水功能区纳污能力计算方法发展

1.由解析解方法到数值解方法的发展趋势

目前《规程》中水域纳污能力计算方法以解析解为主,解析解方法简便、参数较少的优点使其可操作性强、应用广泛。在以往的水资源保护与管理工作中,经常遇到的一种情况就是污染源、水文、水质、地形等必要的基础资料严重不足,无法运用数值解方法进行精准的量化计算,因而需要根据实际情况提出简化的解析解计算方法,或提出合理的推算方法。例如,对于小型河流、湖库,由于污染物进入水域后容易形成均匀混合,零维或一维解析解计算方法误差相对较小且通常是可行的。但是,解析解方法仅适用于污染物恒定排放的情况,污染物非恒定排放情况下仍需要借助数值解计算方法。对于大型河流水域,目前的二维解析解方法仅适用于横断面可以概化为矩形的顺直河段,而河道为非矩形的复杂断面或弯曲河段纳污能力计算需采用数值解计算方法。

随着现代测量、3S等技术、计算机科学的快速发展,水文水质、地形等基础资料的获取越来越简便,开展基于数值模型的精准量化计算难度越来越小,水域纳污能力计算方法也正经历由解析解计算到数值解计算的转变。近年来,随着QUAL、WASP、MIKE、EFDC等模型体系的相继出现,运用数值解计算方法开展水域纳污能力研究已成为水环境领域的热点。徐仲翔等(2011)分别采用一维解析解公式法和WASP 7数值模型法计算兰江流域化学需氧量和氨氮的水体纳污能力,结果表明两种方法计算均能较好地模拟水质过程和开展纳污能力分析,但数值计算法能更准确地描述污染源的具体位置及真实的水体纳污能力,计算精度相对较高。刘伟等(2009)根据河流纳污能力一维计算原理,应用MIKE 11计算了松花江干流典型水功能区的当量入河污染负荷,最终得出河道的实际纳污能力。贾海峰等(2014)基于EFDC机制模型的特征,建立以EFDC模型为核心的湖库允许纳污负荷量计算模型,采用情景试算与分析方法制定优化的排污情景,从而计算出湖库允许纳污负荷量。该研究以辽宁省柴河水库为试验区进行方法验证,证明提出的方法可用于水体的允许纳污量计算和污染负荷管理。

大量研究表明,基于综合水质模型的纳污能力数值解计算方法在水资源保护、水环境管理方面应用潜力巨大。今后一段时期内,应深入研究WASP、MIKE、EFDC等水质模型体系在我国不同地区的适用性,提出适用于不同类型水域的纳污能力数值解计算方法体系,并在多个层面上将纳污能力计算与污染物限排总量控制深度融合,更好地服务于水资源保护与管理工作。(www.xing528.com)

2.由低维度到高维度的发展趋势

《规程》仅给出了水域纳污能力零维模型、一维模型、二维模型适用范围和计算方法,目前大多是针对三维水质模型的理论与应用研究,开展三维纳污能力计算模型的研究极少。水质模型发展至今,从模型方法本身来说,无论是零维模型、一维模型、二维模型还是三维模型,在理论上相对而言已经比较完善。关键的问题是,如何针对不同水域的具体情况,科学地选取恰当的评价方法使量化结果符合实际情况,避免过分夸大水域纳污能力而造成水资源保护工作的失误。对于水深较大的河流、湖库、近海水域,尤其是一些河流上的高坝大库,其坝前水深往往可达几十米至几百米,污染物进入水体后很难在垂向上均匀混合,甚至还会由于水温分层导致水质分层现象。调查表明,一些河流、湖库的排污口为了较快与受纳水体稀释混合,采取了离岸深水排放的方式,污染物进入水体后的混合区实际上并不局限于表层水体,这也导致了垂向水质的分布不均匀。

针对上述水域的纳污能力计算,无论是零维模型、一维模型还是二维模型,都无法较好地反映实际的水质分布,由于垂向上考虑了均匀混合,容易过分夸大水域纳污能力。因此,开展基于三维水质模型的水域纳污能力计算刻不容缓,通过不同方法对水体进行分层,有针对性地开展分层水质模拟计算,并据此研究提出三维分层纳污能力数值计算方法,对合理确定复杂水域的纳污能力意义重大。