流域污染物總量差異化管理技術研究

王文輝 王留鎖 李艷* 陳志強 朱悅 金亞男

（1. 沈陽理工大學，遼寧沈陽 110159；2. 遼寧省生態環境保護科技中心，遼寧沈陽 110161；3. 鐵嶺市生態環境事務服務中心，遼寧鐵嶺 112000）

1 引言

隨著現代化進程的加快，全世界水環境質量狀況開始顯現出一些問題，為了遏制水環境質量的退化，各國開啟了對水污染治理的探索。20 世紀60 年代日本學者率先提出“環境容量”這一名詞，闡述了其定義；1977 年，日本又出臺了水質污染總量管理辦法，旨在在相應的區域中將水體中的污染物總量管理在一定的范圍之內；隨后美國環境保護署（EPA）又提出了TMDL 計劃，并在全國范圍內開始實施，旨在控制某種污染物進入水體的最大日負荷量，近年來EPA在TMDL 實施的過程中對其不斷地進行調整。

我國的水環境質量同樣也面臨著嚴峻問題，水污染負荷早已超過其水體的納污能力，七大江河劣于Ⅴ類水體占有較高的比例。水污染是一個流域性的問題，水污染物的管理要從流域層面解決，我國的流域水環境治理工作開始于20 世紀70 年代對松花江流域COD 的控制。隨著“六五”計劃的實施，劉天厚［1］從總量管理的角度著手，以四川省沱江流域為研究區域，制定了水污染物排放控制規劃?！捌呶濉庇媱澩ㄟ^制定《水污染排放許可證管理暫行辦法》，在黃河、長江的個別河段及泉州灣等近岸海域，以污染物排放總量管理為核心，開展了污染物排放對水環境質量影響的研究。“九五”以來，由于在一些流域開展了總量管理［2］的工作實踐，地表水水質的退化趨勢雖然得到一定控制，但同時又凸現出地表水質向兩極化發展、主要污染物因子出現結構性變化和COD、氮磷等比較難治理非點源污染等新問題?！笆濉钡健笆濉?，以北方的遼河、海河流域，東部的長江流域以及南部的東江流域為試點，流域水污染物管理的重心由單一的對排污口出水污染物濃度的約束，逐漸傾向于污染物排放和流域水體污染物容納量的響應關系，在水污染物總量管理方面取得了一定成效，這也標志著我國的流域污染物管理轉向更為科學的容量總量管理。“十三五”期間，在“水十條”的背景下，亟須結合“十一五”“十二五”的研究成果，根據流域內的實際情況，通過設定不同管理單元、不同的考核指標及標準，實施污染物總量管理等一系列舉措，以為更精細化、差異化、系統化水環境的管理提供技術支持。

本文以太子河本溪段流域為例，全流域識別關鍵污染源區域、劃分管理單元，并核算污染物排放量，綜合考慮點源、非點源水環境污染物擴散過程和末端削減效應。基于MIKE11 水質模型，建立水體“污染物輸入－水環境質量響應”關系，并分層次遞進分析污染物減排手段對地表水環境監測斷面水質的影響，以優化并實施更為精細的污染物差異化排放削減方案，將污染物削減量合理分配到各管理單元，為提升流域污染物總量差異化管理水平及實現“水十條”管理目標提供科學依據。

2 材料與方法

2.1 研究區域

本溪市位于我國東北地區，屬遼寧省管轄。本溪以東為吉林省通化市，以南鄰近遼寧省丹東市，西部毗鄰遼陽、鞍山兩市，北部與沈陽、撫順二市接壤，總面積約0.84 萬km2，東西約184 km（123°34′～125°46′E），南北約90 km（40°49′～41°35′N），呈東西寬、中間窄的啞鈴狀。

本溪市境內有太子河、渾江和草河，水資源較為豐富，其中太子河流域覆蓋土地面積最廣，約0.43 萬km2，約占本溪市土地總面積的51%。太子河源頭可分為2 支，一支源于本溪滿族自治縣，稱之南太子河，由東營坊鄉草帽頂子山麓流經馬家崴子，最后匯入觀音閣水庫；另一支源于撫順市新賓滿族自治縣，稱之北太子河，由平頂山鎮鴻雁溝同樣流經本溪馬家崴子匯入觀音閣水庫。2 支河流經觀音閣水庫后匯為太子河，在本溪市境內流經本溪縣、本溪市區（溪湖、明山、平山和南芬區），蜿蜒西下，左岸接納南太子河、泉水河和細河等支流，右岸接納北沙河、馬家溝南河和東陽河等支流，至遼陽燈塔市雞冠山鄉匯入葠窩水庫，干流全長約173 km。

居民生產活動產生的污水未經處理直排入河流，導致太子河水質長期以來不斷惡化，“九五”以來，通過采取一些水質調控措施，太子河水質有了較大的改善，但一些監測斷面的水質依舊不能穩定達標，尤其是氨氮含量自2011 年以來呈明顯上升的趨勢。

2.2 研究方法

根據“水十條”，針對差異化管理的需求，通過控制單元的劃分、污染負荷分析、污染物排放與水質考核斷面響應關系模擬和污染物總量差異化管理情境分析來研究差異化管理技術。

2.2.1 控制單元分類

劃分水污染控制單元是為了將流域和行政管理單元相結合，對劃分后的控制單元進一步分類，以對不同的控制單元實施不同的污染物總量管理方案，既能體現自然流域產匯流的規律，又能將不同的水體特征污染物類型和行政管理充分結合，更合理地控制進入控制單元的水污染物總量。

控制單元分類步驟如下：（1）在ArcGIS 平臺下，通過水文分析模塊，以ASTER GEDM V2（30 m 空間分辨率）作為源數據，提取流域匯水區邊界；（2）在保證水功能區完整的前提下，單獨劃分流域范圍內飲用水水源地保護區；（3）優先考慮匯水區完整性，以國（?。┛刂茢嗝鏋楣濣c，綜合運用匯水區、行政區和水體種類的邊界，將控制單元按不同的屬性隔離；（4）在上述步驟劃分結果的基礎上，根據水系惟一性、等級性、水體類型和水功能區劃完整性的原則，摳除控制單元內的其他水系匯水范圍；（5）整合已劃分好的控制單元，根據管控需求，進一步將已劃分好的控制單元細分為核心、優控和一般3 種類型。含飲用水水源地保護區的單元歸類為核心單元，基于對監測斷面水質評價結果，若水質達標，為一般單元，反之則為優控單元。水質評價方法見式（1）：

式（1）中，Ii為水體污染指標i 的污染指數；Ci為水體污染指標i 的實測濃度，mg/L；CMAXi為水體污染指標i的評價標準，mg/L。當Ii＜1 時，水體未受污染；當Ii≥1時，水體受到污染。

2.2.2 污染負荷分析

水體中的污染負荷主要來自企業、事業單位、污水處理廠等直排源，以及農業化肥施用和畜禽散養等過程經地表徑流沖刷產生的污染，前者為點源負荷，后者為非點源負荷。

在環境統計數據的基礎上，結合現場實地調研結果，以統計法核定各個控制單元的點源負荷入河量，見式（2）：

式（2）中，W點為點源污染負荷，t/a；Qi為第i 個點源污水排放流量，m3/s；Ci為第i 個點源污染物排放濃度，mg/L；λ 為入河系數，根據溫度和直排源入河距離確定。

在水期劃分明顯的河流，根據水文分割法［3-8］近似地認為枯水期河流的污染負荷總量為點源排放量和河流本底負荷量的總和，在分別確定除枯水期外其余月份負荷的基礎上，將每個月的負荷量與枯水期的污染負荷量作差值，結果便是非點源污染負荷量。水文分割法核定非點源污染負荷方法見式（3）：

式（3）中，W 為非點源污染負荷，t/a；Ci為每月河流污染物平均濃度，mg/L；Qi為每月河流平均流量，m3/s；Cpi為枯水期河流污染物月平均濃度，mg/L；Qpi為枯水期每月河流平均流量，m3/s。

2.2.3 污染物輸入與水環境質量響應關系模擬

通過建立污染物排放與水質考核斷面“輸入－響應”關系，對不同情境下的污染物總量管理進行模擬，設定不同的污染物總量管理目標，是實現水環境總量管理差異化和精細化的前提。作為一款應用較廣泛的一維河道、河網模擬軟件［9-13］，MIKE11 不僅能夠支持洪水風險分析、潰壩分析等應急領域工作，還能支撐分析污染物傳輸、區域水環境規劃等環境管理方面的工作。采用MIKE11 中的NAM，HD 和AD 模型［14-15］，通過對河網的概化、模型所需條件的輸入、模型參數的率定與模型準確度的驗證，建立“污染物輸入－水環境響應”的關系。

2.2.3.1 河網概化

按照河網拓撲關系進行河網概化是水動力模型建立的重要環節，也是研究流域水環境的基礎。天然的河網包含眾多支流，在建立河網之前，需根據等效原理，保留主要輸水河道，將小流量、小流域面積、少或無直排源的支流概化為單一的河道或者節點，保證概化后的河道要與概化前的輸水能力近似［16］，河網要能反映天然河網的基本特性［17］。

2.2.3.2 模型條件輸入

MIKE11 模型的運行需要河道斷面條件、計算邊界條件和水動力參數3 個輸入條件。河道斷面條件包括河底高程、河床寬度和斷面位置信息；計算邊界條件包括河道上邊界流量－時間序列、下邊界水位－時間序列和降雨徑流模型計算的產匯流結果；水動力參數包括河流源頭的流量大小、水位高低等信息。

2.2.3.3 模型參數率定

以實測的流量數據作為率定水動力模型參數的參考值，通過試錯法，對河道糙率進行調整，使水動力模擬結果更接近實際情況；在水動力模型率定結果理想的基礎上，以有實測的水質數據作為率定水質模型參數的參考值，同樣以試錯法對擴散系數等參數進行率定。

2.2.3.4 模型準確度驗證

水動力模型模擬結果是否準確的驗證方式有多種，納什效率系數（NSE）［18-23］和決定系數（R2）［24-26］較為常用。NSE 在水文模型模擬結果驗證中最常用，其值越趨近于1，說明模擬值與實測值越相似，模型的率定結果越準確；R2衡量模型的預測值與實際測量值之間的關系，以反映模型擬合度的高低，其范圍在［0，1］，與NSE 類似，其值越趨近于1，模型的預測準確度越高；以NSE 結合R2一起說明水動力模型預測的精確度。水質數據1 個月只有1 個數據，其連貫性較低，以MIKE11 水質模型的模擬值和實際觀測值之間平均相對誤差的平均值（MRE）［27-34］表示水質擬合的程度更合適，因此計算MRE 以反映模型的準確度，MRE 越接近0，說明水質模擬的準確度越高。NSE，R2和MRE 的計算方法見式（4）～（6）：

2.2.4 污染物總量差異化管理情境分析

2.2.4.1 優控單元

優控單元實施基于容量的總量管理方案?；谖廴疚锱欧排c水質考核斷面的響應關系模擬，通過設定不同情境下總量管理方案，按照層次遞進的順序分析4 個層次的污染物減排對水環境質量影響程度：（1）第一層按照GB 8978—1996《污水綜合排放標準》，設計控制單元內超標排放的直排企業按照標準值排放，分析污染物排放量對河流水質的影響程度。如果斷面水質達標，則直排企業執行GB 8978—1996《污水綜合排放標準》，并制定污染物排放限值；如果斷面水質不達標，則進行第二層分析。（2）第二層是對污水處理廠執行GB 18918—2002 《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A 排放標準，再分析污染物排放量對河流水質的影響程度。如果斷面水質達標，進一步制定污染物排放限值；如果斷面水質不達標，則進行第三層分析。（3）第三層是所有直排源按照GB 3838—2002《地表水環境質量標準》排放，分析污染物排放量對河流水質的影響程度。如果斷面水質達標，直排源在執行GB 3838—2002《地表水環境質量標準》的前提下，制定污染物排放限值；如果斷面水質不達標，則進行第四層分析。（4）第四層是分析非點源污染負荷削減對水質的影響程度，確定非點源污染負荷排放限值，最終實現斷面水質達標。

2.2.4.2 核心單元

核心單元雖存在水源地等區域，依舊優先考慮實施基于目標的總量管理方案。若控制單元下游存在水質監測斷面且水質達標，優先考慮實施基于目標的總量管理方案；若水質不達標，在實施基于目標的總量管理方案基礎上，考慮制定實施基于容量的總量管理方案。若下游無水質監測斷面，單元內直排源均達標排放，實施基于目標的總量管理方案；若單元內直排源存在不達標排放情況，在實施基于目標的總量管理方案基礎上，進一步考慮制定實施基于容量的總量管理方案，以確保水源地水質穩定達標。單元內存在剩余水環境容量的情況下，不建議在單元內再增加排污單位。

2.2.4.3 一般單元

一般單元實施基于目標的水環境污染物總量管理方案。一般單元無水質斷面不達標情況，排污單位需嚴格按照GB 8978—1996《污水綜合排放標準》規定的限值進行污染物排放。

3 結果與討論

3.1 水質分析

為了能夠全面反映太子河本溪段的實際情況，搜集了本溪市國、省、市控水質監測斷面的部分監測數據，數據顯示，太子河本溪段于2019 年前3 個季度COD 和氨氮超標情況嚴重。結合政府管控的要求，最終確定COD 和氨氮為控制指標。結果顯示，老官砬子斷面的COD，興安、邱家2 個斷面的氨氮均有不同程度的超標。

3.2 控制單元分類

“水十條”對遼河流域已進行過水污染控制單元的劃分，在此基礎上，根據控制單元的分類方法，依據劃分步驟對太子河本溪段的水污染控制單元進一步細化并分類，最終分為水污染控制單元6 個，其中，核心單元2 個、優控單元3 個、一般單元1 個，見表1。

表1 太子河本溪段控制單元基本信息

3.3 污染負荷分析

2016 年，太子河觀音閣水庫控制單元污染負荷入河量最小，COD 僅0.03 t，氨氮趨近0，其余各控制單元污染負荷分析結果見表2。太子河流經本溪段接納非點源污染負荷量較大，除興安和邱家控制單元外，其余控制單元COD 污染負荷量占比都在70%以上，以南太子河入庫口控制單元為首，非點源COD 占比約98.70%，氨氮約98.25%，總體來看，點源與非點源差異較大。

表2 2016 年太子河本溪段各控制單元污染負荷及貢獻率

3.4 差異化管理情境分析

3.4.1 核心單元

太子河觀音閣水庫和南太子河入庫口斷面所控制的2 個單元均屬于核心單元。南太子河入庫口控制單元下游監測斷面達標率100%，實施基于目標的總量管理方案，單元內個別直排源存在COD 超標排放情況，需依照DB 21/1627—2008《遼寧省污水綜合排放標準》進行污染物排放，且不再增加排污單位；太子河觀音閣水庫控制單元下游無水質監測斷面，單元內直排源均達標排放，實施基于目標的總量管理方案，維持現狀，不再增加排污單位。

3.4.2 一般單元

北沙河姚千戶橋控制單元為一般單元，根據針對一般單元的管控方案，單元內現有直排源污染物排放濃度均符合DB 21/1627—2008《遼寧省污水綜合排放標準》，實施基于目標的總量管理方案。

3.4.3 優控單元

優控單元以細河邱家控制單元為例，通過“輸入－響應”關系的模擬，分層次遞進分析污染物減排對水環境質量影響程度。

概化后的細河河網只剩細河干流（見圖1），河道糙率的率定結果為0.03，COD 衰減系數的率定結果為0.016 8 d－1，氨氮為0.014 4 d－1，擴散系數率定結果為8 m2/s。

圖1 概化后細河河網

以第二年數據對“輸入－響應”關系模型的適用性進行驗證，模擬流量與率定站點實測流量NSE 為0.98，R2為0.99，模擬結果較好，誤差較小，水動力模型適用性較好；邱家斷面COD 濃度實測值與模擬值的相對誤差率集中分布在10%以下，氨氮集中在20%以下（見表3），分別對其取平均值得到MRE，兩者均為0.15。從相對誤差率的分布區間可以看出，大部分都集中在0～20%，誤差率較低，“輸入－響應”關系模型可以使用。

表3 細河控制單元水質模擬結果相對誤差率分布區間%

按照優控單元的污染物總量管理方案，進行如下分析：

（1）模擬使細河邱家控制單元的直排源達標排放后，下游斷面（邱家）水質COD 達標，但氨氮未達標。直排源達標排放后邱家斷面COD 濃度見圖2。

圖2 直排源達標排放后邱家斷面COD 濃度

直排源達標排放后邱家斷面氨氮濃度見圖3。

圖3 直排源達標排放后邱家斷面氨氮濃度

（2）進一步模擬氨氮減排后對水質的影響，模擬使直排污水處理設施的氨氮排放執行一級A 標準，下游斷面氨氮濃度仍不達標，見圖4。

圖4 直排污水處理設施氨氮執行一級A 排放標準后邱家斷面氨氮濃度

（3）再次提高氨氮的排放標準，模擬使直排源氨氮排放執行下游邱家斷面水質標準后，斷面氨氮濃度仍不達標，見圖5。

圖5 直排源執行下游斷面水質標準后邱家斷面氨氮濃度

（4）在直排源污染物達到排放標準后，對非點源氨氮排放量進行削減，下游斷面氨氮濃度達標，見圖6。

圖6 削減非點源負荷后邱家斷面氨氮濃度

經計算，細河控制單元COD 水環境容量為412.258 t/a、氨氮為39.218 t/a。當對COD 的點源負荷削減量為2.972 t/a，氨氮的點源、非點源負荷削減量分別為0.559，23.13 t/a 時，邱家斷面的水質可實現穩定達標。

4 結論

（1）2016 年“水十條”實施以來，南太子河入庫口、北沙河姚千戶橋的COD、氨氮均達標；2018 年6月到7 月，老官砬子COD 濃度存在不同程度的超標；2016 年和2018 年4 月、5 月，邱家控制斷面氨氮濃度不達標；而興安控制斷面的氨氮近些年都存在超標情況。

（2）太子河本溪段進一步細化核心單元2 個、優控單元3 個和一般單元1 個。

（3）除核心單元外，其他控制單元的點源與非點源污染負荷量差異較大。一般單元非點源產生的COD 負荷量比點源高約222.38 t/a，占比為79.32%，非點源產生的氨氮負荷量比點源高約18.04 t/a，占比為20.68%。優控單元點源產生的污染物負荷量總計：COD 為2 211.21 t/a、氨氮184.80 t/a；非點源產生的污染物負荷量總計：COD 為3 337.01 t/a、氨氮558.65 t/a，較之點源負荷量，COD 非點源高20.30%，氨氮非點源高50.28%。

（4）不同的控制單元實施差異化的污染物排放總量管理方案。一般單元，北沙河姚千戶橋控制單元實施基于目標的總量管理方案，單元內現有排污單位按照DB 21/1627—2008《遼寧省污水綜合排放標準》規定的限值進行污染物排放；核心單元，太子河觀音閣水庫和南太子河入庫口斷面2 個控制單元實施基于目標的總量管理方案，超標排放直排源需進行達標排放，其余維持現狀，不再增加排污單位；對太子河老官砬子、興安和細河邱家3 個斷面優控單元，實施基于容量的總量管理方案，通過“輸入－響應”關系來確定合理的削減方案。

（5）細河邱家斷面優控單元需對點源、非點源共同削減。層次遞進設計3 種點源減排方案，經過污染物排放與水質響應關系模擬，單元內水質仍然不達標，需要同時控制點源、非點源污染物的排放量，非點源污染負荷量最少達到23.13 t/a，水質可達標。