基于控制断面和功能区水质双达标的水环境容量构建

＊赵婧滢 林来昌

（1.福建师范大学环境科学与工程学院 福建 350007 2.数字福建环境监测物联网实验室（福建师范大学）福建 350117 3.福建省污染控制与资源循环利用重点实验室（福建师范大学）福建 350007）

20世纪70年代，日本为了改善环境质量把一定区域内的污染物总量控制在一定范围内，而这个“允许限度”实际就是环境容量，并以环境容量研究为基础，逐渐形成了环境总量控制制度[1-2]。然而欧美国家的学者则是用同化容量和水体容许排污水平等概念[3-4]。水环境容量研究至今已有丰硕的成果，但对于水环境容量至今仍然没有一个公认、统一的定义[5-6]。

我国在20世纪70年代后期才引入环境容量的概念，早期主要采用简单的数学模型和解析解算法，研究小河或者大河局部河段的耗氧有机物对水体环境的影响。例如在河流水环境容量计算方法的改进上，从水环境容量的定义出发利用一维稳态水质模型—托马斯（Thomas）模型推算了有机物水环境容量的不同条件下的计算公式；应用二维水量、水质数学模型进行求解和通过分析河流环境容量的常规方法对环境容量进行核算，并给出了修正算法等[7-8]。因此在兼顾控制断面和功能区的前提下，提出控制断面达标和总体达标法两种方法对研究区域河网进行水环境容量核算，为水体质量管理提供一定的科学依据。

1.水环境模型构建框架

(1)水量方程

描述河道水流运动的圣维南方程组[9]为：

式中：q为支流流量；Q、A、B、Z分别为河道断面流量、过水面积、河宽和水位；Vx为支流流速向下游方向上的分量；K为流量模数，反映河道通过水流量能力；α为校正系数，是反映河道断面流速分布均匀性的系数。

(2)水质方程

模型采用一维河流水质模型的基本方程为[9]：

式中：C为物质的浓度；t为时间；u为平均流速；x为横向坐标；Ex为对流扩散系数；K为物质的一级衰减系数。

对流扩散系数是一个综合参数项，包含了分子扩散、湍流扩散以及剪切扩散效应。模型通过经验公式来估算对流扩散系数：

式中：V是流速，来自水动力计算结果；a和b是设定的参数。

2.基于水质达标的水环境容量计算及分析

(1)控制断面水质达标法

控制断面水质达标计算是为了实现控制断面水质达到标准要求，其上游各个排放源的最大允许排放量[10]。控制断面达标计算法能够保证控制断面水质满足标准要求，特别是在重要水质控制断面的管理。根据水文条件和边界水质要求，利用水量水质模型得出断面水质达标时各概化排污口的允许排放量，进而计算区域水环境容量。

(2)功能区水质达标法

河网（河道）区环境容量具体计算公式[11-12]如下：

其中：αij为不均匀系数；αij∈(0，1]；河道越宽、水面越大，则αij越小，见表1。

表1 河流不均匀系数取值表

Wij为计算中的最小空间计算单元和最小时间计算单元。计算中最小空间计算单元为河段（河段为两节点之间的河道）；最小时间计算单元为天。

根据确定的边界水文条件，利用研究区域河网水量数学模型，计算出研究区域最小空间单元和最小时间单元的环境容量值；再根据公式（5）汇总出各控制单元的环境容量值。

3.研究区域概况

(1)地理区位

浙江省湖州市地处浙江省北部，北纬30°23'-31°11'，东经119°14'-120°29'。东邻上海，南接杭州，西依天目山，北濒太湖，与无锡、苏州隔湖相望。

(2)数据来源

水环境现状数据来源于浙江省环境监测系统的水环境质量监测，共涉及断面29个。监测项目为高锰酸盐指数和NH4-N共2项指标。

(3)水质现状

湖州市区水体主要污染物为高锰酸盐指数和NH4-N，湖州市区高锰酸盐指数浓度分别为4.32mg/L和4.16mg/L，都维持在Ⅲ类及以上水平；湖州市区NH4-N浓度0.316mg/L和0.642mg/L，维持在Ⅲ类及以上水平。

4.研究区域河网水环境模型的建立

(1)河网断面和排污口概化

以主干河道为基础，按照河网概化的基本原则，对湖州市境内河网进行了合理概化，概化河网和排污口概化见图1，共设置了37条河流，总长约418km。总体上河道断面间距（计算水位点）是1000～10000m。模型计算点（计算水位点、流量点）总数249个。

图1 湖州市河网控制断面选取及排污口概化

(2)模型边界条件

①模型率定

A.外部边界

模型共设置19个开边界（其中10个流量边界、9个水位边界）。所有边界采用同步监测水位过程，利用现有的实测数据或临近的水文监测数据进行赋值。

B.内部边界

根据现状污染源调查情况，设置了132个内部边界，包括点源和面源。

②模型验证

采用同步监测数据对模型进行验证。

(3)模型参数率定

①水动力模型参数率定

利用同步监测数据对水动力模型进行率定，调试各河道的糙率使得计算水位和水量过程与实测相吻合，率定得出河道糙率为0.025～0.038之间。

表2和表3给出了模型率定计算得到的部分点位水位及水量误差分析结果，由表可知：水位的绝对误差均在4cm以内，水量的相对误差均在30%以内。

表2 研究区域断面水位计算值和实测值的绝对误差统计结果

表3 研究区域断面水量计算值和实测值的绝对误差统计结果

②水质模型参数率定

采用同步监测资料对水质模型进行率定，模型率定的参数见表4。从表的误差分析结果可知，高锰酸盐指数的相对误差小于18.11%，平均误差为17.06%；NH4-N的相对误差小于24.00%，平均误差为23.06%，满足误差要求在30%以内。

表4 研究区域断面高锰酸盐指数、NH4-N计算值和实测值的绝对误差统计结果表

(4)模型参数选取

本次计算选取率定得到的水质降解系数：高锰酸盐指数降解系数0.09～0.15d-1之间，NH4-N降解系数0.05～0.08d-1之间。

(5)计算结果及合理性分析

①计算结果

采用控制断面水质达标法及功能区总体达标法两种方法计算得到各个水（环境）功能区水环境容量见表5，由表可知：A.控制断面水质达标条件下，湖州市区高锰酸盐指数、NH4-N的水环境容量分别是25931t/a、2888t/a。B.功能区水质总体达标条件下，湖州市区高锰酸盐指数、NH4-N的水环境容量分别是25680t/a、2898t/a。C.双重达标条件下，湖州市区高锰酸盐指数、NH4-N的水环境容量分别是24199t/a、2823t/a。比较两种方法计算结果，大部分的功能区控制断面水质达标条件下的水环境容量大，有部分功能区的计算结果小。因此，如果采用单一方法计算水环境容量，会造成总量控制值偏大或者偏小，只有在综合考虑两种计算方法的差异性下取小值作为最终的总量控制值才能达到最严格的区域总量控制。

表5 研究区域水（环境）功能区计算结果

②合理性分析

根据2019年研究区域入河量统计结果，湖州市基于水环境容量的区域污染削减量和削减率见表6。由表可得：基于2019年现状污染物入河量基础上的高锰酸盐指数、NH4-N削减率分别0%、12%，目前湖州市区的总量控制指标是NH4-N。

表6 湖州市区入河污染物削减量及削减率计算成果表

NH4-N的水质超标率与其污染削减率基本相一致，由此可以得出水环境容量的计算结果基本合理。高锰酸盐指数的虽然有一定的水质超标，但是高锰酸盐指数污染物总量不需要削减，主要原因是高锰酸盐指数的水质超标较低，个别功能区发生超环境容量的污染物排放，对整个区域而言，总量排放并没有超过水环境容量，所以不需要削减。

5.结论

以浙江省湖州市区为研究区域，提出控制断面达标法和功能区水体总体达标法的双达标方法计算研究区域的水环境容量，得出以下结论：

（1）目前湖州市区高锰酸盐指数和NH4-N属于轻度污染，但是水质年变化呈现恶化趋势。

（2）构建了研究区域一维非稳态水环境数学模型，为区域水环境容量计算提供数据支撑。

（3）采用控制断面达标法和功能区水体总体达标法的两种方法分别计算研究区域高锰酸盐指数和NH4-N的水环境容量，取两种方法的小值作为严格的总量控制值。