第六章 水环境容量的理论及应用

水环境容量的理论及应用河海大学（逄勇）PangYong2004年4月7日主要内容第一部分水环境容量的概念及研究现状第二部分水环境容量基本计算方法第三部分江苏省水环境容量研究成果介绍1、水环境容量的概念（纳污能力、承载能力）1.1水环境容量的概念水环境容量是水体在规定的环境目标下所能容纳的污染物的最大负荷，其大小与水体特征、水质目标及污染物特性有关。1.2总量控制的两种方法目标总量控制：根据基准年的排污量来确定总量指标，主要是便于管理和操作，但和水环境功能区管理的要求有一定距离。容量总量控制：根据水体功能区要求的水质来确定总量指标，和水环境功能区管理的要求相一致。水环境容量的确定是容量总量控制的基础。第一部分水环境容量的概念及研究现状2、国内外对水环境容量的一些认识•国外有些国家主要从浓度控制进行污染物排放量控制•国内学术界对此有争议•许多基层环保部门水环境容量研究的积极性不高3、水环境容量研究的意义及现实可行性3.1意义可持续发展的一个重要的定量指标3.2现实可行性•有强有力的理论基础•计算结果的大数上能把握住•管理上的迫切需要1、水环境容量研究的理论基础(水质模型)污染源排污量水体水质水质预测水环境容量计算第二部分水环境容量的概念及基本计算方法2、水环境容量基本计算方法及分析第二部分水环境容量的概念及基本计算方法2.1基本计算方法•总体达标计算法•控制断面达标计算法2.2总体达标计算法的优缺点(1)优点：•计算结果和污染源位置没有关系，人为影响小；•计算简便，易操作。(1)缺点计算结果值偏大，需进行不均匀系数值订正。污染源排污量水体水质水质预测水环境容量计算第二部分水环境容量的概念及基本计算方法2.3控制断面计算达标法的优缺点（1）优点能够保证控制断面的水质达标，特别适合于饮用水水源地的保护；以及国控、省控、市控等重要水质控制断面水质达标的管理。污染源排污量水体水质水质预测水环境容量计算控制断面2控制断面1（2）缺点①要事先明确每个排污口的位置，在对未来污染源的把握上，一般不确定性因素较多，故这种方法在操作上有难度。②当控制断面上游有多个排污口时，控制断面水质达标时的水环境容量值有多个解，使得该方法在操作上有难度。③控制断面水质浓度正好达标，意味着控制断面至排污口这一段河道的水质均超标，与功能区水质管理稍有出入。第二部分水环境容量的概念及基本计算方法控制断面1排污口1排污口2排污口3第二部分水环境容量的概念及基本计算方法建议：•对于重要控制断面，采用控制断面水质达标的方法进行水环境容量的计算，•对于一般水体，采用总体水质达标的方法进行水环境容量的计算。3、总体达标水环境容量计算方法（零维模型）3.1水质计算qQKVQCWC000W：污染物排放量；Q0：流入河流、湖库流量；C0：上游来水的背景浓度值；K：水质降解系数；V：水体容积；q：旁侧支流流量。第二部分水环境容量的概念及基本计算方法C0、Q0W、qC(Q0+q)VKVC3.2水环境容量计算3.2.1基本计算方法qQKVQCWC000当C=CS时，W即为环境容量，公式中的单位为：Kg/天。4.86)(00sssqCKVCCCQW第二部分水环境容量的概念及基本计算方法自净容量稀释容量3.2.2几个问题的讨论（1）不均匀系数订正总体达标水环境容量方法计算出的结果值偏大，一般称为偏不保守。故为了符合实际起见，引入不均匀系数的概念进行订正。订正方法如下：W订正=αWα为不均匀系数，α为界于0和1之间的一个数。第二部分水环境容量的概念及基本计算方法对于大于1000宽的河流，不采用完全混合模型进行水环境容量计算，而是采用岸边污染带控制法进行水环境容量计算。对于小于1000宽的河流，进行不均匀系数订正，具体如下：河宽：500-1000米α=0.1-0.2200-500米α=0.2-0.5100-200米α=0.5-0.8小于100米α=0.8-1.0第二部分水环境容量的概念及基本计算方法（2）双向河流时的计算方法正向河流：W正=Q01(Cs-C01)+K1V1Cs+q1Cs反向河流：W反=Q02(Cs-C02)+K2V2Cs+q2Cs设计算时间段为A，反向流在计算时间段中的天数为B，则双向流允许纳污量的计算公式：反正WABWABAW第二部分水环境容量的概念及基本计算方法（3）时空变化明显的河段划分空间单元和时间单元进行计算，对于各单元的计算结果再进行空间和时间单元的叠加。njmijiWW11,第二部分水环境容量的概念及基本计算方法第二部分水环境容量的概念及基本计算方法4、控制断面水质达标水环境容量计算方法4.1概念为保证控制断面水质达标，上游各污染源的最大允许排污量。控制断面1排污口1排污口2排污口34.2控制断面水质达标时的水环境容量计算方法4.2.1一维稳态水质模型4.2.1.1水质计算qQqCQCC0100')86400exp('xukCC公式中C1、q为排污口废水浓度mg/L和废水量m3/s；C0、Q0为上游河水浓度mg/L和流量m3/s。K为水质降解系数1/日；X为距排污口的距离m；U为流速m/s。第二部分水环境容量的概念及基本计算方法C0、Q0C1、qC’C4.2.1.2水环境容量计算只有一个排污口时的计算公式：4.86)86400()(000QCuxKExpCqQWs)86400exp('xukCCqQqCQCC0100'当C=CS时，C1q=W即为环境容量，公式中的单位为：Kg/天。第二部分水环境容量的概念及基本计算方法4.2.2二维稳态水质模型4.2.2.1水质计算单个污染源时：xMyBuxMuyxuMHQccuxKyxcyyypp4)2(exp4exp)(86400exp),(222/10第二部分水环境容量的概念及基本计算方法排污口Cp、QpHuxy多个污染源时：niiyxcyxc1),(),(xMyBuxMuyxuMHQccuxKyxcyyypp4)2(exp4exp)(86400exp),(222/11101xMyBuxMuyxuMHQcuxKyxcyyypipii4)2(exp4exp)(86400exp),(222/1xMyBuxMuyxuMHQcuxKyxcyyypnpnn4)2(exp4exp)(86400exp),(222/1．第二部分水环境容量的概念及基本计算方法排污口1排污口2排污口3控制端面4.2.2.2水环境容量计算一个排污口时的计算公式：4.86)4)2(exp()4exp()86400exp()(2202/1xMyBuxMuyCuKxCExuHWyySxMyBuxMuyxuMHQccuxKyxcyyypp4)2(exp4exp)(86400exp),(222/10当C=CS时，CpQp=W即为环境容量，公式中的单位为：Kg/天。第二部分水环境容量的概念及基本计算方法4.2.3多个排污口时的计算公式：控制断面水质与排污量响应关系曲线计算设：控制断面水质浓度为C1；控制断面上游各污染源排污量为：W1、W2、W3………….等，则可根据水质模型公式推导得出控制断面水质与上游排污量之间的函数关系式为：C1=C1（W1、W2、W3………….）根据公式可绘制在不同上游排污量情况下W1、W2、W3………….对C1影响的关系曲线。第二部分水环境容量的概念及基本计算方法控制断面1排污口1排污口2排污口3第二部分水环境容量的概念及基本计算方法5、湖库水体纳污能力计算5.1对于面积较小的湖库利用完全混合公式进行水环境容量的计算。4.86)(00sssqCKVCCCQW在进行水环境容量计算时要进行不均匀系数订正，具体如下：W订正=αW湖库面积：大于50Km2采用其它方法进行计算；10Km2-50Km2α=0.1-0.35Km2-10Km2α=0.3-0.6小于5Km2α=0.6-1.05.2对于面积较大的湖库5.2.1入湖口断面水质浓度达标的计算思路利用入湖河口水质浓度与上游污染排污量响应关系曲线进行计算。第二部分水环境容量的概念及基本计算方法排污口1排污口2排污口3入湖河口水质控制断面第二部分水环境容量的概念及基本计算方法5.2.2分功能区按水质达标情况进行计算利用水质模型，计算出湖体中各功能区的水质状况，分析各功能区水质达标时，入湖排污口的污染物排放量即为湖库的水环境容量值。排污口1排污口3排污口2功能区2功能区4功能区3功能区1功能区6功能区5功能区8功能区7第二部分水环境容量的概念及基本计算方法5.2.3湖库中排污混合带约束计算计算入湖库口门中的排污混合带大小，对此进行约束，得出的入湖排污口的污染物排放量即为湖库的水环境容量值。排污口5.2.4湖库中断面水质达标的简化模型4.86)172800exp(002QQHrKCWsW—为水环境容量，单位为Kg/日。第二部分水环境容量的概念及基本计算方法排污口控制断面水质6、长江等大水体水环境容量的计算6.1总体水环境容量的考虑(1)岸边污染带允许排污量，这部分允许排污量就是长江等大水体总体水环境容量的一部分。(2)引清水增加的周围河道的水环境容量。总的水环境容量应该是这两部分之和。第二部分水环境容量的概念及基本计算方法排污口Cp、Qp引清水排污混合带排污口的允许排污量增加周边河道的水环境容量第二部分水环境容量的概念及基本计算方法6.2岸边污染带允许排污量计算中的几个主要问题及解决问题的思路(1)排污口的确定（考虑现状及规划）(2)排污混合带范围的确定（500-1000m)(3)上游来水水质浓度的确定(功能区划值及监测平均值）江苏省的水体主要分为河网区；湖泊区；长江三大类。对于这三类区，可按不同方法进行江苏省水体的水环境容量的计算。1、江苏省基本水系概况第三部分江苏省水环境容量课题研究介绍对于湖泊水系，由于江苏省湖泊水环境问题的严重性，主要考虑控制入湖河道水质达标，不进行湖泊内水环境容量的计算；对于长江水系，由于长江的污染物主要以污染带形式出现，故进行排污混合带与排污量关系计算；对于河网水系，进行水环境容量计算研究。江苏省河网区水系主要分为：太湖流域；秦淮河流域；沂沭泗流域；洪泽湖流域；南通河网区；里下河河网区六大片。第三部分江苏省水环境容量课题研究介绍2、主要工作内容•计算出江苏省各主要河段的水环境容量值。•以各主要河段的水环境容量计算结果为基础，汇总出江苏省各县及各市的水环境容量值。•进行太湖入湖河道COD、氨氮污染物总量控制计算。•建立南水北调工程区的简单水质预测模型；建立长江江苏段特大供水水源区的水质预测模型并进行排污混合带计算研究。•研制完成江苏省水环境容量信息系统，在该系统中，建立动态水环境容量计算系统。第三部分江苏省水环境容量课题研究介绍污染源、水质、水环境保护目标等现状资料的调查及评价地表水（环境）功能区划确定各水系片设计水文条件计算各水系片水环境数学模型建立及率定各水系片长序列降雨资料频率分析水质降解系数计算野外实验研究模型率定研究各水系片、各河段水环境容量计算各县水环境容量计算各地级市水环境容量计算南水北调干线水量水质预测模型建立长江江苏段水环境数学模型建立及排污混合带研究江苏省水环境容量信息管理系统研制太湖入湖河道污染物总量控制计算3、研究技术路线第三部分江苏省水环境容量课题研究介绍4、水环境容量的确定方法水环境容量计算公式式中：W：水环境