水環境承載能力模型在崔家營船舶發展規模預測中的應用

(武漢理工大學 交通學院,武漢 430063)

船型發展對水環境將造成影響。當船舶的排放量連同其它污染量總和超出水環境容量，即水環境承載能力，將會損害通航水域的環境，船舶發展規模必將受到水環境因素的制約，因此世界各國都非常重視通航水域環境承載能力和防止船舶污染問題，在理論和實踐兩方面都積極地開展了一些相關研究[1-4]。

綜合以往的觀點，認為水環境承載能力是指某一時期，某一區域水環境對人類社會、經濟活動的支持能力的限度。是在滿足水域功能要求的前提下，在給定的水功能區水質目標值，功能區水體所能容納的最大污染物量。其目標是保護現實的或擬定的水環境結構不發生明顯的不利于人類生存的方向性改變，以保障水環境系統功能的可持續正常發揮。水環境承載能力指的是在滿足水域功能要求的前提下，在給定的水功能區水質目標值、現有排污方式下，功能區水體所能容納的最大污染物量。

計算水環境承載能力的數學方法很多。按照計算結果的特點可分為確定性方法和隨機性方法；按時間可分為穩態模型和動態模型；按照空間可分為零維、一維、二維和多維模型；按照模型性質劃分，可分為黑箱、灰箱和白箱模型等。

水環境的承載能力控制目標強調的是生態系統的良性循環，即在不破壞自然生態的前提下水環境能最大限度地為人利用開發。為了客觀地描述水體自凈能力或污染物降解規律，較準確地計算出河段的水環境承載能力。本文結合船舶對水環境污染的實際情況，在設定目標水質和一定保證率流量的前提下，在零維水質模型的基礎上進行改進，來構建水環境承載能力計算方法。

1 水環境承載能力計算方法

1.1 計算方法的建立

1.1.1 零維水質模型

該模型適用于流量和流速較小、水流極緩、全水域污染物完全混合的水體，可表達為

QmCm=(Wwd+Q1C0)

(1)

Wwd=QwμCd+Qw(1-μ)Cw

(2)

式中:Qm——控制斷面徑流量，m3；

Qw——污水排放總量，m3；

Q1——排放的河流上游來水量，m3；

Cw——污水處理前城市污水某污染物綜合濃度，mg/m3；

Cm——控制斷面質量濃度，mg/m3；

Cd——污水處理后某污染物的質量濃度，mg/m3；

C0——水體環境背景值，mg/m3；

Wwd——污水處理后某污染物排放量，t；

μ——污水處理率。

1.1.2 模型的改進

零維水質模型可以計算城市水資源的承載能力，主要用于研究城市污廢水的放排和城市水資源要維持其良好的生態系統的平衡關系，從而來指導城市發展時關于人口、工業的排放最和對水資源的取水量。由于城市水資源主要是以河流為主，且面積較小，水流速度慢，水體生物較少，水體自凈能力較差，污染排放對水質影響比較直接，因此計算模型中幾乎沒有考慮水體的自凈能力。船舶通航水域的水流速度較快，水體自凈能力比較強，而且船舶也是水環境的一個重要的污染源，基于以上因素，在現有零維水質模型中引入了水體自凈能力和船舶污染量兩大因素進行改進。

考慮水體自身凈化能力(污染物綜合降解)和船舶污染的零維水質改建模型：

QmCm=(1-k)(Wc0+Wwd)

(3)

式中：Cm——控制斷面污染物質量濃度,mg/m3；

Wc0——船舶污染物排放量，t;

Wwd——污水處理后污染物總量，t。

1.2 特征量的求解

1.2.1 船舶污染物排放量計算式

Wc0=Qc×Cc

(4)

式中：Qc——船舶排放污水總量，m3；

Cc——污水中污染物的質量濃度，mg/m3。

1.2.2 上游污染物排入研究區域的總量

Wwd=Q0C0+μQ1Cd+Q1(1-μ)C1

(5)

(6)

式中：Cd——污水處理后污染物質量濃度,mg/m3,按照《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)Cd<60 mg/L；

C0——污水處理前污染物質量濃度，mg/m3；

Q0——研究區域上游來水量，m3；

Q1——研究區域上游城市污水排放量，m3；

μ——污水處理率；

qi——上游各河流來水量；

ci——上游各河流來水量水質；

Wwd——污水處理后流經庫區污染物總量，t。

1.2.3 控制斷面徑流量計算

在污水排到地表水體后，水體的水量和水質均發生變化，模擬這種變化，可以建議比較簡單或者復雜的數學模型，下面僅列舉根據水量質量平衡原理建立的計算模型：

Qm=Q0+Q1+Qc-ξ(Q0+Q1+Qc)

(7)

式中：ξ——水體總量消耗系數。

1.2.4 污染物綜合降解系數K的確定

污染物綜合降解系數K是反映污染物沿程變化的綜合系數，它體現污染物自身的變化，也體現了環境對污染物的影響,按下式計算。

(8)

式中：CA——庫區上斷面污染物的質量濃度，mg/L；

CB——庫區下斷面污染物的質量濃度(目標控制濃度)，mg/L；

X——河段長度，m；取X=39 800 km。

v——河段平均流速，m/s;v=0.2～0.4 m/s。

1.2.5 庫區水環境污染物因子的確定

根據國內外水環境承載能力現狀的評價結果，化學需要量(COD)指標是在研究水環境承載能力時最普遍、最嚴重的污染因子，因此，本文在對水環境承載能力進行計算的時候將選定COD作為主要研究因子。

2 水環境承載能力與船舶發展規模的關聯模型

根據研究水環境承載能力對船舶發展規模影響的思想，建立如下濃度指導方程。

Cm≤CS

(9)

式中：CS——控制斷面的質量濃度控制目標值，kg/m3。

由式(2)變形得水環境容納船舶排污量為

(10)

污染物總量指導方程為

Wc0≤Wc

(11)

由式(9)可知，當控制斷面污染物的質量濃度小于控制斷面污染物目標控制值時，表明船舶還有發展的空間;當控制斷面污染物的質量濃度大于控制斷面污染物的質量濃度控制目標值時，表明庫區船舶的發展對庫區水體的污染已經超過了計劃目標值，如果船舶再繼續發展，勢必會進一步影響水體水質，此時的船舶發展是以犧牲水質環境為代價的，式(11)也是同樣的道理。

3 應用

以湖北省漢江崔家營航電樞紐庫區為例，通過建立的水環境承載能力與船舶發展規模的關聯模型，研究水環境的承載能力，并分析承載能力對船舶發展規模的影響。

3.1 船舶生活污水計算

人均生活污水排放量按人均日用水量的80%計算，人均日用水量取220 L/(人·d)，污水中COD 的質量濃度按150 mg/L 計，每人的生活污水的發生排放量為0.176 t/d、COD的發生量為0.026 4 kg/d；崔家營庫區規劃水平年接納船舶生活污水量見表1。

表1 庫區規劃水平年船舶生活污水排放預測表

3.2 船舶含油污水計算

在庫區航行的機動船，按平均每艘船安裝2臺發動機。每艘船燃油柜放沉淀殘油量和發動機漏油量之和約0.3 kg/d，按含油污水的質量濃度15 mg/L計算，船舶每年產生含油廢水見表2[5]。

3.3 上游污染物排入庫區的總量

上游排入庫區的污染物主要來自襄樊市。根據2009年襄樊市環境質量狀況公報[6]可知,全市廢水排放總量2.60億t，比上年減少1.15%。其中工業廢水排放量1.11億t，占廢水排放總量的42.71%。城鎮生活污水排放量1.49億t，占廢水排放總量的57.29%，比上年增加5.17%。現預測，襄樊市規劃水平年污水排放見表3。

表2 庫區規劃水平年船舶油污水排放預測表

表3 襄樊市規劃水平年污水排放預測表

3.4 庫區水環境承載能力計算結果

根據上述確定的模型以及各參數，計算水質控制目標下庫區水環境承載能力如表4。

表4 崔家營庫區規劃水年水環境對船舶的承載能力的計算結果

3.5 計算結果分析

由計算結果可以看出，隨著社會環保意識的日益增強，除了2015年外，庫區上游來水量COD的質量濃度值越來越低，水質環境也越來越好，究其原因是從2015年后，污水處理廠陸續建成并投入使用，工廠生產工藝的改進，人們環保意識的不斷增強，污水排放量減少，在控制目標范圍下庫區水環境承載能力也越來越大。

5 結論

1)船舶發展規模。在不考慮貨源、通航環境、船閘等限制條件，僅考慮COD為主要污染因子的前提下，由表4可以看出，在建立的關聯模型下計算出的庫區水環境能接納船舶的數量是預測船舶數量的百倍以上，這說明了在目前來說，在僅將COD納入研究范圍時，船舶污染對庫區水環境承載能力的影響甚小。因此，在今后相當長的時間內，在上述相關條件基本保持不變的情況下，運輸業船舶規模可持續良好發展。

2)提高水環境承載能力途徑。由水環境承載能力計算模型可以看出，提高水環境承載能力的主要途徑有：減少污水排放量，從而降低COD的質量濃度值，可以通過控制社會經濟發展規模減少用水量，或通過節約用水減少污水排放量；提高污水處理率，增加污水處理量；增加上游來水量；提高水流速度，提升水體自凈能力。

[1] 崔樹彬.論河流水環境承載能力及其應用[J].水問題論壇,2003,38(1)：32-39.

[2] 郭懷成，徐云麟，洪志明，等.我國新經濟開發區水環境規劃研究[J].環境科學進展,1994,2(6)：14-22.

[3] 汪恕誠.水環境承載能力分析與調控[J].水利發展研究，2002,2(1)：2-6.

[4] 李清龍,王路光,張煥禎,等.水環境承載力理論研究與展望[J].地理與地理信息科學,2004,20(1):87-89.

[5] 襄樊市環境保護局.2009年襄樊市環境質量狀況公報[R].襄樊:襄樊市環境保護局，2010.

[6] 襄樊市港航管理局.襄樊港航發展“十二五”規劃[R].襄樊:襄樊市港航管理局,2010.