一種考慮容量沿程變化的水環(huán)境容量計算方法

華祖林,程浩淼

(1. 河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京　210098；2. 河海大學環(huán)境學院，江蘇 南京　 210098；3. 河海大學水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇 南京　210098)

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一種考慮容量沿程變化的水環(huán)境容量計算方法

華祖林1,2,3,程浩淼1,2

(1. 河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京210098；2. 河海大學環(huán)境學院，江蘇 南京 210098；3. 河海大學水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇 南京210098)

摘要：基于水環(huán)境容量的定義和本質(zhì)內(nèi)涵，厘清目前常用的計算中小型河流的零維和一維環(huán)境容量計算方法中存在的不足。針對現(xiàn)有計算方法的不足與弊端，考慮了河流環(huán)境容量是沿程變化的這一事實，提出一種中小型河流環(huán)境容量的計算新方法，該方法消除了現(xiàn)行方法中夸大的部分環(huán)境容量，更契合天然實用情形；在此基礎上，推求出河道存在環(huán)境容量的臨界判據(jù)，即最大允許排污濃度或河道最大允許超標長度比例，并進行了算例的應用與比較。

關鍵詞：水環(huán)境容量；沿程變化；計算方法；臨界判據(jù)

隨著當代社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，工業(yè)生活廢污水大量排入河流，河流的水環(huán)境質(zhì)量不斷惡化，給我國社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。因此各級政府在環(huán)境管理中，準確確定河流的水環(huán)境容量具有重要的作用。精確計算出水體的環(huán)境容量值可為采取相關措施控污和改善水質(zhì)提供技術支撐。

環(huán)境容量的概念最先是由日本學者借喻物理學上的電容概念并根據(jù)總量控制原則提出的，歐美國家則更多地使用日最大總負荷[1-3](total maximum daily load, TMDL)、同化容量[4-5](assimilative capacity)、污染負荷分配[6-7](wasteload allocation ,WLA)等術語。我國也在環(huán)境容量理論方面開展了相應的研究[8-10]，但目前對環(huán)境容量仍沒有達成完整統(tǒng)一的定義，目前學術界普遍認可的水環(huán)境容量的概念定義為“某一水環(huán)境單元在特定的環(huán)境目標下所能容納污染物的量”。其概念上強調(diào)了水環(huán)境容量的本質(zhì)三要素：水質(zhì)標準、水體條件和污染物特性。因此水環(huán)境容量的內(nèi)涵主要應該有：其一，水環(huán)境容量是環(huán)境系統(tǒng)本身的自然屬性，是由自凈容量和稀釋容量組成的；其二，水環(huán)境容量是與污染物對環(huán)境造成的影響息息相關的，其大小是由水環(huán)境系統(tǒng)功能決定的。總之，水環(huán)境容量的目的是在水環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)達標的前提下，為制定污染物總量控制方案提供技術依據(jù)。

目前水環(huán)境容量的計算方法有零維、一維、二維、三維等方法，其中對大江大河、湖庫、近海等寬闊水域常采用二維、三維方法計算[11-13]；而針對中小型河流則常用零維、一維方法，并在中小河流環(huán)境容量的確定方法上也取得了一定的研究進展。譬如：龔若愚等[14]采用了零維水環(huán)境容量計算公式，計算了柳江河新圩至窯埠段的COD和氨氮2項指標的水環(huán)境容量值；王華等[15]基于零維方法對感潮河段進行了環(huán)境容量計算；羅縉等[16]也是運用零維計算方法建立了太湖流域平原河網(wǎng)區(qū)往復流河道的水環(huán)境容量模型；周孝德等[17]提出了計算河流水環(huán)境容量的一維方法，并應用于渭河干流的環(huán)境容量計算；陳丁江等[18]在一維方法的基礎上建立了針對飲用水水源保護區(qū)內(nèi)河流環(huán)境容量的計算模型和方法；楊杰軍等[19]運用河流環(huán)境容量的零維、一維計算方法核算了中國北方河道、攔河閘水體和感潮河段3種水體的水環(huán)境容量。但是中小型河流的水環(huán)境容量計算運用零維和一維2種方法，仍存在以下明顯不足。

a. 零維方法。水環(huán)境容量計算公式為

(1)

式中:E——水環(huán)境容量，g/s；E1——稀釋容量，g/s；E2——自凈容量，g/s；Q——河段上游來水流量，m3/s；CS——水質(zhì)標準，mg/L；C0——上游來水本底濃度，mg/L；k——綜合降解系數(shù)，s-1；V——河段水體體積，m3。

零維方法計算水環(huán)境容量主要存在的問題是：該方法認為河道環(huán)境容量沿程分布是均勻的，沒有考慮沿程變化，同時也沒有考慮排污情況與排污位置等，因此是理論上的最大值，只具有一定的指導意義。而在實際天然河道中，河道容量沿程分布是沿程變化且不均勻的，同時考慮排污狀況在實際應用時是很必要的，因此零維方法計算的水環(huán)境容量在實際天然河道的環(huán)境管理中直接應用存在一定的偏差。

(2)

式中：q——排污口的平均排污流量，m3/s；l——河段長度，m；u——河流平均流速，m/s。

一維方法較零維方法更符合實際情況，也是目前應用最廣泛的方法。根據(jù)式(2)，一維方法可以理解和解釋為：目標河段的水環(huán)境容量即為段首處污染物濃度與河段上游來水本底濃度之差所形成的容量，如圖1所示。

圖1　一維方法計算水環(huán)境容量示意圖Fig. 1　Sketch of one-dimensional method for calculating water environmental capacity

顯然，一維方法存在著明顯弊端。(a)該方法中排污口斷面到下游控制斷面全河段的污染物濃度都是超標的，只在控制斷面段尾處水質(zhì)達標，因此該河段水環(huán)境功能區(qū)全部不達標，這是不符合水環(huán)境容量內(nèi)涵的，也不利于污染物質(zhì)的削減與控制。(b)該方法夸大了目標河段的自凈容量，即圖1中實際降解曲線上方部分的容量是不存在的；同時也不能真實地反映環(huán)境容量的沿程變化過程，應用于生產(chǎn)實際通常會產(chǎn)生較大的偏差。(c)忽略了河流由于本身斷面不均勻產(chǎn)生的縱向分散效應，但在實際河段中由于斷面不均勻?qū)е铝魉俨痪鶆蚴呛茏匀坏?，因此污染物的縱向分散作用常常是不能忽略的。

筆者針對目前常用于中小型河流的零維、一維環(huán)境容量計算方法中存在的弊端，認為河流環(huán)境容量應是沿程變化的，同時考慮了河流縱向分散作用和河流自身可能存在固定污染源的情況，提出了一種水環(huán)境容量計算的新方法。

1河流水環(huán)境容量計算新方法

1.1　水環(huán)境容量計算新方法

河流污染物在恒定情況的一維輸運基本方程為

(3)

其中

式中：c——斷面污染物平均濃度，mg/L；x——縱向距離，m；Ex——縱向分散系數(shù)，m2/s；B——河段平均河寬，m；g——重力加速度，m/s2；h——河段平均水深，m；I——河底比降。

可得到考慮河流自凈和縱向分散作用的一維污染物輸運方程的解：

(4)

式中：C1——段首處的污染物濃度，mg/L。

根據(jù)定義和內(nèi)涵，水環(huán)境容量是由自凈容量和稀釋容量兩部分組成的，前人研究顧及了當上游來水的污染物濃度超出水質(zhì)標準時，河段也是不具備稀釋容量的，應該存在負稀釋容量。但是，在河道中存在固定污染源的情況下，河流的污染物濃度是沿程變化的，這樣就造成了在全河段中不同河段部分的自凈容量是變化的；實際上該水質(zhì)超標段是不應具備自凈容量的，換言之，即應該存在負自凈容量，故河段的自凈容量理應考慮其沿程的變化。進而推出最終的環(huán)境容量值。推導過程如下：

如圖2所示，對于河長為l的中小型河段，若其段首處存在一固定排污濃度的污染源，根據(jù)河道容量的沿程變化，結合式(4)可得出在時間段t內(nèi)目標河段的稀釋總量與自凈總量之和W，見式(5)。

圖2　水環(huán)境容量計算新方法示意圖Fig. 2　Sketch of new method for calculating water environmental capacity

(5)

式中：W1——稀釋總量，g；W2——自凈總量，g；A——河流斷面面積，m2；V1——河段上游來水體積，m3；V2——污水排放體積，m3；其他符號含義同前。

最后，計算河道的環(huán)境容量E(即為單位時間內(nèi)的W值):

(6)

特別地，河段水質(zhì)在段首處、段尾處達標時的2種極限情形如下：

a. 當C1=CS時，目標河段在段首處水質(zhì)達標，由于水體的降解分散作用，河段全段水質(zhì)達標。此時嚴格控制了河段的水質(zhì)不超標，要求太嚴格了，如圖3所示。計算公式如下：

(7)

圖3　全段達標時水環(huán)境容量計算示意圖Fig. 3　Sketch of water environmental capacity calculation when water quality indicators throughout reach are within standards

(8)

圖4　全段超標時水環(huán)境容量計算示意圖Fig. 4　Sketch of water environmental capacity calculationwhen water quality indicators throughout reach exceed standards

因此，合理的做法應首先判斷該河段是否存在環(huán)境容量，并確定其存在正環(huán)境容量時的臨界條件，再進行河段水環(huán)境容量的計算。

1.2　河道存在正環(huán)境容量的臨界判據(jù)

1.2.1河道存在正環(huán)境容量的最大允許排污濃度

對于實際河段，由于水環(huán)境容量的稀釋部分和自凈部分都是可能存在正或負的情況，可令目標河段總的環(huán)境容量為零，求解出河段存在正環(huán)境容量的排污口臨界排放濃度，即最大允許排污濃度值。

令河段水環(huán)境容量E=0，可由式(6)推導出河段起始斷面濃度的最大值C1,max：

(9)

則可求得河段存在環(huán)境容量的排污口最大允許排放濃度：

(10)

1.2.2河道存在正環(huán)境容量的最大允許超標長度比例

當河段總的水環(huán)境容量為零時，可計算出河道存在正環(huán)境容量的最大允許超標長度比例αmax：

(11)

1.3　計算步驟

采用本文計算方法的流程如圖5所示。

圖5　水環(huán)境容量計算流程Fig. 5　Flow chart of water environmental capacity calculation

2算 例 比 較

某河段長l=25 km，流量Q=10 m3/s，流速u=0.2 m/s，本底濃度C0= 18 mg/L，其相應的CODMn水質(zhì)目標CS= 20 mg/L，CODMn綜合降解系數(shù)k=0.25/d。該河道段首處設有固定排污濃度q=0.8 m3/s的排污源，由經(jīng)驗公式得到縱向分散系數(shù)Ex= 0.53 m2/s。分別設定3種不同的排污濃度背景值進行算例比較，濃度值分別為80、150、200 mg/L。

根據(jù)本文提出的環(huán)境容量計算方法的步驟，首先依據(jù)上述基礎數(shù)據(jù)，由臨界判據(jù)公式(10)或(11)，得到當存在正環(huán)境容量時的最大允許排污濃度為Cp,max=150 mg/L或該河道最大允許超標長度比例為αmax= 0.91。故判斷出排污濃度為80 mg/L時，該河段存在正值的環(huán)境容量；排污濃度為200 mg/L時，該河段已不具備環(huán)境容量。具體計算結果見表1。

表1　不同排污狀況下的環(huán)境容量計算值Table 1　Water environmental capacity calculation results under different drainage conditions

可以看出，不論排污濃度如何變化，對零維和一維方法的環(huán)境容量計算結果都是沒有影響的；而河流存在天然排污口的情況時，該河段的容量是沿程變化的，這也恰恰是決定河段是否存在環(huán)境容量的重要依據(jù)。對于算例3，排污濃度過大已經(jīng)導致全河段的水質(zhì)超標，環(huán)境容量已為負值，根本就不具備環(huán)境容量了，因此零維、一維方法的結果是不符合天然實際情況的。本文新方法的計算結果可以反映實際河段水環(huán)境容量的沿程變化，將臨界排污濃度或最大允許超標長度比例作為評判是否存在河流容量的依據(jù)，消除了自凈容量的夸大部分，結果更接近環(huán)境容量的真實值，更具實用性和可操作性。

3結論

本文以水環(huán)境容量的定義和本質(zhì)內(nèi)涵為基石，剖析并指出了常用于中小型河流的零維、一維環(huán)境容量計算方法的不足和弊端；根據(jù)河流的天然情況和排污狀況，從水環(huán)境容量的內(nèi)涵出發(fā)，考慮了河流環(huán)境容量的沿程變化過程，推導出一種計算河道環(huán)境容量的新方法，使其與實際情況更為契合；在此基礎上，提出了河道存在環(huán)境容量時的臨界判據(jù)，分別得到排污口最大允許排放濃度、河道最大允許超標長度比例的值。通過算例和比較分析，證明了該計算新方法的結果更符合客觀實際情形，也易于操作應用。該計算方法可為環(huán)境管理部門更準確地確定環(huán)境容量和合理控制排污口源強提供可靠的技術支撐。

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A method for estimating water environmental capacity

based on its variation along river

HUA Zulin1, 2, 3, CHENG Haomiao1, 2

(1.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourceDevelopmentonShallowLakesofMinistryofEducation,

HohaiUniversity,Nanjing210098,China;

2.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;

3.NationalEngineeringResearchCenterofWaterResourcesEfficientUtilizationandEngineeringSafety,

HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract:Based on the definition and connotation of water environmental capacity, the shortcomings of currently prevalent zero-dimensional and one-dimensional methods for estimating the water environmental capacity of medium- and small-sized rivers are pointed out. According to these shortcomings, a new method considering the variation of water environmental capacity along a river is put forward. This method eliminates the exaggerated part of the environmental capacity estimation generated with the previous methods, and it is more practical. Moreover, the critical judgment criteria for estimating the existence of water environmental capacity are derived, including the maximum allowable concentrations of discharged pollutants and the maximum ratio of the length of the river reach with water quality indicators exceeding the standards to the total length of the river. Finally, practical cases are provided in order to compare the proposed method with previous methods.

Key words:water environmental capacity; variation along river; calculation method; critical judgment criteria

中圖分類號：X824

文獻標志碼：A

文章編號：1000-1980(2015)06-0505-06

作者簡介：華祖林(1965—)，男，江蘇江陰人，教授，主要從事水環(huán)境模擬與污染物輸運機理研究。E-mail:zulinhua@hhu.edu.cn

基金項目：水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07103-005)；“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAB03B04)；國家自然科學基金(51179052)；上海市水務局科研項目(2014-10)

收稿日期：2015-06-04

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2015.06.001