青島市水務(wù)事業(yè)發(fā)展服務(wù)中心 徐佳佳

一、基礎(chǔ)理論

（一）水環(huán)境容量與水質(zhì)模型概述

水環(huán)境容量是指水體承載污染物的能力，具體體現(xiàn)為針對目標水體，特定水文條件下，在達到目標水質(zhì)時，單位時間內(nèi)水體能夠容納的最大污染物量。水環(huán)境容量的要素主要有：研究水域、水質(zhì)目標和納污能力。

計算水環(huán)境容量需要建立水環(huán)境容量的數(shù)學(xué)模型，水環(huán)境容量模型的建立基礎(chǔ)是水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，用于描述河流水質(zhì)的數(shù)學(xué)模型有很多，如：穩(wěn)態(tài)模型、動態(tài)模型、簡單的零維模型、一維水質(zhì)模型、二維水質(zhì)模型、三維水質(zhì)模型等。

1.河流水質(zhì)模型

河流水質(zhì)模型是以數(shù)學(xué)方程的方式，描述研究因素在水體中隨著空間、時間發(fā)生變化的規(guī)律，是應(yīng)用歷史最長的一種環(huán)境系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。水質(zhì)模型按研究對象的水質(zhì)隨不同空間的分布變化，可分為零維、一維、二維、三維模型；按研究對象的水質(zhì)隨不同時間的變化，可分為穩(wěn)態(tài)、動態(tài)模型；按研究對象的污染物來源分布不同，分為點源、面源污染模型；以影響因素的數(shù)量為劃分依據(jù)，可分為單一、綜合水質(zhì)模型。

從水質(zhì)模型的空間維數(shù)來說，所有的水體系統(tǒng)理論上都是三維結(jié)構(gòu)，但實際使用中，往往不需要非常精確地考慮所有因素，因此三維以下的水質(zhì)模型就能滿足要求。如果只是對較小區(qū)域的水質(zhì)進行粗略的估算，零維模型就已足夠。如果需要對較長河段的水體中污染物分布情況分析時，一維模型可以滿足需求。如果要對水質(zhì)污染物的分布情況分河段、分部位細化分析，就需要增加模型維數(shù)，考慮采用二維、甚至三維的模型。當(dāng)三維中某一維方向上控制因子混合比較均勻，而其它二維方向上有較大的濃度梯度時，更適合運用二維模型。

（1）零維模型

零維模型在水質(zhì)模型運用時的主要形式是河流稀釋模型；對于湖泊和水庫，主要表現(xiàn)為箱式模型。其污染物濃度計算結(jié)果偏小，可引入不均勻系數(shù)加以修正。其方程如下：

式中：C-污染物稀釋濃度（mg/l），CP-污染物排放濃度（mg/l），QP-廢水排放濃度（mg/l），Ck-來流污染物濃度（mg/l），Qk-河流流量（m3/s）。

（2）一維模型

對于河流而言，一維模型假定污染物濃度僅在縱向（水流方向）上發(fā)生變化，當(dāng)計算河段同時滿足下列條件：①河段寬度和深度較小，并可簡化為矩形斷面；②污染物基本達到均勻混合狀態(tài)所用時間較短；③橫向和垂向（水深方向）的污染物濃度變化非常小，可以忽略時，可采用以下一維穩(wěn)態(tài)方程進行水質(zhì)計算：

式中：C-污染物濃度（mg/l），x-沿河縱向長度（m），u-河流斷面平均流速（m/s）,K-污染物綜合衰減系數(shù)，E-河流縱向離散系數(shù)（m2/s）。

忽略離散作用，即E=0時，上式的解析解為：

式中：C-預(yù)測斷面水質(zhì)濃度（mg/l），C0-起始斷面水質(zhì)濃度（mg/l），k-水質(zhì)綜合衰減系數(shù)，x-斷面間距（m），u-河段平均流速（m/s）。

（3）二維模型

二維模型主要適用于在污染物不能盡快混合或橫向有明顯的濃度梯度的情況，這種狀況主要發(fā)生在河段較寬或長度較短的水域水體中，此時需要建立二維水質(zhì)模型，以模擬污染物在垂向和橫向上的濃度變化。河流二維模型有解析解與數(shù)值解之分，其解析解模型為：

式中：y-目標位置到河岸的垂直距離（m），My-橫向擴散系數(shù)，h-河段起始斷面平均深度，其余同上。

（4）三維模型

如果在x、y、z三個維度上都存在濃度梯度的時候，則需采用三維模型。理論上來說，大部分水域水體的污染都是發(fā)生在三個維度上，需要使用三維模型來詮釋和解決，但在實際應(yīng)用中，一般會根據(jù)水質(zhì)管理的不同需求、污染物混合程度和水域的結(jié)構(gòu)特點，將水質(zhì)模型概化為相對簡單的二維、一維乃至零維來處理。

2.水環(huán)境容量模型

水環(huán)境容量很大程度上可以數(shù)據(jù)的形式體現(xiàn)社會經(jīng)濟活動對水生態(tài)環(huán)境的影響，主要由稀釋容量和自凈容量組成，主要的計算方法有：解析公式法、環(huán)境容量定義法、模型試錯法等。解析公式法適用于河流流速、斷面面積較小的情況，一維水質(zhì)模型應(yīng)用較多。環(huán)境容量定義法是基于水環(huán)境凈化目標和自凈規(guī)律的概念計算方法，其簡單方便，該方法假定各河段斷面水質(zhì)均達到目標水質(zhì)要求，計算條件趨于理想狀態(tài)。模型試錯法適用于河網(wǎng)，并且河網(wǎng)中各河段之間相互產(chǎn)生影響，適合非穩(wěn)態(tài)的河流水環(huán)境容量的計算。本文采用解析公式法計算水環(huán)境容量。

基于一維水質(zhì)模型的水環(huán)境容量模型具體計算公式為

式中：C0-起始斷面的水質(zhì)濃度（mg/L）；Q0-起始斷面流量(m3/s)；k-水質(zhì)綜合衰減系數(shù)（d-1）；x-斷面間河段長（m）；u-河段平均流速（m/s）；Cs-水功能區(qū)劃的水質(zhì)目標；q-入河污水流量（m3/s）。

（二）水質(zhì)模型和水環(huán)境容量模型的確定

本項目研究河段屬于寬淺比較小的小河流，因此選用一維水質(zhì)模型進行水質(zhì)的預(yù)測與水環(huán)境容量的計算。

（三）水環(huán)境容量計算控制因子的選定

根據(jù)前期的水質(zhì)調(diào)查可知，固城湖區(qū)養(yǎng)殖廢水中污染物主要是TN、TP，因此本文選定TN、TP作為控制因子。

（四）水環(huán)境容量模型參數(shù)設(shè)計值的確定

1.本底濃度

本底濃度是指被研究水體的初始濃度，其取值應(yīng)該是研究水域上斷面的污染物濃度。如果上斷面污染物的真實濃度低于上斷面的水質(zhì)標準所規(guī)定的濃度，則取上斷面的水質(zhì)標準濃度。

2.目標濃度

選取水域控制污染因素，劃定模型研究控制斷面，根據(jù)水質(zhì)管理的目標需求，確定控制因素的目標濃度。

3.流速

流速確定主要分為三種情況，當(dāng)實測資料比較豐富，可以根據(jù)水位、設(shè)計流量及水面面積，推算出流速；當(dāng)資料不足時，可選取經(jīng)驗公式，計算所求斷面的流速；條件允許時也可通過實測法確定。

4.降解系數(shù)

降解系數(shù)是水質(zhì)模型的關(guān)鍵參數(shù)之一，它反映了污染物濃度在水體中變化速度的快慢。計算方法主要有：

（1）資料類比分析法

通過查閱資料，將所研究的目標河流的實際情況，類比相關(guān)的河流，選取情況相近的河流，分析其已有的研究成果，確定目標河流的系數(shù)。

（2）實測數(shù)據(jù)估值法

試驗條件允許下，選擇河岸、流速情況較理想的河段，示蹤試驗選定的目標污染物在水體中的變化情況，依據(jù)降解系數(shù)的推算公式測算有關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）利用常規(guī)監(jiān)測資料估算

在設(shè)有固定水質(zhì)監(jiān)測設(shè)施、且監(jiān)測資料較完備齊全的河流，可以取用監(jiān)測資料記錄數(shù)據(jù)進行估算，此方法適用于水利水文設(shè)施較完善的重要河流。

本項目采用實測數(shù)據(jù)估算法，進行示蹤監(jiān)測，選取中試現(xiàn)場整條河道，在進水和出水兩段面進行采樣，測定TN、TP濃度，確定不同控制因子的降解系數(shù)。

二、密集養(yǎng)殖區(qū)水環(huán)境生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)模式優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

（一）試驗區(qū)河道概況

所選試驗區(qū)地點位于高淳固城湖周邊永勝圩螃蟹養(yǎng)殖區(qū)的圩區(qū)河道內(nèi)，永勝圩總體呈長方形輪廓，三面臨近固城湖。試驗河段位于圩區(qū)中部迎湖桃源度假村附近，河段寬約15m，長約150m，水深1.0～1.2m。

（二）河道水質(zhì)監(jiān)測情況

試驗區(qū)上游河道全長約3000m，為較準確研究河流的自凈能力，將河流劃分為5段，平均每600m取一次水樣，測定其TN、TP濃度，作為建立養(yǎng)殖區(qū)生物—生態(tài)修復(fù)技術(shù)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)資料。

河道流速采用現(xiàn)場監(jiān)測法，7次取樣的流速分別為0.0178m/s、0.017m/s，0.0192m/s、0.0181m/s、0.0183m/s、0.0180m/s、0.0175m/s。

（三）原河道降解系數(shù)測定

本次采用實測數(shù)據(jù)估值法進行降解系數(shù)的測算，根據(jù)一維水質(zhì)模型，以現(xiàn)場收集監(jiān)測的水質(zhì)及流量情況為基礎(chǔ)，將上小節(jié)中七次取樣的濃度監(jiān)測數(shù)值取平均值，可以推算出河道各段的降解系數(shù)。計算結(jié)果如表1。

表1 各控制因子的k降解系數(shù)值單位：d-1

降解系數(shù)是水質(zhì)模型的基礎(chǔ)參數(shù)，降解系數(shù)確定后，根據(jù)一維水質(zhì)模型可以通過河道中某點的水質(zhì)情況，預(yù)測前后任意處的水質(zhì)狀況，這對固城湖區(qū)養(yǎng)殖廢水的污染狀況的掌控及污染水體的修復(fù)治理有很重要的理論意義。

（四）試驗生態(tài)修復(fù)區(qū)綜合降解系數(shù)

于試驗區(qū)設(shè)置四個不同的浮床覆蓋率 0%、20%、30%、40%，每個浮床長度50m，進行開放水域的水質(zhì)凈化試驗，通過研究不同凈化指標的去除情況，結(jié)合水質(zhì)模型理論，分析在生態(tài)修復(fù)手段下的河流降解系數(shù)，探求不同浮床覆蓋率對生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)的綜合降解系數(shù)的影響，為試驗區(qū)制定水環(huán)境凈化模式及參數(shù)提供理論依據(jù)。

沿水流方向每50米分別設(shè)A、B、C、D、E五個取樣點，試驗每7天取一次水樣，連續(xù)監(jiān)測四次，取其結(jié)果的平均值作為最終的水質(zhì)濃度（見表2、表3）。

表2 TN的綜合降解系數(shù)計算表

表3 TP的綜合降解系數(shù)計算表

通過數(shù)據(jù)回歸分析可以得出，生物生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)中各污染控制因子的綜合降解系數(shù)與系統(tǒng)浮床覆蓋率之間有一定的數(shù)量關(guān)系，歸納結(jié)果見表4。

表4 覆蓋率與綜合降解系數(shù)關(guān)系方程式

根據(jù)以上回歸方程，可以預(yù)測系統(tǒng)不同覆蓋率下的水體綜合降解系數(shù)，進而預(yù)測經(jīng)過不同覆蓋率的生物生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)處理的水體的出水水質(zhì)，抑或根據(jù)目標水質(zhì)要求，推測滿足要求的最小覆蓋率。

三、生物—生態(tài)修復(fù)模式設(shè)定

為降低試驗區(qū)河道入湖水質(zhì)濃度，我們在河段入湖口采用生物—生態(tài)修復(fù)措施，通過上述原河道水質(zhì)模型及生物—生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)綜合降解系數(shù)的研究進行計算，根據(jù)計算結(jié)果確定修復(fù)方案。分別假定入湖口處鋪設(shè)500m、1000m、1500m長度的修復(fù)系統(tǒng)，浮床覆蓋率選用30%，則整個河道的水體凈化分為河流自凈部分和生物生態(tài)系統(tǒng)凈化部分，水質(zhì)模型計算結(jié)果見表5。

表5 不同生物生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)長度下河道水環(huán)境容量 單位：t/a

從表5可以看出，鋪設(shè)500m修復(fù)系統(tǒng)后的水環(huán)境容量比無外力修復(fù)的原河道有所改善，但在地表水Ⅲ級的水質(zhì)目標下，TN的污染量仍超出水體承載能力。鋪設(shè)1000m修復(fù)系統(tǒng)后，在太湖流域養(yǎng)殖水排放Ⅰ級水質(zhì)標準下，TN、TP的水環(huán)境容量分別是500m長度的3倍、1.7倍，增幅明顯，但在地表水Ⅲ級的水質(zhì)目標下，整條河道的TN含量仍處于超負荷狀態(tài)。鋪設(shè)1500m修復(fù)系統(tǒng)后，兩個水質(zhì)標準下，各控制目標的水環(huán)境容量均有富余，較之1000m長度的水環(huán)境容量增幅亦十分明顯。實際工作中可根據(jù)具體的入湖水質(zhì)目標要求及主要污染控制目標和對整個河道的水環(huán)境要求，來確定修復(fù)技術(shù)模式。

四、總結(jié)

通過現(xiàn)場取樣監(jiān)測，依據(jù)一維水質(zhì)模型，測算得出試驗區(qū)河道降解系數(shù)，并計算出現(xiàn)狀水質(zhì)下每年內(nèi)需要削減的污染物的總量。通過實驗，分析確定生物生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)中浮床覆蓋率與綜合降解系數(shù)間的關(guān)系，運用excel進行數(shù)據(jù)分析，得出覆蓋率與綜合降解系數(shù)間的數(shù)量方程，在此基礎(chǔ)上針對試驗區(qū)河道設(shè)定不同的修復(fù)模式下，為生物生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)在處理養(yǎng)殖廢水中的靈活運用提供理論依據(jù)。