我国现行水域纳污能力计算方法的思考

赵 鑫，黄 茁，李青云

（长江水利委员会长江科学院流域水环境研究所，430010，武汉）

随着我国社会、经济的快速发展，水问题日益突出，水资源短缺日趋严峻。2011年中央1号文件要求实施最严格水资源管理制度，提出了“三条红线”的管理目标，水功能区限制纳污便是其中之一。限制纳污必须要计算出水域纳污能力。

“纳污能力”一词最早源于1998年的全国水资源保护规划，2002年颁布的《中华人民共和国水法》首次在法律上明确了“水域纳污能力”的概念，并与水域限制排污总量一起构成我国水资源保护行业的重要基础。《水域纳污能力计算规程（GB/T 25173—2010）》（以下简称 《计算规程》）中给出的水域纳污能力（类似的概念称作水环境容量）的定义为“在设计水文条件下，满足计算水域的水质目标要求时，该水域所能容纳的某种污染物的最大数量”。“纳污能力”概念及其计算方法的提出为定量化某一水域最大污染物排放量、保护水体水质起到了重要的作用，但是在设计水文条件的选取、计算模型、污染物衰减以及污染物负荷估算等方面还存在一定争议，导致同地区之间以及同一地区部门之间计算结果偏差较大。

一、目前纳污能力计算方法存在的一些问题

1.设计水文条件

《计算规程》中设计水文条件一般取90%保证率最枯月平均流量（水量）或近10年最枯月平均流量 （水量），计算得到的纳污能力为定值。事实上水体水文过程和其他自然因子显现出动态变化特征，决定了水体的纳污能力必然是一个变数。如果仅按照一个确定的纳污能力作为控制标准，而且这个量值偏于安全，那么大多数时段的污染负荷都会超过这个量值。但是同期水质状况却未必都是超标的，这种控制量对于管理工作也就失去了实际意义，因此很有必要开展不同来水条件下的纳污能力计算。目前不同来水条件下的纳污能力计算大部分通过选取不同保证率来实现最终体现，但是这些只是人为设定的数值，与水文情势没有必然联系。韩守江等的研究考虑了水文条件的变化，采用频率为75%条件下的流量作为现状的设计流量，并根据年内流量的变化划分出枯水期、平水期、丰水期3个水期，分别开展了嫩江、松花江干流水体纳污能力分析。然而该研究只选择了不同水期的代表流量进行了计算，并未探讨更小时间尺度纳污能力动态变化。马巍等以枯水年作为代表水文年，采用二维数学模型进行太湖纳污能力动态变化的模拟，得到了纳污能力总量和逐月的量值，但是对于特殊水文情势下（如洪水过程或者极枯流量条件）的纳污能力难以体现。因此有必要开展以日为单位的动态纳污能力计算。

2.污染源

当前我国污染物控制方面依然以控制点源排放为主，削减通过排污口进入水体的污染物总量，而非点源污染则较少，但非点源污染的严重性及非点源污染防治的重要性已经为国内外所认识。国内外开展的多项研究表明，非点源污染源已经成为水环境的重要污染源，甚至首要污染源。许多发达国家已经证实，农业非点源污染是导致水环境恶化的主要原因之一。据报道，美国的非点源污染量占污染总量的2/3，其中农业非点源贡献率占非点源污染量的75%左右。我国的多项研究也表明非点源污染已经上升为威胁人类饮用水的主要原因，许多水域的非点源污染超过点源造成的污染，如孙阳等计算结果显示，三峡库区由点源产生的污染负荷总氮为1.7万 t/a，总磷为0.24 t/a；由面源产生的污染负荷总氮为12.2万t/a，总磷为0.66t/a，面源污染负荷占总负荷的80%左右。

非点源污染主要有以下特点：发生具有随机性；污染物的来源和排放点不固定，排放具有间歇性；污染负荷的时间变化 （次降雨径流过程、年内不同季节及年际）和空间变化幅度大；监测、控制和处理困难而复杂。

目前纳污能力计算方法主要计算满足水功能区出口断面水质标准时水体可接受的污染物最大负荷量，这种计算方法适用于水体中污染负荷主要来源于点源排放的地区。如非点源对水体中污染物负荷贡献较大，甚至超过点源，在纳污能力计算中仍然忽略非点源，结果将出现很大偏差。以三峡库区为例，由于库区氮磷污染负荷主要来源于丰水期降雨产生的非点源污染，水库中尽管水量大，但是丰水期也是氮磷浓度较高时期，水体氮磷含量超过水质目标，已无纳污能力。而按照《计算规程》水体中依然有纳污能力，明显与实际情况不符。

《计算规程》中对污染源污染负荷计算法采用实测法、调查统计法和估算法，三种方法中实测法用来确定点源排放负荷，调查统计法和估算法尽管也能估算部分非点源污染负荷，但主要还是确定点源排放负荷，获得的污染负荷数量为定值。事实上排污水流量与污染物负荷是随时间变化的变量，非点源更是具有随机性。为了准确确定入河污染物的数量，必须获取点源排放的时间序列数据，以及基于气象、土地利用、土壤类型等数据的非点源污染负荷动态产输量。目前国际上广泛开展了动态的非点源污染负荷模拟，采用的模拟工具主要有HSPF、SWAT、SWMM 等。

3.排污口概化

《计算规程》中对排污口概化的规定为“有多个入河排污口的水域，可以根据排污口的分布、排放量和对水域水质影响进行简化”。对于如何简化并无具体规定，可操作性比较差，而且容易出现针对同一河段由于采用不同的概化方法而得到不同纳污能力的状况。目前纳污能力计算中排污口的概化主要分两类：一种将计算河段内的多个排污口概化为一个集中的排污口，概化排污口位于河段中点处或者其他位置，相当于一个集中点源；另外一种为污染物排放口在同一功能区内沿河长均匀分布，并认为污染源源强在同一功能区内沿河长均匀分布。事实上由于不同计算者对污染源有不同的认识，或者选择概化方法过程受不同利益方影响，增加了计算结果的不确定性。为减少这种不确定性，在纳污能力计算中应尽量在模型中体现污染物位置和排放量，尤其对于宽大型河流，更应该慎重，否则会引起左右岸、上下游之间对排放量总量的争议。

4.计算模型与反应参数

《计算规程》推荐的纳污能力计算模型分为河流模型和湖泊模型两类，维度根据水体和污染物特征可采用零维、一维和二维，且主要稳态模型可直接求得解析解。当污染物非恒定排放时，也可按差分法推求数值解，用数值法求得计算水域代表点的污染物平均浓度 C（x，y），以计算水域纳污能力，这实质上也是一种平均化的思想，不能用来计算不同来水量时水体纳污能力的动态变化。为获得动态水体纳污能力必须开展非恒定流水动力模型与水质模型耦合模拟。

污染物综合降解系数是在各种物理、化学、生物作用下水体中污染物减少的速率，主要通过上下游断面实测浓度反推得到。该系数并无明确的物理意义，不能揭示造成水体中污染物数量减少的具体途径，难以为针对性的水环境管理提供技术支持。以氨氮为例，在实际水环境体系中，氨氮的减少除了由硝化作用引起之外，水生植物的光合作用和呼吸作用、泥沙吸附和挥发作用也是重要的原因，另外底泥释放和有机氮水解也能增加水体中氨氮数量。

二、美国TMDL计划对水体纳污能力计算的启示

1.TMDL思想内涵

TMDL（TotalMaximumDailyLoads）是美国环保局（US Environmental Protection Agency，USEPA） 在 1972年修正的《清洁水法》中提出的。TMDL以流域整体为研究对象，将点源和非点源污染控制相结合，其任务是在满足水质标准的前提下，估算水体所能容纳某种污染物的总量，并将TMDL总量在各污染源之间分配，通过制定和实施相关措施促使污染水体达标或维护达标水体的水环境状况。它的表示方式为：

TMDL=∑WLA+∑LA+MOS

式中，TMDL为受纳水域允许纳污总量；∑WLA为点源污染负荷的总和；∑LA为非点源污染负荷的总和；MOS为安全余量，用于表征TMDL的不确定性，可表示为未予分配的污染物负荷量，也可通过在计算TMDL总量的过程中使用保守性的假设加以体现。

TMDL计划的执行过程包括：识别水质受限制的水体，按优先级确定水质指针，最大日负荷总量的确定及分配，执行控制措施，评价水质控制措施，是一个水污染防治的完整体系，其中最大日负荷总量的确定方面与国内纳污能力计算相似。但也存在一些不同，如TMDL计划中最大日负荷总量中不光考虑了点源而且考虑了非点源污染；以日为单位计算进入水体中的污染物负荷量，充分体现了水体对污染物最大受纳能力动态变化的特征；采用基于机理的分布式非点源模型与水体生态动力学模型进行污染负荷的估算，模拟指标较多，不光考虑水质质量而且将生态保护纳入其中，在很大程度上保证了采用TMDL计划后河流健康状况能够得到显著改善。

2.非点源污染负荷计算

非点源污染负荷计算是开展水体纳污能力计算的前提，非点源污染负荷可通过统计模型和机理模型来计算，机理模型能够模拟降雨径流引起的水土侵蚀过程以及由于水土侵蚀导致的污染物质的迁移过程。目前在TMDL中广泛应用的机理模型主要有SWAT （Soil and Water Assessment Tool）、HSPF （Hydrological Simulation Program Fortran）和 AnnAGNPS（AnnualizedAgriculturalNonpointSource）等。

SWAT、HSPF和 AnnAGNPS模型均属于时间连续性模型，考虑了亚表面流、蒸散发、植物生长等水文因素，均可用来分析因水文和流域管理措施(主要指农业措施)变化而引起的长期变化。SWAT主要仿真农业占主导地位的流域，HSPF则主要仿真农业和城市混合流域。其中HSPF模型虽然时间连续但是缺乏空间的详细描述，而SWAT模型可以弥补这一不足，但同时需要大量的参数。AnnAGNPS模型是AGNPS模型升级版本，主要用来评价以农业占主导的流域的最佳管理措施。国内在纳污能力计算中，对于非点源污染负荷的估算可以借用国外成熟的模型工具，但是直接应用可能会存在一些问题，如根据美国自然条件选定的模型参数在国内环境中很可能并不适用，需要进一步通过实验等方式来确定。

3.水体中污染物迁移转化过程模拟

水体中污染物的迁移、转化过程可由水质模型模拟，目前TMDL计算中使用频率较大的水质模型有QUAL2K、WASP（WaterQualityAnalysis Simulation Program Modeling System）、CE-QUAL-ICM以及EFDC（TheEnvironmentalFluidDynamicsCode）等。

QUAL2K是一维水质模型，可以仿真15种水质组分，可以用来研究进入河流的污染负荷源的数量、质量和位置对受纳河流的水质影响，也可以研究点源、面源对河流水质的影响，在国内外已经被广泛地应用于河流的水质规划和水资源管理。

WASP是由美国国家环保局暴露评价模型中心开发的用于地表水水质模拟的模型，WASP提供了一个灵活的动态模拟系统，基本程序反映了对流、弥散、点源负荷与非点源负荷以及边界的交换等随时间变化的过程。EUTRO和TOXI是WASP中的两个水质模块，其中TOXI进行有毒物质的模拟，EUTRO用以分析传统的污染物行为。

Cerco等人在研究切萨皮克湾富营养化时提出了CE-QUAL-ICM三维动态富营养化模型,该模型包括22个状态变量，涉及湖泊物理特征、多种藻类、碳、氮、磷、硅和溶解氧等。CE-QUAL-ICM模型无自带的水动力模块，需第三方软件如EFDC、POM、DELFT3D等提供水动力计算结果。

EFDC模型为三维地表水水质数学模型，可实现河流、湖泊、水库、湿地系统、河口和海洋等水体的水动力学和水质模拟，是一个多参数有限差分模型。

TMDL计算采用的水质模型中，各水质变量生化反应过程表述较为全面，各参数也具有实际意义，能够更精确地揭示不同反应过程对水体污染物浓度的影响，在纳污能力计算中值得借鉴。但是与非点源模型类似，国外先进的水质模型可引入国内进行水体纳污能力的计算，但是参数可能存在不适用问题，而且某些国内水体水环境特征与国外相比存在较大的不同，如长江、黄河等高含沙水体在国外很少，高含沙水体中泥沙对污染物的吸附、解吸过程较低含沙水体可能要复杂得多，必须对引进模型的相关模块进行进一步完善才能应用。

4.污染负荷分配与削减

在进行TMDL估算和分配之后需要制定污染削减措施，主要有点源污染削减措施和面源污染削减措施。对于点源污染采取的方法与国内类似，主要减少通过排污口进入水体中污染负荷的数量；非点源污染控制更多的是采取综合措施。

在非点源污染治理措施中，最佳管理措施 (Best Management Practices,BMPs)理念非常值得我国国内非点源污染负荷控制借鉴。BMPs指任何能减少或预防水污染达到水环境保护目的的方法、措施或操作程序，是防治或削减非点源污染、使水质符合水质目标的实际措施。BMPs可分为工程管理措施 (Structural Management Practices)和非工程管理措施(Nonstructural ManagementPractices)的操作和维护程序。管理措施分为养分管理、耕作管理和景观管理3个层次。应用比较广泛的最佳管理措施主要有免耕法、少耕法、等高种植、人工湿地、植被过滤带、岸边缓冲区、地下水等方法和措施。推行BMPs的目的就是综合采用这些措施来实现非点源污染控制。

三、小 结

TMDL以实现水质和水生态系统健康为目标，综合考虑了点源和非点源污染对水环境影响，并给出了行之有效的点源、非点源污染负荷控制方法，其先进水质管理理念和技术精髓非常值得借鉴。在今后纳污能力计算研究中还可综合考虑点源与面源集成模拟，将水生态系统健康作为目标，开展生态纳污能力研究。

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