小流域水污染防治规划培训讲稿 水环境容量计算 四川大学 黄川友 在小流域水污染防治规划编制过程中，有两个重要问题需要明确：①根据规划区域水污染调查监测资料及地表水环境质量监测数据，明确各水污染源是否实现达标排放及满足总量控制的要求，区域地表水环境质量是否符合水体使用功能要求；②如果地表水环境质量及区域水污染源满足环保要求，则可分析计算出研究水域剩余水环境容量，为区域社会经济发展及水污染源的总量控制提供依据；如果地表水质及区域水污染源达不到环保要求时，则需分析计算出研究水域削减污染负荷量，为地表水质达到水域功能要求与水污染源的达标治理合理控制提供依据。因此，不论是前者还是后者，都需要进行研究水体的水环境容量计算，以利于流域水污染防 1
治规划方案的编制，及区域水污染源的控制与水环境质量达到水体功能要求。 水环境容量是基于对流域水文特征、排污方式、污染物迁移规转化律进行分析研究的基础上，结合环境管理需求确定的水污染负荷量管理控制目标。水环境容量既反映流域的自然属性（水环境特性），同时又反映人类对水环境的需求（主要是水质目标），水环境容量将随着水资源情况的不断变化和人们环境质量需求的不断提高而不断发生变化。 1. 基本概念 1.1. 定义 在给定水域范围和环境水文条件、规定排污方式和水质目标的前提下，单位时间内该水域最大允许纳污量，称作水环境容量。 按照污染物降解机理，水环境容量可划分为稀释容量（W稀释）和降解容量（W降解）两部分。实际的水环境容量确定，是在分析稀释容量与降
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解容量的基础上，根据排污方式的限定与环境管理的具体要求，即在不改变排污口位置、水质目标及确定环境水文条件等情况下，确定水域的环境容量（W容）。 W降 自 净W稀 稀 释 排 放 方 式 3
1.2. 基本特征 水环境容量具有以下三个基本特征：资源性、区域性、系统性。 1.3. 影响要素 影响水域水环境容量的要素很多，概况起来主要有以下四个方面： 1、水域特性。主要是环境水文条件（或环境水力学特性）。 2、环境功能要求。不同的水环境功能区提出不同的水质目标要求。在相同水质与环境水文条件下，水质要求高的水域，水环境容量小；水质要求低的水域，水环境容量大。例如对于COD环境容量，要求达Ⅲ类水域的环境容量仅为要求达Ⅴ类水域环境容量的1/2。 3、污染性质。不同污染物本身具有不同的物理化学特性和生物反应特征，不同类型的污染物对水生生物和人体健康的影响程度不同。因此，对于不同的污染物具有不同的水质标准及迁移转化规律，确定了不同的水环境容量，但具有一定的相互联系和影响，提高某种污染物的水环境容量
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可能会降低另一种污染物的水环境容量。 4、排污方式。水环境容量与污染物的排放方式有关。因此，限定的排污方式是确定水环境容量的一个重要因素。 1.4. 确定原则 水环境容量的确定，要遵循以下的两条基本原则： 一是保持水环境资源的可持续利用； 二是维持流域各段水域水环境容量的相对平衡。 2. 计算步骤 通常情况下，水环境容量计算可按照以下6个步骤进行： 1、水域概化。将研究水域（河流、渠系、湖泊、水库等）概化成不同的计算水域，例如天然河道概化成顺直河道，非稳态水流可简化为稳态水流等。 2、基础资料调查与评价。包括水文、水质、污染源、社会经济等。
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3、选择控制点。确定水质控制断面的位置和浓度控制标准。污染混合区则根据环境管理的要求确定其控制边界。 4、建立水质模型。根据实际情况选择水质模型，确定模型所需的各项参数。 5、水环境容量分析计算。 6、水环境容量的确定。扣除非点源污染影响部分，以及上、下游水域功能命根 水污染源控制后的水环境容量变化，得出实际区域环境管理可利用的水环境容量。 3. 设计条件 3.1. 计算单元 水环境容量计算单元的划分，往往采用节点划分法，即从保证重要水域水体功能角度出发，以城市及工业区等重要和敏感的区域的上、下游断面作为划分节点，把河道划分为若干较小的计算单元进行水环境容量计
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算。如，可以原则上以水环境功能区为基本单元，以水环境功能区上、下界面或常规监测断面作为节点。 1、排污河道的处理。对于没有天然径流量的水环境功能区或河流，可以不进行本水域的水环境容量计算，视作排污口看待。 2、不能（或无法）利用的水域处理。对饮用水水源一级保护区等不容许排污的高功能水域或水环境容量无法利用的水域，可以不进行水环境容量的计算。 3、水环境功能区有空白、漏项等问题的处理。当一条河流的中间水域没有进行功能区划，可以直接按照上下断面的水质要求确定本水域的水质控制标准。对于某些没有进行功能区划的河流，如果最终汇入一定的功能区划水域，可以将该河流作为下游功能区划的支流进行分析计算。 3.2. 控制断面 控制断面的选取要注意以下几个问题：
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1、断面不要设在排污控制区域（超标水域）内。 混合区的定义：混合区是指工程排污口至下游均匀混合断面之间的水域。 超标水域的概念：工程排污口附近，废水主要受河水的稀释混合等物理净化作用，且水质允许超标的水域。 2、敏感点位按水质控制要求合理设置断面。 3、研究水域的进出位置应设置控制断面。 3.3. 环境水文条件 对于河流，指河段内的水深、流速和流量等条件；对于湖库，指湖库的水位、容积和出入湖库流量等条件。一般条件下，作为计算水环境容量的重要参数，各河流可选择近10年最枯月平均流量作为设计流量条件，湖库可选择近10年最枯月平均蓄水量作为湖库的设计容积。 以下几类情况，可分别概化为：
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1、干流河面宽度较宽（一般河宽超过100米时），根据环境管理的需求确定控制区域范围，进行岸边水环境容量计算，以控制区域水环境容量作为可以实际利用的水环境容量数据。 2、其他河段设计流量的计算选取枯水期月平均流量作为计算样本。 3、有闸坝控制的河段，关闸时间较长时，可以考虑近10年最小下泄流量作为设计流量。 4、对于一般湖泊或水库，分别按照近10年最低月平均水位时相应的蓄水量确定设计水量（应扣除死库容）。 如果上述情况下河段设计流量仍然为零，则该河段可以不计算水环境容量，视作排污渠道及作为入汇水域的排污口控制。 3.4. 边界条件 1、控制因子：根据我国水污染现状和水污染物总量控制现状，选择COD和氨氮作为容量计算的主要控制因子。湖库增加总磷、总氮和叶绿
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素a指标。 2、质量标准：省界断面水质标准以国家制定的流域规划确定的目标和省界功能区水质目标为依据，省内断面水质标准以水环境功能区划为水环境容量计算的依据，跨市、县界的功能区划分方案由相关部门解决。 3、设计流速：河流的设计流速为对应设计流量条件下的流速。 4、本底浓度：参考上游水环境功能区标准，以对应国家环境质量标准的上限值为本底浓度（来水浓度），对于跨界水环境功能区的本底浓度界定，需要考虑国家和省（直辖市、自治区）政府部门规定的出、入境断面水质浓度限值。 5、水质目标值：以水环境功能区相应环境质量标准类别的上限值为水质目标值。水环境功能区相应环境质量标准具体落实于相应的控制断面，断面水质达标即意味着水环境功能区水质达标。 6、计算时间：一般指一年。用最枯月或最枯季的水环境容量换算为全年的水环境容量，作为相应功能区研究水域的水环境容量。
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3.5. 排污方式 本次水环境容量计算的前提条件是保持目前排污口的格局不变，各地必须计算出在现有排污口位置情况下的水环境容量数据。 当排污口污水排放流量较大的（根据各区域特征确定）现状排污口，必须作为独立的排污口处理。 其他排污口，可以适当简化。简化方法为： 1、 若排污口距离较近，可把多个排污口简化成集中的排污口。 概化排污口位置的计算： x集＝?QiCixi/?QiCii?1i?1nn x集：概化的集中排污口到功能区划下断面或控制断面的距离； Qi：第i 个排污口（或支流入汇口）的水量； xi ：第i 个排污口（或支流入汇口）到功能区划下断面的距离；
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Ci：第i个排污口（或支流入汇口）的污染物浓度； 2、距离较远并且排污量均比较小的分散排污口，可概化为非点源，仅影响水域水质本底值，不参与排污口优化分配计算。 4. 水质模型选择 根据水环境功能区的实际情况和水污染物特征，水环境容量计算一般用零维或一维水质模型。对有重要保护意义的水环境功能区、大江大河断面水质横向变化显著的区域可采用二维水质模型计算。在模型计算时特别是对于大江大河的水环境容量计算，必须结合控制区域或污染带的范围进行容量计算。 4.1. 零维模型 对河流，零维模型常见的表现形式为河流稀释模型；对于湖泊与水库，零维模型主要有盒模型。 12
4.1.1. 河流零维水质模型的适用条件 1、排污口上游河流来水的水质与水量较均匀； 2、工程外排废水的水质与水量较稳定； 3、多用于水环境影响预测的起始断面水质浓度（即C0值）计算； 4、难降解污染物在小河流评价河段或大、中河流均匀混合断面以下河段的水质预测。 对于湖泊、水库，常用零维模型的问题类型有： 1、不存在分层现象且无须考虑混合区域范围的湖库中的富营养化问题或热污染问题； 2、可依据流场、浓度场等分布规则进行分盒的湖泊和水库，其环境问题均可按零维模型处理。 下面主要介绍二类常见零维模型。 1、定常设计条件下的河流稀释混合模型； 2、湖泊、水库的盒模型。
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4.1.2. 定常设计条件下河流稀释混合模型 1、点源，河水和污水稀释混合方程 CP?QP?CE?QEC? QP?QE式中：C—完全混合的水质浓度（mg/L）； 3 QP、CP—上游来水设计水量（m/s）与设计水质浓度（mg/L）； 3 QE、CE—污水设计流量（m/s）与设计排放浓度（mg/L）； 3例：上游来水CODCr(p)=14.5mg/L， QP=8.7m/s 污水排放源强CODCr(E)=58mg/L，QE=1.0m3/s CODCr(p)?Qp?CODCr(E)?QECODCr（0）==19.0mg/L Qp?QE 14
4.1.3. 湖泊、水库的盒模型 当我们以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程中，往往可以把湖泊看作一个完全混合反应器，这样盒模型的基本方程为： VdC?QCE?QC?SC??(c)V dt 式中：V—湖泊中水的体积（m3）； 3 Q—平衡时流入与流出湖泊的流量（m/a）； 3 CE—流入湖泊的水量中水质组分浓度（g/ m）； C—湖泊中水质组分浓度（g/ m3）； 3 SC—如非点源一类的外部源和汇（ m）； R（c）—水质组分在湖泊中的反应速率。 K是一级反应速率常数（1/t）。 QCE?QC?KCV?0
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?1?C?CE??1?Kt?? 式中：t=V/Q，t为停留时间。 4.2. 一维模型 若河段长度大于下式计算的结果时，可以采用一维模型进行模拟： (0.4B?0.6a)BuL?(0.058H?0.0065B)gHJ *式中：L—混合过程段极限长度（m）； B—河流宽度（m）； a—排放口与近岸水边的距离（m）； u—河流断面平均流速（m/s）； H—河流断面的平均水深（m）；
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g—为重力加速度（m/s）； J—河流坡度. 4.2.1. 一维水质模型的一般方程式（点源一维模式） 2x) Ct= C0·exp（-k·t）或Cx?Co?exp(?k?86400?u例：Kc=0.5/d，u＝0.1m/s，其它数据同上，求排污口下游5.0km处的CODCr浓度。 xCODCr（0）=19.0mg/L， t==0.5787d 86400?uCODCr（5.0km）=19.0exp（―0.5×0.5787）=14.2mg/L 4.2.2. 一维水质模型的适用条件 1、评价河段受纳水体的水质、水量较稳定； 2、工程外排废水的水质与水量较稳定；
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3、易降解污染物在小河流评价河段或大、中河流均匀混合断面以下河段的水质预测。 4.3. 二维模型 当水中污染物浓度在一个方向上是均匀的，而在其余两个方向是变化的情况下，一维模型不再适用，必须采用二维模型，常用于大、中河流超标水域界定及污染带分布计算。河流二维对流扩散水质模型通常假定污染物浓度在水深方向是均匀的，而在纵向、横向是变化的（因为多数河流河宽远远大于水深），水质模型如下： 2zux??C?x,z??exp???K?u? x?4EYxhu?Eyum式中；C（x，y）—排污口对污染带内点（x，y）处浓度贡献值，mg/L； m—河段入河排污口污染物排放速率，g/s； n—河段入河排污口污染物排放速率，g/s；
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u—污染带内的纵向平均水深，m； 2Ey—横向扩散系数，m/s； x—敏感点到排污口纵向距离，m； y—敏感点到排污口所在岸边的横向距离，m； K—污染物降解系数，1/s； C0—上游来水中污染物浓度，mg/L； ?—圆周率。 常用的二维水质模型： 4.3.1. 二维稳态水质混合模式（平直河段） （1）岸边排放 2u??2B?y?cEQEuy?c(x,y)?ch?exp(?)?exp??4Myx4MyxH?Myxu
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????????????????2????????????? （2）非岸边排放 2u??2a?y?cEQEuy?c(x,y)?ch?exp(?)?exp??4Myx4Myx2H?Myxu???????????????2???????u??2B?2a?y???exp??4Myx?????????2????????????? 注：两式中的y均为预测点的岸边距（m），Ch为河流水质背景浓度（mg/L），其余符号同前。 4.3.2. 二维稳态水质混合衰减模式（平直河段） （1）岸边排放 ?2u?2B?y?cQ?uyx??EEc(x,y)?exp??Kc?exp(?)?exp??86400u4Myx4Myx?H?Myxu????????h??????????????????????2????????????????????? （2）非岸边排放 20
2u??2a?y?cEQEuyx?c(x,y)?exp?Kc?exp(?)?exp??86400u4Myx4Myx2H?Myxu????????????h???????????????????2??????u?2B?2a?y??????exp?4Myx???????????2????????????????????? 注：两式中的K均为水中可降解污染物的综合衰减系数（d），其余符号同前。 4.4. 湖库模型 当以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程时，往往可以把湖泊看作一个完全混合反应器。这样的基本方程为： -1VdC?QCE?QC???c?V dt当所考虑的水质组分在反应器内的反应符合一级反应动力学，而且是衰减反应时，则
??c???KC 21
上式变为以下形式： VdC?QC?QC?KCVE dt 当反应处于稳定状态时，dc/dt=0，则 QCEC? Q?KV 4.5. 非点源模型 我国实用的非点源污染控制模型尚处在初步应用阶段，本次水环境容量计算，一般不要求进行非点源模型模拟，有条件的地区可根据实际可能选用适当的模型开展工作。 22
5. 参数推求方法 5.1. 环境水文参数获取方法 1、调查的水文特征参数应包括：河宽B、水深H、流速u、流量Q、断面间河流长度坡度（比降）J和弯曲系数（弯曲系数=，弯曲系数≤1.3可视断面间直线距离为顺直河流）等。 2、调查的方法可分为： （1）现场实测法； （2）水文站资料收集利用法； （3）判图法（判读地形图）。 5.2. 耗氧系数K1的率定 1、实验室测定法
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?K1?K1????0.11?54J????u/H 式中：K1?为实验室测定值，其余符号同前。 2、上、下断面两点法 C上86400?uK1?ln xC下式中：C上、C下分别为上、下断面处的BOD5浓度值（mg/L）。 5.3横向扩散系数的率定 1/2 My=（0.058H+0.0065B）（g·H·J）式中： B——河段平均河流（断面）宽度（m）； H——河段平均（断面）水深（m）； 2 g——重力加速度（m/s）； J——河段河流坡度。
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6. 河流水环境容量计算方法 6.1. 不考虑混合区的水环境容量 6.1.1. 河流概化 河流一维水质模型由河段和节点两部分组成，节点指河流上排污口、取水口、干支流汇合口等造成河道流量或水质发生突变的点，水量与污染物在节点前后满足物质平衡规律 25
j#节点k#河上下 图3-4 河流一维模型概化示意图 6.1.2. 节点平衡方程 考虑干流、支流、取水口、排污口均在同一节点的最复杂情况，水量平衡方程为：
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Q干流混合后?Q干流混合前?Q支流?Q排污口?Q取水口 污染物平衡方程为（忽略混合过程的作用）： C干流混合前?Q干流混合前?C支流?Q支流?C排污口?Q排污口?C取水口?Q取水口C干流混合后? Q干流混合前?Q支流?Q排污口?Q取水口6.1.3. 环境容量计算 6.1.3.1. 零维情况的水环境容量计算 排污口与控制断面之间水域的允许纳污量计算公式为： 单点源排放： W容?CS?(QP?QE)?QP?CP 式中：W容—水域允许纳污量（g/s）； CS—控制断面水质标准（mg/L） 27
）?QP?CP 多点源排放： W容?Cs?(QP??QEii?1n3QEi式中：—第i个排污口设计污水排放量（m/s）； n—排污口个数。 Wi/31.54C?Ci?6.1.3.2. 将 Qi?Qj代入模型，得到一维模型水环境容量的计算公式为： Wi?31.54?C?e?kx/86.4?u?Ci??Qi?Qj? ?式中：Wi—第i个排污口允许排放量，t/a； Ci—河段第i个节点处的水质本底浓度，mg/l； C—沿程浓度，mg/l； 3 Qi—河道节点后流量，m/s；
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Qj—第i节点处废水入河量，m/s； u—第i个河段的设计流速，m/s； x—计算点到第i节点的距离，m。 6.1.4. 环境容量的确定 每个水环境功能区可以调整设计条件得出多个水环境容量计算结果，根据前述的容量确定原则，分析各个排污口污染负荷削减的技术经济可行性，利用线性规划模型或其他的数学方法，从多个水环境容量结果中确定合理的水环境容量。 6.2. 考虑混合区的水环境容量 在排放口下游指定一个限定区域，使污染物进行初始稀释，在此区域内可以超过水质标准，这个区域称为超标水域。超标水域含有容许的意义，因此它具有位置、大小和形状三个要素。 对二维水质模型，不再作具体推导，直接给出，即：
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3?y2u??x1?x2??x1?????W容??86.4exp?Csexp?K?C0exp??Kh?u?Ey??????4Ex86.4u??1000u?86.4u??y1?? 式中： 86.4为单位换算系数； W容—水环境容量，kg/d； Cs—控制点（断面）水质标准，mg/L； C0—上断面来水的水质浓度，mg/L； －1K—污染物综合降解系数，d； h—设计流量下河段平均水深，m； x1,x2—概化排污口至上下游控制断面距离，km; u—设计流量下河段平均流速，m/s；、 2Ey—横向扩散系数，m/s。 30
7. 湖库水环境容量计算方法 7.1. 不考虑混合区的水环境容量 当C为湖泊功能区要求浓度标准CS时，则上式变为： W容?31.54??QCs?KCsV/86400? 3其中：W容为水环境容量，t/a。 V—湖泊中水的体积（m）； 3 Q—平衡时流入及流出湖泊的流量（m/s）； CE—流入湖泊的水质浓度（mg/L）； C—湖泊中的水质浓度（mg/L）； －1 K—是一级反应速率常数（d）。 7.2. 考虑混合区的水环境容量 在实际计算湖库水环境容量时，利用上述方法得出的环境容量往往误
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差很大，类似河流的情况，需要限定污染混合区边界进行混合区内超标水域的二维水质模拟计算分析，以超标水域边界为约束，得出湖库水环境容量。此类模型国内有许多单位做了大量的研究工作，中国环境科学研究院、清华大学、水利水电科学研究院等都有比较成熟的模型可供应用。 8. 容量校核 在水环境容量模型计算的基础上，结合流域规划、上下游关系、水质评价和污染源调查结果、混合区范围等因素，进行合理性分析，界定可利用的水环境容量，最终核定水环境容量。 9. 实用模型选择 9.1. 实用模型的选择（一） 水环境容量计算可采用一般河流水功能区纳污能力计算的一维模型： M?(CS?C0exp(?kL/u))exp(kL/2u)Qr
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式中： M——控制单元污染物最大允许入河速率，g/s； Qr——设计流量，m3/s； CS——控制断面污染物浓度，mg/L； C0——起始断面污染物浓度，mg/L； －1k——某污染物综合降解系数，1/s，用d换算成1/s； x——为排污口距下游控制断面的距离（m），如把一个功能区内多个排污口概化为河段中点的一个排污口时，x=L/2，L为河段总长； u——设计流速，m/s。 9.2. 实用模型的选择（二） 水环境容量的计算可采用一般河流水功能区纳污能力计算的一维模型： 33
x1x2??W?CS?Q??qi?exp(k)?C0Qexp(?k) 86.4u86.4u??i?1n式中： W——计算单元的纳污能力，g/s； Q——河段上断面设计流量，m3/s； CS——计算单元水质目标值，mg/l； C0——计算单元上断面污染物浓度，mg/l； ?qi——旁侧入流量，m3/s； i?1k——污染物综合降解系数，d； x1——旁侧入流概化口至下游控制断面的距离，km； x2——旁侧入流概化口至上游对照断面的距离，km； u——平均流速，m/s；
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n－1n——旁侧排污口个数。 9.3. 实用模型选择（三） 假设区间来污为均匀进入河段，由于中断面上下游两边来污完全对称，因此，可按河段中断面处作为河段计算水环境容量的代表断面，设W实为河段中区间来污的实际负荷，则 xx[C0Q0exp(?K)?W实]exp(?K)?C下Q下2u2u 设W能为河段的极限纳污能力，同样可写出 xx[C0Q0exp(?K)?W能]exp(?K)?CsQ下 2u2u
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上二式相减： x?W能－W实?exp(?K)??CN?C下?Q下 2u于是河段现时的水环境容量W容计算公式为： W容x????W能－W实?＝?Cs?C下?Q下exp?K? ?2u?x??86.4?Cs－C下?Q下exp?K?（kg/d） 或W容＝2u??式中： CS——为河段某污染物的水质标准（mg/l）； C0——河段上断面某污染物浓度（mg/l）; Q0、Q下——分别为河段上、下断面流量（m3/s）； x、u——分别为河段长（km）和平均流速（m/s）；
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K——河段中某污染物的衰减系数（d）。 在计算中考虑到实际C0可能大于或小于CS的情况，经过治理或利用而达到CS，为此需要计算C0＝CS时河段的水环境容量。然而上面公式中由于C0项被隐去，而C0的变化不能直接反映，故应作补充的W补计算，这个W补将改变河段的水环境容量，为此需叠加到原计算的W容上，计算式按 -1xW0?Q0C0(1?exp(?K)) uxWs?Q0Cs(1?exp(?K)) u于是W补＝W0－Ws '最后W容＝W容＋W补 37
'式中，W容为计算河段的上断面已治理或利用而达到CS时的河段水环境容量。 无明确排污口，考虑污水沿河长均匀排入，采用上述水环境容量计算公式计算。 对有明确排污口的可采用多点非线性衰减纳污能力计算公式： ?W能＝86.4??CN－C0?Q0＋CN??qi?C0Q0 ?i?1x0?xi(1?exp(?K))?CN?[(1?exp(?K))Qi]? uu式中：qi为各排污口排放水量，其它符号意义同前，乘86.4是换算成kg/d。 应当指出计算的W容值，其实质是在现有的上游断面来污和控制单元
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n（河段）区间排污情况下经河流自净后剩余的纳污负荷量，C下×Q下就是河段在现有各方来污情况下经河流自净后剩余的污染负荷量，因此通过C下、Q下可以反推出河段中来污负荷W实。 设河中来污浓度为C（进入河段稀释后的浓度），河段中断面流量为Q，q于是可写出： t?k?ktQ0C0e?Cqe2Qq?Q下C下 -ktW实＝CqQq＝Q下C下－Q0C0e???ekt2 ?ttk-k22Q下C下e－Q0C0e 要知道河段是否还有剩余容量，就要比较W能与W实。 即W容＝W能－W实
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如果W容＞0，表示河段还有剩余容量，反之则表示河段不仅没有环境容量，而且负荷量已超过河段的纳污能力。 40