水環(huán)境容量計(jì)算在工程中的應(yīng)用

鄧柏旺，袁曉宇

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院，200092，上海；2.上海市水利建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督中心站，200232，上海）

海南省三亞市南山創(chuàng)意新城位于三亞市西部崖城鎮(zhèn)，水域面積308.59 hm2，占規(guī)劃面積的17.95%。根據(jù)工程區(qū)域防洪排澇計(jì)算，整個水系總體布置為：上游泄洪渠，中心調(diào)蓄池，2條節(jié)制干河，4條匯水支河。

根據(jù)水量平衡分析，整個河網(wǎng)水體總量為96.67萬m3，河網(wǎng)90%保證率雨水補(bǔ)充量在8、9、10月，富裕水量100萬～243萬m3，富裕度較大，其余各月富裕水量為1萬～63萬m3，小于水網(wǎng)水體總量，不能滿足每月1～2次的水體交換，也不能滿足《水資源可利用量估算方法（試行）》采用的歷史流量法計(jì)算的水量。另外河網(wǎng)水體受閘門控制后成為封閉水系，因此需要計(jì)算水環(huán)境容量，檢驗(yàn)是否滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

一、水環(huán)境容量計(jì)算方法

水環(huán)境容量源于環(huán)境容量，是指某一水環(huán)境單元在特定的環(huán)境目標(biāo)下所能容納污染物的量，也就是環(huán)境單元依靠自身特性使本身功能不至于破壞的前提下能夠允許的污染物的量。在理論上，水環(huán)境容量是環(huán)境的自然規(guī)律與社會效益參數(shù)的多變量函數(shù)，它反映了污染物在水體中的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律，也滿足特定功能條件下水環(huán)境對污染物的承受能力。允許納污量是指在排污口空間分布及排污方式給定條件下，環(huán)境單元所能允許排放污染物的量。允許納污量不僅與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，而且與污染源的時(shí)空分布有關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中，由于水環(huán)境容量無法直接計(jì)算，人們把最大允許納污量作為環(huán)境容量。水環(huán)境容量計(jì)算方法可分為兩大類，一是已知排放量求最小需水量，二是已知水體量求納污量。

1.已知排放量求最小需水量

已知排放量求最小需水量可按河道流量是否受控制分為河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境流量和湖泊（受控制的河網(wǎng)）最小生態(tài)環(huán)境需水量。

（1）計(jì)算河道內(nèi)最小生態(tài)環(huán)境流量

①水文學(xué)法

a.徑流時(shí)段曲線分析法。最大的優(yōu)點(diǎn)是考慮了徑流的年內(nèi)分布特征對水生生態(tài)環(huán)境的影響。該方法需要利用河流的多年流量資料建立一系列的月流量時(shí)段曲線，然后依據(jù)河流自身的特性及其生態(tài)環(huán)境功能 （如水生生物的不同發(fā)育階段對水量的需求），確定河流每月多年平均值的百分比，以此作為該月的河流生態(tài)需水量。

b.Tennant法。即取年天然徑流量的百分比作為河流的生態(tài)需水量，并將年平均流量的10%作為最小的河流生態(tài)需水量。

c.河流基本生態(tài)環(huán)境需水量法。即采用河流最小月平均實(shí)測徑流量的多年平均值作為河流生態(tài)需水量。

②水力學(xué)法

河道生態(tài)環(huán)境需水量生態(tài)目標(biāo)主要體現(xiàn)在流速或水深兩方面。對于斷面相對規(guī)則的河道可采用曼寧公式建立流速、水深與河道徑流量間的關(guān)系,進(jìn)而確定相應(yīng)關(guān)鍵期生態(tài)環(huán)境需水量：

式中，v為河道流速，R為水力半徑，n為曼寧底床糙率系數(shù)，i為河道縱向坡度。

③生境法

生境法是將大量的水文水化學(xué)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與選定的水生生物在不同生長階段的生物學(xué)信息相結(jié)合，采用PHABSIM （Physical Habitat Simulation）模型模擬流速變化和棲息地類型的關(guān)系，進(jìn)行流量增加對棲息地影響的評價(jià)。該方法需要對研究環(huán)境實(shí)地觀測、實(shí)驗(yàn)，以確定各種生物需水量，系統(tǒng)復(fù)雜，花費(fèi)時(shí)間較長，但較精確。

（2）計(jì)算湖泊(受控制河網(wǎng))最小生態(tài)環(huán)境需水量

①水量平衡法

根據(jù)湖泊水量平衡原理，湖泊的蓄水量由于入流和出流水量不盡相同而不斷變化，在沒有或較少人為干擾的狀態(tài)下，湖泊水量的變化處于動態(tài)平衡。

式中，P為降水，R為地表徑流的入湖水量，Gi為地下徑流的入湖水量，D為地表徑流的出湖水量，E為湖泊水面的蒸散量，G0為地下徑流的出湖水量。

②換水周期法

換水周期指全部湖水交換更新一次所需的時(shí)間，是判斷某一湖泊水資源能否持續(xù)利用和保持良好水質(zhì)條件的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

式中，T為換水周期，d；W為多年平均蓄水量，億m3；Qt為多年平均出湖流量，m3/s；Wq為多年平均出湖水量，億m3。

③最小水位法

最小水位法是指綜合維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)各組成部分和滿足湖泊主要生態(tài)環(huán)境功能的最小水位最大值與水面面積的乘積，以此來確定湖泊生態(tài)環(huán)境需水量：

式中，Wmin為湖泊最小生態(tài)環(huán)境需水量，Hmin為維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)各組成分和滿足湖泊主要生態(tài)環(huán)境功能的最小水位最大值，S為水面面積。

④功能法

功能法是根據(jù)生態(tài)學(xué)的基本理論和湖泊生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，從維持和保證湖泊生態(tài)系統(tǒng)正常的生態(tài)環(huán)境功能的角度，對湖泊最小生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行估算的計(jì)算方法。所需計(jì)算的因子包括：

a.河網(wǎng)蒸散需水量，b.河網(wǎng)滲漏需水量，c.水生生物棲息地需水量，d.環(huán)境稀釋需水量，e.河網(wǎng)防鹽化需水量，f.能源生產(chǎn)需水量，g.航運(yùn)需水量，h.景觀保護(hù)與建設(shè)需水量，i.娛樂需水量。

以上不同計(jì)算方法所基于的理論基礎(chǔ)和側(cè)重點(diǎn)不同。水量平衡法是根據(jù)湖泊水平衡理論，換水周期法是根據(jù)湖泊的自然換水周期理論，最小水位法是以湖泊水位年變化和季節(jié)變化為理論基礎(chǔ)，功能法是從維持和恢復(fù)湖泊生態(tài)環(huán)境功能的角度出發(fā)。因研究區(qū)域和對象不同應(yīng)選擇不同的計(jì)算方法，水量平衡法和換水周期法適用于人為干擾較少的自然湖泊和城市人工湖泊；最小水位法適用于急需保護(hù)和瀕臨干枯的湖泊；功能法是在全面評價(jià)湖泊生態(tài)健康的基礎(chǔ)上，對湖泊生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，適用于特定區(qū)域湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建和流域水資源管理。

本工程平常狀態(tài)下需關(guān)閉水閘維持河網(wǎng)常水位，故采用湖泊(受控制河網(wǎng))計(jì)算方法中的功能法計(jì)算納污能力。根據(jù)功能法計(jì)算內(nèi)容，結(jié)合本規(guī)劃區(qū)規(guī)劃要求及目標(biāo)，本規(guī)劃區(qū)除能源生產(chǎn)需水量和航運(yùn)需水量外，其他需水量都需考慮。根據(jù)水量平衡計(jì)算，各月河網(wǎng)水量為凈流入，因此不存在鹽化問題；同時(shí)根據(jù)規(guī)劃要求，本河網(wǎng)作為滿足防洪排澇的景觀河道，對于生態(tài)需水量基本上只要能滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)即可，按需水量計(jì)算的兼容性及最大值原則，本工程環(huán)境稀釋需水量起主導(dǎo)作用。

環(huán)境稀釋需水量計(jì)算方法：在現(xiàn)狀排放量已知的情況下，滿足河網(wǎng)稀釋自凈能力所需的最小庫容如下：

式中，ΔT 為枯水期時(shí)段（d），它取決于河網(wǎng)水位年內(nèi)的變化，枯水時(shí)間短，水位年內(nèi)變化大的可取60～90 d，常年穩(wěn)定則可取 90～150 d；C0為背景值濃度；CS為水污染控制目標(biāo)濃度（水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)）（mg/L）；WC為現(xiàn)狀排放量；V為枯水期河網(wǎng)所需最小庫容；K為水體污染物的自然衰減系數(shù)（L/d）；v為安全容積期間從河網(wǎng)中排泄的流量。對于水庫和大型河網(wǎng)，河網(wǎng)水中污染物的稀釋擴(kuò)散實(shí)際上是三維的，求解較困難，解決途徑是將河網(wǎng)的水力、水文和水質(zhì)狀況加以簡化。

2.已知水體流量計(jì)算納污能力

①兩分法

環(huán)境容量分為稀釋容量（差值容量）和自凈容量（同化容量）。

式中，E 為環(huán)境容量，t/a；E1為稀釋容量，t/a；E2為自凈容量，t/a；Q 為河流設(shè)計(jì)流量，m3/s；CS為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L；K為綜合降解系數(shù)，L/d；C0為河流初始濃度，mg/L；L 為河段長度，m；U 為斷面平均流速，m/s。

②三分法：環(huán)境容量分為稀釋容量、自凈容量、該區(qū)間附近的遷移容量。

式中，E3為區(qū)間來水附加遷移容量，t/a；V 為水體體積，m3；q 為污染物平均排放流量，m3/s。

③水環(huán)境容量E等于允許排污量W

式中，W 為允許排污量，t/a；CS為目標(biāo)水質(zhì)，mg/L；C0為起始斷面濃度，mg/L。

④物料恒定法

某一封閉河段的物質(zhì)總量保持一致。即

式中，Ei為第i個排污口的允許排放量。

⑤控制斷面法

控制斷面法滿足某一控制斷面水質(zhì)要求，進(jìn)而計(jì)算控制斷面間的環(huán)境容量。其計(jì)算模型是從控制斷面向上游反推計(jì)算直到上一控制斷面，兩斷面間所有排污口允許的排污量之和為段內(nèi)水環(huán)境容量。

式中，qi為第i個排污口排污量，ki為第i段污染物降解系數(shù)，ti為第i段內(nèi)水流時(shí)間。

本工程采用水環(huán)境容量E等于允許排污量W的方法來計(jì)算河網(wǎng)在給定水質(zhì)目標(biāo)要求下最大允許接納污染物的量。

二、計(jì)算成果

1.水質(zhì)指標(biāo)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù) 《三亞市水環(huán)境功能區(qū)劃匯總技術(shù)報(bào)告》，現(xiàn)狀寧遠(yuǎn)河中下游崖城大橋斷面、下游臨高村斷面水體均屬Ⅲ類水質(zhì)，符合水環(huán)境功能區(qū)要求，擬定水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類水質(zhì)，排放標(biāo)準(zhǔn)以COD（30mg/L）、NH3-N（1.5mg/L）、TP（0.3mg/L）控制。

2.河網(wǎng)納污能力（生態(tài)需水）分析

（1）按湖泊(受控制河網(wǎng))環(huán)境稀釋需水量計(jì)算納污能力

按湖泊環(huán)境稀釋需水量，根據(jù)河網(wǎng)水體積和排出水量，可反推出河網(wǎng)各月最大納污能力，成果見表1。

（2）按水環(huán)境容量等于允許排污量計(jì)算納污能力

按水環(huán)境容量E等于允許排污量W計(jì)算納污能力，計(jì)算各月河道各指標(biāo)納污能力，成果見表2。

三、結(jié) 語

①按河道水環(huán)境容量E等于允許排污量W計(jì)算納污能力，比按湖泊（受控制河網(wǎng)）環(huán)境稀釋需水量計(jì)算納污能力得到的結(jié)果偏低，主要原因是河網(wǎng)排出的流量及流速較小，對水體自凈能力反應(yīng)不明顯。

表1 按湖泊計(jì)算河網(wǎng)各月最大納污能力表 單位：kg/d

表2 按河道計(jì)算各月最大納污能力 單位：kg/d

②按河道水環(huán)境容量E等于允許排污量W計(jì)算納污能力，對河道天然來水量反應(yīng)較敏感，按湖泊(受控制河網(wǎng))環(huán)境稀釋需水量計(jì)算納污能力對于河道天然來水量反應(yīng)較不敏感，是因?yàn)榍罢呃碚摽紤]了河道流速的影響，即河道斷面的影響。而按湖泊(受控制河網(wǎng))環(huán)境稀釋需水量計(jì)算納污能力認(rèn)為湖泊流速很小，故不考慮湖泊形狀對納污能力的影響。

③從兩種計(jì)算方法看，本工程雖然整個水網(wǎng)水體總量為96.67萬m3，但河道長度為12.5 km，完全按湖泊水功能區(qū)計(jì)算納污能力比較失真。故推薦采用河道按水環(huán)境容量E等于允許排污量W計(jì)算納污能力較符合實(shí)際，并用按湖泊（受控制河網(wǎng)）環(huán)境稀釋需水量計(jì)算納污能力方法進(jìn)行校核。

④通過以上分析，本規(guī)劃區(qū)域河網(wǎng)水體及降雨補(bǔ)水能滿足河網(wǎng)自身納污能力，并且由于降雨補(bǔ)水達(dá)到90%保證率，因此本河網(wǎng)納污能力保證率較高。

⑤水質(zhì)各指標(biāo)最大允許納污量不大，特別是枯水季節(jié)。

⑥河網(wǎng)應(yīng)考慮有保障水質(zhì)的水源及措施，以緩解枯水季節(jié)納污能力不足，并應(yīng)對不可預(yù)測的污染物超標(biāo)情況出現(xiàn)。

⑦河網(wǎng)建成后需加強(qiáng)污染物排放控制，以滿足河網(wǎng)納污能力要求，保證河網(wǎng)水質(zhì)及生態(tài)平衡。

⑧建議工程竣工后在河網(wǎng)布置水環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)，對河網(wǎng)水環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，為補(bǔ)水調(diào)度提供分析指導(dǎo)。

[1]鄧柏旺，袁曉宇，鄭健吾，等.工程設(shè)計(jì)中如何考慮水資源平衡[J].水資源研究，2008，29（2）.

[2]趙斌，董增川，徐德龍.區(qū)域水資源合理配置分質(zhì)供水及模型[J].人民長江，2004（2）.

[3]唐德善，王鋒，段力平.水資源綜合規(guī)劃[M].南昌：江西高校出版社，2001.

[4]張永良.水環(huán)境容量綜合手冊[M].北京：清華大學(xué)出版社，1991.

[5]馬歡.松花江哈爾濱段水環(huán)境容量研究[C].哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文.2006.

[6]李順.海南省地表水環(huán)境容量研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（13）.

[7]Daoyang Dingy，Philip L-F Liu.An Operator-Splitting Algorithm for Two-Dimension Convection Dispersion Reaction Problems.Proc.ofInt.On Com putation Methods in Flow Analysis， Ed. By H. Niki， M.Kawahara tokoyo，1988.

[8]Jean A cunge.Two-Dimension Modeling of Flooding Plains.Unsteady Flow in Open Channels.1975（2）.