河口区水域环境容量的计算

河口区水域环境容量的计算王加文国家海洋局第二海洋研究所,杭州,310012什么是环境容量？水环境容量是指水体在规定的环境目标下所能容纳的最大污染物量.它反映了污染物在环境中的迁移、转化和积存规律，也反映了水环境在满足特定功能条件下对污染物的承受能力.其容量大小与水体特征、水质目标及污染物特性有关.近年来,随着海洋环境污染的日趋严重,海洋环境保护已经引起了人们的高度重视。计算海区环境容量已经成为保护海洋环境、推动经济发展决策的依据。计算水域环境容量的过程总量控制因子及其污染源分析估算建立海域环境容量模型确定计算方法环境目标的确定总量控制因子及其污染源分析估算总量控制因子及其污染源分析估算是总量控制工作的基。一般定为化学需氧量(COD)，其来源包括工业、生活、畜禽养殖、水土流失及海水养殖等方面.根据各污染源特征,采用相应方法确定其现状源强:工业源利用统计数据和汇水区的实际调查结果确定;生活源和畜禽养殖源在调查统计基础上,采用排污系数法计算;水土流失源则首先应用通用土壤流失方程计算单位面积侵蚀量,再通过土壤中碳含量推算COD含量;海水养殖源参考国内外文献方法进行估算.其中,陆源污染通过入海河流的实测数据进行验证.确定控制目标环境目标的确定是环境容量计算的前提.根据海域主导功能确定海水水质应执行的国家《海水水质标准》(ＧＢ30971997)的海水水质标准)。海域环境容量模型分别采用二维浅水潮波方程与二维移流扩散方程来模拟河口海域的流动场和浓度场.建立之后再根据实测数据检验修改；分区达标控制法（1）--------线性规划污染物浓度不超过其各自对应的环境标准的前提下,使各排污口的污染负荷排放量之和最大,即:目标函数maxL=∑xj(1)约束条件∑aij*xj+cbi≤ci(i=1,…,m)(2)xj≥0(j=1,…,n)(3)式中,i为水质控制点编号;m为水质控制点数目;j为排污口编号;n为排污口数目;x为负荷量;L为总负荷量;a为第aij个排污口的单位负荷量对第i个水质控制点的污染贡献度系数;cb为水质控制点的污染背景浓度;c为水质控制点处的环境标准值.式(2)左边实际上是控制点处的浓度.由于水质扩散模型是线性的,浓度有可迭加性,所以用线性迭加的方法来求某一点的浓度是可行的.因此,求解海域环境容量问题归结到求解由式(1)～(3)所表达的线性规划问题.（2）分区达标根据《海水水质标准》(GB3097-82),水质分为3类.为了控制各水功能区的水质达到其对应的环境标准,对水质控制点的选取须满足以下要求:(1)在采用海水水质标准第三类的区域内(如排污口及稀释混合区)设3类水质控制点即这些点的污染物浓度不得超过第三类海水水质标准.这样做会出现一个超过第三类海水标准的区域,但其范围可通过控制点的选取来加以限制.(2)在采用第三类与第二类海水水质标准的2种水域的交界线上设二类水质控制点,使这些点的浓度不得超过第二类海水水质标准.(3)在采用第二类与第一类海水水质标准的2种水域的交界线上设一类水质控制点,使这些点的浓度不得超过第一类海水水质标准.△三类控制点●二类控制点○一类控制点图1（3）贡献度系数贡献度系数aij(i=1,…,m;j=1,…,n)的求解是以线性规划法求解环境容量的关键,也是工作量最大的部分.根据定义,可假想在一个排污口给1个单位负荷量,即xj=1,而其它排污口无负荷量排出,即xk=0(k=1,…,n;k≠j),然后用二维水质模型计算出在这种情况下的浓度分布,确定出m个水质控制点的浓度值,即为aij(i=1,…,m).改变排污口,重复以上步骤,就可以求出每个排污口的aij.在以上所有计算中,开边界上的浓度为0,即不考虑背景浓度.实例研究---汕头市海域汕头市在城市环境整治规划中,根据污染源和水环境质量现状调查结果,结合汕头市城市总体规划及社会经济发展与环境保护的需要,对海域环境功能区进行了划分,并作了排污口设置规划.本文在此基础上,运用前面提出的分区达标控制法求出其以CODMn为指标的水环境容量.潮流与水质模拟分别采用二维浅水潮波方程与二维移流扩散方程来模拟汕头市海域的流动场和浓度场.采用显式差分法对方程进行离散化,网格边长取100m.实测数据验证结果表明,模型较好地再现了汕头市海域的潮流与水质扩散状况.排污口与水质控制点原原有排污口数量较多,有不少排污口相距很近。为简化计算和减少工作量,将排污口进行合并,概化为9个,编号为E1～E9,位置如图所示.根据功能区划分的结果,选取了71个水质控制点(如图2),其中三类水质控制点8个,位于除E2排污口以外的各排污口所在网格;二类水质控制点34个,位于E2排污口及第三类与第二类海水区交界线上的网格;一类水质控制点29个,位于第二类与第一类海水区交界线上的网格.应当指出,由于差分网格较小(100m×100m),所以对排污口的控制是比较严的,不允许出现第三类海水超标区域.贡献度系数与背景浓度运用已验证的潮流与水质模型,分别计算了9个排污口对71个水质控制点的贡献度系数,部分结果列于表1.由于汕头市海域出现不利水质的情况多为大潮期,所以采用大潮期的潮汐与榕江枯水期流量作为潮流模拟的水文条件.贡献度系数值为一个潮汐周期的平均值.控制点处的背景浓度cb是由于开边界上的浓度即计算领域外的污染物流入所引起的.严格来说,cb值应在只有开边界浓度而领域内无负荷排出的条件下由水质模型计算得出,每点的值是不相同的.在本研究中,为简化计算,以牛田洋上游断面水质的实测值1.8mg/L作为汕头港及达濠江内控制点的背景浓度,而以在汕头港外及广澳湾的实测值1.0mg/L作为这些海域的控制点的背景浓度.从以往调查的经验来看,这种选取是比较接近实际情况的.部分控制点的背景浓度值列于表1结论根据以上的问题设定及各系数的计算结果和参数选定结果,用单纯形法求解线性规划问题式(1)～(3),得到总排放负荷量最大时的各排污口允许排放负荷量,即环境容量.计算结果如表2所示.讨论本文介绍的分区达标控制法主要是针对点源污染的一种计算方法，它考虑了河口潮汐的作用，忽略了面源污染，应该在有关调查数据的基础上加以修正。