我国现行水域纳污能力计算方法的思考
2021-03-23
来源:小侦探旅游网
前 沿 2012.1中国水利 我国现行水域纳污能力 计算方法的思考 赵鑫,黄茁,李青云 (长江水利委员会长江科学院流域水环境研究所,430010,武汉) 摘要:实施最严格水资源管理制度“三条红线”的管理目标中,水功能区限制纳污是其中之一。限制纳污需要确 定水域纳污能力.而现行的《水域纳污能力计算规程(GB/T 25173--2010)))在实际应用中存在较大争议。从设计 水文条件的设置、污染源、排污口概化、计算模型与反应参数等方面对当前的纳污能力计算方法进行了详细的分 析.指出了目前的处理方式产生争议的原因及相应的解决对策。并结合美国环保局的TMDL思想内涵,探讨 TMDL对我国纳污能力计算的借鉴意义.最后提出了开展以水生态系统健康为目标的动态、多指针、综合点源与 面源污染生态纳污能力的计算思路 关键词:水域纳污能力;水质模型;非点源污染;动态模拟 Consideration on current calculating method of pollution carrying capacity in Chintf/Zhao Xin,Huang Zhuo,Li Qingyun Abstract:Restriction of pollution discharge in water function zones is one of the three measures listed in the stringent water resources management system of“three redlines”.In order to define the pollutant carrying capacity of water bodies,the calculation code(GB/T 25173——2010)is adopted in practice but be disputed.A detailed analysis is conducted from five aspects:setting of designed hydrological condition,pollution sources,drainage generalization,index selection and the calculation model with reaction parameters.Potential problems are pointed out when using current method and corresponding countermeasures provided.The connotation of TMDL by United State EPA is expounded for reference in China.Finally,a carrying capacity aiming at conservation of aquatic ecosystem is suggested by taking dynamic modeling,complex model structure,point source and non—point pollution into full consideration. Key words:carrying capacity of water bodies;water quality model;nonpoint source pollution;dynamic modeling 中图分类号:TV213 文献标识码:B 文章编号:1000—1123(2012)01—0029—04 起到了重要的作用.但是在设计水文 条件的选取、计算模型、污染物衰减以 及污染物负荷估算等方面还存在一定 随着我国社会、经济的快速发 展.水问题日益突出。水资源短缺日 趋严峻 2011年中央1号文件要求实 施最严格水资源管理制度.提出了 “三条红线”的管理目标.水功能区限 念.并与水域限制排污总量一起构成 我国水资源保护行业的重要基础 《水域纳污能力计算规程(GBfr 25173--2010))(以下简称《计算规 程》)中给出的水域纳污能力(类似的 概念称作水环境容量)的定义为“在设 计水文条件下.满足计算水域的水质 目标要求时.该水域所能容纳的某种 污染物的最大数量” “纳污能力”概念 及其计算方法的提出为定量化某一水 争议.导致同地区之间以及同一地区 部门之间计算结果偏差较大 一制纳污便是其中之一。限制纳污必须 要计算出水域纳污能力 “纳污能力”一词最早源于1998 、目前纳污能力计算方 法存在的一些问题 1.设计水文条件 《计算规程》中设计水文条件一 年的全国水资源保护规划.2002年颁 布的《中华人民共和国水法》首次在 法律上明确了“水域纳污能力”的概 域最大污染物排放量、保护水体水质 般取90%保证率最枯月平均流量(水 收稿日期:2011-11—02 作者简介:赵鑫.博士,主要从事流域水环境数值模拟研究。 基金项目:水利部公益性行业专项经费项目“长江中下游干流纳污总量控制研究”(201001006);长江水利委员会长江科学院中央级公益性科研 院所基本科研业务费项目“水域纳污能力计算关键技术研究”(CKSF2011010/SH+HL)资助。 29— 前 沿 CHINA WATER RESOURCES 201 2.1 量)或近l0年最枯月平均流量(水 量).计算得到的纳污能力为定值 事 实上水体水文过程和其他自然因子 显现出动态变化特征.决定了水体的 纳污能力必然是一个变数 如果仅按 照一个确定的纳污能力作为控制标准. 而且这个量值偏于安全.那么大多数时 段的污染负荷都会超过这个量值 但是 同期水质状况却未必都是超标的.这种 控制量对于管理工作也就失去了实际 意义.因此很有必要开展不同来水条件 下的纳污能力计算。目前不同来水条件 下的纳污能力计算大部分通过选取不 同保证率来实现最终体现.但是这些 只是人为设定的数值.与水文情势没 有必然联系 韩守江等的研究考虑了 水文条件的变化.采用频率为75%条 件下的流量作为现状的设计流量.并 根据年内流量的变化划分出枯水期、 平水期、丰水期3个水期,分别开展了 嫩江、松花江干流水体纳污能力分析。 然而该研究只选择了不同水期的代表 流量进行了计算.并未探讨更小时间 尺度纳污能力动态变化 马巍等以枯 水年作为代表水文年.采用二维数学 模型进行太湖纳污能力动态变化的模 拟.得到了纳污能力总量和逐月的量 值,但是对于特殊水文情势下(如洪水 过程或者极枯流量条件1的纳污能力 难以体现 因此有必要开展以日为单 位的动态纳污能力计算 2.污染源 当前我国污染物控制方面依然 以控制点源排放为主.削减通过排污 口进入水体的污染物总量.而非点源 污染则较少.但非点源污染的严重性 及非点源污染防治的重要性已经为 国内外所认识 国内外开展的多项研 究表明.非点源污染源已经成为水环 境的重要污染源.甚至首要污染源。 许多发达国家已经证实.农业非点源 污染是导致水环境恶化的主要原因 之一 据报道,美国的非点源污染量 占污染总量的2/3.其中农业非点源 贡献率占非点源污染量的75%左右。 II 30 我国的多项研究也表明非点源污染 已经上升为威胁人类饮用水的主要 原因.许多水域的非点源污染超过点 源造成的污染.如孙阳等计算结果显 示.三峡库区由点源产生的污染负荷 总氮为1.7万t/a,总磷为0.24t/a:由 面源产生的污染负荷总氮为12.2万 如.总磷为0.66t/a.面源污染负荷占 总负荷的80%左右。 非点源污染主要有以下特点:发 生具有随机性:污染物的来源和排放 点不固定.排放具有间歇性:污染负 荷的时间变化(次降雨径流过程、年 内不同季节及年际)和空间变化幅度 大;监测、控制和处理困难而复杂。 目前纳污能力计算方法主要计 算满足水功能区出口断面水质标准 时水体可接受的污染物最大负荷量. 这种计算方法适用于水体中污染负 荷主要来源于点源排放的地区 如非 点源对水体中污染物负荷贡献较大. 甚至超过点源.在纳污能力计算中仍 然忽略非点源.结果将出现很大偏 差。以三峡库区为例,由于库区氮磷 污染负荷主要来源于丰水期降雨产 生的非点源污染.水库中尽管水量 大.但是丰水期也是氮磷浓度较高时 期.水体氮磷含量超过水质目标.已 无纳污能力。而按照《计算规程》水体 中依然有纳污能力.明显与实际情况 不符。 《计算规程》中对污染源污染负 荷计算法采用实测法、调查统计法 和估算法.三种方法中实测法用来 确定点源排放负荷.调查统计法和 估算法尽管也能估算部分非点源污 染负荷.但主要还是确定点源排放 负荷.获得的污染负荷数量为定值。 事实上排污水流量与污染物负荷是 随时间变化的变量.非点源更是具 有随机性 为了准确确定入河污染 物的数量.必须获取点源排放的时 间序列数据.以及基于气象、土地利 用、土壤类型等数据的非点源污染 负荷动态产输量 目前国际上广泛 开展了动态的非点源污染负荷模 拟.采用的模拟工具主要有HSPF、 SWAT、SWMM等 3.排污口概化 《计算规程》中对排污口概化的 规定为“有多个人河排污口的水域.可 以根据排污口的分布、排放量和对水 域水质影响进行简化” 对于如何简化 并无具体规定.可操作性比较差。而且 容易出现针对同一河段由于采用不同 的概化方法而得到不同纳污能力的状 况 目前纳污能力计算中排污口的概 化主要分两类:一种将计算河段内的 多个排污口概化为一个集中的排污 口.概化排污1:3位于河段中点处或者 其他位置.相当于一个集中点源:另 外一种为污染物排放口在同一功能 区内沿河长均匀分布.并认为污染源 源强在同~功能区内沿河长均匀分 布 事实上南于不同计算者对污染源 有不同的认识.或者选择概化方法过 程受不同利益方影响.增加了计算结 果的不确定性 为减少这种不确定 性.在纳污能力计算中应尽量在模型 中体现污染物位置和排放量.尤其对 于宽大型河流.更应该慎重.否则会 引起左右岸、上下游之间对排放量总 量的争议 4.计算模型与反应参数 《计算规程》推荐的纳污能力计 算模型分为河流模型和湖泊模型两 类.维度根据水体和污染物特征可采 用零维、一维和二维,且主要稳态模 型可直接求得解析解 当污染物非恒 定排放时.也可按差分法推求数值 解.用数值法求得计算水域代表点的 污染物平均浓度C(x.Y).以计算水域 纳污能力.这实质上也是一种平均化 的思想.不能用来计算不同来水量时 水体纳污能力的动态变化。为获得动 态水体纳污能力必须开展非恒定流 水动力模型与水质模型耦合模拟。 污染物综合降解系数是在各种 物理、化学、生物作用下水体中污染 物减少的速率.主要通过上下游断面 实测浓度反推得到 该系数并无明确 的物理意义.不能揭示造成水体中污 染物数量减少的具体途径.难以为针 对性的水环境管理提供技术支持 以 氨氮为例.在实际水环境体系中。氨 氮的减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 沙吸附和挥发作用也是重要的原因. 另外底泥释放和有机氮水解也能增 加水体中氨氮数量 二、美国TMDL计划对水 体纳污能力计算的启示 1.TMDL思想内涵 TMDL(Total Maximum Daily Loads) 是美国环保局(US Environmental Pro. tection Agency.USEPA)在1972年修 正的《清洁水法》中提出的。TMDL以 流域整体为研究对象.将点源和非点 源污染控制相结合.其任务是在满足 水质标准的前提下.估算水体所能容 纳某种污染物的总量.并将TMDL总 量在各污染源之间分配.通过制定和 实施相关措施促使污染水体达标或 维护达标水体的水环境状况 它的表 示方式为: TMDL=∑WIA+∑LA+MOS 式中.TMDL为受纳水域允许纳污总 量;∑WLA为点源污染负荷的总和; ∑LA为非点源污染负荷的总和; MOS为安全余量.用于表征TMDL的 不确定性.可表示为未予分配的污染 物负荷量.也可通过在计算TMDL总 量的过程中使用保守性的假设加以 体现 TMDL计划的执行过程包括:识 别水质受限制的水体.按优先级确定 水质指针.最大日负荷总量的确定及 分配,执行控制措施.评价水质控制 措施.是一个水污染防治的完整体 系。其中最大日负荷总量的确定方面 与国内纳污能力计算相似。但也存在 一些不同.如TMDL计划中最大日负 荷总量中不光考虑了点源而且考虑 了非点源污染:以日为单位计算进入 水体中的污染物负荷量.充分体现了 水体对污染物最大受纳能力动态变 化的特征:采用基于机理的分布式非 点源模型与水体生态动力学模型进 行污染负荷的估算.模拟指标较多. 不光考虑水质质量而且将生态保护 纳入其中.在很大程度上保证了采用 TMDL计划后河流健康状况能够得到 显著改善 2.非点源污染负荷计算 非点源污染负荷计算是开展水体 纳污能力计算的前提.非点源污染负 荷可通过统计模型和机理模型来计 算.机理模型能够模拟降雨径流引起 的水土侵蚀过程以及由于水土侵蚀导 致的污染物质的迁移过程 目前在 TMDL中广泛应用的机理模型主要有 SWAT(Soil and Water Assessment Too1)、HSPF(Hydrological Simulation Program Fortran)和AnnAGNPS(Annu— alizcd Agricultural Nonpoint Source)等 SWAT、HSPF和AnnAGNPS模型 均属于时间连续性模型.考虑了亚表 面流、蒸散发、植物生长等水文因素. 均可用来分析因水文和流域管理措 施f主要指农业措施1变化而引起的长 期变化 SWAT主要仿真农业占主导 地位的流域.HSPF则主要仿真农业 和城市混合流域 其中HSPF模型虽 然时间连续但是缺乏空间的详细描 述.而SWAT模型可以弥补这一不 足.但同时需要大量的参数。An. nAGNPS模型是AGNPS模型升级版 本.主要用来评价以农业占主导的流 域的最佳管理措施。国内在纳污能力 计算中.对于非点源污染负荷的估算 可以借用国外成熟的模型工具.但是 直接应用可能会存在一些问题.如根 据美国自然条件选定的模型参数在 国内环境中很可能并不适用.需要进 一步通过实验等方式来确定 3.水体中污染物迁移转化过程 模拟 水体中污染物的迁移、转化过程 可由水质模型模拟.目前TMDL计算 前 沿 2012.1中国水利 中使用频率较大的水质模型有 QUAL2K、WASP(WaterQualityAnalysis Simulation Program Modeling System)、 CE—QUAL—ICM以及EFDC fThe Envi. ronmentla Fluid Dynamics Code)等 QUAL2K是一维水质模型.可以 仿真15种水质组分.可以用来研究 进人河流的污染负荷源的数量、质量 和位置对受纳河流的水质影响.也可 以研究点源、面源对河流水质的影 响.在国内外已经被广泛地应用于河 流的水质规划和水资源管理 WASP是由美国国家环保局暴露 评价模型中心开发的用于地表水水 质模拟的模型.WASP提供了一个灵 活的动态模拟系统.基本程序反映了 对流、弥散、点源负荷与非点源负荷 以及边界的交换等随时间变化的过 程 EUTRO和TOXI是WASP中的两 个水质模块.其中TOXI进行有毒物 质的模拟.EUTR0用以分析传统的污 染物行为 Cerco等人在研究切萨皮克湾富 营养化时提出了CE—QUAL—ICM三 维动态富营养化模型.该模型包括22 个状态变量.涉及湖泊物理特征、多 种藻类、碳、氮、磷、硅和溶解氧等。 CE—QUAL—ICM模型无自带的水动力 模块,需第三方软件如EFDC、POM、 DEL ̄T3D等提供水动力计算结果 EFDC模型为三维地表水水质数 学模型,可实现河流、湖泊、水库、湿 地系统、河口和海洋等水体的水动力 学和水质模拟.是一个多参数有限差 分模型 TMDL计算采用的水质模型中. 各水质变量生化反应过程表述较为 全面.各参数也具有实际意义.能够 更精确地揭示不同反应过程对水体 污染物浓度的影响.在纳污能力计 算中值得借鉴 但是与非点源模型 类似.国外先进的水质模型可引入 国内进行水体纳污能力的计算.但 是参数可能存在不适用问题.而且 某些国内水体水环境特征与国外相 31— 前 沿 CHINA WATER RESOURCES 201 2.1 比存在较大的不同,如长江、黄河等 高含沙水体在国外很少.高含沙水 体中泥沙对污染物的吸附、解吸过 程较低含沙水体可能要复杂得多. 必须对引进模型的相关模块进行进 一标的实际措施 BMPs可分为工程管 理措施fStructural Management Prac— 标.开展生态纳污能力研究。 参考文献: ■ irces)和非工程管理措施(Nonstuctrural Management Practices1的操作和维护程 【1]韩守江,刘忠熳,昊跃红.嫩江、松 花江干流水体纳污能力分析【J】.黑龙 江水专学报,2000,27(4). 序。管理措施分为养分管理、耕作管理 和景观管理3个层次 应用比较广泛 的最佳管理措施主要有免耕法、少耕 步完善才能应用 I2]马巍,禹雪中,翟淑华,等.太湖限 4.污染负荷分配与削减 在进行TMDL估算和分配之后 需要制定污染削减措施.主要有点源 污染削减措施和面源污染削减措施 对于点源污染采取的方法与国内类 似.主要减少通过排污口进入水体中 污染负荷的数量:非点源污染控制更 制排污总量及其管理应用研究【J】.科 技导报。2008。26(18). 法、等高种植、人工湿地、植被过滤带、 岸边缓冲区、地下水等方法和措施。推 行BMPs的目的就是综合采用这些措 施来实现非点源污染控制 [3]孙阳,王里奥,袁辉.三峡水库氮磷 污染贡献率估算【J].重庆大学学报, 20o4,27(10). 三、小结 TMDL以实现水质和水生态系统 [4]USEPA.Guidance for water quality— based decisions:The TMDL process 多的是采取综合措施 在非点源污染治理措施中.最佳 管理措施fBest Management Practices. BMPs) ̄念非常值得我国国内非点源 EPA440/4-91_001 la].Washington,DC, USA:United States Environmental Pro— tectionAgency,OficeofWater.1991.f 健康为目标.综合考虑了点源和非点 源污染对水环境影响.并给出了行之 有效的点源、非点源污染负荷控制方 法.其先进水质管理理念和技术精髓 [55] Thakar G.R.,Use ofEPA’s QUAL一2E model to predict water quality in an 污染负荷控制借鉴。BMPs指任何能 减少或预防水污染达到水环境保护目 非常值得借鉴 在今后纳污能力计算 研究中还可综合考虑点源与面源集 Arkansas River system【J】.New Waves. 20o4。7(17). 的的方法、措施或操作程序,是防治或 削减非点源污染、使水质符合水质目 成模拟.将水生态系统健康作为目 责任编辑张瑜洪 ■32