流域水质目标管理技术研究概述

韩文辉，党晋华，赵颖，刘娟

(山西省环境科学研究院，太原 030027)

优质的水体环境是保障人民群众身心健康的必要条件，也是当前经济社会可持续发展的重要基石。近年来，受社会经济快速发展和污染负荷超量排放的影响，我国许多流域水环境质量不断下降，水体流域污染问题严重[1]。为从根本上解决流域水污染问题，我国开始实行水污染控制管理技术，并在不断的发展过程中进行规范和改进。

20世纪以来，全球许多国家也在积极针对本国的水污染状况进行水质管理技术的研究。日本于20世纪70年代在伊势湾和东京湾开始实施总量控制计划[2]；美国应用最为广泛的最大日负荷量计划(TMDL，Total maximum daily load)[3-5]，将可分配的污染负荷分配到各个污染源(包括点源和非点源)，同时考虑安全临界值和季节性变化，采取适当污染控制措施保证目标水体达到相应水质标准，通过完善的水质管理方案修复和保持水体的生态完整性；欧洲颁布施行的《水框架指令》[6]，强调水资源水环境、水量水质水生态一体化管理，旨在实现污染控制和水质保护，包括水文条件的恢复、河流地貌多样性的恢复以及生物群落多样性的恢复等，充分考虑到了河流水体的物理、化学和生物完整性，鼓励公众参与，对各国的流域水污染管理起到了切实有效的作用。美国广泛实施的TMDL计划，在改善水体质量方面取得了较大的成功，是行之有效的流域污染管理方法，成为国际上河流治理和流域管理方面的主要发展趋势。但其中也不乏一些失败的经验教训，如缺乏对重要污染物间相互关系的研究，缺乏生物标准和监测，很多州的非污染点源污染被忽视，模型应用较为机械和生硬等等，这些均对我国流域治理研究有着重要的借鉴和启示作用[7]。

我国的水质管理技术在流域尺度上缺乏较为系统的科学研究，技术基础薄弱，一直以来主要聚焦在设定排放目标的总量控制上。水质管理在一定程度减少了污染物的排放量，遏制了流域水质进一步恶化的趋势。但因未充分考虑污染物排放量与容纳水体水质间的响应关系，普遍存在流域污染控制总量与水质改善目标脱钩、区域限排总量与水环境容量不匹配等问题[8-9]。因此，本文在概述近年来我国流域水质目标管理技术研究进展基础上，针对其不足的方面提出了对其进一步完善的建议。

1 流域水质目标管理技术的本质

水质目标管理是以先进规范化的技术指导体系为支撑、以水质目标为基础、以流域水生态系统健康为最终目的，依据“分类、分区、分级、分期”的流域水污染防治原则，将污染负荷削减和流域水质、水生态安全有机结合在一起所建立的水环境容量总量控制技术[10]。流域水质目标管理技术可根据流域所处自然环境状况及其自净能力大小，将污染物负荷总量控制在区域自然环境所能承载的能力范围之内，突破了单一流域水质管理的局限性，将整个流域的水质目标作为最终达标的标准，实现流域水环境综合治理。

流域水质目标管理技术主要包括以下几个重要组成部分：水环境问题诊断；控制单元划分；水质目标核定；水质响应特征分析；污染排放负荷核算；污染负荷削减分配等。在实际应用中，流域水质目标管理技术方案遵循以下的制定流程，具体见图1。

图1 流域水质目标管理技术方案制定流程图

2 流域水质目标管理技术的关键内容

2.1 水环境问题诊断

我国流域水系覆盖范围广、走向错综复杂，污染成因也各不相同，进行水环境问题诊断的目的就是明确流域的主要污染类型、污染的成因和过程，为后续污染治理方案研究提供方向。水环境问题诊断主要包括水环境特征分析和污染源结构分析。

2.1.1 水环境特征分析

水环境特征分析主要是指水质现状评价及变化趋势分析、水生生物评价、物理生境评价、综合评价[11]。

(1)水质现状评价及变化趋势分析

根据研究断面水质监测结果，对重点断面和特征性污染物进行评价和变化趋势分析。张悦等人应用达标率法和改进的变权物元可拓模型，对沈阳市水功能区水质现状进行了综合评价，得到水质达标率及水功能区综合水质变化总体趋势[12]，结果兼具实用性和系统性，客观全面地反映了研究区域的水质情况。王新参考水质评价标准(GB 3838—2002)《地表水环境质量标准》，采用单项标准指数法评价了某县境内主要河流的水环境质量，采用季节性肯达尔法进行趋势分析检验[13]，评价结果基本能反映流域地表水水质情况，满足评价要求。庞朔等人分别利用分类法和最大评分法对四川省南部两个城市饮用水水源水质进行分析评价，清晰展示了水质的季节变化特点[14]。

(2)水生生物评价

对研究流域内浮游动植物和底栖动物进行均匀性指数、多样性指数和丰富度分析，并进行生物完整性评价。王伟等人调查了白龙江水生生物情况，并利用藻类多样性指数评价方法评价了天水市渭河的生物多样性[15]。李凤林等人监测了汤旺河水生生物状况，利用生物学方法评价了河流的水质污染现状[16]。鞠永富利用多样性指数法和生物完整性指数法对小兴凯湖水质状况进行了总体评价[17]。评价结果均切实可行，具有一定参考意义。

(3)物理生境评价

利用人类活动、土地利用方式、植物多样性和流域泥沙含量及流量等相关指标对流域水生生物个体数、所属种群进行环境评价。王琼等人调查了大伙房水库入库河流物理生境特征和水质现状，分别运用相关分析法、冗余分析法识别该河流物理生境特征与水质状况响应关系[18]，得到物理生境特征良好、一般和较差的河段位置，结果准确、可靠。郭维东等人采用模糊综合评价法对辽宁省水库物理生境完整性进行了综合评价[19]，评价简便、全面，可操作性强。

(4)综合评价

参考流域特点，将上述三种评价结果标准化，并对指标加权求和，得到水环境特征的综合评价结果。杨永宇分别采用水质评价灰色关联法和BP神经网络法对黑河流域水环境质量进行了综合评价，结果显示后者评价结果更为直接和客观，避免了“一刀切”的方式，水质状况结果更加准确[20]。赵颖等讨论了利用GIS技术进行水质综合评价的优点和缺陷，总体来说评价结果可靠、直观，但需注意数据兼容及进一步改进网络分析模型[21]。

2.1.2 污染源结构分析

污染源结构分析是水质目标管理中一项重要环节，明确流域污染源分类，才能采取针对性措施控制污染。流域内污染物依据污染来源主要划分为点源污染和面源污染，两种污染在产生机理、入河方式、影响机制等因素上具有各自不同的特点[22-23]。张春宝调查了滇池流域的主要污染源，显示为工业污染源排放[24]。白娟等人确定江淮流域内中型水库点源污染为城镇生活污水，面源污染为农业面源及零散畜禽养殖[25]。不同流域污染源结构不一，实际应用时应按照各流域现实状况进行分析。

2.2 控制单元划分

将庞大复杂的流域系统划分为相对独立的若干小单元，可有针对性地缓解流域水污染问题，利于流域总体治理规划。基于差异性划分依据和管理模式，国内外依据水文单元、水生态区和行政区3种划分方法开展控制单元划分工作。我国借助GIS系统，根据行政区划、水环境功能区划和自然汇水区划等来划分控制单元，国外则多依据水生态分区进行。我国也有学者进行水生态功能分区的研究，如中国环境科学研究院对辽河流域进行了水生态分区，将其划分为3个1级区和14个2级区，较为科学地反映了流域的水生态环境特征[26]。但因国家尚未进行全面完整的基于水生态功能的流域划分工作，目前我国对水生态功能分区的应用还相对较少。

2.3 水质目标核定

水质目标的确定以水功能标准为主要依据，参考水环境质量标准，同时综合考虑各类约束因素[27]，最终制定研究流域的水质目标。雷坤等人在研究南沙河控制单元水质目标时，提出了水质目标核定的多约束关系系统，包括地理约束、功能约束和排污口约束，要求把各方面最严格约束的组合作为对流域及区域最大允许纳污量的限制[11]。周刚等人在此基础上增加了一项时间约束条件，依据不同污染物的特征属性及所保护目标，来合理确定所需达标的时间和频率，以通过允许平均期及超标重现期来控制风险[28]，结果更为全面、客观。

2.4 污染负荷和水质响应分析

2.4.1 污染负荷核算

流域内污染主要受点源和面源(即非点源)的共同作用影响。通过对点源和非点源污染量的估算及对其产生机制和特点进行分析，明确污染源的结构组成特征，确定其排放负荷，有利于针对性地提出下一步治理方案。点源污染因其排放位置集中且相对固定，利用实时监测数据并结合排污系数法来估算污染负荷量；非点源污染由于随机性较强、分布较广和潜伏期较长，估算水质目标趋势困难，需借助大量数学方程概化区域内面源污染实际情况。目前一般采用两类数学模型进行估算：统计型经验模型和机理性过程模型。前者主要有降雨量差值法、输出系数法、水量水质相关法等；后者主要是应用国外模型，常用如HSPF[33]、SWAT[34]、GWLF[35]和SPARROW[36]等。

在实际应用操作中，统计性经验模型所需数据少，估算速度快，但在非点源污染的产生和输移机理及流域动态水文过程对污染物的输出影响方面不能较为直接地加以反映[27]，可应用范围有限。机理性模型大多直接沿用国外模型，较少考虑其适用条件可能与我国国情之间存在的差异。两类模型都因应用大量变量和常数而存在一定的不确定性，尤其是空间差异性，成为目前应用中的一大难点。

2.4.2 水质响应分析

通过水质模型模拟的方法来建立污染负荷和水质之间的响应关系，直观清晰地展示不同污染源对水质的影响，有利于流域最大允许纳污量的计算和分析。当前应用较广的有WASP模型、WASP与EFDC模型耦合及MIKE21模型等。WASP模型用来模拟常规污染物和有毒污染物在水中的迁移和转化规律，与其他模型特别是与水环境模拟系统EFDC模型结合使用而广泛应用；MIKE21软件主要应用于对河流、湖泊、河口、港口的水质、泥沙及水动力的模拟研究[37]。

任华堂等人通过建立深圳湾水质EFDC模型，对深圳湾突发污染负荷的响应特征进行了研究，定量模拟了深圳湾水环境对突发污染负荷的响应特点，模型的模拟结果可靠、有效[38]。宫雪亮等人运用MIKE21模型模拟研究了南四湖上级湖水量水质响应特点，进一步分析了其水质变化过程，为改善南四湖水质提供了有效的科学依据，具有一定的参考意义[39]。

2.5 污染负荷削减分配

污染物负荷削减分配是水质目标管理的核心关键所在，关系到污染排放控制的实际落实。污染物削减分配主要包含两方面内容：以水质目标为基础的容量核算和污染负荷分配。其中负荷分配包括点源、面源之间以及点源之间的污染负荷分配[40]。

2.5.1 水环境容量核算

水环境容量核算就是计算目标流域或选定目标单元所能承受的水质目标下的最大污染物排放量。国外水环境容量核算主要以不确定方法为主，主要有概率稀释模型法、未确知数学方法和随机规划法等，一定程度上考虑了污染源的随机排放和波动特性，管理上更具实操性。与发达国家相比，我国较晚开始水环境污染控制方面的研究[41]，监测数据较为缺乏。目前我国应用最为广泛的水环境容量核算方法多参考中国环境规划院《全国水环境容量核定技术指南》，应用公式法进行计算。

杨杰军等人以大沽河为例，依据河流水力特性的不同，将河道水体分为河道、拦河闸水体和感潮河段3种类型，基于不同的水体类型分别采用不同的水质模型来确定水环境容量。主要包括河流一维水质模型、湖库均匀混合模型和河口一维水质模型，以3类水体的环境容量之和作为河流的环境容量，较为准确地核算了大沽河的水环境容量[42]。

2.5.2 污染负荷分配与削减

污染负荷分配是水质目标管理中的核心内容，制定科学合理的污染负荷分配方案，是实施水质目标管理的关键所在。污染负荷分配是以流域点面源污染负荷量为基础，依据各个污染源的排污地点、数量和方式，结合污染源污染负荷削减技术和污染物削减优先顺序，并适当考虑经济可行性等因素[43]，对各控制单元区域内环境资源进行分配[44]，并制定合理有效、经济公平的分配方案[45]。雷坤等人根据专家打分法，结合南沙河流域实际情况，确定了排污口的总量分配，并通过排污口入河系数，按照等比例分配原则对各污染源现状排放量进行分配，得到了南沙河各排污口污染源分配方案，方法客观、可行[11]。李艳等人在此基础上，预留了5%的安全余量后将水环境容量分配到点源和面源上，实现了清河流域的污染源负荷分配，分配原则简单、方法具有可操作性，有一定的借鉴意义[46]。

3 研究展望

随着经济的快速发展和工农业生产的不断推进，我国环境问题日渐凸显，尤其是流域水环境污染日益严重，流域水体污染控制及水质管理问题引起了国家的高度重视。对流域水环境问题进行分析、识别和诊断，确定水环境特征、解析污染物结构，可以有针对性地解决水污染问题。水质目标管理技术是以控制单元水质指标和水质管理目标为基础的，目前在国内外应用较广、治理效果较好的流域综合管理技术，能够使流域水环境管理更具科学性和操作性。本文在概述当前我国水质目标管理技术的研究进展的基础上，进一步展望了流域水污染管理的发展态势。国外应用水质目标管理技术的大量实践表明：流域水质目标管理技术对于治理流域水环境污染、改善水环境质量起到了非常重要的作用。我国近年来也开展了大量有关水功能分区、水质模拟模型、水环境质量标准等方面的研究，但相较于国外的水质管理技术，仍有很多不足的地方。在以后的应用中，需进一步关注以下几个方面：

(1)完善适用于我国的水环境质量标准。我国现行的水环境质量标准主要参考国外的水环境基准，没有充分考虑到我国生态地域的复杂性特点。因此，迫切需要开展关于适用于我国水环境特点的质量标准研究，建立符合我国国情的水环境基准。

(2)改进污染负荷核算的使用模型。统计性经验模型因其所需数据少，对长期平均负荷的估算速度快，在污染控制中有一定的应用。而直接沿用国外的机理性模型虽然功能强大、能够得到非点源污染产生和输移的机理以及流域的动态水文过程对污染物的输出影响，但其忽略了国外适用条件与我国现实情况的差异性，易造成极大的误差甚至导致错误。因此，研发符合我国流域特征的污染负荷计算模型，或根据我国流域特征对现有模型进行改进，是完善我国流域污染控制及管理技术中的关键内容。

(3)设计科学的水文条件并合理确定安全余量。在污染负荷分配的实际应用中，不同水体应采用不同的水文计算模型进行水环境容量核算，并考虑研究区域各水期水量对污染物的稀释及自净作用，综合选取适宜的参量进行计算。污染负荷分配过程中设计合理的安全余量可以在一定程度上减少污染负荷削减的不确定性，但其量值的大小对负荷分配结果的影响较大，估值时要根据流域实际情况准确估算预留，以保证最终分配方案的科学实施。