污染物總量控制和地表水環境容量的研究進展

摘要：隨著社會經濟和環保事業的快速發展，國家對水環境質量的要求越來越高，對水資源的保護工作也日益重視，加強流域內水質監測及預測評價已成為保障用水安全和促進生態環境建設的關鍵舉措之一.為保護水生態系統的健康和建立科學合理的評價體系，水體環境容量是非常重要的預測數據，正確估算水環境容量有利于決策者開展水污染物總量控制，指導地方注重水生態保護，樹立污染物防控的科學理念，以促進形成三水統籌治理格局.

關鍵詞：水環境容量；總量控制；水質模型；水體保護

中圖分類號：X143 文獻標志碼：A

Research Progress on Total Pollutant Controland Environmental Capacity of Surface Water

WANG Jin-xi， FU Yi-lin

（School of Chemical Engineering， Lanzhou University of Arts and Science， Lanzhou 730000， China）

Abstract：With the rapid development of social economy and environmental protection， China has higher requirements for water environment quality， and attaches more and more importance to the protection of water resources. Strengthening the monitoring and prediction evaluation of water quality in the basin has become one of the key measures to ensure water safety and promote ecological environment construction. In order to protect the health of water ecosystem and establish a scientific and reasonable evaluation system， water environmental capacity is a very important forecasting data. Correct estimation of water environmental capacity is conducive to decision-makers to carry out total water pollutant control， guide local governments to pay attention to water ecological protection， establish scientific concepts of pollutant prevention and control， and promote the formation of an overall management pattern of three water systems.

Key words：water environmental capacity; total control; water quality modeling; water protection

0 引言

水環境容量是指與相應的水環境質量標準進行比較，該水域能夠容納的污染物的最大數量^［1］，其含義包括水體允許排入的污染物濃度范圍、污染程度及可能產生的影響等方面.這一概念涵蓋了污染物在水環境中的遷移和轉化，以及在某些特定條件下水環境對污染物的容納能力.由于水體污染具有時空變化特性，因此水環境容量表現出明顯的季節性波動，對水環境容量的研究不僅有助于水環境質量的提升，還為在特定環境規劃條件下進行污染物總量控制提供了科學依據.

20世紀70年代末，我國引進環境容量這一概念，初期主要利用簡單數學模型及解析算法來研究小河或大河部分斷面耗氧有機物對水環境的影響.為了更進一步地實現水環境質量改善的目標，我國開始逐步實施容量總量控制制度，該制度基于水環境納污能力的研究和發展.污染物總量控制是我國水環境污染控制的重要手段和措施之一.2022年國務院印發《“十四五”節能減排綜合工作方案》，其中明確指出：把污染物排放總量控制制度作為加快綠色低碳發展，推動結構優化調整，提升環境治理水平的重要抓手.而對納污能力（即水環境容量）進行科學準確的核定與計算，則是進行水環境污染物總量控制的前提條件.

1 我國污染物總量控制的發展進程

1.1 我國污染物總量控制的歷史

20世紀70年代，我國水污染總量控制研究以環境容量為開始，我國水污染總量控制的管理制度始于20世紀80年代，國家頒布了《水污染排放許可證管理暫行辦法》，開展排放許可證試點工作后，相繼頒布相關政策文件進行水污染防治工作，這標志著我國水環境管理步入了一個全新的發展時期，污染物的總量控制和水環境管理工作都得到了強化.迄今為止，我國已經建立起較為完善的污染物總量控制法律、法規及管理制度，初步實現了從以末端治理為主向源頭削減污染為核心的轉變.在污染物總量控制制度的實施過程中，我國從最初的探索階段逐漸過渡到全面執行階段，并取得了明顯的成效.

“九五”期間，《國民經濟和社會發展“九五”計劃和2010年遠景目標綱要》正式公布，污染物總量控制制度被正式納入到國家環境保護的政策框架之中.通過對污染物進行有效的管理和限制，實現經濟與環境協調發展.1997年，《“九五”期間全國主要污染物排放總量控制計劃》得到了國務院的正式認可并開始實施.該計劃明確了8個主要的水污染控制指標，將水污染物的總量控制目標明確分配給各個省級行政單位，要求各級政府將控制計劃指標進行詳細的分解，以確保目標的成功實施.這一舉措標志著我國水污染物總量控制逐漸成為主導的環境管理政策，而且自“九五”計劃起，每一個五年規劃周期都會發布相應的污染物總量控制計劃，各地方政府和有關部門制定出一系列相關政策與措施來實施污染物排放總量控制.“十五”期間，國務院令第284號文件《水污染防治法實施細則》和《全國主要污染物排放總量控制分解計劃》，對水污染物總量控制進行了精細化規定，從而提高了其可操作性.“十五”時期是我國環保事業快速發展的重要階段，中央高度重視環境保護，作出了建設生態文明、循環社會的戰略部署.“十一五”計劃期間，《國家“十一五”環境保護規劃》全面貫徹落實可持續發展戰略，促進經濟社會與資源環境和諧相處，為環境保護帶來了前所未有的變革，它將污染物總量的減排目標納入了國家的長期發展規劃中，還特別強調了不同區域間的合作發展和經濟增長模式的轉變.該規劃明確建立了污染減排綜合體系（結構減排、工程減排和監管減排），實施減排目標責任制，有力地促進了全國范圍內對污染物排放總量的有效控制和減少.目前，我國已經建立起完善的環保法規制度、技術支撐體系和監督管理體制，為全面開展總量減排奠定了良好的基礎.“十二五”規劃期間，我國持續完善和發展減排體系，該體系涵蓋面很廣，包括總量減排目標的分配、每年的減排計劃、減排調度、總量核查、減排統計和減排考核等多個方面，將總量減排措施與排污權交易緊密結合，初步實現了將污染排放總量控制目標與企業的生產和經營活動進行分離的目的.“十一五”和“十二五”期間，總量減排總體上取得了一定成效.新版《環境保護法》明確污染物總量控制制度的法律地位，通過問責機制以及“一票否決”制度，推動了總量控制制度的全方位實施，我國全面開展總量控制指標的確定及其分解技術的探索與實踐.

1.2 我國污染物總量控制的研究進展

當前，國內有關總量控制的學術研究主要聚焦于建立和評估總量控制指標體系的方法論，但對于如何落實污染物總量控制制度，以及怎樣構建更為科學高效的總量控制系統還沒有形成系統而全面的認識.在國家發布的《“十三五”生態環境保護規劃》中，明確提出以控制單元為基礎的水環境質量管理策略，優化控制單元水質斷面監測網絡，建立控制單元產排污與斷面水質響應反饋機制，明確劃分控制單元水環境質量責任，從嚴控制污染物排放量^［2-3］.這標志著我國由傳統的以行政手段為主的區域總量控制模式，轉向以經濟和技術等多種綜合策略為核心的流域總量管理模式.確定重點控制單元和控制目標，實施基于改善水質要求的排污許可，并定期向社會公開控制單元水環境質量目標管理情況.同時，通過制定合理的污染物排放標準，可以實現對主要污染物排放量的有效調控.此外，國內學者致力于研究水污染物總量的分配問題，以期得到可推廣和操作的分配方法.胡妍等^［4］提出了行業水環境經濟綜合指數的概念，建立面向多目標區域行業的水污染物總量優化分配模型，目標是最大化生產總值和最小化污染物處理費用，在滿足環境和行業規劃等約束條件的前提下，尋求最優的排污負荷配額方案.在研究水污染物總量分配方面，張富康等^［5］探索了信息熵-基尼系數法的應用，并對其進行了深入的研究.互婷婷等^［6］用HEC-RAS（污染輸出斷面水質響應關系）模型建立渭河流域甘肅段水污染物總量的分配模型，推進了該流域的水環境綜合管理.謝三桃等^［7］針對沙河流域采用水文模擬模型（HSPE）進行污染物總量控制模擬，建立了控制目標值和污染分配方案.這些研究成果對促進水污染物總量控制具有重要意義，總量控制理論與技術方法不斷規范和完善，目前我國已構建了流域水污染物總量控制指標體系.

鑒于河口區污染源總量分配計算的高度復雜性，為確保水污染物總量分配的高效和公正，楊永俊等^［8］從“海陸統籌”的環境管理角度出發，充分考慮海域和陸域之間的相互影響及分配區域的現狀，建立“海域—流域—行政區”鏈條式的水污染物總量控制思路和“初次分配—公平性評估—優化調整再分配”的水污染物總量分配方法.鄧義祥等^［9］研究了基于技術和水質結合的排污許可限制核定技術，確定最終的排污許可限值為基于技術的排污許可限值和基于水質的排污許可限值中的最小值.白輝^［10］對我國水污染物總量控制中的關鍵技術問題，如水環境容量的計算、水環境的承載能力評估以及區域污染物總量的分配等，提出了一個基于環境容量和質量耦合的污染物總量控制體系，并在河南省進行了實際應用.這一體系有效地揭示了污染物總量控制與水環境質量之間的相互作用，為污染物總量控制和水環境質量的雙重控制提供了有力的支持.

2 我國水環境容量的研究進展

2.1 水環境容量的引入

1995年我國首次在全國水資源保護規劃中引入了水域納污能力這一概念，國內學者開始對水環境容量的計算方法進行研究與探索.在“六五”計劃的執行過程中，原國家環保局啟動了“主要污染物水環境容量的研究”的課題項目，目的是解決水體環境容量的計算和納污能力等問題.該項目對污染物在不同水體中的擴散、降解等現象進行了系統而深入的分析與研究，進一步完善和豐富了水動力學等相關領域的理論，基于河流水質建立了模擬污染物擴散和轉移的水質模型，圍繞水功能區劃和水域納污能力（水環境容量）進行核定計算，并在沱江內江段和湘江株洲段進行使用.這些研究成果，初步實現了對各河段斷面濃度值的預測，并據此制定了污染負荷總量控制方案.在國內的水環境納污能力核算中，穩態河流水質模型的應用得到了進一步加強和拓展.

2.2 不同水質模型的研究和應用

基于一維穩態水質模型，周孝德等^［11］提出了3種不同的控制方法來計算河流水體的納污能力，分別為段首控制、段尾控制和功能區段尾控制.計算方法是以斷面作為單元來確定河流納污能力，忽略了河流各污染物之間以及各污染指標間的相互影響作用.王曉冬^［12］采用實地考察、實驗室測試和數值模擬等多種方法，對渭河陜西段的水質進行了時空變化規律和驅動力的分析.基于水質和水環境容量的數學模型，計算了水環境容量和污染物削減量，并進一步研究了影響渭河陜西段水環境容量的各種因素，從而提出了水污染的預防和控制策略.由于河流受外界環境影響較大，其污染物的排放濃度也具有一定的波動性.因此，有學者開始對河流在動態環境下的納污能力進行更為深入的探究.研究主要集中于建立二維靜態模型或利用已有研究成果對其進行校正，而對于如何將二者有機融合起來并應用到具體實踐中仍需進一步探究.目前，國內外學者對湖泊水庫的納污量及其影響因素的研究較少，大多是針對某一類特定區域或河段進行統計模擬，缺乏系統性和科學性.為了更精確地計算湖泊、水庫的納污能力，需構建更加精確的數學模型進行模擬分析.張永勇等^［13］提出了一種三維水動力-水質模型，該模型能夠動態模擬水位和水質的時空變化，解決了穩態水質模型無法反映不同來水、排污等多種因素對水體納污能力影響的問題，研究結果表明，運用水動力-水質模型可精確模擬庫區內水質指標的時空變化過程，從而量化反映湖庫水質與外部營養負荷之間的關系.

2.3 水環境容量的發展

隨著更深入的探索，專家學者開始探究在不確定的環境條件下水環境納污能力的精確核算.因此，在對我國一些城市的河流進行調查后，有學者依據水文和水質耦合模擬預測水環境變化的隨機性問題，基于隨機、區間、模糊數學方法的不確定理論來研究水環境的納污能力.通過對流域內污染源排放情況進行概率分析，建立污染物濃度變化過程服從正態分布或對數正態分布時河流的一維非恒定流數學模型，并根據該模型模擬求解得到相應的水環境容量值.與確定性設計條件下的穩態模型相比，隨機概率設計條件下河流的納污能力核算結果更能準確地反映水體的實際情況.關于河流水環境的隨機性分析是目前研究的熱點.陳丁江等^［14］對不確定性分析法進行了研究，從多個不同的階段尺度出發，對河流在豐水期、平水期和枯水期在不同保證率條件下的水環境容量進行了估算.Xie R等^［15］采用了一維和零維數學公式計算太湖流域的水環境承載能力，并依據每月的水量統計數據，在月度尺度上對水環境承載能力進行了規劃分配.熊鴻斌等^［16］選擇了“引江濟淮”渦河段作為研究焦點，運用了基于水動力水質模型的稀釋比方法來估算動態水環境的容量.鐘鳴等^［17］考慮到河流水環境系統參數的不確定性，采用延拓盲數法和蒙特卡洛法計算水環境容量，并結合水功能區目標與污染物排放規模來劃定分期限制納污紅線，以丹陽市鶴溪河為例證明這兩種方法在小河流的水環境容量計算切實可行.洪志賢等^［18］基于MIKE 11模型計算江南平原河網控制單元動態水環境容量，探究河南平原河網水環境容量的動態特性.趙征鴻等^［19］利用QUAL2K水質模型為灤河流域水系創建了相適應的水質模型，結合流域的動態水動力條件進行水質模擬，計算了灤河流域的動態水環境容量，提出了滿足水質要求的每日污染負荷的動態控制策略，為流域水環境的保護和網格化管理提供了新的方向、技術手段和數據支持.王波杰等^［20］選擇上海市華漕鎮的生態清潔小流域作為研究對象，基于現有的調查數據和水質目標，計算了該流域的污染源總量和水環境容量，并根據污染物的種類和排放量，從四個維度提出了具體的整治策略.馬秋霞等^［21］為底洞溝流域建立了一個非恒定流的數學模型，并結合Thomas算法，對該流域的氨氮和總磷的入河量以及水環境容量進行了計算和分析，該模型的擬合精度較高，據此提出了針對該流域的排污整改建議.

綜合來看，眾多關于水環境容量的研究結果及其具體實踐，促使我國地表水水環境容量的概算越來越準確，這為國家貫徹執行污染物總量控制政策，提升水環境質量的目標奠定了堅實的科學基礎.

3 結論

隨著我國污染物總量控制和地表水環境容量有關法律、法規及管理制度等的完善，水污染物排放量得到有效控制，這不僅緩解了水環境的污染問題，還在一定程度上提升了水生態環境的質量.不管從理論或是實踐方面，采用排污總量控制法的管理策略，在提升水資源使用效率和維護水域生態環境方面具有顯著效果.對傳統的“以水定排”模式進行改進時，應該建立適合于不同地域、不同規模、不同行業以及不同用水部門的污水治理技術體系，需構建一個能夠綜合考慮各方面因素，全面衡量水環境污染程度和治理效果的綜合性指標，從源頭上對水污染問題加以解決，并建立起一套有效的水污染治理技術與管理方法體系.

至今，我國已經初步建立了一個以排污權交易為中心的排污總量管理制度框架.在實際應用中，由于排污權交易制度的推行，使得企業對環境信息的獲取更加及時準確，從而促進了污水處理廠運行效率的提高.同時，隨著經濟社會的發展和人口的增長，水污染問題日益嚴峻，傳統的排污總量控制技術已不能滿足當前水環境保護工作的需要.目前推進實施的容量總量控制制度，其核心就是要找到一條創新途徑來實現污染物控制與經濟、環境、生態保護之間的平衡和可持續發展等.在污染物總量控制實施過程中，如何配置總量指標格外關鍵，同時，在多介質環境下，還需進一步開展環境污染物的感知、溯源、模擬、評估、預警和治理等綜合研究.

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［責任編輯：紀彩虹］