1、a,1,江蘇省水環(huán)境容量計(jì)算案例 分析及應(yīng)用 河海大學(xué) （逄勇） Pang Yong 2003年9月 28日,a,2,主要內(nèi)容 第一部分 江蘇省水環(huán)境容量課題研究介紹 第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法 第三部分 設(shè)計(jì)水量、水質(zhì)降解系數(shù)確定 第四部分 長(zhǎng)江江蘇段允許排污量研究,a,3,江蘇省的水體主要分為河網(wǎng)區(qū)；湖泊區(qū)；長(zhǎng)江三大類。對(duì)于這三類區(qū)，可按不同方法進(jìn)行江蘇省水體的水環(huán)境容量的計(jì)算。,1、 江蘇省基本水系概況,第一部分 江蘇省水環(huán)境容量課題研究介紹,a,4,對(duì)于湖泊水系，由于江蘇省湖泊水環(huán)境問題的嚴(yán)重性，主要考慮控制入湖河道水質(zhì)達(dá)標(biāo)，不進(jìn)行湖泊內(nèi)水環(huán)境容量的計(jì)算； 對(duì)于長(zhǎng)江水系，

2、由于長(zhǎng)江的污染物主要以污染帶形式出現(xiàn)，故進(jìn)行排污混合帶與排污量關(guān)系計(jì)算； 對(duì)于河網(wǎng)水系，進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算研究。 江蘇省河網(wǎng)區(qū)水系主要分為：太湖流域；秦淮河流域；沂沭泗流域；洪澤湖流域；南通河網(wǎng)區(qū)；里下河河網(wǎng)區(qū)六大片。,第一部分 江蘇省水環(huán)境容量課題研究介紹,a,5,2、 主要工作內(nèi)容 計(jì)算出江蘇省各主要河段的水環(huán)境容量值。 以各主要河段的水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，匯總出江蘇省各縣及各市的水環(huán)境容量值。 進(jìn)行太湖入湖河道COD、氨氮污染物總量控制計(jì)算。 建立南水北調(diào)工程區(qū)的簡(jiǎn)單水質(zhì)預(yù)測(cè)模型；建立長(zhǎng)江江蘇段特大供水水源區(qū)的水質(zhì)預(yù)測(cè)模型并進(jìn)行排污混合帶計(jì)算研究。 研制完成江蘇省水環(huán)境容量信息系統(tǒng)，

3、在該系統(tǒng)中，建立動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量計(jì)算系統(tǒng)。,第一部分 江蘇省水環(huán)境容量課題研究介紹,a,6,3、 研究技術(shù)路線,第一部分 江蘇省水環(huán)境容量課題研究介紹,a,7,4、水環(huán)境容量的確定方法 水環(huán)境容量計(jì)算公式,式中： W：水環(huán)境容量值（公斤/日）； Q0 、C0進(jìn)口斷面的入流流量和水質(zhì)濃度(mg/L)； q旁側(cè)入流流量(m3/s)；Cs該水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(mg/L) ；V水體體積(m3)；K水質(zhì)降解系數(shù)(1/d)。 水環(huán)境容量的主要影響因子： 水文設(shè)計(jì)條件（Q0、V）、 水質(zhì)降解參數(shù)（K）、 水環(huán)境功能區(qū)劃 （Cs),第一部分 江蘇省水環(huán)境容量課題研究介紹,a,8,5、水環(huán)境容量計(jì)算中幾個(gè)主要問題的考

4、慮 5.1 設(shè)計(jì)水文條件的選取原則 首先確定典型年，典型年的確定原則為根據(jù)區(qū)域平均降水量資料，選取90%保證率的典型年。 在典型年確定基礎(chǔ)上，依據(jù)區(qū)域的月平均水位資料分高、中、低三種情況確定邊界水文計(jì)算條件。根據(jù)確定的邊界水文條件，利用研究區(qū)域河網(wǎng)水量數(shù)學(xué)模型，分高、中、低三種方案計(jì)算出研究區(qū)域各河道的水文設(shè)計(jì)條件。,第一部分 江蘇省水環(huán)境容量課題研究介紹,a,9,5.2 水質(zhì)降解系數(shù)確定 采用室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)、模型模擬法、類比調(diào)查的確定水質(zhì)降解系數(shù)。,第一部分 江蘇省水環(huán)境容量課題研究介紹,a,10,5.3 水環(huán)境功能區(qū)劃 根據(jù)“江蘇省地表水（環(huán)境）功能區(qū)劃，江蘇省人民政府，2003年3月18日”

5、來計(jì)算水環(huán)境 容量。,第一部分 江蘇省水環(huán)境容量課題研究介紹,a,11,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,1、水環(huán)境容量的概念 1.1 總量控制的兩種方法 目標(biāo)總量控制：根據(jù)基準(zhǔn)年的排污量來確定總量指標(biāo)，主要是便于管理和操作，但和水環(huán)境功能區(qū)管理的要求有一定距離。 容量總量控制：根據(jù)水體功能區(qū)要求的水質(zhì)來確定總量指標(biāo)，和水環(huán)境功能區(qū)管理的要求相一致。 1.2 水環(huán)境容量的概念 水環(huán)境容量是水體在規(guī)定的環(huán)境目標(biāo)下所能容納的污染物的最大負(fù)荷，其大小與水體特征、水質(zhì)目標(biāo)及污染物特性有關(guān)。 水環(huán)境容量的確定是容量總量控制的基礎(chǔ)。,a,12,2、水環(huán)境容量計(jì)算的基本方法及分析,第二部分 水環(huán)境容

6、量的概念及基本計(jì)算方法,a,13,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,2.1 基本計(jì)算方法 總體達(dá)標(biāo)計(jì)算法 控制斷面達(dá)標(biāo)計(jì)算法 2.2 總體達(dá)標(biāo)計(jì)算法的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 計(jì)算結(jié)果和污染源位置沒有關(guān)系，人為影響??； 計(jì)算簡(jiǎn)便，易操作。 缺點(diǎn) 計(jì)算結(jié)果值偏大，需進(jìn)行不均勻系數(shù)值訂正。,a,14,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,2.3 控制斷面計(jì)算達(dá)標(biāo)法的優(yōu)缺點(diǎn) （1）優(yōu)點(diǎn) 能夠保證控制斷面的水質(zhì)達(dá)標(biāo)，特別適合于飲用水水源地的保護(hù)；以及國控、省控、市控等重要水質(zhì)控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的管理。,控制斷面2,控制斷面1,a,15,（2）缺點(diǎn) 要事先明確每個(gè)排污口的位置，在對(duì)未來污染源的把握上，一

7、般不確定性因素較多，故這種方法在操作上有難度。 當(dāng)控制斷面上游有多個(gè)排污口時(shí)，控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)的水環(huán)境容量值有多個(gè)解，使得該方法在操作上有難度。 控制斷面水質(zhì)濃度正好達(dá)標(biāo)，意味著控制斷面至排污口這一段河道的水質(zhì)均超標(biāo)，與功能區(qū)水質(zhì)管理稍有出入。,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,a,16,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,建議： 對(duì)于重要控制斷面，采用控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo) 的方法進(jìn)行水環(huán)境容量的計(jì)算， 對(duì)于一般水體，采用總體水質(zhì)達(dá)標(biāo)的方法進(jìn) 行水環(huán)境容量的計(jì)算。,a,17,3、總體達(dá)標(biāo)水環(huán)境容量計(jì)算方法（零維模型） 3.1 水質(zhì)計(jì)算,W：污染物排放量； Q0：流入河流、湖庫流量；

8、 C0：上游來水的背景濃度值； K：水質(zhì)降解系數(shù)； V：水體容積； q：旁側(cè)支流流量。,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,C0、Q0,W、q,C (Q0 +q),V,KVC,a,18,3.2 水環(huán)境容量計(jì)算 3.2.1 基本計(jì)算方法,當(dāng)C=CS時(shí)，W即為環(huán)境容量，公式中的單位為：Kg/天。,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,自凈容量,稀釋容量,a,19,3.2.2 幾個(gè)問題的討論 （1）不均勻系數(shù)訂正 總體達(dá)標(biāo)水環(huán)境容量方法計(jì)算出的結(jié)果值偏大，一般稱為偏不保守。故為了符合實(shí)際起見，引入不均勻系數(shù)的概念進(jìn)行訂正。訂正方法如下： W訂正=W 為不均勻系數(shù)，為界于0和1之間的一個(gè)數(shù)。

9、,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,a,20,對(duì)于大于1000寬的河流，不采用完全混合模型進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算，而是采用岸邊污染帶控制法進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算。對(duì)于小于1000寬的河流，進(jìn)行不均勻系數(shù)訂正，具體如下： 河寬：500-1000米 =0.1-0.2 200-5000米 =0.2-0.5 100-200米 =0.5-0.8 小于100米 =0.8-1.0,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,a,21,（2）雙向河流時(shí)的計(jì)算方法 正向河流：W正 = Q01(Cs - C01)+K1V1Cs+q1Cs 反向河流：W反 = Q02(Cs - C02)+K2V2Cs+q2Cs 設(shè)計(jì)算

10、時(shí)間段為A，反向流在計(jì)算時(shí)間段中的天數(shù)為B，則雙向流允許納污量的計(jì)算公式：,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,a,22,（3） 時(shí)空變化明顯的河段 劃分空間單元和時(shí)間單元進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于各單元的計(jì)算結(jié)果再進(jìn)行空間和時(shí)間單元的疊加。,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,a,23,3.2.3 計(jì)算中的注意點(diǎn),（1）水文設(shè)計(jì)條件（Q0、V）： 根據(jù)水文頻率分析結(jié)果直接給出； 確定邊界水文設(shè)計(jì)條件值； 建立水量模型， 根據(jù)水量模 型計(jì)算出研究區(qū)域各河道的水文設(shè)計(jì)條件。 （2）水質(zhì)降解參數(shù)（K）： 根據(jù)室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)、模型模擬法、類比調(diào)查法確定。 （3）水環(huán)境功能區(qū)劃 （Cs)： 根據(jù)省政府批準(zhǔn)

11、的水環(huán)境功能區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,a,24,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,4、控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)水環(huán)境容量計(jì)算方法 4.1 概念 為保證控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，上游各污染源的最大允許排污量。,a,25,4.2 控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)的水環(huán)境容量計(jì)算方法 4.2.1 一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型 4.2.1.1 水質(zhì)計(jì)算,公式中C1、q為排污口廢水濃度mg/L和廢水量m3/s；C0、Q0為上游河水濃度mg/L和流量m3/s。K為水質(zhì)降解系數(shù)1/日；X為距排污口的距離m；U為流速m/s。,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,C0、Q0,C1、q,C,C,a,26,

12、4.2.1.2 水環(huán)境容量計(jì)算 只有一個(gè)排污口時(shí)的計(jì)算公式：,當(dāng)C=CS時(shí)，C1q=W即為環(huán)境容量，公式中的單位為：Kg/天。,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,a,27,4.2.2 二維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型 4.2.2.1 水質(zhì)計(jì)算 單個(gè)污染源時(shí)：,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,x,y,a,28,多個(gè)污染源時(shí)：,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,排污口1,排污口2,排污口3,控制端面,a,29,4.2.2.2 水環(huán)境容量計(jì)算 一個(gè)排污口時(shí)的計(jì)算公式：,當(dāng)C=CS時(shí)，CpQp=W即為環(huán)境容量，公式中的單位為：Kg/天。,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,a,30,4

13、.2.3 多個(gè)排污口時(shí)的計(jì)算公式： 控制斷面水質(zhì)與排污量響應(yīng)關(guān)系曲線計(jì)算 設(shè)：控制斷面水質(zhì)濃度為C1；控制斷面上游各污染源排污量為：W1、W2、W3.等，則可根據(jù)水質(zhì)模型公式推導(dǎo)得出控制斷面水質(zhì)與上游排污量之間的函數(shù)關(guān)系式為： C1=C1（W1、W2、W3.） 根據(jù)公式可繪制在不同上游排污量情況下W1、W2、W3.對(duì)C1影響的關(guān)系曲線。,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,C控1=C控1 （W1、W2、W3）,排污口1（W1）,排污口3 （W3）,控制斷面（C控1）,排污口2（W2）,a,32,表6.2.2-5 街口水廠(C1)與W1,W2,W3響應(yīng)關(guān)系曲線計(jì)算方案,其中W10=6.81

14、 t/a，W20=9.54 t/a，W30=23.34 t/a為基準(zhǔn)排污量值。 W11=0.5W10,W21=0.5W20,W31=0.5W30 W12=2W10,W22=2W20,W32=2W30,a,33,控制斷面水質(zhì)與排污量響應(yīng)關(guān)系曲線計(jì)算結(jié)果圖,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,a,34,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,5、湖庫水體納污能力計(jì)算 5.1 對(duì)于面積較小的湖庫 利用完全混合公式進(jìn)行水環(huán)境容量的計(jì)算。,在進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算時(shí)要進(jìn)行不均勻系數(shù)訂正，具體如下： W訂正=W 湖庫面積：大于50Km2 采用其它方法進(jìn)行計(jì)算； 10Km2-50Km2 =0.1-0.3

15、 5Km2-10Km2 =0.3-0.6 小于5Km2 =0.6-1.0,a,35,5.2 對(duì)于面積較大的湖庫 5.2.1 入湖口斷面水質(zhì)濃度達(dá)標(biāo)的計(jì)算思路 利用入湖河口水質(zhì)濃度與上游污染排污量響應(yīng)關(guān)系曲線進(jìn)行計(jì)算。,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,排污口1,排污口2,排污口3,入湖河口水質(zhì)控制斷面,a,36,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,5.2.2 分功能區(qū)按水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況進(jìn)行計(jì)算 利用水質(zhì)模型，計(jì)算出湖體中各功能區(qū)的水質(zhì)狀況，分析各功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)，入湖排污口的污染物排放量即為湖庫的水環(huán)境容量值。,排污口1,排污口3,排污口2,功能區(qū)2,功能區(qū)4,功能區(qū)3,功能區(qū)1,功

16、能區(qū)6,功能區(qū)5,功能區(qū)8,功能區(qū)7,a,37,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,5.2.3 湖庫中排污混合帶約束計(jì)算 計(jì)算入湖庫口門中的排污混合帶大小，對(duì)此進(jìn)行約束，得出的入湖排污口的污染物排放量即為湖庫的水環(huán)境容量值。,排污口,a,38,5.2.4 湖庫中斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)的簡(jiǎn)化模型,W為水環(huán)境容量，單位為Kg/日。,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,排污口,控制斷面水質(zhì),a,39,6、長(zhǎng)江等大水體水環(huán)境容量的計(jì)算 6.1 總體水環(huán)境容量的考慮 (1)岸邊污染帶允許排污量，這部分允許排污量就是長(zhǎng)江 等大水體總體水環(huán)境容量的一部分。 (2)引清水增加的周圍河道的水環(huán)境容量。 總的水

17、環(huán)境容量應(yīng)該是這兩部分之和。,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,a,40,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,6.2岸邊污染帶允許排污量計(jì)算中的幾個(gè)主要問題及 解決問題的思路 (1)排污口的確定（考慮現(xiàn)狀及規(guī)劃） (2)排污混合帶范圍的確定（500-1000m) (3)上游來水水質(zhì)濃度的確定(功能區(qū)劃值及監(jiān)測(cè)平均值）,a,41,6.3 岸邊污染帶的計(jì)算 6.3.1 水文、污染源、水質(zhì)等資料收集 6.3.2 水量、水質(zhì)模型建立及率定 6.3.3 計(jì)算方案制定（設(shè)計(jì)水量、邊界水質(zhì)條件、污 染源條件等） 6.3.4 污染帶、及長(zhǎng)、寬、面積等特征值結(jié)果輸出及 分析,第二部分 水環(huán)境容量的

18、概念及基本計(jì)算方法,a,42,第二部分 水環(huán)境容量的概念及基本計(jì)算方法,6.4 污染帶大小與排污量響應(yīng)關(guān)系曲線的計(jì)算 根據(jù)不同排污量、不同水文設(shè)計(jì)條件、不同上游邊界水質(zhì)濃度值建立污染帶大小（長(zhǎng)、寬、面積）與排污量響應(yīng)關(guān)系曲線。,排污口 Cp、Qp,排污混合帶邊界線1,排污混合帶邊界線2,a,43,a,44,第三部分 設(shè)計(jì)水量、水質(zhì)降解系數(shù)確定,1、設(shè)計(jì)水量的概念 由于水體來水量每年不是一個(gè)定值，故取大于某一流量（或高于某一水位）的值時(shí)的概率作為設(shè)計(jì)水量，一般取90%的概率作為水環(huán)境規(guī)劃、評(píng)價(jià)或水環(huán)境容量計(jì)算用。 2 設(shè)計(jì)水量的計(jì)算 2.1 有資料地區(qū) 可取近10年最枯月平均流量作為設(shè)計(jì)流量條件

19、。,a,45,2.2 資料缺乏地區(qū) 采用水文比擬法： P：參證區(qū)域的設(shè)計(jì)水量 P1：計(jì)算區(qū)域的設(shè)計(jì)水量,2.3 人工影響劇烈區(qū) 根據(jù)人工閘壩等的調(diào)度資料進(jìn)行分析。,第三部分 設(shè)計(jì)水量、水質(zhì)降解系數(shù)確定,a,46,第三部分 設(shè)計(jì)水量、水質(zhì)降解系數(shù)確定,3、 水質(zhì)降解系數(shù)的求取方法 3.1 基本求取方法 水團(tuán)追蹤實(shí)驗(yàn) 水質(zhì)模型率定法 室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)法 類比法、分析借用法 3.2 實(shí)例介紹(江蘇省水環(huán)境容量研究）,a,47,3.2.1 室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)法 若污染物的反應(yīng)接近于一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)速率與其相應(yīng)時(shí)刻剩余的有機(jī)物的濃度成正比，即：,解微分方程可得: 一般可選用最小二乘法、圖解法和兩點(diǎn)法等方法對(duì)實(shí)驗(yàn)

20、數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理得降解系數(shù)K1的值。,第三部分 設(shè)計(jì)水量、水質(zhì)降解系數(shù)確定,a,48,第一部分 江蘇省水環(huán)境容量課題研究介紹,a,49,硝化反應(yīng)參數(shù)確定 所謂硝化過程，是在水環(huán)境中，在特定的自養(yǎng)菌作用下，氨氮和亞硝酸鹽氮被溶解在水中的氧氧化成硝酸鹽氮。 氨氮降解系數(shù)的計(jì)算公式為：,第一部分 江蘇省水環(huán)境容量課題研究介紹,3.2.2 模型率定法 通過太湖流域污染源和水量、水質(zhì)的同步監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行模型參數(shù)的率定。 3.2.3 類比調(diào)查法,a,50,從實(shí)驗(yàn)得出的的污染物降解系數(shù)值如下表。,第三部分 設(shè)計(jì)水量、水質(zhì)降解系數(shù)確定,a,51,4、 幾種常用的求取方法 4.1 水質(zhì)模型率定法 （1）兩點(diǎn)計(jì)算法

21、,（2）多點(diǎn)計(jì)算法,第三部分 設(shè)計(jì)水量、水質(zhì)降解系數(shù)確定,排污口,C3,C2,C1,C4,a,52,4.2 類比調(diào)查法 根據(jù)類似水體的成果，類比得出研究水體的水質(zhì)降解系數(shù)值。 5、排污削減量計(jì)算 5.1污染源排污量計(jì)算及預(yù)測(cè)方法 5.1.1 工業(yè) 5.1.2 生活 5.1.3 農(nóng)業(yè),第三部分 設(shè)計(jì)水量、水質(zhì)降解系數(shù)確定,a,53,5.2 排污削減量計(jì)算 W=W排污量-W容量 W大于0，則要削減排污量； W小于0，則有剩余環(huán)境容量。 5.3 各排污口排污控制量分配 采用線性規(guī)劃法（利用單純形法進(jìn)行求解）、或綜合考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行各排污口排污控制量的分配。,第三部分 設(shè)計(jì)水量、水質(zhì)降解系數(shù)確定,

22、a,54,1、 研究技術(shù)路線及主要研究?jī)?nèi)容,第四部分 長(zhǎng)江江蘇段允許排污量研究,a,55,2、水環(huán)境數(shù)學(xué)模型建立及率定,采用一、二維水流、水質(zhì)模型的方法進(jìn)行求解： 一維水流模型對(duì)整個(gè)長(zhǎng)江江蘇段進(jìn)行進(jìn)行計(jì)算；然后，根據(jù)二維計(jì)算區(qū)域所相應(yīng)的空間位置，由一維水流模型為二維水流、水質(zhì)模型提供相應(yīng)的邊界條件，再進(jìn)行二維區(qū)域水流、水質(zhì)模擬。,第四部分 長(zhǎng)江江蘇段允許排污量研究,a,56,水量、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的率定及驗(yàn)證,99年,a,57,表4.3-4 南京八卦洲江段1998年2月11日水質(zhì)驗(yàn)證表,a,58,a,59,表4.3-1 二維水流水質(zhì)耦合模型參數(shù)表 （擴(kuò)散系數(shù)單位: m2/s 降解系數(shù)單位: 1/d）,a,60,3、排污混