基于水质达标的入河污染物总量控制方法研究

邹朝望，王咏铃，王海波，尹耀锋

（湖北省水利水电规划勘察设计院，武汉 430064）

国务院于2012年颁布的《关于实行最严格水资源管理制度的意见》中所提到的三条红线之水功能区限制纳污红线，旨在将进入水体的主要污染物入河总量控制在水功能区的纳污能力范围内。现今我国水污染管理的办法主要有浓度控制和总量控制。水质浓度控制：我国水环境管理起初治理模式是以控制污染排放源的排污浓度为核心。至今为止，我国水污染控制的基础仍然是以浓度控制为主[1]，主要是将各个污染排放源或水质代表断面作为研究对象，将断面实测的长期水质数据与水质标准相比，进而确定水质达标情况，最终制定相宜的环境治理方略。该法执行起来方便快捷，“排污收费”制度也是根据水质浓度制定的，有助于提升排污者对污水管理与处置的自觉意识。污染物总量控制：将某一研究区域（行政区、流域、河流、水功能区等）作为一个模糊的整体系统，为达到既定的水环境目标要求，而采取相应的措施将排进该系统的污染物总量控制在一定范围之内。污染物排放总量控制，这一概念是在“九五”时期最早被提出，主要有以下三种形式，包括目标总量控制、容量总量控制和行业总量控制。目标总量控制是以排放限制为控制基点，容量总量控制是以水质标准为前提及控制基点，行业总量控制是以能源、资源的合理利用为控制基点，三种控制模式各有利弊[2]。1968年，日本学者最早提出了关于环境容量的概念；1977年，日本环境厅提出“水质污染总量控制”办法[3]。其后，美国环保局于1972年相继又提出关于污染物总量——最大日负荷总量（TMDL）的概念，并在其全国范围内开始实行水污染物排放许可证制度。近些年国内也对污染物总量的研究展开了大量的讨论，目前我国总量控制仍处于目标总量控制阶段[4]。

但目标总量控制存在一定弊端——污染物的入河量与水体浓度两者不能构成实时响应关系。由于总量减排与质量改善缺乏同步性，导致水管理部门不能仅参照水体的水质目标要求来控制污染物排放及入河总量[4]。因此，总量控制中的容量总量控制制度逐渐成为我国水环境管理与评价的主流趋势。

1 研究方法

基于浓度控制、总量控制的理念，提出一套兼顾污染物浓度与污染物入河负荷总量控制的河道水质评价模型。该模型结构及具体计算过程如下：

1）模型结构。模型分为污染负荷计算、河段水环境容量计算、浓度与入河总量控制决策三部分。首先，概化研究河段的污染物入河口、出入口，确定一定时间段内的污染物入河负荷总量；利用适宜的河流水质模型，计算研究河段的水环境容量，确定河段在研究时段内对某种污染物的承纳能力；根据实测的污染物水质与计算得到的入河总量结合水环境容量进行分析，建立双目标控制的评价决策模型。

2）优化模型求解。根据研究的三个控制目标，建立目标模型，在模型无量纲化、标准化处理后，求解在不同条件下，河段需采取的污染物控制方案。

根据模型评价结果，确定研究区域污染物控制模式，为河段污染治理、水功能区管理、行政区管理提供一定的技术支撑。

1.1 污染负荷计算方法

根据污染物入河负荷的概念按照式（1）至式（7）[5]计算：

断面的污染负荷通量：

时间段（ts）内断面的污染物总量：

时段t1内入口监测断面处污染物入河负荷量：

具有多个入口监测断面的河段污染物入河负荷总量：

时段t2内出口监测断面污染物出河负荷量：

具有多个出口监测断面的河段污染物出河负荷总量：

研究区段的外来输入污染物总量：

式中：L为断面的污染负荷量，kg/s；C为污染物浓度，mg/L；Q为断面流量，m3/s；C入、C出分别为河段入口、出口处断面浓度，mg/L；Q入、Q出分别为河段入口、出口处断面流量，m3/s；r入、r出分别为河段各个入口、出口处断面的污染物入河量，kg；R入、R出分别为河段污染物总入河量和总出河量，kg；M为研究区段的外来污染物总量，kg。

1.2 水环境容量计算方法

根据河段的水质保护目标，选取河流一维水环境模型对研究河段水环境容量进行测算，见公式（8）。

式中：W为水环境容量，t/a；Q为最枯月径流量，m3/s；Cs为水质管理目标浓度，mg/L；C0为水质管理初始浓度，mg/L；K为污染物综合降解系数；V为水体容积，m3；q为客体流量，m3/s。

1.3 浓度与总量双目标控制模型

1.3.1 单元系统水质水量模型

对任意子河段，由于水体本身的复杂性、河段的稀释、降解、沉淀等过程的联系众多、规律冗杂，为了分析计算更为清晰，可将该段水体系统概化，根据《水域纳污能力计算规程》[6]中数学模型计算河流水域纳污能力时，对河道特征及水利条件进行简化，当河道断面宽深比B/H＞20时，断面形态可简化为矩形断面，见图1。

图1 子河段入流、出流示意图Fig.1 Schematic diagram of inflow and outflow in sub reach

该模型满足水量平衡方程式：

物质守恒方程式：

子河段浓度方程：

子河段入河污染物总量方程：

式中，Q0i，Q1i分别为河段i时刻初始断面与末断面的流量，m3/s；qr1，qr2，…，qrn为流入该河段的客体流量或用户提取的水量，m3/s；C0i，Cqr，C1i分别为对应流量的浓度值，mg/L；V为河段的水体体积，m3；W为河段的水环境容量值，t/a；j为污染物种类；xr为汇流口至下游断面的距离；xk为研究断面与初始断面之间的距离；xd为研究断面与汇流口r之间的距离；k为污染物的综合降解系数；C0ij为i时刻初始断面的污染物浓度；C1ij为i时刻初始下游断面的污染物浓度。

1.3.2 多目标决策模型

根据问题的研究任务，需确定3个控制目标：①下游控制断面浓度最小；②河段入河污染物总量最小；③控制点加权水质最优[4]。

目标函数定义为：

式中：X为水质浓度；Y为入河污染物总量；Z为下游加权水质浓度。α是X指标所占权重；β是Y指标所占权重，满足归一化条件α+β=1，并根据约束条件：

使目标函数极小化。为此，需要把（13）式中的指标无量纲化[7]。将水质浓度X或入河污染物总量Y在i时刻j断面处的值记为xij，定义：

式中：Max（xij）和Min（xij）分别为xij的最大值和最小值。由此定义：

式中：yij是无量纳化的水质浓度或入河污染物总量在i时刻j断面处的值。

2 实例分析

2.1 区域概况

沙颍河水系是淮河流域最大的一条支流，发源于河南省牛伏山区，横跨河南、安徽两省，河道全长620 km，流域总面积36 651 km2[8]。本文选取沙颍河水系下游的阜阳闸至颍上闸河段为研究对象，该河段隶属于安徽省境内，处于不同的市级行政区管辖范围，该河段长80.44 km，与淮河干流距离约40 km，研究河段位置及所在流域水系如图2所示。

图2 流域位置水系图Fig.2 Location map of basin

2.2 水质浓度评价

对水文测站颍上闸1996—2015年径流排频分析，得到枯水年（P=90%）典型年为2005年，考虑最不利因素，本文以枯水年为例进行分析。选取阜阳闸至颍上闸河段2005年水质监测站数据与水质标准进行对比，年内上下游水质监测断面浓度随时间变化曲线（C-t曲线）如图3所示。

图3 2005年阜阳闸与颖上闸河段监测断面高锰酸钾指数（CODMn）浓度变化过程线Fig.3 Monthly variation of CODMnconcentration in 2005 at floodgates of Fuyang and Yingshang

根据多年水质监测资料对研究河段进行现状水质评价，知2005年上半年的水体CODMn浓度均超标，下半年水质均达标；汛期6—9月河段均属于Ⅱ～Ⅲ类水质，而非汛期月份只有50%处于水质达标状态，其余月份水质均较恶劣；对于全年度水质整体评价，达标率e≥80%时判定为水质达标，反之则判定为超标[9]。由图3可知研究河段全年水质达标率低于50%，总体状况不容乐观。

分析典型年2005年河道上下游两监测断面的CODMn浓度随流量变化过程，结果如图4所示。可见随着汛期降雨量的增加，该研究河段下游颍上闸的CODMn浓度与上游阜阳闸的CODMn浓度相比有所增长。因此，该河段的水环境状况主要影响因素是面源污染[10]。其中，CODMn浓度在2—6月均不能达到水质目标要求，1月、7—12月均满足水质要求。根据污染物浓度控制思想，即1月、7—12月不需要进行断面的CODMn浓度控制，只对2—6月进行CODMn浓度控制即可。

2.3 污染物总量控制分析

根据流量过程线与浓度过程线可计算得到污染负荷月变化情况。2005年的CODMn入河污染负荷过程线（L-t）如图5所示。然后根据式（3）至式（7）计算得到2005年阜阳闸CODMn全年入河污染物总量、出河污染物总量、区间面源与点源污染排入总量的 CODMn分别为 3.25×105t、9.07×105t、5.72×105t。

图4 2005年两闸CODMn浓度随流量变化趋势图Fig.4 Variation trend of CODMnconcentration with flow in 2005

图5 2005年两闸污染负荷过程线Fig.5 Variation of pollutant load in each monitored section in 2005

据式（8）计算得到研究河段全年水环境容量值W为1.586×107t，将该水环境容量值平均分配到各个月份，得到典型年2005年各月污染物入河总量与环境容量的对比结果，如图6所示。

图6 2005年各月入河污染物总量变化Fig.6 Monthly variation of gross pollutant discharged into river in 2005

由图6可知，典型年1—6月及12月的污染物CODMn入河总量均能达到水环境目标要求，而7—11月不能达到目标要求，因此，需要对超标月份进行污染物入河总量控制。

2.4 浓度与入河污染物总量联合控制分析

与上节所述的浓度控制理论结合分析，以图5中7月为例，如果仅以下游出口断面的CODMn浓度考核河段水体，该月水体是满足水质标准的；另外，如果仅以CODMn入河总量来考核河段水体，该月水体没能满足水质标准。以图5中2—6月为例分析，CODMn浓度均不能达到水质目标，但CODMn入河总量均已满足水环境容量目标。因此，考核河段水质是否达标不能仅限于对污染物浓度或入河总量的单一分析，需针对不同的污染情形选取不同的治理方案从而确定评价结果。例如：对于考核断面浓度超标且污染物入河总量达标的情形，只需进行浓度控制，使入河污染物总量维持现状排放就能达到治污的目的；相反，则只需进行污染物入河总量控制。如果两者都不能满足水质要求，则需对两者同时进行控制。

对2005年进行污染现状分析，并将基础数据代入标准化处理后的模型式（13）至式（16）计算，经拟合得到污染物控制（评价）模型如下：

对模型分析知，当α=0时，模型为总量单一控制模型，使Z达到最小值时，计算得到C1只需满足初始条件0＜C1＜6.96（mg/L）即可，此时只用对研究河段进行污染物入河总量控制；当α=1时，模型为浓度单一控制模型，此时Z取得定值，只用对排污口进行浓度控制，使断面浓度C1≤Cs且CODMn入河负荷总量保持现状允许排放量即可。当0＜α＜1时模型为浓度与总量联合控制模型，即6.96＜C1＜17.8（mg/L）时，此时需对河段的污染物浓度及其入河负荷总量采取联合控制方案[11]。

因此，采用污染物浓度及入河负荷总量联合评价办法对研究河段的典型年水质进行评估。结果表明：颍上闸在1月、8—12月出口断面浓度超标，需采取污染物入河总量控制方案；而2—7月两者都不达标，需对浓度及污染物入河负荷总量实行联合控制的方案才能满足水环境容量总量要求。

2.5 方法对比研究

根据阜阳闸至颍上闸的实测水文水质资料，分析了浓度、污染物入河总量及水体环境容量之间量与质的关系。并结合当下我国流域水污染控制分区、水功能区划及水功能区纳污红线等要求，对该研究河段的水污染治理提出了污染物浓度与污染物入河总量双重考核制度的概念。与浓度、总量单一评价模式对比，得到如下结论[12]。

1）阜阳闸至颍上闸河段2005年现状水质的评价若仅采用断面浓度评价或总量达标评价，2—6月浓度均不满足水质标准，1月、7—12月均满足，即1月、7—12月无需进行断面的浓度控制，只对2—6月进行浓度控制即可。2005年CODMn在1—6月及12月的入河总量均能满足水环境目标，7—11月不能满足，因此，需对超标月份的污染物入河总量进行控制。可见，浓度或总量单一评价所确定的治污月份有较大差异。

2）对研究河段水质现状评估，采用浓度与污染物入河总量联合评价，结果表明：作为河段出口断面的颍上闸在1月及8—12月需采取污染物入河总量控制方案；而2—7月需采取浓度及污染物入河总量联合控制的方案才能达到环境目标要求。

3 结语

本文分别采用监测断面水质浓度控制、入河总量控制和浓度-污染物入河总量联合控制的方法对沙颍河下游阜阳闸至颍上闸河段的水环境污染现状进行分析、评价，就新方法提出相应的控制方案。这种方法与前两者相比，无论是在评价过程还是控制策略上都存在着一定的优异性。水质浓度与污染物入河总量的同时控制，其优点在于能够通过水体环境容量来确定可被允许排入的污染负荷总量，并能将该污染负荷总量与水体浓度建立良好的量性关系，这对合理管理沙颍河流域的水环境提供了有价值的参考。