水環(huán)境容量與總量控制及其在樂安河的研究應(yīng)用

摘要：本文介紹了水環(huán)境容量、總量控制在國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展?fàn)顩r及研究中存在的問題，并針對(duì)樂安河流域水環(huán)境容量及總量控制的研究進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境容量 總量控制 樂安河

Study on Water Environmental Capacity andTotal Control and Apply in Le，An River

HUANG Xue-ping1，Liu Feng2，Wan Wei-hong1

(1.Dept of Civil Engineering and Architecture，Nanchang Institute of Technology， Nanchang 330029

2.College of Chemistry Chemical Engineering， Jiangxi Science Technology Normal University， Nanchang 330031 )

Abstract：It presents the study situation and current issue in water environmental capacity and total control.Moreover， this paper introduce its applying in Le，An river

Keywords：water environmental capacity；total control；Le，An river

樂安河源于江西與浙江省的交界處，流經(jīng)婺源、德興、樂平、萬年、波陽等縣（市），最后進(jìn)入鄱陽湖，全長(zhǎng)279 km。由于受沿岸工業(yè)廢水、生活污水等的污染，致使該河的許多污染指標(biāo)超標(biāo)，尤其是Cu、Pb、CODCr 、氨氮已嚴(yán)重超標(biāo)，其污染甚至波及到鄱陽湖的水質(zhì)。

欲有效地對(duì)樂安河水環(huán)境實(shí)施綜合整治，不僅要嚴(yán)格實(shí)施污染物達(dá)標(biāo)排放，還必須研究樂安河的水環(huán)境容量，并以此作為污染防治的依據(jù)，對(duì)主要污染物實(shí)行總量控制，這樣才能有效地改善樂安河水環(huán)境質(zhì)量。

1. 水環(huán)境容量及總量控制在國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展?fàn)顩r

環(huán)境容量于1968年由日本環(huán)境學(xué)界提出來后到1975年才從定性的概念發(fā)展到定量化。爾后，日本國(guó)會(huì)通過了一項(xiàng)法案，把環(huán)境容量具體應(yīng)用到河流及海洋的環(huán)境管理工作中并提出對(duì)污染物實(shí)行排放總量控制，改變了過去用排放濃度控制的辦法。

水環(huán)境容量的計(jì)算是以水質(zhì)數(shù)學(xué)模型為手段。1925年Streeter和Phelos首先進(jìn)行了一維水質(zhì)模型的研究，建立了DO-BOD水質(zhì)模型。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，以及生物化學(xué)耗氧過程認(rèn)識(shí)的深入，模型發(fā)展為BOD、DO、氮、硝酸鹽等多個(gè)線性系統(tǒng)的水質(zhì)模型，如美國(guó)的包括七個(gè)參數(shù)的QUAL-Ⅱ河流綜合水質(zhì)模型[1～2]。

近年來我國(guó)對(duì)河流的水環(huán)境容量開展了研究工作，并取得了不少可喜的成績(jī)。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。如小河流的一維水質(zhì)模型，中等河流及大江大河的二維水質(zhì)模型，河口水質(zhì)模型等都在探索之中。

研究的內(nèi)容涉及到有機(jī)污染物，有毒物質(zhì)（酚等），重金屬和懸浮態(tài)污染物質(zhì)等各個(gè)方面[3]。

中國(guó)的水污染物總量控制，概念來自日本的“閉合水域總量規(guī)劃”，技術(shù)方法引自美國(guó)的水質(zhì)規(guī)劃理論[4]。參照美國(guó)制訂水質(zhì)規(guī)劃的要求，誕生了中國(guó)最早的洋河流域水質(zhì)規(guī)劃。在第一松花江，引進(jìn)BOD-DO水質(zhì)模型和線性規(guī)劃方法分配BOD負(fù)荷量，制訂了中國(guó)第一個(gè)流域BOD5總量控制標(biāo)準(zhǔn)，成為我國(guó)水污染物總量控制的最早實(shí)踐。

“六五”科技攻關(guān)期間，夏青等前輩在國(guó)內(nèi)首次完成了溶解氧模型的改進(jìn)；首次提出了用離散規(guī)劃方法進(jìn)行總量分配；并且制訂了沱江水質(zhì)規(guī)劃和總量控制方案。使中國(guó)的流域總量控制學(xué)術(shù)研究達(dá)到了較高水平。

國(guó)家“七五”、“八五”科技攻關(guān)期間，在全國(guó)多個(gè)水域開展了水環(huán)境容量開發(fā)利用研究，把水環(huán)境容量的研究成果落實(shí)于污染物總量控制。在淮河淮南段、長(zhǎng)江安慶、渭河咸陽段、松花江佳木斯段、湘江湘潭段等30多個(gè)水域開展了水污染防治和水污染物總量控制的研究。

“九五”期間為實(shí)現(xiàn)我國(guó)“九五”環(huán)境目標(biāo)，我國(guó)明文規(guī)定要在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境危害較大的12種污染物實(shí)行總量控制。經(jīng)過“九五”期間的努力，全國(guó)以“三江三湖”為重點(diǎn)的流域總量控制機(jī)制已經(jīng)基本建立，并且為改善各個(gè)流域的水環(huán)境質(zhì)量起到了很好的促進(jìn)作用。

我國(guó)“十五”計(jì)劃中明確提出“‘十五’期間全國(guó)主要污染物排放總量削減10％的目標(biāo)”，首次把污染物排放總量控制指標(biāo)納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃，充分肯定了總量控制作為環(huán)境管理和推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要意義[5]?？偭靠刂普呤撬h(huán)境管理的自我完善，也是符合當(dāng)前我國(guó)國(guó)情的科學(xué)性選擇，對(duì)促進(jìn)江河水系內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展有著極其重要的意義[6]。

2. 國(guó)內(nèi)外水環(huán)境容量與總量控制研究中存在的問題

水環(huán)境容量計(jì)算中，模型的正確建立與求解是至關(guān)重要的。但由于河流是自然環(huán)境的組成要素，它們具有顯著的地域特點(diǎn)，表現(xiàn)在水文特征、地球化學(xué)背景的差別、工程設(shè)施的影響等，對(duì)一切水體和各種規(guī)劃都是最優(yōu)的水質(zhì)模型、總量控制模式目前尚不存在。對(duì)水文氣象條件、地質(zhì)條件各不相同的河流，其可鑒與比較性也相對(duì)較差。因此，在對(duì)某一具體流域進(jìn)行規(guī)劃控制時(shí)，需結(jié)合該流域的自身特征來選擇合適的水質(zhì)模型及總量控制模式。

模型能否應(yīng)用，關(guān)鍵在于能否正確識(shí)別參數(shù)，參數(shù)取值的合理與否直接影響到模型計(jì)算的成敗，對(duì)它們的理論研究與計(jì)算方法是本學(xué)科的一大難題。目前，論述模型形式的文章較多，介紹參數(shù)識(shí)別經(jīng)驗(yàn)的研究成果較少，國(guó)內(nèi)外在這方面至今還沒有比較公認(rèn)的和比較成熟的經(jīng)驗(yàn)[7～8]。

在計(jì)算水環(huán)境容量時(shí)，環(huán)?？萍脊ぷ髡邔?duì)于選擇功能區(qū)段內(nèi)的哪一段作為控制段的問題還存在爭(zhēng)議。西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院的周孝德教授等提出了在一維穩(wěn)態(tài)條件下計(jì)算水環(huán)境容量的3種方法[9]，即段首控制方法、段尾控制方法和功能區(qū)段尾控制方法。但這3種方法各有優(yōu)劣勢(shì)及適用條件。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)需結(jié)合河流實(shí)際狀況確定。

選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ朴喛茖W(xué)、合理、可行的總量控制目標(biāo)分配方案，是實(shí)施總量控制的關(guān)鍵[10]。目前關(guān)于目標(biāo)分配的理論研究很多，但其中論及的方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，需結(jié)合河流沿岸經(jīng)濟(jì)、工企業(yè)發(fā)展等實(shí)際情況確定。

3. 樂安河水環(huán)境容量及總量控制的研究

3.1 研究思路、內(nèi)容及方法

首先在對(duì)樂安河流域進(jìn)行水污染現(xiàn)狀分析、評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，確定總量控制因子為CODCr 、氨氮及重金屬Cu、Pb。由此探尋、建立適合樂安河流域重金屬、有機(jī)污染物水環(huán)境容量計(jì)算的水質(zhì)模型，結(jié)合樂安河水文、水質(zhì)特點(diǎn)，確定水質(zhì)模型中的參數(shù)并進(jìn)行驗(yàn)證。再計(jì)算樂安河各功能區(qū)河段Cu、Pb、CODCr、氨氮的水環(huán)境容量。根據(jù)水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果實(shí)施總量控制，并提出污染治理措施。

通過對(duì)樂安河流域水污染現(xiàn)狀調(diào)查、分析、評(píng)價(jià)，選擇其中對(duì)樂安河水環(huán)境和人體健康危害較大的CODCr、氨氮、Cu、Pb作為總量控制因子。

按照《江西省地表水環(huán)境功能區(qū)劃方案》劃分樂安河流域控制斷面、水質(zhì)功能區(qū)劃并確定相應(yīng)水質(zhì)目標(biāo)；在定常設(shè)計(jì)條件下，結(jié)合樂安河的實(shí)際情況，針對(duì)重金屬、有機(jī)污染物在河流中的稀釋擴(kuò)散和自凈機(jī)理建立水質(zhì)模型。對(duì)于CODCr、NH3-N水質(zhì)組份，運(yùn)用美國(guó)最新推出的QUAL2K綜合水質(zhì)模型研究其在樂安河流域的水質(zhì)模擬；對(duì)于重金屬污染物Cu、Pb，選擇一維重金屬遷移轉(zhuǎn)化水質(zhì)模型研究其在樂安河流域的水質(zhì)模擬。

河流的設(shè)計(jì)流量采用近十年最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)流量，其它水文參數(shù)都是設(shè)計(jì)流量Q的函數(shù)，采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：U=αQβ，H=γQδ計(jì)算；其它模型參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定或采用室內(nèi)模擬、水文、水質(zhì)實(shí)測(cè)并應(yīng)用一元線性回歸、最小二乘法等方法進(jìn)行計(jì)算確定。

采用解析法、功能區(qū)段首控制對(duì)樂安河各功能控制區(qū)段計(jì)算水環(huán)境容量；根據(jù)水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果，基于可持續(xù)發(fā)展原則，本著實(shí)事求是的態(tài)度，采取保留一部分環(huán)境容量進(jìn)行總量控制目標(biāo)分配、實(shí)施總量控制并提出相應(yīng)的污染治理措施。

3.2 研究技術(shù)路線

第一步：對(duì)區(qū)域內(nèi)的自然條件、資源、社會(huì)、人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，特別是水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀、工業(yè)廢水排放情況、城鎮(zhèn)生活污水排放等，廣泛收集資料，進(jìn)行全面深入的調(diào)查、分析、評(píng)價(jià)。

第二步：建立區(qū)域內(nèi)河流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行水污染物的模擬計(jì)算，并進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

第三步：劃分區(qū)域內(nèi)水環(huán)境功能區(qū)，確定各功能區(qū)水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)。

第四步：建立河流水環(huán)境容量計(jì)算模型，根據(jù)確定的水質(zhì)目標(biāo)，計(jì)算河流水環(huán)境容量。

第五步：根據(jù)水環(huán)境容量計(jì)算值，實(shí)施總量控制，提出水污染防治的整治措施。樂安河流域水環(huán)境容量及總量控制研究技術(shù)路線具體見圖1。

3.3 研究結(jié)論及意義

依據(jù)水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果，基于可持續(xù)發(fā)展、采取保留一部分環(huán)境容量的原則實(shí)施總量控制，計(jì)算出各控制區(qū)污染物應(yīng)削減量或可新增加量，并提出下列相應(yīng)的污染治理措施：籌建生活污水處理廠、加強(qiáng)城鎮(zhèn)污染的集中控制；沿線工業(yè)污染源達(dá)標(biāo)排放并實(shí)施總量控制管理；注重控制畜牧養(yǎng)殖業(yè)污水的污染；加強(qiáng)全流域水質(zhì)監(jiān)控與管理，整治受污染支流，對(duì)樂安河全流域采取上攔——中清——下泄的水污染綜合整治措施。

課題研究者希望通過對(duì)樂安河主要污染物水環(huán)境容量與總量控制的研究，為樂安河水資源的合理開發(fā)、水環(huán)境容量的充分利用、沿岸工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的合理布局、水環(huán)境的綜合整治等提供科學(xué)的依據(jù)，有效地改善樂安河、鄱陽湖水環(huán)境質(zhì)量，使樂安河流域的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與水環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展；也為其它類似河流的水環(huán)境容量與總量控制的研究提供一定的借鑒作用。

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