水利工程論文-水環(huán)境容量計算方法研究.doc

水利工程論文-水環(huán)境容量計算方法研究摘要：提出了一維穩(wěn)態(tài)條件下計算水環(huán)境容量的3種方法，即段首控制方法、段尾控制方法和功能區(qū)段尾控制方法。通過對渭河干流環(huán)境容量的計算，分析比較了各方法的優(yōu)劣及其相互聯(lián)系，闡明了各方法的物理含義及其適用條件。計算結(jié)果證明了各方法的可靠性。關鍵詞：環(huán)境容量段首控制段尾控制功能區(qū)段末控制環(huán)境容量的概念首先是由日本學者提出來的。60年代末，日本為改善水和大氣環(huán)境質(zhì)量狀況，提出污染排放總量控制問題。歐美國家的學者較少使用環(huán)境容量這一術語，而是用同化容量、最大容許納污量和水體容許排污水平等概念。我國對環(huán)境容量的研究開始于70年代，其發(fā)展大致經(jīng)歷了下列三個階段：80年代初，主要結(jié)合環(huán)境質(zhì)量評價等項目進行研究，研究集中在水污染自凈規(guī)律、水質(zhì)模型、水質(zhì)排放標準制定的數(shù)學方法上，從不同角度提出和應用了水環(huán)境容量的概念；“六五”攻關期間，一部分高校和科研機構聯(lián)合攻關，把水環(huán)境容量理論同水污染控制規(guī)劃相結(jié)合，出現(xiàn)了一批有實效的成果，初步顯示了水環(huán)境容量理論與實際相結(jié)合的威力，這一時期的研究對污染物在水體中的物理、化學行為進行了比較深入、系統(tǒng)的探討；“七五”國家環(huán)保科技攻關研究把水環(huán)境容量理論推向系統(tǒng)化、實用化的新階段，1985年以來，隨著我國環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，全國一些重點城市和地區(qū)相繼提出了城市綜合整治規(guī)劃、水污染綜合防治規(guī)劃、污染物總量控制規(guī)劃以及水環(huán)境功能區(qū)劃，為環(huán)境容量理論研究和實際應用提供了廣闊的天地。前人所做的研究主要集中在水質(zhì)模型、水環(huán)境容量的理論研究以及局部流域或河段的環(huán)境容量?；凇熬盼濉惫リP課題的研究，針對渭河干流從林家村到華縣水文站315km河段環(huán)境容量計算過程中遇到的實際應用問題，本文著重討論一維穩(wěn)態(tài)條件下水環(huán)境容量的計算方法。1計算方法1.1基本概念和方程稀釋容量和自凈容量：當水體通過物理稀釋作用使污染物達到規(guī)定的水質(zhì)目標時所容納的污染物的量稱為稀釋容量；水體通過物理、化學、物理化學、生物作用等對污染物所具有的降解或無害化能力表征為自凈容量。水環(huán)境容量：一定水體在規(guī)定環(huán)境目標下所能容納污染物的量1。容量大小與水體特征、水質(zhì)目標及污染物特性有關，同時水環(huán)境容量還與污染物的排放方式及排放的時空分布有密切的關系?；谝陨隙x，本文作如下假設：首先，研究河流的混合輸移過程通常只關心污染物濃度的沿程變化，而不關心其在斷面上的變化，這時可采用一維水質(zhì)模型進行描述?？紤]到國內(nèi)，尤其是關中地區(qū)的具體治理能力及有關水環(huán)境保護要求2,同時考慮到穩(wěn)態(tài)模型發(fā)展較成熟，本文采用一維穩(wěn)態(tài)模型進行容量計算。其次，當前國內(nèi)河流的污染都以有機物污染為主，渭河的有機物污染相當嚴重，所以本文以COD(化學耗氧量)為代表對有機物的環(huán)境容量計算方法進行研究。第三，為了簡化計算，本文只對點源污染(即排污口)進行計算，同時假定各排污口連續(xù)、均勻排污。由于本文中只為驗證方法而進行計算，故將各支流來水假定為凈水，這樣求得的環(huán)境容量為最大值。在實際應用中，只要將支流濃度改為相應濃度即可。一維穩(wěn)態(tài)情況下有機物的降解過程可用托馬斯（Thomas)模型表述（忽略彌散）3：(1)在C(0)=C0的初值條件下得到托馬斯模型的積分:(2)式中,C（x）、C0為x=x和x=0處河水COD濃度(mg/L)；x為到排污口（x=0）的河水流動距離(m)；u為河水平均流速(m/s)；k1、k3分別為COD衰減系數(shù)和COD沉浮系數(shù)(d1)。1.2段首控制段首控制中的段是指沿河任何兩個排污口斷面之間的河段，而段首則是指各段的上游第一個排污口斷面。某一功能區(qū)內(nèi)各段的劃分情況如圖1所示。段首控制就是控制上游斷面（也即段首）的水質(zhì)達到功能區(qū)段的要求，那么由于有機物的降解，則在該段內(nèi)的水質(zhì)處處達到或高于功能區(qū)段的控制指標。段首控制嚴格控制了功能區(qū)段的水質(zhì)不超標。圖1功能區(qū)段內(nèi)各小段的劃分下面就段首控制的水環(huán)境容量計算方法進行分析。在功能區(qū)段的段首，由于來水的COD濃度與功能區(qū)段水質(zhì)要求的差別，為來水提供了稀釋容量：E0=Q0(Cs-C0)(3)式中,E0為功能區(qū)段段首的稀釋容量（t/d）；Cs為功能區(qū)段水質(zhì)標準（mg/L)；Q0,C0分別代表來水的流量（m3/s)及濃度(mg/L)。功能區(qū)段內(nèi)任意一段的容量計算如圖2所示。由于控制各段段首為水質(zhì)標準，那么經(jīng)過一段降解(如圖2中A、B所示)后，到達段末時的降解量即為該斷面處的環(huán)境容量(如圖2中C、D所示)。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斷面環(huán)境容量；D.第i斷面的環(huán)境容量圖2段首控制容量計算示意圖第i個斷面處的環(huán)境容量為：Ei=(Qi+qi)Cs-QiCsf(xi-xi-1)(4)式中，Ei為第i個斷面處的環(huán)境容量（t/d）；qi為第i個斷面處的排污流量（m3/s)；Qi為混合后干流流量；其余各符號意義同上。則功能區(qū)段內(nèi)所具有的總環(huán)境容量為：(5)化簡式(5)得：(6)1.3段尾控制段尾控制中段的劃分與段首控制相似，只是段的控制斷面在下游的排污口斷面，亦即段尾。段尾控制的目的在于讓水質(zhì)在各段末達到功能區(qū)段水質(zhì)標準，那么我們可以反推出該段段首處的環(huán)境容量。在段尾控制水環(huán)境容量計算中，功能區(qū)段全段水質(zhì)低于水質(zhì)要求，但考慮到降解能力很低，而且各小段較短，超標不會太高，因此，水質(zhì)超標很小。功能區(qū)段內(nèi)小段的劃分如圖1所示。下面就段尾控制的水環(huán)境容量計算進行分析。類似于段首控制，功能區(qū)段段首的稀釋容量為：E0=Q0(Cs-C0)功能區(qū)段內(nèi)任意一段的容量計算如圖3所示。由于控制斷面在