基于水質目標管理的污染負荷總量控制方案研究
——以滇池流域為例

邵 智，楊 艷，支國強，吳 雪，何 佳，張 英，李昕悅

（昆明市生態環境科學研究院，云南 昆明 650032）

0 引言

日益嚴峻的流域水環境污染問題變得愈加突出，使得水體污染有效控制與水環境科學管理在國內外受到廣泛關注。其中，水污染總量控制手段是一種使污染物穩定在所需控制要求的水環境管理方式。歐美等許多發達國家針對本國水污染狀況相繼開展了水質管理技術的研究，如美國TMDL計劃[1]，歐盟萊茵河總量控制管理[2]，以及日本東京灣、伊勢灣及賴戶內海等流域的總量控制計劃[3-4]等。其中以美國TMDL計劃最具代表性。該計劃經過20多年的改進和發展，逐步形成了一套完整系統的總量控制策略和技術方法體系[1-6]。這些管理技術均以水質目標為導向，以水生態系統完整性保護為目標，實現了從污染物控制向流域水生態管理的戰略轉型[7]。

在水污染控制和水環境管理方面，我國相關研究人員進行了積極的探索，雖然比發達國家的進展緩慢，但也取得了一定的成效。從20世紀70年代開始，我國相繼開展了大量關于水環境容量、水功能區劃、水質模型、流域水污染防治綜合規劃以及排污許可證管理制度等方面的研究，初步建立了我國水環境管理基本制度[6]。自1973年國務院召開第一次全國環境保護工作會議以來，我國的水環境管理經歷了“以濃度控制為主、以總量控制為主、水質目標管理”三個階段，管理思路不斷完善。“十三五”期間《國家生態環境保護“十三五”規劃》明確提出“以環境質量為核心”，把環境質量作為約束性指標和環保工作的核心，標志著環境保護階段和治理要求發生戰略性轉變，也表明在未來一定時間內，我國將實行以水質目標管理為導向的水環境管理[8-15]。

圍繞滇池保護治理，“九五”~“十三五”國家和地方政府編制并組織實施了五個五年規劃。各階段均提出了治理目標及匹配的工程項目，污染物總量控制目標均已完成，但水質目標實現情況較差[8]。

目前滇池流域水環境管理仍然以污染物排放控制為核心，仍然屬于目標總量控制的范疇，有必要進一步優化流域的污染負荷總量控制方案和水質目標管理模式，進而實現流域總量控制與水環境質量控制相協調，與流域資源環境承載力相協調。

本研究圍繞滇池規劃水質目標管理，提出以流域污染控制指標作為總量分配的控制因子，并對水環境容量確定方法、控制指標確定方法、總量削減方案確定方法、入湖河道水質管控目標確定方法開展研究，形成一套“總量削減控制目標→流域污染控制指標→總路削減任務分配方案→達標驗證及方案修正”的湖泊流域污染負荷總量控制方法體系，提升滇池水質目標管理的科學性，助力湖泊水質目標的實現。

1 研究區域概況

滇池位于昆明主城區南部，處于長江、紅河、珠江分水嶺地帶，屬長江流域，為普渡河干流上的湖泊。滇池流域面積2920 km2，主要入湖河流有35條，集水面積＞100 km2的7條，分別是盤龍江、寶象河、洛龍河、撈魚河、晉寧大河、柴河、東大河。滇池正常高水位為1887.5 m，平均水深5.3 m，湖面面積309.5 km2，湖岸線長163 km，湖容15.6億m3，多年平均入湖徑流量為9.7億m3，湖面蒸發量4.4億m3。滇池分為外海和草海，其中，外海正常高水位為1887.50 m，平均水深5.3 m，湖面面積298.7 km2，湖岸線長140 km，湖容15.35億m3，注入外海的主要河流有28條，多年平均入湖徑流量為9.03億m3，湖面蒸發量4.26億m3；草海正常高水位為1886.80 m，平均水深2.3 m，湖面面積10.8 km2，湖岸線長23 km，湖容0.25億m3，注入草海的主要河流有7條，多年平均入湖徑流量為0.67億m3，湖面蒸發量0.14億m3。

20世紀60~70年代滇池水質為Ⅱ~Ⅲ類，從20世紀70年代“圍湖造田”到80年代末開始迅速推進的城鎮化和工業化，高速發展的社會經濟及人口導致入湖污染負荷迅速增加，生物多樣性減少，流域內的人類活動突破了滇池的自凈限度，滇池水質惡化到劣V類，富營養化日趨嚴重[8]。經過20多年的治理，目前滇池水質惡化的趨勢已經得到控制。“十二五”末，滇池已由重度富營養轉變為中度富營養，除總氮、總磷和化學需氧量3項指標超Ⅳ類標準外，其余19項指標均達到或優于Ⅳ類標準。

2 研究方法

根據規劃情景下污染負荷預測及滇池水環境容量，確定入湖污染負荷控制目標，建立流域污染控制指標體系，以此為基礎，研究確定研究情境下滇池流域污染削減總量控制方案，并利用模型進行目標可達性驗證。研究技術方法具體包括六個步驟，具體技術流程見圖1。

圖1 污染負荷總量控制方案研究技術路線圖

2.1 水環境容量及總量目標確定方法

隨著水環境數學模型的應用和計算機技術的不斷進步，水環境容量計算方法也在不斷更新，逐漸形成了解析公式法、模型試錯法、系統最優化法、概率稀釋模型法、未確知數學法等計算方法。其中系統最優化法包括線性規劃、非線性規劃、動態規劃及隨機規劃等[21]。水環境容量計算中所采用的主要是解析公式法與線性規劃法。解析公式法計算簡便，適用于水文要素、水力條件變化不大的水域；基于動態水環境模型的線性規劃法，自動化程度高、精度高、對邊界條件及設計條件的適應能力強，適應水域多[18]。本研究利用EFDC模型構建的滇池湖體水質水動力模型，并基于EFDC模型選用線性規劃法計算“草海Ⅳ類、外海Ⅳ類”目標情景下的水環境容量，并根據入湖污染負荷核算和預測結果，確定總量控制目標。

2.1.1 模型構建

EFDC模型是美國國家環境保護署（USEPA）支持并推薦用于復雜地表水模擬研究的三維水動力水質模型系統，集成水動力模塊、泥沙輸運模塊、污染物遷移轉化模塊和水質預測模塊，可用于包括河流、湖庫、濕地和近岸海域等水體一維、二維和三維物理化學過程的模擬［21-22］。本研究中構建EFDC湖體水質水動力模型，草海區域按150 m×150 m矩形網格劃分計算網格，共有網格數347個；外海區域水平方向按550 m×550 m矩形網格劃分，同時垂直方向在σ坐標系下劃分為三層，從頂部到底部共生成2865個計算網格。

正常情況下，EFDC模型需要進行連續三年以上的水質水動力率定，但由于近年來滇池治理工程較多，出湖、入湖水文邊界條件每年都在發生較大變化，無法進行連續多年的模型率定校驗，因此本研究中滇池湖體水動力和水質模塊的率定和驗證時間均為2017年1月1日—2017年12月31日。水動力模塊率定的變量為水位、水溫、流場，水質率定校驗基于滇池湖體的10個國控點位，率定參數主要是與浮游植物、碳、氮、磷過程相關的參數。選擇模擬值與觀測值的線性回歸相關系數（R2）和相對誤差對模型精度進行評價。滇池湖體的10個國控點位分布情況詳見圖2。

圖2 滇池湖體各國控斷面的分布情況

滇池EFDC湖體水動力模塊模擬的滇池水位與實際水位對比分析見圖3，水質的模擬值與實測值之間的對比見表1。可以看出，水位的模擬結果均很好地吻合了實測數據，R2達到0.99；水質的模擬結果相對誤差基本在0.1以內。模型的驗證結果說明，模型滿足模型模擬精度要求，可用于支撐后續的模擬分析研究。

表1 水質模型模擬值與實測值對比

圖3 模擬—實際水位統計分析圖

2.1.2 水環境容量計算

研究以2018年作為水文條件基準年。2018年，滇池外海平均水位1887.30 m，庫容15.31億m3；草海平均水位1886.56 m，庫容2332.04萬m3。

計算基本思路：①通過水動力水質模型計算各污染源在單位負荷下的響應場，建立污染源與水質之間的響應關系；②構建總量分配計算的優化目標和約束方程，采用線性規劃方法，計算污染物水環境容量。

式中：決策變量Xj—第j個污染源的排放量；aij—第j源對第i控制點的響應系數，可由水質模擬計算得到；Ci—控制斷面（點）i的水質控制濃度。目標函數是某一類污染物的最大允許排放總量，這是一種簡單的線性規劃問題。

2.1.3 入湖污染負荷核算及預測

滇池流域水污染源主要包括城鎮生活源、第三產業、工業源、農業農村面源、城市面源、水土流失和外流域引水帶來的負荷[20]。以滇池流域入湖污染負荷組成架構作為削減控制方案基礎框架，在各類污染源污染控制措施梳理基礎上，遵循流域污染負荷產生、削減、排放的遷移流程，利用Excel電子表格軟件建立入湖污染負荷預測核算鏈接方程，核算、預測內容及流程框架見圖4。在各類污染源體量調查及規劃發展預測的基礎上，結合污染排放單量、現狀水污染治理設施削減水平，核算2018年各子流域污染負荷產生量、削減量、入湖量，并預測2025年污染負荷產生量，人口與社會經濟發展趨勢預測主要依據見表2，水污染負荷核算方法見表3。

表2 滇池流域水污染負荷預測依據統計表

表3 滇池流域水污染負荷核算方法統計表

表4 滇池流域污染控制指標構成表

圖4 滇池入湖污染負荷預測核算方程架構圖

圖5 削減方案驗證及修正技術流程圖

2.1.4 總量管控目標確定

以滇池外海、草海水環境容量和2025年滇池流域污染負荷預測結果，計算規劃水質目標下的污染負荷削減總量目標。計算公式如下：

式中：Qi—污染物削減總量目標；Li—污染物預測產生量；Ci—污染物最大應許排放量。

2.2 指標體系及削減方案確定方法

2.2.1 控制指標體系

科學合理的分配方案是落實總量控制目標和實現水質目標管理的關鍵，分配時需考慮公平性、效率性、技術可行性和方案可操作性，同時還需考慮流域整體和區別原則[17]。本研究以污染核算及預測過程建立的入湖污染負荷預測核算鏈接方程為基礎。在措施削減環節設置針對點源、城市面源、農業農村面源、水土流失源、補水攜帶源的污染控制指標，通過指標設置及調控分配削減任務，進而控制入湖總量。

考慮不同區域污染削減控制基礎條件差異，本研究控制指標按其所處控制區（北岸、東岸、西岸、南岸）差異設置。在現狀削減指標不降低基礎上，按照優先調控點源削減指標，面源削減指標補充調控的調試步驟，確定各情景下滇池流域污染控制指標組合。

2.2.2 削減任務分配方案

根據上一步確定的各河道（子流域）污染控制指標，基于入湖污染負荷預測核算鏈接方程，核算分配各子流域點源、城市面源、農業農村面源、水土流失源、補水攜帶源的削減任務量。

2.3 方案驗證及修正

基于總量削減控制方案確定的污染管控要求，通過各河道現狀水質判別、污染負荷（削減）—水質響應判別、水源判別三步驟，確定各子流域總量削減控制方案相對應的入湖河道水質濃度管控目標。

第一步：現狀水質判別。首先根據2017—2019年滇池流域入湖河道水質數據，判別各河流水質現狀水平。因非常規事件造成的水質異常數據，以及現狀維持合流制通道功能的末端截污河道監測數據視為不具代表性數據，剔除不具代表性數據后，取近3年最優年均水質作為河道現狀基礎水質。

第二步：污染負荷—水質響應判別。根據滇池湖體不同水質目標下總量削減控制方案提出的削減管控指標要求，以各子流域現狀削減水平對應的河道現狀水質作為基礎水質，通過計算不同管控指標下流域入河污染負荷削減提升量，結合各河道基礎流量分析，模擬計算河道響應水質。

計算公式如下：

式中：C—規劃削減管控方案對應水質濃度；Q—河道年均流量；Cn—河道現狀水質；Wn—現狀年入河污染負荷量；Wy—規劃削減管控方案下年入河污染負荷預測量。

第三步：水源判別的水質補充修正。對于水源構成單一，現狀河道水質缺乏代表性的河道，根據水源構成設計及流域污染削減管控要求，結合水源水量及水質情況，對河道水質進行模擬計算，并以該計算結果作為最終水質目標。

最后利用EFDC模型，以各河流水質管控目標作為邊界條件，代入計算。如能滿足滇池水質達標，則削減方案設定合理；如不可達，對削減控制指標及河道水質目標進行調整，直至可達。

3 結果與討論

3.1 滇池水環境容量及入湖污染負荷總量削減控制目標

經核算，2025年滇池外海、草海水質達到Ⅳ類目標要求下，滇池外海CODCr、NH3-N、TN和TP的最大允許入湖量分別為27441 t/a、11386 t/a、5956 t/a和429 t/a；對比2025年污染負荷產生量預測結果，需要削減的污染負荷總量分別為CODCr142457 t/a、NH3-N 2946 t/a、TN 17726 t/a和TP 2617 t/a，削減量較2018年增加比例分別為26%、0%、19%和14%。滇池草海CODCr、NH3-N、TN和TP的最大允許入湖量分別為4461 t/a、3280 t/a、608 t/a和63 t/a，對比2025年污染負荷產生量預測結果，需要削減的污染負荷總量分別為CODCr61047 t/a、NH3-N 1608 t/a、TN 7842 t/a和TP 686 t/a，削減量較2018年增加比例分別為38%、0%、34%和32%。

外海、草海環境容量、2018年削減量、2025需增加削減量對比情況見圖6。

圖7 2025年滇池總量削減任務占比構成

3.2 污染負荷總量控制方案

本研究以2025年牛欄江-滇池補水條件保持不變作為邊界條件，經過調試和驗證確定的2025年滇池流域污染負荷總量控制方案如下：

（1）流域污染控制指標

根據研究結果，2025年牛欄江補水攜帶進入草海的TN已大于水環境容量，在補水水質不提升的情況下，草海TN削減任務無法完成，結合湖體水質考核需要（不考核總氮），草海流域應以調控COD、NH3-N、TP削減任務為主。各類污染源具體削減控制指標見表5。

表5 2025年滇池流域污染控制指標表 （%）

2025年設置的削減控制指標與現狀水平總體差距不大，各級河道點源污水收集處理率需達到85%~90%，部分收集處理率較高流域可維持現狀，收集處理率較低流域在現狀水平上需有所提升；城市徑流總量控制率及農業農村面源污染控制指標較現狀需小幅提升。

（2）流域污染負荷削減任務

經核算，執行以上削減控制指標，通過措施削減、沿程削減、截污外排三個削減過程，滇池流域累積可削減污染負荷COD 210415 t/a、NH3-N 17226 t/a、TN 26515 t/a和 TP 3405 t/a，削減總量較現狀削減量分別提升34%、29%、28 %和20%。其中需要通過措施削減的COD、NH3-N、TN和TP任務量，滇池外海流域分別為131697 t/a、11577 t/a、15937 t/a和2501 t/a，草海流域分別為55037 t/a、4155 t/a、5558 t/a和648 t/a。

從措施削減任務類型來看，滇池外海削減任務量最大的為點源削減任務，其次為農業農村面源削減任務；草海流域削減任務量最大的為點源削減任務，其次為城市面源削減任務。

3.3 方案達標驗證結果

本研究利用經率定驗證的滇池湖體水質水動力模型，代入管控方案確定的河道水質作為入湖河流水質邊界，在滇池外海、草海現狀（與規劃期基本一致）水動力條件基礎上，模擬湖體水質響應，模擬結果見圖8和圖9。通過EFDC模型驗證，執行方案設定的入湖河道管控水質，對應湖體水質目標能夠達成，污染負荷總量控制方案合理。

圖8 草海IV類河道水質管控目標情景下污染物空間分布

草海水質模擬結果見圖8，由于牛欄江補水COD指標較低，氮磷指標較高，因此模擬情景下草海COD南部高于北部，NH3-N、TN、TP指標北部高于南部。

外海水質模擬結果見圖9，COD濃度北部較低，東岸部濃度較高；NH3-N、TN、TP濃度空間分布情況相似，東南部湖區較低，北部湖區較高。

4 結論與建議

本研究基于湖泊水質目標管理，充分考慮湖泊子流域污染控制基礎條件差異、污染源削減潛力差異、河-湖水質響應關系差異，提出對各子流域的各類污染源和入湖水質目標實施差異化的管控策略，并建立流域污染控制指標體系，依據指標體系分解染負荷控制任務，確定染負荷總量控制方案。以滇池流域為例，對湖泊水環境容量、污染負荷核算及預測、削減控制指標及總量控制方案、方案達標驗證及修正等方法開展研究，建立的流域污染負荷總量控制方案研究方法體系，實現了流域污染控制指標體系、污染負荷總量控制方案、入湖河道水質管控與湖泊水質目標管理的系統聯動結合，可提升湖泊水質目標管理方案的科學性和可操作性。經EFDC模型驗證，通過該方法體系確定的滇池流域污染負荷總量控制方案能較好的滿足湖泊水質目標達成，該方法體系可應該于其它湖泊的水質目標管理方案制定。

基于上述方法體系，本研究以滇池為例，對“2025年草海達Ⅳ類、外海達Ⅳ類”目標情景下流域污染負荷總量控制方案開展研究。根據研究結果，由于牛欄江補水攜帶進入草海的TN已大于水環境容量，在補水水質不提升的情況下，草海TN削減任務無法完成，結合湖體水質考核需要（不考核總氮），草海流域應以調控COD、NH3-N、TP削減任務為主。2025年各污染源控制指標應在現狀水平上有所提升，按滇池河-湖水質響應的重要性，宜對各子流域實施差異化的控制策略，各子流域點源污水收集處理率宜達到85%~90%，部分收集率較高流域可維持現狀，收集率較低流域在現狀水平上需有所提升；城市徑流總量控制率宜較2018年提升10%~30%；農村生活污水收集處理率宜較2018年提升10%~30%；化肥施用總量削減率宜較2018年提升10%~20%；農業固廢處置率宜較2018年提升5%~15%；散養畜禽糞便處置率宜較2018年提升3%~8%；水土流失污染削減率宜較2018年提升10%。