水环境容量计算学习指南

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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：
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
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。
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
当反应器处于稳定状态时，dC/dt=0，可得到下式


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。

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。
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
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。
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。
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。

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
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：
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。

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+· · · · QnCnXn）/(Q1C1+Q2C2+· · · · QnCn) 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；
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Baidu Nhomakorabea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
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。

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



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。
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；


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；
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
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

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
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。
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。