水环境容量及其计算方法

（一）水环境容量的基本定义

水环境容量是环境水力科学的一个基本概念，也是水资源保护与管理中一个重要的实用指标。理论上讲，水环境容量是水环境的自然规律参数与社会发展效益等参数的多变量函数，它反映污染物在环境中的迁移、转化和积存规律，也反映满足特定功能条件下环境对污染物的承受能力。在实践上，水环境容量是水环境目标管理的基本依据，是水资源开发利用与规划的主要约束条件，也是污染物总量控制的关键参数。

《中国大百科全书》环境科学卷对水环境容量的定义是：在人类生存和自然生态不致受到危害的前提下，某一水环境所能容纳的污染物最大负荷量。

对某一水域而言，水环境容量是指水体环境在一定功能要求、设计水文条件和水环境目标下，所允许容纳的污染物量，即指在水环境功能不受破坏的条件下，受纳污染物的最大数量。

（二）水环境容量的影响因素

1.水环境质量标准

水体对污染物的纳污能力是相对于水体满足一定的用途和功能而言的。水的用途不同，允许存在于水体中污染物量也不同。我国最新修订的 《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）将地表水按用途分为五类，每类水体允许的标准影响着水环境容量的大小。水体功能划分将水质标准定得越高水环境容量就越小。

2.污染物特性及水体稀释自净规律

水体稀释自净规律影响水体的环境容量。水体自然条件是外因，污染物特性是内因。不同污染物对水生生物的毒性作用及人体健康的程度不同，允许存在于水体中的污染物量也不同。因此，不同的污染物有不同的水环境容量。

3.水文参数

影响水环境容量的水文参数主要有流量、流速、水温。水量的大小决定着差值容量的大小，也影响水体的自净作用，而水量的交换速度则影响同化容量。

4.水体的自然背景值

自然背景值即在天然情况下（不受直接污染情况下）水中污染物的浓度。自然背景值越高，环境容量就越小。

5.排污口的空间布局和方式

当排污口分布较均匀时，相应的环境容量就大，反之，排污口较集中时，环境容量就相应减小。

（三）水环境容量的计算

水环境容量是以功能区的水质目标和水体稀释自净规律为依据的，一切与功能区水质目标和水体稀释自净规律有关的因素，均能影响水环境容量。水质模型是这些因素相互关系的数学表达式。因此，水环境容量可以通过适当的水质数学模型进行计算求得。

中小河流水环境容量的计算公式如下：

式中：W 为水环境容量；Q 为设计流量；q 为污水量；C0 为来水污染物浓度；CS 为水环境质量标准；X 为河流纵向距离；U 为设计水文条件下的平均流速；K 为污染物衰减系数。

（四）河流水环境容量分析

对某一水域而言，水环境容量亦称水体纳污能力。水功能区纳污能力指对确定的水功能区，在满足水域功能要求的前提下，按给定的水功能区水质目标、设计水量、排污口位置及排污方式情况下，功能区水体所能容纳的最大污染物量。

对于已进行了水功能区划的河流，参照《全国水资源保护规划技术细则》计算各类水功能区的纳污能力。对于保护区、保留区和水质较好的缓冲区，其水质目标原则上是维持现状水质不变，功能区的纳污能力与污染物现状入河量相同；对于开发利用区和需要改善水质的保护区、缓冲区，其纳污能力则根据设计条件和水质目标，采用水量水质模型进行计算求得。

1.设计水文条件

（1）设计流量的确定。水功能区纳污能力计算的设计条件，以计算断面的设计流量（水量）表示。根据《全国水资源保护规划技术细则》的要求：一般渔业、工业和农业用水区用近10年最枯月平均流量或90%保证率最枯月平均流量；集中式饮用水源区，采用95%保证率最枯月平均流量。根据新疆河流水资源利用实际情况及现状水功能，大部分河段都属于农业用水区，因此选用90%的最枯月平均流量作为设计流量。

（2）断面设计流速确定。无资料的河段，采用经验公式计算或通过实测确定，将实测流速转为设计条件下的流速。对于有资料的河段，采用以下公式计算：

式中：U 为设计水文条件下的平均流速；Q 为设计流量；A 为过水断面面积。

2.初始浓度值C0 的确定

C0 值根据上一个水功能区的水质目标值来确定，上一个水功能区的水质目标值就是下一个功能区的初始浓度值。

3.水质目标CS 值的确定

水质目标CS 值为功能区的水质目标值。

4.综合衰减系数的确定

在水质模型中，为了简化计算，将污染物在水环境中的物理降解、化学降解和生物降解概化为综合衰减系数。综合衰减系数采用水团追综法和实测资料反推法相结合求取，无资料的河段借用经验公式估值。污染物综合净化系数按下式计算：

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式中：C1、C2 分别为河段上、下断面污染物的浓度，mg/L；Δx 为上、下断面距离，km；μ 为断面平均流速，km/d。

5.水质控制指标及标准

从水质现状的评价结果来看，除水磨河等极个别河流外，新疆河流均未受到有毒及重金属类污染；有少数河流或河段则受到有机污染，水体中化学耗氧量和氨氮含量较高。故选择化学耗氧量和氨氮作为水质控制指标，进行纳污能力分析计算。CODcr、氨氮的控制标准采用《地表水环境质量标准》 （GB3838—2002）的相应类别，具体控制目标值见表6-8。

表6-8　CODcr、氨氮控制目标值　单位：mg/L

6.计算模型

与全国各大流域相比，新疆大部分河流都属于中小型河流，因此纳污能力的计算选用一维恒定流模型。

一维对流推移方程为：

式中：C （x）为控制断面污染物浓度，mg/L；C0 为起始断面污染物浓度，mg/L；x 为计算单元上、下断面间的距离，km；u 为设计流量下河段平均流速，km/d；k 为污染物综合净化系数，1/d。

将计算河段内的多个排污口概化为一个集中的排污口，概化排污口位于河段中点处，相当于一个集中点源，该集中点源的实际自净长度为河段长的一半，设河段长度为L，则污染物自净长度为L/2。因此，对于功能区下断面，其污染物浓度为：

式中：Qr 为设计流量；m 为污染物最大允许入河速率，g/s。

则功能区的纳污能力应为：

7.纳污能力计算结果

根据上述模型和设计水文条件计算出各区划河流水功能区的纳污能力，并按行政区进行统计。各行政区纳污能力总量为区划河流各水功能区纳污能力之和，计算结果见表6-9。

表6-9　行政分区主要河流纳污能力统计表

由计算结果可以看出，新疆水环境容量较大的区域主要集中在水资源相对丰富的伊犁州、阿勒泰地区、巴音郭楞蒙古自治州和阿克苏地区。而对于新疆相当一部分小河流而言，在出山口以后，基本上都用于灌溉，因此在枯水季节其环境容量几乎为零，即使在丰水期环境容量也非常有限。

8.污染物入河控制量及削减量

防止水污染的关键是控制向水体排放污染物的数量。控制的方法有三种：浓度控制、总量控制和污染全过程控制。

浓度控制是控制废污水的排放浓度，要求排入水域的污染物浓度达到国家或行业规定的污染物排放标准，即达标排放。不同行业和不同受纳水体的排放浓度要求是不同的。浓度控制对污染源的管理和水污染的控制是有效的，但由于没有考虑受纳水体的承受能力，对于环境容量较小的河段，即使污染源全部达标排放，由于未控制排放总量，受纳水体还是被严重污染。对此，一方面可通过制定更加严格的地区污染物的排放标准；另一方面，就是实施总量控制。

总量控制是根据受纳水体的纳污能力，将污染源的排放数量控制在水体所能承受的范围之内，以限制排污单位的污染物排放总量。它是环境管理的一种新方法，是进行功能区水质管理的依据，同时也是限制区域经济发展的重要制约因素。

在一定的设计水量条件下，功能区水体的纳污能力是一定的。为了保证功能区水体的水质目标，必须要对进入功能区水体的污染物入河量进行控制和削减。根据功能区水体的纳污能力和污染物入河量，综合考虑功能区水质状况及当地经济社会发展情况，确定污染物进入功能区的最大数量，亦即污染物入河控制量。

新疆的部分河流，其功能区的纳污能力大于污染物的现状入河量，有些功能区并没有工业或生活污染源汇入，但是并不能因为区域还有纳污能力就可以不加限制的任意排放。同时，也不能不考虑当地的经济发展。在进行污染物控制时，首先必须控制污染物的达标排放，其次再根据功能区的纳污能力进行总量控制。

根据2000年全疆147个入河排污口的调查资料统计，全年入河废污水量为17615万t，COD入河量为86660t，氨氮入河量为3386t，远小于计算的纳污能力总量。但在局部地区或河段，污染物的现状入河量则大于其纳污能力，比较突出的有乌鲁木齐市的水磨沟，昌吉回族自治州境内的水磨沟河米泉段、头屯河，博尔塔拉蒙古自治州的博尔塔拉河下游，阿勒泰地区的克兰河，喀什地区的吐曼河等，必须进行削减。有些功能区内的污染源虽小，还没有对水体产生大的影响，但却没有做到达标排放，必须进行控制。

为了满足功能区水质目标的实施，保证区域环境质量，同时考虑区域的经济发展，在确定污染物入河控制量时，对于开发利用区污染物入河控制量计算按以下原则进行：

（1）当污染物现状入河量大于纳污能力时，按纳污能力进行控制。

（2）当污染物现状入河量远小于纳污能力，或污染物现状入河量为零时，在流经城市或人口相对集中、有可能发展的功能区，分为两种情况进行控制：①国际河流源流区的入河控制量按1/4纳污能力进行控制，干流区按现状控制；②一般河流按1/2纳污能力进行控制。

将功能区污染物入河量与其入河控制量相比较，如果污染物入河量超过其入河控制量，其差值即为该水功能区的污染物入河削减量。

各行政分区污染物入河控制量及削减量计算结果见表6-10。

表6-10　行政分区污染物入河削减量统计表

从计算结果可以看出，除塔城、伊犁、克孜勒苏和和田地区外，其他地区均存在需削减的河流或河段，其中削减量较大的河流有乌鲁木齐市的水磨沟河，昌吉回族自治州境内的水磨沟河米泉段、头屯河、三屯河、玛纳斯河，博尔塔拉蒙古自治州的博尔塔拉河、精河，阿勒泰地区的克兰河，阿克苏地区的阿克苏河，喀什地区的吐曼河，巴音郭楞蒙古自治州的孔雀河和博斯腾湖。但从全疆总体情况看，大部分功能区河段还有很大的纳污能力，现状纳污量均小于允许纳污量。但对于污染物排入Ⅲ类水域的排污企业，按照国家《污水综合排放标准》（GB8978—1996）规定，必须执行一级标准。因此，对于现有排污口，必须进行控制，做到达标排放。