyxukxxDyuuxDhuQCCexp4exp4220式中：C0—河流水质本底浓度；C—水质标准；Dy—横向弥散系数；Q—单位时间内的污染物排放量，即允许排放量；其余符号含义同前。混合区的宽度可以定义为河流宽度的分数，例如河宽的1/2,1/3等。假定限定混合区的宽度为y，那么在y处应该满足水质标准的要求，在宽度小于y范围内的水质，允许劣于目标水质。为了求得混合区边界处达到最大值(水质目标值)时的纵向距离，令：0exp4exp42exp44exp42exp4exp422)(222220xxyxxyxxyxyxxyxxyxxyxukukxxDyuuxDhuQukxxDyuxDyuuxDhuQukxxDyuuxDhxuQdxCCd简化上式得：求解上述二次方程得:kDykuuuaacbbxyxx2)5.0(5.02422222.1显然x＜0不合理解，于是：kDykuuuxyxx2)5.0(5.0222将其代入允许排放量计算式，可以得到：xyxxyxukxxDyuuxDhuCCQGexp4exp)4(2)(20上式即为二维环境下污染物允许排放量的计算式。此模型由于考虑了污水在河流中沿横向方向上的扩散稀释作用，因此适用于较大河流的水环境容量计算，而不适用于目前汾河太原市段的水环境容量计算。污染物进入环境以后，主要存在三种运动形态：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。水体中污染物降解的规律可以用一定的数学模型来描述，数学模型是水体纳污能力定量化必不可少的技术手段。从选取模型方法本身来说，无论是零维模型、一维模型、还是二维模型，在理论上相对而言已经比较完善。关键的问题是，如何针对不同水域的具体情况，科学地选取恰当的评价方法使量化结果符合实际情况，避免过分夸大水体纳污能力而造成水资源保护工作的失误。客观上，由于经济条件、技术力量、资料不足等方面条件的限制，一般采用较简单的模式进行纳污能力的评价[8]。根据汾河太原市段的水文﹑水质资料﹑河流特点﹑污染物在水体中的稀释扩散与分布状况等，结合计算精度实际要求，在计算容量时不考虑污染物沿河流纵向的衰减作用和横向的扩散稀释作用，只考虑其混合稀释降解。又由于该段水体水量有限，水深较浅，因此本研究认为选用零维混合模型计算COD的环境容0421222yxDyuxukx量较为合适。3汾河太原市段水环境容量计算3.1影响环境容量的因素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即为该单元的环境容量。根据这个共识可以判断，环境容量的大小既决定于环境自身的特征，亦与污水的特性及排放方式有关。具体体现为:3.1.1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条件好。3.1.2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。3.1.3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。3.1.4环境质量目标接纳污染物的环境