河流水环境容量一维计算模型分析

河流水环境容量一维计算模型分析

在一定水文设计条件和水质目标前提下，根据一维河流水质模型理论，探讨不同控制断面和排污口位置下的河流水环境容量的计算方法。在计算水环境容量时，对于长度较短的河段，排污口均匀概化和中点概化差异不大；对于长度较长的河段，排污口均匀概化比中点概化更接近实际情况。段首法最为严格，适于经济发达地区、水源地或旨在改善水质的区域；段尾法次之；功能区末端控制法要求达到的环境目标值更低。

标签：水环境容量；排污口概化；段首控制法；段尾控制法

水环境容量是指某一水环境单元在特定的环境目标下所能容纳污染物的量，也就是环境单元依靠自身特性使本身功能不至于破坏的前提下能够允许容纳的污染物的量[1]。其大小与水环境功能目标、水体特征、污染物特性及排污方式相关。通常以单位时间（如：一年）内水体所能承受的污染物排放总量表示。水环境容量也可称为水域的纳污能力。

1 计算流程

在计算水环境容量时一般按以下流程：（1）调查收集水环境功能区的基本资料并分析整理；（2）调查分析水环境功能区的水质状况；（3）调查分析沿河排污口的位置分布、排污负荷等具体情况；（4）调查水环境功能区水文参数；（5）确定水体的水质目标；（6）选用适当的计算模型，计算水域的环境容量；（7）分析、验证计算结果的合理性。

2 计算模型

根据所采用的水质数学模型维数的不同，水环境容量计算模型可分为零维模型、一维模型和二维模型。其中零维模型主要适用于污染物均匀混合的小型河流及河网流域；一维模型主要适用于河道宽深比不大，在较短时间内污染物质能在横断面上均匀混合的中小型河流；二维模型主要适用于河道宽度较大，河流横向距离显著大于垂向距离，在横断面上污染物分布不均匀的河流，或者宽度虽然不大，但是存在如鱼类的洄游通道等特殊功能需求的河流。以下将重点讨论河流非持久性污染物的一维水环境容量计算模型。

一维稳态水质模型：

式中C1为排污口废水浓度，mg/L；q为废水量，m3/s；C0为上游河水浓度，mg/L；Q0为流量，m3/s；K为水质降解系数，1/d；x为距排污口的距离，m；u 为流速，m/s。

当C=CS时，C1q=W即为环境容量，推导出单排污口河流一维水环境容量模型：

式中W为水环境容量，kg/d；CS为水质目标。

因为考虑了污染物排入河流后产生的混合区，更加贴近河流实际的水环境容量，因而该模型应用更为普遍。

3 控制断面

针对不同水污染控制模式，周孝德、郭瑾珑等[2]提出了段首控制、段尾控制和功能区末端控制三种方法，计算一维稳态条件下水环境容量。

3.1 段首控制

段首控制就是要求污染物入河后，在计算河段段首处，水质达到相应水环境功能区目标。沿河流流向，随着有机物的降解，污染物浓度在该计算河段内处处达标，无超标河段。从水环境管理角度来说，段首控制最为严格。概化示意见图1所示。

注：A-第i-1段浓度衰减曲线；B-第i段浓度衰减曲线；C-第i-1个计算河段段首降解到段末处的质量浓度差值，mg/L；D-第i个计算河段段首降解到段末处的质量浓度差值，mg/L；Ci-来水衰减到第i个断面处的质量浓度，mg/L；Qi-混合后干流流量，m3/s。

第i段计算河段的水环境容量为：

式中Mi为第i个计算河段的水环境容量，g/s；Ci为第i个计算河段的质量浓度，mg/L；Qi为第i个计算河段的设计流量，m3/s；Cs，i为第i个计算河段的水质标准，mg/L；C0，i为第i个计算河段的上游来水污染物浓度，mg/L；Ki 为第i个计算河段降解系数，1/d；Li为第i个计算河段长度，m；ui为第i个计算河段平均流速，m/s。

3.2 段尾控制

段尾控制就是要求污染物入河后，在计算河段段尾处，水质达到相应水环境功能区目标。然而由于有机物沿河流流向降解，段尾以上河段水质则低于相应水环境功能区目标要求，计算河段水质全部超标。概化示意见图2所示，其中参数意义与图1相同，第i段计算河段的水环境容量为：

3.3 功能区末端控制

功能区末端控制就是根据河流水环境管理要求，将计算河段某断面设定为水质控制断面，从而控制水质达标河段长度。从该水质控制断面到下游计算河段段尾，水质处处达标；而从该水质控制断面到上游计算河段段首，水质是全部超标的。其概化示意见图3所示，其中参数意义与图1相同，第i段计算河段的水环

境容量为：

式中？籽i为第i河段的水质达标率，即达标河段长度所占百分率。

4 多个排污口影响控制断面水质时的处理方法

河流水环境容量与污染物的排放位置及排放方式有关，限定的排放方式是确定河流水环境容量的一个重要确定因素[3]。当某一段河流设置了多个排污口，且排污口间距较小，则可把多个排污口概化成一个集中排污口。目前污染源排污口概化主要有中点概化、均匀概化和排污口重心概化三种方法。

4.1 中点概化

中点概化法是将计算河段内的多个排污口概化为置于河段的中点处的一个集中排污口，该排污口的有机物降解长度是河段长度的一半。中点概化河段水环境容量的计算公式为：

当计算功能区河段太长时，首先需要把功能区河段分成几个较短的计算河段，然后每一个较短的计算河段采用该公式来计算水环境容量，最后再相加，就得到整个功能区河段的水环境容量。这样分段处理而计算的水环境容量与实际情况更符合。

4.2 均匀概化

均匀概化法是将计算河段内的多个分布不规则的排污口概化为均匀分布的多个排污口，并且污染物排放也均匀分布。例如，在计算河段内选择一微小河段dx，距河段段首距离为x，此微段污染物输运至x=L处的剩余质量为dm，上游各微段质量降解到x=L断面处的总质量迭加设为m，则：

均匀概化河段水环境容量的计算公式为[4]：

4.3 重心概化法

排污口概化的重心计算如下[5]：

X=（Q1C1X1+Q2C2X2+…+QnCnXn）/（Q1C1+Q2C2+…+QnCn）

式中X为概化的排污口到功能区划下断面或控制断面的距离；Qn为第n个排污口（支流口）的水量；Xn为第n个排污口（支流口）到功能区划下断面的距离；Cn为第n个排污口（支流口）的污染物浓度。

排污口重心概化河段水环境容量的计算公式为：

5 结束语