水環(huán)境承載能力計(jì)算方法研究

水環(huán)境承載能力計(jì)算方法研究

1水環(huán)境承載力的影響因素水生環(huán)境的承載能力是環(huán)境環(huán)境保護(hù)的重要基礎(chǔ)。這是協(xié)調(diào)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要依據(jù)。水環(huán)境的承載能力分析已成為一個(gè)緊迫而必須解決的科學(xué)問(wèn)題。不論是一個(gè)地區(qū),一座城市,還是一個(gè)流域,其經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展都要受到水環(huán)境承載能力的影響和制約,一旦經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展超過(guò)水環(huán)境承載能力的閾值,就會(huì)產(chǎn)生水污染等問(wèn)題,造成水生態(tài)系統(tǒng)的破壞。水環(huán)境承載力涉及水環(huán)境、宏觀經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人口等眾多因素,各因素之間相互促進(jìn)、相互制約,構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)水環(huán)境承載能力確定經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展模式和規(guī)模,是實(shí)現(xiàn)科學(xué)發(fā)展、和諧發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)基本問(wèn)題,具有重要意義。2水環(huán)境的負(fù)荷研究2.1水環(huán)境承載能力的內(nèi)涵近年來(lái),許多研究對(duì)水環(huán)境承載能力的概念進(jìn)行了探討。汪恕誠(chéng)指出,水環(huán)境承載能力指的是在一定的水域,其水體能夠被繼續(xù)使用并仍保持良好生態(tài)系統(tǒng)時(shí),所能夠容納污水及污染物的最大能力。郭懷成等認(rèn)為,水環(huán)境承載力是指某一地區(qū)、某一時(shí)間、某種狀態(tài)下水環(huán)境對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活需求的支持能力。水環(huán)境承載力因經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度和規(guī)模不同而各異,因此可用來(lái)評(píng)判城市水環(huán)境承載負(fù)荷的大小。李清龍、錢華等則認(rèn)為,水環(huán)境承載力是指在水環(huán)境系統(tǒng)的自我維持、自我調(diào)節(jié)能力正常的情況下,水環(huán)境系統(tǒng)的承納能力及其可維育的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度和具有一定生活水平的人口數(shù)量或最大規(guī)模;水環(huán)境承載力具有客觀存在性、動(dòng)態(tài)變化性、時(shí)代性、分區(qū)性和關(guān)聯(lián)性等特點(diǎn)。崔樹(shù)彬則認(rèn)為,水環(huán)境承載能力也就是我們通常所說(shuō)的“水環(huán)境容量”或者說(shuō)是“水環(huán)境(水體)納污能力、水環(huán)境容許污染負(fù)荷量”等等都是一個(gè)概念。綜合以上觀點(diǎn),可以認(rèn)為,水環(huán)境承載能力是指在某一時(shí)期,某種環(huán)境狀態(tài)下,某一區(qū)域水環(huán)境對(duì)人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的支持能力的限度或閾值。人類賴以生存和發(fā)展的水環(huán)境是生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)大系統(tǒng),它既為人類活動(dòng)提供空間和載體,又為人類活動(dòng)提供資源并容納廢棄物。水環(huán)境承載能力是相對(duì)于一定時(shí)期、一定區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和水平而言的。其目標(biāo)是保護(hù)現(xiàn)實(shí)的或擬定的水環(huán)境結(jié)構(gòu)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(duì)區(qū)域性的人類社會(huì)活動(dòng),特別是人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展行為在規(guī)模、強(qiáng)度或速度上的限值。水環(huán)境承載能力就是水資源開(kāi)發(fā)利用保護(hù)的紅線。從規(guī)劃和管理的角度出發(fā),作者認(rèn)為水環(huán)境承載能力指的是在滿足水域功能要求的前提下,在給定的水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)值、設(shè)計(jì)水量、排污口位置及排污方式下,功能區(qū)水體所能容納的最大污染物量。2.2水環(huán)境承載能力的內(nèi)涵宋全香等用黑箱模型預(yù)測(cè)了鄭州市的水環(huán)境承載能力。該模型僅需要根據(jù)現(xiàn)有資料計(jì)算出污染指標(biāo)的綜合削減系數(shù)K就可以計(jì)算出設(shè)計(jì)情況下的水環(huán)境承載能力,不需要研究污染物質(zhì)進(jìn)入河流后的衰減速率和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律,具有簡(jiǎn)單、方便的特點(diǎn)。左其亭等按照以控制目標(biāo)為約束反推水環(huán)境的承載能力的基本思路,采用COIM模型(控制目標(biāo)反推模型)計(jì)算了鄭州市現(xiàn)狀年(2001年)和規(guī)劃水平年(2010年)的水環(huán)境承載能力。丁世剛等運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算濟(jì)南市區(qū)的水環(huán)境承載能力。申獻(xiàn)辰提出了一種水環(huán)境承載能力的定量描述方法。陳永燦等從水環(huán)境承載能力的概念及其特征出發(fā),評(píng)價(jià)了三峽水庫(kù)的水環(huán)境承載能力及其時(shí)空變化,并分析了三峽水庫(kù)蓄水前和蓄水后水環(huán)境承載能力的變化。本文的基本思路是:綜合考慮水體動(dòng)力特征、自凈能力和研究區(qū)域污染物排放情況,選用零維和一維水質(zhì)模型對(duì)水環(huán)境承載能力進(jìn)行分析研究。首先確定研究區(qū)域及相應(yīng)的水功能區(qū);然后根據(jù)河段的水文條件和凈化機(jī)理等選擇適當(dāng)?shù)乃|(zhì)模型并確定恰當(dāng)?shù)目刂埔蜃?最后根據(jù)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出各河段的水環(huán)境承載力,進(jìn)一步計(jì)算出全流域的水環(huán)境承載能力。3張家口市水環(huán)境承載能力分析3.1研究領(lǐng)域的總結(jié)3.1.1氣候條件概況張家口市地處河北省西北部,基本地貌為壩上高原與壩下中低山類型區(qū)。壩下2.35×104km2處于永定河水系和潮白河水系的上游,是首都北京的重要供水水源地。全市屬寒溫帶大陸性氣候,風(fēng)多雨少,氣候干燥,多年平均氣溫1.2℃~9.1℃,壩上多年平均降水量360~400mm,壩下400~500mm,多年平均蒸發(fā)量850~1200mm,干旱指數(shù)2.0~2.5,無(wú)霜期90~130d,“十年九旱”是張家口典型的氣候特征。全市地勢(shì)西北高、東南低,陰山山脈橫貫中部,將全市劃分為壩上壩下兩個(gè)自然地理區(qū)域。壩上高原屬內(nèi)蒙古高原的一部分,海拔1300~1500m,地勢(shì)南北高,中間低,期間殘丘、崗梁、灘地、湖淖相間分布,呈典型的波狀高原景觀,面積1.17×104km2,占全市總面積的31.5%。包括康保、沽源、張北三縣和尚義縣的北部;壩下山巒起伏,溝壑縱橫,山地、丘陵、盆地相間分布,海拔均在2000m以上,包括張家口市區(qū)和懷安、萬(wàn)全、崇禮、赤城、懷來(lái)、宣化、涿鹿、陽(yáng)原、蔚縣及尚義縣南部。全市面積3.68×104km2,人口4.49×102萬(wàn)。3.1.2廢污水及污染物排放現(xiàn)狀永定河水系是本文的重點(diǎn)研究區(qū)域。永定河水系流經(jīng)張家口市9個(gè)縣4個(gè)區(qū),包括桑干河和洋河。區(qū)域內(nèi)包括了主要的工礦企業(yè)和城鎮(zhèn)所在地,是水污染較嚴(yán)重的流域。2003年全市和永定河水系廢污水及污染物排放情況見(jiàn)表1。區(qū)內(nèi)主要河流水質(zhì)狀況:桑干河主要河段水質(zhì)類別在Ⅱ~Ⅲ類;洋河除部分河段為Ⅴ類外,大部分都是劣Ⅴ,水質(zhì)污染嚴(yán)重;清水河從市區(qū)段到洋河響水堡斷面均為超Ⅴ類水的河段。主要超標(biāo)物有氨氮、氛、高錳酸鹽指數(shù)等。受上游污染影響,位于永定河干流之上的官?gòu)d水庫(kù)庫(kù)面和出庫(kù)水質(zhì)現(xiàn)狀為Ⅳ~(yú)Ⅴ類,已于1997年退出生活飲用水系統(tǒng)。張家口市海河流域內(nèi)共有水功能區(qū)22個(gè),其中有保護(hù)區(qū)4個(gè)、保留區(qū)1個(gè)、飲用水源區(qū)3個(gè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)7個(gè)、緩沖區(qū)7個(gè)。3.2結(jié)果表明，北京水環(huán)境的承載能力3.2.1控制入河量,保證水環(huán)境自然健康發(fā)展根據(jù)污染源現(xiàn)狀評(píng)價(jià)結(jié)果,張家口市COD和NH3-N是最普遍、最嚴(yán)重的污染因子,為了使水環(huán)境狀況根本好轉(zhuǎn),必須嚴(yán)格控制其入河量。因此根據(jù)河段(湖庫(kù))水體功能的要求,選取以反映水污染特點(diǎn)的COD和NH3-N為指標(biāo)計(jì)算水環(huán)境的承載能力。3.2.2參數(shù)估算設(shè)計(jì)流量的確定設(shè)計(jì)流量的大小對(duì)水環(huán)境承載能力的影響很大,流量資料系列太短則無(wú)法反映水文規(guī)律,太長(zhǎng)則無(wú)法反映人類活動(dòng)對(duì)水資源造成的影響,特別是對(duì)枯水期小流量的影響。本研究按如下原則選取:在水文實(shí)測(cè)資料較豐富的河段,選取75%保證率枯水期月平均流量作為設(shè)計(jì)流量,如本河段內(nèi)無(wú)水文資料,可根據(jù)相鄰上下游有系列資料的用內(nèi)插法確定;在資料較少,上下游水均無(wú)系列水文資料時(shí),選取平偏枯典型年的枯水期平均流量作為設(shè)計(jì)流量;在上下游均無(wú)水文資料的河段,利用產(chǎn)流面積與水系或水文站控制產(chǎn)流面積的比例確定枯水期設(shè)計(jì)流量;對(duì)湖(庫(kù))則用上述對(duì)應(yīng)條件確定計(jì)算水位和計(jì)算庫(kù)容。設(shè)計(jì)流速的測(cè)算對(duì)有實(shí)測(cè)流量流速資料的斷面,可用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算該斷面的設(shè)計(jì)流速:U=αQβ式中:α、β—經(jīng)驗(yàn)系數(shù),由實(shí)測(cè)資料回歸得到。對(duì)沒(méi)有實(shí)測(cè)流速資料的河段,借用特征相近的其他河道流量流速關(guān)系分析確定。環(huán)境對(duì)污染物濃度的影響污染物綜合降解系數(shù)K是反映污染物沿程變化的綜合系數(shù),它體現(xiàn)污染物自身的變化,也體現(xiàn)了環(huán)境對(duì)污染物的影響。綜合衰減系數(shù)(K)按下式計(jì)算:K=VXlnCACBΚ=VXlnCACB式中:CA—河段上斷面污染物濃度(mg/L);CB—河段下斷面污染物濃度(mg/L);X—河段長(zhǎng)度(km);V—河段平均流速(km/d);ln—自然對(duì)數(shù)運(yùn)算符。3.2.3水體環(huán)境承載能力水環(huán)境承載能力分析實(shí)際是以物質(zhì)守恒定律為基礎(chǔ),根據(jù)水質(zhì)模型和污染源概化結(jié)果推導(dǎo)出水環(huán)境承載能力計(jì)算模型。本文結(jié)合張家口的實(shí)際情況選用零維水質(zhì)模型和一維模水質(zhì)模型進(jìn)行計(jì)算。其中零維水質(zhì)模型適用于流量和流速較小、水流極緩、全水域污染物完全混合的水體;一維水質(zhì)模型適用于水體流動(dòng)明顯、斷面水質(zhì)均勻的水體。水環(huán)境承載能力計(jì)算模型表達(dá)如下:零維模型W=CS(Q0+QW)-C0Q0+kCSV一維模型W=CS(Q0+QW)EXP(kx/2u)-C0Q0EXP(-kx/2u)式中:W—承載能力(g/s);Q0—設(shè)計(jì)流量(75%保證率枯水期平均流量)(m3/s);QW—入河污水流量(m3/s);C0—初始濃度值,取上一個(gè)斷面的水質(zhì)目標(biāo)值(mg/L);CS—水質(zhì)目標(biāo)值(mg/L);V—水體體積(m3)。其他符號(hào)意義同上。通常情況下,一個(gè)計(jì)算區(qū)段內(nèi)有多個(gè)排污口,在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中,需將河段內(nèi)排污口的分布加以概化。目前污染源概化主要采取兩種方法:概化為均勻分布或概化為一個(gè)集中點(diǎn)源。概化為均勻分布體現(xiàn)污染物分布的平均狀況;概化為集中點(diǎn)源體現(xiàn)了污染物分布的集中狀況。根據(jù)張家口市地勢(shì)復(fù)雜、監(jiān)測(cè)困難等實(shí)際情況,采用后一種概化。將計(jì)算河段內(nèi)的多個(gè)排污口概化為功能區(qū)中斷面排污,相當(dāng)于一個(gè)集中點(diǎn)源。3.3水環(huán)境承載能力采用海河水利委員會(huì)有關(guān)資料,根據(jù)污染源概化結(jié)果,通過(guò)零維和一維模型,以水功能區(qū)為單元對(duì)張家口市海河流域內(nèi)的8.14×102km的河長(zhǎng)和18.5km2的湖庫(kù)進(jìn)行分析計(jì)算,結(jié)果表明,張家口市COD和NH3-N的承載能力分別為1.18×107kg/a和5.04×105kg/a。2000年張家口市COD和NH3-N的入河量分別為1.79×107kg/a和5.33×106kg/a,已經(jīng)超過(guò)了水環(huán)境的承載能力,尤其NH3-N的入河量超過(guò)承載能力的10倍。張家口不同水功能區(qū)的水環(huán)境承載能力見(jiàn)表2。張家口市海河流域5類不同水功能區(qū)中,保留區(qū)污染最為嚴(yán)重,COD和NH3-N入河量分別超過(guò)承載能力15倍和32倍;飲用水源區(qū)的污染也很嚴(yán)重,特別是NH3-N,其入河量已超過(guò)承載能力大的37倍;水環(huán)境承載能力最大的水功能區(qū)類型是農(nóng)業(yè)用水區(qū),COD和NH3-N的承載能力分別占張家口市水環(huán)境承載能力總量的76%和90%,NH3-N的入河量也超過(guò)承載能力的9倍;雖然緩沖區(qū)COD的入河量還小于承載能力,但是由于緩沖區(qū)是為協(xié)調(diào)省際間、市際間用水關(guān)系而劃定的特殊水域,水質(zhì)不得劣于Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn),因此緩沖區(qū)COD的承載能力也已經(jīng)達(dá)到飽和。總體看來(lái),研究區(qū)域所有功能區(qū)的污染物入河量都超過(guò)水環(huán)境的承載能力,特別是NH3-N,整個(gè)區(qū)域內(nèi)其入河量超過(guò)承載能力的10倍,污染相當(dāng)嚴(yán)重。保護(hù)區(qū)入河污染物主要來(lái)源于工業(yè),因此在保護(hù)區(qū)的上游要嚴(yán)格控制工業(yè)排污;污染最嚴(yán)重的保留區(qū)內(nèi)COD和NH3-N污染均主要來(lái)源于生活,保留區(qū)內(nèi)要控制生活污水和污染物的排放量;飲用水源區(qū)內(nèi)NH3-N主要來(lái)源于生活污染和工業(yè)污染,COD則以工業(yè)污染為主,生活污染為輔;農(nóng)業(yè)用水區(qū)和緩沖區(qū)中主要的污染源都是混合污染。對(duì)于混合污染的控制比較困難,多種污染源交錯(cuò)分布,很難找到主要的污染源頭,治理起來(lái)有一定的難度。不同污染物的入河情況見(jiàn)表3。4武健山水環(huán)境資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀結(jié)果表明,2000年張家口市COD和NH3-N的入河量分別為1.79×107kg/a和5.33×106kg/a,已經(jīng)超過(guò)了水環(huán)境的承載能力,尤其NH3-N的入河量超過(guò)承載能力的10倍。主要原因在于經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式粗放,高耗水