不同時空計算尺度對水環(huán)境容量評估差異的影響分析

陳江海

（三峽智慧水務科技有限公司，上海 200335）

水環(huán)境容量是指水體在規(guī)定的環(huán)境目標下所能容納的污染物的最大負荷，通常以單位時間內水體所能承受的污染物總量表示。水環(huán)境容量是反映水生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟活動密切關系的度量尺度，是經(jīng)濟發(fā)展與水質保護的樞紐，也是污染物總量控制的重要參考依據(jù)。水環(huán)境容量具有資源性、時空性、系統(tǒng)性和動態(tài)性四個基本特征。目前常用的水環(huán)境容量核算方法通常取90%保證率下最枯月流量作為計算條件，采用一維水質模型計算得到一個年污染物排放量上限定值作為該水域的水環(huán)境容量。該核算方法無法客觀反映水文條件動態(tài)變化對水環(huán)境容量的影響，易造成“過保護”和工程投資過大的問題，無法最大發(fā)揮水環(huán)境容量的資源屬性。

隨著水環(huán)境容量的不斷研究，國內外學者先后提出了公式法、模型試錯法、系統(tǒng)最優(yōu)化法等。DENG 等利用線性規(guī)劃法計算了長江口化學需氧量（COD）和氨氮（NH-N）的水環(huán)境容量，但約束方程的缺少常導致結果不穩(wěn)定。何紹福等在QUAK2K 模型的基礎上利用模型試錯法計算了沙溪沙縣段COD、NH-N 和總磷（TP）的水環(huán)境容量，制定了各子河段的削減方案。于曉英等采用二維岸邊排放模型段尾控制法計算梧桐河COD 和氨氮的動態(tài)水環(huán)境容量，結果表明，該結果與實際動態(tài)水環(huán)境容量變化趨勢吻合，為環(huán)境管理提供支撐。本研究基于水文條件在時間及空間上的動態(tài)變化，構建一維河道與管網(wǎng)水動力模型，利用段首達標法計算了江西省九江市兩河（十里河和濂溪河）的COD 和NH-N 的理想水環(huán)境容量，分析了水文條件時空變化對理想水環(huán)境容量的影響，為水環(huán)境保護及管理提供新的方向與思路。

1 研究區(qū)概況

本文研究對象為兩河（十里河和濂溪河）流域，十里河全長為12.9 km，濂溪河全長為10.2 km，流域內合流制、分流制管網(wǎng)共存，污水通過沿河截污干管輸送到污水處理廠，雨水主要通過雨水排口就近入河。根據(jù)《九江市水功能區(qū)劃》，參考現(xiàn)狀水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，并考慮經(jīng)濟社會發(fā)展與環(huán)境保護目標的相互協(xié)調，綜合確定兩河遠期水質目標為全河段Ⅳ類水。兩河的水量補給受降雨影響較大，而且各排口的水量也具有空間差異，所以有必要研究水環(huán)境容量在不同水文時空尺度下的變化情況。

2 研究方法

2.1 一維水動力模型

采用暴雨洪水管理模型（SWMM）進行管網(wǎng)和河道的一維水動力計算，動力波模擬控制方程包括管道中水流的動量方程、連續(xù)方程和節(jié)點處的水量連續(xù)方程。該模型可同時用于管網(wǎng)和河道的水動力計算。管道中水流的動量方程和連續(xù)方程分別為

節(jié)點處的水量連續(xù)方程為

式中：為進出節(jié)點的流量，m/s；A為節(jié)點自由表面積，m。

2.2 段首達標法水環(huán)境容量計算模型

段首控制中的段是指在一個功能區(qū)中沿河任意兩個排污口斷面之間的河段，而段首則是指各段上游第一個排污口斷面。段首控制就是控制上游斷面的水質達到功能區(qū)段的要求。段首控制下河段功能區(qū)環(huán)境容量（功能區(qū)段首來水提供稀釋容量，公式前半部分為稀釋容量，后半部分為自凈容量）的計算公式為

式中：為河段功能區(qū)環(huán)境容量；C為控制標準；為來水濃度；為來水流量；Q為第個斷面前的干流流量；q為第個斷面廢水量；為水質降解系數(shù)；為斷面距排污口的距離；為流速。

3 計算結果

3.1 不同時間尺度下水環(huán)境容量評估差異

根據(jù)SWMM 模型和河道模型計算的2014年河道水力數(shù)據(jù)結果，通過小節(jié)2.2 中段首達標法水環(huán)境容量計算模型，分別以月、季、年尺度來統(tǒng)計核算兩河COD、NH-N 的理想水環(huán)境容量，計算結果如表1、表2所示，表中數(shù)據(jù)單位均為噸（t）。段首達標法下，兩河COD、NH-N月尺度理想水環(huán)境容量的變化范圍分別為355.329～1 178.88 t、14.979～55.849 t，季尺度理想水環(huán)境容量變化范圍分 別 為464.971～776.669 t、20.409～35.871 t。由表2數(shù)據(jù)計算可得，兩河COD、NH-N年尺度理想水環(huán)境容量分別為639.149 t、29.049 t。

表1 段首達標法月平均水環(huán)境容量

表2 段首達標法季平均水環(huán)境容量

隨著計算時間尺度的增大，理想水環(huán)境容量的變化趨勢逐漸平穩(wěn)，環(huán)境容量變化范圍逐漸縮小，差異性也逐漸降低。若按照常規(guī)，全年均以最枯月的水環(huán)境容量作為標準對污染物入河量實施限制，則忽略其本身隨時間的動態(tài)變化，很容易造成水環(huán)境容量未充分利用和工程實施成本過高等問題。所以，核算研究區(qū)水環(huán)境容量時應充分考慮區(qū)域特性，應以精細的計算時間尺度來核算動態(tài)水環(huán)境容量，充分有效地對水環(huán)境容量進行總量分配和季節(jié)性利用。

3.2 不同空間尺度下水環(huán)境容量評估差異

當前，水環(huán)境容量核算大都以整條河作為整體進行計算（河道各處的水文條件一致）或者按照功能區(qū)進行分段核算后匯總，這種計算空間尺度對于大流域水體較為適用，而對于城市小流域水體且排污口眾多的情況則過于粗略，無法充分考慮各排口對整條河水環(huán)境容量的影響程度以及水環(huán)境容量的空間分布特性。本節(jié)研究了2 種不同計算空間尺度（見圖1）對水環(huán)境容量的影響和空間分布差異，以求城市小流域水體水環(huán)境容量精細化核算的最適空間尺度。

步長200 m 的計算空間尺度下，兩河的COD、NH-N 水環(huán)境容量分別為357.273 7 t/a、15.026 4 t/a；步長20 m 的計算空間尺度下，兩河的COD、NH-N水環(huán)境容量分別為356.128 3 t/a、15.019 4 t/a。由此可得，空間步長的改變對于兩河總體COD、NH-N 水環(huán)境容量的影響較小。

如圖1所示，兩河各計算單元的理想水環(huán)境容量呈明顯的空間變化特點，從上游至下游總體上呈逐漸增大的趨勢，且濂溪河與十里河交匯處至入湖口的理想水環(huán)境容量相對于其他區(qū)域普遍較大。各計算單元的理想水環(huán)境容量最大值出現(xiàn)在SL21 河段處，該計算單元理想水環(huán)境容量將近占兩河總理想水環(huán)境容量的1/3，原因為該河段排口為兩河地下污水處理廠的直排口，入河流量遠大于其他雨水排口，由于兩河的自然特性，排口入河量是其理想水環(huán)境容量的決定因素，導致該單元水環(huán)境容量遠大于其他計算單元。所以，在確定水環(huán)境治理工程規(guī)模時，應充分考慮水環(huán)境容量空間分布的不均勻性，根據(jù)其負責控制河段的水環(huán)境容量進行規(guī)模設計。

圖1 不同步長下兩河COD 環(huán)境容量空間分布

4 結論

本文以九江市兩河流域為例，從不同時空尺度分別計算了兩河的理想水環(huán)境容量，分析了理想水環(huán)境容量在不同時間、空間上的差異性。結果表明，隨著計算時間步長的增大，理想水環(huán)境容量的差異性逐漸降低，變化范圍逐漸縮小?？臻g步長的改變對于兩河COD、NH-N 總水環(huán)境容量的影響較小，但各個子計算單元的理想水環(huán)境容量呈現(xiàn)明顯的空間分布差異，上游至下游總體呈逐漸增大的趨勢。水環(huán)境容量具有時空變化的特點，若僅以最枯月的水環(huán)境容量作為水環(huán)境保護工程的建設依據(jù)，不僅會浪費水環(huán)境容量的資源屬性，還會導致建設成本過高等問題，因此應精細管理水環(huán)境保護工程負責的河段區(qū)域，把該河段區(qū)域的水環(huán)境容量也納入建設依據(jù)，防止工程資源浪費。