水环境容量计算与核定

本书主要依据《全国水环境容量核定技术指南》中所提出的方法对洪湖水域的水环境容量进行计算。

根据洪湖近年来的水质状况，确定主要污染控制因子;依据洪湖的水环境功能区划和水质目标，选择适当的水质模型，计算洪湖的理论水环境容量，通过校核、分析后确定其有效水环境容量。

1.水域概化

根据洪湖水域水系特点、水文特征、监测条件和监控的可操作性，进行洪湖水域概化。将东干渠、西干渠、监新河等汇入四湖总干渠的上游河渠，合并为四湖总干渠，并概化为顺直河道。将河道水体的水流状态均简化为稳态，对入湖的排污口进行合并，同时，假设流域内的面源污染均匀分布。洪湖水域概化如图4-18所示。

2.基础资料调查与评价

水文资料。洪湖湖区历年平均水位23.6～25.0m，历年最高水位25.8～26.5m，最低水位为23.4～23.7m，平均变幅1.26～1.76m。正常水面面积318.35km2，湖底高程22.4m，水位最高26.5m，最低水位23.4m，正常水位24.5m，平均水深2.1m，丰水期时5～10月，水面面积达736km2，平均水深2.8m。洪湖承雨面积8265km2，平均入湖量513m3/s，年最大流量727m3/s，平均年径流量113.3×108m3。正常年份，5月底进入雨季，7～8月出现最高水位，10月份之后进入枯水期，次年2～3月出现最低水位。多年平均入湖水量19.603×108m3。洪湖水位年变幅和多年变幅都较小，水位变化比较平缓。

图4-18 洪湖水域概化图

水质资料。洪湖水域执行《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中Ⅱ类标准，监测结果表明，全年达到国家地面水Ⅱ类、Ⅲ类标准的时间是五月和九月，但还是有的点位和时段出现高锰酸盐指数、生化需氧量、总氮、总磷等指标超标。七月份检测点位湖心A、湖心B、下新河、小港、蓝田、新滩、桐梓湖、阳柴湖、小港、瞿家湾中只有总氮超标，总体水质较过去有所好转。

支流资料。洪湖现有主要进出口河道4条，包括四湖总干渠(汉沙河段、含子贝渊渠)、内荆河、螺山干渠和长江，与各内河道相通的人工涵闸18个、泵站6个，明口16个;直接与长江相通的泵站1个;主要出湖河道有内荆河、螺山干渠和长江。这些河道几乎均通过泵站排入长江。

3.选择控制点(或边界)

根据洪湖水域的自然环境、区域水系水文条件、自然资源分布状况、生物多样性特点和性质、主要保护对象的空间状况，并依据《生态功能保护区规划编制大纲》、《中华人民共和国自然保护区条例》第二章第18条、《生态功能保护区规划编制大纲》、原林业部《自然保护区工程总体涉及标准》(LYJ-88)和鄂政办发[2000]10号《省人民政府办公厅转发省环境保护局关于湖北省地表水环境功能类别的通知》有关方法和要求，对各水体功能区进行划分，使其达到布局合理、功能稳定、管理有效、保护得力的目的。

1)洪湖水环境功能区划

根据洪湖生态环境特征、水域水系分布和水文特征，将洪湖水环境功能区划分为洪湖流域上游水源区、洪湖区域水质保障区和洪湖水域水质保证区。详见表4-12。

表4-12 洪湖流域水环境功能区基本概况一览表

2)洪湖水环境功能控制单元

鄂政办发[2000]10号《省人民政府办公厅转发省环境保护局关于湖北省地表水环境功能类别的通知》将洪湖(本规划所称“洪湖水域水质保证区”)划为以Ⅱ类功能(珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场)为主的水域，水质保护目标为Ⅱ类水质标准。

考虑到洪湖流域的长远发展，本书将洪湖水域中的洪湖湿地实验区及其他洪湖水面的水质保护目标均限定为Ⅱ类水质标准，对于同一河流的相邻的水环境功能区，如果水质目标相同，可合并计算，因此可将洪湖水域水质保证区即洪湖水域作为一个水环境功能控制单元进行计算。

4.建立水质模型

水环境容量的计算指标按其降解机制的不同可以分为两类:以COD、NH3-N为代表的具有自净降解能力的有机耗氧类污染物质，以TP、TN为代表的自净降解能力较弱的守恒类污染物质。在实际应用中，根据污染物降解机制的不同确定水环境容量模型来进行计算。

COD、NH3-N的水环境容量模型。在目前国内外的研究中，多采用完全均匀混合箱体水质模型来预测湖泊水库水体长期的动态变化，即将湖泊水库视为一个完全混合反应器时，有机物的容量计算模型可以用水体质量平衡基本方程计算。

TP、TN的水环境容量计算模型。目前比较著名的有沃伦威德尔(R.A.Vollenweider)模型、合田健模型、吉柯奈尔-狄龙(Kirchner-Dillon)湖泊营养物浓度预测模型等。

沃伦威德尔模型是用磷来预测水体营养状况的模型，该模型假定湖泊属于完全混合型，且富营养化状态只与营养物负荷有关，入湖与出湖水量相等，根据物质平衡原理，某时段任何水质含量的变化等于该时段入湖含量减去出湖含量，以及该水质元素降解或沉淀所损失的量。沃伦威得尔模型属于稳态模型，只适用于计算水文状况稳定的小型湖泊水环境容量，而不适用于大型湖泊。此外，由于此模型没有考虑外源和湖底泄漏的因素，会产生一定误差。

合田健模型是假定湖库水体为均匀混合状态来求其平均氮、磷浓度的一种数学模型。合田健模型未考虑沉降系数或营养盐降解系数的约束，只适用于在其他模型参数不足的情况下，可以粗略的计算水环境容量。

狄龙模型是狄龙在沃伦威德尔(R.A.Vollenweider)模型的基础上克服磷沉积系数测定困难的问题后推导出的，其适用范围为:水库必须属于完全均匀混合型;水库的氮磷负荷主要来源于外部;水库的物质平衡处于稳态或准稳态。狄龙模型根据氮磷入、出库量，运用滞留系数公式计算氮磷的滞留系数，相对来说容量计算值更为合理。

5.容量计算分析

1)设计条件

计算单元。根据水域水体功能的区划要求，本次水环境容量计算，把洪湖水域作为一个整体，将水环境功能区作为水质约束的节点条件，进行模拟演算。

水文条件。洪湖通过调水闸的控制可以调蓄水量，水位年变幅和多年变幅都较小，水位变化比较平缓。因此，本书选择洪湖的平均水深和正常调蓄状态下的流量和库容数据进行计算。

控制因子。据相关资料记载，1990～2003年，洪湖水质总体上以《地表水环境质量标准》Ⅲ类和Ⅳ类为主，仅1990年、1998年达到了Ⅱ类水标准，1998年达到了Ⅱ类，可能与当年的特大洪水对湖中污染物的稀释作用有关。根据洪湖多年的水质监测资料和污染调查资料，其中COD、TN和TP为洪湖水质变化的主要影响因子，因此本书以此三项污染物质作为水环境容量计算的控制因子。

水质目标。根据《湖北省水环境功能区划》，洪湖水环境功能区划为Ⅱ类，因此洪湖水质执行Ⅱ类水质标准。根据拟定的水质目标，查阅《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)确定各控制指标的污染物控制浓度，具体标准见表4-13:

表4-13 控制指标污染物标准限值

2)计算模型应用

根据《总量控制技术手册》技术规程，研究湖泊的水污染防治规划时，一般把湖泊看作一个完全混合反应器。洪湖是一个面积较大的浅水型湖泊，水面降水量与蒸发量相当，入出湖水量很接近，江湖阻隔后洪湖实行水库式管理。根据洪湖的具体情况，主要污染物COD、总氮和总磷的环境容量采用沃伦威德模型来进行计算。

式中，W——湖(库)最大允许纳污量(t/a);

A——湖(库)水面积(km2);

S——指定水质标准(mg/L);

V——湖(库)水的体积(m3);

Q——流出湖(库)水的体积(m3);

Z——湖(库)平均深度(m);

d——湖水中营养盐的沉降系数。

将洪湖水域的相关参数分别代入数学模型并参考《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)进行计算。

洪湖水域水环境容量计算模型参数见表4-14。

表4-14 洪湖水域水环境容量计算模型参数

6.环境容量确定

1)理论水环境容量

理论水环境容量是指以多年平均流量为条件，经理论计算的环境容量。根据选定的计算模型，计算的理论水环境容量见表4-15。即洪湖的理论水环境容量分别为:COD69171.88t/a、TN2305.73t/a、TP115.29t/a。

2)有效水环境容量

在实际应用中，湖泊水环境容量的计算结果与设计保证率的高低直接相关，如果设计保证率过低，则造成水质污染的可能性较大，而设计保证率过高，则会造成环境容量的浪费。在计算环境容量时，常以多年的平均流量为计算依据，但是多年的平均流量只能反映长期的水文条件，与一定时期内的实际水文条件不一定完全相符。湖泊的有效环境容量的确定与其水文特征指标、水资源的开发利用状况以及当地的经济和社会发展水平等因素均具有相关性。在实际应用中，普遍采用理论环境容量乘以有效系数的方法来计算有效环境容量。根据经验估值法，本书的计算中取0.65作为有效系数。洪湖水域水环境容量见表4-15。洪湖的有效水环境容量分别为:COD44961.72t/a、TN1498.72、TP74.94t/a。

表4-15 洪湖水域水环境容量计算结果一览表