流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究概述

韓文輝，黨晉華，趙穎，劉娟

(山西省環(huán)境科學(xué)研究院，太原 030027)

優(yōu)質(zhì)的水體環(huán)境是保障人民群眾身心健康的必要條件，也是當(dāng)前經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要基石。近年來，受社會經(jīng)濟快速發(fā)展和污染負荷超量排放的影響，我國許多流域水環(huán)境質(zhì)量不斷下降，水體流域污染問題嚴(yán)重[1]。為從根本上解決流域水污染問題，我國開始實行水污染控制管理技術(shù)，并在不斷的發(fā)展過程中進行規(guī)范和改進。

20世紀(jì)以來，全球許多國家也在積極針對本國的水污染狀況進行水質(zhì)管理技術(shù)的研究。日本于20世紀(jì)70年代在伊勢灣和東京灣開始實施總量控制計劃[2]；美國應(yīng)用最為廣泛的最大日負荷量計劃(TMDL，Total maximum daily load)[3-5]，將可分配的污染負荷分配到各個污染源(包括點源和非點源)，同時考慮安全臨界值和季節(jié)性變化，采取適當(dāng)污染控制措施保證目標(biāo)水體達到相應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，通過完善的水質(zhì)管理方案修復(fù)和保持水體的生態(tài)完整性；歐洲頒布施行的《水框架指令》[6]，強調(diào)水資源水環(huán)境、水量水質(zhì)水生態(tài)一體化管理，旨在實現(xiàn)污染控制和水質(zhì)保護，包括水文條件的恢復(fù)、河流地貌多樣性的恢復(fù)以及生物群落多樣性的恢復(fù)等，充分考慮到了河流水體的物理、化學(xué)和生物完整性，鼓勵公眾參與，對各國的流域水污染管理起到了切實有效的作用。美國廣泛實施的TMDL計劃，在改善水體質(zhì)量方面取得了較大的成功，是行之有效的流域污染管理方法，成為國際上河流治理和流域管理方面的主要發(fā)展趨勢。但其中也不乏一些失敗的經(jīng)驗教訓(xùn)，如缺乏對重要污染物間相互關(guān)系的研究，缺乏生物標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測，很多州的非污染點源污染被忽視，模型應(yīng)用較為機械和生硬等等，這些均對我國流域治理研究有著重要的借鑒和啟示作用[7]。

我國的水質(zhì)管理技術(shù)在流域尺度上缺乏較為系統(tǒng)的科學(xué)研究，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，一直以來主要聚焦在設(shè)定排放目標(biāo)的總量控制上。水質(zhì)管理在一定程度減少了污染物的排放量，遏制了流域水質(zhì)進一步惡化的趨勢。但因未充分考慮污染物排放量與容納水體水質(zhì)間的響應(yīng)關(guān)系，普遍存在流域污染控制總量與水質(zhì)改善目標(biāo)脫鉤、區(qū)域限排總量與水環(huán)境容量不匹配等問題[8-9]。因此，本文在概述近年來我國流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究進展基礎(chǔ)上，針對其不足的方面提出了對其進一步完善的建議。

1 流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)的本質(zhì)

水質(zhì)目標(biāo)管理是以先進規(guī)范化的技術(shù)指導(dǎo)體系為支撐、以水質(zhì)目標(biāo)為基礎(chǔ)、以流域水生態(tài)系統(tǒng)健康為最終目的，依據(jù)“分類、分區(qū)、分級、分期”的流域水污染防治原則，將污染負荷削減和流域水質(zhì)、水生態(tài)安全有機結(jié)合在一起所建立的水環(huán)境容量總量控制技術(shù)[10]。流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)可根據(jù)流域所處自然環(huán)境狀況及其自凈能力大小，將污染物負荷總量控制在區(qū)域自然環(huán)境所能承載的能力范圍之內(nèi)，突破了單一流域水質(zhì)管理的局限性，將整個流域的水質(zhì)目標(biāo)作為最終達標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)流域水環(huán)境綜合治理。

流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)主要包括以下幾個重要組成部分：水環(huán)境問題診斷；控制單元劃分；水質(zhì)目標(biāo)核定；水質(zhì)響應(yīng)特征分析；污染排放負荷核算；污染負荷削減分配等。在實際應(yīng)用中，流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)方案遵循以下的制定流程，具體見圖1。

圖1 流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)方案制定流程圖

2 流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容

2.1 水環(huán)境問題診斷

我國流域水系覆蓋范圍廣、走向錯綜復(fù)雜，污染成因也各不相同，進行水環(huán)境問題診斷的目的就是明確流域的主要污染類型、污染的成因和過程，為后續(xù)污染治理方案研究提供方向。水環(huán)境問題診斷主要包括水環(huán)境特征分析和污染源結(jié)構(gòu)分析。

2.1.1 水環(huán)境特征分析

水環(huán)境特征分析主要是指水質(zhì)現(xiàn)狀評價及變化趨勢分析、水生生物評價、物理生境評價、綜合評價[11]。

(1)水質(zhì)現(xiàn)狀評價及變化趨勢分析

根據(jù)研究斷面水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，對重點斷面和特征性污染物進行評價和變化趨勢分析。張悅等人應(yīng)用達標(biāo)率法和改進的變權(quán)物元可拓模型，對沈陽市水功能區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀進行了綜合評價，得到水質(zhì)達標(biāo)率及水功能區(qū)綜合水質(zhì)變化總體趨勢[12]，結(jié)果兼具實用性和系統(tǒng)性，客觀全面地反映了研究區(qū)域的水質(zhì)情況。王新參考水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，采用單項標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法評價了某縣境內(nèi)主要河流的水環(huán)境質(zhì)量，采用季節(jié)性肯達爾法進行趨勢分析檢驗[13]，評價結(jié)果基本能反映流域地表水水質(zhì)情況，滿足評價要求。龐朔等人分別利用分類法和最大評分法對四川省南部兩個城市飲用水水源水質(zhì)進行分析評價，清晰展示了水質(zhì)的季節(jié)變化特點[14]。

(2)水生生物評價

對研究流域內(nèi)浮游動植物和底棲動物進行均勻性指數(shù)、多樣性指數(shù)和豐富度分析，并進行生物完整性評價。王偉等人調(diào)查了白龍江水生生物情況，并利用藻類多樣性指數(shù)評價方法評價了天水市渭河的生物多樣性[15]。李鳳林等人監(jiān)測了湯旺河水生生物狀況，利用生物學(xué)方法評價了河流的水質(zhì)污染現(xiàn)狀[16]。鞠永富利用多樣性指數(shù)法和生物完整性指數(shù)法對小興凱湖水質(zhì)狀況進行了總體評價[17]。評價結(jié)果均切實可行，具有一定參考意義。

(3)物理生境評價

利用人類活動、土地利用方式、植物多樣性和流域泥沙含量及流量等相關(guān)指標(biāo)對流域水生生物個體數(shù)、所屬種群進行環(huán)境評價。王瓊等人調(diào)查了大伙房水庫入庫河流物理生境特征和水質(zhì)現(xiàn)狀，分別運用相關(guān)分析法、冗余分析法識別該河流物理生境特征與水質(zhì)狀況響應(yīng)關(guān)系[18]，得到物理生境特征良好、一般和較差的河段位置，結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。郭維東等人采用模糊綜合評價法對遼寧省水庫物理生境完整性進行了綜合評價[19]，評價簡便、全面，可操作性強。

(4)綜合評價

參考流域特點，將上述三種評價結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化，并對指標(biāo)加權(quán)求和，得到水環(huán)境特征的綜合評價結(jié)果。楊永宇分別采用水質(zhì)評價灰色關(guān)聯(lián)法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對黑河流域水環(huán)境質(zhì)量進行了綜合評價，結(jié)果顯示后者評價結(jié)果更為直接和客觀，避免了“一刀切”的方式，水質(zhì)狀況結(jié)果更加準(zhǔn)確[20]。趙穎等討論了利用GIS技術(shù)進行水質(zhì)綜合評價的優(yōu)點和缺陷，總體來說評價結(jié)果可靠、直觀，但需注意數(shù)據(jù)兼容及進一步改進網(wǎng)絡(luò)分析模型[21]。

2.1.2 污染源結(jié)構(gòu)分析

污染源結(jié)構(gòu)分析是水質(zhì)目標(biāo)管理中一項重要環(huán)節(jié)，明確流域污染源分類，才能采取針對性措施控制污染。流域內(nèi)污染物依據(jù)污染來源主要劃分為點源污染和面源污染，兩種污染在產(chǎn)生機理、入河方式、影響機制等因素上具有各自不同的特點[22-23]。張春寶調(diào)查了滇池流域的主要污染源，顯示為工業(yè)污染源排放[24]。白娟等人確定江淮流域內(nèi)中型水庫點源污染為城鎮(zhèn)生活污水，面源污染為農(nóng)業(yè)面源及零散畜禽養(yǎng)殖[25]。不同流域污染源結(jié)構(gòu)不一，實際應(yīng)用時應(yīng)按照各流域現(xiàn)實狀況進行分析。

2.2 控制單元劃分

將龐大復(fù)雜的流域系統(tǒng)劃分為相對獨立的若干小單元，可有針對性地緩解流域水污染問題，利于流域總體治理規(guī)劃。基于差異性劃分依據(jù)和管理模式，國內(nèi)外依據(jù)水文單元、水生態(tài)區(qū)和行政區(qū)3種劃分方法開展控制單元劃分工作。我國借助GIS系統(tǒng)，根據(jù)行政區(qū)劃、水環(huán)境功能區(qū)劃和自然匯水區(qū)劃等來劃分控制單元，國外則多依據(jù)水生態(tài)分區(qū)進行。我國也有學(xué)者進行水生態(tài)功能分區(qū)的研究，如中國環(huán)境科學(xué)研究院對遼河流域進行了水生態(tài)分區(qū)，將其劃分為3個1級區(qū)和14個2級區(qū)，較為科學(xué)地反映了流域的水生態(tài)環(huán)境特征[26]。但因國家尚未進行全面完整的基于水生態(tài)功能的流域劃分工作，目前我國對水生態(tài)功能分區(qū)的應(yīng)用還相對較少。

2.3 水質(zhì)目標(biāo)核定

水質(zhì)目標(biāo)的確定以水功能標(biāo)準(zhǔn)為主要依據(jù)，參考水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，同時綜合考慮各類約束因素[27]，最終制定研究流域的水質(zhì)目標(biāo)。雷坤等人在研究南沙河控制單元水質(zhì)目標(biāo)時，提出了水質(zhì)目標(biāo)核定的多約束關(guān)系系統(tǒng)，包括地理約束、功能約束和排污口約束，要求把各方面最嚴(yán)格約束的組合作為對流域及區(qū)域最大允許納污量的限制[11]。周剛等人在此基礎(chǔ)上增加了一項時間約束條件，依據(jù)不同污染物的特征屬性及所保護目標(biāo)，來合理確定所需達標(biāo)的時間和頻率，以通過允許平均期及超標(biāo)重現(xiàn)期來控制風(fēng)險[28]，結(jié)果更為全面、客觀。

2.4 污染負荷和水質(zhì)響應(yīng)分析

2.4.1 污染負荷核算

流域內(nèi)污染主要受點源和面源(即非點源)的共同作用影響。通過對點源和非點源污染量的估算及對其產(chǎn)生機制和特點進行分析，明確污染源的結(jié)構(gòu)組成特征，確定其排放負荷，有利于針對性地提出下一步治理方案。點源污染因其排放位置集中且相對固定，利用實時監(jiān)測數(shù)據(jù)并結(jié)合排污系數(shù)法來估算污染負荷量；非點源污染由于隨機性較強、分布較廣和潛伏期較長，估算水質(zhì)目標(biāo)趨勢困難，需借助大量數(shù)學(xué)方程概化區(qū)域內(nèi)面源污染實際情況。目前一般采用兩類數(shù)學(xué)模型進行估算：統(tǒng)計型經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃蜋C理性過程模型。前者主要有降雨量差值法、輸出系數(shù)法、水量水質(zhì)相關(guān)法等；后者主要是應(yīng)用國外模型，常用如HSPF[33]、SWAT[34]、GWLF[35]和SPARROW[36]等。

在實際應(yīng)用操作中，統(tǒng)計性經(jīng)驗?zāi)Ｐ退钄?shù)據(jù)少，估算速度快，但在非點源污染的產(chǎn)生和輸移機理及流域動態(tài)水文過程對污染物的輸出影響方面不能較為直接地加以反映[27]，可應(yīng)用范圍有限。機理性模型大多直接沿用國外模型，較少考慮其適用條件可能與我國國情之間存在的差異。兩類模型都因應(yīng)用大量變量和常數(shù)而存在一定的不確定性，尤其是空間差異性，成為目前應(yīng)用中的一大難點。

2.4.2 水質(zhì)響應(yīng)分析

通過水質(zhì)模型模擬的方法來建立污染負荷和水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系，直觀清晰地展示不同污染源對水質(zhì)的影響，有利于流域最大允許納污量的計算和分析。當(dāng)前應(yīng)用較廣的有WASP模型、WASP與EFDC模型耦合及MIKE21模型等。WASP模型用來模擬常規(guī)污染物和有毒污染物在水中的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，與其他模型特別是與水環(huán)境模擬系統(tǒng)EFDC模型結(jié)合使用而廣泛應(yīng)用；MIKE21軟件主要應(yīng)用于對河流、湖泊、河口、港口的水質(zhì)、泥沙及水動力的模擬研究[37]。

任華堂等人通過建立深圳灣水質(zhì)EFDC模型，對深圳灣突發(fā)污染負荷的響應(yīng)特征進行了研究，定量模擬了深圳灣水環(huán)境對突發(fā)污染負荷的響應(yīng)特點，模型的模擬結(jié)果可靠、有效[38]。宮雪亮等人運用MIKE21模型模擬研究了南四湖上級湖水量水質(zhì)響應(yīng)特點，進一步分析了其水質(zhì)變化過程，為改善南四湖水質(zhì)提供了有效的科學(xué)依據(jù)，具有一定的參考意義[39]。

2.5 污染負荷削減分配

污染物負荷削減分配是水質(zhì)目標(biāo)管理的核心關(guān)鍵所在，關(guān)系到污染排放控制的實際落實。污染物削減分配主要包含兩方面內(nèi)容：以水質(zhì)目標(biāo)為基礎(chǔ)的容量核算和污染負荷分配。其中負荷分配包括點源、面源之間以及點源之間的污染負荷分配[40]。

2.5.1 水環(huán)境容量核算

水環(huán)境容量核算就是計算目標(biāo)流域或選定目標(biāo)單元所能承受的水質(zhì)目標(biāo)下的最大污染物排放量。國外水環(huán)境容量核算主要以不確定方法為主，主要有概率稀釋模型法、未確知數(shù)學(xué)方法和隨機規(guī)劃法等，一定程度上考慮了污染源的隨機排放和波動特性，管理上更具實操性。與發(fā)達國家相比，我國較晚開始水環(huán)境污染控制方面的研究[41]，監(jiān)測數(shù)據(jù)較為缺乏。目前我國應(yīng)用最為廣泛的水環(huán)境容量核算方法多參考中國環(huán)境規(guī)劃院《全國水環(huán)境容量核定技術(shù)指南》，應(yīng)用公式法進行計算。

楊杰軍等人以大沽河為例，依據(jù)河流水力特性的不同，將河道水體分為河道、攔河閘水體和感潮河段3種類型，基于不同的水體類型分別采用不同的水質(zhì)模型來確定水環(huán)境容量。主要包括河流一維水質(zhì)模型、湖庫均勻混合模型和河口一維水質(zhì)模型，以3類水體的環(huán)境容量之和作為河流的環(huán)境容量，較為準(zhǔn)確地核算了大沽河的水環(huán)境容量[42]。

2.5.2 污染負荷分配與削減

污染負荷分配是水質(zhì)目標(biāo)管理中的核心內(nèi)容，制定科學(xué)合理的污染負荷分配方案，是實施水質(zhì)目標(biāo)管理的關(guān)鍵所在。污染負荷分配是以流域點面源污染負荷量為基礎(chǔ)，依據(jù)各個污染源的排污地點、數(shù)量和方式，結(jié)合污染源污染負荷削減技術(shù)和污染物削減優(yōu)先順序，并適當(dāng)考慮經(jīng)濟可行性等因素[43]，對各控制單元區(qū)域內(nèi)環(huán)境資源進行分配[44]，并制定合理有效、經(jīng)濟公平的分配方案[45]。雷坤等人根據(jù)專家打分法，結(jié)合南沙河流域?qū)嶋H情況，確定了排污口的總量分配，并通過排污口入河系數(shù)，按照等比例分配原則對各污染源現(xiàn)狀排放量進行分配，得到了南沙河各排污口污染源分配方案，方法客觀、可行[11]。李艷等人在此基礎(chǔ)上，預(yù)留了5%的安全余量后將水環(huán)境容量分配到點源和面源上，實現(xiàn)了清河流域的污染源負荷分配，分配原則簡單、方法具有可操作性，有一定的借鑒意義[46]。

3 研究展望

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷推進，我國環(huán)境問題日漸凸顯，尤其是流域水環(huán)境污染日益嚴(yán)重，流域水體污染控制及水質(zhì)管理問題引起了國家的高度重視。對流域水環(huán)境問題進行分析、識別和診斷，確定水環(huán)境特征、解析污染物結(jié)構(gòu)，可以有針對性地解決水污染問題。水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)是以控制單元水質(zhì)指標(biāo)和水質(zhì)管理目標(biāo)為基礎(chǔ)的，目前在國內(nèi)外應(yīng)用較廣、治理效果較好的流域綜合管理技術(shù)，能夠使流域水環(huán)境管理更具科學(xué)性和操作性。本文在概述當(dāng)前我國水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)的研究進展的基礎(chǔ)上，進一步展望了流域水污染管理的發(fā)展態(tài)勢。國外應(yīng)用水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)的大量實踐表明：流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)對于治理流域水環(huán)境污染、改善水環(huán)境質(zhì)量起到了非常重要的作用。我國近年來也開展了大量有關(guān)水功能分區(qū)、水質(zhì)模擬模型、水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等方面的研究，但相較于國外的水質(zhì)管理技術(shù)，仍有很多不足的地方。在以后的應(yīng)用中，需進一步關(guān)注以下幾個方面：

(1)完善適用于我國的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。我國現(xiàn)行的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)主要參考國外的水環(huán)境基準(zhǔn)，沒有充分考慮到我國生態(tài)地域的復(fù)雜性特點。因此，迫切需要開展關(guān)于適用于我國水環(huán)境特點的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究，建立符合我國國情的水環(huán)境基準(zhǔn)。

(2)改進污染負荷核算的使用模型。統(tǒng)計性經(jīng)驗?zāi)Ｐ鸵蚱渌钄?shù)據(jù)少，對長期平均負荷的估算速度快，在污染控制中有一定的應(yīng)用。而直接沿用國外的機理性模型雖然功能強大、能夠得到非點源污染產(chǎn)生和輸移的機理以及流域的動態(tài)水文過程對污染物的輸出影響，但其忽略了國外適用條件與我國現(xiàn)實情況的差異性，易造成極大的誤差甚至導(dǎo)致錯誤。因此，研發(fā)符合我國流域特征的污染負荷計算模型，或根據(jù)我國流域特征對現(xiàn)有模型進行改進，是完善我國流域污染控制及管理技術(shù)中的關(guān)鍵內(nèi)容。

(3)設(shè)計科學(xué)的水文條件并合理確定安全余量。在污染負荷分配的實際應(yīng)用中，不同水體應(yīng)采用不同的水文計算模型進行水環(huán)境容量核算，并考慮研究區(qū)域各水期水量對污染物的稀釋及自凈作用，綜合選取適宜的參量進行計算。污染負荷分配過程中設(shè)計合理的安全余量可以在一定程度上減少污染負荷削減的不確定性，但其量值的大小對負荷分配結(jié)果的影響較大，估值時要根據(jù)流域?qū)嶋H情況準(zhǔn)確估算預(yù)留，以保證最終分配方案的科學(xué)實施。