河流水环境容量计算方法研究

丁居隆

身份证： 33010619910814 **** 浙江杭州 310012

摘要：水环境容量是污染物总量分配控制的理论依据，基于此，本文对河流水环境容量计算进行了详细的论述。

关键词：河流；水环境容量；计算

水环境容量来源于环境容量，是指某一水环境单元在特定环境目标下能容纳的污染物量，即在环境单元依靠自身特性使本身功能不破坏前提下，允许的污染物量。随着水环境污染问题的日益突出，采用合适的方法科学合理地计算且利用水环境容量已成为一个值得研究的重要课题。

一、水环境容量简介

1、概述。水环境容量是指在满足水环境质量要求下，水体容污染物的最大负荷量，因此又称水体负荷量或纳污能力。按污染物降解机理，水环境容量可划分为稀释容量和自净容量。稀释容量是指在给定水域的来水污染物浓度低于出水水质目标时，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。

2、基本特征。①地带性。不同地带水体由于所处自然环境不同,对污染物的物理、化学、生物自净能力不同,其水环境容量必然不同。②有限性和可更新性。水环境容量资源可被耗尽,一旦耗尽,其恢复和更新很难。同时，水环境容量资源中的一部分可更新,所以水环境容量资源可开发利用,但必须控制在一定限度内。③不均衡性。环境中污染物种类众多,不同性质污染物对各类迁移转化的响应程度差异大,如耗氧有机物丰度高,有毒有机物则很低,重金属水环境容量甚微。

二、研究背景

目前，水环境容量的计算方法分确定性方法、不确定性方法。①确定性方法以机理性水质模型为主要工具，包括解析公式法、模型试错法、模拟优化法，不确定性因素通过限制性条件引入，表达对安全及控制风险的要求，计算结果为定值。解析公式法采用稳态水质模型直接计算，工作量小，应用广，但精度低且不能用于计算动态水环境容量。模型试错法采用动态水质模型反复测算，计算精度高，但计算效率相对低。基于规划理论的模拟优化方法，将模拟方法与优化方法有机结合，方法灵活，能大幅提高效率和精度。②不确定性方法从不确定性角度分析与计算某种可信度水平下的水环境容量或容量的取值范围，其中以确定性模型为基础的水质随机过程方法、随机微分方程模型法和灰色(参数)水质规划法，由于区间取值对分配的限制和数学处理的复杂性等原因，应用并不广泛。近年来，未确知数学盲数理论和三角模糊技术等非确定性方法的引入为水环境容量研究提供了新思路和新方法，但需采用实测数据确定变量或参数的分布，实际应用中技术难度大。

本文采用基于WASP模型富营养化原理、ELADI有限差分方法的正交曲线平面二维水环境模型WESC2D作为动态水文条件下河流污染负荷与水质响应关系的计算工具，以粒子群算法RPSM作为以空间段面浓度超标时段和频率为风险控制的河流水环境容量非线性规划模型的优化工具，建立一种基于模拟优化的河流水环境容量计算方法。

三、河流水环境容量计算步骤

1、水质目标核定。根据河流空间位置和流域河流的服务功能，利用水环境功能区划、水功能区等水质要求和排污混合区限制要求，确定河流水质目标的空间、时间约束。

2、控制因子识别。对河流物理、化学、生物特征进行调查分析，重点评价水质，确定控制河流的受损类别和程度，识别水污染控制及水环境容量计算的水质因子。

3、响应关系计算。依据河流及控制因子特点选择适用的水质模型，并在模型参数率定及验证基础上，选择适当的设计水文条件作为模型水流计算边界条件，分别模拟与分析背景浓度及不同可控污染源负荷对河流水质的响应关系。

4、规划模型求解。以污染物入河量最大为目标，以水质目标为约束，基于污染源负荷与水质响应关系，建立水环境容量规划模型。依据规划模型特点，选择线性优化、非线性优化或其他优化方法，计算河流各排污口的最大允许纳污量，即水环境容量。

四、实例应用

1、控制因子

1)现状评价。依据《地表水环境质量标准(GB3838)》和《地表水环境质量评价办法(试行)》，判断某河流断面水质类别及其所占比例。结果表明，其下游水质总体轻度污染，70%断面达标。干流水质良好，断面达标率为100%，北支水质轻度污染，主要污染物为粪大肠菌群；中支水质状况良好；南支水质状况中度污染，主要污染物为粪大肠菌群和氨氮。在10个监测断面中，Ⅲ类水质断面5个，占50%；Ⅳ类水质断面4个，占40%；Ⅴ类水质断面1个，占10%。

2)趋势评价。其下游干流历年水质总体稳定，但有Ⅱ类水质向Ⅲ类水质过渡的趋势。北支断面有转好趋势，达到水环境功能区划要求。南支4个断面总体变化趋势为Ⅳ类到劣Ⅴ类再到Ⅳ类。3个断面都为劣Ⅴ类水体，主要污染物为粪大肠菌群和氨氮。

除下游耗氧类综合污染指数相对较高，其余较小，总体都小于1。说明下游水质受耗氧类污染物的影响，但总体呈下降趋势。细菌类综合污染指数在0.7～1.2间呈波动变化，说明下游水质在某些时段受粪大肠菌群影响，且总体呈上升趋势。

由此可见，该下游主要水质控制因子为氨氮和粪大肠菌群。基于国家总量控制指标，本文选取化学需氧量和氨氮作为水环境容量计算的水质因子。

2、响应关系

1)设计水文条件。美国环保局为河流稳态模型极端水文条件推荐使用2种计算设计流量的方法：水文学、生物学方法。其基本思想是利用极端水文条件进行跨年度的频率分析，按确定风险率确定设计流量，只是生物学与水文学方法相比其更接近毒理控制要求。我国水环境评价及规划采用的设计水文条件基本沿用了水文学方法，以河流为例，我国目前河流采用的实际水文条件包括：近十年最枯月平均流量(国标GB3839)；90%保证率的最枯月平均流量(国标GB3839)；借用美国环保局的7Q10及30Q10水环境容量计算稳态模型的设计水文条件等。

动态模型的设计水文条件需根据模型不同特点考虑，连续模拟方法的设计水文条件即实测日水文系列，其数据长度一般是重现期要求的2～3倍，如期望重现期为3年，则应有6～9年的水文数据才能对极端事件的估计提供准确分析。

2)响应系数计算。WESC2D模型由Intel Visual Fortran 11.0.061专业版编译器双精度Fortran语言编写，包括水流模块HYD、泥沙模块SED和富营养化模块EUTRO三部分，其中，富营养化模块延续了WASP5模型中富营养化模块EUTRO的主要功能。基于验证的WESC2D模型，以实测逐日水文过程为动态水文条件计算的流场为水动力条件。以某月共31d后的模拟结果为初始计算浓度场，分别计算8个排污口化学需氧量和氨氮排放单位负荷情况下每天对河流空间约束断面污染浓度的贡献，获得污染负荷与水质目标空间约束断面的响应系数。其中20℃时氮的耗氧速率为0.05，化学需氧量一阶降解系数为0.1。

依据清洁边界原则，入境浓度不能超过182功能区的水质目标Ⅲ类水标准，若入境断面污染物的真实浓度低于水质标准规定的污染物浓度，原则上应取水质标准浓度。考虑到尽可能的利用水环境容量，本文以化学需氧量、氨氮入境浓度为进口浓度边界及非点源负荷作负荷边界计算河流响应浓度为背景负荷。

3、水环境容量计算。考虑到无法保证计算结果的全局最优，利用RPSM方法分别计算3次，选取最大计算结果作为水环境容量方案，3次计算结果略有差异。

水环境容量作为水体能满足规划环境目标的最大理论纳污量，因脱离实际基本上无法完全利用，甚至有些情况下可能出现“零”排放现象，无法被各方接受，如公平、效率问题，并不能作为最终污染物总量控制方案，但能为污染总量分配提供决策依据。如某江纺有限公司，如按该方案实施则需消减现状的99%以上，技术消减完全不可行，除非企业关闭或另搬新址，代价大，因此有必要以此水环境容量为依据进行其他方案设计，如对企业实行最佳处理技术等。

参考文献：

[1]张永良.水环境容量基本概念的发展[J].环境科学研究，2014(03).

[2]周刚.河流水环境容量计算方法研究[J].水利学报，2014(02).