水环境承载能力模型在崔家营船舶发展规模预测中的应用

(武汉理工大学 交通学院,武汉 430063)

船型发展对水环境将造成影响。当船舶的排放量连同其它污染量总和超出水环境容量，即水环境承载能力，将会损害通航水域的环境，船舶发展规模必将受到水环境因素的制约，因此世界各国都非常重视通航水域环境承载能力和防止船舶污染问题，在理论和实践两方面都积极地开展了一些相关研究[1-4]。

综合以往的观点，认为水环境承载能力是指某一时期，某一区域水环境对人类社会、经济活动的支持能力的限度。是在满足水域功能要求的前提下，在给定的水功能区水质目标值，功能区水体所能容纳的最大污染物量。其目标是保护现实的或拟定的水环境结构不发生明显的不利于人类生存的方向性改变，以保障水环境系统功能的可持续正常发挥。水环境承载能力指的是在满足水域功能要求的前提下，在给定的水功能区水质目标值、现有排污方式下，功能区水体所能容纳的最大污染物量。

计算水环境承载能力的数学方法很多。按照计算结果的特点可分为确定性方法和随机性方法；按时间可分为稳态模型和动态模型；按照空间可分为零维、一维、二维和多维模型；按照模型性质划分，可分为黑箱、灰箱和白箱模型等。

水环境的承载能力控制目标强调的是生态系统的良性循环，即在不破坏自然生态的前提下水环境能最大限度地为人利用开发。为了客观地描述水体自净能力或污染物降解规律，较准确地计算出河段的水环境承载能力。本文结合船舶对水环境污染的实际情况，在设定目标水质和一定保证率流量的前提下，在零维水质模型的基础上进行改进，来构建水环境承载能力计算方法。

1 水环境承载能力计算方法

1.1 计算方法的建立

1.1.1 零维水质模型

该模型适用于流量和流速较小、水流极缓、全水域污染物完全混合的水体，可表达为

QmCm=(Wwd+Q1C0)

(1)

Wwd=QwμCd+Qw(1-μ)Cw

(2)

式中:Qm——控制断面径流量，m3；

Qw——污水排放总量，m3；

Q1——排放的河流上游来水量，m3；

Cw——污水处理前城市污水某污染物综合浓度，mg/m3；

Cm——控制断面质量浓度，mg/m3；

Cd——污水处理后某污染物的质量浓度，mg/m3；

C0——水体环境背景值，mg/m3；

Wwd——污水处理后某污染物排放量，t；

μ——污水处理率。

1.1.2 模型的改进

零维水质模型可以计算城市水资源的承载能力，主要用于研究城市污废水的放排和城市水资源要维持其良好的生态系统的平衡关系，从而来指导城市发展时关于人口、工业的排放最和对水资源的取水量。由于城市水资源主要是以河流为主，且面积较小，水流速度慢，水体生物较少，水体自净能力较差，污染排放对水质影响比较直接，因此计算模型中几乎没有考虑水体的自净能力。船舶通航水域的水流速度较快，水体自净能力比较强，而且船舶也是水环境的一个重要的污染源，基于以上因素，在现有零维水质模型中引入了水体自净能力和船舶污染量两大因素进行改进。

考虑水体自身净化能力(污染物综合降解)和船舶污染的零维水质改建模型：

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

(3)

式中：Cm——控制断面污染物质量浓度,mg/m3；

Wc0——船舶污染物排放量，t;

Wwd——污水处理后污染物总量，t。

1.2 特征量的求解

1.2.1 船舶污染物排放量计算式

Wc0=Qc×Cc

(4)

式中：Qc——船舶排放污水总量，m3；

Cc——污水中污染物的质量浓度，mg/m3。

1.2.2 上游污染物排入研究区域的总量

Wwd=Q0C0+μQ1Cd+Q1(1-μ)C1

(5)

(6)

式中：Cd——污水处理后污染物质量浓度,mg/m3,按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)Cd<60 mg/L；

C0——污水处理前污染物质量浓度，mg/m3；

Q0——研究区域上游来水量，m3；

Q1——研究区域上游城市污水排放量，m3；

μ——污水处理率；

qi——上游各河流来水量；

ci——上游各河流来水量水质；

Wwd——污水处理后流经库区污染物总量，t。

1.2.3 控制断面径流量计算

在污水排到地表水体后，水体的水量和水质均发生变化，模拟这种变化，可以建议比较简单或者复杂的数学模型，下面仅列举根据水量质量平衡原理建立的计算模型：

Qm=Q0+Q1+Qc-ξ(Q0+Q1+Qc)

(7)

式中：ξ——水体总量消耗系数。

1.2.4 污染物综合降解系数K的确定

污染物综合降解系数K是反映污染物沿程变化的综合系数，它体现污染物自身的变化，也体现了环境对污染物的影响,按下式计算。

(8)

式中：CA——库区上断面污染物的质量浓度，mg/L；

CB——库区下断面污染物的质量浓度(目标控制浓度)，mg/L；

X——河段长度，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 库区水环境污染物因子的确定

根据国内外水环境承载能力现状的评价结果，化学需要量(COD)指标是在研究水环境承载能力时最普遍、最严重的污染因子，因此，本文在对水环境承载能力进行计算的时候将选定COD作为主要研究因子。

2 水环境承载能力与船舶发展规模的关联模型

根据研究水环境承载能力对船舶发展规模影响的思想，建立如下浓度指导方程。

Cm≤CS

(9)

式中：CS——控制断面的质量浓度控制目标值，kg/m3。

由式(2)变形得水环境容纳船舶排污量为

(10)

污染物总量指导方程为

Wc0≤Wc

(11)

由式(9)可知，当控制断面污染物的质量浓度小于控制断面污染物目标控制值时，表明船舶还有发展的空间;当控制断面污染物的质量浓度大于控制断面污染物的质量浓度控制目标值时，表明库区船舶的发展对库区水体的污染已经超过了计划目标值，如果船舶再继续发展，势必会进一步影响水体水质，此时的船舶发展是以牺牲水质环境为代价的，式(11)也是同样的道理。

3 应用

以湖北省汉江崔家营航电枢纽库区为例，通过建立的水环境承载能力与船舶发展规模的关联模型，研究水环境的承载能力，并分析承载能力对船舶发展规模的影响。

3.1 船舶生活污水计算

人均生活污水排放量按人均日用水量的80%计算，人均日用水量取220 L/(人·d)，污水中COD 的质量浓度按150 mg/L 计，每人的生活污水的发生排放量为0.176 t/d、COD的发生量为0.026 4 kg/d；崔家营库区规划水平年接纳船舶生活污水量见表1。

表1 库区规划水平年船舶生活污水排放预测表

3.2 船舶含油污水计算

在库区航行的机动船，按平均每艘船安装2台发动机。每艘船燃油柜放沉淀残油量和发动机漏油量之和约0.3 kg/d，按含油污水的质量浓度15 mg/L计算，船舶每年产生含油废水见表2[5]。

3.3 上游污染物排入库区的总量

上游排入库区的污染物主要来自襄樊市。根据2009年襄樊市环境质量状况公报[6]可知,全市废水排放总量2.60亿t，比上年减少1.15%。其中工业废水排放量1.11亿t，占废水排放总量的42.71%。城镇生活污水排放量1.49亿t，占废水排放总量的57.29%，比上年增加5.17%。现预测，襄樊市规划水平年污水排放见表3。

表2 库区规划水平年船舶油污水排放预测表

表3 襄樊市规划水平年污水排放预测表

3.4 库区水环境承载能力计算结果

根据上述确定的模型以及各参数，计算水质控制目标下库区水环境承载能力如表4。

表4 崔家营库区规划水年水环境对船舶的承载能力的计算结果

3.5 计算结果分析

由计算结果可以看出，随着社会环保意识的日益增强，除了2015年外，库区上游来水量COD的质量浓度值越来越低，水质环境也越来越好，究其原因是从2015年后，污水处理厂陆续建成并投入使用，工厂生产工艺的改进，人们环保意识的不断增强，污水排放量减少，在控制目标范围下库区水环境承载能力也越来越大。

5 结论

1)船舶发展规模。在不考虑货源、通航环境、船闸等限制条件，仅考虑COD为主要污染因子的前提下，由表4可以看出，在建立的关联模型下计算出的库区水环境能接纳船舶的数量是预测船舶数量的百倍以上，这说明了在目前来说，在仅将COD纳入研究范围时，船舶污染对库区水环境承载能力的影响甚小。因此，在今后相当长的时间内，在上述相关条件基本保持不变的情况下，运输业船舶规模可持续良好发展。

2)提高水环境承载能力途径。由水环境承载能力计算模型可以看出，提高水环境承载能力的主要途径有：减少污水排放量，从而降低COD的质量浓度值，可以通过控制社会经济发展规模减少用水量，或通过节约用水减少污水排放量；提高污水处理率，增加污水处理量；增加上游来水量；提高水流速度，提升水体自净能力。

[1] 崔树彬.论河流水环境承载能力及其应用[J].水问题论坛,2003,38(1)：32-39.

[2] 郭怀成，徐云麟，洪志明，等.我国新经济开发区水环境规划研究[J].环境科学进展,1994,2(6)：14-22.

[3] 汪恕诚.水环境承载能力分析与调控[J].水利发展研究，2002,2(1)：2-6.

[4] 李清龙,王路光,张焕祯,等.水环境承载力理论研究与展望[J].地理与地理信息科学,2004,20(1):87-89.

[5] 襄樊市环境保护局.2009年襄樊市环境质量状况公报[R].襄樊:襄樊市环境保护局，2010.

[6] 襄樊市港航管理局.襄樊港航发展“十二五”规划[R].襄樊:襄樊市港航管理局,2010.