环境规划课件 水环境容量计算
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水环境容量计算
水环境容量:反映流域的自然属性(水文特性),又反映人类对环境 的需求(水质目标) W自净 水环境容量= 稀释容量(W稀释) +自净容量(W自净) 两部分
自净
W稀释 稀释
W
排放方式
稀释容量:在给定水域的来水污染物浓度低于出水水质目标时,依靠稀 释作用达到水质目标所能承纳的污染物量
自净容量:由于沉降、生化、吸附等物理、化学和生物作用,给定水域 达到水质目标所能自净的污染物量
照最枯流量计算没有水环境容量的情况,按照分水期进行
水环境容量的计算(需要注明对应的水期月份),汇总得 到全年的水环境容量。
边界条件
控制因子:COD和氨氮主要控制因子.湖库增加总磷、 总氮和叶绿素a指标;
质量标准
省界功能区水质目标为依据,
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、县界的功能区协调方案由各省解决。
河水流量与污水流量之比大于10~20;
不需考虑污水进入水体的混合距离;
常用零维模型解决的问题
对河流
不考虑混合距离的重金属污染物、部分有毒物质等其它保
守物质的下游浓度预测与允许纳污量的估算;
有机物降解性物质的降解项可忽略时,可采用零维模型; 对于有机物降解性物质,当需要考虑降解时,可采用零维
排放浓度与超标率(Pr)关系
在超标率计算时,假定排污总量中排污水量不变,改变排污浓度, 在给定达标率(或超标率)的条件下反推,乘以排污水量,可求出 允许纳污量。
湖泊、水库的盒模型
以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程时,可把 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 QC E QC SC ( c )V dt
QCE QC KCV 0
1 C CE 1 K t
t=V/Q, t为停留时间
零维模型数据和参数总结表
类别 水力 数据
数据
河 流 流量Q 设计流量如7Q10 横截面积A 水深H 水力停留时间tw 平均深度H 水体容积V 湖泊表面积A
注释 由于稀释容量的原因,流量的正确估计很重 要。由于模型是在设计条件下进行的,因而 设计流量的计算是必需的。当河流被视为完 全混合反应时,应计算A, H. tw是湖泊等滞流水体模型的一个重要参数, 由V/Q计算
污染物浓度在断面横向方向变化不大,横向和垂向的污 染物浓度梯度可以忽略。
模型分段模拟,但计算精度和实用性较差,最好用一维模 型求解。
对湖泊、水库 热污染问题;
不存在分层现象、无须考虑混合区范围的富营养化问题和
可依流场、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盒模型处理。
定常设计条件下河流稀释混合模型
点源,河水、污水稀释混合方程
C
C p Q p CE QE Q p QE
C—完全混合的水质浓度(mg/L); Qp, Cp—上游来水设计水量(m3/s)与 设计水质浓度(mg/L); QE, CE—污水设计流量(m3/s)与设计 排放浓度(mg/L);
对于可概化为完全均匀混合类的排污情况,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:
WC S (Qp QE ) Qp C p
水质目标值 单位时间
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。
一般指一年。最枯月或最枯季的环境容量换算为全年,作为 功能区的年环境容量。
排放浓度采用mg/l单位,流量采用m3/s单位,计算结果是瞬 时允许污染物流量(mg/s), 需换算成年容量。
排污方式
当排污口污水排放流量较大(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。
计算步骤1
水域概化 将天然水域(河流、湖泊水库)概化成计算水域 基础资料调查与评价 水域水文资料(流速、流量、水位、体积等) 水域水质资料(多项污染因子的浓度值)
收集水域内的排污口资料(废水排放量与污染物浓度)
支流资料(支流水量与污染物浓度) 取水口资料(取水量,取水方式) 污染源资料等(排污量、排污去向与排放方式) 并进行数据一致性分析,形成数据库。
V—湖泊中水的体积(m3); Q—平衡时流入与流出湖泊的流量(m3/a); CE—流入湖泊的水量中水质组分浓度(g/m3); C—湖泊中水质组分浓度(g/m3); Sc—如非点源一类的外部源和汇(m3); r(c)—水质组分在湖泊中的反应速率。
湖泊、水库的盒模型
如果反应器中只有反应过程,则Sc=0,则公式变为:
湖 泊
污染 源数 据
污水流量QE 污水外排浓度CE 悬浮固体浓度SS 背景浓度Cp
QE 、CE指设计条件下的外排流量和浓度 考虑溶解态和颗粒态污染物时需使用SS值, 常用于重金属
一维模型
对于河流而言,一维模型假定污染物浓度仅在河流纵向 上发生变化,主要适用于同时满足以下条件的河段:
宽浅河段; 污染物在较短的时间内基本能混合均匀;
水文条件
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
有闸坝控制的河段,关闸时间较长时,可以考虑近10年
平均水位下的水体容积作为设计流量或最小下泄流量。
对于一般湖泊或水库,分别按照近10年最低月平均水位 水位相应的蓄水量和死库容的蓄水量确定设计流量。
有条件的地区,可对丰平枯水期特征明显的河流,以及按
影响要素
水域特性 几何特征(岸边形状、水底地形、水深或体积); 水文特征(流量、流速、降雨、径流等); 化学性质(pH值,硬度等); 物理自净能力(挥发、扩散、稀释、沉降、吸附);
化学自净能力(氧化、水解等);
生物降解(光合作用、呼吸作用)。
环境功能要求
不同功能区划,对水环境容量的影响很大: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;
若排污口距离较近,可把多个排污口简化成集中的排
污口
排污口概化的重心计算: X=(Q1C1X1+Q2C2X2+·· nCnXn)/(Q1C1+Q2C2+·· nCn) ·Q · ·Q · X:概化的排污口到功能区划下断面或控制断面的距离; Qn:第n个排污口(支流口)的水量; Xn:第n个排污口(支流口)到功能区划下断面的距离; Cn:第n个排污口(支流口)的污染物浓度;
计算步骤2
选择控制点(或边界)根据水环境功能区划和水域内的水 质敏感点位置分析,确定水质控制断面的位置和浓度控制 标准。如存在污染混合区,则需根据环境管理的要求确定 污染混合区的控制边界。 建立水质模型 选择零维、一维或二维水质模型,并确定模 型所需的各项参数。 容量计算分析 应用设计水文条件和上下游水质限制条件进 行水质模型计算,利用试算法(根据经验调整污染负荷分 布反复试算,直到水域环境功能区达标为止)或建立线性 规划模型(建立优化的约束条件方程)等方法确定水域的 水环境容量。 环境容量确定 在容量计算分析基础上,扣除非点源污染影 响部分,则为实际环境管理可利用的水环境容量。
式中:WC—水域允许纳污量(g/L); S—控制断面水质标准(mg/L)
多点源排放
WC S (Q p QEi ) Q p C p
i 1
n
式中:QEi——第i个排污口污水设计排放流量(m3/s); n——排污口个数
定常设计条件下河流稀释混合模型
考虑吸附态和溶解态污染指标耦合模型
影响要素
污染物质
不同污染物本身具有不同的物理化学特性和生物反应规 律,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。不同的污染物具有不同的环境容量;
排污方式 集中排放的环境容量比分散排放小 瞬时排放比连续排放的环境容量小
一般来说,在其他条件相同的情况下
岸边排放比河心排放的环境容量小
因此,限定的排污方式是确定环境容量的一个重要确定 因素。
VdC QC E QC ( c )V dt
当反应器内的反应符合一级反应动力学,且是衰减反应时,则
(c) KC
公式又变为以下形式
VdC QC E QC KCV dt
K是一级反应速率常数(1/t)
湖泊、水库的盒模型
当反应ห้องสมุดไป่ตู้处于稳定状态时,dC/dt=0,可得到下式
上界 1 2 3
下界
1# 上界 下界
排污口概化示意图
距离较远并且排污量均比较小的分散排污口,可概化 为非点源入河,仅影响水域水质本底值,不参与排污口 优化分配计算。
水质模型
模型的类型 零维模型 一维模型: 二维模型:
零维模型
对河流,表现形式为河流稀释模型;对于湖泊与水库, 主要有盒模型 符合下列两个条件之一的环境问题可概化为零维问题:
功能区划水域没有常规性监测断面,可以选择功能
区的下断面或者重要的用水点作为控制节点。
控制断面的选取要注意以下几个问题
断面不要设在排污混合区内(由排放浓度过渡到功能 区标准的排污混合区或过渡区); 断面一定要反映敏感点的水质。大部分水环境功能区内 都允许有取水口(饮用水、工业用水、农业用水)或鱼 类索饵、产卵等活动区存在,断面设置应考虑这些敏感 点的水质保护,以保证功能区真正达标。
设计条件
计算单元
水环境容量计算单元的划分,采用节点划分法 从保证重要水域水体功能角度出发,以大中城市及重要工 业区、工业企业生活等重要和敏感的区域或断面作为划
分节点,把河道划分为若干较小的计算单元进行水环境
容量计算。
控制点
一般情况下,计算单元内可以直接按照水环境功能区 上下边界、监测断面等设置控制点或节点。 某一功能区划水域内存在多个常规性监测断面, 选取最高级别的监测断面 最有代表性的监测断面 最能反映最大取水量取水口水质的监测断面。
断面要保证出境水质达标。
水文条件
河流 指河段内的水位、流速和流量等条件; 湖库 指湖库的水位、库容和流入流出条件; 一般条件下,水文条件年际、月际变化非常大。各流域 一般可选择30Q10(近10年最枯月平均流量)作为设计 流量条件,30V10(近10年最枯月平均库容)作为湖库 的设计库容。 以下几类情况,可分别概化为: 海河、黄河等北方各流域由于枯水月流量太小或可能断 流,可同时选择90Q10(近10年最枯季平均流量)或 90V10(近10年最枯季平均库容)作为参考设计水文条 件。 长江、珠江等干流河面较宽(>200m),污染物扩散 一般仅在岸边进行,不影响到河流对岸。设计水文条件 可选择30Q10或30V10,然后根据环境管理的需求确定 混合区范围进行岸边环境容量计算,以混合区水环境容 量作为可以实际利用的水环境容量数据。
对于需要区分出溶解态浓度的污染物,可用下式计算
CT C SS 106 1 Kp
式中:C—溶解态浓度(mg/L); Cr—总浓度(mg/L); SS—悬浮固体浓度(mg/L); Kp—分配系数(L/mg)。
概率分布设计条件下的河流稀释混合模型
概率稀释模型把定常稀释模型中的大输入变量Qp、Cp、QE、CE等 设定为独立的随机变量,并服从对数正态分布,估算污水、河水混 合浓度的概率分布。 其基本表达式为:过矩量近似法或求积法,可以对公式进行求解。 得出河水浓度的概率分布图
需要国家协调省际水环境功能区目标差异和目标水质的, 可以提交总局和技术指导组解决。
设计流速:河流的设计流速为对应设计流量条件下的
流速。
边界条件
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(达到对应国家标准的最大值)为本底浓度(来水浓度) 对于跨界水环境功能区本底浓度需要考虑国家和省(直辖市、 自治区)政府部门规定的出、入断面浓度限值。
水环境容量基本特征
资源性 水环境容量是一种自然资源—能容纳一定量的 污染物也能满足人类生产、生活和生态系统的需要;水环 境容量是有限的可再生自然资源。 区域性 受各类区域的水文、地理、气象条件等因素的影 响,不同水域对污染物的物理、化学和生物净化能力存在 明显的差异,导致水环境容量有明显的地域性特征。 系统性 河流、湖泊等水域一般处在大的流域系统中,水 域与陆域、上游与下游、左岸与右岸构成不同尺度的空间 生态系统,因此,在确定局部水域水环境容量时,必须从 流域的角度出发,合理协调流域内各水域的水环境容量。
水环境容量:反映流域的自然属性(水文特性),又反映人类对环境 的需求(水质目标) W自净 水环境容量= 稀释容量(W稀释) +自净容量(W自净) 两部分
自净
W稀释 稀释
W
排放方式
稀释容量:在给定水域的来水污染物浓度低于出水水质目标时,依靠稀 释作用达到水质目标所能承纳的污染物量
自净容量:由于沉降、生化、吸附等物理、化学和生物作用,给定水域 达到水质目标所能自净的污染物量
照最枯流量计算没有水环境容量的情况,按照分水期进行
水环境容量的计算(需要注明对应的水期月份),汇总得 到全年的水环境容量。
边界条件
控制因子:COD和氨氮主要控制因子.湖库增加总磷、 总氮和叶绿素a指标;
质量标准
省界功能区水质目标为依据,
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、县界的功能区协调方案由各省解决。
河水流量与污水流量之比大于10~20;
不需考虑污水进入水体的混合距离;
常用零维模型解决的问题
对河流
不考虑混合距离的重金属污染物、部分有毒物质等其它保
守物质的下游浓度预测与允许纳污量的估算;
有机物降解性物质的降解项可忽略时,可采用零维模型; 对于有机物降解性物质,当需要考虑降解时,可采用零维
排放浓度与超标率(Pr)关系
在超标率计算时,假定排污总量中排污水量不变,改变排污浓度, 在给定达标率(或超标率)的条件下反推,乘以排污水量,可求出 允许纳污量。
湖泊、水库的盒模型
以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程时,可把 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 QC E QC SC ( c )V dt
QCE QC KCV 0
1 C CE 1 K t
t=V/Q, t为停留时间
零维模型数据和参数总结表
类别 水力 数据
数据
河 流 流量Q 设计流量如7Q10 横截面积A 水深H 水力停留时间tw 平均深度H 水体容积V 湖泊表面积A
注释 由于稀释容量的原因,流量的正确估计很重 要。由于模型是在设计条件下进行的,因而 设计流量的计算是必需的。当河流被视为完 全混合反应时,应计算A, H. tw是湖泊等滞流水体模型的一个重要参数, 由V/Q计算
污染物浓度在断面横向方向变化不大,横向和垂向的污 染物浓度梯度可以忽略。
模型分段模拟,但计算精度和实用性较差,最好用一维模 型求解。
对湖泊、水库 热污染问题;
不存在分层现象、无须考虑混合区范围的富营养化问题和
可依流场、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盒模型处理。
定常设计条件下河流稀释混合模型
点源,河水、污水稀释混合方程
C
C p Q p CE QE Q p QE
C—完全混合的水质浓度(mg/L); Qp, Cp—上游来水设计水量(m3/s)与 设计水质浓度(mg/L); QE, CE—污水设计流量(m3/s)与设计 排放浓度(mg/L);
对于可概化为完全均匀混合类的排污情况,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:
WC S (Qp QE ) Qp C p
水质目标值 单位时间
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。
一般指一年。最枯月或最枯季的环境容量换算为全年,作为 功能区的年环境容量。
排放浓度采用mg/l单位,流量采用m3/s单位,计算结果是瞬 时允许污染物流量(mg/s), 需换算成年容量。
排污方式
当排污口污水排放流量较大(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。
计算步骤1
水域概化 将天然水域(河流、湖泊水库)概化成计算水域 基础资料调查与评价 水域水文资料(流速、流量、水位、体积等) 水域水质资料(多项污染因子的浓度值)
收集水域内的排污口资料(废水排放量与污染物浓度)
支流资料(支流水量与污染物浓度) 取水口资料(取水量,取水方式) 污染源资料等(排污量、排污去向与排放方式) 并进行数据一致性分析,形成数据库。
V—湖泊中水的体积(m3); Q—平衡时流入与流出湖泊的流量(m3/a); CE—流入湖泊的水量中水质组分浓度(g/m3); C—湖泊中水质组分浓度(g/m3); Sc—如非点源一类的外部源和汇(m3); r(c)—水质组分在湖泊中的反应速率。
湖泊、水库的盒模型
如果反应器中只有反应过程,则Sc=0,则公式变为:
湖 泊
污染 源数 据
污水流量QE 污水外排浓度CE 悬浮固体浓度SS 背景浓度Cp
QE 、CE指设计条件下的外排流量和浓度 考虑溶解态和颗粒态污染物时需使用SS值, 常用于重金属
一维模型
对于河流而言,一维模型假定污染物浓度仅在河流纵向 上发生变化,主要适用于同时满足以下条件的河段:
宽浅河段; 污染物在较短的时间内基本能混合均匀;
水文条件
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
有闸坝控制的河段,关闸时间较长时,可以考虑近10年
平均水位下的水体容积作为设计流量或最小下泄流量。
对于一般湖泊或水库,分别按照近10年最低月平均水位 水位相应的蓄水量和死库容的蓄水量确定设计流量。
有条件的地区,可对丰平枯水期特征明显的河流,以及按
影响要素
水域特性 几何特征(岸边形状、水底地形、水深或体积); 水文特征(流量、流速、降雨、径流等); 化学性质(pH值,硬度等); 物理自净能力(挥发、扩散、稀释、沉降、吸附);
化学自净能力(氧化、水解等);
生物降解(光合作用、呼吸作用)。
环境功能要求
不同功能区划,对水环境容量的影响很大: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;
若排污口距离较近,可把多个排污口简化成集中的排
污口
排污口概化的重心计算: X=(Q1C1X1+Q2C2X2+·· nCnXn)/(Q1C1+Q2C2+·· nCn) ·Q · ·Q · X:概化的排污口到功能区划下断面或控制断面的距离; Qn:第n个排污口(支流口)的水量; Xn:第n个排污口(支流口)到功能区划下断面的距离; Cn:第n个排污口(支流口)的污染物浓度;
计算步骤2
选择控制点(或边界)根据水环境功能区划和水域内的水 质敏感点位置分析,确定水质控制断面的位置和浓度控制 标准。如存在污染混合区,则需根据环境管理的要求确定 污染混合区的控制边界。 建立水质模型 选择零维、一维或二维水质模型,并确定模 型所需的各项参数。 容量计算分析 应用设计水文条件和上下游水质限制条件进 行水质模型计算,利用试算法(根据经验调整污染负荷分 布反复试算,直到水域环境功能区达标为止)或建立线性 规划模型(建立优化的约束条件方程)等方法确定水域的 水环境容量。 环境容量确定 在容量计算分析基础上,扣除非点源污染影 响部分,则为实际环境管理可利用的水环境容量。
式中:WC—水域允许纳污量(g/L); S—控制断面水质标准(mg/L)
多点源排放
WC S (Q p QEi ) Q p C p
i 1
n
式中:QEi——第i个排污口污水设计排放流量(m3/s); n——排污口个数
定常设计条件下河流稀释混合模型
考虑吸附态和溶解态污染指标耦合模型
影响要素
污染物质
不同污染物本身具有不同的物理化学特性和生物反应规 律,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。不同的污染物具有不同的环境容量;
排污方式 集中排放的环境容量比分散排放小 瞬时排放比连续排放的环境容量小
一般来说,在其他条件相同的情况下
岸边排放比河心排放的环境容量小
因此,限定的排污方式是确定环境容量的一个重要确定 因素。
VdC QC E QC ( c )V dt
当反应器内的反应符合一级反应动力学,且是衰减反应时,则
(c) KC
公式又变为以下形式
VdC QC E QC KCV dt
K是一级反应速率常数(1/t)
湖泊、水库的盒模型
当反应ห้องสมุดไป่ตู้处于稳定状态时,dC/dt=0,可得到下式
上界 1 2 3
下界
1# 上界 下界
排污口概化示意图
距离较远并且排污量均比较小的分散排污口,可概化 为非点源入河,仅影响水域水质本底值,不参与排污口 优化分配计算。
水质模型
模型的类型 零维模型 一维模型: 二维模型:
零维模型
对河流,表现形式为河流稀释模型;对于湖泊与水库, 主要有盒模型 符合下列两个条件之一的环境问题可概化为零维问题:
功能区划水域没有常规性监测断面,可以选择功能
区的下断面或者重要的用水点作为控制节点。
控制断面的选取要注意以下几个问题
断面不要设在排污混合区内(由排放浓度过渡到功能 区标准的排污混合区或过渡区); 断面一定要反映敏感点的水质。大部分水环境功能区内 都允许有取水口(饮用水、工业用水、农业用水)或鱼 类索饵、产卵等活动区存在,断面设置应考虑这些敏感 点的水质保护,以保证功能区真正达标。
设计条件
计算单元
水环境容量计算单元的划分,采用节点划分法 从保证重要水域水体功能角度出发,以大中城市及重要工 业区、工业企业生活等重要和敏感的区域或断面作为划
分节点,把河道划分为若干较小的计算单元进行水环境
容量计算。
控制点
一般情况下,计算单元内可以直接按照水环境功能区 上下边界、监测断面等设置控制点或节点。 某一功能区划水域内存在多个常规性监测断面, 选取最高级别的监测断面 最有代表性的监测断面 最能反映最大取水量取水口水质的监测断面。
断面要保证出境水质达标。
水文条件
河流 指河段内的水位、流速和流量等条件; 湖库 指湖库的水位、库容和流入流出条件; 一般条件下,水文条件年际、月际变化非常大。各流域 一般可选择30Q10(近10年最枯月平均流量)作为设计 流量条件,30V10(近10年最枯月平均库容)作为湖库 的设计库容。 以下几类情况,可分别概化为: 海河、黄河等北方各流域由于枯水月流量太小或可能断 流,可同时选择90Q10(近10年最枯季平均流量)或 90V10(近10年最枯季平均库容)作为参考设计水文条 件。 长江、珠江等干流河面较宽(>200m),污染物扩散 一般仅在岸边进行,不影响到河流对岸。设计水文条件 可选择30Q10或30V10,然后根据环境管理的需求确定 混合区范围进行岸边环境容量计算,以混合区水环境容 量作为可以实际利用的水环境容量数据。
对于需要区分出溶解态浓度的污染物,可用下式计算
CT C SS 106 1 Kp
式中:C—溶解态浓度(mg/L); Cr—总浓度(mg/L); SS—悬浮固体浓度(mg/L); Kp—分配系数(L/mg)。
概率分布设计条件下的河流稀释混合模型
概率稀释模型把定常稀释模型中的大输入变量Qp、Cp、QE、CE等 设定为独立的随机变量,并服从对数正态分布,估算污水、河水混 合浓度的概率分布。 其基本表达式为:过矩量近似法或求积法,可以对公式进行求解。 得出河水浓度的概率分布图
需要国家协调省际水环境功能区目标差异和目标水质的, 可以提交总局和技术指导组解决。
设计流速:河流的设计流速为对应设计流量条件下的
流速。
边界条件
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(达到对应国家标准的最大值)为本底浓度(来水浓度) 对于跨界水环境功能区本底浓度需要考虑国家和省(直辖市、 自治区)政府部门规定的出、入断面浓度限值。
水环境容量基本特征
资源性 水环境容量是一种自然资源—能容纳一定量的 污染物也能满足人类生产、生活和生态系统的需要;水环 境容量是有限的可再生自然资源。 区域性 受各类区域的水文、地理、气象条件等因素的影 响,不同水域对污染物的物理、化学和生物净化能力存在 明显的差异,导致水环境容量有明显的地域性特征。 系统性 河流、湖泊等水域一般处在大的流域系统中,水 域与陆域、上游与下游、左岸与右岸构成不同尺度的空间 生态系统,因此,在确定局部水域水环境容量时,必须从 流域的角度出发,合理协调流域内各水域的水环境容量。