論提高水域納污與自凈能力的水動力潛力

1、論提高水域納污與自凈能力的水動力潛力何少苓 彭 靜中國水利水電科學研究院，北京，100038摘要基于對近年來水環(huán)境承載能力的相關研究成果和對國內外實例的認識，結合筆者的多年實際經驗，本文提出充分挖掘、利用水域水動力特性的潛力提高水域的納污和自凈能力，是保護水環(huán)境的一條有效、安全、節(jié)約的途徑。文中闡明了該類措施在我國具有的廣泛應用前景。希望借此能引起各有關部門的重視，因地制宜地采用各類工程的或非工程的措施，達到既能有效地利用水域的環(huán)境容量，又能保護水質，實現(xiàn)區(qū)域經濟增長與水環(huán)境保護協(xié)調的可持續(xù)發(fā)展的目的。1 前言隨著我國國民經濟的高速增長，人們日趨認識到對水環(huán)境實施有效保護已成為我國社會、經濟、

2、環(huán)境協(xié)調可持續(xù)發(fā)展的迫切需求，刻不容緩地希望尋求到各種有效、安全又符合我國現(xiàn)有國情的比較節(jié)約的治污方法和保護途徑。長期以來，人們都比較關注采用各種生物的、化學的方法治理水域內的污染問題，也常采用引入優(yōu)質水進行污水稀釋改善水質的水保措施。早在七十年代末至八十年代初，環(huán)保部門就率先組織對水環(huán)境保護開展了各類研究，并在與之有關的水環(huán)境容量、水環(huán)境功能區(qū)劃、水污染控制理論方法等方面取得了一系列規(guī)劃及科研成果，相關的法制法規(guī)建設也開始見有成效。但限于種種原因，在環(huán)保部門以往的研究中，往往缺乏對水動力因素方面的關注，從而忽略了對污染物的遷移、擴散起著關鍵作用的載體的水動力特征，因而使許多成果不可避免地存在

3、這樣那樣的缺陷?？梢韵胍?，如果研究太湖時將其視為靜止水體，忽略其水動力特性的影響，即不重視淺水湖泊中的湖流主要由風動力生成，使湖區(qū)產生許許多多形態(tài)各異的環(huán)流，隨著風向和風力不同，環(huán)流的形態(tài)和強弱也不相同，必然會對污染物在湖中的遷移、擴散途徑產生重要影響，就不可能得出與水環(huán)境研究相關的可靠成果。水域的納污能力和自凈能力在內涵意義上是有所區(qū)別的。一般而言，納污能力是指依據(jù)水域的環(huán)境功能區(qū)劃，在充分利用其環(huán)境容量的基礎上水域能夠承納污染物的能力。而自凈能力是指水域納污之后，因其物理的、化學的、生物的各種特性，使污染物能被遷移、擴散出水域，或者在本域內遷移轉換，使該水域的水質得到部分甚至完全恢復的能力

4、。影響水體納污和自凈能力的因素多樣，各種因素往往又是交互影響的，其過程也十分復雜。不同的水域，有其不同的物理形態(tài)、不同的本底水質狀況，其自凈能力必然不同。而對于不同的水域，又有其不同的環(huán)境功能區(qū)劃，即根據(jù)不同的使用目的，不同水域能夠允許承納的污染量或濃度是不同的。因此，充分合理利用水體納污、自凈，對提高水環(huán)境承載能力有重要意義。本文針對不同類型水域的特點，提出了影響自然狀態(tài)下水體納污和自凈能力的因素，闡述了科學合理的人工調控，即采用各類工程的或非工程的措施提高水體納污自凈能力，改善水環(huán)境的觀點，特別強調了采用各類措施挖掘水域的水動力潛力，對充分利用水域納污能力和提高水域自凈能力的可觀前景。2

5、水環(huán)境承載力與水體自凈能力水環(huán)境承載能力的基本思想前提是水環(huán)境的資源觀和價值觀。水環(huán)境作為人類賴以生存的重要自然資源，具有兩個方面的內涵意義。一是指水環(huán)境的單個要素，包括水體、河道及水循環(huán)空間以及它們的組合方式（水環(huán)境狀態(tài)）；二是指與水環(huán)境污染相對應的水環(huán)境納污能力。與此同時，以實體形式存在的水環(huán)境資源為區(qū)域人類生活和經濟發(fā)展提供了不可替代的物質基礎，其價值特性已經逐漸為社會各界公認。雖然目前對水環(huán)境價值特性的認識和規(guī)律的把握還遠不如其資源特性的相應方面，但對水環(huán)境資源和價值兩性的一體化表征已經奠定了對水環(huán)境承載能力的認識基礎。因此，水環(huán)境承載力可以理解為在某一時期，某種狀態(tài)或條件下，某地區(qū)的

6、水環(huán)境所能承受的人類活動作用的閥值。不難看出，水環(huán)境承載能力是相對于一定時期，區(qū)域一定的社會經濟發(fā)展狀況和水平而言的。其目標是保護現(xiàn)實的或擬定的水環(huán)境結構不發(fā)生明顯的不利于人類生存的方向性改變，以保障水環(huán)境系統(tǒng)功能的可持續(xù)正常發(fā)揮。以此為前提，對區(qū)域性的人類社會活動，特別是人類經濟發(fā)展行為在規(guī)模、強度或速度上的限值。根據(jù)水環(huán)境兩個層次上的內涵意義，人類活動對水環(huán)境的影響可以體現(xiàn)在兩個方面。一方面是人類活動對水環(huán)境單個要素及其組合狀態(tài)的影響，如水量變化（水資源過度開發(fā)、地區(qū)缺水、河道斷流問題等）、河道形態(tài)變化（河床泥沙淤積、河流改道、灘涂圍墾、岸坡開荒問題等）、水循環(huán)空間變化（植被、森林破壞、水

7、土流失問題等）。另一方面則是對水體水質的影響。水環(huán)境的資源屬性決定了其使用過程中量和質的辨證統(tǒng)一。只有水質沒有水量無法體現(xiàn)其價值，即量值上的缺水問題；而有了水量沒有水質的保證，同樣不能完成水的價值實現(xiàn)，即水質性缺水問題。兩者辨證統(tǒng)一，缺一不可。因此，反映對人類活動特別是經濟活動限制的水環(huán)境承載能力，體現(xiàn)在水環(huán)境承受對其單要素及其組合狀態(tài)改變的能力，和水體保障其正常功能發(fā)揮的前提下接納污染物的能力，即納污能力。納污能力的定量化是水環(huán)境在一定功能目標下水體自凈能力的科學認知過程。水環(huán)境功能目標是協(xié)調一定時期區(qū)域經濟發(fā)展與水環(huán)境保護保持一定平衡的階段性目標。它屬于規(guī)劃的范疇，并將隨著區(qū)域社會經濟的發(fā)

8、展而不斷調整。水體自凈能力則是水介質擁有的、在被動接受污染物之后發(fā)揮其載體功能主動改變、調整污染物時空分布，改善水質質量以提供水體的再續(xù)使用。因此，對水環(huán)境自凈能力的科學認識和充分合理利用對水環(huán)境保護工作具有重要意義。3 水體動力特性對水域納污和自凈能力的影響污染物在水域中的自凈主要包括物理、生物、化學等過程。水流中污染物的遷移、擴散、沉降等均屬于物理過程，對污染物的輸運、稀釋自凈有非常重要的作用。而這其中的動力基礎是由水體的動力要素提供的。不同的水域由于其水動力條件的不同，其自凈能力有較大差異。同時，水動力要素還會與污染物在水中的生化反應進程交互影響，進而通過生化反應過程影響到水體的自凈能力

9、。因此，水動力特性對水域納污和自凈的影響是敏感而又十分復雜的。3.1 自然狀態(tài)下的水體自凈能力由于地形、地貌和水文條件等的不同，不同的水域呈現(xiàn)出不同的水動力特征，表現(xiàn)出不同的納污和自凈特點。對同一水域而言，依照不同的環(huán)境功能區(qū)劃，其納污能力也各不相同。水域的動力特性是影響水域納污和自凈能力的直接的、重要的因素之一。（1）不同水域的納污、自凈特點按動力特征區(qū)分，可將水域流動分為河道徑流型、湖泊水庫環(huán)流型，和河口海灣感潮型三種主要類型。河道徑流型的水域，其水流的主體流動方向是單向的。污染物排入水域后，總體趨勢是隨水流從上游向下游遷移，同時在空間擴散沉降。污染物在空間的擴散強度與流速的大小及梯度也有

10、直接關系。隨著河道中橫向流速強度的不同，河道中污染帶的寬度及其分布形式也會有所不同。 湖泊水庫環(huán)流型的水域，流動結構主要是以平面和立面環(huán)流的形式存在。對淺水型水域內的環(huán)流，其主要的外界驅動力是風。而對深水的水庫和湖泊而言，除風之外，溫度梯度及其變化往往也是形成立面環(huán)流的主要因素。由于該類水域相對而言與域外的交換較少（汛期等特殊情況除外），水域納污之后污染物主要仍在域內滯留，尤其是進入環(huán)流區(qū)的污染物，往往不易被水流帶走。另外，該類水域的流速一般較小，使污染物在該類水域內的擴散作用相對加強，與外域的交換相對較弱。對湖泊環(huán)流型水域而言，納污和自凈能力主要是體現(xiàn)在域內的遷移轉化。 河口海灣感潮型的水域

11、，水體的流動方向往復變化，污染物在該類型水域中隨著流向的不同而遷移轉換。在該類型水域中，余流的強度和方向是確定污染物最終遷移方向的因素，因而對該類水域而言，納污和自凈能力主要也是體現(xiàn)在與域外水體的交換能力上。（2）影響納污和自凈能力的因素及其相互關系影響水域納污和自凈能力的因素是多樣而且十分復雜。如水域中流速、流向、流動結構各不相同將直接對污染物遷移、擴散方向和強度帶來影響。同時，水體本身的組分決定了生物和化學進程對水域納污和自凈能力的作用。如湖泊中的挺水生物往往對吸收排入水體中的營養(yǎng)鹽有明顯效果，但這些挺水生物過多，又會導致水體中溶解氧的大量減少，反過來造成水體中的生態(tài)破壞。另一方面，如果該

12、水域的水動力特性很活躍，如向外域的遷移、擴散能力強，或淺水湖泊中的風力對水體的強烈擾動等又會增加水體中的溶解氧，對增加水域的自凈能力有益。在水域床底長期積累的底質污染，即內源污染積累對水域的納污和自凈能力也有不可忽視的間接影響。例如，在淺水水域中受風的擾動造成波浪掀沙，吸附在沙粒中的污染物就會隨之對水體造成二次污染等等?？傊?，物理的、生物的、化學的，或直接的、間接的各種因素對水域納污和自凈能力的影響是交互作用的復雜過程。而水動力特性在其中起著不可忽視的重要作用。3.2 人工調節(jié)狀態(tài)下的水體納污能力如前所述，自然狀態(tài)下的水域有其自身的納污和自凈特點。而人工調控，包括工程的和非工程的措施，也可在一

13、定程度上改變水體的納污和自凈過程。研究表明，有序的、科學的調節(jié)可望顯著地提高水域的納污和自凈能力。國內外已有許多相關的實例。例如，利用生物鏈的辦法提高水體的自凈能力，治理水域的富營養(yǎng)化；疏挖水庫或湖泊被污染的底泥，防止二次污染；合理安排排污口位置及排污時間，充分利用水體的自凈能力；引入優(yōu)質水源稀釋被污染水體，恢復水體原有的自凈功能；在水域周邊采用各種形式的截污措施，控制點源和面源污染；在海邊排污工程中，選取水動力特性活躍、向外海方向的余流較大的部位作為排污口等等，均能有效地改善或恢復水體的納污和自凈能力。在上述各類方法中，挖掘水體的水動力潛力是行之有效并具應用前景的重要措施。4 提高水體納污能

14、力的水動力潛力分析研究表明，采用各種工程的或非工程的措施，因地制宜、科學合理地挖掘水域的水動力特性的潛力，是提高水域納污和自凈能力的一條有效、安全、節(jié)約的途徑。4.1 依據(jù)水環(huán)境功能區(qū)劃合理安排水體納污為科學合理地發(fā)揮水域的使用功能，并保護水環(huán)境，我國自七十年代末、八十年代初開始在一些重要水域實施水環(huán)境功能區(qū)劃，即結合水域不同區(qū)域水體的使用目標，確定區(qū)域水體的水質標準，分析研究各區(qū)水體的環(huán)境容量，從而對水域納污實施總量控制。這實際上體現(xiàn)了充分利用水環(huán)境承載能力對水域中承納污染物總量的分區(qū)控制管理。但限于認識及研究手段方面的諸多原因，許多水域的水環(huán)境功能區(qū)劃線條很粗，未能真正體現(xiàn)既能充分利用水域

15、各區(qū)的環(huán)境容量，又能達到可持續(xù)利用保護水環(huán)境的目的。特別是對水動力能夠提高水域的納污和自凈能力的潛力認識不足，因而出現(xiàn)諸如排污口位置安排不妥、排放量控制不合理等問題，既加大了局部水域的環(huán)境污染，又浪費了水域整體上的環(huán)境容量。為此，在進一步科學合理地實施水環(huán)境區(qū)劃的基礎上，應當對水域內各部分水體的納污和自凈能力進行動態(tài)分析和研究，并特別關注水域的水動力特性影響，合理安排水體納污位置、納污量和納污水期等，以達到因地制宜、高效安全保護水環(huán)境，合理發(fā)揮水域環(huán)境功能的根本目的。4.2 科學利用自然狀態(tài)下水域的納污和自凈能力自然狀態(tài)下的不同水域，因其物理的、生物的、化學的條件不同，其納污和自凈能力也各不相

16、同。對排污口進行科學選址，并因地制宜地對排污量實施控制，是科學利用自然狀態(tài)下水域的納污和自凈能力的重要內容。以河道徑流型水域為例，雖然在此類水域中水流的主要流向指向下游，但各斷面的流速分布是不均勻的，沿空間方向的流速梯度也不相同，因而在不同的部位安排排污口，其污染帶的范圍及向域外遷移擴散的效果必不相同。極端而言，若將排污口安排在有局部環(huán)流存在的區(qū)域，則該部分水域的水質會很快被破壞，即它的納污能力會遠低于直接將污染物排放到流速大且方向單一的部位（當然，作為一條河流，應當從整體上對上下游的水環(huán)境區(qū)劃進行安排，并認清不同水域間的交換特性，兼顧上下游的利益）。在我國許多熱電站和核電站的建設前期，都要對

17、承納熱、核排放的水域進行審慎研究，在選址時盡可能地避開水動力交換弱、自凈能力差的區(qū)域。不少熱電站設計時還經常利用流速沿垂向分布的不同及浮力流的特性，合理安排取、排水口的高程和部位，達到科學利用自然狀態(tài)下的水域的納污和自凈能力的目的。因此，向被污染的水域引入優(yōu)質水源進行稀釋以改善水質的水質保護措施，還應當相當注意在充分研究該水域水動力特性的基礎上，科學選取合理安排進、出水口，以確保引入的優(yōu)質水能夠有效利用，發(fā)揮其最大的效益。4.3 運用工程和非工程措施提高水域的納污和自凈能力研究表明，運用各類工程的和非工程的措施，對水域的水動力特性進行調控，對提高水域的納污和自凈能力往往會有事半功倍的效果，具有

18、實用、安全、節(jié)約的廣泛應用前景。（1）采用工程措施改善水動力特性向被污染的水域內引入優(yōu)質水源進行稀釋是改善水質行之有效的措施之一。但要真正達到“行之有效”，還應當結合該水域的水動力分布特性，因地制宜地選擇合理的進、出水口，或采用一定的工程措施進行引導，才能確保引入的優(yōu)質水源有效地將水域中的臟水“擠”出去，從而達到改善水環(huán)境的目的。 以于橋水庫為例，在國家“七五”攻關對于橋水庫富營養(yǎng)化的研究中，曾研究過將該水庫的上庫設置為前置庫，充分利用上游部分庫區(qū)面積，采用若干工程措施，改變原河道型水庫內的庫區(qū)流態(tài)，使流場在各斷面的分布力趨均勻，盡可能加長入庫來水在前置庫區(qū)的滯留時間，從而加大泥沙和吸附在泥沙

19、上的污染物質的物理沉降量，使上游來水經過前置庫之后水質得到明顯改善。研究還探討了在前置庫區(qū)種植大型水生植物以吸收更多的營養(yǎng)鹽，從而降低進入主庫的營養(yǎng)鹽含量，達到抑制主庫藻類生長，改善水庫富營養(yǎng)化狀態(tài)的治理目的。研究采取了現(xiàn)場調查、物理模型實驗和數(shù)值模型實驗的綜合技術手段，結果表明這一充分利用水流動力特點、因地制宜的水污染治理措施安全有效，具有可觀的應用前景。 目前正在開展的引江濟太改善太湖水環(huán)境的調水試驗工程，也是通過工程措施改變湖體水動力特性，以加快湖體換水周期，改善水環(huán)境的典型實例。為確保調水效果，調水試驗應當十分重視調入水源對湖區(qū)水體動力特性的有效影響。對太湖這樣的淺水風生湖流，由風生控

20、制的形態(tài)各異的環(huán)流是主導性的動力因子，客觀上不利于污染物的遷移。如果僅僅是將調來的優(yōu)質水作為稀釋水源，顯然既不經濟又不具可持續(xù)性。應當在充分認識湖區(qū)水動力特性，分析調水對動力特性影響的基礎上，審慎研究選取相對最優(yōu)的調水口，調水量和調水時期，以及與之相匹配的出水口，使入調水能最大限度地促使污染物的出湖遷移，才能真正達到改善太湖水質，實現(xiàn)太湖水環(huán)境可持續(xù)利用和保護的目的。（2）利用水利設施的多目標優(yōu)化調度改善水環(huán)境 兼顧改善水環(huán)境的水庫、閘、壩等水利設施的優(yōu)化調度已經逐漸得到有關部門的重視并開始實際應用。在科研工作方面，自八十年代末期，國內就已經開展了利用太湖湖周水工設施優(yōu)化調度改善湖體水質的研究。研究表明，利用太湖環(huán)湖控導工程，通過綜合考慮防洪、航運、排澇和水質改善的單目標和多目標優(yōu)化，可望達到工程調度的相對最優(yōu)的效果和效益。即通過工程調度動態(tài)調節(jié)進出湖水量，加快水體更換速度，調整入清出污時機、能有效地減少入湖污染物量。圖示為太湖