水功能区纳污能力计算理论及应用

1.水域纳污能力的组成

水域纳污能力主要由稀释能力、自净能力和存储能力三部分组成。

(1)稀释能力。即污水与天然水体混合过程中,由于天然水体对污染物的物理稀释作用,使得污染物浓度由高变低,当污染物浓度达到规定的水质标准时,水体所能容纳的污染物量称为稀释纳污能力。显然污径比越小,稀释纳污能力越强。稀释能力主要反映水体的物理作用,由污染浓度差和稀释水量所决定。

(2)自净能力。即水体通过化学、生物作用等对污染物所具有的降解或无害化自净能力。若污染物主要为易降解有机物,则自净纳污能力又称同化容量。自净能力是水域纳污能力中最重要的组成部分,与污染物自身特性、水动力条件等因素密切相关。目前通常用“综合自净系数”来表征水体降解污染物的速率。自净能力主要反映水体的生物化学作用,由生物化学作用使污染物浓度降低程度所决定。

(3)存储能力。由于沉积作用,污染物逐渐分布于底泥中,当水体中污染物浓度达到基准值或标准值时所能容纳的污染物量。这部分沉积的污染物实际上是底泥允许的纳污容量,但由于底泥赋存于水体中,也作为水域纳污能力的一部分。水动力条件的变化可能使底泥中的污染物重新进入水体,造成二次污染,因此底泥存储污染物的能力也是随机变化的。

2.水域纳污能力的分类

关于水域纳污能力概念的分类,国内外许多学者进行了探讨,根据不同的应用目的,提出了多种分类体系。

(1)按径污条件分类。依据径污条件的不同,水域纳污能力又分为定常纳污能力和动态纳污能力。

1)定常纳污能力。即在径污条件(包括水体流量、污水排放量及排放浓度等)恒定的情况下,水体稀释降解污染物具有的纳污能力,可认为是设计条件下的一个定值。通常考虑偏安全的需要,水域纳污能力计算的水文条件一般选择典型枯水流量。

2)动态纳污能力。即考虑水体流量、污水排放量及排放浓度非恒定情况下,水体稀释降解污染物具有的动态纳污能力。动态纳污能力比较真实地反映水文条件及污染源排放的变化情况,比较科学地给出不同设计条件下的水域纳污能力和允许排放量。动态纳污能力是一个过程,可以用一系列连续数值表示,其优点是克服了用一个(或有限个)定值来表示纳污能力的弊端,真实地反映出纳污能力的时空不均匀特征。

(2)按可更新性分类。按纳污能力的可更新性(可更新性系指水域对污染物的同化能力,并非水域对污染物的稀释、迁移、扩散能力),可将水域纳污能力分为以下两类。

1)可更新纳污能力。表征为水域对污染物的可降解自净能力或无害化能力,主要是针对可降解物质的纳污能力。例如,耗氧有机物的水域纳污能力即是可更新纳污能力,即能被水中的氧、氧化剂或微生物氧化分解变成简单无毒物质而净化的耗氧污染物的纳污能力,其数值较大,一般采用耗氧有机物在水中稀释或转化降解水质模型计算,用水质目标及控制范围作为约束条件即可求得。耗氧有机物的水域纳污能力如果控制利用得当,是可以永续利用的水域纳污能力。可更新纳污能力是最具有实际开发利用价值的允许纳污能力,但可更新纳污能力的超负荷开发利用同样会造成水环境污染,因此要合理利用这一部分水域纳污能力。

2)不可更新纳污能力。在自然条件下水域对不可降解或长时间只能微量降解的污染物所具有的容纳能力。不可降解或难降解污染物入水后,在水生态系统内的数量和性质不发生变化,只能通过输移、吸附、沉积作用和相的转移减少污染物在水体中的数量,这部分纳污能力即为不可更新纳污能力。例如,重金属、有机氯农药、苯酚以及很多人工合成有毒有机物,其水域纳污能力均可称为不可更新纳污能力。有毒有机物水域纳污能力,即人工合成的毒性大、难降解有机物的纳污能力,其值很小,自净能力甚微,一般只考虑水域稀释能力。重金属水域纳污能力,即重金属被水体稀释到阈值以下而具有的能力,由于重金属是保守性污染物,只存在形态变化与相的转移,不能被分解,因此也没有自净能力。对这部分纳污能力应立足于保护,严格限制不可更新纳污能力的开发利用,禁止或严格控制污染源进入水体。

(3)按水环境目标分类。对某一水域而言,水体中污染物浓度的概念分为以下几种。

·污染物天然背景值Cn。反映水体化学组分的天然低背景含量,一般以未受人类活动干扰的、河流湖泊源头水质情况作为参考。

·污染物初始背景值C0。反映上游水体来水水质情况,可以通过水质监测获取,一般情况下C0＞Cn。

·污染物水质标准值Cs。反映为满足水环境管理需要设定的水质目标,一般情况下Cs≥C0,当Cs＜C0时,表示该水域的水质超标。

·污染物浓度允许最大值Cm。反映水体以不造成水生生态破坏和人体健康威胁前提下所允许的污染物最大浓度值,Cm代表水体中污染物浓度的最大上限值,一般Cm＞Cs,对于经济发展需求较大的开发利用水域,由于Cs值设置较大,可能超过Cm。

按水环境目标的不同,可将纳污能力分为以下3类。

1)初始水域纳污能力。对某一水域而言,水质的初始背景值代表了上游水体的来水水质情况,相对于水体污染物的天然低背景值来说,也占用了部分的水域纳污能力。水体的初始背景值受上游来水影响,一般是无法改变的,因而其所占用的水域纳污能力也就不可再分配使用。以污染物在水体中的初始背景值为水质目标,这部分纳污量称为初始水域纳污能力,其概念模型为

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式中 [m]——水域纳污能力;

K——表征水体对污染物稀释和降解能力的自然规律参数;

C0——污染物在水体中的初始背景值;

Cn——污染物在水体中的天然背景值;

V——水域体积。

2)管理水域纳污能力。以污染物在水体中的标准值为水质目标,则水域的允许纳污量称为管理水域纳污能力,其概念模型为

式中 Cs——污染物在水体中的标准值,反映为满足水环境管理需要设定的水质目标;

其他符号意义同前。

管理水域纳污能力以满足人为规定的水质标准为约束条件,它不仅与自然属性有关,而且与技术上能达到的治理水平及经济上能承受的支付能力有关,是水环境的自然规律参数与社会效益参数的多变量函数。管理水域纳污能力即污染物浓度在初始背景值和水质管理目标之间的纳污能力,相当于不超过某一水质目标的允许污染负荷。

对某一水域而言,其现状已接纳的点污染源、面污染源、内污染源都要占用相应的水域纳污能力,这部分被占用的纳污能力是管理纳污能力的一部分。当水域接纳的污染物负荷量小于管理纳污能力时,其差值即为剩余纳污能力,这部分纳污能力还可以被开发利用。当水域接纳的污染物负荷量大于管理纳污能力时,表示已无剩余纳污能力可以利用,需要对污染物负荷量进行削减以满足水环境管理需求,或者通过降低功能要求、采取工程措施等手段来加大管理纳污能力。

3)自然水域纳污能力。以污染物在水体中的允许最大值为水质目标,则水域的允许纳污量称为自然水域纳污能力,其概念模型为

式中 Cm——污染物在水体中的允许最大值,反映以不造成水生生态破坏和人体健康威胁前提下所允许的污染物最大浓度值;

其他符号意义同前。

自然水域纳污能力反映水体和污染物的客观性质,即反映水体以不造成水生生态破坏和人体健康不良影响为前提的污染物容纳能力,水质目标的取值与人们的意愿无关,不受人为社会因素影响,反映着水域纳污能力的客观性。实际上,由于Cm的值不易判断与量化,所以实际工作中管理水域纳污能力的应用范围要更广。

根据上述概念,水域的初始纳污能力、管理纳污能力、自然纳污能力以及剩余纳污能力的示意图如图1.1所示。

图1.1　按水环境目标分类的纳污能力示意图

[m]初始—水域的初始纳污能力;[m]管理—水域的管理纳污能力;[m]自然—水域的自然纳污能力;[m]剩余—水域管理纳污能力中可开发利用的剩余纳污能力;Mp—水域接纳的污染物负荷(包括点源、面源和内源等);Cn、C0、Cs、Cm—水体中污染物天然背景值、初始背景值、管理目标值、允许最大值