河流水環(huán)境容量一維計(jì)算模型分析

摘 要：在一定水文設(shè)計(jì)條件和水質(zhì)目標(biāo)前提下，根據(jù)一維河流水質(zhì)模型理論，探討不同控制斷面和排污口位置下的河流水環(huán)境容量的計(jì)算方法。在計(jì)算水環(huán)境容量時(shí)，對(duì)于長(zhǎng)度較短的河段，排污口均勻概化和中點(diǎn)概化差異不大；對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的河段，排污口均勻概化比中點(diǎn)概化更接近實(shí)際情況。段首法最為嚴(yán)格，適于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)、水源地或旨在改善水質(zhì)的區(qū)域；段尾法次之；功能區(qū)末端控制法要求達(dá)到的環(huán)境目標(biāo)值更低。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境容量；排污口概化；段首控制法；段尾控制法

水環(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容納的污染物的量[1]。其大小與水環(huán)境功能目標(biāo)、水體特征、污染物特性及排污方式相關(guān)。通常以單位時(shí)間（如：一年）內(nèi)水體所能承受的污染物排放總量表示。水環(huán)境容量也可稱為水域的納污能力。

1 計(jì)算流程

在計(jì)算水環(huán)境容量時(shí)一般按以下流程：（1）調(diào)查收集水環(huán)境功能區(qū)的基本資料并分析整理；（2）調(diào)查分析水環(huán)境功能區(qū)的水質(zhì)狀況；（3）調(diào)查分析沿河排污口的位置分布、排污負(fù)荷等具體情況；（4）調(diào)查水環(huán)境功能區(qū)水文參數(shù)；（5）確定水體的水質(zhì)目標(biāo)；（6）選用適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型，計(jì)算水域的環(huán)境容量；（7）分析、驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性。

2 計(jì)算模型

根據(jù)所采用的水質(zhì)數(shù)學(xué)模型維數(shù)的不同，水環(huán)境容量計(jì)算模型可分為零維模型、一維模型和二維模型。其中零維模型主要適用于污染物均勻混合的小型河流及河網(wǎng)流域；一維模型主要適用于河道寬深比不大，在較短時(shí)間內(nèi)污染物質(zhì)能在橫斷面上均勻混合的中小型河流；二維模型主要適用于河道寬度較大，河流橫向距離顯著大于垂向距離，在橫斷面上污染物分布不均勻的河流，或者寬度雖然不大，但是存在如魚(yú)類(lèi)的洄游通道等特殊功能需求的河流。以下將重點(diǎn)討論河流非持久性污染物的一維水環(huán)境容量計(jì)算模型。

一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型：

式中C1為排污口廢水濃度，mg/L；q為廢水量，m3/s；C0為上游河水濃度，mg/L；Q0為流量，m3/s；K為水質(zhì)降解系數(shù)，1/d；x為距排污口的距離，m；u為流速，m/s。

當(dāng)C=CS時(shí)，C1q=W即為環(huán)境容量，推導(dǎo)出單排污口河流一維水環(huán)境容量模型：

式中W為水環(huán)境容量，kg/d；CS為水質(zhì)目標(biāo)。

因?yàn)榭紤]了污染物排入河流后產(chǎn)生的混合區(qū)，更加貼近河流實(shí)際的水環(huán)境容量，因而該模型應(yīng)用更為普遍。

3 控制斷面

針對(duì)不同水污染控制模式，周孝德、郭瑾瓏等[2]提出了段首控制、段尾控制和功能區(qū)末端控制三種方法，計(jì)算一維穩(wěn)態(tài)條件下水環(huán)境容量。

3.1 段首控制

段首控制就是要求污染物入河后，在計(jì)算河段段首處，水質(zhì)達(dá)到相應(yīng)水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)。沿河流流向，隨著有機(jī)物的降解，污染物濃度在該計(jì)算河段內(nèi)處處達(dá)標(biāo)，無(wú)超標(biāo)河段。從水環(huán)境管理角度來(lái)說(shuō)，段首控制最為嚴(yán)格。概化示意見(jiàn)圖1所示。

注：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個(gè)計(jì)算河段段首降解到段末處的質(zhì)量濃度差值，mg/L；D-第i個(gè)計(jì)算河段段首降解到段末處的質(zhì)量濃度差值，mg/L；Ci-來(lái)水衰減到第i個(gè)斷面處的質(zhì)量濃度，mg/L；Qi-混合后干流流量，m3/s。

第i段計(jì)算河段的水環(huán)境容量為：

式中Mi為第i個(gè)計(jì)算河段的水環(huán)境容量，g/s；Ci為第i個(gè)計(jì)算河段的質(zhì)量濃度，mg/L；Qi為第i個(gè)計(jì)算河段的設(shè)計(jì)流量，m3/s；Cs，i為第i個(gè)計(jì)算河段的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，mg/L；C0，i為第i個(gè)計(jì)算河段的上游來(lái)水污染物濃度，mg/L；Ki為第i個(gè)計(jì)算河段降解系數(shù)，1/d；Li為第i個(gè)計(jì)算河段長(zhǎng)度，m；ui為第i個(gè)計(jì)算河段平均流速，m/s。

3.2 段尾控制

段尾控制就是要求污染物入河后，在計(jì)算河段段尾處，水質(zhì)達(dá)到相應(yīng)水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)。然而由于有機(jī)物沿河流流向降解，段尾以上河段水質(zhì)則低于相應(yīng)水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)要求，計(jì)算河段水質(zhì)全部超標(biāo)。概化示意見(jiàn)圖2所示，其中參數(shù)意義與圖1相同，第i段計(jì)算河段的水環(huán)境容量為：

3.3 功能區(qū)末端控制

功能區(qū)末端控制就是根據(jù)河流水環(huán)境管理要求，將計(jì)算河段某斷面設(shè)定為水質(zhì)控制斷面，從而控制水質(zhì)達(dá)標(biāo)河段長(zhǎng)度。從該水質(zhì)控制斷面到下游計(jì)算河段段尾，水質(zhì)處處達(dá)標(biāo)；而從該水質(zhì)控制斷面到上游計(jì)算河段段首，水質(zhì)是全部超標(biāo)的。其概化示意見(jiàn)圖3所示，其中參數(shù)意義與圖1相同，第i段計(jì)算河段的水環(huán)境容量為：

式中？籽i為第i河段的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率，即達(dá)標(biāo)河段長(zhǎng)度所占百分率。

4 多個(gè)排污口影響控制斷面水質(zhì)時(shí)的處理方法

河流水環(huán)境容量與污染物的排放位置及排放方式有關(guān)，限定的排放方式是確定河流水環(huán)境容量的一個(gè)重要確定因素[3]。當(dāng)某一段河流設(shè)置了多個(gè)排污口，且排污口間距較小，則可把多個(gè)排污口概化成一個(gè)集中排污口。目前污染源排污口概化主要有中點(diǎn)概化、均勻概化和排污口重心概化三種方法。

4.1 中點(diǎn)概化

中點(diǎn)概化法是將計(jì)算河段內(nèi)的多個(gè)排污口概化為置于河段的中點(diǎn)處的一個(gè)集中排污口，該排污口的有機(jī)物降解長(zhǎng)度是河段長(zhǎng)度的一半。中點(diǎn)概化河段水環(huán)境容量的計(jì)算公式為：

當(dāng)計(jì)算功能區(qū)河段太長(zhǎng)時(shí)，首先需要把功能區(qū)河段分成幾個(gè)較短的計(jì)算河段，然后每一個(gè)較短的計(jì)算河段采用該公式來(lái)計(jì)算水環(huán)境容量，最后再相加，就得到整個(gè)功能區(qū)河段的水環(huán)境容量。這樣分段處理而計(jì)算的水環(huán)境容量與實(shí)際情況更符合。

4.2 均勻概化

均勻概化法是將計(jì)算河段內(nèi)的多個(gè)分布不規(guī)則的排污口概化為均勻分布的多個(gè)排污口，并且污染物排放也均勻分布。例如，在計(jì)算河段內(nèi)選擇一微小河段dx，距河段段首距離為x，此微段污染物輸運(yùn)至x=L處的剩余質(zhì)量為dm，上游各微段質(zhì)量降解到x=L斷面處的總質(zhì)量迭加設(shè)為m，則：

均勻概化河段水環(huán)境容量的計(jì)算公式為[4]：

4.3 重心概化法

排污口概化的重心計(jì)算如下[5]：

X=（Q1C1X1+Q2C2X2+…+QnCnXn）/（Q1C1+Q2C2+…+QnCn）

式中X為概化的排污口到功能區(qū)劃下斷面或控制斷面的距離；Qn為第n個(gè)排污口（支流口）的水量；Xn為第n個(gè)排污口（支流口）到功能區(qū)劃下斷面的距離；Cn為第n個(gè)排污口（支流口）的污染物濃度。

排污口重心概化河段水環(huán)境容量的計(jì)算公式為：

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）因段首控制法要求非常嚴(yán)格，適用對(duì)象應(yīng)為污染較輕或?yàn)榱烁纳扑|(zhì)條件的河段，所以主要應(yīng)用于水質(zhì)較好的源頭地區(qū)，或?qū)λ|(zhì)要求較高、污染治理能力強(qiáng)的地區(qū)。（2）段尾控制法對(duì)水質(zhì)的要求相對(duì)最低，主要是為了控制污染，而非為了改善水質(zhì)，所以適用于水體污染較嚴(yán)重或污染治理能力較弱的地區(qū)。（3）功能區(qū)末端控制法主要用于控制對(duì)特定區(qū)段水質(zhì)有很高要求的河段，而對(duì)其他區(qū)段水質(zhì)要求較低的水體。在特定段段首處嚴(yán)格限制水質(zhì)，其上游河段排污量只要滿足特定段段首控制要求即可。（4）在計(jì)算水環(huán)境容量時(shí)，對(duì)于長(zhǎng)度較短的河段，排污口均勻概化和中點(diǎn)概化差異不大；對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的河段，排污口均勻概化比中點(diǎn)概化更接近實(shí)際情況。

參考文獻(xiàn)

[1]逄勇，陸桂華.水環(huán)境容量計(jì)算理論及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2010：1.

[2]周孝德，郭瑾瓏，程文，等.水環(huán)境容量計(jì)算方法研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，15（3）：1-6.

[3]周美正.不同流量下的皖河流域納污能力研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

[4]勞國(guó)民.污染源概化對(duì)一維模型納污能力計(jì)算的影響分析[J].浙江水利科技，2009（5）：8-10.

[5]中國(guó)環(huán)境規(guī)劃院.全國(guó)水環(huán)境容量核定技術(shù)指南[R].北京：中國(guó)環(huán)境規(guī)劃院，2003.

作者簡(jiǎn)介：陳明（1986-），男，畢業(yè)于河海大學(xué)，學(xué)士，工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境影響評(píng)價(jià)。