＊趙婧瀅 林來昌

（1.福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 福建 350007 2.數(shù)字福建環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)實驗室（福建師范大學(xué)）福建 350117 3.福建省污染控制與資源循環(huán)利用重點實驗室（福建師范大學(xué)）福建 350007）

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

我國在20世紀70年代后期才引入環(huán)境容量的概念，早期主要采用簡單的數(shù)學(xué)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(huán)境的影響。例如在河流水環(huán)境容量計算方法的改進上，從水環(huán)境容量的定義出發(fā)利用一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型—托馬斯（Thomas）模型推算了有機物水環(huán)境容量的不同條件下的計算公式；應(yīng)用二維水量、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型進行求解和通過分析河流環(huán)境容量的常規(guī)方法對環(huán)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(qū)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(qū)域河網(wǎng)進行水環(huán)境容量核算，為水體質(zhì)量管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1.水環(huán)境模型構(gòu)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(shù)，反映河道通過水流量能力；α為校正系數(shù)，是反映河道斷面流速分布均勻性的系數(shù)。

(2)水質(zhì)方程

模型采用一維河流水質(zhì)模型的基本方程為[9]：

式中：C為物質(zhì)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(shù)；K為物質(zhì)的一級衰減系數(shù)。

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

式中：V是流速，來自水動力計算結(jié)果；a和b是設(shè)定的參數(shù)。

2.基于水質(zhì)達標的水環(huán)境容量計算及分析

(1)控制斷面水質(zhì)達標法

控制斷面水質(zhì)達標計算是為了實現(xiàn)控制斷面水質(zhì)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(zhì)滿足標準要求，特別是在重要水質(zhì)控制斷面的管理。根據(jù)水文條件和邊界水質(zhì)要求，利用水量水質(zhì)模型得出斷面水質(zhì)達標時各概化排污口的允許排放量，進而計算區(qū)域水環(huán)境容量。

(2)功能區(qū)水質(zhì)達標法

河網(wǎng)（河道）區(qū)環(huán)境容量具體計算公式[11-12]如下：

其中：αij為不均勻系數(shù)；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(shù)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(jié)點之間的河道）；最小時間計算單元為天。

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，計算出研究區(qū)域最小空間單元和最小時間單元的環(huán)境容量值；再根據(jù)公式（5）匯總出各控制單元的環(huán)境容量值。

3.研究區(qū)域概況

(1)地理區(qū)位

浙江省湖州市地處浙江省北部，北緯30°23'-31°11'，東經(jīng)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(shù)據(jù)來源

水環(huán)境現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來源于浙江省環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測，共涉及斷面29個。監(jiān)測項目為高錳酸鹽指數(shù)和NH4-N共2項指標。

(3)水質(zhì)現(xiàn)狀

湖州市區(qū)水體主要污染物為高錳酸鹽指數(shù)和NH4-N，湖州市區(qū)高錳酸鹽指數(shù)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(qū)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(qū)域河網(wǎng)水環(huán)境模型的建立

(1)河網(wǎng)斷面和排污口概化

以主干河道為基礎(chǔ)，按照河網(wǎng)概化的基本原則，對湖州市境內(nèi)河網(wǎng)進行了合理概化，概化河網(wǎng)和排污口概化見圖1，共設(shè)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(shù)249個。

圖1 湖州市河網(wǎng)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(shè)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(jiān)測水位過程，利用現(xiàn)有的實測數(shù)據(jù)或臨近的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)進行賦值。

B.內(nèi)部邊界

根據(jù)現(xiàn)狀污染源調(diào)查情況，設(shè)置了132個內(nèi)部邊界，包括點源和面源。

②模型驗證

采用同步監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進行驗證。

(3)模型參數(shù)率定

①水動力模型參數(shù)率定

利用同步監(jiān)測數(shù)據(jù)對水動力模型進行率定，調(diào)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(jié)果，由表可知：水位的絕對誤差均在4cm以內(nèi)，水量的相對誤差均在30%以內(nèi)。

表2 研究區(qū)域斷面水位計算值和實測值的絕對誤差統(tǒng)計結(jié)果

表3 研究區(qū)域斷面水量計算值和實測值的絕對誤差統(tǒng)計結(jié)果

②水質(zhì)模型參數(shù)率定

采用同步監(jiān)測資料對水質(zhì)模型進行率定，模型率定的參數(shù)見表4。從表的誤差分析結(jié)果可知，高錳酸鹽指數(shù)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(nèi)。

表4 研究區(qū)域斷面高錳酸鹽指數(shù)、NH4-N計算值和實測值的絕對誤差統(tǒng)計結(jié)果表

(4)模型參數(shù)選取

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

(5)計算結(jié)果及合理性分析

①計算結(jié)果

采用控制斷面水質(zhì)達標法及功能區(qū)總體達標法兩種方法計算得到各個水（環(huán)境）功能區(qū)水環(huán)境容量見表5，由表可知：A.控制斷面水質(zhì)達標條件下，湖州市區(qū)高錳酸鹽指數(shù)、NH4-N的水環(huán)境容量分別是25931t/a、2888t/a。B.功能區(qū)水質(zhì)總體達標條件下，湖州市區(qū)高錳酸鹽指數(shù)、NH4-N的水環(huán)境容量分別是25680t/a、2898t/a。C.雙重達標條件下，湖州市區(qū)高錳酸鹽指數(shù)、NH4-N的水環(huán)境容量分別是24199t/a、2823t/a。比較兩種方法計算結(jié)果，大部分的功能區(qū)控制斷面水質(zhì)達標條件下的水環(huán)境容量大，有部分功能區(qū)的計算結(jié)果小。因此，如果采用單一方法計算水環(huán)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(qū)域總量控制。

表5 研究區(qū)域水（環(huán)境）功能區(qū)計算結(jié)果

②合理性分析

根據(jù)2019年研究區(qū)域入河量統(tǒng)計結(jié)果，湖州市基于水環(huán)境容量的區(qū)域污染削減量和削減率見表6。由表可得：基于2019年現(xiàn)狀污染物入河量基礎(chǔ)上的高錳酸鹽指數(shù)、NH4-N削減率分別0%、12%，目前湖州市區(qū)的總量控制指標是NH4-N。

表6 湖州市區(qū)入河污染物削減量及削減率計算成果表

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

5.結(jié)論

以浙江省湖州市區(qū)為研究區(qū)域，提出控制斷面達標法和功能區(qū)水體總體達標法的雙達標方法計算研究區(qū)域的水環(huán)境容量，得出以下結(jié)論：

（1）目前湖州市區(qū)高錳酸鹽指數(shù)和NH4-N屬于輕度污染，但是水質(zhì)年變化呈現(xiàn)惡化趨勢。

（2）構(gòu)建了研究區(qū)域一維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，為區(qū)域水環(huán)境容量計算提供數(shù)據(jù)支撐。

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