流水环境承载能力及限制排污总量有关问题探讨

张跃生

(山西省忻州市水利勘测设计院，山西 忻州034000)

2011年中央一号文件提出了我国实施最严格的水资源管理制度，就是要不断完善并全面贯彻落实水资源管理的各项法律、法规和政策措施，划定水资源管理的三条“红线”，严格执法监督。一是明确水资源开发利用“红线”，严格实行用水总量控制;二是明确水功能区限制纳污“红线”，严格控制入河排污总量;三是明确用水效率控制“红线”，坚决遏制用水浪费。

按照三条“红线”的要求，根据河流水能区水体纳污能力分析计算，提出限制入河排污总量意见，为水资源统一管理和保护、防治水污染的宏观决策和水环境综合治理提供科学依据。

1 有关概念

水环境承载能力指的是在一定的水域，其水体能够被继续使用并仍保持良好生态系统时，所能够容纳污水及污染物的最大能力。

水域纳污能力指在设计水文条件下，某种污染物满足水功能区水质目标要求所能容纳的该污染物的最大数量。

污染物排放限制量即污染物排放控制量，是指为保证功能区水质符合水域功能要求，根据陆域污染源污染物排放量和入河量之间的输入响应关系，由功能区污染物入河控制量所推出的功能区相应陆域污染源的污染物排放最大数量。

限制排污总量指的是排污单位污染物排放总量的限制值，它是一个量值的总和，排污单位可以理解为一个企业、一个排污口甚至按不同方式汇总时可以是一个功能区、一段河流或一个行政区。

2 水功能区纳污能力计算

2.1 不同功能区纳污能力确定原则

由于不同水功能区功能对水质的要求不同，功能区的水质现状和功能区水质保护的要求不同，功能区纳污能力确定的方法也不同。各类功能区纳污能力确定方法如下:

2.1.1 保护区和保留区

纳污能力:保护区和保留区的水质目标原则上是维持现状水质不变。在设计流量(水量)不变的情况下，保护区和保留区的纳污能力与其现状污染负荷相同，可直接采用现状入河污染物量代替其纳污能力。对于需要改善水质的保护区，则要求计算水功能区的纳污能力，提出入河污染物量的削减量及污染源排放量的削减量。

2.1.2 缓冲区

纳污能力:水质较好，用水矛盾不突出的缓冲区，可采用保护区和保留区确定纳污能力的计算方法确定其纳污能力;水质较差或存在用水水质矛盾的缓冲区，也要求计算水功能区的纳污能力，提出入河污染物的削减量和污染源排放量的削减量。

2.1.3 开发利用区

纳污能力:开发利用区纳污能力需根据各二级水功能区的设计条件和水质目标，选择符合实际的数学模型进行计算。

概括起来说，确定水功能区纳污能力方法分为两类:一类是保护区、保留区和部分水质较好、用水矛盾不突出的缓冲区，其水质目标原则上是维持现状水质，将功能区的现状污染物入河量定为功能区的纳污能力;另一类是所有的开发利用区和需要改善水质的保护区、缓冲区，其纳污能力均需根据各功能区的设计条件和水质目标，选择适当的水量水质模型进行计算得到。

水功能区纳污能力与功能区水质保护目标、水体稀释自净规律、以及上游背景来水水质状况密切相关。而水体稀释能力决定于水体水量，自净能力则决定于污染物在水体中的衰减能力。

首先，明确功能区纳污能力计算条件，包括COD和NH3－N两项水质指标分别对应于功能区水质保护目标的目标浓度值CS;功能区设计水文条件(包括设计水量及其相应设计流速)等。

其次，选择适宜的水量水质模型及其模型参数值，用来模拟污染物在水功能区段体内的稀释与自净规律，

最后，利用数学模型，根据纳污能力计算条件，进行水功能区纳污能力计算。

2.2 水功能区纳污能力计算

水功能区纳污能力指对确定的水功能区，在满足水域功能要求和水体自然净化能力的前提下，按给定的水功能区水质目标值、设计水量、排污口位置及排位方式，功能区水体所能容纳的最大污染物量。

水功能区纳污能力，是以功能区水质目标和水体稀释自净规律为依据的一切与功能区水质目标和水体稀释自净规律有关的因素，如水环境质量标准、水体自然背景值、水量及水量随时间的变化、水体的物理、化学、生物学及水力学特征，以及排污口的位置和方式等均能影响水功能区纳污能力。水质模型是这些因素相互关系的数学表达式。因此，水功能区纳污能力可以通过选择适当的水质数学模型进行计算求的。

按照一定的水质模型进行水功能区纳污能力计算时，首先要进行纳污能力设计条件的确定，这些设计条件包括:设计水文条件即断面设计流量设计和断面设计流速的确定、功能区水质初始浓度值和水质目标浓度值、所选择的水质模型以及综合衰减系数和其它参数等。

水功能区纳污能力计算按水利部发布的《水域纳污能力计算规程》(SL348－2006)进行。计算得出的水功能区纳污能力成果填入附表12。

2.2.1 设计水文条件确定

水功能区纳污能力计算的设计条件以计算断面的设计流量(水量)表示。现状条件下，一般采用最近10年最枯月平均流量(水量)或90%保证率最枯月平均流量(水量)作为设计流量(水量)。集中式饮用水水源区，采用95%保证率最枯月平均流量(水量)作为其设计流量(水量)。可根据实际情况适当调整设计保证率，也可选取平偏枯典型年的枯水期流量作为设计流量。另外，还要计算90%保证率最丰月平均流量(水量)作为丰水期设计流量。

2.2.2 设计流量的计算

有水文长系列资料时，现状设计流量的确定，选用设计保证率的最枯月平均流量，采用频率计算法计算。无水文长系列资料时，可采用近10年系列资料中出现最小的最枯月平均流量作为设计流量。对于丰水期设计流量，可采用近10年最小的最丰月平均流量。无水文资料时，可采用内插法、水量平衡法、类比法等方法推求设计流量。

湖(库)的设计水量一般采用近10年最低月平均水位或90%保证率最枯月平均水位相应的蓄水量。或根据湖(库)水位资料，求出设计枯水位，其所对应的湖泊(水库)蓄水量即为湖(库)设计水量。对水库而言，也可用水库正常水位的库容蓄水量和死库容的差值作为设计水量。

2.2.3 断面设计流速确定

有资料时，可直接用公式计算

式中:V为设计流速;Q为设计流量;A为过水断面面积。

无资料时，可采用经验公式计算断面流速，也可通过实测确定。对实测流速要注意转换为设计条件下的流速。

2.2.4 计算模型选择

按水利部发布的《水域纳污能力计算规程》(SL348－2006)河流纳污能力数学模型计算法，采用数学模型计算河流水域纳污能力，按计算河段多年平均流量Q将计算河段划分为大型河段(Q≥150m3/s)、中型河段(15＜Q＜150m3/s)和小型河段(Q≤15m3/s);对于Q＜150m3/s的中小型河段，污染物在河段横断面上均匀混合，可采用河流一维模型计算水域纳污能力。本次研究的河流均按上述原则选取，即采用河流一维模型。但在实际运用时需对采用的模型进行检验，模型参数可采用经验法和实验法确定，成果需进行合理性分析。

1)一般中小型河流水功能区纳污能力计算的一维模型

一维对流推移方程为

解得:

式中:Cx为控制断面污染物浓度(mg/L);C0为起始断面污染物浓度(mg/L);k为污染物综合自净系数(1/s)，k值一般以1/d表示，计算时应换算成1/s;x为排污口下游断面距控制断面纵向距离(m);u为设计流量下岸边污染带的平均流速(m/s)。

相应的水域纳污能力按式计算:

式中:Q为初始断面的入流流量(m3/s);Qp为废污水排放流量(m3/s);其余符号同前。

当入河排污口位于计算河段的中部时(即x=L/2)，水功能区下断面的污染物浓度及其相应的水域纳污能力分别按下式计算。

式中:Qr为设计流量;M为污染物最大允许入河速率(g/s)，也就是功能区的纳污能力。

2)均匀混合的湖(库)纳污能力计算的均匀混合模型

平衡时:

式中:C(t)为计算时段污染物浓度(mg/L);m为污染物入湖(库)速率(g/s);m0=C0Q，为污染物湖(库)现有污染物排放速率(g/s);Kh为中间变量(1/s);V为湖(库)容积(m3);Q为入湖(库)流量(m3/s);K为污染物综合衰减系数(1/s);C0为湖(库)现状浓度;t为计算时段(s)。

3)非均匀混合湖(库)纳污能力计算的非均匀混合模型

式中:Cr为距排污口r处污染物浓度(mg/L);Cp为污染物排放浓度(mg/L);Qp为污水排放流量(m3/s);Φ为扩散角，由排放口附近地形决定。排污口在开阔的岸边垂直排放时，Φ=π;排污口在湖(库)中排放时，Φ=2π;H为扩散区湖(库)平均水深(m);r为距排污口距离(m)。

4)具有富营养化趋势的湖(库)纳污能力计算模型

可采用狄龙模型

式中:［P］为湖(库)中氮、磷的平均浓度(mg/m3);Ip为年入湖(库)的氮、磷量(mg/a);Lp为年入湖(库)的氮、磷单位面积负荷(mg/m2·a);V为湖(库)容积(m3);h为平均水深(m);r=Q/V(1/a);Q为湖(库)年出流水量(m3/a);Rp为氮、磷在湖(库)中的滞留系数;qa和qi分别为年出流和入流的流量(m3/a);［P］a和［P］i分别为年出流和入流的氮、磷平均浓度(mg/m3)。

湖(库)中氮、磷最大允许负荷量:

式中:［m］为氮、磷最大允许负荷量(mg/a);Ls为单位湖(库)水面积，氮、磷最大允许负荷量(mg/m2a);A为湖(库)水面积(m2);［P］s为湖(库)中磷(氮)的年平均控制浓度(mg/m3)。

有富营养化趋势湖(库)的计算，也可根据情况选择其他适用的数学模型。

2.2.5 初始浓度值Co的确定

根据上一个水功能区的水质目标值来确定Co，即上一个水功能区的水质目标值就是下一个功能区的初始浓度值Co。

2.2.6 水质目标Cs值的确定

水质目标Cs值为本功能区的水质目标值。

2.2.7 综合衰减系数的确定

为简化计算，在水质模型中，将污染物在水环境中的物理降解、化学降解和生物降解概化为综合衰减系数。所确定的污染物综合衰减系数应进行检验。综合衰减系数的确定方法如下。

1)分析借用

分析借用是将计算水域以前工作和研究中的有关资料，经过分析检验后采用。无计算水域的资料时，可借用水力特性、污染状况及地理、气象条件相似的邻近河流的资料。

对于以前在环境评价、环保规划、环保科研等工作中可供利用的有关资料经过分析检验后采用。无资料时，可借用水力特性、污染状况、及地理、气象条件相似的邻近河流的资料。

2)实测法

实测法是选取一个顺直、水流稳定、无支流汇入、无入河排污口的河段，分别在河段上游(A点)和下游(B点)布设采样点，监测污染物浓度值，并同时测验水文参数以确定断面平均流速。

综合降解系数(K)按下式计算:

式中:C1为河段上断面(A点)污染物浓度(mg/L);

C2为河段下断面(B点)污染物浓度(mg/L);

V为河段平均流速(km/d);

X为上、下断面距离(km)。

对于湖库:选取一个排污口，在距排污口一定距离处分别布设2个采样点(近距离处:A点，远距离处:B点)，监测污染物浓度值，并同时监测污水排放流量。布设采样点时应注意:采样点附近只能有一个排污口，且附近无河流汇入，近距离采样点不宜离排污口过近以免所采水样不具备代表性;远距离采样点也不宜离排污口过远，以免超出排污口影响区。

综合衰减系数(K)用实测数据进行估值:

式中:rA、rB分别为为远近两测点距排放点的距离(m)。

用实测法测定综合衰减系数直观可行，但误差较大，应监测多组数据取其平均值(需拟定K值测定实施方案)。

3)经验公式法

可采用怀特经验公式，按下式计算:

式中，P为河床湿周，m。

综合衰减系数的确定应根据资料条件通过综合分析，选择合适的K值，在采用分析借用和采用经验公式计算时，应注意K值的适用性，重要的是用实测值进行检验，采用较合理的数值。

2.2.8 纳污能力计算的合理性分析与检验

纳污能力计算的合理性分析与检验应包括基本资料的合理性分析、计算条件简化和假定条件的合理性分析、模型与参数的合理性分析与检验、水功能区水质状况以及纳污能力计算成果的合理性分析与检验。

对单项数据的合理性分析检验至少应用两种不同方法对数据相互验证，两种方法所得结果的误差在允许范围内，方可认为该数据是合理的。

分析判断是根据水域的相互关系对数据进行综合分析，从数据的横向联系上，将水功能区的纳污能力与其上下游或条件相似的水功能区水域纳污能力分析比较，检验其合理性。也可与条件相似的一个水系或一个流域的水域纳污能力的计算成果比较，检验其合理性。

此外，在进行水功能区纳污能力计算合理性检验时，还要特别注意检查数学模型运算过程的正确性，公式的变化是否正确，计量单位的转换，参数的取值及输入等都会影响计算结果，纳污能力是制定污染物控制量和消减量的基础，因此必须对纳污能力计算结果进行验算，保证其正确性和合理性。

3 入河污染物总量控制

3.1 总量控制的意义

水功能区管理的依据是功能区的纳污能力和据此提出的污染物入河控制量和入河消减量。

污染物排放总量控制是根据受纳水体的纳污能力，将污染源的排放数量控制在水体所能承受的范围之内，以限制排污单位的污染物排放总量，它是环境管理的一种新方法，也是功能区水质管理的依据基础。

研究水功能区纳污能力，建立功能区水质目标与排放源的输入响应关系的基础上，将功能区污染物入河量分配到相关陆域各排放源，是污染物排放总量控制的重要环节，也是总量控制中的技术关键问题。只有了解和掌握水域污染物控制量和消减量，才能达到有效控制水污染的目的。因此，制定污染物入河控制量和入河消减量方案是实施限制排污总量控制即污染物排放总量控制的前提，对于控制水环境污染，改善和提高水环境质量具有重大的意义。

3.2 污染物入河控制量和消减量

根据本细则制定限制排污总量需对有关概念统一界定。

3.2.1 污染物入河控制量

根据水功能区的纳污能力和污染物入河量，综合考虑功能区水质状况、当地技术经济条件和经济社会发展，确定污染物进入水功能区的最大数量，称为污染物入河控制量。不同功能区入河控制量按不同的方法分别确定。

3.2.2 污染物入河消减量

水功能区的污染物入河量与其入河控制量相比较，如果污染物入河量超过入河控制量，其差值即为该功能区的污染物入河消减量。

3.2.3 入河控制量具体要求

依据，只反映水功能区纳污能力和现状入河量之间存在的差距。

污染物入河控制量和消减量的制定，是根据全国水资源保护规划中的有关规定:即2010年，60%的城镇生活污水应达标排放;饮用水源区、省界水体及重要水功能区基本达标。

(1)若基准年入河量小于纳污能力，则入河量作为其入河控制量。

(2)若入河量大于纳污能力，则入河量应削减，相对于纳污能力入河削减量在20%以内即可达到功能区要求的，则入河控制量即等于其纳污能力;这些功能区也是2010年应达标的功能区。

(3)若入河量大于纳污能力，且相对纳污能力入河削减量在20%以上仍不能达到功能区要求的，但对于流域内的饮用水源区、省界水体等重要功能区，无论消减量多大，都应在2010年达到水质目标要求，即以纳污能力作为其入河控制量。对于其他功能区应按以下情况确定入河控制量:

A、对于污染严重的功能区，入河削减量应在30%以上。

B、其他功能区的入河削减量应在20～30%之间。

3.3 入河控制量、消减量推导

根据基准年2010年的污染物入河量和现状设计水量下的功能区纳污能力，即可制定功能区的现状入河控制量和消减量，由于各功能区的污染物入河量资料存在完整、确切上的差异，制定功能区的现状入河控制量和消减量时，可根据资料的详细和完整程度，分别处理。将各水平年水功能区的入河污染物量与相应的纳污能力进行比较，当入河污染物量大于纳污能力时，应计算入河污染物削减量;当入河排污量小于纳污能力时，则根据纳污能力和入河污染物排放量，拟定入河污染物控制量，污染物入河控制量和入河消减量应对应到相应的水功能区。

现状年不同水功能区和分配到排污口以及以行政区为单元统计的污染物入河控制量和削减量成果填入附表13—附表15中。

污染严重的小支流，可按排污口处理。不宜作为排污口处理的支流，可将水功能区的水质目标作为支流控制断面的水质目标，根据支流的具体情况，计算支流的污染物控制量和削减量。

3.4 限排量合理性检验

计算出污染物入河控制量和入河消减量后，为了保证污染物控制量和消减量制定过程的质量，使各功能区制定的限制排污量和消减量科学合理、符合实际，具有可操作性，能真正作为污染源、排污口限制排污的管理依据，必须对污染物控制量和消减量制定全过程实施全面质量控制，进行合理性检验，只有经过合理性检验的结果才能作为限制排污的指导结果。

全面质量控制的单项合理性核定与综合分析，包括以下内容:

水质目标合理性检验;纳污能力包括水质模型和模型参数的合理性检验;功能区污染物入河量合理性检验;根据上述数据的相互关系进行综合分析，从横向联系上核定数据的合理性。

单项合理性核定，要求至少用两种方法对数据互相验证，两种方法所得数据间的误差在允许范围内方认为该数据是合理的。

利用相互关系进行综合分析，要求将同一个功能区的所有数据放在一起比较和分析，并与其上、下、左、右的功能区数据进行比较分析，最后划归到整条河流分析，如果存在矛盾，寻找原因，进行调整。