城市水容量研究现况及趋势范文

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城市的发展离不开水资源，水在满足工业生产和居民生活的同时，也在提供着容纳工业废水和城市居民生活污水的作用。我国在实行改革开放政策后，生产力和经济水平得到了飞速的发展，而环境污染特别是水环境污染却日趋严重。许多快速发展的城市受到工业废水和居民生活污水的双重污染，长江流域在2009年接纳的污水量达到了333亿t，这相当于黄河的年平均径流量［1］。在这背景下，人们越来越关注城市河流污染问题。学者们注意到，河流能够容纳的污染物是一定的，但一条河流究竟能够承受多少污染物引起研究者的思考，且城市的发展规划中水环境容量是规划首先需要考虑的一个制约因素。因此，城市河流水环境容量的研究对城市的可持续发展有着重要意义，对于水环境容量的研究，也是我国构建节水型社会的一项重要组成部分。

1水环境容量概念

在20世纪30年代，比利时数学家P．E．Forest提出了环境容量的概念，70年代，日本科学家首先提出了“水环境容量”的概念，此外，美国环境保护局提出了“最大日负荷总量”(TMDL)和“最大年负荷总量”(TMYL)的概念［2］。我国从70年代末期开始进行水环境容量的研究，经过几十年的发展，逐渐形成了成熟的水环境容量概念和计算方法。狭义的水环境容量概念即为水环境的纳污能力，在2002年《全国水资源综合规划技术细则》中规定了水环境容量的概念:水体功能在不受破坏的条件下，水体接纳污染物的最大数量［3］。在《全国水资源综合规划地表水资源保护补充技术细则》中，对水功能区纳污能力概念作了明确规定:对确定的水功能区，在满足水域功能要求的前提下，按给定的水功能区水质目标值、设计水量、排污口位置及排污方式，功能区水体所能容纳的最大污染物量［4］。水环境容量具体可分为3个部分:存储容量、输移容量和自净容量［5］。其中，自净容量一般是水环境容量中最重要的组成部分，它的特征是无害化的转化过程，也是可不断再生的量，因此，是水环境容量中应该着重加以开发利用的一种资源，以保证“广义水资源”的可持续利用。

2我国水环境容量研究发展回顾

我国的水环境容量研究始于70年代末期，虽然在水环境容量研究方面起步较晚，但发展很快。通过一系列的研究，取得了大量成果，到90年代，对水环境容量的研究方法已经有了较大发展，形成了丰富和完善的水环境容量理论及研究方法。根据实践论的观点，任何一种理论体系的成熟和应用，都是通过反复的实践和验证，然后再提升为新的理论的。其研究应用经历了以下几个阶段，每个阶段由于对水环境容量的认识不同，经过我国专家学者的不断研究实践，形成了一个较为成熟的理论体系［6］。

2．1起步阶段(70年代末～80年代初)

我国在70年代末引入“水环境容量”概念后，研究工作者在一些环境质量评价项目中通过探讨水污染自净规律、建立水质模型、制定水质排放标准，从不同角度应用了水环境容量的概念。

2．2探索研究阶段(“六五”、“七五”期间，1981～1990年)

在“六五”和“七五”期间，水环境容量研究被国家列为科技攻关课题，着重在不同角度研究了水环境容量的概念和影响因素，采用稳态和准动态模型，简单解析解法，在对沱江有机物、湘江重金属、深圳河有机物的水环境容量研究三大课题带动下，将研究范围扩展到大江大河、湖泊、河口及河网化地区，提出了污染物容量、目标、行业总量控制等水环境管理概念，先后在若干重点城市和地区开展水环境综合治理规划、污染物总量控制规划、水环境功能区划和排污许可证试点工作;并总结大量水环境污染总量控制实用化、系列化的计算方法，出版了一系列如《水环境容量综合手册》［7］、《水环境容量开发与利用》［8］、《总量控制技术手册》［9］等专著。

2．3初步应用阶段(“八五”期间，1991～1995年)

“八五”期间，国家环境保护总局组织修订了《中华人民共和国水污染防治法》，并将已有的实用化、系列化的计算方法应用到全国一些重点城市和地区城市综合整治规划、水污染综合防治规划、污染物总量控制规划以及水环境功能区划的编制，促进了水环境容量应用研究的发展，标志着政府参与到水环境容量总量控制工作中来。

2．4全面应用阶段(“九五”、“十五”、“十一五”期间，1996年至今)

“九五”期间，我国了《国务院关于环境保护若干问题的决定》和《国家环境保护“九五”计划和2010年远景目标》，修改通过了《中华人民共和国水污染防治法》，“流域水污染物总量控制”被列为“十五”科技攻关课题，为污染物总量控制和管理提供了理论基础。“九五”期间，污染物排放总量控制指标正式被列为环境保护考核目标;NH3-N也在“十五”期间被列入总量控制目标。为进一步保护现状水质，国家先后组织编写“三河三湖”(淮河、海河、辽河和太湖、巢湖、滇池)的“九五”、“十五”水污染防治规划;在2003年完成了全国水环境功能区划汇总工作，在此基础上，国家环境保护总局决定开展全国地表水环境容量核定工作［10］;“十一五”期间，全国水环境管理开始从目标总量控制向容量总量控制的转变，并在2006年首次制定了《水域水环境容量计算规程》。至此，我国水环境容量理论及应用研究取得了重大进展，为我国科学管理水资源提供了理论基础。

3我国城市河流水环境容量研究现状

我国水环境容量研究多为2003年国家环境保护总局决定开展全国地表水环境容量核定工作而进行的流域水环境容量研究，而城市河流段水环境容量研究进行较少。城市河流段是河流主要接纳污水河段，这一区段水环境容量研究直接影响到城市的规划和发展。

3．1城市河流区段水环境容量计算

水环境容量的计算模型，前期多采用简单的水质模型，近年来采用二维水质模型计算。柳林安等对拉萨河拉萨市河段水环境容量进行了计算，得出现有污染源排放情况下，拉萨河拉萨城区段还存在较大的水环境容量［11］。胡锋平等利用二维水质模型测算赣江南昌段水环境容量，并确定了主要污染源［12］。李宏明等按一维水质模型，计算出淮河蚌埠段景观娱乐用水区的水环境容量及污染物削减量［13］。叶桂忠等对漓江桂林市区段不同计算条件下影响水环境容量的各种因素进行了分析，并对水环境容量计算结果进行了讨论［14］。赵红梅等对松花江佳木斯段水环境容量采用二维水质模型进行计算分析，并提出了水环境容量总量控制初步方案［15］。

3．2不同水质模型下水环境容量计算比较

对于大型河流城市段，水面宽阔，流速较慢，采用一维水质模型和二维水质模型得到的水环境容量结果差异较大。马欢等分别应用河流一维及二维对流扩散水质模型，计算了松花江哈尔滨江段COD及NH3-N的理想水环境容量，结果表明，一维计算比二维计算水环境容量结果大了很多［16］。廖文根等对三峡水库建成后重庆主城区等3个重要区域168．8和175.0m库区水位线下，采用一维和二维模型计算水环境容量做比较，发现一维计算结果在水库建成后水环境容量变大，二维计算结果变小，且一维计算结果在168．8和175.0m库区水位线下分别是二维计算结果的8．6和12．6倍［17］。

3．3水环境容量计算不确定分析

在水环境容量计算中，存在许多不确定参数，比如降解系数、扩散系数、流速等。李如忠等在考虑参量取值可信度的基础上，运用未确知数学中有关盲数理论对不确定性信息下河流纳污能力计算问题进行了探讨［18］。朱小娟等运用未确知数学理论，对未确知信息下的水库水环境容量进行计算，由水库水环境容量的计算公式，依据未确知有理数的运算法则和未确知数学的期望公式，求得水库水环境容量的期望值［19］。毛晓文从纳污能力计算中动态因子的不确定性研究出发，得出水环境管理要求的不确定性，设计水量、综合降解系数、水质计算浓度取值的不确定性是影响水体纳污能力量化结果可靠性的主要因素［20］。

3．4水环境容量计算条件分析

马巍等研究了在不同主导风场和常年主导风向下，风速变化对太湖各主要湖湾纳污能力的影响［21］。王英伟等运用灵敏度与线性回归的方法，分析了松花江哈尔滨段二维水质模型中参数的敏感性［22］。

4城市河流水环境容量研究面临的问题及展望

可持续发展是科学发展观的内容之一，水资源可持续利用是《中国21世纪议程》［23］的主要内容。鉴于我国当前水资源所面临的严重形势，可利用水资源短缺，水环境容量理论体系的研究对解决水资源可持续利用问题有着重要意义，对水资源可持续利用规划提供了可靠的理论基础，然而，现阶段水环境容量理论的研究仍然存在着许多问题。

(1)我国北方特别是东北地区，例如松花江哈尔滨段每年存在150多天的冰封期，冰封期内，由于污染物在水体中的消减作用减弱，影响机理复杂，水体中污染物的运移消减规律研究尚不明确。因此，研究冰封期河流污染物削减作用机理，对解决冰封期城市河流水环境容量计算具有重要意义。

(2)目前，由于经济条件、技术力量、资料等方面条件的限制，我国进行的全国地表水环境容量核定工作—般是采用较为简单的模型进行纳污能力的评价。然而，湖库计算零维化，大型河流一维化会导致水环境容量夸大，同样，如果选用较复杂的水质模型，不仅使计算复杂，而且可能导致水环境容量浪费。在计算水环境容量时，选取适当的水质模型，对得到合理的水环境容量至关重要，规范化我国水环境容量计算模型显得尤为重要。

(3)由于水文系统的不确定性，水环境容量计算中同样存在许多未确定参数，现阶段的水环境容量未确定性研究仍然不够成熟，而且如何动态评估水环境容量也具有重要意义。因此，应借助可变模糊数学理论、盲数理论等，将不确定信息进一步量化，使水环境容量计算中非确定性参数量化方法进一步系统化。

(4)在大多数水环境容量计算中，多采用COD和NH3-N作为评价因子，但对于我国水体富营养化的现状，有必要在宽阔城市河流区段增加TN和TP作为评价因子。

(5)城市河流水质模拟需要参数较多，许多模型参数难以正确应用。水环境容量模型参数的率定大多基于经验公式计算，和现状条件脱离，比如COD降解系数，不同河流不同地区取值肯定不同，如何在研究河段应用正确的参数是保证获得合理的水环境容量的关键。因此，总结我国污染物排放现状时，对模型参数进行数值分析计算，对参数进行率定，有助于水环境计算结果的合理性和稳定性。

(6)城市河流水环境容量不足是许多城市面临的问题。而对于许多沿海城市而言，如何利用海水环境容量成为一个可遇不可求的机遇，因此，对于近海水环境容量的研究成为一个未来研究的方向。

2011年中央一号文件明确提出，实行最严格的水资源管理制度，通过建立“三项制度”，确立“三条红线”，着力改变当前水资源过度开发、用水浪费、水污染严重等突出问题，使水资源要素在我国经济布局、产业发展、结构调整中成为重要的约束性、控制性、先导性指标。其中，第三条红线———确立水功能区限制纳污红线，严控排污总量，到2020年，主要江河湖泊水功能区水质明显改善，城镇供水水源地水质全面达标。这对水环境容量的研究工作又提出了新的挑战和要求。