遼寧省典型流域水環(huán)境容量計(jì)算與分析

張 帆,徐建新,徐晨光

（華北水利水電學(xué)院,鄭州 450011）

近代社會(huì),由于資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)和消耗、污染物大量排放,導(dǎo)致了全球性的資源短缺、環(huán)境污染、生態(tài)破壞。這些問(wèn)題的不斷累積,不但加劇了自然界的壓力,更加劇了人類與自然界的矛盾,這對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展以及人類自身的生存構(gòu)成了障礙。水危機(jī)也成了當(dāng)今社會(huì)關(guān)注的頭等大事。在這種情形下,為充分利用水資源并能保護(hù)水環(huán)境不遭破壞,水環(huán)境容量這個(gè)概念應(yīng)運(yùn)而生。目前,水環(huán)境容量計(jì)算大多用于區(qū)域環(huán)境影響評(píng)價(jià),對(duì)水環(huán)境保護(hù)及流域水環(huán)境規(guī)劃具有重要意義。

本文擬采用一維水環(huán)境容量模型對(duì)遼寧省某典型流域不同徑流保證率下的水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上從水功能區(qū)劃角度對(duì)今后水環(huán)境的規(guī)劃與控制提出建議。

1 水環(huán)境容量計(jì)算模型

水環(huán)境容量又稱水體的納污能力,是指在給定水域范圍和水文條件,規(guī)定排污方式和水質(zhì)目標(biāo)的前提下,單位時(shí)間內(nèi)該水域最大允許納污量。它主要取決于水資源量、水環(huán)境功能區(qū)劃、排污方式、污染物自身的性質(zhì)、國(guó)家水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及水文氣象等因素[1],是一個(gè)綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于各因素之間的相互關(guān)系復(fù)雜,而且污染物的降解、遷移過(guò)程復(fù)雜,因此,利用數(shù)學(xué)模型對(duì)河流進(jìn)行概化,進(jìn)而對(duì)水質(zhì)做出預(yù)測(cè),計(jì)算水環(huán)境容量是十分必要的。

按照污染物降解機(jī)理,水環(huán)境容量可劃分為稀釋容量(W稀釋)和自凈容量(W自凈)兩部分。

根據(jù)水環(huán)境功能區(qū)的實(shí)際情況,環(huán)境容量計(jì)算一般用一維水質(zhì)模型。對(duì)有重要保護(hù)意義的水環(huán)境功能區(qū)、斷面水質(zhì)橫向變化顯著的區(qū)域或有條件的地區(qū),可采用二維水質(zhì)模型計(jì)算。在模型計(jì)算時(shí)尤其是對(duì)于大江大河的水環(huán)境容量計(jì)算,必須結(jié)合混合區(qū)或污染帶的范圍進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算。

1.1 一維模型

所謂一維水體是指河流寬度與深度比不大的水體。對(duì)于河流而言,一維模型假定污染物濃度僅在河流縱向上發(fā)生變化,主要適用于同時(shí)滿足以下條件的河段(1)寬淺型河段;(2)在較短的時(shí)間內(nèi)污染物在河道中基本能混合均勻;(3)污染物濃度在y方向變化不大,y和z方向的污染物濃度梯度可以忽略。當(dāng)同時(shí)考慮稀釋作用與自凈作用時(shí),排污口與控制斷面之間水域的有機(jī)物允許納污量為稀釋容量與自凈容量之和。

一維水質(zhì)穩(wěn)態(tài)模型:

在忽略離散作用時(shí),河流污染物一維穩(wěn)態(tài)衰減微分方程為[2]:

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)。

上式積分可得:

式中:C0——前一個(gè)節(jié)點(diǎn)后的污染物濃度(mg/L)。其余符號(hào)含義同上。

一維水環(huán)境容量可由下式進(jìn)行計(jì)算[3]:

式中:W——排污口與控制斷面之間水域允許納污量(g/s);W稀釋——河流稀釋容量(g/s);W自凈——河流自凈容量(g/s);Cs——控制斷面水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(mg/L);Q0——上游來(lái)水設(shè)計(jì)水量(m3/s);qw——污水設(shè)計(jì)排放流量(m3/s);86.4——換算系數(shù)。

1.2 二維模型

二維模型是指污染在河流各斷面的深度方向分布均勻,即認(rèn)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(kuò)散。

當(dāng)河流的寬深比較大時(shí),計(jì)算水環(huán)境容量就要采

用二維水環(huán)境容量模型進(jìn)行計(jì)算。則各排污口混合區(qū)的水環(huán)境容量計(jì)算公式為[3]:

式中:Ey——橫向彌散系數(shù);其余符號(hào)含義同前。

2 區(qū)域概況

本文選取遼寧省某典型河流作為研究對(duì)象計(jì)算水環(huán)境容量,該河流為遼寧省較大河流之一,流經(jīng)本溪等城市境內(nèi),全長(zhǎng)464 km,流域面積約4 000 km2。

根據(jù)2008年遼寧省水資源規(guī)劃水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),該河流流域水質(zhì)情況見(jiàn)圖1。

圖1 太子河河流水質(zhì)狀況圖

圖1顯示,該河流大部分水質(zhì)為劣Ⅴ類,Ⅲ類以下河流長(zhǎng)度占據(jù)了河流總長(zhǎng)度的一半以上,水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo),大部分河流受到了嚴(yán)重污染。目前,干流部分河段及部分支流都出現(xiàn)Ⅳ類到劣Ⅴ類水質(zhì),大部分?jǐn)嗝婢谐瑯?biāo)現(xiàn)象,其主要污染物為COD、總氮和氨氮。主要污染源可分為:工業(yè)、生活及混合污染,廢污水直接排入總量為8.55億t/a,河流廢污水入河具體狀況見(jiàn)表1。

表1 廢污水入河狀況統(tǒng)計(jì)表

表1顯示,廢污水中化學(xué)需氧量的排放量最大,總氮排放量其次,總磷排放量最小。本次計(jì)算選用排放量最大的COD作為研究指標(biāo)計(jì)算水環(huán)境容量。

3 參數(shù)確定

3.1 設(shè)計(jì)流量的確定

決定水環(huán)境容量的最重要因素就是水文條件,對(duì)于北方河流而言,降雨徑流年際和年內(nèi)變化均非常明顯,因此,根據(jù)該河流季節(jié)性變化的特點(diǎn),從實(shí)際情況出發(fā) ,對(duì)典型流域內(nèi)某水文站的實(shí)測(cè)長(zhǎng)系列(1961-2006年)資料進(jìn)行分析,通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)資料的分析與篩選,利用水文學(xué)中的矩法及P-Ⅲ型配線法得出不同保證率下該河流設(shè)計(jì)年平均徑流量。結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水文站各水文特征年徑流值 m3/s

在分析河流不同水平年的流量和水質(zhì)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,選取各河段典型大斷面,利用流量與流速的相互關(guān)系確定河流的平均流速,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 河流各斷面設(shè)計(jì)水文條件

3.2 各斷面控制目標(biāo)濃度確定

水環(huán)境容量是相對(duì)于水體能滿足一定的功能和用途而言的,因此,根據(jù)水體不同的功能和用途,確定其納污能力,從而計(jì)算水環(huán)境容量。我國(guó)地面水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)按水體的功能分為5類。每類水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)水環(huán)境容量計(jì)算起決定性作用。

根據(jù)遼寧省水功能區(qū)劃,該河流各斷面的水質(zhì)目標(biāo)如表5所示。并以COD作為主要分析因子,依據(jù)《國(guó)家地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)[5],各類水COD對(duì)應(yīng)的濃度限值見(jiàn)表4。

3.3 降解系數(shù)k值的確定

一般說(shuō)來(lái),河流自身對(duì)污染物都有一定的自然凈化能力,即污染物進(jìn)入河流在輸移過(guò)程中通過(guò)物理降解、化學(xué)降解和生物降解等,可使水中污染物的濃度逐漸降低。污染物降解系數(shù)k是計(jì)算水體納污能力的一個(gè)重要參數(shù),也是一個(gè)綜合性的參數(shù),反映了污染物在水體作用下降解速度的快慢。其影響因素包括:污染物的性質(zhì)、河流污染物初始濃度及濃度梯度、水文特征等。具體計(jì)算方法有類比法、水團(tuán)追蹤法、實(shí)測(cè)法、經(jīng)驗(yàn)估值法和分析借用法等[6]。參照我國(guó)部分河流COD降解系數(shù)值見(jiàn)表5。

表4 研究區(qū)域水功能區(qū)劃及水質(zhì)目標(biāo)

表5 國(guó)內(nèi)部分河流COD降解系數(shù)值表 1/d

由表5可知,國(guó)內(nèi)部分河流COD降解系數(shù)值在0.009～0.47d-1之間,本文根據(jù)實(shí)際資料情況通過(guò)以下公式對(duì)k值進(jìn)行計(jì)算[7]:k=86.4u(lnc1-lnc2)/x

式中:k——污染物綜合降解系數(shù)(1/d);c1,c2——上下斷面的污染物濃度(mg/L);u——河段平均流速(m/s);x——上下斷面間的距離(km)。

由于降解系數(shù)受水文特征的影響,故不同頻率年河道流速的改變會(huì)對(duì)降解系數(shù)k造成影響。因此根據(jù)以上公式計(jì)算該典型河流不同頻率年的COD降解系數(shù)在0.08～0.20 d-1之間。

4 結(jié)果分析與規(guī)劃建議

4.1 水環(huán)境容量計(jì)算

由于二維模型涉及到復(fù)雜的水文水力狀況,通過(guò)二維模型模擬混合區(qū)內(nèi)的水環(huán)境容量狀況較為復(fù)雜,并且對(duì)典型河流污染物在橫向方向的擴(kuò)散情況了解較少,因此,本文選取一維水環(huán)境模型對(duì)河流水環(huán)境容量進(jìn)行模擬。將以上預(yù)定參數(shù)代入一維水環(huán)境模型進(jìn)行計(jì)算可得該典型流域各河段水環(huán)境容量。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 各河段不同保證率下的水環(huán)境容量

4.2 結(jié)果分析

(1)由于二維模型模擬混合區(qū)的水環(huán)境容量過(guò)程較復(fù)雜,且缺乏該典型河流污染物橫向擴(kuò)散、降解的基本資料,本文只選取一維水環(huán)境模型對(duì)典型河流的水環(huán)境容量進(jìn)行模擬,由于一維計(jì)算模型的限制因素只側(cè)重于控制斷面的水質(zhì)目標(biāo),而二維模型計(jì)算除了滿足控制斷面上的水質(zhì)目標(biāo)外,還對(duì)污染物的橫縱向的分布進(jìn)行模擬并且對(duì)控制斷面內(nèi)的污染范圍作了限制,因此應(yīng)用二維模型計(jì)算的水環(huán)境容量值會(huì)較小,本次研究選取一維模型進(jìn)行計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果存在一定的偏差,結(jié)果偏于大膽。

(2)由表6可見(jiàn),在滿足不同水功能區(qū)劃的基礎(chǔ)上,全河段不同保證率下的COD環(huán)境容量分別為枯水年 1 995.98 t/d,平水年 2 520.71 t/d,豐水年2 740.25 t/d。

(3)各功能區(qū)河段的水環(huán)境容量與河段長(zhǎng)度間存在密切聯(lián)系,一般規(guī)律為河段越長(zhǎng),則該段的水環(huán)境容量越大,例如:河段11長(zhǎng)度為72 km,其水環(huán)境容量是所有河段中的最大值,在50%保證率下其水環(huán)境容量達(dá)到1 104.07 t/d。這是由于河段越長(zhǎng),污染物在河道內(nèi)轉(zhuǎn)化、降解、擴(kuò)散、沉淀的程度越高,上下游斷面間的污染物濃度相差越大,因此,與河段較短的河流相比,河段較長(zhǎng)的其水環(huán)境容量較大。

4.3 規(guī)劃建議

(1)上述計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)于同一河段,豐水年水環(huán)境容量最大,枯水年水環(huán)境容量最小,由此可知:水環(huán)境容量大小與河道流量密切相關(guān),流量較大時(shí)河流的水環(huán)境容量較大,流量小時(shí)水環(huán)境容量隨之減小。因此,在該典型區(qū)域今后的規(guī)劃中,可以通過(guò)對(duì)流域內(nèi)的水庫(kù)及閘壩進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度控制管理,通過(guò)對(duì)上游水庫(kù)及閘壩的實(shí)時(shí)調(diào)控,使下游河段流量保持在一定的范圍內(nèi),從而達(dá)到提高河段水環(huán)境容量的目的,改善河流水質(zhì),實(shí)現(xiàn)流域水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度。

(2)該典型河流沿岸排污口排出的污水以工業(yè)廢水為主,其次是生活污水。該流域內(nèi)結(jié)構(gòu)性污染嚴(yán)重,由于流域內(nèi)的工業(yè)以冶金、化工、造紙等行業(yè)為主,而這些行業(yè)的COD排放量在工業(yè)排放總量中占據(jù)了很大比例。這也是該流域COD超標(biāo)的主要原因。COD主要超標(biāo)河段為河段5以及河段11-13。同時(shí),生活污水也是造成該河流污染的原因之一,因此,該典型流域污染物減排任務(wù)十分艱巨,刻不容緩,并應(yīng)對(duì)重點(diǎn)污染物排污河段進(jìn)行排污控制和重點(diǎn)整治。

(3)水環(huán)境容量的分配是水污染總量控制的核心,在分配中應(yīng)尊重公平和效益的原則,充分反映水環(huán)境容量分配的社會(huì)性、經(jīng)濟(jì)性和歷史性,以保證實(shí)際的可操作性[8]。該河流流經(jīng)遼寧省幾大重工業(yè)城市,因此污染源的GDP產(chǎn)值成為經(jīng)濟(jì)效益首要考慮的問(wèn)題,大部分都為重工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益考慮污染源的GDP產(chǎn)值,考慮當(dāng)前各污染源對(duì)河流污染的貢獻(xiàn)率大小。而作為承擔(dān)防洪與排澇責(zé)任的水庫(kù),還承擔(dān)著為下游城市供水的重要責(zé)任,因此下游人畜飲水安全問(wèn)題是水庫(kù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)首要考慮的,考慮在水環(huán)境容量分配時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制水庫(kù)出口處水質(zhì)達(dá)標(biāo)。一般來(lái)說(shuō),對(duì)于源頭水及飲用水功能區(qū)應(yīng)盡量避免使用其水環(huán)境容量。

(4)雖然通過(guò)許多技術(shù)手段都可以提高河段的水環(huán)境容量,但這終究不是改善水環(huán)境的根本辦法。改善水環(huán)境還是要從源頭上加大對(duì)污染物的控制治理力度。對(duì)于工業(yè)污染源,應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家環(huán)保部門(mén)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行排放,對(duì)工礦企業(yè)進(jìn)行排污與經(jīng)濟(jì)相關(guān)聯(lián)手段,促使企業(yè)重視對(duì)污染物的治理。對(duì)生活污水的控制,應(yīng)大力提高全民節(jié)能減排意識(shí),完善城市污水管網(wǎng)建設(shè),建立中水回用系統(tǒng)及相應(yīng)的污水處理系統(tǒng),使生活污水排放達(dá)到國(guó)家相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。因此,只有從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等各個(gè)角度控制污染,才能使水環(huán)境從根本上得到改善。

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