美国水质标准制定研究及其对中国的借鉴意义

苏海磊，李信茹，陶艳茹，时迪，魏源，沈亚琴，陈艳卿，孙福红

中国环境科学研究院/环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

水质标准是国家水生态环境管理的基石与标尺，是水环境污染治理与生态修复的目标与方向，是水质监测、质量评估、排放许可、考核监管、政策法规的重要依据，是引领水环境质量提质增效升级的发令枪与指挥棒。科学合理的水质标准对保护人体与生态环境健康、绿色产业经济发展、社会进步都起到十分重要的作用。目前，中国已经建立了比较完整的水环境标准体系，包括《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）（国家环境保护总局，2002）、《海水水质标准》（GB 3097—1997）、《渔业水质标准》（GB 11607-89）、《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2005）、《地下水质标准》（GB/T 14848—2017）、《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）以及各种工业用水水质标准等，在中国的环境保护工作中起着极其重要的作用。尤其是《地表水环境质量标准》在中国水污染防治和水生态安全保障以及地表水体水质改善中发挥了无可替代的作用（张远等，2020）。但是，由于中国现行水质标准主要参考国外的水质基准和标准，具有一定的局限性，比如缺乏专门保护水生生物的水质标准、污染项目和部分标准限值对水生生物保护不足、标准值全国统一没有考虑区域性差异等。另外，水质标准具有时效性，应根据科学技术条件和经济发展适时更新完善。因此，中国水质标准面临着迫切的修订需求（Sun et al.，2021；郑丙辉等，2014）。

美国的水质基准与标准研究经历了几十年的历程，形成了一套较为完善和系统的体系，为国家的水质改善起到了积极重要的作用，也为世界其他国家和地区的水质基准和标准研究提供了借鉴和帮助。为了学习和借鉴美国的先进经验，中国学者很早就开始研究美国的水质基准和标准（夏青等，1990；夏青等，2004；聂蕊，2005；霍守亮等，2011；席北斗等，2011），并通过对比分别国内外水质标准，提出中国水质标准研究的紧迫性和研究思路（Zhao et al.，2016；李会仙等，2012），尝试性制定了中国部分污染物的标准值（Su et al.，2017）。同时，作为水质标准制订的科学依据，中国水质基准的研究工作也逐步开展起来（Wu et al.，2010；吴丰昌等，2011；郑欣等，2016；刘征涛，2018），取得了一系列成果。尽管如此，鉴于当时的历史局限性，对于美国水质标准及其部分关键术语的理解和认识还不够准确和完善。同时，美国的水质基准和标准研究也在不断更新进步。因此，有必要回过头来再次对美国水质标准的相关法律法规、实施和应用进行系统全面的整理和梳理，分析总结美国水质标准的特点和应用。本文对美国水质标准制定的理念、目标和相关法律法规进行了较为系统的研究，包括《清洁水法》、《水质标准法规》、及《水质标准手册》等重要内容，凝练了它们对中国水质标准研究的启示，以期为中国的水质标准研究及环境管理提供更好的学习和借鉴。

1 美国水质标准相关法律法规

1.1 《清洁水法》（Clean Water Act，CWA）

《清洁水法》（2002）作为美国水污染控制的主要法律，是美国水质基准和水质标准的法律基础，为美国各州制定和实施水质标准奠定了法律依据。最新版《清洁水法》，共6章94条，确立了美国水域污染物排放管理和地表水质量管理的基本法律要求，规定了国家水污染控制的目标，即恢复和维护国家水体化学、物理和生物完整性，及实现该目标的配套法律措施。同时，《清洁水法》中“标准与实施”这一条款对排放限值、水质相关的排放限值、水质标准和实施计划、信息和指南、水质清单等内容做了详细规定，包括水质标准定义、制定、审批等条款，为水质标准的实施提供了指导。《清洁水法》304(a)（1）条款要求美国环保局（EPA）利用最新的科技知识来建立水质基准，旨在保护水生物安全和人体健康；《清洁水法》303(c)条款规定各州制定水质标准，包括指定水体用途和制定保护该用途的水质基准。目前，美国各州与部落均制定并发布了适合本州水质参数和生物区系特征的水质标准。

1.2 《水质标准法规》（water quality standards regulation，40 CFR Part 131）

美国联邦行政法典（code of federal rule，CFR）第40主题的第131部分法规条款（USEPA，1995）对美国水质标准做出了更详细规定，称为《水质标准法规》（USEPA，2021）。最新版《水质标准法规》共有四部分内容：（1）一般条款，给出水质标准的范围、目的、定义、州权限、EPA权限、水质标准提交的最低要求、争议解决机制、以及印第安部落管理水质标准计划的要求；（2）水质标准制订，包括指定用途、基准、反退化政策和标准实施方法、通用规则、水质标准特殊许可、以及授权基于水质的排放限值的使用计划等；（3）审核和修订水质标准的程序，包括各州对水质标准的审核和修订、EPA对水质标准的审核和修订、以及EPA发布水质标准等；（4）联邦发布的水质标准。

该法规明确指出，水质标准是州或联邦法律的条款，包括水体的指定用途和基于该用途的水质基准，旨在保护公共健康和福祉，改善水质，和服务清洁水法。而水质基准是州水质标准的元素，以水质参数或污染物项目的浓度、水平或叙述性陈述表示，表明水体的质量可以支持指定用途。各州负责审核、制订和修订水质标准，而EPA负责审批各州制订的水质标准。如果EPA认为州或部落的水质标准符合《清洁水法》的要求，则批准该标准；反之则驳回该标准并发布联邦标准。

2 美国水质标准的制定与应用

为了执行《清洁水法》和《水质标准法规》的规定，美国环保局发布了《水质标准手册》（water quality standards handbook），作为指导各州执行并制定水质标准的技术指南。《水质标准手册》第一版于1983年发布（USEPA，1983），1994年修订为第2版（USEPA，1994）。之后，该手册作为在线版本，各章节内容单独更新。最新的《水质标准手册》共有七部分内容，包括一般规定、指定用途、水质基准、反退化、一般规则、水质标准的制定和审核程序、水质标准和基于水质的污染控制方法（https://www.epa.gov/wqstech/water-quality-standards-handbook）。

2.1 水质标准的基本含义和主要组成

水质标准是根据《清洁水法》制定各种水质管理计划的基础。水质标准可用于设定特定水体或其部分的水质目标，提供基于水质的排放限值的管理基础。另外，还可以作为受损水体最大日负荷（TMDLs）等恢复行动的目标。水质标准的定义：水质标准包括指定用途、水质基准、反退化和一般规则等 4个元素，用于恢复和保持国家水体的化学、物理和生物完整性；达到为鱼类、贝类和野生生物提供保护和繁殖功能，以及提供娱乐功能的水质条件。

2.1.1 指定用途

水质标准通过指定水体的用途定义了水体或部分水体的水质管理目标。《清洁水法》规定了水体的指定用途，主要分为六大类：公共供水；鱼类、贝类和野生生物的保护和繁殖；娱乐；农业和工业；航运；其他用途。总的来说，美国水体指定用途全面，分类明确。其中，鱼类、贝类和野生生物的保护和繁殖用途体现了对水生态保护的重要理念。中国现阶段也提出加强对水生态健康保护的重大需求，生态环境部印发了《重点流域水生态环境保护“十四五”规划编制技术大纲》，明确提出要突出水资源、水生态、水环境“三水”统筹，实现“有河有水，有鱼有草，人水和谐”的目标。中国的地表水环境质量标准（GB 3838—2002）也划分了较为全面的功能类别，包括五类（见表1）。但是可以看出，不同功能类别有交叉，如II类水体，一方面是水源地一级保护区（起保护人体健康作用），另一方面又是珍稀水生生物的栖息地、鱼虾类的产卵场、索饵场等（起水生生物保护的功能），不同功能采用同样的水质指标和标准限值，会对水生生物造成欠保护和过保护。另外，美国还引入了季节性用途的概念，用于有限的季节，可以在特殊季节内保护易受伤害的生物体或生命阶段。可以说指定用途决定了水体的保护目标，是水质标准制定的基础。

表1 中美水质标准中水体用途（功能）对比Table 1 Water uses (functions) of water quality standards in the USA and China

2.1.2 水质基准

作为水质标准的核心要素之一，水质基准主要包括人体健康基准、水生生物基准、营养物基准、生态基准、野生生物水质基准、优控污染物基准等。水质基准有叙述性和数值型两种形式，其中数值型水质基准又包括基准量级、持续时间和最大允许超过频率等3个要素。满足基准时，水质一般可以保护指定用途；超过水质基准时，水质可能会导致人体健康风险和生态风险，需要采取保护和恢复措施。美国环保局发布的国家推荐基准，根据最新科学知识、文献综述、风险评估程序、EPA政策、同行审议、和公众参与制定，表示可以充分保护指定用途的水中污染物水平，但不具有法律效力。州和授权部落可以使用特定区域条件校正的水质基准（改变物质生物有效性和毒性物理和化学特征，物种敏感性差异），但是必须科学合理，包含保护指定用途的充分参数和成分，支持水体的最敏感指定用途。对生物累积性物质，基于生物组织的基准更合理，而基于水相的基准可以由基于生物组织的基准转化获得。

2.1.3 反退化

反退化也是水质标准的核心元素之一。反退化要求和执行这些要求的方法是州水质标准中的最低条件。各州必须制定、采用和保留一个全州的水质标准相关的反退化政策，并建立水质管理过程中执行该政策的程序。反退化的内容已有学者进行解读（席北斗等，2011），这里不再进行详细讨论。

2.1.4 影响水质标准应用和实施的一般规则

水质标准除指定用途、水质基准和反退化政策等3个核心要素外，还包括影响水质标准应用和实施的一般规则。州和授权部落可以在水质标准中采取一般规则，它们会影响如何使用和执行水质标准。这些一般规则包括混合区、低流量条件和水质标准特殊许可。

（1）混合区

混合区是一个有限区域或一定体积的水域，排放物在这里进行初始稀释且可能超过某些数值型水质基准。美国环保局认为，在有限的明确水体区域中水生生物的暴露短时间内超过基准，可能不会影响整个水体指定用途的维持。这种情况下，可以允许某污染物的环境浓度超过基准值。需要指出的是，水体的叙述型和/或数值型基准仍然是混合区边界内的适用基准，即混合区是可以超出基准的区域，而非不适用基准的区域。混合区通常适用于发生不完全混合的水体类型，虽有助于稀释废水排放中的污染物浓度，但也会增加水体污染物的负荷量。如果应用不当，混合区可能会对通过混合区的移动物种以及排放口附近移动性较小的物种（如底栖生物群落）产生不利影响。所以，混合区的使用应谨慎，以免损害整个水体的指定用途。尽管州或部落有权选择是否授权混合区，但美国规定了一些不适用混合区的情况，例如排放废水含有生物累积性污染危害时，污染物浓度可能导致重大人体健康风险时，或可能危及繁殖场、产卵场、濒危物种栖息地等重要区域时等。

（2）临界低流量

为确保所采用基准能够保护指定用途，州和部落通常建立临界低流量值，以支持通过国家污染物排放清除系统（NPDES）许可证计划实施基准。临界低流量条件对水生生物群落的完整性和人体健康的保护提出了特殊挑战。因为低流量时可用于稀释的水较少，从而导致污染物的流内浓度较高，加剧废水排放的影响。因此，为了确定基于水质的排放限值（WQBEL），可用稀释量应确保在临界低流量值下保护基准。美国环保局历来鼓励各州和部落直接在水质标准中规定应使用哪种临界低流量值来确定可用稀释量。这些临界低流量值已作为新的或修订的水质标准经过EPA审批，对它们的修订也必须经由EPA审批。EPA推荐了两种方法计算临界低流量值：美国地质调查局（USGS）开发的基于传统水文学的方法和美国环保局开发的基于生态学的方法。前者通过概率和极端值统计确定临界低流量值，后者根据基准相关的特定持续时间和频率经验确定临界低流量。表2给出了EPA推荐的临界低流量值。其中，1Q10代表平均每10年预计发生一次的最低一天平均流量事件，7Q10代表平均每10年预计发生一次的最低7天连续平均流量事件；1B3表示平均每3年发生一次的最低一天平均流量事件，4B3表示平均每3年发生一次的最低4天连续平均流量事件。

表2 美国环保局建议的水生生物和人类健康基准的临界低流量Table 2 EPA-recommended Critical low flows for aquatic life and human health criteria

（3）水质标准特殊许可

水质标准特殊许可（WQS variances）是指特定污染物或水质参数的有时限的指定用途和基准，反映了水质标准特殊许可期间可达到的最高条件。有学者将variance译为“变量”或“差异”，笔者认为该词应理解为特殊许可，是指无法达到水质标准的情况下，州所批准的有时限的特殊许可。水质标准特殊许可适用于国家污染物排放清除系统允许的排放者或水体/水体段。特殊许可须被纳入水质标准并经EPA批准。特殊许可旨在作为一种机制，为州、部落和利益相关者提供时间，以便在当前指定用途未得到满足的情况下，在确定的时间段内采取行动改善水质。当使用特殊许可时，州或部落保留当前的指定用途作为长期目标。

2.2 水质标准的制定和审核程序

《清洁水法》要求州和授权部落定期审核、适当时采取新的或修订的水质标准，而EPA负责审批。《清洁水法》和《水质标准法规》要求各州和授权部落至少每3年一次举行公开听证会，审查适用的水质标准，并酌情修改和采纳水质标准。修订水质标准的方式包括增加和修订指定用途、水质基准、反退化政策等。各州和授权部落采用新的或修订的水质标准需要提交给EPA审批，EPA区域办公室审查州和部落提交的水质标准，区域管理者负责批准或否决水质标准。如果EPA确定提交的水质标准符合《清洁水法》和《水质标准法规》的要求，须在60天内通批准；当提交的水质标准仅有部分内容符合要求时，只能批准符合要求的部分；如果提交的水质标准不满足要求则否决，同时指出需要作出的修订。

虽然 EPA倾向于各州和授权部落采用自己的水质标准，但存在下列情况之一时，必须立即提出并颁布联邦水质标准：（1）EPA认定由州或部落提交的新的或修订的水质标准不符合《清洁水法》和《水质标准法规》的要求，且未在90天内采用可接受的替代水质标准；（2）EPA认定需要新的或修订的水质标准来满足《清洁水法》和《水质标准法规》的要求。

2.3 美国水质标准中的经济分析

《水质标准法规》规定，制定、实施和变更水质标准的过程中，在不同的环节需要考虑经济因素。美国环保局发布了《美国水质标准中临时经济分析指南》（UAEPA，1995），帮助各州和申请人了解应该考虑的经济因素，决定是否达到指定用途、是否授权“水质标准特殊许可”、和是否批准降级高质水体水质。经济分析主要有两个目的，一个是为取消指定用途或获得“水质标准特殊许可”，必须证明达到指定用途可能造成严重和广泛的经济和社会影响；二是计划降低高质水体的水质，必须证明降低水质是满足重要的经济和社会发展所需要的。有学者研究了美国水质标准制定中的经济分析的主要流程（席北斗等，2011），这里不再详细叙述。但是需要指出的是，水质标准的经济分析仅涉及为达到水质标准而改善水质的成本或为了保持高质水体水质的成本；且 EPA使用成本-效益分析作为确定水质基准的一个因素，收到了很多质疑。EPA没有使用经济分析作为确定保护性水质基准的基础。《水质标准法规》，明确指出，基准必须根据可靠的科学原理且必须保护指定用途。EPA也强调，尽管指定用途时可能考虑了经济因素，但不能用于证明基准不能保护那些用途；另外，基准只根据污染物浓度与环境和健康效益之间关系的数据和科学判断，而不反映经济因素的考虑。

2.4 基于水质的污染控制方法

基于水质的污染控制方法是水质标准的主要应用，该方法强调水体的总体水质，基于水体的固有条件和确定的水质标准，为州和授权部落提供了进入水体污染物数量的控制机制。基于水质的污染控制方法主要包括：制定水质标准；监测水质并评估达标程度；识别受损水体并排序；确定污染负荷能力和分配；制定点源和非点源控制；监测和确保遵守；测量过程。所以说，除了监测水质并评估达标程度外，水质标准的另一重要应用就是制定基于水质的排放标准。最初阶段，美国一些州根据《1965年水质法》制定了适合州内水体的水质标准，发现污染控制效果并不理想。《1972年联邦水污染控制法修订版》将水质标准计划扩展到了州际水体，并规定通过制订排放许可来实施水质标准。美国的水质标准历程表明，仅制定水质标准对于水污染控制和水质改善的效果很不明显，需要通过水质标准制定基于水质的排放标准才能更好的实施和应用，发挥水质标准的作用。

2.5 水质监测与评估

美国环保局和各州需要全面的水质监测和评估信息，以了解环境状况和随时间变化的情况，从而帮助设定水质标准的保护水平，支持水质问题的管理决策。EPA建议州水质监测和评估计划包含10个要素，分别为监测计划、监测目标、监测设计、核心水质指标和补充水质水质指标、质量保证、数据管理、数据分析评估、报告、计划评价、及支持和基础设施规划等（USEPA，2003）。州的监测计划是一项长期实施计划，应包括一个不超过 10年的时间表，涵盖溪流、河流、湖泊、胡库、河口、湿地等所有水体类型。监测目标一般包括：帮助制定水质标准、确定水质状态和趋势、实施水质管理计划、评估计划有效性等；监测计划需要提供满足管理决策需求的数据。

各州通过分析化学、物理、生物、土地使用等各类数据，为州所有水体评估水质标准的达标程度。然后，及时完整的将形成的报告和清单提交给EPA。报告需要包括监测计划、评估方法、评估结果、趋势分析、公共健康问题等方面的内容（USEPA，2005）。水质标准达标程度的评估结果有五类：（1）支持所有指定用途，没有用途受到威胁；（2）现有数据和/或信息表明，部分指定用途得到支持；（3）可用数据和/或信息不足，无法确定用途是否得到支持；（4）可用数据和/或信息表明至少有一个指定用途未被支持或受到威胁，但不需要确定最大日负荷量；（5）可用数据和/或信息表明至少有一个指定用途未被支持或受到威胁，需要确定最大日负荷量。

3 美国水质标准的特点分析及对中国水质标准制/修订的启示

通过前文对美国水质标准制定的理念、目标及相关法律法规和指南进行分析讨论后，凝练出了美国水质标准的重要特点，并提出其对中国水质标准制修订的借鉴意义和参考价值。

3.1 水体功能与用途更加明确具体，依据不同使用功能制订相应的水质标准

（1）水体的功能与用途决定了水体的保护目标，是水质标准制订的基础。中国《地表水环境质量标准》划分的五类水体功能虽然全面，涵盖了饮用水、水生生物用水、娱乐用水、农业与景观用水等，但不同功能类别有交叉，可能会造成过保护或欠保护问题。因此，可借鉴美国的水质标准制订经验，依据水体的不同使用功能制订对应的水质标准，不同使用功能水体在关注的水质参数和污染物项目方面具有差异。

（2）水质标准制定要以水质基准为科学依据。美国水质标准作为一个法规而非具体的数值，水质基准是其核心要素之一。《清洁水法》中水质基准（criteria）的使用有两处：一是用于 303(c) 中表示州水质标准的一个组成部分；一是用于304(a) 中表示国家推荐水质基准（USEPA，1991）。各州可以直接采用 EPA制定的国家推荐水质基准作为本州的水质基准，也可以依据本州的生物区系特征与水化学特征制订区域的水质基准。中国近年来也加强了水质基准研究，并陆续发布了镉、氨氮等几种物质的保护水生生物水质基准值及其制定文件（生态环境部，2020a；生态环境部，2020b），为中国的水质标准制修订和水生态风险管理提供了强有力的科学依据。中国未来的水质标准制订须以中国水质基准研究为依据，才能科学地服务于中国水环境管理。

（3）水质基准值必须根据可靠的科学原理且必须保护指定用途。EPA强调水质基准仅根据污染物浓度与环境和健康效益之间关系的科学数据和专家判断，而不考虑经济因素和达标的技术可行性（USEPA，1999；USEPA，2000）。尽管经济分析是水质标准相关的重要内容，用来评估水质标准制定所带来的成本和预期取得的经济效益，但并不是水质标准制定的必需程序，也不能影响水质基准的数值确定。美国环保局没有将经济分析作为制订水质标准的依据，分析方法和检测限也不能影响水质基准的制定（USEPA，2000）。美国的1985指南也指出，基准不能基于分析方法的敏感性，设定可以提供足够保护的水质基准会成为改进分析方法检测限的强制机制（UAEPA，1985）。因此，在现阶段，考虑到中国的发展阶段和技术水平，水质标准的制定可能会受经济因素和分析方法检测限等因素限制，在制修订水质标准过程中需要考虑经济分析，分析水质标准产生的成本和效益。但未来水质标准的制定应该主要以水质基准作为科学依据，以生态环境和人体健康为主要保护目标，水质标准值不应根据成本和效益的大小、分析方法检测限的局限性进行调整。

3.2 重视累积性物质的水质基准和标准的制订

由于生物累积性物质（如甲基汞、DDT、PFOS）可在水生食物链中进行生物累积或生物放大，即使水中含量很低也可能对生态系统，尤其是高营养级生物造成严重的危害作用（Hung et al.，2006；Hinck et al.，2009；Han et al.，2017）。这种情况下，如果使用基于水中浓度表示的毒性数据推导水质基准，很可能会导致“欠保护”的问题。因此，对于生物累积性物质，美国认为需要制定基于生物组织的基准，基于水相的水质基准要从基于组织的基准转化而来，才能科学的保护生态系统。美国EPA于2016年发布了硒的保护水生生物水质基准文件（USEPA，2016），制订了硒基于鱼类组织的保护水生生物水质基准，并通过基于鱼类组织的基准来推导基于水相的基准，且规定并推荐优先采用基于鱼类组织的水质基准。中国目前的水质基准制定技术指南中，尚未对累积性物质的水质基准做特殊规定和说明。因此，需要针对累积性物质（如硒、甲基汞等）制定水质基准制订技术指南并推动相关研究。

3.3 加强水质标准与排放标准的衔接

水质标准的重要应用之一是制定基于水质的排放标准。美国水质标准的经验告诉我们，仅制定水质标准对于水污染控制和水质改善的效果有限，通过水质标准制定基于水质的排放标准才能更好的实施和应用水质标准，有效发挥其在污染控制和水质改善中的作用。另外，将水质标准与排放标准联系起来，也是进行经济分析的前提。通过水质标准制定排放标准，才能有效分析并计算为了达到水质标准而产生的污染控制的成本，包括污染控制成本、运行和维护成本，以及水质标准相关的效益分析。中国目前尚未将水质标准和排放标准充分联系起来，未来可能需要依据水质标准，通过模型模拟、污染源总量控制、污染负荷分配等措施科学合理地制定排放标准，从而真正的将水质标准落地，充分发挥水质标准的“指挥棒”作用。

3.4 水质标准的制定与应用还应该考虑区域差异性和季节性变化

一方面，水质标准具有区域性，不同区域的水生生物优势物种与代表性物种差异较大，且由于地质成因或者背景值等因素造成不同区域水体的 pH值、DOC浓度等差异也较大。因此，应根据区域特征（水生生物物种分布特征和水化学特征如 pH、DOC等）制定和应用适合本区域的水质标准。另一方面，不同季节（丰水期、枯水期）由于流量差异较大等原因，可能导致部分指标季节性超标，也需要进行特殊考虑。对于目前不能达到水质标准的区域，可以参考美国水质标准中的水质标准特殊许可，制定一定期限内的水质标准，并在此期限内采取相应措施改善水质，最终实现水质达标。

4 结论

美国水质基准和标准研究经过了几十年的历程，经过不断完善和修改，形成了比较完善的体系，为美国的水质改善和水生态健康保护做出了积极的贡献。相对来说，中国的水质标准特别是水质基准研究起步较晚，尚不成熟。美国水质标准有许多先进经验值得我们学习借鉴，有助于中国水质标准研究跟国际接轨，少走弯路。中国未来水质标准的制修订应该以中国水质基准研究为依据，针对不同水体功能制定相应的水质标准，重视累积性物质的水质基准和标准研究，加强水质标准与排放标准的衔接，考虑区域性差异和季节性变化等因素。但应该认识到，美国的水质标准体系是个庞大完善的系统，非常有必要进行全面系统的学习、研究和总结；同时，还应该结合中国区域环境和生物区系特征，加强适合中国国情的水质基准和水质标准研究，为中国水质标准制修订和水生态环境管理提供科学支撑，助力中国水生态环境持续改善，早日实现美丽中国的美好愿景。