地表水环境容量评价与管理

2023-11-03 理论教育版权反馈

【摘要】：地表水环境容量的确定是水污染物实施总量控制的依据,是水环境管理的基础。影响地表水环境容量确定的因素很多,筑坝、引水,新建排污口、取水口等都可能改变整个流域内水环境容量分布。根据工作区区域环境容量的组成,可分稀释容量、自净容量和迁移量三部分来计算地下水环境容量。通常可考虑将地下水环境容量中的时期T定义为30～50年。

(一)概述

水环境容量,是指水体的纳污能力,在一定的水质目标或环境目标下,某水域能够允许承纳的污染物的最大数量,这个环境容量对人类活动的支持能力同样影响到水资源承载力的大小。

水环境由地表水环境和地下水环境组成,评价时分别进行。

(二)地表水环境容量评价方法

在给定水域范围和水文条件,规定排污方式和水质目标的前提下,单位时间内该水域最大允许纳污量,称作地表水环境容量。地表水环境容量的确定是水污染物实施总量控制的依据,是水环境管理的基础。

按照污染物降解机理,水环境容量可划分为稀释容量(W稀释)和自净容量(W自净)两部分。稀释容量是指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。自净容量是指由于沉降、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。在其他条件不变的情况下,污染物排放方式的改变(如排放口位置的不同)将影响水域的环境容量,因此水环境容量往往是一组数值。实际的水环境容量确定,是在分析稀释容量与降解容量的基础上,根据排污方式的限定与环境管理的具体需求,即在不改变排污口位置和水质目标等情况下,确定水域的环境容量(W)。

1.评价原则

地表水环境容量的确定,要遵循以下两条基本原则。

(1)保持环境资源的可持续利用。要在科学论证的基础上,首先确定合理的环境资源利用率,在保持地表水体有不断的自我更新与水质修复能力的基础上,尽量利用水域环境容量,以降低污水治理成本。

(2)维持流域各段水域环境容量的相对平衡。影响地表水环境容量确定的因素很多,筑坝、引水,新建排污口、取水口等都可能改变整个流域内水环境容量分布。因此,地表水环境容量的确定应充分考虑当地的客观条件,并分析局部地表水环境容量的主要影响因素,以利于从流域的角度,合理调配环境容量。

2.计算步骤

地表水环境容量的计算步骤如下。

通常情况下,水域的环境容量计算可以按照以下6个步骤进行。

(1)水域概化。将工作天然水域(河流、湖泊水库)概化成计算水域,例如天然河道可概化成顺直河道,复杂的河道地形可进行简化处理,非稳态水流可简化为稳态水流等。水域概化的结果,就是能够利用简单的数学模型来描述水质变化规律。同时,支流、排污口、取水口等影响水环境的因素也要进行相应概化。若排污口距离较近,可把多个排污口简化成集中的排污口。

(2)基础资料调查与评价。包括调查与评价工作区水域水文资料(流速、流量、水位、体积等)和水域水质资料(多项污染因子的浓度值),同时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。

(3)选择控制点(或边界)。根据工作区水功能区划/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。对于包含污染混合区的环境问题,则需根据环境管理的要求确定污染混合区的控制边界。

(4)建立水质模型。根据实际情况选择建立零维、一维或二维水质模型,在进行各类数据资料的一致性分析的基础上,确定模型所需的各项参数。

(5)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)等方法确定工作区水域的水环境容量。

(6)环境容量确定。在上述容量计算分析的基础上,扣除非点源污染影响部分,得出实际环境管理可利用的地表水环境容量。

(三)地下水环境容量评价方法

地下水环境容量是在满足水资源质量标准条件下,地下水体对污染物质的最大承纳量。地下水环境容量由3部分组成:稀释容量、自净容量和迁移量。

1.计算公式

地下水环境容量与工作区含水层有着密切的关系,应当根据工作区不同的地下水功能分区、含水层介质、地下水中污染物浓度的不同划分子区,或者在平面上用规则网格剖分,按子区或网格计算地下水环境容量,在此统称为计算单元,并认为该计算单元满足完全混合。根据工作区区域环境容量的组成,可分稀释容量、自净容量和迁移量三部分来计算地下水环境容量。

稀释环境容量可用下式计算:

pagenumber_ebook=77,pagenumber_book=67

式中:Qdilution——工作区地下水的总稀释容量,kg/d;

i——工作区内的计算顺序号,i=1,2,…,n,n为计算单元总数;

Vi——第i单元地下水的体积,m3;

T——所定义的时期,d;

pagenumber_ebook=77,pagenumber_book=67 ——第i单元所给定的污染物的目标浓度,mg/L;

pagenumber_ebook=77,pagenumber_book=67 ——第i单元地下水中该污染物的本底值或初始浓度值,mg/L。

对地下水而言,如果考虑地下水永续利用的原则,则T趋于无限长,因而可以认为地下水没有稀释容量,而只有自净容量;当然,如果考虑计算单元地下水的使用年限,则地下水可能有一定的稀释容量。通常可考虑将地下水环境容量中的时期T定义为30～50年。

地下水的体积可按下式计算:

式中:μi——第i计算单元含水层的有效孔隙度;

hi——第i单元潜水位标高,m;

bi——第i单元潜水含水层底板标高,m;(www.chuimin.cn)

Si——第i单元的面积,m2。

在计算中注意工作区含水层是由不同岩性组合而成,因而应该根据工作区不同岩性厚度及给水度计算地下水的体积。

假设地下水自净作用基本上都符合一级不可逆反应方程,在反应速率常数很小的情况下(一般不大于10-2),自净环境容量可由下式计算:

pagenumber_ebook=77,pagenumber_book=67

式中:Qpurification——自净环境容量,kg/d;

Ki——第i单元的污染物的降解速度常数,d-1;

其余符号同上式。

Ki与工作区含水层介质特性、污染物均有关系,根据不同的污染物,可通过饱和带的渗滤实验或现场试验方法确定。

迁移量主要由人工抽取地下水带出的污染物和地下水排泄带出的污染物两部分组成,由下式计算:

pagenumber_ebook=78,pagenumber_book=68

式中:Qtransport——计算单元地下水迁移量,kg/d;

i——第i个分区地下水开采量,i=1,2,…,m,m为总分区数;

pi——第i分区地下水开采量(×103 m3/d);

qout——流出本单元地下水的流量(×103 m3/d),包括侧向流出和越流到下层承压含水层;

Cs——流出量所在分区的污染物的环境质量标准值。

迁移量只能按相对独立的水文地质分区或整个水文地质单元为单位进行计算,而不能剖分成众多的网格来计算,这样可避免大量的系统内部交换量的计算。如计算完整水文地质单元迁移量,qout基本可以忽略。

工作区地下水的环境容量为以上三部分量之和:

pagenumber_ebook=78,pagenumber_book=68

由上面的计算公式可以理解,Qtotal代表工作区总环境容量,其中包括通过各种途径已进入到地下水中的污染物含量。如果要计算目前状态下地下水还能容许接纳污染物的最大量,应扣除目前地下水对污染物的自净量和流出量,称该量为地下水潜力环境容量。假定工作区地下水系统基本处于稳定状态,则地下水潜力环境容量(Qpermit)可用下式计算:

2.计算步骤

一般应针对一个行政区或水文地质单元作为评价工作区进行地下水环境容量计算。首先,应收集与工作区相关的水文地质资料和研究成果,如果需要,可进行必要的水文地质和地下水污染调查、钻探、地下水位测定和水质监测,其目的是了解工作区基本水文地质条件,在此基础上,确定研究区主要污染物,通过饱和状态下淋滤试验,或利用前人工作成果,确定污染物在不同介质中的降解速度常数Ki;对工作区地下水功能进行分区,确定不同功能区的地下水质目标Cis;通过分析工作区水文地质结构,确定潜水含水层交替带深度、含水层水文地质参数和几何参数,以及其他环境容量计算的要素。在以上准备工作的基础上,形成计算所有要素的GIS图层,并根据工作区水文地质条件和地下水功能区划分,进行计算分区,或进行规则矩形网格剖分,将以上各计算要素值赋于各分区或网格之中,最后运用上述计算公式对每个分区或网格进行计算,然后累加便得到工作区总体环境容量。

计算成果可用工作区区域总环境容量(质量单位,如kg)、各水文地质单元环境容量、计算区内单位面积上的环境容量(强度单位,如kg/km2)来表示。

(四)水环境剩余容量评价方法

采用承载率指标表征水环境各污染物的承载力状况。承载率是指工作区或计算单元环境承载量(各环境要素指标的现状值)与工作区或计算单元环境承载量阈值(各环境要素指标上限值)的比值。应用承载率指标进行评价,可以清晰地看出工作区或计算单元水环境发展现状与理想值的差距,评价其环境承载的压力现状。

承载率的计算公式如下: