水环境容量计算学习指南

水环境容量计算排放方式自净稀释W自净W稀释W水环境容量:反映流域的自然属性（水文特性），又反映人类对环境的需求（水质目标）水环境容量=稀释容量（W稀释）+自净容量（W自净）两部分稀释容量:在给定水域的来水污染物浓度低于出水水质目标时，依靠稀释作用达到水质目标所能承纳的污染物量自净容量:由于沉降、生化、吸附等物理、化学和生物作用，给定水域达到水质目标所能自净的污染物量水环境容量基本特征资源性水环境容量是一种自然资源—能容纳一定量的污染物也能满足人类生产、生活和生态系统的需要；水环境容量是有限的可再生自然资源。区域性受各类区域的水文、地理、气象条件等因素的影响，不同水域对污染物的物理、化学和生物净化能力存在明显的差异，导致水环境容量有明显的地域性特征。系统性河流、湖泊等水域一般处在大的流域系统中，水域与陆域、上游与下游、左岸与右岸构成不同尺度的空间生态系统，因此，在确定局部水域水环境容量时，必须从流域的角度出发，合理协调流域内各水域的水环境容量。影响要素水域特性几何特征（岸边形状、水底地形、水深或体积）；水文特征（流量、流速、降雨、径流等）；化学性质（pH值，硬度等）；物理自净能力（挥发、扩散、稀释、沉降、吸附）；化学自净能力（氧化、水解等）；生物降解（光合作用、呼吸作用）。环境功能要求不同功能区划，对水环境容量的影响很大：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；影响要素污染物质不同污染物本身具有不同的物理化学特性和生物反应规律，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。不同的污染物具有不同的环境容量；排污方式一般来说，在其他条件相同的情况下集中排放的环境容量比分散排放小瞬时排放比连续排放的环境容量小岸边排放比河心排放的环境容量小因此，限定的排污方式是确定环境容量的一个重要确定因素。计算步骤1水域概化将天然水域（河流、湖泊水库）概化成计算水域基础资料调查与评价水域水文资料（流速、流量、水位、体积等）水域水质资料（多项污染因子的浓度值）收集水域内的排污口资料（废水排放量与污染物浓度）支流资料（支流水量与污染物浓度）取水口资料（取水量，取水方式）污染源资料等（排污量、排污去向与排放方式）并进行数据一致性分析，形成数据库。计算步骤2选择控制点（或边界）根据水环境功能区划和水域内的水质敏感点位置分析，确定水质控制断面的位置和浓度控制标准。如存在污染混合区，则需根据环境管理的要求确定污染混合区的控制边界。建立水质模型选择零维、一维或二维水质模型，并确定模型所需的各项参数。容量计算分析应用设计水文条件和上下游水质限制条件进行水质模型计算，利用试算法（根据经验调整污染负荷分布反复试算，直到水域环境功能区达标为止）或建立线性规划模型（建立优化的约束条件方程）等方法确定水域的水环境容量。环境容量确定在容量计算分析基础上，扣除非点源污染影响部分，则为实际环境管理可利用的水环境容量。设计条件计算单元水环境容量计算单元的划分，采用节点划分法从保证重要水域水体功能角度出发，以大中城市及重要工业区、工业企业生活等重要和敏感的区域或断面作为划分节点，把河道划分为若干较小的计算单元进行水环境容量计算。控制点一般情况下，计算单元内可以直接按照水环境功能区上下边界、监测断面等设置控制点或节点。某一功能区划水域内存在多个常规性监测断面，选取最高级别的监测断面最有代表性的监测断面最能反映最大取水量取水口水质的监测断面。功能区划水域没有常规性监测断面，可以选择功能区的下断面或者重要的用水点作为控制节点。控制断面的选取要注意以下几个问题断面不要设在排污混合区内（由排放浓度过渡到功能区标准的排污混合区或过渡区）；断面一定要反映敏感点的水质。大部分水环境功能区内都允许有取水口（饮用水、工业用水、农业用水）或鱼类索饵、产卵等活动区存在，断面设置应考虑这些敏感点的水质保护，以保证功能区真正达标。断面要保证出境水质达标。水文条件河流指河段内的水位、流速和流量等条件；湖库指湖库的水位、库容和流入流出条件；一般条件下，水文条件年际、月际变化非常大。各流域一般可选择30Q10（近10年最枯月平均流量）作为设计流量条件，30V10（近10年最枯月平均库容）作为湖库的设计库容。以下几类情况，可分别概化为：海河、黄河等北方各流域由于枯水月流量太小或可能断流，可同时选择90Q10（近10年最枯季平均流量）或90V10（近10年最枯季平均库容）作为参考设计水文条件。长江、珠江等干流河面较宽（＞200m），污染物扩散一般仅在岸边进行，不影响到河流对岸。设计水文条件可选择30Q10或30V10，然后根据环境管理的需求确定混合区范围进行岸边环境容量计算，以混合区水环境容量作为可以实际利用的水环境容量数据。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有闸坝控制的河段，关闸时间较长时，可以考虑近10年平均水位下的水体容积作为设计流量或最小下泄流量。对于一般湖泊或水库，分别按照近10年最低月平均水位水位相应的蓄水量和死库容的蓄水量确定设计流量。有条件的地区，可对丰平枯水期特征明显的河流，以及按照最枯流量计算没有水环境容量的情况，按照分水期进行水环境容量的计算（需要注明对应的水期月份），汇总得到全年的水环境容量。水文条件边界条件控制因子：COD和氨氮主要控制因子.湖库增加总磷、总氮和叶绿素a指标;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、县界的功能区协调方案由各省解决。需要国家协调省际水环境功能区目标差异和目标水质的，可以提交总局和技术指导组解决。设计流速：河流的设计流速为对应设计流量条件下的流速。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（达到对应国家标准的最大值）为本底浓度（来水浓度）对于跨界水环境功能区本底浓度需要考虑国家和省（直辖市、自治区）政府部门规定的出、入断面浓度限值。水质目标值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。单位时间一般指一年。最枯月或最枯季的环境容量换算为全年，作为功能区的年环境容量。排放浓度采用mg/l单位，流量采用m3/s单位，计算结果是瞬时允许污染物流量（mg/s）,需换算成年容量。边界条件排污方式当排污口污水排放流量较大（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。若排污口距离较近，可把多个排污口简化成集中的排污口排污口概化的重心计算：X=（Q1C1X1+Q2C2X2+····QnCnXn）/(Q1C1+Q2C2+····QnCn)X：概化的排污口到功能区划下断面或控制断面的距离；Qn：第n个排污口（支流口）的水量；Xn：第n个排污口（支流口）到功能区划下断面的距离；Cn：第n个排污口（支流口）的污染物浓度；上界下界上界123下界1#排污口概化示意图距离较远并且排污量均比较小的分散排污口，可概化为非点源入河，仅影响水域水质本底值，不参与排污口优化分配计算。水质模型模型的类型零维模型一维模型：二维模型：零维模型对河流，表现形式为河流稀释模型；对于湖泊与水库，主要有盒模型符合下列两个条件之一的环境问题可概化为零维问题：河水流量与污水流量之比大于10~20；不需考虑污水进入水体的混合距离；常用零维模型解决的问题对河流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预测与允许纳污量的估算；有机物降解性物质的降解项可忽略时，可采用零维模型；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。对湖泊、水库不存在分层现象、无须考虑混合区范围的富营养化问题和热污染问题；可依流场、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盒模型处理。定常设计条件下河流稀释混合模型点源，河水、污水稀释混合方程EpEEppQQQCQCC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）；对于可概化为完全均匀混合类的排污情况，排污口与控制断面之间水域的允许纳污量计算公式为：单点源排放：ppEpCCQQQSW)(式中：WC—水域允许纳污量(g/L)；S—控制断面水质标准(mg/L)多点源排放ppEinipCCQQQSW)(1式中：QEi——第i个排污口污水设计排放流量(m3/s)；n——排污口个数考虑吸附态和溶解态污染指标耦合模型定常设计条件下河流稀释混合模型6101SSKCCpT对于需要区分出溶解态浓度的污染物，可用下式计算式中：C—溶解态浓度(mg/L)；Cr—总浓度(mg/L)；SS—悬浮固体浓度(mg/L)；Kp—分配系数(L/mg)。概率分布设计条件下的河流稀释混合模型概率稀释模型把定常稀释模型中的大输入变量Qp、Cp、QE、CE等设定为独立的随机变量，并服从对数正态分布，估算污水、河水混合浓度的概率分布。其基本表达式为：过矩量近似法或求积法，可以对公式进行求解。得出河水浓度的概率分布图排放浓度与超标率（Pr）关系在超标率计算时，假定排污总量中排污水量不变，改变排污浓度,在给定达标率（或超标率）的条件下反推，乘以排污水量，可求出允许纳污量。湖泊、水库的盒模型以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程时，可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VcSQCQCdtVdCCE)(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。如果反应器中只有反应过程，则Sc=0，则公式变为：VcQCQCdtVdCE)(湖泊、水库的盒模型当反应器内的反应符合一级反应动力学，且是衰减反应时，则KCc)（公式又变为以下形式KCVQCQCdtVdCEK是一级反应速率常数（1/t）湖泊、水库的盒模型当反应器处于稳定状态时，dC/dt=0，可得到下式0KCVQCQCEtEKCC11t=V/Q,t为停留时间类别数据注释水力数据河流流量Q设计流量如7Q10横截面积A水深H由于稀释容量的原因，流量的正确估计很重要。由于模型是在设计条件下进行的，因而设计流量的计算是必需的。当河流被视为完全混合反应时，应计算A,H.湖泊水力停留时间tw平均深度H水体容积V湖泊表面积Atw是湖泊等滞流水体模型的一个重要参数，由V/Q计算污染源数据污水流量QE污水外排浓度CE悬浮固体浓度SS背景浓度CpQE、CE指设计条件下的外排流量和浓度考虑溶解态和颗粒态污染物时需使用SS值，常用于重金属零维模型数据和参数总结表一维模型对于河流而言，一维模型假定污染物浓度仅在河流纵向上发生变化，主要适用于同时满足以下条件的河段：宽浅河段；污染物在较短的时间内基本能混合均匀；污染物浓度在断面横向方向变化不大，横向和垂向的污染物浓度梯度可以忽略。在忽略离散作用时，一维稳态衰减规律的微分方程为：uKxeCC0式中：u—河流断面平均流速，m/s；x—沿程距离，km；K—综合降解系数，1/d；C—沿程污染物浓度，mg/L；C0—前一个节点后污染物浓度，mg/L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)4exp(),(2uxKxEuzuxEhumzxCyyC（x,z）——排污口对污染带内点（x,z）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；u——污染带内的纵向平均流速，m/s；h——污染带起始断面平均水深，m；Ey——横向扩散系数