城市水容量研究現況及趨勢范文

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城市的發展離不開水資源，水在滿足工業生產和居民生活的同時，也在提供著容納工業廢水和城市居民生活污水的作用。我國在實行改革開放政策后，生產力和經濟水平得到了飛速的發展，而環境污染特別是水環境污染卻日趨嚴重。許多快速發展的城市受到工業廢水和居民生活污水的雙重污染，長江流域在2009年接納的污水量達到了333億t，這相當于黃河的年平均徑流量［1］。在這背景下，人們越來越關注城市河流污染問題。學者們注意到，河流能夠容納的污染物是一定的，但一條河流究竟能夠承受多少污染物引起研究者的思考，且城市的發展規劃中水環境容量是規劃首先需要考慮的一個制約因素。因此，城市河流水環境容量的研究對城市的可持續發展有著重要意義，對于水環境容量的研究，也是我國構建節水型社會的一項重要組成部分。

1水環境容量概念

在20世紀30年代，比利時數學家P．E．Forest提出了環境容量的概念，70年代，日本科學家首先提出了“水環境容量”的概念，此外，美國環境保護局提出了“最大日負荷總量”(TMDL)和“最大年負荷總量”(TMYL)的概念［2］。我國從70年代末期開始進行水環境容量的研究，經過幾十年的發展，逐漸形成了成熟的水環境容量概念和計算方法。狹義的水環境容量概念即為水環境的納污能力，在2002年《全國水資源綜合規劃技術細則》中規定了水環境容量的概念:水體功能在不受破壞的條件下，水體接納污染物的最大數量［3］。在《全國水資源綜合規劃地表水資源保護補充技術細則》中，對水功能區納污能力概念作了明確規定:對確定的水功能區，在滿足水域功能要求的前提下，按給定的水功能區水質目標值、設計水量、排污口位置及排污方式，功能區水體所能容納的最大污染物量［4］。水環境容量具體可分為3個部分:存儲容量、輸移容量和自凈容量［5］。其中，自凈容量一般是水環境容量中最重要的組成部分，它的特征是無害化的轉化過程，也是可不斷再生的量，因此，是水環境容量中應該著重加以開發利用的一種資源，以保證“廣義水資源”的可持續利用。

2我國水環境容量研究發展回顧

我國的水環境容量研究始于70年代末期，雖然在水環境容量研究方面起步較晚，但發展很快。通過一系列的研究，取得了大量成果，到90年代，對水環境容量的研究方法已經有了較大發展，形成了豐富和完善的水環境容量理論及研究方法。根據實踐論的觀點，任何一種理論體系的成熟和應用，都是通過反復的實踐和驗證，然后再提升為新的理論的。其研究應用經歷了以下幾個階段，每個階段由于對水環境容量的認識不同，經過我國專家學者的不斷研究實踐，形成了一個較為成熟的理論體系［6］。

2．1起步階段(70年代末～80年代初)

我國在70年代末引入“水環境容量”概念后，研究工作者在一些環境質量評價項目中通過探討水污染自凈規律、建立水質模型、制定水質排放標準，從不同角度應用了水環境容量的概念。

2．2探索研究階段(“六五”、“七五”期間，1981～1990年)

在“六五”和“七五”期間，水環境容量研究被國家列為科技攻關課題，著重在不同角度研究了水環境容量的概念和影響因素，采用穩態和準動態模型，簡單解析解法，在對沱江有機物、湘江重金屬、深圳河有機物的水環境容量研究三大課題帶動下，將研究范圍擴展到大江大河、湖泊、河口及河網化地區，提出了污染物容量、目標、行業總量控制等水環境管理概念，先后在若干重點城市和地區開展水環境綜合治理規劃、污染物總量控制規劃、水環境功能區劃和排污許可證試點工作;并總結大量水環境污染總量控制實用化、系列化的計算方法，出版了一系列如《水環境容量綜合手冊》［7］、《水環境容量開發與利用》［8］、《總量控制技術手冊》［9］等專著。

2．3初步應用階段(“八五”期間，1991～1995年)

“八五”期間，國家環境保護總局組織修訂了《中華人民共和國水污染防治法》，并將已有的實用化、系列化的計算方法應用到全國一些重點城市和地區城市綜合整治規劃、水污染綜合防治規劃、污染物總量控制規劃以及水環境功能區劃的編制，促進了水環境容量應用研究的發展，標志著政府參與到水環境容量總量控制工作中來。

2．4全面應用階段(“九五”、“十五”、“十一五”期間，1996年至今)

“九五”期間，我國了《國務院關于環境保護若干問題的決定》和《國家環境保護“九五”計劃和2010年遠景目標》，修改通過了《中華人民共和國水污染防治法》，“流域水污染物總量控制”被列為“十五”科技攻關課題，為污染物總量控制和管理提供了理論基礎。“九五”期間，污染物排放總量控制指標正式被列為環境保護考核目標;NH3-N也在“十五”期間被列入總量控制目標。為進一步保護現狀水質，國家先后組織編寫“三河三湖”(淮河、海河、遼河和太湖、巢湖、滇池)的“九五”、“十五”水污染防治規劃;在2003年完成了全國水環境功能區劃匯總工作，在此基礎上，國家環境保護總局決定開展全國地表水環境容量核定工作［10］;“十一五”期間，全國水環境管理開始從目標總量控制向容量總量控制的轉變，并在2006年首次制定了《水域水環境容量計算規程》。至此，我國水環境容量理論及應用研究取得了重大進展，為我國科學管理水資源提供了理論基礎。

3我國城市河流水環境容量研究現狀

我國水環境容量研究多為2003年國家環境保護總局決定開展全國地表水環境容量核定工作而進行的流域水環境容量研究，而城市河流段水環境容量研究進行較少。城市河流段是河流主要接納污水河段，這一區段水環境容量研究直接影響到城市的規劃和發展。

3．1城市河流區段水環境容量計算

水環境容量的計算模型，前期多采用簡單的水質模型，近年來采用二維水質模型計算。柳林安等對拉薩河拉薩市河段水環境容量進行了計算，得出現有污染源排放情況下，拉薩河拉薩城區段還存在較大的水環境容量［11］。胡鋒平等利用二維水質模型測算贛江南昌段水環境容量，并確定了主要污染源［12］。李宏明等按一維水質模型，計算出淮河蚌埠段景觀娛樂用水區的水環境容量及污染物削減量［13］。葉桂忠等對漓江桂林市區段不同計算條件下影響水環境容量的各種因素進行了分析，并對水環境容量計算結果進行了討論［14］。趙紅梅等對松花江佳木斯段水環境容量采用二維水質模型進行計算分析，并提出了水環境容量總量控制初步方案［15］。

3．2不同水質模型下水環境容量計算比較

對于大型河流城市段，水面寬闊，流速較慢，采用一維水質模型和二維水質模型得到的水環境容量結果差異較大。馬歡等分別應用河流一維及二維對流擴散水質模型，計算了松花江哈爾濱江段COD及NH3-N的理想水環境容量，結果表明，一維計算比二維計算水環境容量結果大了很多［16］。廖文根等對三峽水庫建成后重慶主城區等3個重要區域168．8和175.0m庫區水位線下，采用一維和二維模型計算水環境容量做比較，發現一維計算結果在水庫建成后水環境容量變大，二維計算結果變小，且一維計算結果在168．8和175.0m庫區水位線下分別是二維計算結果的8．6和12．6倍［17］。

3．3水環境容量計算不確定分析

在水環境容量計算中，存在許多不確定參數，比如降解系數、擴散系數、流速等。李如忠等在考慮參量取值可信度的基礎上，運用未確知數學中有關盲數理論對不確定性信息下河流納污能力計算問題進行了探討［18］。朱小娟等運用未確知數學理論，對未確知信息下的水庫水環境容量進行計算，由水庫水環境容量的計算公式，依據未確知有理數的運算法則和未確知數學的期望公式，求得水庫水環境容量的期望值［19］。毛曉文從納污能力計算中動態因子的不確定性研究出發，得出水環境管理要求的不確定性，設計水量、綜合降解系數、水質計算濃度取值的不確定性是影響水體納污能力量化結果可靠性的主要因素［20］。

3．4水環境容量計算條件分析

馬巍等研究了在不同主導風場和常年主導風向下，風速變化對太湖各主要湖灣納污能力的影響［21］。王英偉等運用靈敏度與線性回歸的方法，分析了松花江哈爾濱段二維水質模型中參數的敏感性［22］。

4城市河流水環境容量研究面臨的問題及展望

可持續發展是科學發展觀的內容之一，水資源可持續利用是《中國21世紀議程》［23］的主要內容。鑒于我國當前水資源所面臨的嚴重形勢，可利用水資源短缺，水環境容量理論體系的研究對解決水資源可持續利用問題有著重要意義，對水資源可持續利用規劃提供了可靠的理論基礎，然而，現階段水環境容量理論的研究仍然存在著許多問題。

(1)我國北方特別是東北地區，例如松花江哈爾濱段每年存在150多天的冰封期，冰封期內，由于污染物在水體中的消減作用減弱，影響機理復雜，水體中污染物的運移消減規律研究尚不明確。因此，研究冰封期河流污染物削減作用機理，對解決冰封期城市河流水環境容量計算具有重要意義。

(2)目前，由于經濟條件、技術力量、資料等方面條件的限制，我國進行的全國地表水環境容量核定工作—般是采用較為簡單的模型進行納污能力的評價。然而，湖庫計算零維化，大型河流一維化會導致水環境容量夸大，同樣，如果選用較復雜的水質模型，不僅使計算復雜，而且可能導致水環境容量浪費。在計算水環境容量時，選取適當的水質模型，對得到合理的水環境容量至關重要，規范化我國水環境容量計算模型顯得尤為重要。

(3)由于水文系統的不確定性，水環境容量計算中同樣存在許多未確定參數，現階段的水環境容量未確定性研究仍然不夠成熟，而且如何動態評估水環境容量也具有重要意義。因此，應借助可變模糊數學理論、盲數理論等，將不確定信息進一步量化，使水環境容量計算中非確定性參數量化方法進一步系統化。

(4)在大多數水環境容量計算中，多采用COD和NH3-N作為評價因子，但對于我國水體富營養化的現狀，有必要在寬闊城市河流區段增加TN和TP作為評價因子。

(5)城市河流水質模擬需要參數較多，許多模型參數難以正確應用。水環境容量模型參數的率定大多基于經驗公式計算，和現狀條件脫離，比如COD降解系數，不同河流不同地區取值肯定不同，如何在研究河段應用正確的參數是保證獲得合理的水環境容量的關鍵。因此，總結我國污染物排放現狀時，對模型參數進行數值分析計算，對參數進行率定，有助于水環境計算結果的合理性和穩定性。

(6)城市河流水環境容量不足是許多城市面臨的問題。而對于許多沿海城市而言，如何利用海水環境容量成為一個可遇不可求的機遇，因此，對于近海水環境容量的研究成為一個未來研究的方向。

2011年中央一號文件明確提出，實行最嚴格的水資源管理制度，通過建立“三項制度”，確立“三條紅線”，著力改變當前水資源過度開發、用水浪費、水污染嚴重等突出問題，使水資源要素在我國經濟布局、產業發展、結構調整中成為重要的約束性、控制性、先導性指標。其中，第三條紅線———確立水功能區限制納污紅線，嚴控排污總量，到2020年，主要江河湖泊水功能區水質明顯改善，城鎮供水水源地水質全面達標。這對水環境容量的研究工作又提出了新的挑戰和要求。