太湖流域典型区域污染物总量分配技术研究

张万顺，唐紫晗，王艳茹，徐德强

（1.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079；2.宜兴市水文水资源监测中心，江苏 宜兴 214200）

1 研究背景

随着我国经济社会高速发展下的一些不合理的经济社会活动的出现，以及气候变化等原因共同导致水生态环境恶化严重，成为制约经济社会可持续发展的重大瓶颈。实施流域污染物总量控制制度、建立污染物总量分配技术，使流域内污染物排放量处于流域水生态承载能力范围内，这才能有效抑制流域水污染恶化趋势。对此本文提出了太湖流域典型区域污染物总量分配技术，可为流域水环境管理提供技术支撑，为遏制流域水环境继续恶化，保障经济社会可持续发展政策的实施提供参考。

国外对总量控制的研究较早，一般将水环境容量的计算和负荷分配在同一过程中进行，多采用随机理论和系统化结合的方法研究。Fujiwara等［1］基于概率约束模型，计算了水环境容量，并将允许排放的污染物总量进行了分配；Loucks［2］等将流量等参数作为确定性变量处理进行水环境容量的研究；Donald等［3-4］依据概率约束条件，运用优化模型研究了这一问题。我国的总量控制研究主要围绕总量分配原则和分配方法展开，苏惠波［5］采用前苏联稀释倍数法改进后的数学模型对排污总量进行分配；包存宽等［6］提出根据污染源对河流控制断面水质影响系数确定各污染源允许排放量的方法；胡康萍等［7］以区域水体功能区划分、水环境容量计算和区域水资源水环境规划作为基础，提出了3种可行的分配方法，并建立了相应的数学模型；李开明等［8-9］在多河段水质规划中，运用最优化原理建立了区域水环境容量优化分配模型。由于太湖流域河网水系复杂，河道流向不稳，没有明显上下游边界，加之闸站众多使水流受人为控制影响明显的特点，上述模型难以描述太湖流域污染物迁移转化机理以及污染特性，不适用于太湖流域典型区域污染物总量研究。

本文利用流域水环境数学模型，计算出控制单元各排污口的贡献率，从而利用贡献率矩阵得到了长系列设计水文条件下满足功能区水质目标的各控制单元的动态水环境容量，基于水生态承载力权重，考虑社会、经济因素，得到多目标优化条件下的各控制单元的水污染物允许排放量和削减比例。以太湖流域典型区域为例，针对太湖流域典型区域水文水质和污染源特点，考虑典型区域内的社会、经济、生态等要素，实现了太湖流域典型区域污染物总量分配。

2 流域水污染物总量分配技术方法研究

2.1 流域水污染物总量分配准则、方法和思路 利用贡献率模型得出的贡献率系数，构建出各控制单元的动态TMDL模型，通过计算各控制单元的TMDL，以其作为各控制单元的初始分配。考虑各控制单元的经济技术水平、水生态承载力现状、社会人口规模等区域差异，构建出多目标优化模型，按照公平性原则、服从总目标原则、突出重点与区别对待原则、动态性原则实现污染负荷的优化分配。基本思路如下：（1）针对水环境特点，构建流域水环境数学模型，求出各排污口污染贡献率，引入贡献率系数，构建控制单元动态TMDL模型，进而求出各控制单元TMDL。按照贡献率，对流域污染物总量进行初始分配；（2）考虑社会、经济、生态、环境等因素，建立多目标优化模型；（3）求解多目标优化模型，得到控制单元在满足多目标前提下的允许排放量和削减比例。

2.2 流域允许排放水污染物总量计算

2.2.1 贡献率模型 利用水污染物排放的水质响应具有可叠加的特性，采用线性规划方法，通过流域水质模型，计算出每个排污口的贡献率系数。

初始赋予控制单元的某一排污口1个单位的负荷量，其他排污口排出负荷量为零，利用模型计算出最终的浓度分布，确定出各个水质控制点的浓度值。改变初始排污口，重复以上步骤，即可得出每个排污口的贡献率系数Sci。贡献率模型的方程如下：

（1）连续性方程

动量方程

（2）污染物对流扩散方程

（3）节点的连续性方程：

（4）初值条件

（5）边值条件

（6）排污条件

式中：Q为河道的流量；x为距离（沿河道水流方向的长度）；A为过水面积；t为时间；q为侧流汇入流量；u为x方向的流速；g为重力加速度；z为水位；R为水力半径；Sci为各排污口的第i个污染物的贡献率；As、Cs是污染物输移的源漏项。

2.2.2 控制单元TMDL模型 基于上述模型得到的贡献率，构建出贡献率矩阵，以各控制单元水质目标作为限制条件，在各排污口满足污染物浓度排放标准和各控制断面污染物浓度满足功能区水质目标的前提下，以各排污口的污染负荷排放量之和最大为目标，构建TMDL模型，进而可以求出各控制单元的动态TMDL。

控制单元TMDL模型基本方程如下：

目标函数

约束条件

式中：l为水质控制断面编号；m为水质控制断面数目；j为排污口编号，n为排污口数目；i为污染物种类；xj为第j个排污口每天的负荷量；L为控制单元的TMDL；cjil为第j个排污口的单位负荷量对第i种污染物的第l个控制断面的污染贡献度系数；c0il为第i种污染物在第l个控制断面的背景浓度，cbil为水质控制断面的环境标准值。

2.3 流域水污染物多目标优化总量次级分配方法 在各控制单元水污染物初始分配的基础上，当前以及规划中的经济发展速度和规模的条件下，按照公平性原则、服从总目标原则、突出重点与区别对待原则、动态性原则，考虑社会、经济、生态、环境等因素，基于各控制单元水生态承载力，建立并求解多目标优化模型，对初始分配方案进行调整，最终得到流域内各控制单元优化分配的污染排放量。该多目标优化模型的目标及约束条件为：（1）经济效益目标：各控制单元环境容量的分配使得区域经济总量最大。约束条件：为了保证经济增长，确定的各控制单元环境容量下的区域经济总量不低于规划的经济总量。（2）环境目标：各排污口的污染负荷排放量之和最大。约束条件：选定的水质控制点的污染物浓度不超过其各自对应的功能区水质目标，流域内各控制单元分配的污染物总量之和不得超过整个流域总环境容量。（3）污染物治理费用目标：河流污染物治理费用最小。约束条件：河流污染物治理费用应小于基准年的环境治理投资费用和地区生产总值限值。

3 流域污染物总量分配示范区研究

3.1 区域概况 本文选择的太湖流域典型区域为太湖湖西区的滆湖小流域，包括常州市和宜兴市的30个乡镇。该区域有以下特征：（1）河网及水动力学特征复杂。研究区域内河流纵横，湖泊密布，河流密度约2.27km/km2，水域面积占总面积的22.3%，部分河道流向不稳，常有滞流、倒流现象，整体河道流速低、流量小。研究区域内水系分布情况见图1。（2）水环境受人为干扰大。研究区内有大量圩区，闸站众多，河流水文条件受人为影响大，同时因渔业围垦使得湖岸线不断萎缩，湖滨防护带不断削弱，水生生物数量减少，水生态环境压力大。（3）湖泊及河流沿岸排污口分布密集。区内工业发达，化工、纺织、印染、黑色冶金等行业排污口污染物不达标排放较严重，对水环境造成了巨大的污染。研究区域内主要污染源和排污口分布情况见图2。（4）大规模水产及畜禽养殖加剧了水体污染。太湖地区水产养殖业大规模发展，部分养殖户在湖泊内发展围网养殖以最大限度扩大养殖面积，养殖过程中大量饵料的投入，使得水体有机质含量加大，湖泊富营养化进程加快。同时研究区内较多的集中畜禽饲养场傍河湖而建，废弃物未经任何处理直接排放，导致水环境进一步恶化。

3.2 功能分区分期目标及水文条件

3.2.1 流域水功能区划 该区域2010年以及2020年的水功能区划分见图3、图4。

3.2.2 设计水文条件 水环境容量计算选择COD、氨氮作为水质指标，采用2007年、2008年、2009年连续3年的流量的平均值作为设计流量。

3.3 控制单元TMDL 利用贡献率模型和控制单元TMDL模型，以各控制单元的功能区水质为目标，首先计算出各个入河排污口的TMDL，再将控制单元内的排污口进行统计，累加计算出太湖流域典型区域各控制单元的TMDL，并以各控制单元的TMDL为基础，进行典型区域水污染物总量的初始分配。本文各控制单元TMDL计算结果如下表1所示。

从表中可以看出：和桥、前黄、徐舍、雪堰等控制单元COD水环境容量较大，分别为：9158.77kg/d、8851.31kg/d、6564.67kg/d、6877.38kg/d，氨氮水环境容量为：836.83kg/d、697.56kg/d、276.59kg/d、318.12kg/d。牛塘、奔牛、钟楼区等水环境容量较小，COD分别为：121.70kg/d、235.69kg/d、276.24 kg/d，氨氮为：10.57kg/d、38.80kg/d、46.66kg/d。

表1 研究区域水环境容量计算成果表

3.4 流域水污染物总量优化分配成果 本文在各控制单元水污染物初始分配的基础上，基于水生态承载力，考虑社会、经济、生态、环境等因素，按照公平性原则、服从总目标原则、突出重点与区别对待原则、动态性原则，建立并求解多目标优化模型，对分配方案进行调整，得到整个太湖典型流域的各单元分配的污染排放量，并将其与COD和氨氮的现状排放量进行对比，确定太湖典型流域各个控制单元的削减比例。

各控制单元COD和氨氮现状排放量与分配后的环境容量如图5所示。

COD分配后结果显示：芳桥现状排放量等于分配的允许排放量，不需削减污染物排放量；奔牛、嘉泽、李嘉、牛塘、阳山、邹区现状排放量较分配后的允许排放量小，在现有基础上可增加水污染物排放量；其余各镇现状水污染物排放量均大于分配后允许的排放量，需削减水污染物排放量，其中徐舍、雪堰需削减水污染排放量最高，现状排放量分别为12156.80kg/d，12735kg/d，分配后的排放量为3539.62kg/d，3924.39kg/d，削减比例分别高达70.9%和69.2%。

氨氮分配结果显示：李嘉和牛塘两镇现状排放量略小于分配后的允许排放量，可适当增加水污染物排放量，其余各镇现状排放量均大于分配后的允许排放量，芳庄和官林两镇需削减的污染排放量最高，现状排放量分别为632.26kg/d，1252.98kg/d，分配后的允许排放量分别为176.86kg/d，426.98kg/d，削减比例高达63.9%和66.0%。

由以上结果分析可知：除少数地区污染物现状排放量等于或小于分配的允许排放量外，大多数地区污染物现状排放量均大于分配的允许排放量，需削减水污染物排放量。

4 结论

通过建立的流域水污染物总量计算技术方法，提出了“流域生态功能分区（分类）、流域控制单元分区（分区）、不同水期（分期）、不同水质目标（分级）”的控制单元——贡献率——水生态承载力——社会经济最大——总量分配最优等多目标优化为前提的流域层次的排污总量分配的准则和技术方法，将其运用于太湖流域典型区域，在确定流域允许排放水污染物总量目标的基础上，按照公平性原则、服从总目标原则、突出重点与区别对待原则及动态性原则，通过多目标优化模型，确定太湖流域典型区域各控制单元污染物运行排放量为实现太湖典型区域污染物总量控制提供依据。

［1］Fujiwara O，Gnanendran S K，Ohgaki S.River quality management under stochastic stream-flow［J］.Journal of Environmental Engineering，1986，112（2）：185-198 .

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