流域水質目標管理技術研究概述

韓文輝，黨晉華，趙穎，劉娟

(山西省環境科學研究院，太原 030027)

優質的水體環境是保障人民群眾身心健康的必要條件，也是當前經濟社會可持續發展的重要基石。近年來，受社會經濟快速發展和污染負荷超量排放的影響，我國許多流域水環境質量不斷下降，水體流域污染問題嚴重[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，并在不斷的發展過程中進行規范和改進。

20世紀以來，全球許多國家也在積極針對本國的水污染狀況進行水質管理技術的研究。日本于20世紀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性變化，采取適當污染控制措施保證目標水體達到相應水質標準，通過完善的水質管理方案修復和保持水體的生態完整性；歐洲頒布施行的《水框架指令》[6]，強調水資源水環境、水量水質水生態一體化管理，旨在實現污染控制和水質保護，包括水文條件的恢復、河流地貌多樣性的恢復以及生物群落多樣性的恢復等，充分考慮到了河流水體的物理、化學和生物完整性，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展趨勢。但其中也不乏一些失敗的經驗教訓，如缺乏對重要污染物間相互關系的研究，缺乏生物標準和監測，很多州的非污染點源污染被忽視，模型應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]。

我國的水質管理技術在流域尺度上缺乏較為系統的科學研究，技術基礎薄弱，一直以來主要聚焦在設定排放目標的總量控制上。水質管理在一定程度減少了污染物的排放量，遏制了流域水質進一步惡化的趨勢。但因未充分考慮污染物排放量與容納水體水質間的響應關系，普遍存在流域污染控制總量與水質改善目標脫鉤、區域限排總量與水環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目標管理技術研究進展基礎上，針對其不足的方面提出了對其進一步完善的建議。

1 流域水質目標管理技術的本質

水質目標管理是以先進規范化的技術指導體系為支撐、以水質目標為基礎、以流域水生態系統健康為最終目的，依據“分類、分區、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、水生態安全有機結合在一起所建立的水環境容量總量控制技術[10]。流域水質目標管理技術可根據流域所處自然環境狀況及其自凈能力大小，將污染物負荷總量控制在區域自然環境所能承載的能力范圍之內，突破了單一流域水質管理的局限性，將整個流域的水質目標作為最終達標的標準，實現流域水環境綜合治理。

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

圖1 流域水質目標管理技術方案制定流程圖

2 流域水質目標管理技術的關鍵內容

2.1 水環境問題診斷

我國流域水系覆蓋范圍廣、走向錯綜復雜，污染成因也各不相同，進行水環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，為后續污染治理方案研究提供方向。水環境問題診斷主要包括水環境特征分析和污染源結構分析。

2.1.1 水環境特征分析

水環境特征分析主要是指水質現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)水質現狀評價及變化趨勢分析

根據研究斷面水質監測結果，對重點斷面和特征性污染物進行評價和變化趨勢分析。張悅等人應用達標率法和改進的變權物元可拓模型，對沈陽市水功能區水質現狀進行了綜合評價，得到水質達標率及水功能區綜合水質變化總體趨勢[12]，結果兼具實用性和系統性，客觀全面地反映了研究區域的水質情況。王新參考水質評價標準(GB 3838—2002)《地表水環境質量標準》，采用單項標準指數法評價了某縣境內主要河流的水環境質量，采用季節性肯達爾法進行趨勢分析檢驗[13]，評價結果基本能反映流域地表水水質情況，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進行分析評價，清晰展示了水質的季節變化特點[14]。

(2)水生生物評價

對研究流域內浮游動植物和底棲動物進行均勻性指數、多樣性指數和豐富度分析，并進行生物完整性評價。王偉等人調查了白龍江水生生物情況，并利用藻類多樣性指數評價方法評價了天水市渭河的生物多樣性[15]。李鳳林等人監測了湯旺河水生生物狀況，利用生物學方法評價了河流的水質污染現狀[16]。鞠永富利用多樣性指數法和生物完整性指數法對小興凱湖水質狀況進行了總體評價[17]。評價結果均切實可行，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指標對流域水生生物個體數、所屬種群進行環境評價。王瓊等人調查了大伙房水庫入庫河流物理生境特征和水質現狀，分別運用相關分析法、冗余分析法識別該河流物理生境特征與水質狀況響應關系[18]，得到物理生境特征良好、一般和較差的河段位置，結果準確、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，將上述三種評價結果標準化，并對指標加權求和，得到水環境特征的綜合評價結果。楊永宇分別采用水質評價灰色關聯法和BP神經網絡法對黑河流域水環境質量進行了綜合評價，結果顯示后者評價結果更為直接和客觀，避免了“一刀切”的方式，水質狀況結果更加準確[20]。趙穎等討論了利用GIS技術進行水質綜合評價的優點和缺陷，總體來說評價結果可靠、直觀，但需注意數據兼容及進一步改進網絡分析模型[21]。

2.1.2 污染源結構分析

污染源結構分析是水質目標管理中一項重要環節，明確流域污染源分類，才能采取針對性措施控制污染。流域內污染物依據污染來源主要劃分為點源污染和面源污染，兩種污染在產生機理、入河方式、影響機制等因素上具有各自不同的特點[22-23]。張春寶調查了滇池流域的主要污染源，顯示為工業污染源排放[24]。白娟等人確定江淮流域內中型水庫點源污染為城鎮生活污水，面源污染為農業面源及零散畜禽養殖[25]。不同流域污染源結構不一，實際應用時應按照各流域現實狀況進行分析。

2.2 控制單元劃分

將龐大復雜的流域系統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劃。基于差異性劃分依據和管理模式，國內外依據水文單元、水生態區和行政區3種劃分方法開展控制單元劃分工作。我國借助GIS系統，根據行政區劃、水環境功能區劃和自然匯水區劃等來劃分控制單元，國外則多依據水生態分區進行。我國也有學者進行水生態功能分區的研究，如中國環境科學研究院對遼河流域進行了水生態分區，將其劃分為3個1級區和14個2級區，較為科學地反映了流域的水生態環境特征[26]。但因國家尚未進行全面完整的基于水生態功能的流域劃分工作，目前我國對水生態功能分區的應用還相對較少。

2.3 水質目標核定

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

2.4 污染負荷和水質響應分析

2.4.1 污染負荷核算

流域內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生機制和特點進行分析，明確污染源的結構組成特征，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，利用實時監測數據并結合排污系數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，估算水質目標趨勢困難，需借助大量數學方程概化區域內面源污染實際情況。目前一般采用兩類數學模型進行估算：統計型經驗模型和機理性過程模型。前者主要有降雨量差值法、輸出系數法、水量水質相關法等；后者主要是應用國外模型，常用如HSPF[33]、SWAT[34]、GWLF[35]和SPARROW[36]等。

在實際應用操作中，統計性經驗模型所需數據少，估算速度快，但在非點源污染的產生和輸移機理及流域動態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。兩類模型都因應用大量變量和常數而存在一定的不確定性，尤其是空間差異性，成為目前應用中的一大難點。

2.4.2 水質響應分析

通過水質模型模擬的方法來建立污染負荷和水質之間的響應關系，直觀清晰地展示不同污染源對水質的影響，有利于流域最大允許納污量的計算和分析。當前應用較廣的有WASP模型、WASP與EFDC模型耦合及MIKE21模型等。WASP模型用來模擬常規污染物和有毒污染物在水中的遷移和轉化規律，與其他模型特別是與水環境模擬系統EFDC模型結合使用而廣泛應用；MIKE21軟件主要應用于對河流、湖泊、河口、港口的水質、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EFDC模型，對深圳灣突發污染負荷的響應特征進行了研究，定量模擬了深圳灣水環境對突發污染負荷的響應特點，模型的模擬結果可靠、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響應特點，進一步分析了其水質變化過程，為改善南四湖水質提供了有效的科學依據，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目標管理的核心關鍵所在，關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容：以水質目標為基礎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 水環境容量核算

水環境容量核算就是計算目標流域或選定目標單元所能承受的水質目標下的最大污染物排放量。國外水環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、未確知數學方法和隨機規劃法等，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。與發達國家相比，我國較晚開始水環境污染控制方面的研究[41]，監測數據較為缺乏。目前我國應用最為廣泛的水環境容量核算方法多參考中國環境規劃院《全國水環境容量核定技術指南》，應用公式法進行計算。

楊杰軍等人以大沽河為例，依據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模型來確定水環境容量。主要包括河流一維水質模型、湖庫均勻混合模型和河口一維水質模型，以3類水體的環境容量之和作為河流的環境容量，較為準確地核算了大沽河的水環境容量[42]。

2.5.2 污染負荷分配與削減

污染負荷分配是水質目標管理中的核心內容，制定科學合理的污染負荷分配方案，是實施水質目標管理的關鍵所在。污染負荷分配是以流域點面源污染負荷量為基礎，依據各個污染源的排污地點、數量和方式，結合污染源污染負荷削減技術和污染物削減優先順序，并適當考慮經濟可行性等因素[43]，對各控制單元區域內環境資源進行分配[44]，并制定合理有效、經濟公平的分配方案[45]。雷坤等人根據專家打分法，結合南沙河流域實際情況，確定了排污口的總量分配，并通過排污口入河系數，按照等比例分配原則對各污染源現狀排放量進行分配，得到了南沙河各排污口污染源分配方案，方法客觀、可行[11]。李艷等人在此基礎上，預留了5%的安全余量后將水環境容量分配到點源和面源上，實現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

隨著經濟的快速發展和工農業生產的不斷推進，我國環境問題日漸凸顯，尤其是流域水環境污染日益嚴重，流域水體污染控制及水質管理問題引起了國家的高度重視。對流域水環境問題進行分析、識別和診斷，確定水環境特征、解析污染物結構，可以有針對性地解決水污染問題。水質目標管理技術是以控制單元水質指標和水質管理目標為基礎的，目前在國內外應用較廣、治理效果較好的流域綜合管理技術，能夠使流域水環境管理更具科學性和操作性。本文在概述當前我國水質目標管理技術的研究進展的基礎上，進一步展望了流域水污染管理的發展態勢。國外應用水質目標管理技術的大量實踐表明：流域水質目標管理技術對于治理流域水環境污染、改善水環境質量起到了非常重要的作用。我國近年來也開展了大量有關水功能分區、水質模擬模型、水環境質量標準等方面的研究，但相較于國外的水質管理技術，仍有很多不足的地方。在以后的應用中，需進一步關注以下幾個方面：

(1)完善適用于我國的水環境質量標準。我國現行的水環境質量標準主要參考國外的水環境基準，沒有充分考慮到我國生態地域的復雜性特點。因此，迫切需要開展關于適用于我國水環境特點的質量標準研究，建立符合我國國情的水環境基準。

(2)改進污染負荷核算的使用模型。統計性經驗模型因其所需數據少，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生和輸移的機理以及流域的動態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實情況的差異性，易造成極大的誤差甚至導致錯誤。因此，研發符合我國流域特征的污染負荷計算模型，或根據我國流域特征對現有模型進行改進，是完善我國流域污染控制及管理技術中的關鍵內容。

(3)設計科學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用中，不同水體應采用不同的水文計算模型進行水環境容量核算，并考慮研究區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果的影響較大，估值時要根據流域實際情況準確估算預留，以保證最終分配方案的科學實施。