＊趙婧瀅 林來(lái)昌

（1.福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 福建 350007 2.數(shù)字福建環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室（福建師范大學(xué)）福建 350117 3.福建省污染控制與資源循環(huán)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（福建師范大學(xué)）福建 350007）

20世紀(jì)70年代，日本為了改善環(huán)境質(zhì)量把一定區(qū)域內(nèi)的污染物總量控制在一定范圍內(nèi)，而這個(gè)“允許限度”實(shí)際就是環(huán)境容量，并以環(huán)境容量研究為基礎(chǔ)，逐漸形成了環(huán)境總量控制制度[1-2]。然而歐美國(guó)家的學(xué)者則是用同化容量和水體容許排污水平等概念[3-4]。水環(huán)境容量研究至今已有豐碩的成果，但對(duì)于水環(huán)境容量至今仍然沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)、統(tǒng)一的定義[5-6]。

我國(guó)在20世紀(jì)70年代后期才引入環(huán)境容量的概念，早期主要采用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型和解析解算法，研究小河或者大河局部河段的耗氧有機(jī)物對(duì)水體環(huán)境的影響。例如在河流水環(huán)境容量計(jì)算方法的改進(jìn)上，從水環(huán)境容量的定義出發(fā)利用一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型—托馬斯（Thomas）模型推算了有機(jī)物水環(huán)境容量的不同條件下的計(jì)算公式；應(yīng)用二維水量、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解和通過(guò)分析河流環(huán)境容量的常規(guī)方法對(duì)環(huán)境容量進(jìn)行核算，并給出了修正算法等[7-8]。因此在兼顧控制斷面和功能區(qū)的前提下，提出控制斷面達(dá)標(biāo)和總體達(dá)標(biāo)法兩種方法對(duì)研究區(qū)域河網(wǎng)進(jìn)行水環(huán)境容量核算，為水體質(zhì)量管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1.水環(huán)境模型構(gòu)建框架

(1)水量方程

描述河道水流運(yùn)動(dòng)的圣維南方程組[9]為：

式中：q為支流流量；Q、A、B、Z分別為河道斷面流量、過(guò)水面積、河寬和水位；Vx為支流流速向下游方向上的分量；K為流量模數(shù)，反映河道通過(guò)水流量能力；α為校正系數(shù)，是反映河道斷面流速分布均勻性的系數(shù)。

(2)水質(zhì)方程

模型采用一維河流水質(zhì)模型的基本方程為[9]：

式中：C為物質(zhì)的濃度；t為時(shí)間；u為平均流速；x為橫向坐標(biāo)；Ex為對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)；K為物質(zhì)的一級(jí)衰減系數(shù)。

對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)是一個(gè)綜合參數(shù)項(xiàng)，包含了分子擴(kuò)散、湍流擴(kuò)散以及剪切擴(kuò)散效應(yīng)。模型通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)：

式中：V是流速，來(lái)自水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果；a和b是設(shè)定的參數(shù)。

2.基于水質(zhì)達(dá)標(biāo)的水環(huán)境容量計(jì)算及分析

(1)控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)法

控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)計(jì)算是為了實(shí)現(xiàn)控制斷面水質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，其上游各個(gè)排放源的最大允許排放量[10]?？刂茢嗝孢_(dá)標(biāo)計(jì)算法能夠保證控制斷面水質(zhì)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是在重要水質(zhì)控制斷面的管理。根據(jù)水文條件和邊界水質(zhì)要求，利用水量水質(zhì)模型得出斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)各概化排污口的允許排放量，進(jìn)而計(jì)算區(qū)域水環(huán)境容量。

(2)功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)法

河網(wǎng)（河道）區(qū)環(huán)境容量具體計(jì)算公式[11-12]如下：

其中：αij為不均勻系數(shù)；αij∈(0，1]；河道越寬、水面越大，則αij越小，見(jiàn)表1。

表1 河流不均勻系數(shù)取值表

Wij為計(jì)算中的最小空間計(jì)算單元和最小時(shí)間計(jì)算單元。計(jì)算中最小空間計(jì)算單元為河段（河段為兩節(jié)點(diǎn)之間的河道）；最小時(shí)間計(jì)算單元為天。

根據(jù)確定的邊界水文條件，利用研究區(qū)域河網(wǎng)水量數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出研究區(qū)域最小空間單元和最小時(shí)間單元的環(huán)境容量值；再根據(jù)公式（5）匯總出各控制單元的環(huán)境容量值。

3.研究區(qū)域概況

(1)地理區(qū)位

浙江省湖州市地處浙江省北部，北緯30°23'-31°11'，東經(jīng)119°14'-120°29'。東鄰上海，南接杭州，西依天目山，北瀕太湖，與無(wú)錫、蘇州隔湖相望。

(2)數(shù)據(jù)來(lái)源

水環(huán)境現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來(lái)源于浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)，共涉及斷面29個(gè)。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為高錳酸鹽指數(shù)和NH4-N共2項(xiàng)指標(biāo)。

(3)水質(zhì)現(xiàn)狀

湖州市區(qū)水體主要污染物為高錳酸鹽指數(shù)和NH4-N，湖州市區(qū)高錳酸鹽指數(shù)濃度分別為4.32mg/L和4.16mg/L，都維持在Ⅲ類(lèi)及以上水平；湖州市區(qū)NH4-N濃度0.316mg/L和0.642mg/L，維持在Ⅲ類(lèi)及以上水平。

4.研究區(qū)域河網(wǎng)水環(huán)境模型的建立

(1)河網(wǎng)斷面和排污口概化

以主干河道為基礎(chǔ)，按照河網(wǎng)概化的基本原則，對(duì)湖州市境內(nèi)河網(wǎng)進(jìn)行了合理概化，概化河網(wǎng)和排污口概化見(jiàn)圖1，共設(shè)置了37條河流，總長(zhǎng)約418km。總體上河道斷面間距（計(jì)算水位點(diǎn)）是1000～10000m。模型計(jì)算點(diǎn)（計(jì)算水位點(diǎn)、流量點(diǎn)）總數(shù)249個(gè)。

圖1 湖州市河網(wǎng)控制斷面選取及排污口概化

(2)模型邊界條件

①模型率定

A.外部邊界

模型共設(shè)置19個(gè)開(kāi)邊界（其中10個(gè)流量邊界、9個(gè)水位邊界）。所有邊界采用同步監(jiān)測(cè)水位過(guò)程，利用現(xiàn)有的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或臨近的水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值。

B.內(nèi)部邊界

根據(jù)現(xiàn)狀污染源調(diào)查情況，設(shè)置了132個(gè)內(nèi)部邊界，包括點(diǎn)源和面源。

②模型驗(yàn)證

采用同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

(3)模型參數(shù)率定

①水動(dòng)力模型參數(shù)率定

利用同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)水動(dòng)力模型進(jìn)行率定，調(diào)試各河道的糙率使得計(jì)算水位和水量過(guò)程與實(shí)測(cè)相吻合，率定得出河道糙率為0.025～0.038之間。

表2和表3給出了模型率定計(jì)算得到的部分點(diǎn)位水位及水量誤差分析結(jié)果，由表可知：水位的絕對(duì)誤差均在4cm以?xún)?nèi)，水量的相對(duì)誤差均在30%以?xún)?nèi)。

表2 研究區(qū)域斷面水位計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的絕對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3 研究區(qū)域斷面水量計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的絕對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

②水質(zhì)模型參數(shù)率定

采用同步監(jiān)測(cè)資料對(duì)水質(zhì)模型進(jìn)行率定，模型率定的參數(shù)見(jiàn)表4。從表的誤差分析結(jié)果可知，高錳酸鹽指數(shù)的相對(duì)誤差小于18.11%，平均誤差為17.06%；NH4-N的相對(duì)誤差小于24.00%，平均誤差為23.06%，滿(mǎn)足誤差要求在30%以?xún)?nèi)。

表4 研究區(qū)域斷面高錳酸鹽指數(shù)、NH4-N計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的絕對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

(4)模型參數(shù)選取

本次計(jì)算選取率定得到的水質(zhì)降解系數(shù)：高錳酸鹽指數(shù)降解系數(shù)0.09～0.15d-1之間，NH4-N降解系數(shù)0.05～0.08d-1之間。

(5)計(jì)算結(jié)果及合理性分析

①計(jì)算結(jié)果

采用控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)法及功能區(qū)總體達(dá)標(biāo)法兩種方法計(jì)算得到各個(gè)水（環(huán)境）功能區(qū)水環(huán)境容量見(jiàn)表5，由表可知：A.控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)條件下，湖州市區(qū)高錳酸鹽指數(shù)、NH4-N的水環(huán)境容量分別是25931t/a、2888t/a。B.功能區(qū)水質(zhì)總體達(dá)標(biāo)條件下，湖州市區(qū)高錳酸鹽指數(shù)、NH4-N的水環(huán)境容量分別是25680t/a、2898t/a。C.雙重達(dá)標(biāo)條件下，湖州市區(qū)高錳酸鹽指數(shù)、NH4-N的水環(huán)境容量分別是24199t/a、2823t/a。比較兩種方法計(jì)算結(jié)果，大部分的功能區(qū)控制斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)條件下的水環(huán)境容量大，有部分功能區(qū)的計(jì)算結(jié)果小。因此，如果采用單一方法計(jì)算水環(huán)境容量，會(huì)造成總量控制值偏大或者偏小，只有在綜合考慮兩種計(jì)算方法的差異性下取小值作為最終的總量控制值才能達(dá)到最嚴(yán)格的區(qū)域總量控制。

表5 研究區(qū)域水（環(huán)境）功能區(qū)計(jì)算結(jié)果

②合理性分析

根據(jù)2019年研究區(qū)域入河量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，湖州市基于水環(huán)境容量的區(qū)域污染削減量和削減率見(jiàn)表6。由表可得：基于2019年現(xiàn)狀污染物入河量基礎(chǔ)上的高錳酸鹽指數(shù)、NH4-N削減率分別0%、12%，目前湖州市區(qū)的總量控制指標(biāo)是NH4-N。

表6 湖州市區(qū)入河污染物削減量及削減率計(jì)算成果表

NH4-N的水質(zhì)超標(biāo)率與其污染削減率基本相一致，由此可以得出水環(huán)境容量的計(jì)算結(jié)果基本合理。高錳酸鹽指數(shù)的雖然有一定的水質(zhì)超標(biāo)，但是高錳酸鹽指數(shù)污染物總量不需要削減，主要原因是高錳酸鹽指數(shù)的水質(zhì)超標(biāo)較低，個(gè)別功能區(qū)發(fā)生超環(huán)境容量的污染物排放，對(duì)整個(gè)區(qū)域而言，總量排放并沒(méi)有超過(guò)水環(huán)境容量，所以不需要削減。

5.結(jié)論

以浙江省湖州市區(qū)為研究區(qū)域，提出控制斷面達(dá)標(biāo)法和功能區(qū)水體總體達(dá)標(biāo)法的雙達(dá)標(biāo)方法計(jì)算研究區(qū)域的水環(huán)境容量，得出以下結(jié)論：

（1）目前湖州市區(qū)高錳酸鹽指數(shù)和NH4-N屬于輕度污染，但是水質(zhì)年變化呈現(xiàn)惡化趨勢(shì)。

（2）構(gòu)建了研究區(qū)域一維非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，為區(qū)域水環(huán)境容量計(jì)算提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）采用控制斷面達(dá)標(biāo)法和功能區(qū)水體總體達(dá)標(biāo)法的兩種方法分別計(jì)算研究區(qū)域高錳酸鹽指數(shù)和NH4-N的水環(huán)境容量，取兩種方法的小值作為嚴(yán)格的總量控制值。