基于控制斷面和功能區水質雙達標的水環境容量構建

＊趙婧瀅 林來昌

（1.福建師范大學環境科學與工程學院 福建 350007 2.數字福建環境監測物聯網實驗室（福建師范大學）福建 350117 3.福建省污染控制與資源循環利用重點實驗室（福建師范大學）福建 350007）

20世紀70年代，日本為了改善環境質量把一定區域內的污染物總量控制在一定范圍內，而這個“允許限度”實際就是環境容量，并以環境容量研究為基礎，逐漸形成了環境總量控制制度[1-2]。然而歐美國家的學者則是用同化容量和水體容許排污水平等概念[3-4]。水環境容量研究至今已有豐碩的成果，但對于水環境容量至今仍然沒有一個公認、統一的定義[5-6]。

我國在20世紀70年代后期才引入環境容量的概念，早期主要采用簡單的數學模型和解析解算法，研究小河或者大河局部河段的耗氧有機物對水體環境的影響。例如在河流水環境容量計算方法的改進上，從水環境容量的定義出發利用一維穩態水質模型—托馬斯（Thomas）模型推算了有機物水環境容量的不同條件下的計算公式；應用二維水量、水質數學模型進行求解和通過分析河流環境容量的常規方法對環境容量進行核算，并給出了修正算法等[7-8]。因此在兼顧控制斷面和功能區的前提下，提出控制斷面達標和總體達標法兩種方法對研究區域河網進行水環境容量核算，為水體質量管理提供一定的科學依據。

1.水環境模型構建框架

(1)水量方程

描述河道水流運動的圣維南方程組[9]為：

式中：q為支流流量；Q、A、B、Z分別為河道斷面流量、過水面積、河寬和水位；Vx為支流流速向下游方向上的分量；K為流量模數，反映河道通過水流量能力；α為校正系數，是反映河道斷面流速分布均勻性的系數。

(2)水質方程

模型采用一維河流水質模型的基本方程為[9]：

式中：C為物質的濃度；t為時間；u為平均流速；x為橫向坐標；Ex為對流擴散系數；K為物質的一級衰減系數。

對流擴散系數是一個綜合參數項，包含了分子擴散、湍流擴散以及剪切擴散效應。模型通過經驗公式來估算對流擴散系數：

式中：V是流速，來自水動力計算結果；a和b是設定的參數。

2.基于水質達標的水環境容量計算及分析

(1)控制斷面水質達標法

控制斷面水質達標計算是為了實現控制斷面水質達到標準要求，其上游各個排放源的最大允許排放量[10]?？刂茢嗝孢_標計算法能夠保證控制斷面水質滿足標準要求，特別是在重要水質控制斷面的管理。根據水文條件和邊界水質要求，利用水量水質模型得出斷面水質達標時各概化排污口的允許排放量，進而計算區域水環境容量。

(2)功能區水質達標法

河網（河道）區環境容量具體計算公式[11-12]如下：

其中：αij為不均勻系數；αij∈(0，1]；河道越寬、水面越大，則αij越小，見表1。

表1 河流不均勻系數取值表

Wij為計算中的最小空間計算單元和最小時間計算單元。計算中最小空間計算單元為河段（河段為兩節點之間的河道）；最小時間計算單元為天。

根據確定的邊界水文條件，利用研究區域河網水量數學模型，計算出研究區域最小空間單元和最小時間單元的環境容量值；再根據公式（5）匯總出各控制單元的環境容量值。

3.研究區域概況

(1)地理區位

浙江省湖州市地處浙江省北部，北緯30°23'-31°11'，東經119°14'-120°29'。東鄰上海，南接杭州，西依天目山，北瀕太湖，與無錫、蘇州隔湖相望。

(2)數據來源

水環境現狀數據來源于浙江省環境監測系統的水環境質量監測，共涉及斷面29個。監測項目為高錳酸鹽指數和NH4-N共2項指標。

(3)水質現狀

湖州市區水體主要污染物為高錳酸鹽指數和NH4-N，湖州市區高錳酸鹽指數濃度分別為4.32mg/L和4.16mg/L，都維持在Ⅲ類及以上水平；湖州市區NH4-N濃度0.316mg/L和0.642mg/L，維持在Ⅲ類及以上水平。

4.研究區域河網水環境模型的建立

(1)河網斷面和排污口概化

以主干河道為基礎，按照河網概化的基本原則，對湖州市境內河網進行了合理概化，概化河網和排污口概化見圖1，共設置了37條河流，總長約418km。總體上河道斷面間距（計算水位點）是1000～10000m。模型計算點（計算水位點、流量點）總數249個。

圖1 湖州市河網控制斷面選取及排污口概化

(2)模型邊界條件

①模型率定

A.外部邊界

模型共設置19個開邊界（其中10個流量邊界、9個水位邊界）。所有邊界采用同步監測水位過程，利用現有的實測數據或臨近的水文監測數據進行賦值。

B.內部邊界

根據現狀污染源調查情況，設置了132個內部邊界，包括點源和面源。

②模型驗證

采用同步監測數據對模型進行驗證。

(3)模型參數率定

①水動力模型參數率定

利用同步監測數據對水動力模型進行率定，調試各河道的糙率使得計算水位和水量過程與實測相吻合，率定得出河道糙率為0.025～0.038之間。

表2和表3給出了模型率定計算得到的部分點位水位及水量誤差分析結果，由表可知：水位的絕對誤差均在4cm以內，水量的相對誤差均在30%以內。

表2 研究區域斷面水位計算值和實測值的絕對誤差統計結果

表3 研究區域斷面水量計算值和實測值的絕對誤差統計結果

②水質模型參數率定

采用同步監測資料對水質模型進行率定，模型率定的參數見表4。從表的誤差分析結果可知，高錳酸鹽指數的相對誤差小于18.11%，平均誤差為17.06%；NH4-N的相對誤差小于24.00%，平均誤差為23.06%，滿足誤差要求在30%以內。

表4 研究區域斷面高錳酸鹽指數、NH4-N計算值和實測值的絕對誤差統計結果表

(4)模型參數選取

本次計算選取率定得到的水質降解系數：高錳酸鹽指數降解系數0.09～0.15d-1之間，NH4-N降解系數0.05～0.08d-1之間。

(5)計算結果及合理性分析

①計算結果

采用控制斷面水質達標法及功能區總體達標法兩種方法計算得到各個水（環境）功能區水環境容量見表5，由表可知：A.控制斷面水質達標條件下，湖州市區高錳酸鹽指數、NH4-N的水環境容量分別是25931t/a、2888t/a。B.功能區水質總體達標條件下，湖州市區高錳酸鹽指數、NH4-N的水環境容量分別是25680t/a、2898t/a。C.雙重達標條件下，湖州市區高錳酸鹽指數、NH4-N的水環境容量分別是24199t/a、2823t/a。比較兩種方法計算結果，大部分的功能區控制斷面水質達標條件下的水環境容量大，有部分功能區的計算結果小。因此，如果采用單一方法計算水環境容量，會造成總量控制值偏大或者偏小，只有在綜合考慮兩種計算方法的差異性下取小值作為最終的總量控制值才能達到最嚴格的區域總量控制。

表5 研究區域水（環境）功能區計算結果

②合理性分析

根據2019年研究區域入河量統計結果，湖州市基于水環境容量的區域污染削減量和削減率見表6。由表可得：基于2019年現狀污染物入河量基礎上的高錳酸鹽指數、NH4-N削減率分別0%、12%，目前湖州市區的總量控制指標是NH4-N。

表6 湖州市區入河污染物削減量及削減率計算成果表

NH4-N的水質超標率與其污染削減率基本相一致，由此可以得出水環境容量的計算結果基本合理。高錳酸鹽指數的雖然有一定的水質超標，但是高錳酸鹽指數污染物總量不需要削減，主要原因是高錳酸鹽指數的水質超標較低，個別功能區發生超環境容量的污染物排放，對整個區域而言，總量排放并沒有超過水環境容量，所以不需要削減。

5.結論

以浙江省湖州市區為研究區域，提出控制斷面達標法和功能區水體總體達標法的雙達標方法計算研究區域的水環境容量，得出以下結論：

（1）目前湖州市區高錳酸鹽指數和NH4-N屬于輕度污染，但是水質年變化呈現惡化趨勢。

（2）構建了研究區域一維非穩態水環境數學模型，為區域水環境容量計算提供數據支撐。

（3）采用控制斷面達標法和功能區水體總體達標法的兩種方法分別計算研究區域高錳酸鹽指數和NH4-N的水環境容量，取兩種方法的小值作為嚴格的總量控制值。