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    不同时空计算尺度对水环境容量评估差异的影响分析

    时间：2023-01-15 17:35:05来源：百花范文网本文已影响人

    陈江海

    （三峡智慧水务科技有限公司，上海 200335）

    水环境容量是指水体在规定的环境目标下所能容纳的污染物的最大负荷，通常以单位时间内水体所能承受的污染物总量表示。水环境容量是反映水生态环境与社会经济活动密切关系的度量尺度，是经济发展与水质保护的枢纽，也是污染物总量控制的重要参考依据。水环境容量具有资源性、时空性、系统性和动态性四个基本特征。目前常用的水环境容量核算方法通常取90%保证率下最枯月流量作为计算条件，采用一维水质模型计算得到一个年污染物排放量上限定值作为该水域的水环境容量。该核算方法无法客观反映水文条件动态变化对水环境容量的影响，易造成“过保护”和工程投资过大的问题，无法最大发挥水环境容量的资源属性。

    随着水环境容量的不断研究，国内外学者先后提出了公式法、模型试错法、系统最优化法等。DENG 等利用线性规划法计算了长江口化学需氧量（COD）和氨氮（NH-N）的水环境容量，但约束方程的缺少常导致结果不稳定。何绍福等在QUAK2K 模型的基础上利用模型试错法计算了沙溪沙县段COD、NH-N 和总磷（TP）的水环境容量，制定了各子河段的削减方案。于晓英等采用二维岸边排放模型段尾控制法计算梧桐河COD 和氨氮的动态水环境容量，结果表明，该结果与实际动态水环境容量变化趋势吻合，为环境管理提供支撑。本研究基于水文条件在时间及空间上的动态变化，构建一维河道与管网水动力模型，利用段首达标法计算了江西省九江市两河（十里河和濂溪河）的COD 和NH-N 的理想水环境容量，分析了水文条件时空变化对理想水环境容量的影响，为水环境保护及管理提供新的方向与思路。

    本文研究对象为两河（十里河和濂溪河）流域，十里河全长为12.9 km，濂溪河全长为10.2 km，流域内合流制、分流制管网共存，污水通过沿河截污干管输送到污水处理厂，雨水主要通过雨水排口就近入河。根据《九江市水功能区划》，参考现状水质监测数据，并考虑经济社会发展与环境保护目标的相互协调，综合确定两河远期水质目标为全河段Ⅳ类水。两河的水量补给受降雨影响较大，而且各排口的水量也具有空间差异，所以有必要研究水环境容量在不同水文时空尺度下的变化情况。

    2.1 一维水动力模型

    采用暴雨洪水管理模型（SWMM）进行管网和河道的一维水动力计算，动力波模拟控制方程包括管道中水流的动量方程、连续方程和节点处的水量连续方程。该模型可同时用于管网和河道的水动力计算。管道中水流的动量方程和连续方程分别为

    节点处的水量连续方程为

    式中：为进出节点的流量，m/s；
    A为节点自由表面积，m。

    2.2 段首达标法水环境容量计算模型

    段首控制中的段是指在一个功能区中沿河任意两个排污口断面之间的河段，而段首则是指各段上游第一个排污口断面。段首控制就是控制上游断面的水质达到功能区段的要求。段首控制下河段功能区环境容量（功能区段首来水提供稀释容量，公式前半部分为稀释容量，后半部分为自净容量）的计算公式为

    式中：为河段功能区环境容量；
    C为控制标准；
    为来水浓度；
    为来水流量；
    Q为第个断面前的干流流量；
    q为第个断面废水量；
    为水质降解系数；
    为断面距排污口的距离；
    为流速。

    3.1 不同时间尺度下水环境容量评估差异

    根据SWMM 模型和河道模型计算的2014年河道水力数据结果，通过小节2.2 中段首达标法水环境容量计算模型，分别以月、季、年尺度来统计核算两河COD、NH-N 的理想水环境容量，计算结果如表1、表2所示，表中数据单位均为吨（t）。段首达标法下，两河COD、NH-N月尺度理想水环境容量的变化范围分别为355.329～1 178.88 t、14.979～55.849 t，季尺度理想水环境容量变化范围分 别 为464.971～776.669 t、20.409～35.871 t。由表2数据计算可得，两河COD、NH-N年尺度理想水环境容量分别为639.149 t、29.049 t。

    表1 段首达标法月平均水环境容量

    表2 段首达标法季平均水环境容量

    随着计算时间尺度的增大，理想水环境容量的变化趋势逐渐平稳，环境容量变化范围逐渐缩小，差异性也逐渐降低。若按照常规，全年均以最枯月的水环境容量作为标准对污染物入河量实施限制，则忽略其本身随时间的动态变化，很容易造成水环境容量未充分利用和工程实施成本过高等问题。所以，核算研究区水环境容量时应充分考虑区域特性，应以精细的计算时间尺度来核算动态水环境容量，充分有效地对水环境容量进行总量分配和季节性利用。

    3.2 不同空间尺度下水环境容量评估差异

    当前，水环境容量核算大都以整条河作为整体进行计算（河道各处的水文条件一致）或者按照功能区进行分段核算后汇总，这种计算空间尺度对于大流域水体较为适用，而对于城市小流域水体且排污口众多的情况则过于粗略，无法充分考虑各排口对整条河水环境容量的影响程度以及水环境容量的空间分布特性。本节研究了2 种不同计算空间尺度（见图1）对水环境容量的影响和空间分布差异，以求城市小流域水体水环境容量精细化核算的最适空间尺度。

    步长200 m 的计算空间尺度下，两河的COD、NH-N 水环境容量分别为357.273 7 t/a、15.026 4 t/a；
    步长20 m 的计算空间尺度下，两河的COD、NH-N水环境容量分别为356.128 3 t/a、15.019 4 t/a。由此可得，空间步长的改变对于两河总体COD、NH-N 水环境容量的影响较小。

    如图1所示，两河各计算单元的理想水环境容量呈明显的空间变化特点，从上游至下游总体上呈逐渐增大的趋势，且濂溪河与十里河交汇处至入湖口的理想水环境容量相对于其他区域普遍较大。各计算单元的理想水环境容量最大值出现在SL21 河段处，该计算单元理想水环境容量将近占两河总理想水环境容量的1/3，原因为该河段排口为两河地下污水处理厂的直排口，入河流量远大于其他雨水排口，由于两河的自然特性，排口入河量是其理想水环境容量的决定因素，导致该单元水环境容量远大于其他计算单元。所以，在确定水环境治理工程规模时，应充分考虑水环境容量空间分布的不均匀性，根据其负责控制河段的水环境容量进行规模设计。

    图1 不同步长下两河COD 环境容量空间分布

    本文以九江市两河流域为例，从不同时空尺度分别计算了两河的理想水环境容量，分析了理想水环境容量在不同时间、空间上的差异性。结果表明，随着计算时间步长的增大，理想水环境容量的差异性逐渐降低，变化范围逐渐缩小。空间步长的改变对于两河COD、NH-N 总水环境容量的影响较小，但各个子计算单元的理想水环境容量呈现明显的空间分布差异，上游至下游总体呈逐渐增大的趋势。水环境容量具有时空变化的特点，若仅以最枯月的水环境容量作为水环境保护工程的建设依据，不仅会浪费水环境容量的资源属性，还会导致建设成本过高等问题，因此应精细管理水环境保护工程负责的河段区域，把该河段区域的水环境容量也纳入建设依据，防止工程资源浪费。

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