水域在水環(huán)境質(zhì)量達到環(huán)境標準的前提下所能容納

1、水環(huán)境容量是指在給定水域和水文、水力學條件、排污口位置的情況下，水 域在水環(huán)境質(zhì)量到達環(huán)境標準的前提下所能容納污染物的最大量， 或稱之為最大 允許排放負荷量。改善水環(huán)境質(zhì)量是未來幾年我國環(huán)境保護的主要任務(wù)之一， 實施流域或者區(qū) 域水環(huán)境污染物總量控制是改善水環(huán)境質(zhì)量的重要措施。 我國對水污染物排放總 量控制先后經(jīng)過了濃度控制和目標總量控制，現(xiàn)已逐漸進入到容量總量控制階 段。目前有關(guān)水環(huán)境容量的理論研究方法比擬多， 但由于水環(huán)境的特殊性和污染 物在水環(huán)境中降解的復雜性，限制了這些理論和方法在實際中的應(yīng)用。水環(huán)境容量確實定是區(qū)域環(huán)境評價和建設(shè)工程環(huán)境評價中污染物總量控制 的重要內(nèi)容， 也是國家對建

2、設(shè)工程實施污染物總量控制中的技術(shù)關(guān)鍵問題。 只有 了解和掌握水域的環(huán)境容量， 確定水域的允許納污量， 才能建立起環(huán)境總量目標 與污染排放源的輸入響應(yīng)關(guān)系， 將水域的污染負荷量合理地分配到各排放源， 從 而到達有效控制區(qū)域水污染和改善水環(huán)境質(zhì)量的目的。汾河是黃河的一級支流， 發(fā)源于山西省寧武縣的管芩山。 汾河干流自北向南 從太原市域穿過， 邊山各大支流由東西向中部聚集于汾河， 城市各大排退水系統(tǒng) 及工礦企業(yè)工業(yè)廢水和城市污水或直接排退于汾河， 或就近排退于邊山各支流后 最終聚集排入汾河。汾河沿途支流徑流主要靠大氣降水補給，多屬季節(jié)性河流， 河流的季節(jié)性變化較大，局部支流如天池河、陽興河、玉門溝、

3、冶峪溝等起著向 汾河排放工業(yè)廢水和生活污水的排污溝作用，有清水流量的河流比例很少。汾河在太原市區(qū)內(nèi)全長約188 km,自1958年建庫以來，除汛期和灌溉放水 外，實際上為主要納污河流，使汾河的污染程度逐年加重。監(jiān)測評價結(jié)果說明， 蘭村以下至下蘭鐵橋段， 接納了蘭村造紙廠和北部地區(qū)的工業(yè)廢水， 水質(zhì)屬中度 偏重污染；鐵橋以下城區(qū)到小店橋段， 受納了太原市絕大局部工業(yè)廢水和城市生 活污水，水質(zhì)成分比擬復雜， 屬嚴重污染區(qū)段。 由于汾河水庫和汾河二庫的截流， 在該河段常年無稀釋清水來源， 河段根本上就是一條排污溝， 因此毫無稀釋容量 可言。為了確定汾河太原市段區(qū)域地表水的環(huán)境容量，依據(jù) 2004 年

4、太原市環(huán)境保護局和太原市環(huán)境科學研究設(shè)計院?關(guān)于山西省太原市地表水環(huán)境容量的核定與 總量分配報告?，根據(jù)現(xiàn)有文獻1-4中水環(huán)境容量計算方法，從中選擇一種適合 于目前汾河太原市段地表水環(huán)境容量計算的模型，以確保此次研究的科學性與合理性，為流域環(huán)境規(guī)劃、建設(shè)工程環(huán)境管理提供科學依據(jù)。1汾河流域水質(zhì)現(xiàn)狀及主要排放源1.1流域及水質(zhì)現(xiàn)狀汾河太原段流域包括太原市尖草坪區(qū)、杏花嶺區(qū)、迎澤區(qū)、萬柏林區(qū)、小店 區(qū)及晉源區(qū)等六大城區(qū)。選擇有國控和省控有常年監(jiān)測資料的四個段面上蘭村 、勝利橋、迎澤橋、小店橋的監(jiān)測資料。各段面水質(zhì)根本情況見表1。表1 汾河太原市段流域水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據(jù)及評價結(jié)果段面名稱COD均值評價

5、標準*達標情況上蘭村10.72m達標勝利橋32.20IV不達標迎澤橋24.07IV達標小店橋66.12V不達標注：*?地表水環(huán)境質(zhì)量標準? GB3838-2002 .1.2主要排放源汾河太原市段的污染源主要可分為點源和面源兩大類，點源有工業(yè)、城市生活； 面源有農(nóng)村生活、農(nóng)田徑流、畜禽養(yǎng)殖、城市徑流及礦山徑流等；點、面源共七 種。從已有資料可知太原市廢水排放源主要有三處，一是尖草坪區(qū)以太鋼排水 為重點；二是晉源區(qū)以太化公司排污水為重點；其次為小店區(qū)主要以太原 市城區(qū)生活污水為重點。COD的排放總量根本上與廢水排放量成正比。汾河上蘭斷面清水不進汾河，農(nóng)灌期汾河水庫放水進入東、 西干渠用于農(nóng)田灌溉。

6、流域 范圍內(nèi)的主要排污河流為楊興河， 其它廢水及污水全部進入東、西暗涵，從南內(nèi) 環(huán)橋開始由暗涵排入汾河城區(qū)下游斷面主河道。2汾河流域水體水質(zhì)模型選用2.1河流稀釋混合模型如果污染物進入水域后，在一定范圍內(nèi)經(jīng)過平流輸移、縱向離散和橫向混合 后到達充分混合，或者根據(jù)水質(zhì)管理的精度要求允許不考慮混合過程而假定在排 污口段面瞬時完成均勻混合，即假定水體在某一斷面處或某一區(qū)域之外實現(xiàn)均勻 混合，可以采用混合模型進行計算：式中：C = CpQp CeQe Qp QeC 完全混合后的水質(zhì)濃度mg/L；Qp、Cp河流流量m/s與水質(zhì)濃度mg/L；3Qe、Ce污水流量m/s與排放濃度mg/L 。2.2零維模型所

7、謂零維水體是指最簡單的、水質(zhì)完全混合均勻的、理想狀態(tài)下的水體。零 維模型視水體水質(zhì)為完全均勻混合類型，故不考慮污染物在空間方向上的濃度梯 度。該模型常用的表現(xiàn)形式為穩(wěn)態(tài)設(shè)計條件與概率分布設(shè)計條件下的河流稀釋混 合模型。如果將所研究的環(huán)境看成一個存在邊界的單元 圖1 , Q代表環(huán)境介質(zhì)的流 量，反映了推流的作用；S代表進入環(huán)境的污染物總量；Co代表環(huán)境介質(zhì)中某 種污染物的原始濃度；C代表環(huán)境介質(zhì)中污染的允許濃度即某種環(huán)境標準值； r代表單位容積的污染物衰減量。完全混合模型可以寫成:VdC dt 二 QC0 - QC S rV (1)當系統(tǒng)的出水滿足環(huán)境質(zhì)量目標時，進入環(huán)境的污染物總量S就是該單元

8、的 環(huán)境容量:S =VdC dt-QC。 QC -rV (2)如果討論的是穩(wěn)態(tài)問題，那么：S 二 QC-QCo-rV(3)如果反響項只考慮污染物的衰減，即r = - kC ,那么，環(huán)境容量S可以表達為：S =QC -QC0 kCV =Q(C -C0) kCV (4)式中：k 污染物降解速度常數(shù)。由式(4)可以看出，環(huán)境容量由兩局部構(gòu)成，第一局部稱之為目標容量，決 定于水體的流量、環(huán)境質(zhì)量目標與本底值之差；第二局部稱之為降解容量，與污 染物的降解性能有關(guān)，降解速度越大，降解容量越大。由于視污染物在河段中為 均勻分布，因此環(huán)境容量與河段的分割方式無關(guān)。當不考慮衰減作用，即降解容量為 0時，河段的環(huán)

9、境容量即為其目標容量：S=Q(C-C°)(5)符合以下兩個條件之一的環(huán)境問題可概化為零維問題： 水流量與污水流量之比大于1020; 不需要考慮污水進入水體的混合距離。對于河流常用零維模型解決的問題有： 不考慮混合距離的重金屬污染物、局部有毒物質(zhì)等其它保守物質(zhì)的下游 濃度與允許納污量的估算； 當有機物降解性物質(zhì)的降解項可忽略時，可采用零維模型； 對于有機物降解性物質(zhì)，當需要考慮降解時，可采用零維模型分段模擬， 但計算精度和實用性較差，最好用一維模型求解。2.3 一維模型所謂一維水體是指河流寬度與深度不大的水體。該模型視污染物在河流各段 面的寬度與深度方向分布均勻，即認為污染物在 y與z

10、方向的濃度梯度為零， 僅考慮縱向方向(x方向)的濃度變化。在忽略離散作用時，河流的污染物一維穩(wěn)態(tài)混合衰減的微分方程為：UdC dx 一 -kC式中：U 河流斷面平均流速，m/s；x 沿程距離，m；k 衰減系數(shù)，1/d;C 污染物沿程濃度，mg/L.積分解得：C =Coe±x式中：C0 前一個節(jié)點后的污染物濃度，mg/L.其余符號含義同上。維穩(wěn)態(tài)混合條件下COD容量的計算一般采用稀釋容量與自凈容量求和的方法。稀釋容量可按下式計算:W希釋-Cs Q0 qw - Q0C0式中：W稀釋一河流稀釋容量g/s;Cs控制斷面水質(zhì)標準mg/L； Qo上游來水設(shè)計水量m3/s;qw污水設(shè)計排放流量m3

11、/s; Co 上游來水設(shè)計水質(zhì)mg/L 。對可降解的有機污染物質(zhì)，其降解速率符合一級反響動力學規(guī)律，因而自凈容量可按下式計算：W自凈二 Csexpkx86.4U-1Qo qw式中：W自凈一 河流自凈容量g/s；86.4換算系數(shù)。其余符號含義同上.所以，當同時考慮稀釋作用與自凈作用時，排污口與控制斷面之間水域的有 機物允許納污量按下式計算：W = Cs exp(kx 86.4ZU)(Q。qw) Q°C。式中：w排污口與控制斷面之間水域允許納污量g/s;其余符號含義同上。一維模型主要適用于寬深比擬小，污染物在較短的河段內(nèi)根本上均勻混合， 且污染物濃度在斷面橫向方向變化不大或者是計算河段不

12、長，橫向和垂向污染物濃度梯度可以忽略的河段。2.4二維模型該模型視污染物在河流各斷面的深度方向分布均勻，即認為污染物在z方向的濃度梯度為零，而在x方向和y方向都存在著遷移和擴散。利用二維模型按照如下步驟推求污染物允許排放量假定為岸邊排放。岸邊排放的二維水質(zhì)模型可以寫作：cc02Q4PyX UxUxy2 丨-kxexp _ exp -4DyX-比式中：Co 河流水質(zhì)本底濃度；C水質(zhì)標準；Dy橫向彌散系數(shù)；Q單位時間內(nèi)的污染物排放量，即允許排放量; 其余符號含義同前?；旌蠀^(qū)的寬度可以定義為河流寬度的分數(shù)，例如河寬的1/2,1/3等。假定限定混合區(qū)的寬度為y,那么在y處應(yīng)該滿足水質(zhì)標準的要求，在寬度

13、小于 y范圍內(nèi) 的水質(zhì)，允許劣于目標水質(zhì)。為了求得混合區(qū)邊界處到達最大值水質(zhì)目標值時的縱向距離，令:d(C -Co) dx2Uxhx 4DyX UxeXN 4DyX4D-uxy2lexp -4DyX 一2QUxh, 4：DyX Ux2QUxh 4：DyX Ux-exp - -4DUxy2 1| kx!exp |- +yx.ux 一kx I k exp |-l|-gy2yX簡化上式得:kx2 2 u y x - 4Dy求解上述二次方程得X1.2 =-b 二 b2 -4ac2a一0.5匕 _ i (0.5Ux)2 ku2y2 Dy2k顯然xv0不合理解，于是:-0.5ux(0.5ux)2ku2 y

14、2 Dyx2k將其代入允許排放量計算式，可以得到:(C -C。)2(Uxh . 4二DyX Ux)expUxy24DyX 訊上式即為二維環(huán)境下污染物允許排放量的計算式。 此模型由于考慮了污水在 河流中沿橫向方向上的擴散稀釋作用，因此適用于較大河流的水環(huán)境容量計算， 而不適用于目前汾河太原市段的水環(huán)境容量計算。污染物進入環(huán)境以后，主要存在三種運動形態(tài)：隨環(huán)境介質(zhì)的推流遷移，污 染物質(zhì)點的分散以及污染物的轉(zhuǎn)化與衰減。 水體中污染物降解的規(guī)律可以用一定 的數(shù)學模型來描述，數(shù)學模型是水體納污能力定量化必不可少的技術(shù)手段。從選 取模型方法本身來說，無論是零維模型、一維模型、還是二維模型，在理論上相 對而

15、言已經(jīng)比擬完善。關(guān)鍵的問題是，如何針對不同水域的具體情況，科學地選 取恰當?shù)脑u價方法使量化結(jié)果符合實際情況， 防止過分夸大水體納污能力而造成 水資源保護工作的失誤?？陀^上，由于經(jīng)濟條件、技術(shù)力量、資料缺乏等方面條 件的限制，一般采用較簡單的模式進行納污能力的評價 0根據(jù)汾河太原市段的水文、水質(zhì)資料、河流特點、污染物在水體中的稀釋 擴散與分布狀況等，結(jié)合計算精度實際要求，在計算容量時不考慮污染物沿河流 縱向的衰減作用和橫向的擴散稀釋作用， 只考慮其混合稀釋降解。又由于該段水 體水量有限，水深較淺，因此本研究認為選用零維混合模型計算COD的環(huán)境容 量較為適宜。3 汾河太原市段水環(huán)境容量計算3.1

16、影響環(huán)境容量的因素一個環(huán)境單元在滿足環(huán)境目標的前提下， 所能接受的最大污染物量即為該單 元的環(huán)境容量。 根據(jù)這個共識可以判斷， 環(huán)境容量的大小既決定于環(huán)境自身的特 征，亦與污水的特性及排放方式有關(guān)。具體表達為 :3.1.1 受體環(huán)境自身的特點 環(huán)境稀釋、遷移、擴散能力是環(huán)境特點的重要表征。一般來說，環(huán)境單元的 稀釋能力取決于環(huán)境對象的容積， 環(huán)境單元容積越大， 稀釋能力越高； 污染物在 環(huán)境中的遷移能力是環(huán)境介質(zhì)運動特征 例如速度 的函數(shù)，環(huán)境介質(zhì)運動速度 越高，遷移能力越強；污染物在環(huán)境介質(zhì)中的擴散，既決定于介質(zhì)運動狀態(tài)，也 與污染物自身的性質(zhì)有關(guān)，通常，湍流條件下的擴散條件要比層流條件好。

17、3.1.2 污染物質(zhì)的特點 同樣一個環(huán)境單元對于不同的污染物具有不同的容納能力， 主要取決于污染 物的擴散特性與降解特性。 在自然狀態(tài)下不能降解且具有累積效應(yīng)的污染物的環(huán) 境容量遠小于可降解的污染物。3.1.3 人們對環(huán)境的利用方式環(huán)境容量可以認為是一種潛在的資源， 可用于凈化污染物質(zhì)。 與其他資源一 樣，環(huán)境資源的利用也存在效率問題， 污水深海排放的擴散管、 煙氣排放的高架 煙囪就是提高環(huán)境資源利用效率的例證。3.1.4 環(huán)境質(zhì)量目標接納污染物的環(huán)境單元存在一定的使用功能， 功能目標是人為確定的， 不同 的環(huán)境目標對應(yīng)不同的環(huán)境標準。 所采用的環(huán)境標準不同， 環(huán)境容量也不同。 一 般說來，環(huán)

18、境目標越嚴格，環(huán)境容量越小。上述4個因素在一個實際的環(huán)境單元里相互影響、相互制約。在流域環(huán)境規(guī) 劃和環(huán)境管理中， 一旦確定了環(huán)境功能， 能夠控制的因素僅僅是污染物的排放方 式。不同的排放方式對河流水質(zhì)產(chǎn)生不同的影響。 在各種污染物排放方式中， 污 染物的完全分散排放 即污染物與河水完全混合 可以獲得最大的水體污染物容 納量。也就是說，完全分散排放方式所對應(yīng)的污染物容納量就是水體的環(huán)境容量；與其他排放方式相對應(yīng)的污染物容納量都稱之為允許排放量。環(huán)境容量是允許排 放量的極限值。3.2汾河太原市段水環(huán)境COD容量計算模式由于汾河太原段根本無清水流量，計算時不考慮河流的降解作用，即假設(shè)其 降解容量等于

19、零，而只在零維穩(wěn)態(tài)設(shè)計條件下根據(jù)現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據(jù)、水質(zhì)標準限值 以及汾河太原市段已經(jīng)確定的河水流量，分別計算其現(xiàn)狀納污量與不同水質(zhì)標準 下的目標環(huán)境容量，二者的差值即為控制斷面的污染物削減量 或目標控制量S =86.4QC -C。其中：S水體污染物削減量Kg/d;86.4換算系數(shù)；3Q河流設(shè)計流量1.82 m/s;Co地表水環(huán)境標準限值mg/L；C各斷面COD現(xiàn)狀監(jiān)測均值mg/L。3.3參數(shù)確實定3.3.1 設(shè)計流量根據(jù)?山西省太原市地表水環(huán)境容量核定與總量分配報告? 中對汾河太原段 溫南社控制斷面濃度計算的相關(guān)數(shù)據(jù)， 結(jié)合汾河太原市段水體的特點，考慮實際 的計算精度要求，采用南內(nèi)環(huán)橋上游的河流流

20、量1.82 m3/s作為本次容量計算 的計算流量?？刂埔蜃蛹翱刂颇繕巳萘靠刂埔蜃訛?CODcr，控制目標分為近期環(huán)境目標和水質(zhì)目標。近期環(huán) 境目標采用?地表水環(huán)境質(zhì)量標準?GB3838 2002 V類水質(zhì)標準，水質(zhì)目標 采用?地表水環(huán)境質(zhì)量標準?GB3838 2002川類、W類水質(zhì)標準。把不同水 質(zhì)標準的上限值作為目標約束條件，輸入模型中進行計算。3.4容量計算執(zhí)行的環(huán)境標準根據(jù)?山西省汾河流域水污染防治條例?修訂，工程區(qū)以汾河鐵 橋斷面為界其上游屬一級防治區(qū)，其地表水水質(zhì)執(zhí)行?地表水環(huán)境質(zhì)量標準? GB3838-2002中川類水質(zhì)標準限值；鐵橋斷面下游屬二級防治區(qū)，其地表水水 質(zhì)執(zhí)行?地表水

21、環(huán)境質(zhì)量標準?GB3838-2002中W類水質(zhì)標準限值。本次環(huán)境 容量計算考慮到河段排污實際狀況以及河流水體的水質(zhì)狀況， 結(jié)合實際的計算精 度要求，采用不同的水質(zhì)標準分別計算汾河太原市段的目標環(huán)境容量和污染物削 減量。具體標準限值見表2。表2斷面容量計算執(zhí)行的標準限值參數(shù)水質(zhì)標準標準限值mg/LCOD山類20W類30V類403.5汾河太原市段水環(huán)境容量計算結(jié)果現(xiàn)狀納污量計算根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，COD監(jiān)測現(xiàn)值、河水流量與換算系數(shù)三者之積即為控制斷 面的污染物現(xiàn)狀納污量。計算結(jié)果見表 3。表3汾河太原市段水表達狀納污量計算結(jié)果段面名稱COD 現(xiàn)值(mg/L)設(shè)計流量m3/s納污量Kg/d上蘭村10.72

22、1.821685.70勝利橋32.205063.39迎澤橋24.073784.96小店橋66.1210397.24總計20931.29由表3計算結(jié)果可以看出，四個斷面中以小店橋斷面污染最為嚴重，其COD 濃度已超過了 V類水域標準限值COD 40mg/L,污染物負荷量幾乎占到整個河段 的一半。究其原因，該段受納了太原市大局部工業(yè)廢水和絕大局部生活污水。3.5.2 COD目標環(huán)境容量及削減量計算對上蘭村斷面執(zhí)行?地表水環(huán)境質(zhì)量標準?GB3838-2002川類水質(zhì)標準；對勝利橋、迎澤橋、小店橋三個斷面執(zhí)行W類水質(zhì)標準，在來水流量為1.82 m3/s 的條件下計算各個斷面的COD目標環(huán)境容量及削減量

23、，所得結(jié)果見表 4。表4 汾河太原市段 COD目標環(huán)境容量川類、W類 及削減量計算結(jié)果段面名稱COD標準值(mg/L)設(shè)計流量m3/s環(huán)境容量Kg/d削減量Kg/d上蘭村203144.96-1459.26勝利橋301.824717.44345.95迎澤橋304717.44-932.48小店橋304717.445679.80總計17297.283634.01可以看出，當對四個斷面采用不同的水質(zhì)標準進行計算時，COD削減量分別為：-1459.26 Kg/d、345.95 Kg/d、-932.48 Kg/d、5679.80 Kg/d削減量以小店橋為最大，勝利橋次之。負值表示上蘭村段和迎澤橋段分別還有

24、1459.26 Kg/d和932.48 Kg/d的剩余水環(huán)境容量。因此應(yīng)對小店橋和勝利橋兩個斷面進行 COD的 削減，同時嚴格控制其它兩個斷面的污染物排放量。對所有斷面均執(zhí)行 V類水質(zhì)標準，在相同的設(shè)計流量下計算各個斷面的COD目標環(huán)境容量及其削減量，所得結(jié)果見表5。表5 汾河太原市段COD目標環(huán)境容量(V類)及削減量計算結(jié)果段面名稱COD標準值(mg/L)設(shè)計流量(m3/s)環(huán)境容量(Kg/d)削減量(Kg/d)上蘭村401.826289.92-4604.22勝利橋-1226.53迎澤橋-2504.96小店橋4107.32總計25159.68-4228.39結(jié)果說明，當采用V類水域標準限值計算時，只有小店橋段的COD削減量為正值(4107.32 Kg/d)，其余斷面均為負值，負值說明還有剩余容量。即上蘭村、 勝利橋、迎澤橋三個斷面的剩余容量分別為4604.22 Kg/d、1226.53 Kg/d和2504.96 Kg/d，整個河段的剩余容量為4228.39 Kg/d。因此為確保汾河太原市段 水體