水環(huán)境承載能力模型在崔家營(yíng)船舶發(fā)展規(guī)模預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,武漢 430063)

船型發(fā)展對(duì)水環(huán)境將造成影響。當(dāng)船舶的排放量連同其它污染量總和超出水環(huán)境容量，即水環(huán)境承載能力，將會(huì)損害通航水域的環(huán)境，船舶發(fā)展規(guī)模必將受到水環(huán)境因素的制約，因此世界各國(guó)都非常重視通航水域環(huán)境承載能力和防止船舶污染問(wèn)題，在理論和實(shí)踐兩方面都積極地開(kāi)展了一些相關(guān)研究[1-4]。

綜合以往的觀點(diǎn)，認(rèn)為水環(huán)境承載能力是指某一時(shí)期，某一區(qū)域水環(huán)境對(duì)人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)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(qū)水質(zhì)目標(biāo)值，功能區(qū)水體所能容納的最大污染物量。其目標(biāo)是保護(hù)現(xiàn)實(shí)的或擬定的水環(huán)境結(jié)構(gòu)不發(fā)生明顯的不利于人類生存的方向性改變，以保障水環(huán)境系統(tǒng)功能的可持續(xù)正常發(fā)揮。水環(huán)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(qū)水質(zhì)目標(biāo)值、現(xiàn)有排污方式下，功能區(qū)水體所能容納的最大污染物量。

計(jì)算水環(huán)境承載能力的數(shù)學(xué)方法很多。按照計(jì)算結(jié)果的特點(diǎn)可分為確定性方法和隨機(jī)性方法；按時(shí)間可分為穩(wěn)態(tài)模型和動(dòng)態(tài)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(zhì)劃分，可分為黑箱、灰箱和白箱模型等。

水環(huán)境的承載能力控制目標(biāo)強(qiáng)調(diào)的是生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，即在不破壞自然生態(tài)的前提下水環(huán)境能最大限度地為人利用開(kāi)發(fā)。為了客觀地描述水體自凈能力或污染物降解規(guī)律，較準(zhǔn)確地計(jì)算出河段的水環(huán)境承載能力。本文結(jié)合船舶對(duì)水環(huán)境污染的實(shí)際情況，在設(shè)定目標(biāo)水質(zhì)和一定保證率流量的前提下，在零維水質(zhì)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，來(lái)構(gòu)建水環(huán)境承載能力計(jì)算方法。

1 水環(huán)境承載能力計(jì)算方法

1.1 計(jì)算方法的建立

1.1.1 零維水質(zhì)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(dá)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(lái)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(zhì)量濃度，mg/m3；

Cd——污水處理后某污染物的質(zhì)量濃度，mg/m3；

C0——水體環(huán)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(jìn)

零維水質(zhì)模型可以計(jì)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(tài)系統(tǒng)的平衡關(guān)系，從而來(lái)指導(dǎo)城市發(fā)展時(shí)關(guān)于人口、工業(yè)的排放最和對(duì)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(duì)水質(zhì)影響比較直接，因此計(jì)算模型中幾乎沒(méi)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(qiáng)，而且船舶也是水環(huán)境的一個(gè)重要的污染源，基于以上因素，在現(xiàn)有零維水質(zhì)模型中引入了水體自凈能力和船舶污染量?jī)纱笠蛩剡M(jìn)行改進(jìn)。

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(zhì)改建模型：

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

(3)

式中：Cm——控制斷面污染物質(zhì)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(jì)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(zhì)量濃度，mg/m3。

1.2.2 上游污染物排入研究區(qū)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(zhì)量濃度,mg/m3,按照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)Cd<60 mg/L；

C0——污水處理前污染物質(zhì)量濃度，mg/m3；

Q0——研究區(qū)域上游來(lái)水量，m3；

Q1——研究區(qū)域上游城市污水排放量，m3；

μ——污水處理率；

qi——上游各河流來(lái)水量；

ci——上游各河流來(lái)水量水質(zhì)；

Wwd——污水處理后流經(jīng)庫(kù)區(qū)污染物總量，t。

1.2.3 控制斷面徑流量計(jì)算

在污水排到地表水體后，水體的水量和水質(zhì)均發(fā)生變化，模擬這種變化，可以建議比較簡(jiǎn)單或者復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，下面僅列舉根據(jù)水量質(zhì)量平衡原理建立的計(jì)算模型：

Qm=Q0+Q1+Qc-ξ(Q0+Q1+Qc)

(7)

式中：ξ——水體總量消耗系數(shù)。

1.2.4 污染物綜合降解系數(shù)K的確定

污染物綜合降解系數(shù)K是反映污染物沿程變化的綜合系數(shù)，它體現(xiàn)污染物自身的變化，也體現(xiàn)了環(huán)境對(duì)污染物的影響,按下式計(jì)算。

(8)

式中：CA——庫(kù)區(qū)上斷面污染物的質(zhì)量濃度，mg/L；

CB——庫(kù)區(qū)下斷面污染物的質(zhì)量濃度(目標(biāo)控制濃度)，mg/L；

X——河段長(zhǎng)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(kù)區(qū)水環(huán)境污染物因子的確定

根據(jù)國(guó)內(nèi)外水環(huán)境承載能力現(xiàn)狀的評(píng)價(jià)結(jié)果，化學(xué)需要量(COD)指標(biāo)是在研究水環(huán)境承載能力時(shí)最普遍、最嚴(yán)重的污染因子，因此，本文在對(duì)水環(huán)境承載能力進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候?qū)⑦x定COD作為主要研究因子。

2 水環(huán)境承載能力與船舶發(fā)展規(guī)模的關(guān)聯(lián)模型

根據(jù)研究水環(huán)境承載能力對(duì)船舶發(fā)展規(guī)模影響的思想，建立如下濃度指導(dǎo)方程。

Cm≤CS

(9)

式中：CS——控制斷面的質(zhì)量濃度控制目標(biāo)值，kg/m3。

由式(2)變形得水環(huán)境容納船舶排污量為

(10)

污染物總量指導(dǎo)方程為

Wc0≤Wc

(11)

由式(9)可知，當(dāng)控制斷面污染物的質(zhì)量濃度小于控制斷面污染物目標(biāo)控制值時(shí)，表明船舶還有發(fā)展的空間;當(dāng)控制斷面污染物的質(zhì)量濃度大于控制斷面污染物的質(zhì)量濃度控制目標(biāo)值時(shí)，表明庫(kù)區(qū)船舶的發(fā)展對(duì)庫(kù)區(qū)水體的污染已經(jīng)超過(guò)了計(jì)劃目標(biāo)值，如果船舶再繼續(xù)發(fā)展，勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步影響水體水質(zhì)，此時(shí)的船舶發(fā)展是以犧牲水質(zhì)環(huán)境為代價(jià)的，式(11)也是同樣的道理。

3 應(yīng)用

以湖北省漢江崔家營(yíng)航電樞紐庫(kù)區(qū)為例，通過(guò)建立的水環(huán)境承載能力與船舶發(fā)展規(guī)模的關(guān)聯(lián)模型，研究水環(huán)境的承載能力，并分析承載能力對(duì)船舶發(fā)展規(guī)模的影響。

3.1 船舶生活污水計(jì)算

人均生活污水排放量按人均日用水量的80%計(jì)算，人均日用水量取220 L/(人·d)，污水中COD 的質(zhì)量濃度按150 mg/L 計(jì)，每人的生活污水的發(fā)生排放量為0.176 t/d、COD的發(fā)生量為0.026 4 kg/d；崔家營(yíng)庫(kù)區(qū)規(guī)劃水平年接納船舶生活污水量見(jiàn)表1。

表1 庫(kù)區(qū)規(guī)劃水平年船舶生活污水排放預(yù)測(cè)表

3.2 船舶含油污水計(jì)算

在庫(kù)區(qū)航行的機(jī)動(dòng)船，按平均每艘船安裝2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。每艘船燃油柜放沉淀殘油量和發(fā)動(dòng)機(jī)漏油量之和約0.3 kg/d，按含油污水的質(zhì)量濃度15 mg/L計(jì)算，船舶每年產(chǎn)生含油廢水見(jiàn)表2[5]。

3.3 上游污染物排入庫(kù)區(qū)的總量

上游排入庫(kù)區(qū)的污染物主要來(lái)自襄樊市。根據(jù)2009年襄樊市環(huán)境質(zhì)量狀況公報(bào)[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(yè)廢水排放量1.11億t，占廢水排放總量的42.71%。城鎮(zhèn)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(xiàn)預(yù)測(cè)，襄樊市規(guī)劃水平年污水排放見(jiàn)表3。

表2 庫(kù)區(qū)規(guī)劃水平年船舶油污水排放預(yù)測(cè)表

表3 襄樊市規(guī)劃水平年污水排放預(yù)測(cè)表

3.4 庫(kù)區(qū)水環(huán)境承載能力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述確定的模型以及各參數(shù)，計(jì)算水質(zhì)控制目標(biāo)下庫(kù)區(qū)水環(huán)境承載能力如表4。

表4 崔家營(yíng)庫(kù)區(qū)規(guī)劃水年水環(huán)境對(duì)船舶的承載能力的計(jì)算結(jié)果

3.5 計(jì)算結(jié)果分析

由計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著社會(huì)環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，除了2015年外，庫(kù)區(qū)上游來(lái)水量COD的質(zhì)量濃度值越來(lái)越低，水質(zhì)環(huán)境也越來(lái)越好，究其原因是從2015年后，污水處理廠陸續(xù)建成并投入使用，工廠生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，污水排放量減少，在控制目標(biāo)范圍下庫(kù)區(qū)水環(huán)境承載能力也越來(lái)越大。

5 結(jié)論

1)船舶發(fā)展規(guī)模。在不考慮貨源、通航環(huán)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(guān)聯(lián)模型下計(jì)算出的庫(kù)區(qū)水環(huán)境能接納船舶的數(shù)量是預(yù)測(cè)船舶數(shù)量的百倍以上，這說(shuō)明了在目前來(lái)說(shuō)，在僅將COD納入研究范圍時(shí)，船舶污染對(duì)庫(kù)區(qū)水環(huán)境承載能力的影響甚小。因此，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，在上述相關(guān)條件基本保持不變的情況下，運(yùn)輸業(yè)船舶規(guī)模可持續(xù)良好發(fā)展。

2)提高水環(huán)境承載能力途徑。由水環(huán)境承載能力計(jì)算模型可以看出，提高水環(huán)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(zhì)量濃度值，可以通過(guò)控制社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模減少用水量，或通過(guò)節(jié)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(lái)水量；提高水流速度，提升水體自凈能力。

[1] 崔樹(shù)彬.論河流水環(huán)境承載能力及其應(yīng)用[J].水問(wèn)題論壇,2003,38(1)：32-39.

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[3] 汪恕誠(chéng).水環(huán)境承載能力分析與調(diào)控[J].水利發(fā)展研究，2002,2(1)：2-6.

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[5] 襄樊市環(huán)境保護(hù)局.2009年襄樊市環(huán)境質(zhì)量狀況公報(bào)[R].襄樊:襄樊市環(huán)境保護(hù)局，2010.

[6] 襄樊市港航管理局.襄樊港航發(fā)展“十二五”規(guī)劃[R].襄樊:襄樊市港航管理局,2010.