水环境容量是指在给定水域和水文水力学条件排污口...

水环境容量是指在给定水域和水文﹑水力学条件﹑排污口位置的情况下，水域在水环境质量达到环境标准的前提下所能容纳污染物的最大量，或称之为最大允许排放负荷量。

改善水环境质量是未来几年我国环境保护的主要任务之一，实施流域或者区域水环境污染物总量控制是改善水环境质量的重要措施。我国对水污染物排放总量控制先后经过了浓度控制和目标总量控制，现已逐渐进入到容量总量控制阶段。目前有关水环境容量的理论研究方法比较多，但由于水环境的特殊性和污染物在水环境中降解的复杂性，限制了这些理论和方法在实际中的应用。

水环境容量的确定是区域环境评价和建设项目环境评价中污染物总量控制的重要内容，也是国家对建设项目实施污染物总量控制中的技术关键问题。只有了解和掌握水域的环境容量，确定水域的允许纳污量，才能建立起环境总量目标与污染排放源的输入响应关系，将水域的污染负荷量合理地分配到各排放源，从而达到有效控制区域水污染和改善水环境质量的目的。

汾河是黄河的一级支流，发源于山西省宁武县的管芩山。汾河干流自北向南从太原市域穿过，边山各大支流由东西向中部汇集于汾河，城市各大排退水系统及工矿企业工业废水和城市污水或直接排退于汾河，或就近排退于边山各支流后最终汇集排入汾河。汾河沿途支流径流主要靠大气降水补给，多属季节性河流，河流的季节性变化较大，部分支流如天池河、阳兴河、玉门沟、冶峪沟等起着向汾河排放工业废水和生活污水的排污沟作用，有清水流量的河流比例很少。

汾河在太原市区内全长约188 km，自1958年建库以来，除汛期和灌溉放水外，实际上为主要纳污河流，使汾河的污染程度逐年加重。监测评价结果表明，兰村以下至下兰铁桥段，接纳了兰村造纸厂和北部地区的工业废水，水质属中度偏重污染；铁桥以下城区到小店桥段，受纳了太原市绝大部分工业废水和城市生活污水，水质成分比较复杂，属严重污染区段。由于汾河水库和汾河二库的截流，在该河段常年无稀释清水来源，河段基本上就是一条排污沟，因此毫无稀释容量可言。

为了确定汾河太原市段区域地表水的环境容量，依据2004年太原市环境保

护局和太原市环境科学研究设计院《关于山西省太原市地表水环境容量的核定与总量分配报告》，根据现有文献[1-4]中水环境容量计算方法，从中选择一种适合于目前汾河太原市段地表水环境容量计算的模型，以确保此次研究的科学性与合理性，为流域环境规划、建设项目环境管理提供科学依据。

1 汾河流域水质现状及主要排放源

1.1 流域及水质现状

汾河太原段流域包括太原市尖草坪区、杏花岭区、迎泽区、万柏林区、小店区及晋源区等六大城区。选择有国控和省控有常年监测资料的四个段面（上兰村﹑胜利桥﹑迎泽桥﹑小店桥）的监测资料。各段面水质基本情况见表1。

表1 汾河太原市段流域水质现状监测数据及评价结果

注：* 《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）

1.2 主要排放源

汾河太原市段的污染源主要可分为点源和面源两大类，点源有工业、城市生活；面源有农村生活、农田径流、畜禽养殖、城市径流及矿山径流等；点、面源共七种。

从已有资料可知太原市废水排放源主要有三处，一是尖草坪区（以太钢排水为重点）；二是晋源区（以太化公司排污水为重点）；其次为小店区（主要以太原市城区生活污水为重点）。COD的排放总量基本上与废水排放量成正比。汾河上兰断面清水不进汾河，农灌期汾河水库放水进入东、西干渠用于农田灌溉。流域范围内的主要排污河流为杨兴河，其它废水及污水全部进入东、西暗涵，从南内环桥开始由暗涵排入汾河城区下游断面主河道。

2 汾河流域水体水质模型选用

2.1 河流稀释混合模型

如果污染物进入水域后，在一定范围内经过平流输移﹑纵向离散和横向混合后达到充分混合，或者根据水质管理的精度要求允许不考虑混合过程而假定在排污口段面瞬时完成均匀混合，即假定水体在某一断面处或某一区域之外实现均匀混合，可以采用混合模型进行计算：

)()(e p e e p p Q Q Q C Q C C ++=

式中：C —完全混合后的水质浓度（mg/L ）；

Qp ﹑Cp —河流流量（m 3/s ）与水质浓度（mg/L ）；

Qe ﹑Ce —污水流量（m 3/s ）与排放浓度（mg/L ）。

2.2 零维模型

所谓零维水体是指最简单的﹑水质完全混合均匀的﹑理想状态下的水体。零维模型视水体水质为完全均匀混合类型，故不考虑污染物在空间方向上的浓度梯度。该模型常用的表现形式为稳态设计条件与概率分布设计条件下的河流稀释混合模型。

如果将所研究的环境看成一个存在边界的单元(图1) , Q 代表环境介质的流量，反映了推流的作用；S 代表进入环境的污染物总量；C 0 代表环境介质中

某种污染物的原始浓度；C 代表环境介质中污染的允许浓度(即某种环境标准值)；r 代表单位容积的污染物衰减量。

图1 完全混合反应器

完全混合模型可以写成：

)1(0rV S QC QC dt VdC ++-=

当系统的出水满足环境质量目标时, 进入环境的污染物总量S 就是该单元的环境容量：

)2(0rV QC QC dt VdC S -+-=

如果讨论的是稳态问题,则：

)3(0rV QC QC S --=

如果反应项只考虑污染物的衰减,即r = - kC ,那么,环境容量S 可以表达为：

)4()(00kCV

C C Q kCV QC QC S +-=+-=

式中：k —污染物降解速度常数。 由式(4) 可以看出，环境容量由两部分构成，第一部分称之为目标容量，决定于水体的流量、环境质量目标与本底值之差；第二部分称之为降解容量，与污染物的降解性能有关，降解速度越大，降解容量越大。由于视污染物在河段中为均匀分布，因此环境容量与河段的分割方式无关。

当不考虑衰减作用，即降解容量为0时，河段的环境容量即为其目标容量：

)5()(0C C Q S -=

符合下列两个条件之一的环境问题可概化为零维问题：

① 水流量与污水流量之比大于10～20；

② 不需要考虑污水进入水体的混合距离。

对于河流常用零维模型解决的问题有：

① 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与允许纳污量的估算；

② 当有机物降解性物质的降解项可忽略时，可采用零维模型；

③ 对于有机物降解性物质，当需要考虑降解时，可采用零维模型分段模拟，但计算精度和实用性较差，最好用一维模型求解。

2.3 一维模型

所谓一维水体是指河流宽度与深度不大的水体。该模型视污染物在河流各段面的宽度与深度方向分布均匀，即认为污染物在 y 与z 方向的浓度梯度为零，仅考虑纵向方向(x 方向)的浓度变化。

在忽略离散作用时，河流的污染物一维稳态混合衰减的微分方程为：