水环境容量计算方法

水环境容量计算方法中国环境规划院李云生2004.5•基本涵义•计算模型•计算步骤•校核方法第一部分水环境容量的基本涵义容量涵义图示排放方式自净容量稀释容量W自净W稀释W稀释容量是指在给定水域的本底污染物浓度低于水质目标时，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是指由于沉降、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。技术指南中的概念定义•在给定水域范围和水文条件，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。•从上述定义可知，水环境容量主要决定于三个要素：水资源量、水环境功能区划和排污方式。要素之一：水资源量•从某种意义上讲，水资源量是水环境容量基础；•为了确保用水安全，水环境容量计算采用的是较高保证率的水文设计条件；•并不是所有的水资源量都用来计算环境容量。要素之二：水环境功能区•水环境功能区划体现人们对水环境质量的需求，反映了人们对水资源的态度：开发、利用或保护。•已划分水环境功能区的水域，要从时间、空间两个方面规范功能区达标标准；•未划分水环境功能区的水域可不进行容量计算；若考虑计算，按较高功能标准进行（II类）。要素之三：排污方式•排污口沿河（或其他水体）位置布设，对河流整体水环境容量影响较大；•排污口排放方式（岸边或中心，浅水或深水），对局部的污染物稀释混合影响很大；•全面理解内涵•重视数据协调•合理计算容量第二部分水环境容量的计算模型•1、流域概化模型•2、水动力学模型•3、污染源概化模型•4、水质模型1、流域概化•将天然水域（河流、湖泊水库）概化成计算水域，例如天然河道可概化成顺直河道，复杂的河道地形可进行简化处理，非稳态水流可简化为稳态水流等。水域概化的结果，就是能够利用简单的数学模型来描述水质变化规律。同时，支流、排污口、取水口等影响水环境的因素也要进行相应概化。若排污口距离较近，可把多个排污口简化成集中的排污口。2、水动力学模型•最枯月设计条件•1、满足节点平衡方程•2、满足沿程连续方程河流径流量沿程概化河流流速沿程概化3、污染源概化模型•污染源沿程位置概化•污染源源强概化•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。•如下图所示，1号、2号、3号排污口可合并为1个排污口1#。上界下界上界123下界1#上界下界上界123下界1#•2、距离较远并且排污量均比较小的分散排污口，可概化为非点源入河，仅影响水域水质本底值，不参与排污口优化分配计算。非点源的范围主要包括农村生活源、畜禽养殖、城市径流、矿山径流和农田径流等5个主要方面。污染源源强概化•年排放量t/a：•季变化系数，季污染负荷•月变化系数，月污染负荷•日变化系数，日污染负荷•本次计算，利用平均法确定源强。4、水质模型•根据水环境功能区的实际情况，环境容量计算一般用一维水质模型。对有重要保护意义的水环境功能区、断面水质横向变化显著的区域或有条件的地区，可采用二维水质模型计算。在模型计算时尤其是对于大江大河的水环境容量计算，必须结合混合区或污染带的范围进行容量计算。零维模型•计算稀释容量。污染物进入河流水体后，在污染物完全均匀混合断面上，污染物的指标无论是溶解态的、颗粒态的还是总浓度，其值均可按节点平衡原理来推求。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。•符合下列两个条件之一的环境问题可概化为零维问题：•1）河水流量与污水流量之比大于10~20；•2）不需考虑污水进入水体的混合距离；河流零维模型•点源，河水、污水稀释混合方程•对于点源，河水和污水的稀释混合方程为：•EpEEppQQQCQCC湖泊容量计算•合理划定纳污区•利用零维模型河流一维模型•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：1）宽浅河段；2）污染物在较短的时间内基本能混合均匀；3）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。uKxeCC0河流二维模型•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。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。)4exp(),(2uxKxEuzuxEhumzxCyy面源模型•非点源污染负荷模型用来计算一定流域内由非点源污染造成的各种污染物的输出情况。选择或建立与当地实际情况复合较好的负荷模型，是对各种污染控制措施进行模拟筛选的基础。通过文献调研，对国外非点源模型30多年的发展历史和现状进行了全面的文献调查，就非点源模型的主要类型、结构和特点进行了系统的总结，并对目前广泛采用的13种非点源模型进行了比较分析，详见下表。•我国实用的非点源污染控制模型尚处在初步应用阶段，本次水环境容量计算，一般不要求进行非点源模型模拟，有条件的城市可根据上表选用适当的模型开展工作。模型名称最早开发时间最新版本发布时间参数形式空间尺度时间尺度时间步长模型结构参考文献AGNPS19871998分散参数流域开始为单次暴雨，后发展为长期连续1dSCS水文模型；通用土壤流失方程；氮、磷和COD负荷，不考虑污染物平衡Young，1989；AGNPS网站HSPF19761996(v.11)集中参数流域长期连续1min到1d斯坦福水文模型；侵蚀模型考虑雨滴溅蚀、径流冲刷侵蚀和沉积作用；污染物包括氮、磷和农药等，考虑复杂的污染物平衡Johanson等，1983；Bicknell等，1996ANSWERS19771996分散参数流域开始为单次暴雨，后发展为长期连续暴雨期为60s，非暴雨期为1d水文模型考虑降雨初损、入渗、坡面流和蒸发；侵蚀模型考虑溅蚀、冲蚀和沉积；早期并不考虑污染物迁移，后补充了氮、磷子模型，复杂污染平衡Beasley，1980；Bouraoui等，1996零维计算结果一维计算结果二维计算结果第三部分水环境容量的计算步骤•1、模型参数验证•2、现状污染源的水质影响分析•3、稀释容量分析（零维）•4、稀释自净容量分析（一维）•5、混合区约束容量分析（二维）•6、确定环境容量1、模型参数验证•废水量影响河流流量，调整水文参数；•将降解系数代入模型，分析其合理性；•注意分析设计流速。2、现状污染源的水质影响分析COD浓度051015202530354045020004000600080001000012000位置(m)COD浓度(mg/L)3、稀释容量分析（零维）分段闸坝控制河段•分段确定水文条件•利用零维模型估算湖泊容量计算•合理划定纳污区•利用零维模型4、稀释自净容量分析（一维）氨氮浓度00.511.522.533.544.50100002000030000400005000060000位置(m)氨氮浓度(mg/L)COD浓度051015202530350100002000030000400005000060000位置(m)COD浓度(mg/L)5、混合区约束容量分析（二维）现状排污口污染负荷：8440t/a;污染带长度580米；污染带100米允许污染负荷：3500t/a6、确定环境容量•环境管理规定；•考虑二维，利用一维确定总容量。•扣除面源、内源，考虑安全系数，得出环境容量。第四部分水环境容量校核方法1：水资源量校核法•对比各个水系水资源量和水环境容量计算结果，若差距较大，需仔细分析；•将同一水系各个河段（地市）的计算条件连在一起进行计算，比较总体结果与各段结果的差距。方法2：提高功能校核法•由于应用模型计算水环境容量部分参数具有不确定性，为了提高容量结果的安全性，建议部分河段采用提高功能区类别的方法进行核算，以作为确定安全系数的参考值。方法3：超标水域分析法•在不同水域，分别应用零维、一维和二维模型，分析功能区内水域达标长度比例（或达标面积比例），根据各地区情况，确定的达标水域范围，分析容量结果的合理性。模型应用演示……