陳江海

（三峽智慧水務(wù)科技有限公司，上海 200335）

水環(huán)境容量是指水體在規(guī)定的環(huán)境目標(biāo)下所能容納的污染物的最大負(fù)荷，通常以單位時(shí)間內(nèi)水體所能承受的污染物總量表示。水環(huán)境容量是反映水生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切關(guān)系的度量尺度，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水質(zhì)保護(hù)的樞紐，也是污染物總量控制的重要參考依據(jù)。水環(huán)境容量具有資源性、時(shí)空性、系統(tǒng)性和動(dòng)態(tài)性四個(gè)基本特征。目前常用的水環(huán)境容量核算方法通常取90%保證率下最枯月流量作為計(jì)算條件，采用一維水質(zhì)模型計(jì)算得到一個(gè)年污染物排放量上限定值作為該水域的水環(huán)境容量。該核算方法無(wú)法客觀反映水文條件動(dòng)態(tài)變化對(duì)水環(huán)境容量的影響，易造成“過(guò)保護(hù)”和工程投資過(guò)大的問(wèn)題，無(wú)法最大發(fā)揮水環(huán)境容量的資源屬性。

隨著水環(huán)境容量的不斷研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后提出了公式法、模型試錯(cuò)法、系統(tǒng)最優(yōu)化法等。DENG 等利用線性規(guī)劃法計(jì)算了長(zhǎng)江口化學(xué)需氧量（COD）和氨氮（NH-N）的水環(huán)境容量，但約束方程的缺少常導(dǎo)致結(jié)果不穩(wěn)定。何紹福等在QUAK2K 模型的基礎(chǔ)上利用模型試錯(cuò)法計(jì)算了沙溪沙縣段COD、NH-N 和總磷（TP）的水環(huán)境容量，制定了各子河段的削減方案。于曉英等采用二維岸邊排放模型段尾控制法計(jì)算梧桐河COD 和氨氮的動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量，結(jié)果表明，該結(jié)果與實(shí)際動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量變化趨勢(shì)吻合，為環(huán)境管理提供支撐。本研究基于水文條件在時(shí)間及空間上的動(dòng)態(tài)變化，構(gòu)建一維河道與管網(wǎng)水動(dòng)力模型，利用段首達(dá)標(biāo)法計(jì)算了江西省九江市兩河（十里河和濂溪河）的COD 和NH-N 的理想水環(huán)境容量，分析了水文條件時(shí)空變化對(duì)理想水環(huán)境容量的影響，為水環(huán)境保護(hù)及管理提供新的方向與思路。

1 研究區(qū)概況

本文研究對(duì)象為兩河（十里河和濂溪河）流域，十里河全長(zhǎng)為12.9 km，濂溪河全長(zhǎng)為10.2 km，流域內(nèi)合流制、分流制管網(wǎng)共存，污水通過(guò)沿河截污干管輸送到污水處理廠，雨水主要通過(guò)雨水排口就近入河。根據(jù)《九江市水功能區(qū)劃》，參考現(xiàn)狀水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的相互協(xié)調(diào)，綜合確定兩河遠(yuǎn)期水質(zhì)目標(biāo)為全河段Ⅳ類水。兩河的水量補(bǔ)給受降雨影響較大，而且各排口的水量也具有空間差異，所以有必要研究水環(huán)境容量在不同水文時(shí)空尺度下的變化情況。

2 研究方法

2.1 一維水動(dòng)力模型

采用暴雨洪水管理模型（SWMM）進(jìn)行管網(wǎng)和河道的一維水動(dòng)力計(jì)算，動(dòng)力波模擬控制方程包括管道中水流的動(dòng)量方程、連續(xù)方程和節(jié)點(diǎn)處的水量連續(xù)方程。該模型可同時(shí)用于管網(wǎng)和河道的水動(dòng)力計(jì)算。管道中水流的動(dòng)量方程和連續(xù)方程分別為

節(jié)點(diǎn)處的水量連續(xù)方程為

式中：為進(jìn)出節(jié)點(diǎn)的流量，m/s；A為節(jié)點(diǎn)自由表面積，m。

2.2 段首達(dá)標(biāo)法水環(huán)境容量計(jì)算模型

段首控制中的段是指在一個(gè)功能區(qū)中沿河任意兩個(gè)排污口斷面之間的河段，而段首則是指各段上游第一個(gè)排污口斷面。段首控制就是控制上游斷面的水質(zhì)達(dá)到功能區(qū)段的要求。段首控制下河段功能區(qū)環(huán)境容量（功能區(qū)段首來(lái)水提供稀釋容量，公式前半部分為稀釋容量，后半部分為自凈容量）的計(jì)算公式為

式中：為河段功能區(qū)環(huán)境容量；C為控制標(biāo)準(zhǔn)；為來(lái)水濃度；為來(lái)水流量；Q為第個(gè)斷面前的干流流量；q為第個(gè)斷面廢水量；為水質(zhì)降解系數(shù)；為斷面距排污口的距離；為流速。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 不同時(shí)間尺度下水環(huán)境容量評(píng)估差異

根據(jù)SWMM 模型和河道模型計(jì)算的2014年河道水力數(shù)據(jù)結(jié)果，通過(guò)小節(jié)2.2 中段首達(dá)標(biāo)法水環(huán)境容量計(jì)算模型，分別以月、季、年尺度來(lái)統(tǒng)計(jì)核算兩河COD、NH-N 的理想水環(huán)境容量，計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示，表中數(shù)據(jù)單位均為噸（t）。段首達(dá)標(biāo)法下，兩河COD、NH-N月尺度理想水環(huán)境容量的變化范圍分別為355.329～1 178.88 t、14.979～55.849 t，季尺度理想水環(huán)境容量變化范圍分 別 為464.971～776.669 t、20.409～35.871 t。由表2數(shù)據(jù)計(jì)算可得，兩河COD、NH-N年尺度理想水環(huán)境容量分別為639.149 t、29.049 t。

表1 段首達(dá)標(biāo)法月平均水環(huán)境容量

表2 段首達(dá)標(biāo)法季平均水環(huán)境容量

隨著計(jì)算時(shí)間尺度的增大，理想水環(huán)境容量的變化趨勢(shì)逐漸平穩(wěn)，環(huán)境容量變化范圍逐漸縮小，差異性也逐漸降低。若按照常規(guī)，全年均以最枯月的水環(huán)境容量作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)污染物入河量實(shí)施限制，則忽略其本身隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，很容易造成水環(huán)境容量未充分利用和工程實(shí)施成本過(guò)高等問(wèn)題。所以，核算研究區(qū)水環(huán)境容量時(shí)應(yīng)充分考慮區(qū)域特性，應(yīng)以精細(xì)的計(jì)算時(shí)間尺度來(lái)核算動(dòng)態(tài)水環(huán)境容量，充分有效地對(duì)水環(huán)境容量進(jìn)行總量分配和季節(jié)性利用。

3.2 不同空間尺度下水環(huán)境容量評(píng)估差異

當(dāng)前，水環(huán)境容量核算大都以整條河作為整體進(jìn)行計(jì)算（河道各處的水文條件一致）或者按照功能區(qū)進(jìn)行分段核算后匯總，這種計(jì)算空間尺度對(duì)于大流域水體較為適用，而對(duì)于城市小流域水體且排污口眾多的情況則過(guò)于粗略，無(wú)法充分考慮各排口對(duì)整條河水環(huán)境容量的影響程度以及水環(huán)境容量的空間分布特性。本節(jié)研究了2 種不同計(jì)算空間尺度（見(jiàn)圖1）對(duì)水環(huán)境容量的影響和空間分布差異，以求城市小流域水體水環(huán)境容量精細(xì)化核算的最適空間尺度。

步長(zhǎng)200 m 的計(jì)算空間尺度下，兩河的COD、NH-N 水環(huán)境容量分別為357.273 7 t/a、15.026 4 t/a；步長(zhǎng)20 m 的計(jì)算空間尺度下，兩河的COD、NH-N水環(huán)境容量分別為356.128 3 t/a、15.019 4 t/a。由此可得，空間步長(zhǎng)的改變對(duì)于兩河總體COD、NH-N 水環(huán)境容量的影響較小。

如圖1所示，兩河各計(jì)算單元的理想水環(huán)境容量呈明顯的空間變化特點(diǎn)，從上游至下游總體上呈逐漸增大的趨勢(shì)，且濂溪河與十里河交匯處至入湖口的理想水環(huán)境容量相對(duì)于其他區(qū)域普遍較大。各計(jì)算單元的理想水環(huán)境容量最大值出現(xiàn)在SL21 河段處，該計(jì)算單元理想水環(huán)境容量將近占兩河總理想水環(huán)境容量的1/3，原因?yàn)樵摵佣闻趴跒閮珊拥叵挛鬯幚韽S的直排口，入河流量遠(yuǎn)大于其他雨水排口，由于兩河的自然特性，排口入河量是其理想水環(huán)境容量的決定因素，導(dǎo)致該單元水環(huán)境容量遠(yuǎn)大于其他計(jì)算單元。所以，在確定水環(huán)境治理工程規(guī)模時(shí)，應(yīng)充分考慮水環(huán)境容量空間分布的不均勻性，根據(jù)其負(fù)責(zé)控制河段的水環(huán)境容量進(jìn)行規(guī)模設(shè)計(jì)。

圖1 不同步長(zhǎng)下兩河COD 環(huán)境容量空間分布

4 結(jié)論

本文以九江市兩河流域?yàn)槔?，從不同時(shí)空尺度分別計(jì)算了兩河的理想水環(huán)境容量，分析了理想水環(huán)境容量在不同時(shí)間、空間上的差異性。結(jié)果表明，隨著計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)的增大，理想水環(huán)境容量的差異性逐漸降低，變化范圍逐漸縮小?？臻g步長(zhǎng)的改變對(duì)于兩河COD、NH-N 總水環(huán)境容量的影響較小，但各個(gè)子計(jì)算單元的理想水環(huán)境容量呈現(xiàn)明顯的空間分布差異，上游至下游總體呈逐漸增大的趨勢(shì)。水環(huán)境容量具有時(shí)空變化的特點(diǎn)，若僅以最枯月的水環(huán)境容量作為水環(huán)境保護(hù)工程的建設(shè)依據(jù)，不僅會(huì)浪費(fèi)水環(huán)境容量的資源屬性，還會(huì)導(dǎo)致建設(shè)成本過(guò)高等問(wèn)題，因此應(yīng)精細(xì)管理水環(huán)境保護(hù)工程負(fù)責(zé)的河段區(qū)域，把該河段區(qū)域的水環(huán)境容量也納入建設(shè)依據(jù)，防止工程資源浪費(fèi)。