水环境容量及其水质模型研究进展
水环境容量及其水质模型研究进展
1，211*
唐海滨，吴振斌，梁威
（1．中国科学院水生生物所淡水生态与生物技术国家重点实验室，湖北武汉430072；2．中国科学院研究生院，北京100049）
摘要介绍了水环境容量的概念、目的及意义，简述了水环境容量的计算方法，并在分析目前各种水质模型的优缺点的基础上，对水环境容量的发展作出了展望。
关键词水环境容量；水质模型；研究进展；展望中图分类号S271文献标识码A文章编号0517－6611（2012）17－09444－04ResearchAdvancesinWaterEnvironmentCapacityandWaterQualityModelsTANGHai-binetal（StateKeyLaboratoryofFreshwaterEcologyandBiotechnology，InstituteofHydrobiology，ChineseAcademyofSciences，
Wuhan，Hubei430072）AbstractTheconcept，purpose，significanceandmeasuringmethodsofwaterenvironmentcapacitywereintroduced，anditsdevelopmentpros-pectwasforecastedbasedontheadvantagesanddisadvantagesofvariouswaterqualitymodels．KeywordsWaterenvironmentcapacity；Waterqualitymodel；Researchadvances；Prospect
水环境容量又称为水体的纳污能力，是指在给定水域范围和水文条件下，规定排污方式和水质目标前提下，单位时间内该水域最大允许纳污量
［1］
1．4水质模型选取水质模型是水环境容量计算的核心。
模型的选择取决于水域的流速流量、宽深比、迁移扩散速率等诸多因素。模型的计算实际上是一个概化的过程，选取最又能使计算适的模型既能减少计算的工作量从而节约成本，结果与实际偏差最小，从而保证准确度。1．51．5．1
模型参数确定
参数确定是水环境容量计算的灵魂，
下面介绍几个重要的参数及其确定方法。
本底浓度。本底浓度是水域的初始浓度，其取值应
该是研究水域中上断面的污染物浓度。如果上断面污染物的真实浓度低于上断面的水质标准所规定的浓度，则取上断面的水质标准浓度1．5．2
［2］
。水环境容量包括3个要素：
研究水域、水质目标和纳污能力。不同水域、不同水质目标水域的纳污能力不同，所得水环境容量也不同。因而，水下，
环境容量是水域环境规划的重要依据。根据所需的水质目标，尽可能准确地计算水环境容量，可以在很大程度上节约人力、物力及财力。11．1
水环境容量的计算方法
调查分析首先，确定研究水域的范围。其次，调查该
如面积、流量、流速、流向变化等。最后，分水域的水文条件，析水域目前的水质状况。1．2
水域概化
天然水域受到各种环境因素的共同作用，
形状往往呈现不规则性。水域概化既能减少水环境容量计《全国水环境也能保证其相对准确性。可根据算的工作量，
容量核定技术指南》的要求，对研究水域进行概化。将天然湖泊、水库等）概化成计算单元，如天然河道概化水域（河流、
为笔直河道，复杂河道地形的简化，非稳态水流简化为稳态水流等。同时，支流、排污口等也需要进行一定程度的概化，如多个较近排污口可简化为集中排污口。1．3
水功能区划和水质指标的确定
不同水体自然特征不
同，人们对其利用程度不同，相应的污染程度也不同，这就体现了水功能区划的必要性。它对不同的水体赋予适当的使并为水域监督管理提供依据。由于水体的受污染状用功能，
况及其功能不同，水质目标也有所不同。根据水域的具体污染特征，选择相应的污染控制因子，目前选的最多的是氨氮和COD。
“十二五”001-04）；国家国家重大科技专项（2011ZX07303-（2012BAD25B05-02）。科技支撑课题
作者简介唐海滨（1988－），男，新疆乌鲁木齐人，硕士研究生，研究方
向：环境微生物学。*通讯作者，副研究员，博士，从事人工
E-mail：wliang环境微生物学及水体生态修复等研究，湿地、
@ihb．ac．cn。
02-29收稿日期2012-基金项目
。
目标浓度。选取主要污染控制因子、划分控制断面
《国家地表水环境质根据各个控制断面的水质目标，按照后，
（GB3838-2002）要求，量标准》确定污染物对应的目标浓度值。1．5．3
设计流量。设计流量的计算方法主要有水文保证率
最枯月平均流量法、径流系数法等，一般采用枯水期、保法、
证率为90%以下的流量。1．5．4
流速。流速确定主要分为2种情况，当实测资料比
能绘制出水位－流量、水位－面积关系曲线，若设较丰富时，
计流量已知，则可推出各断面的设计水位和相应的面积；当资料不足时，可采用经验公式法计算各个断面的流速，也可通过实测法确定1．5．5
［3］
。
降解系数。降解系数是水环境容量计算的关键参数
之一，它反映了污染物在水体作用下降解的快慢程度。影响因素包括水文特征、污染物自身性质等。计算方法主要有类比法、实测法等。2
水质模型
水环境容量计算依赖于水质模型的建立与选取律及影响因素相互作用的数学方程
［6］
［4－5］
。
水质模型是描述污染物在水体中随时间和空间迁移转化规
，是水环境污染治理规
划的重要工具，为水体治理提供理论依据。水质模型是水环境容量计算的核心，合理地选取最优模型能在很大程度上节
约人力物力财力。下面简要介绍几种重要的水质模型及其应用实例。2．1
S-P模型体系
S-P模型是美国工程师Streeter和
Phelps在1925年提出的，DO模型，也称BOD-是目前应用最为普遍的一维水质模型。此模型建立的基本假定：仅考虑好且反应速率一直与剩氧微生物参加的BOD一级衰减反应，
余有机物含量成正比；DO的减少仅由BOD反应引起，且其减少速率与BOD反应速率相同；水中复氧速率与氧亏量成正比
［7］
BOD、DO、叶绿素a、氨氮、有机氮、硝酸盐、有机磷、无机磷等8种物质）在水体中的变化过程；后者模拟有毒污染物质，包括金属、有机化学物质、泥沙等
［19］
。
WASP模型操作使用方便、计算速度快，且可模拟水体中绝大多数污染物。其子模块可与其他模型相结合，这是WASP模型最大的特征。它是一个综合水质分析模型，目前已被广泛应用于各种水体的模拟分析。在国外，该模型已应用于密西西比河和灵敏度分析库
［25］
［20－21］
、佛罗里达Okeechobee湖的模型校正
。
［22－23］
［24］
、水库仿真模拟、南卡罗来纳州大水
该模型相对简单，但能比较真实地反映水体污染的实际对水体的治理具有一定的指导意义。由于该模型是最情况，
早的水质模型，应用也较为广泛。同时作为比较简单初级的氧平衡模型还存在许多缺陷，后来许多学者对它进行了多次Dobbins-camp修正形式、O’Con-如Thomas修正形式、修正，
nor修正形式等。但这些模型都只是简单的氧平衡模型，属因而较难应用于复杂水域。在国内，于一维稳态水质模型，
［8］［9］［7］
S-P模型应用较为广泛，如大汶河、浑江、西南岔河等。
［26］
、北卡罗来纳州DeepRiver的重金属及特拉华州河
［27］
口的挥发性有机物污染况
［19，28－36］
等研究。在国内，许多学者已应
用WASP模型模拟了水库、河流等不同水域的水质状
。
MIKE模型体系由丹麦水动力研究
2．4
MIKE模型体系
MIKE21、MIKE3和MIKE所（DHI）开发，目前包括MIKE11、SHE。MIKE11是一维动态模型，能模拟河网、河口等地区的水质变化情况。之后丹麦水动力研究所又开发了MIKE21，它是二维模型，可模拟污染物的垂向变化不可忽略的水域，如湖泊、海岸等地区。MILE3在MIKE21的基础上有所改进，能处理三维空间。MIKESHE提供可视化界面，是一个水质综合模型。
MIKE模型可模拟多种水质组分，N、P、包括水温、细菌、DO、BOD、藻类、水生动物、岩屑、底泥、金属以及用户自定义物质在水体中的变化过程，能处理复杂的水域。由于模型的源代码并不对外公开，目前已发展成为一种商务模型。MIKE模型在国内已有应用，刘坤等应用MIKE软件对水体富营养化进行了深入研究沙河开展了流域规划河干流铁岭段水质2．5
QUASAR
［38］
［37］
2．2QUAL模型体系P模型体系仅考虑BOD和由于S-
DO等少数水质指标，1970年美国环保局（USEPA）开始推出QUAL模型体系。QUAL-Ⅰ是该体系第1个水质综合模型，在实际应用过程中被多次修订、不断增强，之后又出现了许多、QUAL2E、QUAL2E-UNCAS、QUAL2K等。新版本，如QUAL-ⅡQUAL模型可模拟15种水质组分，DO、包括BOD、温度、藻类－叶绿素a、有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、有机磷、溶解磷、大肠杆菌、任意一种非保守物质和3种保守物质，它可以按照用户的实际要求任意组合以上指标
［10－11］
。该模型建
立的基本假定：将研究水域划分为一系列等长的计算单元水体，且认为每个计算单元中的污染物混合均匀；污染物的迁移方式是平移和弥散，且仅发生在纵向，流量和旁侧入流不随时间变化，可认为是一个常数；各计算单元的水力水文条件相同
［12］
；李军等利用MIKE11模型对南
［39］
；王晓妮等利用MIKESHE模型对松
；刘兰岚等模拟了辽
花江流域水质进行了模拟分析预测
［40］
。
。QUASAR（QualitySimulationAlongRiver
QUAL模型既可用于研究点源污染负荷，也可用于面源污染研究；既可作为稳态模型，也可作为时变的动态模型。QUAL模型能模拟污染物混合较好的枝状河流，属于一维水质综合模型。洪继华探讨QUAL2E在中小型河流的应用，并成功模拟神定河流域水质
［13］
System）模型是从英国Whitehead建立的贝德福乌斯河水质QUASAR、模型发展起来的，是一维动态水质模型，由PC-HERMES和QUESTOR等3个部分组成［41－42］。该模型可同DO、pH、时模拟BOD、硝氮、氨氮、温度和一种守恒物质的任意组合。它将研究水域划分为一系列非均匀流河段，再将各个河段划分为若干等长的完全混合计算单元。水域数据以河流段为单元，同一河段内具有相同的水力、水质特性和参数，各河段的水力、水质特性则各不相同。QUASAR模型的基本假定：忽略了弥散作用对水质的影响，且每个计算单元污染物是完全混合均匀的。
QUASAR模型对于溶解氧的分析比较跟其他模型相比，
全面，能用于大型河流溶解氧的分析计算。它能全面地描述各个水质组成在水体中的变化过程，而模型方程又相对简单，计算简便，实用性较强，在河流水环境规划、治理等方面有着较为广泛的应用前景，该模型已在英国LOIS等工程中得到成功应用2．6
［43］
；郭永彬等用QUAL2K模型对
［14］
汉江中下游的水质进行了模拟和预测QUAL2E模拟小清河济南段水质［15］。2．3
WASP模型体系
。宋玉龙等应用
WASP（WaterQualityAnalysisSimu-
lationProgram），也称黄蜂模型，是美国环保局提出的水质分析模型系统。美国环保局于1983年发布了该体系的最初版本，之后进行了几次修订
［16］
。WASP5及其以前的各个版本
均采用DOS程序，之后的WASP6和WASP7进入了可视化阶段，其运行速度也得到了极大的提升，是DOS版本的10余倍
［17］
。WASP模型有2个独立的计算程序：水动力学程序
［18］
DYNHYD和水质分析模拟程序WASP，它们可联合运行，也可独立运行
。其中，水质分析模型WASP由EUTRO5和
TOXI52个子程序组成。前者分析常规污染指标（包括
。
EFDC模型，即环境流体动力学模型（En-
EFDC模型
vironmentalFluidDynamicsCode），是由美国弗吉尼亚州海洋
［44］研究所（VIMS）根据多个数学模型集成开发的综合模型。
它由水动力模块、水质模块和泥沙－有毒物模块3个部分组其中，水动力模块的模拟精度已达到相当高的水平，可以成，
湖泊和近岸海域一、二、三维等地表水的水质用于包括河流、
模拟。EFDC模型可以用于模拟包括COD、氨氮、总磷等22种水质变量的浓度变化
［16］
。另外，EFDC模型实用性强，能
［45］
有机物迁移及归趋等用于模拟点源和面源的污染、。
EFDC通用性好、数值计算能力强、数据输出应用范围EFDC模型在国外已经成功应用于模拟GeumRiv-广。至今，
［47］er下游盐度分析［46］、纽约河和弗吉尼亚James河口等。
在国内也有不少应用，如王翠等应用EFDC模型模拟胶州湾三维潮流数值33．1
［48］
［49－50］
，，谢锐等模拟长江口及近海海域陈异
［45］
晖利用EFDC模拟滇池水质等水环境容量研究展望面源污染的定量化研究
。
从污染物来源角度，目前点
源污染已得到比较深入的研究，但面源污染还存在许多不尤其是在定量化问题上。对于我国南方地区，夏季降水足，
量较大，经地表径流流入水体的污染物定量化仍是一个值得深入研究的问题。3．2
水质模型参数的遴选及率定
从水质模型及其参数选
我国水体污染复杂多样，在实际应用中如何选取最取角度，
这既是一个重难点，也是今后必须攻克的问题；现有优模型，
的模型参数在底泥等内源污染负荷计算、水体生态修复的综合生态学效应等方面缺乏系统研究，亟需开展系统深入研究。3．3
新型技术研究手段的引进和完善
RS、随着3S（GIS、
GPS）技术日益成熟，已有不少学者利用GIS技术计算水环境显著降低了计算成本；但目前相关研究才刚刚开始，如容量，
何充分利用3S技术等新型研究手段将是今后发展的必然趋势。3．4
环境容量计算的标准化
目前，国际上的环境容量计
算模型较多，科研人员在计算某一特定水体环境容量过程中选择的模型及计算结果也有很大差异，如何推出规范化和标准化的环境容量计算值得深入探讨。参考文献
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（上接第9382页）
，“千篇一律”。在这种时代背景风格”使建筑及景观界高度，“地域主义”思潮开始得到关注，设计界开始注重本土文下
化，思考在现代化文明加速发展下如何更好地发展地域文化和弘扬民族特色。地域的就是特色的，特色的就是民族的，三者互相统一，不可分割。现代高校校园环境设计应在建设绿色生态性校园环境的基础上，充分发掘校园所在城市的地进一步建设成为地域人文性的校园景观，以实域特色文化，
现校园与地域城市的和谐统一，这样不仅可以实现地域文化的可持续发展，而且可以培养学生热爱本土文化，热爱民族传统的民族意识和优秀品格。3．1．3
知识研究性校园。知识研究性校园也是以绿色生态
是在绿色生态基础上的进一步发展，两者性校园为基础的，
并不矛盾，也没有绝对的独立性，区别在于知识研究性校园在适应时代生态化发展趋势的同在保证绿化率的基础上，
侧重配合大学学科知识的研究，为大学课堂教学或者师时，
生课题科研工作提供基础性的服务，是绿色生态性校园的知识研究性升级。
在国内，知识研究性校园相对数量不多，这和学校的性质有关。这类学校一般都是以培养林学知识人才、农学知识人才为主体的大学。知识研究性校园和地域人文性校园也可以相互兼有一些元素不存在矛盾，3．2
案例分析
［15］
《浙江林学院植物园植物名录》陈敬佑主编为书册，由著名植北京林业大学园林学院苏雪痕教授作序，由中国林物学家、
业出版社正式出版发行。
同时，校园（植物园）还被用作重点学科的研究基地（图2），被划分为7个技术学科方向用地。
“两园（校园、植物园）合一”的现代化生态校园被誉为“浙江省高校校园建设的一张亮丽名片”，“是一个读书做学。被教育部、“国家生态国家林业局等单位授予问的好地方”
，同时成立了“浙江省生态文化研究中心”。文明教育基地”4
结语
未来校园环境景观设计，不论是采取绿色生态性、地域知识研究性三者中的一种形式还是互相兼有的形人文性、
都应该对校园景观进行合理规划、精心布置，同时也要倡式，
导资源的节约和最大限度的综合利用，走可持续性发展的道经济、文化的逐步发展，大学校园环境景路。随着社会政治、
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以浙江农林大学校园环境景观设计为例，
该校园环境景观设计是绿色生态性校园和知识研究性校园结合的典范。该校园环境景观设计以各类研究树种为出发“第二、点，旨在配合学校的主体专业发展，将其建成师生的，三课堂”尤其是新校区（东湖校区）的设计，是原汁原味的“植物园”。据2005年《中国绿色时报》：“浙江农林大报道植物学学是国内惟一将大学校园与植物园合二为一的高校，”等专业的学生实习不用走出校门。
该校园近年来引种的植物有1700余种，连同校园内原有植物500余种，共计2275种，近百万棵（丛），其中珍稀保护植物有145种。校园里还专门设置了22个植物园区（图1）。每个园区的建设都强调种类多样化，尊重每种植物的生态要求，常绿与落叶、阔叶与针叶、木本与草本、乔木与灌木充分发挥植物群落的生态效益。不仅如此，该植合理搭配，
物园于2007年12月已经由浙江农林大学著名教授李根有、