基于水质目标管理的污染负荷总量控制方案研究——以滇池流域为例

邵 智，杨 艳，支国强，吴 雪，何 佳，张 英，李昕悦

（昆明市生态环境科学研究院，云南 昆明 650032）

0 引言

日益严峻的流域水环境污染问题变得愈加突出，使得水体污染有效控制与水环境科学管理在国内外受到广泛关注。其中，水污染总量控制手段是一种使污染物稳定在所需控制要求的水环境管理方式。欧美等许多发达国家针对本国水污染状况相继开展了水质管理技术的研究，如美国TMDL计划[1]，欧盟莱茵河总量控制管理[2]，以及日本东京湾、伊势湾及赖户内海等流域的总量控制计划[3-4]等。其中以美国TMDL计划最具代表性。该计划经过20多年的改进和发展，逐步形成了一套完整系统的总量控制策略和技术方法体系[1-6]。这些管理技术均以水质目标为导向，以水生态系统完整性保护为目标，实现了从污染物控制向流域水生态管理的战略转型[7]。

在水污染控制和水环境管理方面，我国相关研究人员进行了积极的探索，虽然比发达国家的进展缓慢，但也取得了一定的成效。从20世纪70年代开始，我国相继开展了大量关于水环境容量、水功能区划、水质模型、流域水污染防治综合规划以及排污许可证管理制度等方面的研究，初步建立了我国水环境管理基本制度[6]。自1973年国务院召开第一次全国环境保护工作会议以来，我国的水环境管理经历了“以浓度控制为主、以总量控制为主、水质目标管理”三个阶段，管理思路不断完善。“十三五”期间《国家生态环境保护“十三五”规划》明确提出“以环境质量为核心”，把环境质量作为约束性指标和环保工作的核心，标志着环境保护阶段和治理要求发生战略性转变，也表明在未来一定时间内，我国将实行以水质目标管理为导向的水环境管理[8-15]。

围绕滇池保护治理，“九五”~“十三五”国家和地方政府编制并组织实施了五个五年规划。各阶段均提出了治理目标及匹配的工程项目，污染物总量控制目标均已完成，但水质目标实现情况较差[8]。

目前滇池流域水环境管理仍然以污染物排放控制为核心，仍然属于目标总量控制的范畴，有必要进一步优化流域的污染负荷总量控制方案和水质目标管理模式，进而实现流域总量控制与水环境质量控制相协调，与流域资源环境承载力相协调。

本研究围绕滇池规划水质目标管理，提出以流域污染控制指标作为总量分配的控制因子，并对水环境容量确定方法、控制指标确定方法、总量削减方案确定方法、入湖河道水质管控目标确定方法开展研究，形成一套“总量削减控制目标→流域污染控制指标→总路削减任务分配方案→达标验证及方案修正”的湖泊流域污染负荷总量控制方法体系，提升滇池水质目标管理的科学性，助力湖泊水质目标的实现。

1 研究区域概况

滇池位于昆明主城区南部，处于长江、红河、珠江分水岭地带，属长江流域，为普渡河干流上的湖泊。滇池流域面积2920 km2，主要入湖河流有35条，集水面积＞100 km2的7条，分别是盘龙江、宝象河、洛龙河、捞鱼河、晋宁大河、柴河、东大河。滇池正常高水位为1887.5 m，平均水深5.3 m，湖面面积309.5 km2，湖岸线长163 km，湖容15.6亿m3，多年平均入湖径流量为9.7亿m3，湖面蒸发量4.4亿m3。滇池分为外海和草海，其中，外海正常高水位为1887.50 m，平均水深5.3 m，湖面面积298.7 km2，湖岸线长140 km，湖容15.35亿m3，注入外海的主要河流有28条，多年平均入湖径流量为9.03亿m3，湖面蒸发量4.26亿m3；草海正常高水位为1886.80 m，平均水深2.3 m，湖面面积10.8 km2，湖岸线长23 km，湖容0.25亿m3，注入草海的主要河流有7条，多年平均入湖径流量为0.67亿m3，湖面蒸发量0.14亿m3。

20世纪60~70年代滇池水质为Ⅱ~Ⅲ类，从20世纪70年代“围湖造田”到80年代末开始迅速推进的城镇化和工业化，高速发展的社会经济及人口导致入湖污染负荷迅速增加，生物多样性减少，流域内的人类活动突破了滇池的自净限度，滇池水质恶化到劣V类，富营养化日趋严重[8]。经过20多年的治理，目前滇池水质恶化的趋势已经得到控制。“十二五”末，滇池已由重度富营养转变为中度富营养，除总氮、总磷和化学需氧量3项指标超Ⅳ类标准外，其余19项指标均达到或优于Ⅳ类标准。

2 研究方法

根据规划情景下污染负荷预测及滇池水环境容量，确定入湖污染负荷控制目标，建立流域污染控制指标体系，以此为基础，研究确定研究情境下滇池流域污染削减总量控制方案，并利用模型进行目标可达性验证。研究技术方法具体包括六个步骤，具体技术流程见图1。

图1 污染负荷总量控制方案研究技术路线图

2.1 水环境容量及总量目标确定方法

随着水环境数学模型的应用和计算机技术的不断进步，水环境容量计算方法也在不断更新，逐渐形成了解析公式法、模型试错法、系统最优化法、概率稀释模型法、未确知数学法等计算方法。其中系统最优化法包括线性规划、非线性规划、动态规划及随机规划等[21]。水环境容量计算中所采用的主要是解析公式法与线性规划法。解析公式法计算简便，适用于水文要素、水力条件变化不大的水域；基于动态水环境模型的线性规划法，自动化程度高、精度高、对边界条件及设计条件的适应能力强，适应水域多[18]。本研究利用EFDC模型构建的滇池湖体水质水动力模型，并基于EFDC模型选用线性规划法计算“草海Ⅳ类、外海Ⅳ类”目标情景下的水环境容量，并根据入湖污染负荷核算和预测结果，确定总量控制目标。

2.1.1 模型构建

EFDC模型是美国国家环境保护署（USEPA）支持并推荐用于复杂地表水模拟研究的三维水动力水质模型系统，集成水动力模块、泥沙输运模块、污染物迁移转化模块和水质预测模块，可用于包括河流、湖库、湿地和近岸海域等水体一维、二维和三维物理化学过程的模拟［21-22］。本研究中构建EFDC湖体水质水动力模型，草海区域按150 m×150 m矩形网格划分计算网格，共有网格数347个；外海区域水平方向按550 m×550 m矩形网格划分，同时垂直方向在σ坐标系下划分为三层，从顶部到底部共生成2865个计算网格。

正常情况下，EFDC模型需要进行连续三年以上的水质水动力率定，但由于近年来滇池治理工程较多，出湖、入湖水文边界条件每年都在发生较大变化，无法进行连续多年的模型率定校验，因此本研究中滇池湖体水动力和水质模块的率定和验证时间均为2017年1月1日—2017年12月31日。水动力模块率定的变量为水位、水温、流场，水质率定校验基于滇池湖体的10个国控点位，率定参数主要是与浮游植物、碳、氮、磷过程相关的参数。选择模拟值与观测值的线性回归相关系数（R2）和相对误差对模型精度进行评价。滇池湖体的10个国控点位分布情况详见图2。

图2 滇池湖体各国控断面的分布情况

滇池EFDC湖体水动力模块模拟的滇池水位与实际水位对比分析见图3，水质的模拟值与实测值之间的对比见表1。可以看出，水位的模拟结果均很好地吻合了实测数据，R2达到0.99；水质的模拟结果相对误差基本在0.1以内。模型的验证结果说明，模型满足模型模拟精度要求，可用于支撑后续的模拟分析研究。

表1 水质模型模拟值与实测值对比

图3 模拟—实际水位统计分析图

2.1.2 水环境容量计算

研究以2018年作为水文条件基准年。2018年，滇池外海平均水位1887.30 m，库容15.31亿m3；草海平均水位1886.56 m，库容2332.04万m3。

计算基本思路：①通过水动力水质模型计算各污染源在单位负荷下的响应场，建立污染源与水质之间的响应关系；②构建总量分配计算的优化目标和约束方程，采用线性规划方法，计算污染物水环境容量。

式中：决策变量Xj—第j个污染源的排放量；aij—第j源对第i控制点的响应系数，可由水质模拟计算得到；Ci—控制断面（点）i的水质控制浓度。目标函数是某一类污染物的最大允许排放总量，这是一种简单的线性规划问题。

2.1.3 入湖污染负荷核算及预测

滇池流域水污染源主要包括城镇生活源、第三产业、工业源、农业农村面源、城市面源、水土流失和外流域引水带来的负荷[20]。以滇池流域入湖污染负荷组成架构作为削减控制方案基础框架，在各类污染源污染控制措施梳理基础上，遵循流域污染负荷产生、削减、排放的迁移流程，利用Excel电子表格软件建立入湖污染负荷预测核算链接方程，核算、预测内容及流程框架见图4。在各类污染源体量调查及规划发展预测的基础上，结合污染排放单量、现状水污染治理设施削减水平，核算2018年各子流域污染负荷产生量、削减量、入湖量，并预测2025年污染负荷产生量，人口与社会经济发展趋势预测主要依据见表2，水污染负荷核算方法见表3。

表2 滇池流域水污染负荷预测依据统计表

表3 滇池流域水污染负荷核算方法统计表

表4 滇池流域污染控制指标构成表

图4 滇池入湖污染负荷预测核算方程架构图

图5 削减方案验证及修正技术流程图

2.1.4 总量管控目标确定

以滇池外海、草海水环境容量和2025年滇池流域污染负荷预测结果，计算规划水质目标下的污染负荷削减总量目标。计算公式如下：

式中：Qi—污染物削减总量目标；Li—污染物预测产生量；Ci—污染物最大应许排放量。

2.2 指标体系及削减方案确定方法

2.2.1 控制指标体系

科学合理的分配方案是落实总量控制目标和实现水质目标管理的关键，分配时需考虑公平性、效率性、技术可行性和方案可操作性，同时还需考虑流域整体和区别原则[17]。本研究以污染核算及预测过程建立的入湖污染负荷预测核算链接方程为基础。在措施削减环节设置针对点源、城市面源、农业农村面源、水土流失源、补水携带源的污染控制指标，通过指标设置及调控分配削减任务，进而控制入湖总量。

考虑不同区域污染削减控制基础条件差异，本研究控制指标按其所处控制区（北岸、东岸、西岸、南岸）差异设置。在现状削减指标不降低基础上，按照优先调控点源削减指标，面源削减指标补充调控的调试步骤，确定各情景下滇池流域污染控制指标组合。

2.2.2 削减任务分配方案

根据上一步确定的各河道（子流域）污染控制指标，基于入湖污染负荷预测核算链接方程，核算分配各子流域点源、城市面源、农业农村面源、水土流失源、补水携带源的削减任务量。

2.3 方案验证及修正

基于总量削减控制方案确定的污染管控要求，通过各河道现状水质判别、污染负荷（削减）—水质响应判别、水源判别三步骤，确定各子流域总量削减控制方案相对应的入湖河道水质浓度管控目标。

第一步：现状水质判别。首先根据2017—2019年滇池流域入湖河道水质数据，判别各河流水质现状水平。因非常规事件造成的水质异常数据，以及现状维持合流制通道功能的末端截污河道监测数据视为不具代表性数据，剔除不具代表性数据后，取近3年最优年均水质作为河道现状基础水质。

第二步：污染负荷—水质响应判别。根据滇池湖体不同水质目标下总量削减控制方案提出的削减管控指标要求，以各子流域现状削减水平对应的河道现状水质作为基础水质，通过计算不同管控指标下流域入河污染负荷削减提升量，结合各河道基础流量分析，模拟计算河道响应水质。

计算公式如下：

式中：C—规划削减管控方案对应水质浓度；Q—河道年均流量；Cn—河道现状水质；Wn—现状年入河污染负荷量；Wy—规划削减管控方案下年入河污染负荷预测量。

第三步：水源判别的水质补充修正。对于水源构成单一，现状河道水质缺乏代表性的河道，根据水源构成设计及流域污染削减管控要求，结合水源水量及水质情况，对河道水质进行模拟计算，并以该计算结果作为最终水质目标。

最后利用EFDC模型，以各河流水质管控目标作为边界条件，代入计算。如能满足滇池水质达标，则削减方案设定合理；如不可达，对削减控制指标及河道水质目标进行调整，直至可达。

3 结果与讨论

3.1 滇池水环境容量及入湖污染负荷总量削减控制目标

经核算，2025年滇池外海、草海水质达到Ⅳ类目标要求下，滇池外海CODCr、NH3-N、TN和TP的最大允许入湖量分别为27441 t/a、11386 t/a、5956 t/a和429 t/a；对比2025年污染负荷产生量预测结果，需要削减的污染负荷总量分别为CODCr142457 t/a、NH3-N 2946 t/a、TN 17726 t/a和TP 2617 t/a，削减量较2018年增加比例分别为26%、0%、19%和14%。滇池草海CODCr、NH3-N、TN和TP的最大允许入湖量分别为4461 t/a、3280 t/a、608 t/a和63 t/a，对比2025年污染负荷产生量预测结果，需要削减的污染负荷总量分别为CODCr61047 t/a、NH3-N 1608 t/a、TN 7842 t/a和TP 686 t/a，削减量较2018年增加比例分别为38%、0%、34%和32%。

外海、草海环境容量、2018年削减量、2025需增加削减量对比情况见图6。

图7 2025年滇池总量削减任务占比构成

3.2 污染负荷总量控制方案

本研究以2025年牛栏江-滇池补水条件保持不变作为边界条件，经过调试和验证确定的2025年滇池流域污染负荷总量控制方案如下：

（1）流域污染控制指标

根据研究结果，2025年牛栏江补水携带进入草海的TN已大于水环境容量，在补水水质不提升的情况下，草海TN削减任务无法完成，结合湖体水质考核需要（不考核总氮），草海流域应以调控COD、NH3-N、TP削减任务为主。各类污染源具体削减控制指标见表5。

表5 2025年滇池流域污染控制指标表 （%）

2025年设置的削减控制指标与现状水平总体差距不大，各级河道点源污水收集处理率需达到85%~90%，部分收集处理率较高流域可维持现状，收集处理率较低流域在现状水平上需有所提升；城市径流总量控制率及农业农村面源污染控制指标较现状需小幅提升。

（2）流域污染负荷削减任务

经核算，执行以上削减控制指标，通过措施削减、沿程削减、截污外排三个削减过程，滇池流域累积可削减污染负荷COD 210415 t/a、NH3-N 17226 t/a、TN 26515 t/a和 TP 3405 t/a，削减总量较现状削减量分别提升34%、29%、28 %和20%。其中需要通过措施削减的COD、NH3-N、TN和TP任务量，滇池外海流域分别为131697 t/a、11577 t/a、15937 t/a和2501 t/a，草海流域分别为55037 t/a、4155 t/a、5558 t/a和648 t/a。

从措施削减任务类型来看，滇池外海削减任务量最大的为点源削减任务，其次为农业农村面源削减任务；草海流域削减任务量最大的为点源削减任务，其次为城市面源削减任务。

3.3 方案达标验证结果

本研究利用经率定验证的滇池湖体水质水动力模型，代入管控方案确定的河道水质作为入湖河流水质边界，在滇池外海、草海现状（与规划期基本一致）水动力条件基础上，模拟湖体水质响应，模拟结果见图8和图9。通过EFDC模型验证，执行方案设定的入湖河道管控水质，对应湖体水质目标能够达成，污染负荷总量控制方案合理。

图8 草海IV类河道水质管控目标情景下污染物空间分布

草海水质模拟结果见图8，由于牛栏江补水COD指标较低，氮磷指标较高，因此模拟情景下草海COD南部高于北部，NH3-N、TN、TP指标北部高于南部。

外海水质模拟结果见图9，COD浓度北部较低，东岸部浓度较高；NH3-N、TN、TP浓度空间分布情况相似，东南部湖区较低，北部湖区较高。

4 结论与建议

本研究基于湖泊水质目标管理，充分考虑湖泊子流域污染控制基础条件差异、污染源削减潜力差异、河-湖水质响应关系差异，提出对各子流域的各类污染源和入湖水质目标实施差异化的管控策略，并建立流域污染控制指标体系，依据指标体系分解染负荷控制任务，确定染负荷总量控制方案。以滇池流域为例，对湖泊水环境容量、污染负荷核算及预测、削减控制指标及总量控制方案、方案达标验证及修正等方法开展研究，建立的流域污染负荷总量控制方案研究方法体系，实现了流域污染控制指标体系、污染负荷总量控制方案、入湖河道水质管控与湖泊水质目标管理的系统联动结合，可提升湖泊水质目标管理方案的科学性和可操作性。经EFDC模型验证，通过该方法体系确定的滇池流域污染负荷总量控制方案能较好的满足湖泊水质目标达成，该方法体系可应该于其它湖泊的水质目标管理方案制定。

基于上述方法体系，本研究以滇池为例，对“2025年草海达Ⅳ类、外海达Ⅳ类”目标情景下流域污染负荷总量控制方案开展研究。根据研究结果，由于牛栏江补水携带进入草海的TN已大于水环境容量，在补水水质不提升的情况下，草海TN削减任务无法完成，结合湖体水质考核需要（不考核总氮），草海流域应以调控COD、NH3-N、TP削减任务为主。2025年各污染源控制指标应在现状水平上有所提升，按滇池河-湖水质响应的重要性，宜对各子流域实施差异化的控制策略，各子流域点源污水收集处理率宜达到85%~90%，部分收集率较高流域可维持现状，收集率较低流域在现状水平上需有所提升；城市径流总量控制率宜较2018年提升10%~30%；农村生活污水收集处理率宜较2018年提升10%~30%；化肥施用总量削减率宜较2018年提升10%~20%；农业固废处置率宜较2018年提升5%~15%；散养畜禽粪便处置率宜较2018年提升3%~8%；水土流失污染削减率宜较2018年提升10%。