我國現(xiàn)行水域納污能力計算方法的思考

趙 鑫，黃 茁，李青云

（長江水利委員會長江科學(xué)院流域水環(huán)境研究所，430010，武漢）

隨著我國社會、經(jīng)濟的快速發(fā)展，水問題日益突出，水資源短缺日趨嚴峻。2011年中央1號文件要求實施最嚴格水資源管理制度，提出了“三條紅線”的管理目標，水功能區(qū)限制納污便是其中之一。限制納污必須要計算出水域納污能力。

“納污能力”一詞最早源于1998年的全國水資源保護規(guī)劃，2002年頒布的《中華人民共和國水法》首次在法律上明確了“水域納污能力”的概念，并與水域限制排污總量一起構(gòu)成我國水資源保護行業(yè)的重要基礎(chǔ)?！端蚣{污能力計算規(guī)程（GB/T 25173—2010）》（以下簡稱 《計算規(guī)程》）中給出的水域納污能力（類似的概念稱作水環(huán)境容量）的定義為“在設(shè)計水文條件下，滿足計算水域的水質(zhì)目標要求時，該水域所能容納的某種污染物的最大數(shù)量”?！凹{污能力”概念及其計算方法的提出為定量化某一水域最大污染物排放量、保護水體水質(zhì)起到了重要的作用，但是在設(shè)計水文條件的選取、計算模型、污染物衰減以及污染物負荷估算等方面還存在一定爭議，導(dǎo)致同地區(qū)之間以及同一地區(qū)部門之間計算結(jié)果偏差較大。

一、目前納污能力計算方法存在的一些問題

1.設(shè)計水文條件

《計算規(guī)程》中設(shè)計水文條件一般取90%保證率最枯月平均流量（水量）或近10年最枯月平均流量 （水量），計算得到的納污能力為定值。事實上水體水文過程和其他自然因子顯現(xiàn)出動態(tài)變化特征，決定了水體的納污能力必然是一個變數(shù)。如果僅按照一個確定的納污能力作為控制標準，而且這個量值偏于安全，那么大多數(shù)時段的污染負荷都會超過這個量值。但是同期水質(zhì)狀況卻未必都是超標的，這種控制量對于管理工作也就失去了實際意義，因此很有必要開展不同來水條件下的納污能力計算。目前不同來水條件下的納污能力計算大部分通過選取不同保證率來實現(xiàn)最終體現(xiàn)，但是這些只是人為設(shè)定的數(shù)值，與水文情勢沒有必然聯(lián)系。韓守江等的研究考慮了水文條件的變化，采用頻率為75%條件下的流量作為現(xiàn)狀的設(shè)計流量，并根據(jù)年內(nèi)流量的變化劃分出枯水期、平水期、豐水期3個水期，分別開展了嫩江、松花江干流水體納污能力分析。然而該研究只選擇了不同水期的代表流量進行了計算，并未探討更小時間尺度納污能力動態(tài)變化。馬巍等以枯水年作為代表水文年，采用二維數(shù)學(xué)模型進行太湖納污能力動態(tài)變化的模擬，得到了納污能力總量和逐月的量值，但是對于特殊水文情勢下（如洪水過程或者極枯流量條件）的納污能力難以體現(xiàn)。因此有必要開展以日為單位的動態(tài)納污能力計算。

2.污染源

當前我國污染物控制方面依然以控制點源排放為主，削減通過排污口進入水體的污染物總量，而非點源污染則較少，但非點源污染的嚴重性及非點源污染防治的重要性已經(jīng)為國內(nèi)外所認識。國內(nèi)外開展的多項研究表明，非點源污染源已經(jīng)成為水環(huán)境的重要污染源，甚至首要污染源。許多發(fā)達國家已經(jīng)證實，農(nóng)業(yè)非點源污染是導(dǎo)致水環(huán)境惡化的主要原因之一。據(jù)報道，美國的非點源污染量占污染總量的2/3，其中農(nóng)業(yè)非點源貢獻率占非點源污染量的75%左右。我國的多項研究也表明非點源污染已經(jīng)上升為威脅人類飲用水的主要原因，許多水域的非點源污染超過點源造成的污染，如孫陽等計算結(jié)果顯示，三峽庫區(qū)由點源產(chǎn)生的污染負荷總氮為1.7萬 t/a，總磷為0.24 t/a；由面源產(chǎn)生的污染負荷總氮為12.2萬t/a，總磷為0.66t/a，面源污染負荷占總負荷的80%左右。

非點源污染主要有以下特點：發(fā)生具有隨機性；污染物的來源和排放點不固定，排放具有間歇性；污染負荷的時間變化 （次降雨徑流過程、年內(nèi)不同季節(jié)及年際）和空間變化幅度大；監(jiān)測、控制和處理困難而復(fù)雜。

目前納污能力計算方法主要計算滿足水功能區(qū)出口斷面水質(zhì)標準時水體可接受的污染物最大負荷量，這種計算方法適用于水體中污染負荷主要來源于點源排放的地區(qū)。如非點源對水體中污染物負荷貢獻較大，甚至超過點源，在納污能力計算中仍然忽略非點源，結(jié)果將出現(xiàn)很大偏差。以三峽庫區(qū)為例，由于庫區(qū)氮磷污染負荷主要來源于豐水期降雨產(chǎn)生的非點源污染，水庫中盡管水量大，但是豐水期也是氮磷濃度較高時期，水體氮磷含量超過水質(zhì)目標，已無納污能力。而按照《計算規(guī)程》水體中依然有納污能力，明顯與實際情況不符。

《計算規(guī)程》中對污染源污染負荷計算法采用實測法、調(diào)查統(tǒng)計法和估算法，三種方法中實測法用來確定點源排放負荷，調(diào)查統(tǒng)計法和估算法盡管也能估算部分非點源污染負荷，但主要還是確定點源排放負荷，獲得的污染負荷數(shù)量為定值。事實上排污水流量與污染物負荷是隨時間變化的變量，非點源更是具有隨機性。為了準確確定入河污染物的數(shù)量，必須獲取點源排放的時間序列數(shù)據(jù)，以及基于氣象、土地利用、土壤類型等數(shù)據(jù)的非點源污染負荷動態(tài)產(chǎn)輸量。目前國際上廣泛開展了動態(tài)的非點源污染負荷模擬，采用的模擬工具主要有HSPF、SWAT、SWMM 等。

3.排污口概化

《計算規(guī)程》中對排污口概化的規(guī)定為“有多個入河排污口的水域，可以根據(jù)排污口的分布、排放量和對水域水質(zhì)影響進行簡化”。對于如何簡化并無具體規(guī)定，可操作性比較差，而且容易出現(xiàn)針對同一河段由于采用不同的概化方法而得到不同納污能力的狀況。目前納污能力計算中排污口的概化主要分兩類：一種將計算河段內(nèi)的多個排污口概化為一個集中的排污口，概化排污口位于河段中點處或者其他位置，相當于一個集中點源；另外一種為污染物排放口在同一功能區(qū)內(nèi)沿河長均勻分布，并認為污染源源強在同一功能區(qū)內(nèi)沿河長均勻分布。事實上由于不同計算者對污染源有不同的認識，或者選擇概化方法過程受不同利益方影響，增加了計算結(jié)果的不確定性。為減少這種不確定性，在納污能力計算中應(yīng)盡量在模型中體現(xiàn)污染物位置和排放量，尤其對于寬大型河流，更應(yīng)該慎重，否則會引起左右岸、上下游之間對排放量總量的爭議。

4.計算模型與反應(yīng)參數(shù)

《計算規(guī)程》推薦的納污能力計算模型分為河流模型和湖泊模型兩類，維度根據(jù)水體和污染物特征可采用零維、一維和二維，且主要穩(wěn)態(tài)模型可直接求得解析解。當污染物非恒定排放時，也可按差分法推求數(shù)值解，用數(shù)值法求得計算水域代表點的污染物平均濃度 C（x，y），以計算水域納污能力，這實質(zhì)上也是一種平均化的思想，不能用來計算不同來水量時水體納污能力的動態(tài)變化。為獲得動態(tài)水體納污能力必須開展非恒定流水動力模型與水質(zhì)模型耦合模擬。

污染物綜合降解系數(shù)是在各種物理、化學(xué)、生物作用下水體中污染物減少的速率，主要通過上下游斷面實測濃度反推得到。該系數(shù)并無明確的物理意義，不能揭示造成水體中污染物數(shù)量減少的具體途徑，難以為針對性的水環(huán)境管理提供技術(shù)支持。以氨氮為例，在實際水環(huán)境體系中，氨氮的減少除了由硝化作用引起之外，水生植物的光合作用和呼吸作用、泥沙吸附和揮發(fā)作用也是重要的原因，另外底泥釋放和有機氮水解也能增加水體中氨氮數(shù)量。

二、美國TMDL計劃對水體納污能力計算的啟示

1.TMDL思想內(nèi)涵

TMDL（TotalMaximumDailyLoads）是美國環(huán)保局（US Environmental Protection Agency，USEPA） 在 1972年修正的《清潔水法》中提出的。TMDL以流域整體為研究對象，將點源和非點源污染控制相結(jié)合，其任務(wù)是在滿足水質(zhì)標準的前提下，估算水體所能容納某種污染物的總量，并將TMDL總量在各污染源之間分配，通過制定和實施相關(guān)措施促使污染水體達標或維護達標水體的水環(huán)境狀況。它的表示方式為：

TMDL=∑WLA+∑LA+MOS

式中，TMDL為受納水域允許納污總量；∑WLA為點源污染負荷的總和；∑LA為非點源污染負荷的總和；MOS為安全余量，用于表征TMDL的不確定性，可表示為未予分配的污染物負荷量，也可通過在計算TMDL總量的過程中使用保守性的假設(shè)加以體現(xiàn)。

TMDL計劃的執(zhí)行過程包括：識別水質(zhì)受限制的水體，按優(yōu)先級確定水質(zhì)指針，最大日負荷總量的確定及分配，執(zhí)行控制措施，評價水質(zhì)控制措施，是一個水污染防治的完整體系，其中最大日負荷總量的確定方面與國內(nèi)納污能力計算相似。但也存在一些不同，如TMDL計劃中最大日負荷總量中不光考慮了點源而且考慮了非點源污染；以日為單位計算進入水體中的污染物負荷量，充分體現(xiàn)了水體對污染物最大受納能力動態(tài)變化的特征；采用基于機理的分布式非點源模型與水體生態(tài)動力學(xué)模型進行污染負荷的估算，模擬指標較多，不光考慮水質(zhì)質(zhì)量而且將生態(tài)保護納入其中，在很大程度上保證了采用TMDL計劃后河流健康狀況能夠得到顯著改善。

2.非點源污染負荷計算

非點源污染負荷計算是開展水體納污能力計算的前提，非點源污染負荷可通過統(tǒng)計模型和機理模型來計算，機理模型能夠模擬降雨徑流引起的水土侵蝕過程以及由于水土侵蝕導(dǎo)致的污染物質(zhì)的遷移過程。目前在TMDL中廣泛應(yīng)用的機理模型主要有SWAT （Soil and Water Assessment Tool）、HSPF （Hydrological Simulation Program Fortran）和 AnnAGNPS（AnnualizedAgriculturalNonpointSource）等。

SWAT、HSPF和 AnnAGNPS模型均屬于時間連續(xù)性模型，考慮了亞表面流、蒸散發(fā)、植物生長等水文因素，均可用來分析因水文和流域管理措施(主要指農(nóng)業(yè)措施)變化而引起的長期變化。SWAT主要仿真農(nóng)業(yè)占主導(dǎo)地位的流域，HSPF則主要仿真農(nóng)業(yè)和城市混合流域。其中HSPF模型雖然時間連續(xù)但是缺乏空間的詳細描述，而SWAT模型可以彌補這一不足，但同時需要大量的參數(shù)。AnnAGNPS模型是AGNPS模型升級版本，主要用來評價以農(nóng)業(yè)占主導(dǎo)的流域的最佳管理措施。國內(nèi)在納污能力計算中，對于非點源污染負荷的估算可以借用國外成熟的模型工具，但是直接應(yīng)用可能會存在一些問題，如根據(jù)美國自然條件選定的模型參數(shù)在國內(nèi)環(huán)境中很可能并不適用，需要進一步通過實驗等方式來確定。

3.水體中污染物遷移轉(zhuǎn)化過程模擬

水體中污染物的遷移、轉(zhuǎn)化過程可由水質(zhì)模型模擬，目前TMDL計算中使用頻率較大的水質(zhì)模型有QUAL2K、WASP（WaterQualityAnalysis Simulation Program Modeling System）、CE-QUAL-ICM以及EFDC（TheEnvironmentalFluidDynamicsCode）等。

QUAL2K是一維水質(zhì)模型，可以仿真15種水質(zhì)組分，可以用來研究進入河流的污染負荷源的數(shù)量、質(zhì)量和位置對受納河流的水質(zhì)影響，也可以研究點源、面源對河流水質(zhì)的影響，在國內(nèi)外已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于河流的水質(zhì)規(guī)劃和水資源管理。

WASP是由美國國家環(huán)保局暴露評價模型中心開發(fā)的用于地表水水質(zhì)模擬的模型，WASP提供了一個靈活的動態(tài)模擬系統(tǒng)，基本程序反映了對流、彌散、點源負荷與非點源負荷以及邊界的交換等隨時間變化的過程。EUTRO和TOXI是WASP中的兩個水質(zhì)模塊，其中TOXI進行有毒物質(zhì)的模擬，EUTRO用以分析傳統(tǒng)的污染物行為。

Cerco等人在研究切薩皮克灣富營養(yǎng)化時提出了CE-QUAL-ICM三維動態(tài)富營養(yǎng)化模型,該模型包括22個狀態(tài)變量，涉及湖泊物理特征、多種藻類、碳、氮、磷、硅和溶解氧等。CE-QUAL-ICM模型無自帶的水動力模塊，需第三方軟件如EFDC、POM、DELFT3D等提供水動力計算結(jié)果。

EFDC模型為三維地表水水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，可實現(xiàn)河流、湖泊、水庫、濕地系統(tǒng)、河口和海洋等水體的水動力學(xué)和水質(zhì)模擬，是一個多參數(shù)有限差分模型。

TMDL計算采用的水質(zhì)模型中，各水質(zhì)變量生化反應(yīng)過程表述較為全面，各參數(shù)也具有實際意義，能夠更精確地揭示不同反應(yīng)過程對水體污染物濃度的影響，在納污能力計算中值得借鑒。但是與非點源模型類似，國外先進的水質(zhì)模型可引入國內(nèi)進行水體納污能力的計算，但是參數(shù)可能存在不適用問題，而且某些國內(nèi)水體水環(huán)境特征與國外相比存在較大的不同，如長江、黃河等高含沙水體在國外很少，高含沙水體中泥沙對污染物的吸附、解吸過程較低含沙水體可能要復(fù)雜得多，必須對引進模型的相關(guān)模塊進行進一步完善才能應(yīng)用。

4.污染負荷分配與削減

在進行TMDL估算和分配之后需要制定污染削減措施，主要有點源污染削減措施和面源污染削減措施。對于點源污染采取的方法與國內(nèi)類似，主要減少通過排污口進入水體中污染負荷的數(shù)量；非點源污染控制更多的是采取綜合措施。

在非點源污染治理措施中，最佳管理措施 (Best Management Practices,BMPs)理念非常值得我國國內(nèi)非點源污染負荷控制借鑒。BMPs指任何能減少或預(yù)防水污染達到水環(huán)境保護目的的方法、措施或操作程序，是防治或削減非點源污染、使水質(zhì)符合水質(zhì)目標的實際措施。BMPs可分為工程管理措施 (Structural Management Practices)和非工程管理措施(Nonstructural ManagementPractices)的操作和維護程序。管理措施分為養(yǎng)分管理、耕作管理和景觀管理3個層次。應(yīng)用比較廣泛的最佳管理措施主要有免耕法、少耕法、等高種植、人工濕地、植被過濾帶、岸邊緩沖區(qū)、地下水等方法和措施。推行BMPs的目的就是綜合采用這些措施來實現(xiàn)非點源污染控制。

三、小 結(jié)

TMDL以實現(xiàn)水質(zhì)和水生態(tài)系統(tǒng)健康為目標，綜合考慮了點源和非點源污染對水環(huán)境影響，并給出了行之有效的點源、非點源污染負荷控制方法，其先進水質(zhì)管理理念和技術(shù)精髓非常值得借鑒。在今后納污能力計算研究中還可綜合考慮點源與面源集成模擬，將水生態(tài)系統(tǒng)健康作為目標，開展生態(tài)納污能力研究。

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