水環(huán)境容量計算方法三

水環(huán)境容量計算方法研究環(huán)境容量的概念首先是由日本學(xué)者提出來的。60年代末，日本為改善水和大氣環(huán)境質(zhì)量狀況，提出污染排放總量控制問題。歐美國家的學(xué)者較少使用環(huán)境容量這一術(shù)語，而是用同化容量、最大容許納污量和水體容許排污水平等概念。我國對環(huán)境容量的研究開始于70年代，其發(fā)展大致經(jīng)歷了下列三個階段：80年代初，主要結(jié)合環(huán)境質(zhì)量評價等項目進(jìn)行研究，研究集中在水污染自凈規(guī)律、水質(zhì)模型、水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)制定的數(shù)學(xué)方法上，從不同角度提出和應(yīng)用了水環(huán)境容量的概念；“六五”攻關(guān)期間，一部分高校和科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)，把水環(huán)境容量理論同水污染控制規(guī)劃相結(jié)合，出現(xiàn)了一批有實效的成果，初步顯示了水環(huán)境容量理論與實際相結(jié)合的威力，這一時期的研究對污染物在水體中的物理、化學(xué)行為進(jìn)行了比較深入、系統(tǒng)的探討；“七五”國家環(huán)保科技攻關(guān)研究把水環(huán)境容量理論推向系統(tǒng)化、實用化的新階段，1985年以來，隨著我國環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，全國一些重點(diǎn)城市和地區(qū)相繼提出了城市綜合整治規(guī)劃、水污染綜合防治規(guī)劃、污染物總量控制規(guī)劃以及水環(huán)境功能區(qū)劃，為環(huán)境容量理論研究和實際應(yīng)用提供了廣闊的天地。前人所做的研究主要集中在水質(zhì)模型、水環(huán)境容量的理論研究以及局部流域或河段的環(huán)境容量。基于“九五”攻關(guān)課題的研究，針對渭河干流從林家村到華縣水文站315km河段環(huán)境容量計算過程中遇到的實際應(yīng)用問題，本文著重討論一維穩(wěn)態(tài)條件下水環(huán)境容量的計算方法。1計算方法1.1基本概念和方程稀釋容量和自凈容量：當(dāng)水體通過物理稀釋作用使污染物達(dá)到規(guī)定的水質(zhì)目標(biāo)時所容納的污染物的量稱為稀釋容量；水體通過物理、化學(xué)、物理化學(xué)、生物作用等對污染物所具有的降解或無害化能力表征為自凈容量。水環(huán)境容量：一定水體在規(guī)定環(huán)境目標(biāo)下所能容納污染物的量［1］。容量大小與水體特征、水質(zhì)目標(biāo)及污染物特性有關(guān)，同時水環(huán)境容量還與污染物的排放方式及排放的時空分布有密切的關(guān)系?；谝陨隙x，本文作如下假設(shè)：首先，研究河流的混合輸移過程通常只關(guān)心污染物濃度的沿程變化，而不關(guān)心其在斷面上的變化，這時可采用一維水質(zhì)模型進(jìn)行描述。考慮到國內(nèi)，尤其是關(guān)中地區(qū)的具體治理能力及有關(guān)水環(huán)境保護(hù)要求［2］,同時考慮到穩(wěn)態(tài)模型發(fā)展較成熟，本文采用一維穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行容量計算。其次，當(dāng)前國內(nèi)河流的污染都以有機(jī)物污染為主，渭河的有機(jī)物污染相當(dāng)嚴(yán)重，所以本文以COD(化學(xué)耗氧量)為代表對有機(jī)物的環(huán)境容量計算方法進(jìn)行研究。第三，為了簡化計算，本文只對點(diǎn)源污染(即排污口)進(jìn)行計算，同時假定各排污口連續(xù)、均勻排污。由于本文中只為驗證方法而進(jìn)行計算，故將各支流來水假定為凈水，這樣求得的環(huán)境容量為最大值。在實際應(yīng)用中，只要將支流濃度改為相應(yīng)濃度即可。一維穩(wěn)態(tài)情況下有機(jī)物的降解過程可用托馬斯（Thomas)模型表述（忽略彌散）［3］：(1)在C(0)=C0的初值條件下得到托馬斯模型的積分:(2)式中,C（x）、C0為x=x和x=0處河水COD濃度(mg/L)；x為到排污口（x=0）的河水流動距離(m)；u為河水平均流速(m/s)；k1、k3分別為COD衰減系數(shù)和COD沉浮系數(shù)(d－1)。1.2段首控制段首控制中的段是指沿河任何兩個排污口斷面之間的河段，而段首則是指各段的上游第一個排污口斷面。某一功能區(qū)內(nèi)各段的劃分情況如圖1所示。段首控制就是控制上游斷面（也即段首）的水質(zhì)達(dá)到功能區(qū)段的要求，那么由于有機(jī)物的降解，則在該段內(nèi)的水質(zhì)處處達(dá)到或高于功能區(qū)段的控制指標(biāo)。段首控制嚴(yán)格控制了功能區(qū)段的水質(zhì)不超標(biāo)。圖1功能區(qū)段內(nèi)各小段的劃分下面就段首控制的水環(huán)境容量計算方法進(jìn)行分析。在功能區(qū)段的段首，由于來水的COD濃度與功能區(qū)段水質(zhì)要求的差別，為來水提供了稀釋容量：E0=Q0(Cs-C0)(3)式中,E0為功能區(qū)段段首的稀釋容量（t/d）;Cs為功能區(qū)段水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（mg/L);Q0,C0分別代表來水的流量（m3/s)及濃度(mg/L)。功能區(qū)段內(nèi)任意一段的容量計算如圖2所示。由于控制各段段首為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，那么經(jīng)過一段降解(如圖2中A、B所示)后，到達(dá)段末時的降解量即為該斷面處的環(huán)境容量(如圖2中C、D所示)。A.第i-1段濃度衰減曲線；B.第i段濃度衰減曲線；C.第i-1斷面環(huán)境容量；D.第i斷面的環(huán)境容量圖2段首控制容量計算示意圖第i個斷面處的環(huán)境容量為：Ei=(Qi+qi)Cs-QiCsf(xi-xi-1)(4)式中，Ei為第i個斷面處的環(huán)境容量（t/d）;qi為第i個斷面處的排污流量（m3/s);Qi為混合后干流流量；其余各符號意義同上。則功能區(qū)段內(nèi)所具有的總環(huán)境容量為：(5)化簡式(5)得：袖顛進(jìn)筆(剪6)態(tài)1.3梳段尾控僚制財段尾沈控制中段若的劃分與筑段首控制奔相似，只尸是段的控疾制斷面在毀下游的排緩污口斷面蝴，亦即段代尾。段尾取控制的目耐的在于讓作水質(zhì)在各臣段末達(dá)到前功能區(qū)段威水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)三，那么我訊們可以反勢推出該段規(guī)段首處的亭環(huán)境容量湊。在段尾容控制水環(huán)搶境容量計案算中，功侵能區(qū)段全肆段水質(zhì)低吃于水質(zhì)要尚求，但考捷慮到降解農(nóng)能力很低什，而且各宣小段較短賊，超標(biāo)不瓜會太高，棕因此，水槽質(zhì)超標(biāo)很返小。功能襪區(qū)段內(nèi)小隱段的劃分逗如匹圖乎1痛所示。免下面貿(mào)就段尾控岸制的水環(huán)似境容量計按算進(jìn)行分紗析。類似野于段首控綢制，功能殊區(qū)段段首勝的稀釋容結(jié)量為：蘭E崖0東=Q歐0篇(估C缸s役-C賀0經(jīng))藏功能肆區(qū)段內(nèi)任嫌意一段的攔容量計算左如勢圖帥3柏所示。由纖于控制斷秘面在段末板，那么可柴由段末按鍬降解曲線錘（如喬圖姨3知中腐A震、城B綢所示）反頌推到段首脅，即可求身得段首處挺的環(huán)境容英量，如淺圖坦3鐘中找C傭、待D船所示。罷(7)疤競式濃中暢,Q母i+1伸為申第堅i+尤1億個斷面前料的干流流會量芒（亦m闊3磁/悲s斃）垃;q洋i+1猾是賞第鎖i+鍵1串個斷面處酷的排污流渣量幣（糠m搶3屋/s)范;下其余各符游號意義同助上。墳A角.伙第態(tài)i-騰1喝段濃度衰捐減曲線；稿慚B宅.宣第掠i滋段濃度衰蛇減曲線擊；傳C敲.孕第豬i-婆1硬斷面的環(huán)財境容量；讀廢D湊.失第繡i儀斷面的環(huán)慨境容量后圖柜3牌段尾控晌制容量計鞋算示意圖密功能枯區(qū)段內(nèi)所葡具有的總斜環(huán)境容量樣為：旦甚嘆(糟8)螺化簡式嶺（造8慕）得：峰盯股貿(mào)(災(zāi)9)繩1.4猴功能區(qū)膀段段末控插制彈功能區(qū)伸段段末控膨制就是在全功能區(qū)段慶的最末斷悅面控制水槽質(zhì)。這里元的段末常媽常是特定切功能區(qū)段狗的段首。楊方法的實腫質(zhì)是控制異功能區(qū)段跪最終斷面度，而不考蛾慮段內(nèi)水定質(zhì)變化是曲否超標(biāo)。系類似于段暮首控制，奴功能區(qū)段糧段首的稀藥釋容量為貼：銳E啞0垃=Q集0絹(粘C煙s性-C允0課)的功能區(qū)段總內(nèi)各排污矮口的濃度捉變化如捕圖民4槍所示，具綱體公式表追述如下：框玻缸仔題(薄10)昆同理可求高得功能區(qū)胃段最終控坦制斷面的妹濃度為：相扶浴拐歐(早11)防式中莖，蝦q鈔i簽、槳c隙i輕為敞i濱斷面處排嘩污口的排增污流量扒（伴m根3極/s辮)島及濃度販（噸mg/L廢)街；錘Q槍n訊、出C溪n掉為最終控贏制斷面的傳干流流量請（絲m基3事/s昂)驢及濃度功（贊mg/L捎)撿；鍋q搏n院、時c暖n探為最終控注制斷面處計的排污流富量軟（揮m走3脖/s躍)損及濃度盈（粉mg/L祖)厚。欲A溫.螺第訴i-撫1驕段濃度衰標(biāo)減曲線；癢呼B洋.挨第詞i竹段濃度衰乓減曲線咐圖宋4費(fèi)功能區(qū)鈴段段末控習(xí)制容量計杏算示意圖霞本論社文第二部稻分提供的憂計算結(jié)果捐是按排污胡總量比例直消減后得完到的數(shù)據(jù)奴。所謂的稅按總量比絹例消減是瞎指如果最丙終斷面水像質(zhì)低于控者制標(biāo)準(zhǔn)憤（僚c殖n薄>C床s鎮(zhèn))匯，則按各鐵排污口的畜排污總量侮進(jìn)行消減逗；反之，刷則相應(yīng)讓汽各排污口及增排放孔量憲(撕c季n揭<C議s參)暖，以計算救環(huán)境容量船。敢若芬C血s倍=c誦n藍(lán)，則各排臭污口排放劫總量即為返該段在現(xiàn)渡行情況下施的環(huán)境容嶺量。經(jīng)校騎核，消減準(zhǔn)后的水質(zhì)粗在最終控條制斷面可用以達(dá)標(biāo)。均2蘿計算實和例與方法待比較頸取著4佩月份保證即率為振75漿%齒的流量系鵲列鑄及真198伴7名年的排污杯口排污資患料，分別吊用三種方嶺法進(jìn)行計俊算。對于什渭河干流悼從林家村刻到華縣水愛文站剃約摔315健km愚區(qū)段進(jìn)行斃計算，各暫功能區(qū)段昂的劃分及鉤水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)屆依陜西環(huán)暴保局的規(guī)銷定而定搭［忙4賺］疫。計算中疲各系數(shù)取誼值如下：貪林家村至叫咸陽頓，睛k厘1港=0.3經(jīng)8從（援d拌-1射）趕，序k縫3藥=0.母2紡；咸陽至掀華縣水文違站弓，懂k震1售=1.0趟0貓（谷d怪-1副）投，訓(xùn)k水3喜=0.2瘦5棍；流速隨聰流量而紀(jì)變亭,慢計算公式址由相關(guān)分執(zhí)析得到。脊計算結(jié)果裕見退表獨(dú)1阻。佛表叮1蒜環(huán)境容震量計算結(jié)燭果表齒掃t/d擋編號最水域范圍叔水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)階段首控制屈段尾控制默區(qū)段末控艇制艱1馳林家村至安千河入渭汁口胃Ⅲ閑類甲11.4禽6奶16.8挑8責(zé)17.9訪8鞋2客千河入渭補(bǔ)口至蔡家除坡穴Ⅳ的類卷22.7泳7潮31.2嘗5床42.0改3沙3診蔡家坡至鴉咸陽區(qū)界驗Ⅲ杏類偏6.84求14.7及3訓(xùn)36.7割0妹4涌咸陽區(qū)界率至興平斷白面牽Ⅳ收類炒31.5充7季47.8瞎5暈50.6鞏9半5吊興平至南畢營醒Ⅲ嗚類他3.75門9.90律49.0誕8威6截南營至鐵喂橋筋Ⅳ酸類辱20.2次4盤26.1卷4墨49.4主0昨7揚(yáng)鐵橋至天窗江鋪Ⅲ買類嫁15.0偶2墳28.1縮3門60.3去6饅8授天江至交遷口提水站傳Ⅳ敗類妹81.2叫4酷115.滲76詢121.抗14恩9憂交口至白熟楊水源地旋Ⅲ蠻類汪15.1斧0于31.0礎(chǔ)2鄰74.0材2偽10傭白楊至華場縣水文站凳Ⅳ弓類針76.9掙9世109.米63春118.防13吊可以看粒出，段首仰控制方法械計算得到素的環(huán)境容監(jiān)量略小于回段尾控制徑方法的計兵算結(jié)果，草這是與預(yù)殲期相符合荷的。因為寫段首控制嬸的計算使狂全段水質(zhì)祖高于標(biāo)準(zhǔn)抹，而段尾包控制使全厭段略低于劫標(biāo)準(zhǔn)，所即以才有以遷上結(jié)果。稱這兩組值睛的差別因案排污口的帶多少而變工化。當(dāng)把伏功能區(qū)段名無限劃分鍵，即假定冶排污口有拳無限多個四，且均勻饑分布時，月用極限的俊原理求得喜這兩種方聲法的計算噸結(jié)果是相都等的。因支q喬i口相對于臟Q傾i例很小，故突在求極限破的過程中攝略去。對扯于這兩種使方法，其飲功能區(qū)段舟段首的稀碼釋容量是杯相等的，導(dǎo)故只對自呆凈容量膏E釀Z筐進(jìn)行比較雜即可。沖對于段濟(jì)尾控制：菠利用倒代長換，拜令翻t=1/親n禿，則上式更變?yōu)椋阂牙昧_必淡達(dá)法則求累極限白得配:塊嫁曲赴蛛搞(瑞12)乞?qū)τ谑疃问卓嘏炛频?河類似于段食尾控警制沈)杠：恥利用倒代逃換蠻,寫令乘t=1/額n末,乞而后再利愚用羅必達(dá)累法則求極懂限愁得炎:閣沾貫秒齡弓(爺13)悟從以腸上推導(dǎo)可扮以看出，廟兩種方法摔求得的自席凈容量的雕極限值也絲是相等的消。在這兩做種方法計葉算環(huán)境容長量的過程糞中，環(huán)境糞容量只與紫排污口的褲位置及排尖放方式等午因素粘有關(guān)，而壽與排放濃燈度無關(guān)。掏結(jié)合各排曠污口的排酬放份量邊M慚i盯=q藍(lán)i勉*c漫i逼可以得出詢各排污口偉應(yīng)削減量叔，即：釋Δ嶼M幟i揪=M閉i耐-E困i涂采用匯功能區(qū)段柏段末控制須方法求得爺?shù)沫h(huán)境容存量，雖受嬸排污口數(shù)枯目及位置絲的影響，用但總的來茄說還是比特較大懂的菠,敬因為該方役法的計算柔中超標(biāo)量剪往往很熔大太,嘴超標(biāo)區(qū)段兼較搭長好,召尤其對于位排污總量粘大的排污塘口。按排墳污總量進(jìn)啦行削減是徑很不合理攔的，但是疫，可以通館過經(jīng)濟(jì)效耕益分析，究利用其它標(biāo)的優(yōu)化分再配方案分銳配最終斷擦面的容量醬值，必將傭取得滿意箱的結(jié)果，縮這尚需進(jìn)倆一步研究墳。3結(jié)論萍段首控制文方法，因榨其控制非規(guī)常嚴(yán)格，響所以適用育于對水質(zhì)咬要求高、丈經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)嫩、污染治咽理能力強(qiáng)槐的地區(qū)，膊或水質(zhì)較迅好的源頭蒜地區(qū)，該只方法的適宴用對象應(yīng)悄為污染較遠(yuǎn)輕或旨在丙改善水質(zhì)顯條件的地通區(qū)?？范挝部刂瓢谭椒▽λI質(zhì)的要求頓略低于標(biāo)棵準(zhǔn)，所以刮適用于污題染較嚴(yán)重河、經(jīng)濟(jì)不腎太發(fā)達(dá)的核地區(qū)，使步用該方法顯的目的在看于控制污泳染，而并止非改善水贊質(zhì)。肆現(xiàn)階段關(guān)拍中地區(qū)污獎染治理過姥程中可將促功能區(qū)段殃分為高功帽能段和低注功能段惠。催遺對于高功疑能