第六章_水环境容量的理论及应用
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水环境容量的理论及应用
河海大学
（逄勇）
Pang Yong
2004年4月7日
主要内容
第一部分 水环境容量的概念及研究现状
第二部分 水环境容量基本计算方法
第三部分 江苏省水环境容量研究成果介绍
第一部分 水环境容量的概念及研究现状
1、水环境容量的概念（纳污能力、承载能力）
1.1 水环境容量的概念 水环境容量是水体在规定的环境目标下所能 容纳的污染物的最大负荷，其大小与水体特征、 水质目标及污染物特性有关。 1.2 总量控制的两种方法
α为不均匀系数，α为界于0和1之间的一个 数。
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 对于大于1000宽的河流，不采用完全混合模 型进行水环境容量计算，而是采用岸边污染带控 制法进行水环境容量计算。对于小于1000宽的河 流，进行不均匀系数订正，具体如下： 河宽：500-1000米 α=0.1-0.2 200-500米 α=0.2-0.5 100-200米 小于100米 α=0.5-0.8 α=0.8-1.0
利用入湖河口水质浓度与上游污染排污量响应关 系曲线进行计算。 排污口1
排污口2 入湖河口水质 控制断面 排污口3
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 5.2.2 分功能区按水质达标情况进行计算 利用水质模型，计算出湖体中各功能区的水质状 况，分析各功能区水质达标时，入湖排污口的污染物 排放量即为湖库的水环境容量值。
当C=CS时， C1q=W即为 环境容量， 公式中的 单位为： Kg/天。
C'
C0 Q0 C1q Q0 q
k C C ' exp( x) 86400 u
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 4.2.2 二维稳态水质模型 4.2.2.1 水质计算
单个污染源时：
c pQp x c( x, y) exp K c0 86400 u H (M y xu)1 / 2
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法
（3） 时空变化明显的河段
划分空间单元和时间单元进行计算，对于各 单元的计算结果再进行空间和时间单元的叠加。
W Wi , j
j 1 i 1 n m
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法
4、控制断面水质达标水环境容量计算方法
4.1 概念 为保证控制断面水质达标，上游各污染源的最大允 许排污量。
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 4.2.2.2 水环境容量计算 一个排污口时的计算公式：
Kx H (Exu) C S exp( ) C0 86400 u 86.4 W uy 2 u (2 B y ) 2 exp( ) exp( ) 4M y x 4M y x
1/ 2
当C=CS时， CpQp=W即 为环境容 量，公式 中的单位 为：Kg/天。
c pQp x c( x, y) exp K c0 86400 u H (M y xu)1 / 2
uy2 u ( 2 B y ) 2 exp exp 4 M x 4 M x y y
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 （2）双向河流时的计算方法
正向河流：W正 = Q01(Cs - C01)+K1V1Cs+q1Cs
反向河流：W反 = Q02(Cs - C02)+K2V2Cs+q2Cs
设计算时间段为A，反向流在计算时间段中的 天数为B，则双向流允许纳污量的计算公式：
A B B W W正 W反 A A
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 2.3 控制断面计算达标法的优缺点
（1）优点
能够保证控制断面的水质达标，特别适合于饮 用水水源地的保护；以及国控、省控、市控等重要 水质控制断面水质达标的管理。
水质预测
污染源排污量
水体水质
水环境容量计算
控制断面1
控制断面2
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 （2）缺点 ① 要事先明确每个排污口的位臵，在对未来污染 源的把握上，一般不确定性因素较多，故这种方法 在操作上有难度。
C
公式中C1、q为排污口废水浓度mg/L和废水量m3/s；C0 、Q0为上游河水浓度mg/L和流量m3/s。K为水质降解系数1/ 日；X为距排污口的距离m；U为流速m/s。
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 4.2.1.2 水环境容量计算 只有一个排污口时的计算公式：
Kx W (Q0 q) Cs Exp( ) C0Q0 86.4 86400 u
目标总量控制：根据基准年的排污量来确定总量指 标，主要是便于管理和操作，但和水环境功能区管理的要 求有一定距离。 容量总量控制：根据水体功能区要求的水质来确定 总量指标，和水环境功能区管理的要求相一致。
水环境容量的确定是容量总量控制的基础。
2、国内外对水环境容量的一些认识
•国外有些国家主要从浓度控制进行污染物排放量控制 •国内学术界对此有争议 •许多基层环保部门水环境容量研究的积极性不高
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 2.1 基本计算方法
水质预测
• 总体达标计算法
• 控制断面达标计算法
污染源排污量
水体水质
水环境容量计算
2.2 总体达标计算法的优缺点
(1)优点：
•
•ห้องสมุดไป่ตู้
计算结果和污染源位臵没有关系，人为影响小；
计算简便，易操作。
(1)缺点
计算结果值偏大，需进行不均匀系数值订正。
解决问题的思路
(1)排污口的确定（考虑现状及规划）
3、水环境容量研究的意义及现实可行性
3.1 意义
可持续发展的一个重要的定量指标
3.2 现实可行性
•有强有力的理论基础
•计算结果的大数上能把握住
•管理上的迫切需要
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法
1、水环境容量研究的理论基础(水质模型)
水质预测
污染源排污量
水体水质
水环境容量计算
2、水环境容量基本计算方法及分析
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 4.2.3 多个排污口时的计算公式： 控制断面水质与排污量响应关系曲线计算 设：控制断面水质浓度为 C1 ；控制断面上游各 污染源排污量为：W1、W2、W3………….等，则可根据 水质模型公式推导得出控制断面水质与上游排污 量之间的函数关系式为： C1=C1（W1、W2、W3………….）
根据公式可绘制在不同上游排污量情况下W1 、W2、W3………….对C1影响的关系曲线。
控制断面1 排污口1 排污口2 排污口3
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 5、湖库水体纳污能力计算 5.1 对于面积较小的湖库
利用完全混合公式进行水环境容量的计算。
W Q0 (Cs C0 ) KVC s qCs 86.4
n
c pi Q pi x ci ( x, y) exp K 86400 u H (M y xu)1 / 2
uy2 u ( 2 B y ) 2 exp exp 4 M x 4 M x y y
c ( x, y ) c i ( x, y )
i 1
c p1Q p1 x c1 ( x, y) exp K c0 86400 u H (M y xu)1 / 2 uy 2 u ( 2 B y ) 2 exp exp 4 M x 4 M x y y
控制断面1
排污口1
排污口2
排污口3
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法
4.2 控制断面水质达标时的水环境容量计算方法
4.2.1 一维稳态水质模型 4.2.1.1 水质计算
C0、Q0 C1、q C’
k C C ' exp( x) 86400 u
C' C0 Q0 C1q Q0 q
5.2.4 湖库中断面水质达标的简化模型
KHr 2 W C s exp( ) Q0 86.4 172800 Q0
W—为水环境容量，单位为Kg/日。
排污口
控制断面水质
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法
6、长江等大水体水环境容量的计算
6.1 总体水环境容量的考虑
排污口 Cp、Qp
uy2 u ( 2 B y ) 2 exp exp 4 M x 4 M x y y
x
u y H
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 多个污染源时：
排污口1 排污口2 排污口3 控制端面
在进行水环境容量计算时要进行不均匀系数订 正，具体如下： W订正=αW 湖库面积：大于50Km2 采用其它方法进行计算； 10Km2-50Km2 α=0.1-0.3 5Km2-10Km2 小于5Km2 α=0.3-0.6 α=0.6-1.0
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 5.2 对于面积较大的湖库 5.2.1 入湖口断面水质浓度达标的计算思路
② 当控制断面上游有多个排污口时，控制断面水 质达标时的水环境容量值有多个解，使得该方法在 操作上有难度。 ③ 控制断面水质浓度正好达标，意味着控制断面 至排污口这一段河道的水质均超标，与功能区水质 管理稍有出入。
控制断面1 排污口1 排污口2 排污口3
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法
建议：
稀释容量 自净容量
当C=CS时，W 即为环境容 量，公式中 的单位为： Kg/天。
C
W C0 Q0 KV Q0 q
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 3.2.2 几个问题的讨论 （1）不均匀系数订正 总体达标水环境容量方法计算出的结果值偏 大，一般称为偏不保守。故为了符合实际起见， 引入不均匀系数的概念进行订正。订正方法如下 ： W订正=αW
C0、Q0
W、q C (Q0 +q) V KVC
Q0：流入河流、湖库流量；
C0：上游来水的背景浓度值； K：水质降解系数； V：水体容积； q：旁侧支流流量。
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 3.2 水环境容量计算 3.2.1 基本计算方法
W Q0 (Cs C0 ) KVC s qCs 86.4
．
x c pn Q pn cn ( x, y) exp K 86400 u H (M y xu)1 / 2 uy2 u ( 2 B y ) 2 exp exp 4M x 4 M x y y
(1)岸边污染带允许排污量，这部分允许排污量就是长江 等大水体总体水环境容量的一部分。 (2)引清水增加的周围河道的水环境容量。
总的水环境容量应该是这两部分之和。
排污口 Cp、Qp 引清水
排污混合带 排污口的允许排 污量
增加周边河道 的水环境容量
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 6.2岸边污染带允许排污量计算中的几个主要问题及
排污口1
排污口3 功能区5 功能区6
功能区1
功能区2
功能区3
功能区7 排污口2
功能区4
功能区8
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 5.2.3 湖库中排污混合带约束计算 计算入湖库口门中的排污混合带大小，对此进行 约束，得出的入湖排污口的污染物排放量即为湖库的 水环境容量值。
排污口
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法
• 对于重要控制断面，采用控制断面水质达标
的方法进行水环境容量的计算，
• 对于一般水体，采用总体水质达标的方法进
行水环境容量的计算。
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 3、总体达标水环境容量计算方法（零维模型） 3.1 水质计算
W C0 Q0 C KV Q0 q
W：污染物排放量；
河海大学
（逄勇）
Pang Yong
2004年4月7日
主要内容
第一部分 水环境容量的概念及研究现状
第二部分 水环境容量基本计算方法
第三部分 江苏省水环境容量研究成果介绍
第一部分 水环境容量的概念及研究现状
1、水环境容量的概念（纳污能力、承载能力）
1.1 水环境容量的概念 水环境容量是水体在规定的环境目标下所能 容纳的污染物的最大负荷，其大小与水体特征、 水质目标及污染物特性有关。 1.2 总量控制的两种方法
α为不均匀系数，α为界于0和1之间的一个 数。
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 对于大于1000宽的河流，不采用完全混合模 型进行水环境容量计算，而是采用岸边污染带控 制法进行水环境容量计算。对于小于1000宽的河 流，进行不均匀系数订正，具体如下： 河宽：500-1000米 α=0.1-0.2 200-500米 α=0.2-0.5 100-200米 小于100米 α=0.5-0.8 α=0.8-1.0
利用入湖河口水质浓度与上游污染排污量响应关 系曲线进行计算。 排污口1
排污口2 入湖河口水质 控制断面 排污口3
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 5.2.2 分功能区按水质达标情况进行计算 利用水质模型，计算出湖体中各功能区的水质状 况，分析各功能区水质达标时，入湖排污口的污染物 排放量即为湖库的水环境容量值。
当C=CS时， C1q=W即为 环境容量， 公式中的 单位为： Kg/天。
C'
C0 Q0 C1q Q0 q
k C C ' exp( x) 86400 u
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 4.2.2 二维稳态水质模型 4.2.2.1 水质计算
单个污染源时：
c pQp x c( x, y) exp K c0 86400 u H (M y xu)1 / 2
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法
（3） 时空变化明显的河段
划分空间单元和时间单元进行计算，对于各 单元的计算结果再进行空间和时间单元的叠加。
W Wi , j
j 1 i 1 n m
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法
4、控制断面水质达标水环境容量计算方法
4.1 概念 为保证控制断面水质达标，上游各污染源的最大允 许排污量。
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 4.2.2.2 水环境容量计算 一个排污口时的计算公式：
Kx H (Exu) C S exp( ) C0 86400 u 86.4 W uy 2 u (2 B y ) 2 exp( ) exp( ) 4M y x 4M y x
1/ 2
当C=CS时， CpQp=W即 为环境容 量，公式 中的单位 为：Kg/天。
c pQp x c( x, y) exp K c0 86400 u H (M y xu)1 / 2
uy2 u ( 2 B y ) 2 exp exp 4 M x 4 M x y y
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 （2）双向河流时的计算方法
正向河流：W正 = Q01(Cs - C01)+K1V1Cs+q1Cs
反向河流：W反 = Q02(Cs - C02)+K2V2Cs+q2Cs
设计算时间段为A，反向流在计算时间段中的 天数为B，则双向流允许纳污量的计算公式：
A B B W W正 W反 A A
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 2.3 控制断面计算达标法的优缺点
（1）优点
能够保证控制断面的水质达标，特别适合于饮 用水水源地的保护；以及国控、省控、市控等重要 水质控制断面水质达标的管理。
水质预测
污染源排污量
水体水质
水环境容量计算
控制断面1
控制断面2
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 （2）缺点 ① 要事先明确每个排污口的位臵，在对未来污染 源的把握上，一般不确定性因素较多，故这种方法 在操作上有难度。
C
公式中C1、q为排污口废水浓度mg/L和废水量m3/s；C0 、Q0为上游河水浓度mg/L和流量m3/s。K为水质降解系数1/ 日；X为距排污口的距离m；U为流速m/s。
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 4.2.1.2 水环境容量计算 只有一个排污口时的计算公式：
Kx W (Q0 q) Cs Exp( ) C0Q0 86.4 86400 u
目标总量控制：根据基准年的排污量来确定总量指 标，主要是便于管理和操作，但和水环境功能区管理的要 求有一定距离。 容量总量控制：根据水体功能区要求的水质来确定 总量指标，和水环境功能区管理的要求相一致。
水环境容量的确定是容量总量控制的基础。
2、国内外对水环境容量的一些认识
•国外有些国家主要从浓度控制进行污染物排放量控制 •国内学术界对此有争议 •许多基层环保部门水环境容量研究的积极性不高
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 2.1 基本计算方法
水质预测
• 总体达标计算法
• 控制断面达标计算法
污染源排污量
水体水质
水环境容量计算
2.2 总体达标计算法的优缺点
(1)优点：
•
•ห้องสมุดไป่ตู้
计算结果和污染源位臵没有关系，人为影响小；
计算简便，易操作。
(1)缺点
计算结果值偏大，需进行不均匀系数值订正。
解决问题的思路
(1)排污口的确定（考虑现状及规划）
3、水环境容量研究的意义及现实可行性
3.1 意义
可持续发展的一个重要的定量指标
3.2 现实可行性
•有强有力的理论基础
•计算结果的大数上能把握住
•管理上的迫切需要
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法
1、水环境容量研究的理论基础(水质模型)
水质预测
污染源排污量
水体水质
水环境容量计算
2、水环境容量基本计算方法及分析
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 4.2.3 多个排污口时的计算公式： 控制断面水质与排污量响应关系曲线计算 设：控制断面水质浓度为 C1 ；控制断面上游各 污染源排污量为：W1、W2、W3………….等，则可根据 水质模型公式推导得出控制断面水质与上游排污 量之间的函数关系式为： C1=C1（W1、W2、W3………….）
根据公式可绘制在不同上游排污量情况下W1 、W2、W3………….对C1影响的关系曲线。
控制断面1 排污口1 排污口2 排污口3
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 5、湖库水体纳污能力计算 5.1 对于面积较小的湖库
利用完全混合公式进行水环境容量的计算。
W Q0 (Cs C0 ) KVC s qCs 86.4
n
c pi Q pi x ci ( x, y) exp K 86400 u H (M y xu)1 / 2
uy2 u ( 2 B y ) 2 exp exp 4 M x 4 M x y y
c ( x, y ) c i ( x, y )
i 1
c p1Q p1 x c1 ( x, y) exp K c0 86400 u H (M y xu)1 / 2 uy 2 u ( 2 B y ) 2 exp exp 4 M x 4 M x y y
控制断面1
排污口1
排污口2
排污口3
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法
4.2 控制断面水质达标时的水环境容量计算方法
4.2.1 一维稳态水质模型 4.2.1.1 水质计算
C0、Q0 C1、q C’
k C C ' exp( x) 86400 u
C' C0 Q0 C1q Q0 q
5.2.4 湖库中断面水质达标的简化模型
KHr 2 W C s exp( ) Q0 86.4 172800 Q0
W—为水环境容量，单位为Kg/日。
排污口
控制断面水质
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法
6、长江等大水体水环境容量的计算
6.1 总体水环境容量的考虑
排污口 Cp、Qp
uy2 u ( 2 B y ) 2 exp exp 4 M x 4 M x y y
x
u y H
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 多个污染源时：
排污口1 排污口2 排污口3 控制端面
在进行水环境容量计算时要进行不均匀系数订 正，具体如下： W订正=αW 湖库面积：大于50Km2 采用其它方法进行计算； 10Km2-50Km2 α=0.1-0.3 5Km2-10Km2 小于5Km2 α=0.3-0.6 α=0.6-1.0
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 5.2 对于面积较大的湖库 5.2.1 入湖口断面水质浓度达标的计算思路
② 当控制断面上游有多个排污口时，控制断面水 质达标时的水环境容量值有多个解，使得该方法在 操作上有难度。 ③ 控制断面水质浓度正好达标，意味着控制断面 至排污口这一段河道的水质均超标，与功能区水质 管理稍有出入。
控制断面1 排污口1 排污口2 排污口3
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法
建议：
稀释容量 自净容量
当C=CS时，W 即为环境容 量，公式中 的单位为： Kg/天。
C
W C0 Q0 KV Q0 q
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 3.2.2 几个问题的讨论 （1）不均匀系数订正 总体达标水环境容量方法计算出的结果值偏 大，一般称为偏不保守。故为了符合实际起见， 引入不均匀系数的概念进行订正。订正方法如下 ： W订正=αW
C0、Q0
W、q C (Q0 +q) V KVC
Q0：流入河流、湖库流量；
C0：上游来水的背景浓度值； K：水质降解系数； V：水体容积； q：旁侧支流流量。
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 3.2 水环境容量计算 3.2.1 基本计算方法
W Q0 (Cs C0 ) KVC s qCs 86.4
．
x c pn Q pn cn ( x, y) exp K 86400 u H (M y xu)1 / 2 uy2 u ( 2 B y ) 2 exp exp 4M x 4 M x y y
(1)岸边污染带允许排污量，这部分允许排污量就是长江 等大水体总体水环境容量的一部分。 (2)引清水增加的周围河道的水环境容量。
总的水环境容量应该是这两部分之和。
排污口 Cp、Qp 引清水
排污混合带 排污口的允许排 污量
增加周边河道 的水环境容量
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 6.2岸边污染带允许排污量计算中的几个主要问题及
排污口1
排污口3 功能区5 功能区6
功能区1
功能区2
功能区3
功能区7 排污口2
功能区4
功能区8
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 5.2.3 湖库中排污混合带约束计算 计算入湖库口门中的排污混合带大小，对此进行 约束，得出的入湖排污口的污染物排放量即为湖库的 水环境容量值。
排污口
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法
• 对于重要控制断面，采用控制断面水质达标
的方法进行水环境容量的计算，
• 对于一般水体，采用总体水质达标的方法进
行水环境容量的计算。
第二部分 水环境容量的概念及基本计算方法 3、总体达标水环境容量计算方法（零维模型） 3.1 水质计算
W C0 Q0 C KV Q0 q
W：污染物排放量；