水環(huán)境承載能力計算方法研究

水環(huán)境承載能力計算方法研究

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)境保護的重要基礎(chǔ)。這是協(xié)調(diào)區(qū)域經(jīng)濟和社會環(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緊迫而必須解決的科學(xué)問題。不論是一個地區(qū),一座城市,還是一個流域,其經(jīng)濟社會發(fā)展都要受到水環(huán)境承載能力的影響和制約,一旦經(jīng)濟社會發(fā)展超過水環(huán)境承載能力的閾值,就會產(chǎn)生水污染等問題,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、社會、人口等眾多因素,各因素之間相互促進、相互制約,構(gòu)成一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)水環(huán)境承載能力確定經(jīng)濟社會發(fā)展模式和規(guī)模,是實現(xiàn)科學(xué)發(fā)展、和諧發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的一個基本問題,具有重要意義。2水環(huán)境的負荷研究2.1水環(huán)境承載能力的內(nèi)涵近年來,許多研究對水環(huán)境承載能力的概念進行了探討。汪恕誠指出,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,所能夠容納污水及污染物的最大能力。郭懷成等認為,水環(huán)境承載力是指某一地區(qū)、某一時間、某種狀態(tài)下水環(huán)境對經(jīng)濟發(fā)展和生活需求的支持能力。水環(huán)境承載力因經(jīng)濟發(fā)展速度和規(guī)模不同而各異,因此可用來評判城市水環(huán)境承載負荷的大小。李清龍、錢華等則認為,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經(jīng)濟活動強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、動態(tài)變化性、時代性、分區(qū)性和關(guān)聯(lián)性等特點。崔樹彬則認為,水環(huán)境承載能力也就是我們通常所說的“水環(huán)境容量”或者說是“水環(huán)境(水體)納污能力、水環(huán)境容許污染負荷量”等等都是一個概念。綜合以上觀點,可以認為,水環(huán)境承載能力是指在某一時期,某種環(huán)境狀態(tài)下,某一區(qū)域水環(huán)境對人類社會、經(jīng)濟活動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)中的一個大系統(tǒng),它既為人類活動提供空間和載體,又為人類活動提供資源并容納廢棄物。水環(huán)境承載能力是相對于一定時期、一定區(qū)域的社會經(jīng)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(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,對區(qū)域性的人類社會活動,特別是人類經(jīng)濟發(fā)展行為在規(guī)模、強度或速度上的限值。水環(huán)境承載能力就是水資源開發(fā)利用保護的紅線。從規(guī)劃和管理的角度出發(fā),作者認為水環(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)目標值、設(shè)計水量、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)有資料計算出污染指標的綜合削減系數(shù)K就可以計算出設(shè)計情況下的水環(huán)境承載能力,不需要研究污染物質(zhì)進入河流后的衰減速率和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律,具有簡單、方便的特點。左其亭等按照以控制目標為約束反推水環(huán)境的承載能力的基本思路,采用COIM模型(控制目標反推模型)計算了鄭州市現(xiàn)狀年(2001年)和規(guī)劃水平年(2010年)的水環(huán)境承載能力。丁世剛等運用系統(tǒng)動力學(xué)模型計算濟南市區(qū)的水環(huán)境承載能力。申獻辰提出了一種水環(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),評價了三峽水庫的水環(huán)境承載能力及其時空變化,并分析了三峽水庫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)模型對水環(huán)境承載能力進行分析研究。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)量標準計算出各河段的水環(huán)境承載力,進一步計算出全流域的水環(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,無霜期90~130d,“十年九旱”是張家口典型的氣候特征。全市地勢西北高、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、萬全、崇禮、赤城、懷來、宣化、涿鹿、陽原、蔚縣及尚義縣南部。全市面積3.68×104km2,人口4.49×102萬。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研究區(qū)域。永定河水系流經(jīng)張家口市9個縣4個區(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廳水庫庫面和出庫水質(zhì)現(xiàn)狀為Ⅳ~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,其中有保護區(qū)4個、保留區(qū)1個、飲用水源區(qū)3個、農(nóng)業(yè)用水區(qū)7個、緩沖區(qū)7個。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)狀評價結(jié)果,張家口市COD和NH3-N是最普遍、最嚴重的污染因子,為了使水環(huán)境狀況根本好轉(zhuǎn),必須嚴格控制其入河量。因此根據(jù)河段(湖庫)水體功能的要求,選取以反映水污染特點的COD和NH3-N為指標計算水環(huán)境的承載能力。3.2.2參數(shù)估算設(shè)計流量的確定設(shè)計流量的大小對水環(huán)境承載能力的影響很大,流量資料系列太短則無法反映水文規(guī)律,太長則無法反映人類活動對水資源造成的影響,特別是對枯水期小流量的影響。本研究按如下原則選取:在水文實測資料較豐富的河段,選取75%保證率枯水期月平均流量作為設(shè)計流量,如本河段內(nèi)無水文資料,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,上下游水均無系列水文資料時,選取平偏枯典型年的枯水期平均流量作為設(shè)計流量;在上下游均無水文資料的河段,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)計流量;對湖(庫)則用上述對應(yīng)條件確定計算水位和計算庫容。設(shè)計流速的測算對有實測流量流速資料的斷面,可用以下經(jīng)驗公式計算該斷面的設(shè)計流速:U=αQβ式中:α、β—經(jīng)驗系數(shù),由實測資料回歸得到。對沒有實測流速資料的河段,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)境對污染物的影響。綜合衰減系數(shù)(K)按下式計算: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—河段長度(km);V—河段平均流速(km/d);ln—自然對數(shù)運算符。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)境承載能力計算模型。本文結(jié)合張家口的實際情況選用零維水質(zhì)模型和一維模水質(zhì)模型進行計算。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明顯、斷面水質(zhì)均勻的水體。水環(huán)境承載能力計算模型表達如下: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,取上一個斷面的水質(zhì)目標值(mg/L);CS—水質(zhì)目標值(mg/L);V—水體體積(m3)。其他符號意義同上。通常情況下,一個計算區(qū)段內(nèi)有多個排污口,在實際計算過程中,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集中點源。概化為均勻分布體現(xiàn)污染物分布的平均狀況;概化為集中點源體現(xiàn)了污染物分布的集中狀況。根據(jù)張家口市地勢復(fù)雜、監(jiān)測困難等實際情況,采用后一種概化。將計算河段內(nèi)的多個排污口概化為功能區(qū)中斷面排污,相當(dāng)于一個集中點源。3.3水環(huán)境承載能力采用海河水利委員會有關(guān)資料,根據(jù)污染源概化結(jié)果,通過零維和一維模型,以水功能區(qū)為單元對張家口市海河流域內(nèi)的8.14×102km的河長和18.5km2的湖庫進行分析計算,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)超過了水環(huán)境的承載能力,尤其NH3-N的入河量超過承載能力的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)污染最為嚴重,COD和NH3-N入河量分別超過承載能力15倍和32倍;飲用水源區(qū)的污染也很嚴重,特別是NH3-N,其入河量已超過承載能力大的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類標準,因此緩沖區(qū)COD的承載能力也已經(jīng)達到飽和?？傮w看來,研究區(qū)域所有功能區(qū)的污染物入河量都超過水環(huán)境的承載能力,特別是NH3-N,整個區(qū)域內(nèi)其入河量超過承載能力的10倍,污染相當(dāng)嚴重。保護區(qū)入河污染物主要來源于工業(yè),因此在保護區(qū)的上游要嚴格控制工業(yè)排污;污染最嚴重的保留區(qū)內(nèi)COD和NH3-N污染均主要來源于生活,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。對于混合污染的控制比較困難,多種污染源交錯分布,很難找到主要的污染源頭,治理起來有一定的難度。不同污染物的入河情況見表3。4武健山水環(huán)境資源開發(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)超過了水環(huán)境的承載能力,尤其NH3-N的入河量超過承載能力的10倍。主要原因在于經(jīng)濟發(fā)展方式粗放,高耗水