江苏省重点河湖各功能区纳污能力核定及合理性分析毕业论文.docx
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江苏省重点河湖各功能区纳污能力核定及合理性分析毕业论文
省重点河湖各功能区纳污能力核定及合理性分析毕业论文
前言I
摘要II
AbstractIII
目录IV
第1章绪论1
1.1研究的目的和意义1
1.2国外研究现状1
1.2.1国外研究情况1
1.2.2国研究情况2
1.3研究围及控制指标4
1.3.1研究围4
1.3.2水质控制指标5
1.4本文主要研究容5
第2章省重点河湖纳污能力核定7
2.1纳污能力核定方法7
2.1.1河网（河道）区7
2.1.2湖泊（水库）区8
2.1.3长江段9
2.2水质降解系数率定10
2.2.1水质降解系数率定方法10
2.2.2河网（河道）区水质降解系数10
2.2.3长江段水质降解系数11
2.2.4太湖湖区水质降解系数11
2.3设计水文条件11
2.3.1河网（河道）区设计水文条件确定12
2.3.2长江段设计水文条件确定14
2.3.3湖泊（水库）设计水文条件确定15
2.4不均匀系数确定16
2.4.1河网（河道）区16
2.4.2湖泊（水库）区16
2.5纳污能力核定成果17
第3章省重点河湖入河污染量计算20
3.1基础资料20
3.2计算方法24
3.2.1区域排放量计算方法24
3.2.2区域入河量计算方法27
3.2.3功能区入河量计算方法28
3.3入河量计算成果29
3.3.1区域现状污染物排放量计算成果29
3.3.2区域现状污染物入河量计算成果30
3.3.3209功能区现状污染物入河量计算成果32
第4章功能区纳污能力、入河量结果合理性分析34
4.1功能区水质超标率分析34
4.2功能区削减率分析34
4.3功能区水质超标率与削减率对比分析36
第5章总结与展望37
5.1总结37
5.2不足与展望37
参考文献39
致谢43
附录1英文文献44
附录2英文文献翻译54
附录3文献综述63
第1章绪论
1.1研究的目的和意义
水是人类生存和发展不可替代的资源，是经济社会发展的基础。
是经济大省，工业发达，人口密集。
随着省社会经济的快速发展，废水排放量逐年增大，污染问题日益突出，已严重影响省经济的可持续发展。
根据《水法》的有关规定，开展水功能区纳污能力和限制污染物排放量核定工作，对有效保护水资源、防止水污染具有十分重要的现实意义。
2007年省水利厅完成了全省1320个水（环境）功能区的纳污能力及限排总量的核定工作，并在入河排污口论证、水（环境）功能区调整等工作中发挥了积极作用，通过对省重点河湖各功能区纳污能力的计算研究，定量测算各水（环境）功能区的纳污能力，为省更加科学合理地制定水资源保护规划，实现水资源的高效利用和有效保护，促进水资源保护由定性向定量发展提供坚实的理论依据。
确定水功能区现状污染物入河量，是科学合理制定水污染控制规划，强化水资源保护和水污染防治工作的基础，也是校核水功能区划的依据。
1.2国外研究现状
参考《水环境容量计算及应用》（逄勇、陆桂华等著），计算方法是水域纳污能力的一个重要组成部分，其适当与否直接影响着计算结果的准确性。
但由于我国地域广大，水体特性分异明显，加深了水域纳污能力计算方法研究的难度。
水域纳污能力计算的研究方法主要有解析法[1]、模型试错法[2]、系统分析法[3]、概率稀释模型法[4]。
制定一个能够适用于不同水体纳污能力计算的理论体系，从而推动水资源保护工作的深化，是一个重要的课题。
1.2.1国外研究情况
早期欧美国家一般将同化容量[5,6]的计算和负荷分配在同一过程中进行，采用随机理论和系统优化相结合方法研究。
Ecker[7]、Liebman等[8]、Loucks等[9]将流量等参数作为确定性变量处理进行水域纳污能力的研究；Li等[10]在考虑了河流横向混合不均匀性基础上用优化模型确定各排污口在给定水质标准下允许排放量；Revelle[11]、Thomann和Sobel[12]用确定性方法把目标函数线性化后用优化模型求排放量和削减量；Fujiwara等[13]、Lohani等[14]把流量作为己知概率分布的随机变量，用概率约束模型对超标风险下的污染负荷分配进行了研究；Donald和Edward[15]用一阶不确定性分析方法将水质随机变量转化为等价确定性变量以计算排污量；Donald和Barbara[16]还基于水文、气象和污染负荷等不确定性因子的多重组合，对污染负荷进行计算和分配。
由于水文条件的千变万化以及纳污能力计算结果准确性要求的提高，在水体的纳污能力计算过程中产生了各种先进的水质模型。
如美国实施的污染负荷控制总量（TMDL）清洁水行动计划，为了适应水体不同季节不同用途对水质不同的标准要求，允许排放量在一年中的不同季节有所变化，可根据水温、水量、pH值等因素在各季节的差异来确定。
目前TMDL计划中使用频率较大的水质模型有QUAL2K、WASP、EFDC以及CE-QUAL-ICM[17]。
QUAL2K模型是一种一维水质模型，可以仿真15种水质组分，可以用来研究进入河流的污染负荷源的数量、质量和位置对受纳河流的水质影响，也可以研究点源、面源对河流水质的影响，在国外已经被广泛地应用于河流的水质规划和水资源管理。
另外Cerco[18]等人在研究切萨皮克湾富营养化时提出了CE-QUAL-ICM三维动态富营养化模型,该模型包括22个状态变量，涉及湖泊物理特征、多种藻类、碳、氮、磷、硅和溶解氧等。
CE-QUAL-ICM模型无自带的水动力模块，需第三方软件如EFDC、POM、DELFT3D等提供水动力计算结果。
其中涉及到的EFDC模型是一种三维地表水水质数学模型，可实现河流、湖泊、水库、湿地系统、河口和海洋等水体的水动力学和水质模拟，是一个多参数有限差分模型。
1.2.2国研究情况
对于水域纳污能力的计算方法的研究，我国最初的几种计算模式都是从定义出发的，理论上存在不足。
之后的研究，大多以水质模型为基础，建立水体纳污能力计算数学模式。
蒋晓辉等[19]，万飚等[20]，兰芬[21]分析了河流环境容量的常规计算方法对环境容量进行计算，给出了修正的算法。
周孝德、郭瑾珑等[22]提出了一维稳态条件下计算水环境容量的三种方法，即段首控制[23,24,25,26]、段尾控制[27,28,29]和功能区末端控制[30,31]三种计算方法。
蒲迅赤、文谦[32]根据污染物在河流中的扩散过程和发展的不同特点，将排污河段水体自净容量分段进行计算。
路雨等人[33]以市流域为研究区域，选取流域6条重要河流,划分各级别功能区，选取一维水质模型，以COD和氨氮作为污染指标，设定相关水文条件及水质目标，计算了流域的纳污能力。
选取一维模型计算纳污能力的方法也被潘建波,修宇[34]等人在计算松花江水体纳污能力模型时也被用到过，总体上方法和思路都差不多，但是后者在设计条件，例如降解系数等一些方面都作了细化，使计算的结果更具准确！
徐仲翔,建富等人[35]在兰江流域水体纳污能力计算中提出了一种新的水质模型，即WASP水质模型。
它是在一维水质模型的基础上引申出来的。
这种模型能够在不同环境污染决策系统中分析和预测各种水质状况，包括自然和人为原因造成的污染。
WASP模型可以模拟水文动力学、河流一维不稳定流、湖泊和河口三维不稳定流、常规污染物和有毒污染物在水中的迁移和转化规律，因此，这种水质模型还被称为万能水质模型！
很多学者针对不同类型的河流进行了研究。
江春波[36]等建立了求解浅水流动及其污染物输移扩散的分步有限元格式，对长江和嘉陵江汇流口附近的流场和浓度场进行了模拟；秀春[37]等对黄河污染带（混合区）COD环境容量进行了计算确定；黄真理[38]等利用建立的一维水流水质数学模型、库区排污口混合区平面二维和水平分层的三维紊流模型，计算了三峡水库建库前后COD和氨氮总体环境和岸边环境容量；昭伟[39]等以数值模拟为基础，绘制出污染混合区围与排污负荷的变化曲线；并根据江段岸边水域的控制目标，确定出该江段的岸边环境容量；马欢[40]等分别应用河流一维及二维对流扩散水质模型计算了松花江江段COD及氨氮的理想水环境容量，通过计算结果对这两种模型进行比较得出二维水质模型对松花江污染控制更安全、控制更严格的结论。
河网水环境容量计算方法方面，逄勇等[41]建立了河网区水量、水质计算模型，根据水环境容量计算公式，计算了鹤地水库文官至石角段水环境容量；徐祖信等[42]基于感潮河网的水动力模型，针对潮汐河流的流动情况，提出了对河段入流量Q0分四种情况进行处理计算河网动态水环境容量的方法；关卉[43]等考虑了同一水体有不同功能区划时水环境容量的计算公式，并对九洲江段水环境容量进行了研究；罗缙[44]等建立了平原河网区往复流河道水环境容量模型并对太湖流域苏南地区部分河道的水环境容量进行了计算；振洪[45]针对感潮河段水流形式提出了双向流模型。
在水环境容量计算安全性问题上，国金[46]等首先提出考虑不均匀系数的水环境容量计算公式，探讨了不均匀系数的取值围；之后卫红[47]等基于不均匀系数的水环境容量计算方法，提出不均匀系数求解思路，并应用二维水量、水质模型进行求解。
于雷等人[48]应用二维水质模型求解不均匀系数，分析了其计算结果，并在广西红水河某河段纳污能力计算中得到了很好的效果。
目前不均匀系数的相关研究甚少，可参考的资料十分匮乏。
1.3研究围及控制指标
本文依托省水利厅开展的“省重点河湖2012年水（环境）功能区污染物限排总量研究”课题，以2003年3月18日省人民政府苏政复[2003]29号文正式批复的《省地表水（环境）功能区划》为基础，确定了本次纳污能力计算研究的围。
并参考省水利厅水资源处提供的调整后最新1329功能区划方案,在此基础上筛选出了209个功能区作为省的重点河湖研究对象，对省重点河湖的纳污能力和入河量进行了研究和分析。
1.3.1研究围
本次研究围包括13条骨干河流的89个功能区，11个省管湖泊的24个功能区及长江段的96个功能区。
研究围见图1-1。
（1）11个省管湖泊
太湖；洪泽湖；高邮湖；骆马湖；石臼湖；滆湖；邵伯湖；长荡湖；白马湖；固城湖；宝应湖。
（2）13条骨干河流
淮河流域：
中运河；里运河；通榆河；大沙河；北六塘河；新洋港。
长江流域；秦淮河；句容河；九圩港。
太湖流域；江南运河；望虞河；家港；太滆运河。
（3）长江段
长江段共418公里长。
图1-1研究围示意图
1.3.2水质控制指标
根据省河流水质现状及主要污染项目，同时考虑与省水资源综合规划相衔接，污染物计算指标确定为化学需氧量（COD）和氨氮（NH3-N）两项。
1.4本文主要研究容
本论文依托省水利厅开展的“省重点河湖2012年水（环境）功能区污染物限排总量研究”课题进行。
针对水域的特点，分为河网（河道）和湖泊（水库）及长江江段三种类型，分别采用相应的方法核定纳污能力。
然后参考省年鉴，进行社会经济、水文、水质、污染源、水环境保护目标等的调查，根据2007年全国污染源普查资料（部分）以及2009年的污染源普查修订资料，参考省水利厅在2005-2006年在全省开展的两次大规模入河排污口监测资料以及近年来省水文局测定的入河排污口资料确定2012年污染物现状入河量。
最后针对纳污能力和入河量的计算结果进行合理性分析。
第2章省重点河湖纳污能力核定
水域纳污能力，是指在一定的条件下，按确定的水质目标、来水水质以及入河排污口（支流口）概化情况，依据水体稀释和污染物自净规律，利用数学水质模型计算出的功能区允许最大容纳的污染物量。
本文是在水功能区划与水质保护目标确定的基础上，通过对资料的统计分析，结合实际情况，确定水体纳污能力计算围，以不同的设计条件，利用数学模型，率定相应的参数，对控制的主要入河污染物中的化学需氧量（COD）、氨氮分别进行计算，确定较为合理的各功能区的纳污能力。
2.1纳污能力核定方法
针对水域的特点，分为河网（河道）和湖泊（水库）及长江江段三种类型，分别采用相应的方法核定纳污能力。
2.1.1河网（河道）区
河网（河道）区纳污能力核定方法如下：
式（2.1-1）
其中：
为不均匀系数；
；河道越宽、水面越大，则
越小。
式（2.1-2）
其中：
K为水质降解系数，Vij为断面流速，C0ij为计算水域上游来水水质，Csij为计算区域的水质目标。
i、j为最小空间计算单元和最小时间计算单元。
最小空间计算单元为河段（河段为两节点之间的河道）；最小时间计算单元为天。
根据水文边界条件和区域河网水量模型，计算区域最小空间单元和最小时间单元的纳污能力；再根据公式计算出各控制单元的纳污能力。
对于往复流地区，采用双向流计算公式：
式（2.1-3）
其中：
A为正向流计算时间段天数，B为反向流计算时间段天数。
W正为正向流的纳污能力，具体计算公式为：
正向河流：
式（2.1-4）
W反为反向流的纳污能力，具体计算公式为：
反向河流：
式（2.1-5）
式中：
为正向流流量；
为负向流流量；
为正向流上游水质目标；
为负向流上游水质目标。
2.1.2湖泊（水库）区
一、一般湖库
根据《水域纳污能力计算规程》中规定的方法，计算湖库的设计水位和相应的设计库容，进行不均匀系数订正后，确定一般湖库的纳污能力。
具体计算公式如下：
式（2.1-6）
其中：
为不均匀系数；
；湖库面积越大，则
越小。
式（2.1-7）
二、特大型湖泊
特大型湖泊主要指太湖、洪泽湖，采用二维非稳态水量水质数学模型，以正常蓄水位（兴利水位）控制，考虑混合带影响围，计算湖体纳污能力。
混合带围确定中还进行风向风速联合频率订正。
纳污能力计算公式如下：
式（2.1-8）
式中：
为湖泊纳污能力；
为单个排污口在某一风向风速下的纳污能力，并以混合带面积大小控制；
为各个风向风速频率；n为排污口个数；
为不同风向风速频率个数。
单个特大型湖泊纳污能力计算中，以污染带总长度不超过湖泊岸线总长的10%进行控制。
2.1.3长江段
长江段纳污能力由两部分组成：
一为向长江排污形成污染带长度的纳污能力；二为引长江水到河地区增加的稀释纳污能力。
向长江排污产生的纳污能力由污染带长度控制法进行计算；引长江水增加的稀释纳污能力按照完全混合公式进行计算。
①污染带长度控制法
首先根据长江沿线的工业污染源分布情况、主要入江支流排污口分布情况、沿江污水处理厂分布情况进行入江排污口概化。
根据设计水文条件以及率定得到的水量水质模型参数，采用一、二维联解的非稳态水量水质数学模型对概化排污口进行污染带长度计算，求得不同污染带长度时的各排污口允许排污量。
以各排污口允许排污量为基础进行向长江排污产生的纳污能力值计算，具体为：
（1）计算出概化排污口在不同污染带长度下的允许排污量值。
（2）调查得到省沿江8个地级市的岸线长度，取岸线长度的10％作为排污混合带区域。
（3）以8个地级市为单元，对所属概化排污口的允许排污量值进行计算及累积。
（4）在长江岸线长度的10％用作排污混合带基础上，根据概化排污口允许排污量计算结果，进行8个地级市允许排污量累计及向长江排污产生的纳污能力值计算。
②引长江水到河增加的稀释纳污能力计算公式为：
式（2.1-9）
其中：
W为引长江水增加的稀释纳污能力；
为长江引水量；
为河水（环境）功能区划水质保护目标值；
为长江水（环境）功能区划水质保护目标值。
2.2水质降解系数率定
2.2.1水质降解系数率定方法
水质降解系数率定主要采用两种方法：
（一）实验室率定法：
选择省主要水体（包括河道、湖泊、长江等）的原水水样，在室进行实验分析，根据室实验分析结果测算出水体在静止时的水质降解系数。
（二）野外同步率定法：
在试验小区中进行污染源、水质、水文同步测量，建立试验小区的水量水质模型，对野外实测结果及模型计算结果进行综合分析，得出试验小区的水质降解系数，该降解系数为污染物在水体中被沉降、吸附、生物降解等物理化学综合作用下的水质降解系数，其数值与水体中温度、污染物质浓度、可生化性、流速等环境因子相关。
河海大学环境规划与评价研究所在2001年至2005年间积累了29条河流36个断面的实验室率定成果。
对河网（河道）区、长江江段、湖库区在的各个断面进行了水质降解系数实验研究。
水质降解系数确定过程中，考虑污染物质降解过程接近于一级动力学反应，其反应速率与其相应时刻剩余的有机物的浓度成正比，因此，计算中按照一级动力学反应过程确定水质降解系数。
采用上述方法取得的研究成果在本次研究的各个水（环境）功能区中进行了应用，为省重点河湖各功能区水质综合降解系数的选取提供了依据。
根据前人的研究成果，得出本次研究围各区域的水质降解系数。
2.2.2河网（河道）区水质降解系数
2003年至2005年，积累了太湖、沿江地区较大围四次野外同步率定实验。
根据野外同步率定和实验室率定成果，得出河网（河道）区水质降解系数。
由于不同的水利分区具有不同的水动力特征，而水动力条件对污染物的迁移和转化会产生一定的影响。
因此，河网（河道）区CODMn的水质降解系数取值围为0.08~0.15，氨氮的水质降解系数取值围为0.05~0.10。
2.2.3长江段水质降解系数
根据近几年长江下游江段的同步水文水质监测资料，和水利部水文水资源研究所应用卫星（分辨率为10米的法国SPOT）对江段进行多波段最大似然法确定的污染带分布图资料，综合率定得出长江江段水质降解系数成果如表2-1。
表2-1长江江段水质降解系数率定成果表
江段名称
CODMn降解系数
氨氮降解系数
K（1/d）
K（1/d）
江段
0.2
0.18
镇江段
0.25～0.30
0.18～0.22
靖江～家港江段
0.20～0.25
0.18～0.20
江段
0.2
0.18
2.2.4太湖湖区水质降解系数
根据太湖湖区23个水质监测点每月一次的实测水质资料，综合率定得出太湖湖区水质降解系数成果如表2-2。
表2-2太湖湖区水质降解系数率定成果表
参数名称
数值
单位
CODMn降解系数
0.07
1/d
氨氮降解系数
0.01
2.3设计水文条件
按照水利部《水域纳污能力计算规程》的规定和针对水域的特点，确定相应河网（河道）区、湖泊（水库）及长江江段的设计水文条件。
2.3.1河网（河道）区设计水文条件确定
一、河网（河道）分区
根据河网特征，分区为：
（1）Ⅰ区：
入海水道以北区域；
（2）Ⅱ区：
大运河以东，入海水道与新通扬运河之间区间；（3）Ⅲ区：
大运河以东，长江以北与新通扬运河以南区间；（4）Ⅳ区：
太湖流域；（5）Ⅴ区：
秦淮河流域；（6）Ⅵ区：
滁河流域和洪泽湖周边，分区情况见图2-1。
分别建立各河网区非稳态水文模型进行设计水文条件计算。
图2-1省纳污能力核定河网分区图
二、资料选用
省共有雨量站239个，根据1960年以来的降雨资料，选取具有长序列降雨资料的171个雨量站进行频率分析，并应用各区域雨量站、水文站、水位站资料选取设计水文条件。
各区水文资料分布情况见表2-3。
表2-3各区域雨量站、水文站、水位站数量统计表
分区
Ⅰ区
Ⅱ区
Ⅲ区
Ⅳ区
Ⅴ区
Ⅵ区
雨量站（个）
65
32
19
41
8
6
水文站（个）
38
41
14
37
7
6
水位站（个）
26
34
15
35
2
6
三、典型年选取及设计水文条件确定
选用年降雨90%保证率作为典型年，按典型年实际水利工程调度状况和分区边界水文资料，利用河网（或河道）水量模型，计算相应典型年中最枯月平均流量（或平均水位）作为本次各地表水（环境）功能区纳污能力设计水文条件。
同时考虑水资源调度能力，增加计算了75%保证率典型年的设计水文条件，在上述两个设计水文条件下分别计算相应的纳污能力。
沂沭泗流域、里下河地区、通南地区、秦淮河流域、滁河流域按表2-3中雨量站资料，采用1960～2005年共46年资料进行频率分析；太湖流域按表2-3中雨量站资料，采用1954～2005年共52年资料进行频率分析，各河网分区90%和75%保证率的典型年见表2-4。
表2-4各河网分区90%和75%保证率的典型年统计表
流域名称
太湖流域
沂沭泗
流域
里下河
流域
通南流域
秦淮河
流域
滁河流
域
75%
典型年
—
1997
2002
1976
1973
1992
90%
典型年
1971
1981
1966
2005
1986
1986
2.3.2长江段设计水文条件确定
根据大通站多年实测最小月平均流量系列，经频率分析计算得90%保证率最小月平均流量为7580m3/s。
以该流量作为一维水量模型的边界条件进行各段设计水文条件计算，计算结果作为二维模型计算的输入条件，从而求得各计算段的设计水文条件。
2.3.3湖泊（水库）设计水文条件确定
一般湖库区，用水文统计方法，选取90%保证率的月平均湖库水位作为设计水位，建立湖库区的水位-库容关系曲线，根据90%保证率下的库容作为湖库计算的设计水文条件。
根据湖库水位与容积的相关数据，点绘出湖库区的水位-库容关系曲线，图2-3为某站湖库水位与容积的关系曲线。
图2-3某站湖泊水位-湖泊容积关系曲线
根据湖库水位-容积曲线，求得设计水位下的湖库容积，从而求得湖库设计水量。
但有时需要推求湖库中某一功能区的设计水量，这时应根据湖库设计水位和实测湖底地形图，将设计水位相应的该功能区水面面积和平均水深（等于设计水位与平均的湖底高程之差）的乘积，作为该功能区的设计水量。
太湖及洪泽湖选取正常蓄水位（兴利水位），利用非稳态二维水量水质模型，对入湖排污口进行概化，对每个入湖排污口计算不同风向风速下的污染带长度，根据污染带长度计算湖泊的纳污能力。
污染带长度限制条件为：
一是单个排污口污染带的面积控制在1-3km2；二是污染带长度占岸线的比例小于10%；三是在限制污染带长度下，以单个污染带面积不大于3km2确定污染带宽度。
在太湖及洪泽湖污染带计算中考虑到风场对湖流的形成及流态的作用，设计水文条件还考虑了风向风速联合频率订正。
2.4不均匀系数确定
水体纳污能力的理论值，为水体污染物均匀混合后的数值，但是污染物排入水体后在上下游、左右岸、上下层很难达到均匀混合。
为保证纳污能力计算结果与实际不均匀现象相一致，在河网（河道）区和湖泊（水库）区纳污能力计算过程中采用了不均匀系数进行订正，将水体均匀混合的纳污能力乘以不均匀系数，得出水体满足一定控制条件下的水体纳污能力，不均匀系数取值界于0和1之间。
2.4.1河网（河道）区
河道越宽，污染物排入水体后达到均匀混合越难，不均匀系数就越小，分析得出河网（河道）区不均匀系数如表2-5。
表2-5河道不均匀系数分析成果表
河宽（m）
不均匀系数
0-50
0.8-1.0
50-100
0.6-0.8
100-150
0.4-0.6
150-
0.1-0.4
2.4.2湖泊（水库）区
湖泊越大，污染物排入水体后达到均匀混合越难，不均匀系数就越小，分析得出湖库不均匀系数如表2-6。
表2-6湖库不均匀系数分析成果表
面积（km2）
不均匀系数
≤5.0
0.6～1.0
5～5
升级会员 