每日最大污染负荷(TMDL)计划的借鉴意义与我国水污染总量控制管理流程

刘　庄,刘爱萍,庄　巍,张　丽,何　斐,解宇锋,杭小帅,高吉喜

(环境保护部南京环境科学研究所,江苏 南京　210042)



每日最大污染负荷(TMDL)计划的借鉴意义与我国水污染总量控制管理流程

刘庄,刘爱萍,庄巍,张丽,何斐,解宇锋,杭小帅,高吉喜①

(环境保护部南京环境科学研究所,江苏 南京210042)

摘要：在系统调研相关文献的基础上,分析了美国每日最大污染负荷 (total maximum daily loads,TMDL)计划的框架、特点和研究进展,对比美国的先进经验,对我国水污染总量的控制管理和研究现状进行了全面分析,认为污染总量削减考核指标单一、总量控制和减排目标的制定未考虑水环境容量、总量控制和减排未与水质改善挂钩以及管理与科研脱节等是我国目前水污染总量管控存在的主要问题。需加强水质模型、污染负荷与水环境容量计算方面的研究,建立相对客观且可操作性强的污染减排效果评估与考核方案。借鉴TMDL计划,提出了完善我国水污染总量管控技术流程与方案的建议。

关键词：水污染总量控制;每日最大污染负荷;水环境容量

污染物进入水体后会以各种形态滞留于水体悬浮物、底泥和水生生物体内,清除流域水体中的污染物不仅技术复杂、代价高昂,而且难以取得满意的效果。基于以上原因,各国都将控制污染物排放作为保护流域水环境的根本措施。美国国会于1972年通过的《清洁水法案》303(d)条款中提出了每日最大污染负荷量(total maximum daily loads,TMDL,LTMD)的概念,要求对无法达到相关水质标准的水体制定并执行TMDL计划,根据水体所能容纳的最大污染负荷严格控制进入水体的污染总量[1]。我国的水污染总量控制研究起始于20世纪70年代末对松花江BOD总量控制标准的研究[2],从第九个五年规划开始,我国正式将污染总量管控纳入国家环境保护规划。目前,第十三个环境保护五年规划正处于编制阶段,有必要对我国的水污染总量管控开展系统总结和分析,借鉴国内外先进经验,提出改进建议,为下一阶段国家污染总量控制方案的制定提供参考。

1TMDL计划的特点及其应用和研究状况

1.1TMDL计划的背景、框架与发展进程

TMDL是指在满足特定水质标准的条件下,水体能够接受的某种污染物的最大日负荷量,包括点源和非点源污染[3]。TMDL计划的核心思想是根据水环境容量确定需要削减的污染负荷,并将削减任务分配到各个污染源,通过将进入水体的污染物削减到环境容量所能允许的范围内,使受损水体逐步恢复并达到水质标准。TMDL计划的实施过程大体包括以下流程:(1)受损水体识别;(2)优先等级确定;(3)TMDL计划制定;(4)污染控制措施实施;(5)污染控制措施效果评估(图1)。

图1TMDL计划实施流程

Fig.1Flow-chart of the TMDL project

TMDL计划的核心是每日最大污染负荷LTMD的计算。

LTMD=∑AWL+∑AL+LB+SM。

(1)

式(1)中，AWL为允许的点源污染负荷;AL为允许的非点源污染负荷;LB为水体自然背景负荷;SM为安全边际。

美国1987年修订的《清洁水法》要求,如果各州的不达标水体在实施基本技术和水质控制措施后,仍未能满足相应的水质标准,EPA就要求对这类水体实施TMDL计划。截至2012年2月,美国各州制定的TMDL计划数量已经达到4万多个,为改善水质发挥了重要作用[4]。

1.2TMDL计划的特点及研究进展

TMDL计划的制定和实施依据流域水环境变化的基本规律,有较为坚实的科学理论基础。下面以美国岩溪(Rock Creek)TMDL计划为例[4],简要分析其制定过程和特点。岩溪位于爱荷华州东部,流域以农业用地为主,由于水质恶化,被列入1998年的303(d)清单,相关部门通过调查,确定流域水环境问题主要由氨氮和硝酸盐/亚硝酸盐引起。根据《爱荷华州水质标准》,该流域水体的主要功能为水生生物生态用水,其次为娱乐用水、作物灌溉、家庭生活和畜牧用水等。根据相应的水质标准和水动力状况,计算得到流域的每日最大允许污染负荷：氨氮，2.67 kg·d-1；硝酸盐/亚硝酸盐氮，13.61 kg·d-1。通过对污染源的调查,确定流域内主要点源污染源有4个,其中迪摩尔污水处理厂直接排入岩溪,其他3个不向岩溪直接排污,但可通过地下水影响岩溪。尽管农业用地在流域占主导地位,但面源并不是污染的主要来源。根据不同污染源的贡献率和污染减排能力,对污染负荷削减任务进行分配,根据污染负荷变化与水质变化之间的相关关系制定相应的减排方案和后续监测措施,尤其是针对通过地下水的污染,提出了移除污水池(地下水污染的主要来源)、建立人工湿地等措施。整个岩溪的污染减排方案根据TMDL的规范制定,由于明确了流域水环境问题和污染源,实施了有针对性的减排措施,取得良好效果。

根据以上实例,可以看出TMDL具有如下特点:

(1)以流域为实施对象,污染控制的对象和目标明确。TMDL计划一般都针对具体的流域,要求明确水体的用途(如饮用水供应、水生生物保护、公共娱乐等),根据指定用途确定水质标准,根据水质标准评估水体受损状况并确定水质恢复目标。

(2)综合考虑多种污染源对水质的影响,有利于分析和识别水质问题的根源。污染源评估是TMDL计划制定的重要环节,除考虑点源以外,非点源也是调查分析的重点,一些TMDL计划甚至还考虑大气沉降等方面的因素。根据污染源评估结果确定流域内造成水体受损的重要污染源及其污染贡献和影响区段,不仅有利于分析和识别流域水质问题的根本原因,也有利于污染责任的界定。

(3)基于现状污染负荷量和水环境容量制定污染削减方案,关注污染削减与水质变化间的联系。建立污染负荷变化与水质变化间的联系是TMDL计划最重要的特点。TMDL计划制定过程中一般需要通过水质模型或其他技术方法建立水质变化对污染负荷变化的响应关系,使污染负荷量的确定以及污染负荷削减方案的制定具有相对可靠的依据,也为TMDL计划实施效果的评估提供了客观、可行的手段。

(4)重视后续保障措施,确保计划的实施。完整的TMDL计划除要求提出污染削减和分配方案以外,还要求制定后续的实施方案和监测评估方案,包括监测站点的布设、监测时间以及分析实验室的认证级别等。计划的执行者需要根据监测评估结果,分析TMDL计划的实施效果,根据实施过程中的实际情况,对实施方案及时进行调整和修订,确保计划的实施效果。

经过多年发展,TMDL计划在美国取得很大成效,其他国家的研究者也开始运用TMDL的思路开展污染负荷控制研究。GULATI等[5]探索了在农业土地利用方式为主的流域中,运用常规水质监测数据测算流域污染负荷并建立TMDL计划的技术方法;KANG等[6]对SWAT模型进行了改进,使之能适应水稻田非点源污染负荷计算的需要;KIM等[7]则运用污染负荷历时曲线法计算每日最大负荷量,简化了非点源污染负荷的计算。在污染削减与水质变化的相关关系研究方面,LEBO等[8]研究了流域水质变化对污染负荷削减的响应关系,用于评估TMDL计划的实施效果;VASQUEZ等[9]在洛杉矶Echo Park 湖多氯联苯(PCBs)TMDL计划的研究中,不满足于单纯分析水质与污染负荷间的相关关系,还进一步研究了污染负荷变化对沉积物、水体悬浮物和鱼类体内污染物浓度的影响,推动了TMDL研究的深入发展。TMDL计划没有硬性规定哪些污染物需要控制和削减,而是根据流域水污染的实际状况来确定需要开展污染总量控制的污染物类型。SAHOO等[10]在加利福尼亚Tahoe湖TMDL计划的研究中,不仅考虑了常规的点源和非点源污染,还考虑了河岸侵蚀、大气干湿沉降和地下水等多种因素的影响,计算了不同类型污染源对颗粒物、TP和TN这3种主要污染指标的贡献率。此外,相关研究中TMDL计划所考虑的污染物还包括硒[11]、SO42-和NO3-[12]、沉积物[13]和大肠杆菌[14]等多种类型。

国内的学者也开展过一些零星的TMDL研究,ZHAO等[15]运用三维水动力和水质模型计算了污染负荷变化对抚仙湖COD、TN和TP等水质指标的影响,并对不同污染负荷削减方案的实施效果进行模拟和分析;CHEN等[16]将污染负荷历时曲线法与贝叶斯分析相结合,运用污染负荷历时曲线法计算长乐江的TN负荷与水环境容量,运用贝叶斯分析法进行不确定性分析并计算安全边际值;万金保等[17]运用TMDL计划的思路分析了赣江污染物最大日负荷的变化特征,比较了赣江流域的现状负荷通量和允许负荷通量;柯强等[18]研究和分析了TMDL技术在农业面源污染控制管理中的应用与发展趋势。

由于我国并未将TMDL纳入水污染负荷控制计划,因此,国内的TMDL研究大多由科研工作者自行开展,缺乏系统性和延续性。TMDL计划在美国经过30多年的发展和数万个案例的实际运作,积累了丰富的经验,其基本方案和思路被证明是有效和可行的,对污染控制和水质改善发挥了重要作用。

2我国水污染总量控制管理现状及存在的问题

2.1我国水污染总量控制管理和研究现状

在国家水污染总量控制管理制度逐步建立的过程中,相关领域的科研工作者在污染负荷与水环境容量的计算、污染物削减任务的合理分配等方面也开展了一系列研究工作。在污染负荷与水环境容量方面,于晶等[19]在对济南市水污染源开展调查的基础上,分析和研究了污染源水污染总量的评价和控制方法;魏文龙等[20]提出了兼顾目标总量和容量总量的水污染排放限值计算方法;陈龙等[21]结合我国的总量控制制度,借鉴国内外实施季节性排污计划的经验,构建了季节性水污染物总量控制的基本框架。我国一般以行政区作为污染管控的基本单元,但污染负荷与环境容量通常以流域为计算单元,因此,污染负荷及污染削减指标的分配一直是我国水污染总量管控研究的难点。不少研究者在此领域开展了一系列探索性的研究,田平等[22]应用WASP 模型在张家港平原水网区开展水环境容量计算,结合环境基尼系数提出了水污染物总量分配的优化方案;刘媛媛等[23]构建了“污染源类型-污染源细类-排污单位”的3层分配结构,以常州武南河控制单元为例,开展了COD容量分配的研究;刘巧玲等[24]基于熵权法建立了体现区域差异的“改进等比例分配方法”,并对我国省际间COD削减总量分配进行了案例研究;吕丽等[25]研究了决策偏好对水污染物总量分配的影响;刘年磊等[26]在考虑社会经济发展水平、水污染物削减潜力以及主体功能区环境目标约束等因素的基础上,尝试构建了国家水污染物总量控制目标分配指标体系,针对我国2015年COD与氨氮的省际分配进行了实例研究;王媛等[27]在考虑排污权公平准则的基础上,构建了以加权信息熵最大化为目标的水污染物总量分配模型。

经过多年的探索和实践,我国的污染管控研究和制度建设取得了很大成就,为国家污染物的减排和控制做出了巨大贡献,但相对发达国家,无论是管理思路还是科研水平,依然存在很大差距，主要体现在污染削减与水质改善之间的相关关系研究较少。

2.2我国水污染总量管控存在的主要问题

我国从第九个五年计划开始正式将污染总量控制和减排纳入环境保护五年规划。从历届环保规划的实施情况看,各级行政单元的污染总量控制和减排任务大多完成较好,大部分地区的水体污染负荷总量呈现下降趋势,但水质状况却并未出现持续改善,很多地区甚至还有恶化趋势,说明我国的水污染总量控制管理依然存在不完善之处。相对发达国家,我国的水污染管控主要存在以下问题:

(1)过分依赖行政区的管理职能,忽视流域水环境管理能力的建设。由于历史原因,我国的污染管控主要以行政区为基本单元,流域水环境管理能力相对欠缺,水污染总量控制和削减也基本上是由国家确定总体控制和削减指标,按照行政区层层分解和落实。但对于水环境而言,水资源量、水体污染负荷与水环境容量的计算,都需要以流域为单元,现行的污染总量控制方案,对于跨行政区的流域,尤其是跨省界的流域,实施难度很大,在各个行政区之间开展污染负荷削减指标的分解和分配也存在很大困难,影响了污染控制和削减方案的实施效果。

(2)污染总量控制考核指标单一,难以反映不同流域的实际水环境问题。与美国相比,我国的水污染总量控制和减排考核指标相对单一,第十一个五年计划期间水污染总量控制的考核指标只有COD,第十二个五年计划期间增加了氨氮,但实际上,不同流域的水污染问题非常复杂,很多污染问题(如重金属污染)无法通过这2个指标反映,对很多流域而言,仅仅控制2种污染指标,远远不能解决问题。相对而言,TMDL计划没有统一规定需要控制和削减的污染物,而是按照流域水体受损的具体情况,由计划的制定和实施部门根据实际情况确定需要开展总量控制的污染指标,有针对性地控制和削减关键污染物的负荷量,不仅更有成效,也避免了治理费用的浪费。

(3)污染总量控制和减排目标制定的依据不充分,未考虑水环境容量。我国目前的污染总量控制主要还是基于目标总量,基本上是要求所有水体按照统一的比例削减污染物。但我国不同水体和流域水污染状况的差异很大,对一些重污染水体,削减10%远远不能达到水质改善的效果,而对一些水质本已达标的水体,无差别地开展污染负荷削减,又造成不必要的浪费；还有一些地区,水质超标是由于环境本底污染或污染削减能力已经达到极限,根本无法完成考核目标。TMDL计划一般根据流域水环境容量确定污染负荷削减量,虽然实施过程相对复杂,但更有针对性，也更加符合实际情况,值得我国借鉴。

(4)总量控制和减排未与水质挂钩,缺乏客观的减排效果考核标准。水体污染总量控制和减排的根本目标是为了改善水质,但我国目前的总量控制管理体系中,并未要求分析并建立污染负荷与水质之间的相关关系,环境管理部门在考核减排效果时,一般是通过审查污水处理厂和工业企业污水处理设施的运行记录以及当地污染企业的关并情况来核算污染负荷削减量,不仅工作量巨大,而且效果不理想。由于缺乏客观的减排效果考核标准,导致污染控制和减排计划执行不力,也难以发现减排方案实施中的问题并进行调整。

(5)管理与科研脱节,管理方案的制定和实施缺乏理论和技术支撑。我国目前的污染总量控制和削减计划主要由政府部门主导,科研人员参与较少,管理与科研脱节的问题比较突出。一方面,污染负荷与水环境容量的计算、污染削减计划的制定、后续效果监督监测与考核方案的实施等都是技术性很强的工作,但由于缺乏科研支持,实施效果受到影响;另一方面,科研人员自发开展的污染负荷与水环境容量计算等方面的研究,由于缺少实际应用和验证的渠道,也严重影响了科研成果的推广和在实际工作中的检验与改进提高。

3对我国水污染总量控制和管理的建议

经历改革开放后30多年的高速发展,我国开始进入产业结构调整和转型阶段,传统的高速度、高污染发展模式已经难以为继,加之全民环保意识的提高,公众更加关注环境质量,无论是中央还是地方政府,都感受到巨大的环保压力。如果污染总量控制和减排还是仅仅围绕抽象的污染物削减量或削减比例，却不与环境质量挂钩,污染减排的实际效果无法在水质改善方面得到体现的话,各级政府和环保部门的工作将很难得到全社会的认可。

同时,经过数十年的科研积累,相关领域的研究已经有了长足发展,国内外已经开发出一大批相对成熟的水动力和水质模型,能够满足水污染负荷及水环境容量计算的需求,已经具备在我国建立和推广基于环境容量和水质改善的污染总量管控制度的条件。为进一步提高我国水污染总量控制和管理水平,有必要借鉴TMDL国外先进经验,从以下几个方面加强研究并完善我国的水污染总量管控制度。

(1)建立以流域为主体、流域与行政区相结合的水污染总量管控模式。从水环境的特点看,流域既是集水区域,也是污染物汇集的区域,基于流域开展污染负荷与水环境容量计算相对简单，也更加符合科学规律,流域应当成为水污染总量控制和管理的基本单元,要逐步强化流域水环境管理机构的职能和权威。同时,考虑到我国的环境管理主要还是以行政区为基本单元,短期内完全基于流域开展管理还有困难,应当建立以流域为主体、流域与行政区相结合的水污染总量管控模式,可以考虑按流域计算水环境容量并确定污染负荷削减定额,根据兼顾责任与公平性的原则,将削减定额分配到流域内不同的行政单元和污染源。

(2)建立相对客观且可操作性强的污染负荷减排效果评估与考核方案。我国水污染总量控制管理目前存在的最主要问题是减排方案难以落实,实施效果难以保障,这其中最主要的原因就是缺乏客观且可操作性强的污染负荷减排效果评估与考核方案。应当借鉴TMDL的经验,研究水体污染负荷与水质变化之间的相关关系,依据水质的改善程度来评价污染减排的实际效果,根据水质监测数据等客观性指标考核污染减排措施的落实情况。考核指标可以不局限于COD和氨氮等常规指标,而是根据不同流域水污染的具体情况,选择合适的考核指标。

(3)加强水质模型、污染负荷与水环境容量计算方面的研究。水质模型以及污染负荷与水环境容量计算是开展污染总量控制管理的重要技术基础。长期以来,由于实施的是目标总量控制制度,未对污染负荷与水环境容量的计算提出硬性要求。因此,我国在相关领域的研究相对落后,缺乏符合我国流域特点的水质模型以及污染负荷与水环境容量测算技术,但基于水环境容量的污染总量控制是今后的大趋势,我国应当在相关领域加强研究,研发拥有自主知识产权、能够适应我国水环境特点的水质模型以及污染负荷与水环境容量计算方法。

(4)借鉴TMDL的先进经验,完善我国水污染总量控制和削减的技术规范与流程。经过多年发展,TMDL计划已经形成了一整套管理方案与技术流程,可借鉴TMDL的思路和经验,建立具有中国特色的污染总量控制管理技术流程与规范。基于以上思路,笔者尝试提出了我国水污染总量控制管理的基本流程(图2)。

这一流程包括:(a)流域水环境问题调查识别。重点开展流域水文、水质状况调查,分析主要污染源的排污情况,确定需要开展总量控制的污染物指标;(b)污染负荷削减量分析。运用数学模型或其他技术方法计算现状污染负荷及水环境容量,确定需要削减的污染负荷;(c)污染减排任务分配。根据流域内各个行政单元的社会经济发展状况以及不同污染源对流域水污染的贡献和污染削减潜力,运用环境基尼系数法、熵权法等技术方法,将流域水污染削减任务合理分配到各个行政单元和污染源;(d)污染削减方案制定。提出污染削减的规划和方案,包括污水处理能力建设、产业结构调整和面源污染控制等方面的要求;(e)污染减排保障措施。建立污染负荷削减与水质变化的相关关系,计算并预测水质变化趋势,制定水质监测方案,根据水质变化评估污染减排方案的实施效果,根据实际情况对减排方案进行调整和改进。

图2水污染总量控制管理流程

Fig.2Flow-chart of the management of

water pollution load control

4结论与展望

污染总量控制是应对水环境问题的有效手段之一,也是我国水污染控制的长期方针和政策。目前,我国虽然已经将污染总量控制纳入环境保护五年规划并制定相应的总量减排目标,但在减排目标制定的科学性与合理性以及减排任务的落实等方面,还有很多值得研究和探索的地方。

我国水污染总量管控的最终目标应当是建立环境质量和排放总量双约束的管理体系,TMDL计划等国外先进管理方案在这些方面开展了有益的探索并取得成功,其中最重要的内容就是基于环境容量的水污染削减目标制定和分配,它将污染减排与水质改善紧密联系在一起,而这一方面恰恰是我国现行水污染总量控制管理制度的不足之处,需要加强相关领域的研究。

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(责任编辑： 陈昕)

Use of TMDL for Reference and Flow-Chat of Management of Water Pollution Volume Control in China.

LIUZhuang,LIUAi-ping,ZHUANGWei,ZHANGLi,HEFei,XIEYu-feng,HANGXiao-shuai,GAOJi-xi

(Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China)

Abstract:Based on the review of relevant literatures, the framework and characters of TMDL(total maximum daily loads) and the research in progress have been analyzed. Using the TMDL for reference, problems in pollution volume control of China are discussed. The results show that the indices for performance assessment of total pollution volume reduction are too simple; the formulation of the targets of the total volume control and pollution reduction failed to take into account of aquatic environmental capacity; the total volume control and pollution reduction is not related to improvement of water quality; and management and scientific research go adrift.It is, therefore, essential to strengthen the researches on water quality modeling and calculation of pollution load and water environmental capacity, and to develop a relatively objective and highly operable scheme for evaluation and performance assessment of pollution reduction. Proposals are brought forth for consummate the technical flow and scheme for water pollution total volume control in China.

Key words:water pollution load control;TMDL;water environmental capacity

作者简介：刘庄(1969—),男,江苏姜堰人,研究员,博士,主要从事水体污染负荷计算与水质变化预测方面的研究。E-mail: liuzhuang@nies.org

通信作者①E-mail:gjx@nies.org

基金项目：江苏省自然科学基金(BK2011081);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07503-004,2012ZX07506-007)

收稿日期：2015-04-07

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.01.009

中图分类号：X52;X321

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)01-0047-06