河流水環境容量一維計算模型分析

摘 要：在一定水文設計條件和水質目標前提下，根據一維河流水質模型理論，探討不同控制斷面和排污口位置下的河流水環境容量的計算方法。在計算水環境容量時，對于長度較短的河段，排污口均勻概化和中點概化差異不大；對于長度較長的河段，排污口均勻概化比中點概化更接近實際情況。段首法最為嚴格，適于經濟發達地區、水源地或旨在改善水質的區域；段尾法次之；功能區末端控制法要求達到的環境目標值更低。

關鍵詞：水環境容量；排污口概化；段首控制法；段尾控制法

水環境容量是指某一水環境單元在特定的環境目標下所能容納污染物的量，也就是環境單元依靠自身特性使本身功能不至于破壞的前提下能夠允許容納的污染物的量[1]。其大小與水環境功能目標、水體特征、污染物特性及排污方式相關。通常以單位時間（如：一年）內水體所能承受的污染物排放總量表示。水環境容量也可稱為水域的納污能力。

1 計算流程

在計算水環境容量時一般按以下流程：（1）調查收集水環境功能區的基本資料并分析整理；（2）調查分析水環境功能區的水質狀況；（3）調查分析沿河排污口的位置分布、排污負荷等具體情況；（4）調查水環境功能區水文參數；（5）確定水體的水質目標；（6）選用適當的計算模型，計算水域的環境容量；（7）分析、驗證計算結果的合理性。

2 計算模型

根據所采用的水質數學模型維數的不同，水環境容量計算模型可分為零維模型、一維模型和二維模型。其中零維模型主要適用于污染物均勻混合的小型河流及河網流域；一維模型主要適用于河道寬深比不大，在較短時間內污染物質能在橫斷面上均勻混合的中小型河流；二維模型主要適用于河道寬度較大，河流橫向距離顯著大于垂向距離，在橫斷面上污染物分布不均勻的河流，或者寬度雖然不大，但是存在如魚類的洄游通道等特殊功能需求的河流。以下將重點討論河流非持久性污染物的一維水環境容量計算模型。

一維穩態水質模型：

式中C1為排污口廢水濃度，mg/L；q為廢水量，m3/s；C0為上游河水濃度，mg/L；Q0為流量，m3/s；K為水質降解系數，1/d；x為距排污口的距離，m；u為流速，m/s。

當C=CS時，C1q=W即為環境容量，推導出單排污口河流一維水環境容量模型：

式中W為水環境容量，kg/d；CS為水質目標。

因為考慮了污染物排入河流后產生的混合區，更加貼近河流實際的水環境容量，因而該模型應用更為普遍。

3 控制斷面

針對不同水污染控制模式，周孝德、郭瑾瓏等[2]提出了段首控制、段尾控制和功能區末端控制三種方法，計算一維穩態條件下水環境容量。

3.1 段首控制

段首控制就是要求污染物入河后，在計算河段段首處，水質達到相應水環境功能區目標。沿河流流向，隨著有機物的降解，污染物濃度在該計算河段內處處達標，無超標河段。從水環境管理角度來說，段首控制最為嚴格。概化示意見圖1所示。

注：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個計算河段段首降解到段末處的質量濃度差值，mg/L；D-第i個計算河段段首降解到段末處的質量濃度差值，mg/L；Ci-來水衰減到第i個斷面處的質量濃度，mg/L；Qi-混合后干流流量，m3/s。

第i段計算河段的水環境容量為：

式中Mi為第i個計算河段的水環境容量，g/s；Ci為第i個計算河段的質量濃度，mg/L；Qi為第i個計算河段的設計流量，m3/s；Cs，i為第i個計算河段的水質標準，mg/L；C0，i為第i個計算河段的上游來水污染物濃度，mg/L；Ki為第i個計算河段降解系數，1/d；Li為第i個計算河段長度，m；ui為第i個計算河段平均流速，m/s。

3.2 段尾控制

段尾控制就是要求污染物入河后，在計算河段段尾處，水質達到相應水環境功能區目標。然而由于有機物沿河流流向降解，段尾以上河段水質則低于相應水環境功能區目標要求，計算河段水質全部超標。概化示意見圖2所示，其中參數意義與圖1相同，第i段計算河段的水環境容量為：

3.3 功能區末端控制

功能區末端控制就是根據河流水環境管理要求，將計算河段某斷面設定為水質控制斷面，從而控制水質達標河段長度。從該水質控制斷面到下游計算河段段尾，水質處處達標；而從該水質控制斷面到上游計算河段段首，水質是全部超標的。其概化示意見圖3所示，其中參數意義與圖1相同，第i段計算河段的水環境容量為：

式中？籽i為第i河段的水質達標率，即達標河段長度所占百分率。

4 多個排污口影響控制斷面水質時的處理方法

河流水環境容量與污染物的排放位置及排放方式有關，限定的排放方式是確定河流水環境容量的一個重要確定因素[3]。當某一段河流設置了多個排污口，且排污口間距較小，則可把多個排污口概化成一個集中排污口。目前污染源排污口概化主要有中點概化、均勻概化和排污口重心概化三種方法。

4.1 中點概化

中點概化法是將計算河段內的多個排污口概化為置于河段的中點處的一個集中排污口，該排污口的有機物降解長度是河段長度的一半。中點概化河段水環境容量的計算公式為：

當計算功能區河段太長時，首先需要把功能區河段分成幾個較短的計算河段，然后每一個較短的計算河段采用該公式來計算水環境容量，最后再相加，就得到整個功能區河段的水環境容量。這樣分段處理而計算的水環境容量與實際情況更符合。

4.2 均勻概化

均勻概化法是將計算河段內的多個分布不規則的排污口概化為均勻分布的多個排污口，并且污染物排放也均勻分布。例如，在計算河段內選擇一微小河段dx，距河段段首距離為x，此微段污染物輸運至x=L處的剩余質量為dm，上游各微段質量降解到x=L斷面處的總質量迭加設為m，則：

均勻概化河段水環境容量的計算公式為[4]：

4.3 重心概化法

排污口概化的重心計算如下[5]：

X=（Q1C1X1+Q2C2X2+…+QnCnXn）/（Q1C1+Q2C2+…+QnCn）

式中X為概化的排污口到功能區劃下斷面或控制斷面的距離；Qn為第n個排污口（支流口）的水量；Xn為第n個排污口（支流口）到功能區劃下斷面的距離；Cn為第n個排污口（支流口）的污染物濃度。

排污口重心概化河段水環境容量的計算公式為：

5 結束語

（1）因段首控制法要求非常嚴格，適用對象應為污染較輕或為了改善水質條件的河段，所以主要應用于水質較好的源頭地區，或對水質要求較高、污染治理能力強的地區。（2）段尾控制法對水質的要求相對最低，主要是為了控制污染，而非為了改善水質，所以適用于水體污染較嚴重或污染治理能力較弱的地區。（3）功能區末端控制法主要用于控制對特定區段水質有很高要求的河段，而對其他區段水質要求較低的水體。在特定段段首處嚴格限制水質，其上游河段排污量只要滿足特定段段首控制要求即可。（4）在計算水環境容量時，對于長度較短的河段，排污口均勻概化和中點概化差異不大；對于長度較長的河段，排污口均勻概化比中點概化更接近實際情況。

參考文獻

[1]逄勇，陸桂華.水環境容量計算理論及應用[M].北京：科學出版社，2010：1.

[2]周孝德，郭瑾瓏，程文，等.水環境容量計算方法研究[J].西安理工大學學報，1999，15（3）：1-6.

[3]周美正.不同流量下的皖河流域納污能力研究[D].合肥：合肥工業大學，2006.

[4]勞國民.污染源概化對一維模型納污能力計算的影響分析[J].浙江水利科技，2009（5）：8-10.

[5]中國環境規劃院.全國水環境容量核定技術指南[R].北京：中國環境規劃院，2003.

作者簡介：陳明（1986-），男，畢業于河海大學，學士，工程師，研究方向為環境影響評價。