流域水质目标管理技术研究(I)——控制单元的总量控制技术，本文主要内容关键词为：目标管理论文,流域论文,水质论文,技术研究论文,单元论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
我国流域水质管理技术研究可以追溯到20世纪70年代。多年来我国相继开展了有关水环境容量、水功能区划、水质数学模型、流域水污染防治综合规划以及排污许可证管理制度等的研究，将总量控制技术与水污染防治规划相结合，逐步形成了以污染物目标总量控制技术为主，容量总量控制和行业总量控制为辅的水质管理技术体系，为我国水环境管理基本制度的建立奠定了基础。在“九五”和“十五”期间，污染物排放总量控制的理论及应用技术不断得到深化与拓展，确定了“九五”期间污染物排放总量控制指标[1]，标志着我国污染控制由浓度控制进入总量控制阶段，基于该技术体系，我国分别制定了“三河三湖”、南水北调、三峡库区、渤海等区域的水污染防治规划。实践证明，该项措施对于我国水污染物排放控制和缓解水质急剧恶化的趋势发挥了积极有效的作用。但是，由于实施的技术基础是一种基于目标总量控制的水质管理方法，没有在真正意义上将水质目标与污染物控制紧密联系起来，因此难以满足我国未来水环境管理的需求。
在过去几十年里，许多发达国家也针对本国水污染状况相继开展了水质管理技术的研究，如欧盟莱茵河总量控制管理[2]，日本东京湾、伊势湾及赖户内海等流域的总量控制计划[3]，以及美国TMDL计划[4]等。其中以美国TMDL计划最具代表性，该计划经过20多年的改进和发展，逐步形成了一套完整系统的总量控制策略和技术方法体系，成为美国确保地表水达到水质标准的关键手段。目前我国正在实施跨越式经济发展战略，建立有效的、基于水质目标的总量控制技术体系，将是决定我国未来发展成功与否的关键。与国外水质管理技术体系相比，我国的目标总量控制技术研究在一些方面仍然薄弱，且以行政区域为基本单位的水质管理体系无法解决日益严重的行政跨界污染纠纷问题，从而表现出与未来水质管理要求不相适应的缺点，严重制约着我国水环境管理工作的进一步发展。因此，急需在借鉴国外先进经验的基础上，开展符合我国国情的水质管理技术研究，实现从目标总量控制向基于流域控制单元水质目标的总量控制技术的转变[5-6]。
1 国内外水质管理技术的内容与特点
1.1 美国TMDL的框架与技术特点
1972年美国颁布实施了《清洁水法》，并着手实施基于技术和水质的点源污染物排放控制措施，削减了大量污染物。但是上述以排放标准为核心的污染控制并没有考虑到非点源以及多个点源在流域内累积效应作用，致使仍有大量水体无法满足相应水质标准，严峻的污染状况和沉重的环境治理压力催生了TMDL计划。根据美国1985年修订的《清洁水法》要求，如果各州的不达标水体在基于技术和水质的控制措施条件下，仍未能满足相应的水质标准，那么美国环境保护局(USEPA)就要求州政府对这类水体制定并实施TMDL计划。为了促进美国境内水体尽快全面达到水质标准，USEPA于1997年制定了TMDL计划实施的技术指南，其中对当前完善TMDL计划所遇到的问题进行了分析。到目前为止，美国许多州已对各自行政区域内的水质受限水体实施了TMDL计划，仅在2005和2006年，被批准或实施的TMDL计划每年都超过4000个，而且其数量在1996-2006年已达22000多个。
TMDL是指“在满足水质标准的条件下，水体能够接受的某种污染物的最大日负荷量，包括点源和非点源的污染负荷分配，同时要考虑安全临界值和季节性的变化，从而采取适当的污染控制措施来保证目标水体达到相应的水质标准”[8]。其目标是识别具体污染控制单元及其土地利用状况，对单元内点源和非点源污染物的排放浓度和总量提出控制措施，从而引导整个流域执行最好的流域管理计划[9]。TMDL的实施步骤主要包括识别水质目标限制水体是否仍需要实施TMDL，对水质限制水体进行排序，确定TMDL，通过控制行动执行TMDL以及评价控制行动是否满足水质标准[10-11]。其主要包括3个要素：①污染负荷核算，非点源部分是采用流域非点源数学模型进行模拟计算获得。②安全余量。考虑到可允许排放负荷的不确定性，要求预留一定比例的负荷作为安全余量。③排放分配。将排放负荷分配到各污染源。
总体而言，TMDL技术包括5个方面的特点：①TMDL计划的立足点是基于水体生态环境功能确定相应的污染物管理策略，即在综合考虑水环境功能、对生物活动的影响以及地域差异的基础上来确定水质标准值；②TMDL计划从问题水体的识别、水质指标的确定，到污染控制措施的制定、实施与评估，对每一个技术环节都做了详细而具体的规定和解释，并将其纳入法律框架，使其在执行过程中有法可依；③TMDL计划是一个对流域水环境的全面分析过程，其中充分考虑了不同类型污染源的贡献，要求建立流域非点源排放负荷模拟体系，并且在确定安全余量的基础上进行点源与非点源负荷的分配，建立非点源控制的最佳管理技术研究；④充分考虑了不同季节、不同用途水体的水质标准要求，不同季节是为了水体在满足水质标准下充分利用其自净能力，允许其在一年内不同季节的排污量有所变化，可根据水量、水温和PH等因素在各季节的差异来确定；⑤更加合理地分配日最大负荷，确定更加有效的污染控制方案，美国提出了20多种污染物公平分配方法，要求各州根据实际情况进行合理的分配。
1.2 欧盟水框架指令
欧盟的水污染控制技术体系是通过《水框架指令》所体现的，该指令于2000年颁布实施，其核心思想是要求欧洲的所有水体在2015年都要达到良好的水生态状况或水生态潜力，要求为此采取和实施一系列的管理和技术措施。该指令在其水污染防治相关条款中，针对地表水体的污染特点，明确了点面源联合治理的方法，并且要求成员国最迟于2012年按照最佳可行技术、相关排放限值、最佳环境实践等综合方式控制进入地表水体的污染物，执行新颁布的污染物排放控制标准，同时欧洲议会和理事会要采取措施，防止某种、某类污染物对水体的污染或危害，避免其对饮用水的威胁；并且要不断削减这些污染物，逐步停止或淘汰优先控制危险物质的排放[7]。因此，欧盟水污染控制技术体系的实质是一种基于最佳技术的总量控制方法。
1.3 我国的总量控制技术
我国的总量控制技术体系包括目标总量控制、容量总量控制以及行业总量控制3种类型。其中，目标总量控制是把允许排放污染物总量控制在管理目标所规定的污染负荷范围内，即目标总量控制的“总量”是基于源排放的污染不能超过管理上能达到的允许限额[1]。该技术具有目标制定简单、便于操作和易分解落实的特点，能在短期内有效减少污染物排放量，是我国目前所采用的总量技术方法。容量总量控制是指把允许排放的污染物总量控制在受纳水体设定环境功能所确定的水质标准范围内，即容量总量控制的“总量”系指基于受纳水体中的污染物不超过水质标准所确定允许排放限额。该方法的主要特点是强调水体功能以及与之相对应的水质目标和管理目标的一致性，通过水环境容量计算方法直接确定水体纳污总量。行业总量控制是指从行业生产工艺着手，通过控制生产过程中的资源和能源的投入以及控制污染物的产生，使排放的污染物总量限制在管理目标所规定的限额之内，即行业总量控制的“总量”是基于资源、能源的使用水平以及“少废”、“无废”工艺的发展水平。
在上述国内外水污染控制技术体系中，TMDL计划经实践证明是一个先进的、有效的水环境管理技术，其充分体现了恢复和维持水体的物理、化学及生物完整性，注重对水生态系统健康保护的目标要求，是国际水环境管理技术的发展趋势。我国虽然也提出了容量总量控制技术方法，但是与美国TMDL计划相比仍然存在一定的缺陷，主要表现在：①管理理念落后，我国总量控制是以满足水资源的使用功能为主要目标，更多地关注水污染物的削减，缺乏体现水生态系统保护目标，水质目标与水体保护功能关系并不明确。②技术手段仍然不够完善，尚未建立基于水生态系统分区体系以及体现水生态系统健康保障的水质基准与标准体系，不能对面向水生态安全的总量控制技术提供支持。为了适应未来流域水环境管理的发展要求，在我国推进目标总量控制向容量总量控制转变的过程中，要立足于彻底改变流域水污染现状，创新水环境管理理念，探索新的理论方法，构建基于水生态系统健康并符合我国国情的流域水质目标管理技术体系。其中美国TMDL计划的管理思想和技术精髓值得借鉴。
2 我国控制单元的总量控制技术研究
2.1 内涵与特点
流域水质目标管理技术应是一种在原有总量技术体系上发展而来，强调以追求人体健康和水生态系统安全为水环境目标，在“分区、分级、分类、分期”水环境管理模式指导下，以先进的、规范的技术方法体系为支撑，所建立的一种以水质目标为基础的水环境管理技术体系。具有如下特点。
a.更加强调以水生态安全和人体健康保护为最终目标，将流域污染负荷削减和流域水质与水生态安全有机结合，从而实现在流域尺度水生态系统结构与功能评价的基础上制定污染控制总体方案，其中，水生态分区以及基于分区的水质标准体系是该总量控制技术体系的基础，也是建立水体功能与保护目标的主要依据；而环境容量则是总量控制方案制定的出发点，通过确定区域污染物的限定排放量，制定出流域水污染物削减技术方案，完善排污许可证制度。
b.遵循着“分类、分区、分级、分期”的水污染防治原则。分类是指明确流域的优先控制目标污染物，针对不同类型污染物分别制定污染控制方案；分区是指基于流域水环境生态系统的特征差异，有针对性地制定水环境保护方案；分级是指基于水体功能差异性以及与其相适应的水环境质量标准体系，实施水环境质量的不同目标管理；分期是指通过分析水污染防治与社会经济技术发展水平的相适应性，实施与社会经济发展同步的污染防治阶段控制策略。
c.强调流域尺度的总量控制技术体系的建立。在流域尺度下，建立统一的污染物总量控制技术体系，不仅要求充分考虑点源的控制，而且还要考虑到非点源污染负荷的削减。但由于非点源污染负荷模型存在不确定性以及可移植性、参数难以确定等问题，使得非点源污染负荷模拟及其污染控制方案制定技术还不够成熟，这已成为我国流域尺度总量控制技术体系构建的制约因素之一。
d.强调污染负荷分配的合理性和公平性。分配允许排放量实质上是确定各排污者利用环境资源的权利，确定各排污者削减污染物的义务，即利益的分配和矛盾的协调，应在科学、公平、效率、经济的原则下考虑采用新的分配方法，并经过严格合理性检验后进行污染负荷削减措施的制定，要充分考虑经济、资源、环境、管理方面存在的区域差异性以及总量控制系统中的不确定性，其中包括点、面源之间以及点源之间的污染负荷分配。
基于上述研究，笔者提出了控制单元的总量控制技术体系(见图1)，该技术体系包括流域水环境生态功能分区、流域水环境质量基准与标准体系建立、控制单元划分、水环境污染负荷计算与分配、水环境监管技术等。其中，水环境生态功能分区、水环境质量基准与标准是总量控制的基础，为问题水体识别和水质目标确定提供依据；控制单元划分明确了水质目标管理的实施单元；水环境污染负荷计算与分配制定日最大排放负荷，并分配到各种类型污染源；污染负荷削减监管技术方案则是对水质目标管理的实施进行监管。
图1 控制单元的总量控制技术体系框架
Fig.1 The technical framework of the control-unit-based pollutant total amount control
2.2 流域水环境生态功能分区
流域水环境生态功能分区实质上是指反映水生态系统空间特征差异与环境相互关系的区域单元，是在流域水生态系统空间差异特征分析的基础上，利用气候、水文、土地利用、土壤、地形、植被、水质以及水生生物等要素，结合人类活动因子来划分的，水环境生态功能分区是水环境管理的重要单元，具体表现：在大尺度上可以反映水生态系统的特征差异，为确定水环境质量基准参考条件提供依据；在小尺度上可以体现河流水体功能差异，为水质目标的确定与环境容量的计算提供空间单元。
美国是世界上最早提出水生态分区概念的国家，认为水生态分区是具有相对同质的淡水生态系统或生物体及其与环境相关的土地单元，在20世纪80年代末美国提出了3级水生态区划方案，该区划主要是根据地貌、土壤、植被和土地利用等要素进行划分，目前该体系已发展到5级区划[12]。美国水生态区划已经在水环境管理中特别是区域监测点的选择、营养物基准制定以及区域范围内受损水生态系统恢复标准的制定等方面得到广泛应用，为美国基于流域的TMDL的制定奠定了基础[13]。
我国虽已完成全国水环境功能区划的工作，但从生态管理的角度出发，水环境功能区划并不是基于区域水生态系统特征所建立的，缺乏对区域水生态功能的考虑，也难以在其基础上建立体现区域差异的水质标准体系，不能满足面向水生态系统保护的水质目标管理技术的要求。因此，应当结合我国流域自然环境、流域社会经济开发的特点与环境管理需求，在分析国外水生态分区方法在我国的适用性和可操作性的基础上，尽快建立适宜于我国的流域水环境生态分区理论与方法体系，制定我国的水生态分区方案。
2.3 基于区域差异的水环境质量评价指标与标准体系
水质指标不仅是衡量目标水体水质是否健康的基本依据，也是制定污染物削减措施的立足点，目前采用指标主要包括营养物指标、水化学指标、有毒物质指标以及生物指标等。在选择上述水质指标时，要考虑到污染物对人类和生态系统健康的影响，以及水体在使用功能和区域特性上的差异，可以直接采用或调整修改各种水质基准，确定能够反映这些功能和区域差异的定量指标的目标值。
美国TMDL计划水质目标的发展主要体现在水质基准的发展上，特别是针对长期以来严重的富营养化问题，美国根据水生态区划开展了湖库、河流、湿地的富营养化基准的制定工作[14-15]，其控制指标为总氮、总磷、叶绿素a和透明度。基准主要采用统计方法，充分注意地域的特殊性，USEPA在2001年发布了基于生态区的营养物基准，其中的总氮、总磷为定量的水质指标，可直接进入水质标准作为水环境容量计算的水质约束条件。
水质指标目标值可以通过对比水质资料、参考现有分类系统以及专业人员判断等方法来确定，笔者认为，水质指标目标值的确定应当在充分考虑目标水体的生态结构及功能以及影响水质标准的各项因素的条件下，尽量以现时的监测、实验数据以及模型模拟的结果作为确定依据，排除主观干扰，力求客观、科学和规范，由于季节等自然因素的影响，河道流量以及水体纳污自净能力会发生规律性变化，如果不考虑这些动态变化过程，很容易导致局部水污染突发事件，因此水质指标目标值除应明确浓度大小外，还应明确在特定时间内可接受的超标次数(频率)以及持续时间，增强水质指标本身的可操作性，严格控制污染物的排放。
2.4 水体特征识别与控制单元的选取
问题水体的特征识别和评价是水体污染控制的基础。评价过程要求制定者利用相关资料(包括水质、水体物理特性、流域下垫面等)对目标水体的使用功能、污染物对水体功能的影响、主要污染因素(如排放强度、排放时间及排放途径等)对水体水质的影响机理以及目标水体发生污染的不确定性进行分析和综合判定，然后，针对不同的目标水体功能以及需要削减的污染物种类，制定不同的削减措施。
控制单元作为水污染控制的基本单位，其尺度差异会影响目标水体问题的识别。USEPA在制定针对营养物的TMDL计划草案中，探讨了选取不同尺度下控制单元的优缺点(见表1)。美国TMDL技术导则建议，如果问题水体位于流域底部，如湖泊、水库等，应将整个目标水体视为一个TMDL控制单元；如果问题水体分布于整个流域，则需要将整个流域划分为更小的控制单元来进行研究，而不是将其视为一个集总的流域单元[16]。因此，在实际案例研究中，需要以流域水环境生态区及其水质标准为依据，综合考虑流域下垫面状况、污染发生情况、监测数据完整状况以及计划制定成本等因素，对TMDL研究的空间单元进行具体划分。
2.5 污染源评估与污染排放负荷的计算
污染源评估与污染排放负荷的计算，是控制单元总量控制技术体系的主要内容，其核心思想是利用数学模型，科学地认识污染物排放与水体用途的作用关系，制定出科学的水污染控制方案：①通过现有数据、报告以及野外调查确认污染源类型、数量和空间位置，对污染源进行评估，为污染排放负荷的计算提供依据；②根据资料的完整状况、可用性以及控制单元的大小，采用监测数据统计、流域模型等多种方式，估算不同污染源的污染物实际负荷量；③利用水质模型对日最大负荷总量进行估算。
数学模型是制定水质目标管理方案的必要条件。一般而言，数学模型的选取要考虑环境管理目标、研究区特征以及是否有足够的数据来支撑等3个方面的因素[17]。详细数学模型的建立和使用费用高，运行时间长，且不能保证减少不确定性，实际上却把预测的不确定性结合起来。因此，数学模型要与科学理论相一致，应该能够说明其预测的不确定性，要适合于问题的复杂程度，并与可得到的数据量相适应，具有足够的可信度和灵活性，允许更新和改进。
大尺度流域一般具有复杂的土地空间异质性以及社会活动，因此在制定水质目标管理措施时，必须采用适合下垫面条件的流域非点源模型来计算非点源污染负荷。美国的SWAT模型是目前较为流行的非点源模拟工具，已在多个国家进行了广泛的验证，也有研究者利用它来进行TMDL计划的实际研究工作[18-19]。随着模型开发技术的发展，又出现了以水质为中心的流域管理模型，如BASINS[20]和WARMF[21]等。这些模型的最大特点是将流域分析、评价、总量控制、污染治理与费用效益分析综合于一体，实现数据与分析工具的集成，为流域水质管理提供便利[22]。但是无论什么模型，在其开发过程中都是依据特定的研究区域，其适应性和可移植性会随流域下垫面的变化而降低。因此，作为水质目标管理最重要的内容之一，水质模型特别是大尺度流域水质模型的开发工作应受到更大的关注。
2.6 污染负荷的分配
按分配的受体不同，污染负荷总量分配可分为流域分配和控制单元内分配2个层次。流域层次的污染负荷分配是将污染物排放总量分配到独立的行政区或水系等，主要是用于区域污染控制目标的制定，具有明确的管理意义，但没有具体的实施意义；而控制单元内总量分配则需要分配到各种具体污染源，其具有明确的实施意义。控制单元内总量分配又包含非点源和点源之间的负荷分配以及点源之间的负荷分配。在美国TMDL计划中，针对一个水污染物控制单元，污染负荷的分配通过下式来计算。
TMDL=WLA+LA+BL+MOS(1)式中，TMDL为污染负荷容量；WLA为允许的现存和未来的点源污染负荷；LA为允许的现存和未来的非点源污染负荷；BL为水体自然背景值；MOS为安全余量。
该分配公式的关键因子是安全余量(MOS)。它通过一个保守假设分析得到，以此抵消污染负荷削减过程中由污染负荷与受纳水体水质关系产生的不确定性。总体而言，TMDL的分配方法简单清晰，特别是安全余量的设置，保证了TMDL计划最终能达到所要求的水质目标。但是，受实际经验和数据等条件所限，在确定安全余量值时，有可能会由于过高估计导致最终要实现的水质目标脱离实际而无法实现，过小估计则可能使水质无法达标[23-25]。另外，TMDL计划使用的分配方法在实际操作过程中缺乏有效的验证，仅仅依据贡献率来分配点源个体之间的污染负荷也缺乏公平合理性。因此，在建立我国水质目标管理技术体系时，一方面要比较准确地估算非点源污染实际负荷量，另一方面要在此基础上确定一个适当的非点源污染削减比例，以保证点、面源污染负荷之间的合理分配。建立点源负荷分配模型时通常要考虑社会经济发展以及人口规划等因素。在美国，点源之间的负荷分配方法通常由各州自行制定，只要满足防止水质恶化的规定以及水质标准要求即可，因此分配方法多达19个。但是，无论采用何种方法，都必须体现“公平、效率、可行”的分配原则，同时要对总量分配方案进行合理性评估，并引入公众参与机制。
3 结论与展望
借鉴国际上先进的水质管理理念和技术经验，结合我国国情以及在当前总量控制工作中的经验，研究了流域水质目标管理技术体系中的控制单元总量控制技术。比较目前我国实施的目标总量控制技术，以维持水生态系统健康为目标的水质目标管理体系所倡导的理念和所采用的技术手段，都实现了质的飞跃，顺应了人类社会的发展和需求。从其所蕴含的思想来看，“以人为本，保护水生态”和“分类、分区、分级、分期”的理念贯穿始终，水环境不仅是总量控制研究和治理的主体，同时还是水生态系统的基本载体，不仅要满足资源功能的要求，还要发挥其生态功能。从这个角度出发，构建流域水质目标管理体系应在以下4个方面继续开展研究。
a.以流域生态健康为导向，明确我国未来水环境管理工作的目标和基本出发点，在水环境生态功能分区与建立基于水质基准的水环境质量标准体系方面开展相关研究，为合理制定水污染物削减技术方案奠定基础。
b.水质目标管理是一个“国家—流域—区域—控制单元—污染源”的多层次体系.因此，要建立一个完整的水质目标管理体系，需要从国家层面上建立包括流域水质管理、流域水环境监控、污染物削减技术评估以及水环境经济政策在内的4个子体系，并在这些方面开展研究，使之成为一个有机整体，在不断完善和发展的同时能够进行有效的结合和运作.
c.构建的流域水质目标管理技术体系是否具备很高的实用价值和良好的可操作性，需要在实践中进行验证，因此应当积极开展流域尺度分区试点，示范控制单元污染物削减，促进流域水质目标管理技术体系在理论上和方法上不断完善与成熟。
d.对构建流域水质目标管理技术体系的关键科学问题仍需做更为深入的研究，主要包括：水环境生态分区方法、水质基准的确定、流域污染负荷计算模型的开发与应用、污染负荷分配方法等。
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