水环境容量计算方法
水环境容量计算方法-环境保护部环境规划院
斯坦福水文模型；侵蚀模型考虑雨滴溅蚀、径流冲刷侵蚀和沉积作用；污染物包括氮、磷和农药等，考虑复杂的污染物平衡
Johanson等，1983；Bicknell等，1996
ANSWERS
1977
1996
分散参数
流域
开始为单次暴雨，后发展为长期连续
暴雨期为60s，非暴雨期为1d
要素之二：水环境功能区
水环境功能区划体现人们对水环境质量的需求，反映了人们对水资源的态度：开发、利用或保护。 已划分水环境功能区的水域，要从时间、空间两个方面规范功能区达标标准； 未划分水环境功能区的水域可不进行容量计算；若考虑计算，按较高功能标准进行（II类）。
要素之三：排污方式
排污口沿河（或其他水体）位置布设，对河流整体水环境容量影响较大； 排污口排放方式（岸边或中心，浅水或深水），对局部的污染物稀释混合影响很大；
方法2： 提高功能校核法
由于应用模型计算水环境容量部分参数具有不确定性，为了提高容量结果的安全性，建议部分河段采用提高功能区类别的方法进行核算，以作为确定安全系数的参考值。
方法3：超标水域分析法
在不同水域，分别应用零维、一维和二维模型，分析功能区内水域达标长度比例（或达标面积比例），根据各地区情况，确定的达标水域范围，分析容量结果的合理性。
2、水动力学模型
最枯月设计条件 1、满足节点平衡方程 2、满足沿程连续方程
河流径流量沿程概化
河流流速沿程概化
3、污染源概化模型
污染源沿程位置概化 污染源源强概化
1、若排污口距离较近，可把多个排污口简化成集中的排污口。 如下图所示，1号、2号、3号排污口可合并为1个排污口1#。上界下界上界1 2 3下界1#
1、模型参数验证
河流、湖泊、水库、湿地水环境容量计算模型
水环境容量计算模型1)河流水环境容量模型水环境容量是在水资源利用水域内，在给定的水质目标、设计流量和水质条件的情况下,水体所能容纳污染物的最大数量。
按照污染物降解机理，水环境容量W 可划分为稀释容量W 稀释和自净容量W 自净两部分，即：W W W =+稀释自净稀释容量是指在给定水域的来水污染物浓度低于出水水质目标时，依靠稀释作用达到水质目标所能承纳的污染物量。
自净容量是指由于沉降、生化、吸附等物理、化学和生物作用，给定水域达到水质目标所能自净的污染物量。
河段污染物混合概化图如图11。
4—1。
根据水环境容量定义，可以给出该河段水环境容量的计算公式：图11.4—1 完全混合型河段概化图0()i si i i W Q C C =-稀释i i si i W K V C =⋅⋅自净即：0()i i si i i i si W Q C C K V C =-+⋅⋅考虑量纲时,上式整理成:086.4()0.001i i si i i i si W Q C C K V C =-+⋅⋅其中：当上方河段水质目标要求低于本河段时：0i si C C =当上方河段水质目标要求高于或等于本河段时：00i i C C =式中：i W -第i 河段水环境容量（kg/d ）；i Q -第i 河段设计流量（m 3/s ）；i V —第i 河段设计水体体积(m 3）；i K —第i 河段污染物降解系数（d -1）；si C —第i 河段所在水功能区水质目标值（mg/L ）；0i C —第i 河段上方河段所在水功能区水质背景值(mg/L ），取上游来水浓度。
若所研究水功能区被划分为n 个河段,则该水功能区的水环境容量是n 个河段水环境容量的叠加，即:1ni i W W ==∑01131.536()0.000365n ni si i i i i i i W Q C C K V C ===-+⋅⋅∑∑式中：W —水功能区水环境容量（t/a);其他符合意义和量纲同上.2）湖泊、水库水环境容量计算模型有机物COD 、氨氮的水环境容量模型：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水库水体长期的动态变化,即将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。
环境规划课件 水环境容量计算
若排污口距离较近，可把多个排污口简化成集中的排
污口
排污口概化的重心计算： X=（Q1C1X1+Q2C2X2+·· nCnXn）/(Q1C1+Q2C2+·· nCn) ·Q · ·Q · X：概化的排污口到功能区划下断面或控制断面的距离； Qn：第n个排污口（支流口）的水量； Xn：第n个排污口（支流口）到功能区划下断面的距离； Cn：第n个排污口（支流口）的污染物浓度；
水环境容量计算
水环境容量:反映流域的自然属性（水文特性），又反映人类对环境 的需求（水质目标） W自净 水环境容量= 稀释容量（W稀释） +自净容量（W自净） 两部分
自净
W稀释 稀释
W
排放方式
稀释容量:在给定水域的来水污染物浓度低于出水水质目标时，依靠稀 释作用达到水质目标所能承纳的污染物量
自净容量:由于沉降、生化、吸附等物理、化学和生物作用，给定水域 达到水质目标所能自净的污染物量
式中：WC—水域允许纳污量(g/L)； S—控制断面水质标准(mg/L)
多点源排放
WC S (Q p QEi ) Q p C p
i 1
n
式中：QEi——第i个排污口污水设计排放流量(m3/s)； n——排污口个数
定常设计条件下河流稀释混合模型
考虑吸附态和溶解态污染指标耦合模型
水环境容量基本特征
资源性 水环境容量是一种自然资源—能容纳一定量的 污染物也能满足人类生产、生活和生态系统的需要；水环 境容量是有限的可再生自然资源。 区域性 受各类区域的水文、地理、气象条件等因素的影 响，不同水域对污染物的物理、化学和生物净化能力存在 明显的差异，导致水环境容量有明显的地域性特征。 系统性 河流、湖泊等水域一般处在大的流域系统中，水 域与陆域、上游与下游、左岸与右岸构成不同尺度的空间 生态系统，因此，在确定局部水域水环境容量时，必须从 流域的角度出发，合理协调流域内各水域的水环境容量。
水环境容量计算方法
水环境容量计算方法水环境容量计算方法是对水体中的污染物质进行评估和管理的重要工具。
它可以帮助我们确定水环境承载能力的上限，从而保护水体的质量和数量。
水环境容量计算方法是基于一系列参数和指标的分析，包括水体的自净能力、输入污染物的浓度和排放标准等。
本文将介绍水环境容量的概念、计算方法和应用。
一、水环境容量的概念二、水环境容量的计算方法（一）理论计算法1.污染物输入量法：该方法通过分析排放源的污染物输入量和水体的自净能力来计算水环境容量。
首先需要收集排放源的污染物排放数据和污染物的去除率，然后根据水体的水流速度和混合时间来计算污染物的传输和稀释过程。
最后，综合考虑水体的自净能力来确定污染物的容量上限。
2.水质标准法：该方法是根据水质标准和频率分析来计算水环境容量。
首先需要确定水体的水质标准和限制排放标准，然后通过采样和分析水体中的污染物浓度来评估水质情况。
最后，根据频率分析和水体的自净能力来确定污染物的容量上限。
3.数学模型法：该方法是使用数学模型来模拟和预测水体污染物的去除和输送过程。
根据水体的物理、化学和生物特性建立数学方程，并通过求解方程组来计算污染物的传输和稀释过程。
最后，根据模型的结果来评估水体的容量和污染物输入的影响。
（二）实测数据法1.野外观测法：该方法是通过野外观测和实验来获得水体的质量和容量参数。
首先需要在水体中设置采样点，并定期采集水样进行分析和监测。
同时，还需要测量水体的水流速度、温度、溶解氧等物理和化学指标。
最后，通过统计数据和分析结果来评估水体的容量和质量情况。
2.生态指标法：该方法是根据水体的生态系统和生物群落来评估水体的质量和容量。
首先需要调查和记录水体中的生物种类和数量，然后根据生物的敏感性和耐受性来评估水体的质量和容量。
最后，可以通过生态指标和生物多样性来衡量水体的容量和稳定性。
三、水环境容量的应用水环境容量的计算可以帮助政府和决策者制定科学的水资源管理和环境保护政策。
水环境容量计算
水环境容量计算水环境容量是水体在环境功能不受伤害的前提下所能采取的污染物最大允许排放量。
分为稀释容量（E稀）和自净容量（ E自）两部分：稀释容量： E稀86.4 S C b Q r式中： E稀－稀释容量，kg/dS －水质标准， mg/L ；C b－河流背景浓度，mg/L；Q r－河流流量，m3/s。
klE自＝86.4 SQ t 1 e 86400u自净容量：式中： E自－自净容量，kg/dS －水质标准， mg/L ；Q t－河流流量+废水流量，m3/s；l －河段长度， m；k －综合衰减系数， 1/d；u －河流流速，m/s。
水环境总容量： E E稀E自本次选用环境总量控制因子为COD、NH3-N 和 TP。
依据规划要求，区内生产废水和生活污水达标排放后进入园区新建的污水处理厂集中办理，办理达标后，尾水排入兴旺河。
污水办理厂排入兴旺河的污水总共为 1.2 万 t/d。
污水厂污染物排放浓度COD 为 60mg/l、NH3-N 为 8（15）mg/l。
本次评论选用兴旺河排污口下游约4000m 河段计算环境容量。
地表水环境容量计算参数选用见表1。
表 1地表水环境容量计算参数选用表参数S （mg/L）3（m3/s）k （1/d）（）（）Q r（ m /s）Q l u m/s COD氨氮TP m COD氨氮河流TP兴旺20 1.00.27.47.53940000.150.1940.030.33河水环境承载能力剖析（1）背景浓度背景浓度选用排污口邻近断面现状监测浓度均匀值：COD 17mg/L、氨氮0.63mg/L、 TP 17mg/L。
（2）计算结果水环境容量计算结果见表2：表 2地表水环境容量计算结果单位： kg/d指标兴旺河E稀E自E COD1918.08271.22189.28氨氮236.56TP19.18（ 3）水环境承载能力剖析50％水环境容量可用于采取本地区排污量。
依据计算结果进行剖析，必需时提出解决方案。
水环境容量计算学习指南
影响要素
水域特性 几何特征（岸边形状、水底地形、水深或体积）； 水文特征（流量、流速、降雨、径流等）； 化学性质（pH值，硬度等）； 物理自净能力（挥发、扩散、稀释、沉降、吸附）；
化学自净能力（氧化、水解等）；
生物降解（光合作用、呼吸作用）。
环境功能要求
不同功能区划，对水环境容量的影响很大：水质要求高的 水域，水环境容量小；水质要求低的水域，水环境容量 大；
排放浓度与超标率（Pr）关系
在超标率计算时，假定排污总量中排污水量不变，改变排污浓度, 在给定达标率（或超标率）的条件下反推，乘以排污水量，可求出 允许纳污量。
湖泊、水库的盒模型
以年为时间尺度来研究湖泊、水库的富营养化过程时，可把 湖泊看作一个完全混合反应器，这样盒模型的基本方程为
VdC QC E QC SC ( c )V dt
水文条件
其他河段设计流量的计算选取枯水期月平均流量作为计算 样本
有闸坝控制的河段，关闸时间较长时，可以考虑近10年
平均水位下的水体容积作为设计流量或最小下泄流量。
对于一般湖泊或水库，分别按照近10年最低月平均水位 水位相应的蓄水量和死库容的蓄水量确定设计流量。
有条件的地区，可对丰平枯水期特征明显的河流，以及按
计算步骤1
水域概化 将天然水域（河流、湖泊水库）概化成计算水域 基础资料调查与评价 水域水文资料（流速、流量、水位、体积等） 水域水质资料（多项污染因子的浓度值）
收集水域内的排污口资料（废水排放量与污染物浓度）
支流资料（支流水量与污染物浓度） 取水口资料（取水量，取水方式） 污染源资料等（排污量、排污去向与排放方式） 并进行数据一致性分析，形成数据库。
水环境容量及其计算
全国水环境容量核定基本计算单元水域范围确定的基础和参考
流域 淮河 淮河 淮河
表1-2 水环境功能区水域范围定性示例
水系 水体
水域
淮河 京杭运河 苏字胡同-前十里营
淮河 光府河
船舶修造厂-水泥制品厂
淮河 老运河
西五里营-东赵村
第1～3列从流域名称、水系名称、水体名称由大到小的3个层 次确定了水环境功能区所在的水体
城 污所
出水指标
主
区水 （处 近理 郊设 县） 施 名名 称称
属 水 环 境 功 能
建 成 时 间
设 计 规 模
日 处 理 规 模
区
处运收
理行费
方 式
情 况
情 况
COD
氨 氮
其 他 污 染 物
出 水 达 标 情 况
要 污 染 物 去 除 率
入河排污口调查
省 内 序 号 码
水 体
水域
代 断表 面性 位监 置测
水体代码 DB0101 DB0101 DB4525
L154
表 水环境功能区水域范围定量示例 次级水体代码 功能区顺序码
00
01
00
02
00
02
00
01
长度/面积 190 7.5
9.156km2 155km2
1.2确定排污控制城镇
水环境功能区陆域范围的大致描述；
根据全国水环境功能区划成果，水环境功能区的排污控制城镇可
工
பைடு நூலகம்
受 执标 是 治 考 超 超
名业 称企
业
能 区 类 型
纳 水 环 境 功
放行 标的 准排
准 级 别
否 达 标
理 工 艺
城市水环境容量计算
城市水环境容量计算1边界条件确定要进行水体容量计算，首先划定水功能区，确定功能区的水质目标（C s）；其次根据功能区的水文水资源特征，确定水文设计条件（Q0、V）；接着通过参数识别实验确定水质降解参数（K）；然后分析功能区污染物进入区域的途径，特别是排放口位置、排放量、污染物种类、浓度及排放规律等；最后选择数学模型，进行分析计算。
影响水域水环境容量的要素很多，概括起来边界因子如下：✧控制因子：不同的污染物具有不同的环境容量，根据AA区水污染现状和水污染物总量控制现状，选择COD cr和氨氮作为容量计算的控制因子，该两项控制因子也是国家水污染必控因子。
✧水质目标：水体对污染物的纳污能力是相对于水体满足一定的功能和用途而言的。
因此，水体的功能和用途要求不同，其容纳污染物的量亦不同。
AA区流域不涉及省界断面。
✧水质标准值：以水环境功能区相应环境质量标准类别的上限值为水质目标值。
水环境功能区相应环境质量标准具体落实于相应的监控断面，断面达标即意味着水环境功能区水质达标，执行国家地表水环境质量标准（GB3838-2002），水质标准值见表4-28。
✧本底浓度：参考上游水环境功能区标准，以对应国家环境质量标准的上限值（达到对应国家标准的最大值）为本底浓度（来水浓度），对于本底监测值优于国家环境质量标准的上限值，监测值为来水浓度。
✧水体特征：水体特征包括一系列自然参数，如河流的水文特征参数。
这些参数决定着水体对污染物的稀释扩散能力，从而决定着水环境容量的大小，✧设计流量：计算单元不同水期水文资料由AA区水务局提供,并向四川省成都市水资源勘测局进行历史数据收集，考虑到岷江岁修制度部分河段产生人为枯水期，河流基本断流，不作为枯水流量统计，只考虑河流自然枯水期。
由于河流分水堤堰、引水枢纽、节制分水闸、人工斗渠众多，河流分水比可以通过资料调查、实测、解决，经来水和分水平衡。
枯水期代表月为1月，平水期为5、10月，丰水期为7月。
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水环境容量计算方法
中国环境规划院李云生
•基本涵义
•计算模型
•计算步骤
•校核方法
第一部分水环境容量的基本涵义
容量涵义
技术指南中的概念定义
•在给定水域范围和水文条件，规定排污方式和水质目标的前提下，单位时间内该水域最大允许纳污量，称作水环境容量。
•从上述定义可知，水环境容量主要决定于三个要素：水资源量、水环境功能区划和排污方式。
要素之一：水资源量
•从某种意义上讲，水资源量是水环境容量基础；
•为了确保用水安全，水环境容量计算采用的是较高保证率的水文设计条件；
•并不是所有的水资源量都用来计算环境容量。
要素之二：水环境功能区
•水环境功能区划体现人们对水环境质量的需求，反映了人们对水资源的态度：开发、利用或保护。
•已划分水环境功能区的水域，要从时间、空间两个方面规范功能区达标标准；
•未划分水环境功能区的水域可不进行容量计算；若考虑计算，按较高功能标准进行（II类）。
要素之三：排污方式
•排污口沿河（或其他水体）位置布设，对河流整体水环境容量影响较大；
•排污口排放方式（岸边或中心，浅水或深水），对局部的污染物稀释混合影响很大；
•
•
第二部分水环境容量的计算模型
•1、流域概化模型
•2、水动力学模型
•3、污染源概化模型
•4、水质模型
1、流域概化
•将天然水域（河流、湖泊水库）概化成计算水域，例如天然河道可概化成顺直河道，复杂的河道地形可进行简化处理，非稳态水流可简化为稳态水流等。
水域概化的结果，就是能够利用简单的数学模型来描述水质变化规律。
同时，支流、排污口、取水口等影响水环境的因素也要进行相应概化。
若排污口距离较近，可把多个排污口简化成集中的排污口。
2、水动力学模型
•最枯月设计条件
•1、满足节点平衡方程
•2、满足沿程连续方程
河流径流量沿程概化
河流流速沿程概化
3、污染源概化模型
•污染源沿程位置概化
•污染源源强概化
•1、若排污口距离较近，可把多个排污口简化成集中的排污口。
•
•2、距离较远并且排污量均比较小的分散排污口，可概化为非点源入河，仅影响水域水质本底值，不参与排污口优化分配计算。
非点源的范围主要包括农村生活源、畜禽养殖、城市径流、矿山径流和农田径流等5个主要方面。
•年排放量t/a：
•季变化系数，季污染负荷
•月变化系数，月污染负荷
•日变化系数，日污染负荷
•本次计算，利用平均法确定源强。
4、水质模型
• 根据水环境功能区的实际情况，环境容量计算一般用一维水质模型。
对有重要保护
意义的水环境功能区、断面水质横向变化显著的区域或有条件的地区，可采用二维水质模型计算。
在模型计算时尤其是对于大江大河的水环境容量计算，必须结合混合区或污染带的范围进行容量计算。
零维模型
• 计算稀释容量。
污染物进入河流水体后，在污染物完全均匀混合断面上，污染物的
指标无论是溶解态的、颗粒态的还是总浓度，其值均可按节点平衡原理来推求。
对河流，零维模型常见的表现形式为河流稀释模型；对于湖泊与水库，零维模型主要有盒模型。
• 符合下列两个条件之一的环境问题可概化为零维问题： • 1）河水流量与污水流量之比大于10~20； • 2）不需考虑污水进入水体的混合距离； 河流零维模型
• 点源，河水、污水稀释混合方程
• 对于点源，河水和污水的稀释混合方程为： •
湖泊容量计算 • 合理划定纳污区
• 利用零维模型
河流一维模型
• 对于河流而言，一维模型假定污染物浓度仅在河流纵向上发生变化，主要适用于同
时满足以下条件的河段：1）宽浅河段；2）污染物在较短的时间内基本能混合均匀；
E
p E
E p p Q Q Q C Q C C +⋅+⋅=
3）污染物浓度在断面横向方向变化不大，横向和垂向的污染物浓度梯度可以忽略。
河流二维模型
• 当水中污染物浓度在一个方向上是均匀的，而在其余两个方向是变化的情况下，一
维模型不再适用，必须采用二维模型。
河流二维对流扩散水质模型通常假定污染物浓度在水深方向是均匀的，而在纵向、横向是变化的。
面源模型
• 非点源污染负荷模型用来计算一定流域内由非点源污染造成的各种污染物的输出
情况。
选择或建立与当地实际情况复合较好的负荷模型，是对各种污染控制措施进行模拟筛选的基础。
通过文献调研，对国外非点源模型30多年的发展历史和现状进行了全面的文献调查，就非点源模型的主要类型、结构和特点进行了系统的总结，并对目前广泛采用的13种非点源模型进行了比较分析，详见下表。
• 我国实用的非点源污染控制模型尚处在初步应用阶段，本次水环境容量计算，一般
不要求进行非点源模型模拟，有条件的城市可根据上表选用适当的模型开展工作。
u
Kx
e
C C -⋅=0)
4exp(),(2u x
K x E u z u
x
E hu m
z x C y y
--=π
HSPF
1976
1996 集中参
数
流域
长期连
续
1min
到1d
斯坦福水文模型；侵蚀
模型考虑雨滴溅蚀、径
流冲刷侵蚀和沉积作
用；污染物包括氮、磷
和农药等，考虑复杂的
污染物平衡
Johanson
等，1983；
Bicknell
等，1996
ANSWERS19771996
分散参
数流域
开始为
单次暴
雨，后发
展为长
期连续
暴雨期
为
60s，非
暴雨期
为1d
水文模型考虑降雨初
损、入渗、坡面流和蒸
发；侵蚀模型考虑溅
蚀、冲蚀和沉积；早期
并不考虑污染物迁移，
后补充了氮、磷子模
型，复杂污染平衡
Beasley，
1980；
Bouraoui
等， 1996
零维计算结果一维计算结果
二维计算结果
第三部分水环境容量的计算步骤
•1、模型参数验证
•2、现状污染源的水质影响分析
•3、稀释容量分析（零维）
•4、稀释自净容量分析（一维）
•5、混合区约束容量分析（二维）•6、确定环境容量
1、模型参数验证
•废水量影响河流流量，调整水文参数；•将降解系数代入模型，分析其合理性；•注意分析设计流速。
2、现状污染源的水质影响分析
3、稀释容量分析（零维）分段闸坝控制河段
•分段确定水文条件COD浓度
5
10
15
20
25
30
35
40
45
020004000600080001000012000
位置(m)
COD浓度(mg/L)
•利用零维模型估算
湖泊容量计算
•合理划定纳污区
•利用零维模型
4、稀释自净容量分析（一维）
5、混合区约束容量分析（二维）
现状排污口污染负荷：8440t/a;污染带长度580米；污染带100米允许污染负荷：3500t/a
6、确定环境容量
•环境管理规定；
•考虑二维，利用一维确定总容量。
•扣除面源、内源，考虑安全系数，得出环境容量。
第四部分水环境容量校核
方法1：水资源量校核法
•对比各个水系水资源量和水环境容量计算结果，若差距较大，需仔细分析；
•将同一水系各个河段（地市）的计算条件连在一起进行计算，比较总体结果与各段结果的差距。
方法2：提高功能校核法
•由于应用模型计算水环境容量部分参数具有不确定性，为了提高容量结果的安全性，建议部分河段采用提高功能区类别的方法进行核算，以作为确定安全系数的参考值。
方法3：超标水域分析法
•在不同水域，分别应用零维、一维和二维模型，分析功能区内水域达标长度比例（或达标面积比例），根据各地区情况，确定的达标水域范围，分析容量结果的合理性。