我國(guó)水環(huán)境容量現(xiàn)狀研究

付意成，徐文新，付 敏

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；2.山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院，266510，青島）

隨著我國(guó)人口的持續(xù)增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，維持生產(chǎn)、生活的用水量不斷攀升，在河川徑流量日趨減少的同時(shí)，污水排放量卻大幅增加，天然水體接納的污染物負(fù)荷增大，水環(huán)境惡化，水少、水臟已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展的瓶頸。為加強(qiáng)水資源保護(hù)和科學(xué)管理，我國(guó)于2003年開展了全國(guó)水功能區(qū)劃工作。水功能區(qū)水環(huán)境容量研究是截污減排、保護(hù)水環(huán)境的重要依據(jù)，也是保護(hù)水體水質(zhì)不受破壞的基本條件。

一、水環(huán)境容量

1938年，比利時(shí)數(shù)學(xué)家、生物學(xué)家弗胡斯特（P.E.Forest）根據(jù)馬爾薩斯的《人口論》最早提出環(huán)境容量的概念。之后，日本衛(wèi)生工學(xué)小組提出《1975年環(huán)境容量計(jì)量化調(diào)查研究》報(bào)告，環(huán)境容量的應(yīng)用逐漸推廣，成為污染物總量控制的理論基礎(chǔ)[1]。結(jié)合實(shí)際研究，環(huán)境容量指在特定功能條件下環(huán)境對(duì)污染物的承受能力，反映了污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化和積存規(guī)律。在實(shí)踐中，環(huán)境容量是環(huán)境目標(biāo)管理的基本依據(jù)，是環(huán)境規(guī)劃的主要約束條件，也是污染物總量控制的關(guān)鍵技術(shù)支持。

水環(huán)境容量作為水生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)密切相關(guān)的度量尺度，是一個(gè)復(fù)雜、含糊的概念，學(xué)術(shù)界至今還未達(dá)成共識(shí)，學(xué)者大多從自己的研究側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行闡述，但本質(zhì)均強(qiáng)調(diào)：環(huán)境水質(zhì)目標(biāo)、一定水體（域）、納污能力（最大允許污染物負(fù)荷）。

借鑒《全國(guó)水資源保護(hù)綜合規(guī)劃技術(shù)細(xì)則》，水環(huán)境容量指在水體使用功能不受破壞條件下，水體接納污染物的最大數(shù)量。通常指在水資源利用區(qū)域內(nèi)，按給定的水質(zhì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)水文條件，水體所能容納污染物的最大量。筆者在參考大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，認(rèn)為水環(huán)境容量指：特定水體在給定的設(shè)計(jì)水文條件、水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)、排污口位置及排放方式條件下，滿足水域某一水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的污染物在排污口的最大排放量，它可定量說明這種水體對(duì)該污染物的承載能力。水環(huán)境容量是水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)管理的基本依據(jù)，是水資源保護(hù)規(guī)劃的主要約束條件，是實(shí)施水污染物總量控制的依據(jù)，也是水環(huán)境管理的基礎(chǔ)。

二、國(guó)內(nèi)外研究狀況

1.國(guó)外研究狀況

國(guó)際上主要基于不同水體類型的水質(zhì)模型的實(shí)際測(cè)算，得出不同污染物所在水域的水環(huán)境容量，準(zhǔn)確可靠。各國(guó)針對(duì)本國(guó)實(shí)際，制定相應(yīng)的法規(guī)政策保障基于水環(huán)境容量的水體污染物總量控制工作的順利開展，實(shí)施過程計(jì)劃性強(qiáng)，分階段控制目標(biāo)明確，前瞻性好，為其他國(guó)家水環(huán)境保護(hù)及水污染治理工作的開展奠定基礎(chǔ)。

（1）水質(zhì)模型研究

水環(huán)境容量以水質(zhì)數(shù)學(xué)模型為手段，實(shí)現(xiàn)水體納污量的核算。國(guó)外學(xué)者針對(duì)水質(zhì)模型的開發(fā)應(yīng)用進(jìn)行了諸多研究，并取得了一系列成果。

1925年Streeter和Phelos首先進(jìn)行了一維水質(zhì)模型的開發(fā)研究，建立了DO-BOD水質(zhì)模型。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，以及對(duì)生物化學(xué)耗氧過程認(rèn)識(shí)的深入，水質(zhì)模型逐漸將BOD、DO、氮等多個(gè)線性系統(tǒng)耦合于一體，如美國(guó)的QUAL-II河流綜合水質(zhì)模型。水質(zhì)模型在美國(guó)環(huán)保局（EPA）的大力開發(fā)下，研究區(qū)域與模擬對(duì)象日益完善，如溶解氧垂模型(DOSAG-I)、簡(jiǎn)化河流模型(SSM)、簡(jiǎn)化河口模型 (SEM)、河口水質(zhì)模型(ES001)、動(dòng)態(tài)河口模型(DEM)、I-型水質(zhì)模 型 (QUAL-I)、II-型 水 質(zhì) 模 型(QUAL-II)、水質(zhì)反饋模型 (FEDBAK03)、接納水體模型(PIURNAL)等作為成熟的應(yīng)用模型，已被廣泛應(yīng)用到水質(zhì)監(jiān)測(cè)的各領(lǐng)域[2]。

隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)計(jì)算方法的日益計(jì)算機(jī)化，國(guó)際上出現(xiàn)了一批利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的水質(zhì)模型通用軟件，這些軟件被越來(lái)越多的學(xué)者應(yīng)用到水環(huán)境容量的研究中。

1983年，美國(guó)環(huán)境保護(hù)局的Ditoro等開發(fā)出了用來(lái)建立一維、二維和三維模型的WASP(Water Quality Analysis Simulation Program)軟件系統(tǒng)。目前，該軟件系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了第5版，在實(shí)踐中得到廣泛好評(píng)。1989年，美國(guó)的EPA推出了全面考慮河流自凈機(jī)理、用以預(yù)測(cè)多種污染物在水體中衰減變化的QUAL2E一維恒定態(tài)河流系統(tǒng)的水質(zhì)模型[3]。之后，又開發(fā)出了具備進(jìn)行不確定性分析功能的QUAL2E-UN-CAS模型。QUAL2E系列模型作為不斷改進(jìn)的綜合水質(zhì)模型，是穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)、生態(tài)模型的集合體，在世界范圍內(nèi)都有成功的應(yīng)用范例，比如韓國(guó)的Nakdong河、南非的Rietspruit河、美國(guó)新澤西州Matchaponix河的Duhemal湖區(qū)和Whippany河下游河段、印度的Yamuna河、土耳其的Yesilirmak河、巴西的Corumbatai河、中國(guó)的長(zhǎng)江流域等。

（2）各國(guó)實(shí)踐現(xiàn)狀

①美國(guó)

美國(guó)對(duì)水環(huán)境容量的研究起步較早。1972年，美國(guó)環(huán)保局（EPA）提出TMDL(最大日負(fù)荷總量)的概念，其包括污染點(diǎn)源負(fù)荷WLA和非點(diǎn)源負(fù)荷LA（含背景負(fù)荷BL及支流負(fù)荷），同時(shí)還要考慮給不確定因素留出的安全余量MOS以及季節(jié)性變化的影響。美國(guó)的水環(huán)境容量的研究及實(shí)施便以TMDL為核心展開。

TMDL并不是針對(duì)所有的污染物，一種污染物對(duì)應(yīng)一個(gè)相應(yīng)的TMDL；研究過程中對(duì)水質(zhì)或功能受損的水體，至少做一個(gè)TMDL，一般針對(duì)導(dǎo)致水體受損的一種或幾種污染物制定實(shí)施TMDL。TMDL的制定應(yīng)該包括污染負(fù)荷、安全余量、排放分配3個(gè)要素。美國(guó)TMDL計(jì)劃的實(shí)施過程如圖1所示。

為進(jìn)一步鞏固以水環(huán)境容量為基礎(chǔ)的TMDL計(jì)劃實(shí)施成果，美國(guó)在推廣TMDL計(jì)劃的過程中也同時(shí)對(duì)污染物排放進(jìn)行總量控制，以達(dá)到改善水質(zhì)、達(dá)到水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的目的。美國(guó)的污染物總量控制實(shí)施過程如圖2所示。

在美國(guó)，基于水質(zhì)的水環(huán)境容量研究和基于技術(shù)的污染物總量控制技術(shù)的共同實(shí)施，首先要求污染源達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，然后判斷水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)，在此基礎(chǔ)上再對(duì)未達(dá)標(biāo)區(qū)域?qū)嵭信欧趴偭靠刂?，該法可有效降低污染控制的費(fèi)用。盡管2003年EPA評(píng)價(jià)水域中40%的水體不符合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但從單純采取基于技術(shù)的排放總量控制角度考慮，美國(guó)TMDL計(jì)劃的實(shí)施在控制水環(huán)境污染方面顯示了卓越功效。

②日本

20世紀(jì)60年代末，日本為改善水和大氣環(huán)境質(zhì)量狀況，提出了污染物排放總量控制，使日本成為最早提出環(huán)境容量理論的國(guó)家。1973年日本的 《瀨戶內(nèi)海環(huán)境保護(hù)特別措施法》提出了COD的概念，同時(shí)提出指定物質(zhì)消減指導(dǎo)方針。1975年日本衛(wèi)生工學(xué)小組提交了《1975年環(huán)境容量計(jì)量化調(diào)查報(bào)告》。此后，日本環(huán)境容量的應(yīng)用不斷推廣。

圖1 美國(guó)TMDL計(jì)劃實(shí)施過程

圖2 美國(guó)污染物總量控制實(shí)施過程

1978年6月，日本修改了部分水污染防治法，以COD為對(duì)象實(shí)施流域總量控制計(jì)劃，開始了總量控制工作。1984年，日本將總量控制法正式推廣到東京灣和伊勢(shì)灣兩個(gè)水域，嚴(yán)禁無(wú)證排放污染物，其結(jié)果使污染負(fù)荷量呈消減趨勢(shì)，但水質(zhì)狀況未能得到徹底改善。鑒此，日本于1989年進(jìn)行了第二次總量控制。

③歐洲

歐洲各國(guó)較早進(jìn)行了污染總量控制研究，如英國(guó)的泰晤士河、德國(guó)的內(nèi)卡河以及萊茵河，均采用了各類治理措施，消減污染物入河總量，使河流水質(zhì)狀況恢復(fù)到較高水平。

德國(guó)和歐盟采用水污染物總量控制管理辦法后，使排入萊茵河60%以上的工業(yè)廢水和生活污水得到處理，萊茵河水質(zhì)有了明顯好轉(zhuǎn)。其他國(guó)家如瑞典、俄羅斯、羅馬尼亞、波蘭等也都相繼實(shí)行了以污染物排放總量為核心的水環(huán)境管理辦法，取得了較好效果。

總之，歐洲國(guó)家缺水與水污染狀況相對(duì)于其他地區(qū)略好，但由于長(zhǎng)期的開發(fā)利用及社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，給水資源及生態(tài)環(huán)境帶來(lái)很大壓力。為緩解、逐步停止并消除人類活動(dòng)對(duì)水體的影響，保障民眾和環(huán)境健康，歐洲國(guó)家相繼于20世紀(jì)70年代，以流域水環(huán)境容量核算為依據(jù)，出臺(tái)了一系列污染物總量控制政策，有效地促進(jìn)了水環(huán)境保護(hù)工作的開展。

2.國(guó)內(nèi)研究發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)內(nèi)在探索研究的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)際開展水環(huán)境容量工作的成功經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)水環(huán)境容量的計(jì)算要素進(jìn)行基于區(qū)域?qū)嶋H的理論創(chuàng)新與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的探討，將水環(huán)境容量與水體污染物總量控制理論結(jié)合起來(lái)，緊扣我國(guó)的水情實(shí)際，編制水體污染物監(jiān)控與保護(hù)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)水功能區(qū)的水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

（1）理論研究

我國(guó)對(duì)環(huán)境容量的研究始于20世紀(jì)70年代。經(jīng)過30多年的探索研究，對(duì)水環(huán)境容量的認(rèn)識(shí)逐步深化，從單純地反映水體對(duì)污染物的稀釋、自凈能力擴(kuò)展到廣義的總量控制、負(fù)荷優(yōu)化分配的水體納污能力，提出可分配水環(huán)境容量的概念，逐步實(shí)現(xiàn)了從污染源管理到水質(zhì)管理，從濃度管理到總量管理，從目標(biāo)總量到容量總量的過渡[4]。自水環(huán)境容量概念的提出至今，我國(guó)對(duì)水環(huán)境容量的理論研究逐漸深入，并結(jié)合水環(huán)境現(xiàn)狀加以拓展應(yīng)用，大致發(fā)展過程如下：

①研究起步階段

20世紀(jì)70年代末—80年代初，為水環(huán)境容量概念探討階段。此階段主要針對(duì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)項(xiàng)目，結(jié)合水污染自凈規(guī)律、水質(zhì)模型、水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)，從不同角度提出水環(huán)境容量的概念。如在北京東南郊、黃河蘭州段、圖們江、松花江、漓江以及渤海、黃海環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中，研究應(yīng)用不同的水質(zhì)模擬數(shù)學(xué)方法分析水體污染物自凈規(guī)律、制定水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)，從不同角度對(duì)水環(huán)境容量的概念進(jìn)行闡述。

②大規(guī)模研究階段

“六五”（1981—1985 年）期間，為水環(huán)境容量概念拓展與污染物控制研究結(jié)合階段。此階段主要針對(duì)水環(huán)境容量影響要素，采用穩(wěn)態(tài)、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)解析方法，研究小河或大河局部河段的耗氧有機(jī)物對(duì)水環(huán)境的影響。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)步發(fā)展及城市化進(jìn)程加快，流域水體所接納的污染物負(fù)荷與日俱增，此時(shí)，水環(huán)境容量的研究在經(jīng)過理論初探之后被列入“六五”科技攻關(guān)課題。

在此期間，部分高校和科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)，提出了科學(xué)、全面、簡(jiǎn)明的水環(huán)境容量定義。同時(shí)，研究者將水環(huán)境容量與水污染控制規(guī)劃相結(jié)合，拓寬水質(zhì)模型的范圍，取得了一批卓有實(shí)效的成果，初步實(shí)現(xiàn)了水環(huán)境容量理論與生產(chǎn)實(shí)踐的結(jié)合[5]。如對(duì)沱江有機(jī)物、湘江重金屬、深圳河有機(jī)物的水環(huán)境容量研究，使得水環(huán)境容量的定義更加簡(jiǎn)明、科學(xué)、實(shí)用；對(duì)黃浦江、鴨綠江下游、蘇州河水網(wǎng)水污染綜合防治規(guī)劃方案的研究，使得水環(huán)境容量研究與水污染控制規(guī)劃緊密結(jié)合，水環(huán)境容量理論進(jìn)入實(shí)用階段。

③深入探討階段

“七五”（1986—1990 年）期間，為深入探討、構(gòu)建水污染物總量控制框架階段。此階段對(duì)水環(huán)境容量的研究在“六五”科技攻關(guān)的基礎(chǔ)上繼續(xù)深入，采用基于自然—人為調(diào)控二元尺度的“水質(zhì)—規(guī)劃—管理模型”，針對(duì)耗氧有機(jī)物、重金屬、氮、磷、油類污染，研究湖泊、河口海灣及河網(wǎng)的水環(huán)境容量。

鑒于水環(huán)境管理中污染物排放目標(biāo)控制的諸多不便，此階段提出污染物容量、目標(biāo)、行業(yè)總量控制的概念。為充分利用水環(huán)境容量對(duì)排入污染物的限制約束作用，此時(shí)開展了水環(huán)境綜合整治規(guī)劃、水污染綜合防治規(guī)劃、污染物總量控制規(guī)劃、水環(huán)境功能區(qū)劃和排污許可證試點(diǎn)工作，并取得了一定的成功經(jīng)驗(yàn)。此期間，為將水環(huán)境容量理論推向系統(tǒng)化和實(shí)用化，大量水環(huán)境污染總量控制實(shí)用化、系列化的計(jì)算方法出現(xiàn)，如《水環(huán)境容量手冊(cè)》《水環(huán)境容量開發(fā)與利用》《總量控制技術(shù)手冊(cè)》等。

④應(yīng)用探索階段

“八五”（1991—1995 年）期間，為水環(huán)境容量理論進(jìn)一步深化研究、應(yīng)用探索階段。此階段，國(guó)家環(huán)?？偩衷诮M織修訂《中華人民共和國(guó)水污染防治法》的基礎(chǔ)上，完成年限制排放標(biāo)準(zhǔn)體系的規(guī)劃工作，同時(shí)，將容量理論推向系統(tǒng)化、實(shí)用化。全國(guó)一些重點(diǎn)城市和地區(qū)相繼編制完成了城市綜合整治規(guī)劃、水污染綜合防治規(guī)劃、污染物總量控制規(guī)劃以及水環(huán)境功能區(qū)劃，促進(jìn)了水環(huán)境容量應(yīng)用研究的發(fā)展。如在長(zhǎng)江安慶段、銅陵段、蕪湖段、南京段以及黃河石嘴山段、白洋淀水域、膠州灣、泉州灣水域、淮河淮南段與蚌埠段等30余個(gè)水域，以總量控制規(guī)劃為基礎(chǔ)，進(jìn)行排污許可證發(fā)放和水環(huán)境保護(hù)功能區(qū)的劃分實(shí)踐。至此，水污染總量控制的理論基礎(chǔ)已與排放標(biāo)準(zhǔn)、地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合到一塊，為全面推行水域分類管理、污染源分級(jí)控制奠定基礎(chǔ)。

⑤全面拓展階段

“九五”（1996—2000 年）、“十五”（2001—2005年）期間，為理論與應(yīng)用研究的全面拓展階段。理論層次上，“九五”期間，我國(guó)發(fā)布了《國(guó)務(wù)院關(guān)于環(huán)境保護(hù)若干問題的決定》和《國(guó)家環(huán)境保護(hù)“九五”計(jì)劃和2010年遠(yuǎn)景目標(biāo)》，修改通過了《中華人民共和國(guó)水污染防治法》，明確規(guī)定我國(guó)“九五”期間要在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境危害較大的12種污染物實(shí)行總量控制，確立了在水污染防治方面實(shí)行污染排放總量控制制度[6]?！笆濉笨萍脊リP(guān)課題 《流域水污染物總量控制》進(jìn)一步完善和規(guī)范了現(xiàn)有的流域總量控制指標(biāo)體系與排污總量核算、水環(huán)境模擬計(jì)算、水污染物總量分配方法、流域水污染總量監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)總量控制技術(shù)體系及水污染物總量控制的“分類、分區(qū)、分級(jí)、分期”管理，為我國(guó)流域水環(huán)境管理國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施提供指導(dǎo)。

“九五”期間，COD排放總量控制指標(biāo)正式被列為環(huán)境保護(hù)考核目標(biāo)，NH3-N也在“十五”期間被列入總量控制目標(biāo)。為進(jìn)一步保護(hù)現(xiàn)狀水質(zhì)，國(guó)家先后組織編寫“三河三湖”的“九五”“十五”水污染防治規(guī)劃；2003年編寫了全國(guó)水環(huán)境功能區(qū)劃。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了第一輪全國(guó)地表水環(huán)境容量核定工作。

此外，“十一五”（2006—2010 年）期間，全國(guó)水環(huán)境管理以實(shí)現(xiàn)從目標(biāo)總量控制向容量總量控制轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)，總量控制理論與技術(shù)方法進(jìn)一步規(guī)范和完善，構(gòu)建流域水污染物總量控制指標(biāo)體系，形成與現(xiàn)行水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)和地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)的統(tǒng)一的水環(huán)境容量核定方法，起草流域容量總量分配技術(shù)，建立水污染物總量監(jiān)控和管理體系。

（2）應(yīng)用實(shí)踐

①流域水環(huán)境容量

在理論研究的推動(dòng)下，學(xué)者針對(duì)我國(guó)不同流域的河流水環(huán)境現(xiàn)狀，進(jìn)行了水環(huán)境容量的核算研究。如王華等[7-10]借助相應(yīng)的水環(huán)境計(jì)算模型對(duì)內(nèi)江、安昌河、松花江佳木斯段、蘇稽河的水環(huán)境容量進(jìn)行計(jì)算；隨后，學(xué)者又針對(duì)大伙房水庫(kù)、錢塘江流域、桑干河干流在選取總氮和總磷、NH3-N、COD為評(píng)價(jià)因子的水環(huán)境容量進(jìn)行研究；針對(duì)傳統(tǒng)河流水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果的偏大問題，于雷等[11]借助不均勻系數(shù)對(duì)廣西紅水河某河段水環(huán)境容量進(jìn)行實(shí)證研究。

②敏感水域水環(huán)境容量

針對(duì)潮汐、感潮等敏感水域水環(huán)境容量計(jì)算的特殊性，學(xué)者結(jié)合各自研究區(qū)域的水力特殊性，進(jìn)行了卓有成效的探索。如陳興偉等[12]建立了潮汐河流環(huán)境容量的計(jì)算方法；徐貴泉[13]、徐祖信[14]分別構(gòu)建了感潮地區(qū)河網(wǎng)水水環(huán)境容量計(jì)算公式、潮汐河網(wǎng)地區(qū)的隨機(jī)模型。鄭孝宇等[15]基于河網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，引入節(jié)點(diǎn)污染物允許排入量的概念，在求得各河段、節(jié)點(diǎn)允許排放量的基礎(chǔ)上，建立了求解大型河網(wǎng)非穩(wěn)態(tài)水環(huán)境容量的 “節(jié)點(diǎn)—河道—節(jié)點(diǎn)”計(jì)算模式。

③相關(guān)拓展

學(xué)者根據(jù)水體納污能力與水環(huán)境容量的相通性，積極踐行區(qū)域、流域水體納污能力核算與污染物總量控制，在我國(guó)的大江大河及重要的省份都取得了令人滿意的研究成果，為流域水環(huán)境的改善及水資源的可持續(xù)利用奠定基礎(chǔ)。如學(xué)者采用相應(yīng)的水質(zhì)模型對(duì)沂沭河及中運(yùn)河水功能區(qū)、太湖流域、內(nèi)蒙古松花江流域水功能區(qū)的水體納污能力進(jìn)行核算，并提出污染物總量控制及消減方案。

④探索改進(jìn)

除按照水體納污能力基本原則進(jìn)行水體納污能力核算外，學(xué)者還根據(jù)研究中存在的問題提出創(chuàng)新性的解決思路和計(jì)算理念，并在實(shí)踐中加以應(yīng)用。如李如忠等[16]運(yùn)用盲數(shù)理論對(duì)不確定性信息下河流納污能力問題進(jìn)行探討；肖彩等[17]利用k-ε方程對(duì)攀枝花河段的水體納污能力進(jìn)行卓有成效的研究；李克先[18]利用“徑流—納污能力”耦合模型對(duì)徑流資料匱乏區(qū)域的中小河流納污能力進(jìn)行了系統(tǒng)計(jì)算；孔繁力等[19]則利用入河控制量模型對(duì)污染物入河控制量進(jìn)行核算，為河流水環(huán)境容量的量化奠定基礎(chǔ)。

三、研究中存在的問題

盡管我國(guó)在水環(huán)境容量研究方面理論日益健全，方法日臻完善，并且結(jié)合典型流域或試點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行過系統(tǒng)的測(cè)算，但理論研究、實(shí)踐應(yīng)用中仍存在諸多問題，如模型選擇混亂、參數(shù)難以識(shí)別、計(jì)算結(jié)果與實(shí)際出入較大、模型計(jì)算中不確定因素難以量化等。針對(duì)當(dāng)前研究與實(shí)踐中暴露的問題，總結(jié)如下：

1.理論層面

（1）特殊類型水體水環(huán)境容量研究不足

水利工程存在的河流和冰封期河流由于水文情勢(shì)的特殊性，其水環(huán)境容量計(jì)算一直存在爭(zhēng)論。如對(duì)閘壩河流水環(huán)境容量計(jì)算，有學(xué)者認(rèn)為對(duì)開閘期和關(guān)閘期采用不同方法計(jì)算并將其加和；有學(xué)者則主張考慮河道水體體積變化和污染物濃度沿程變化，采用改進(jìn)的單箱水質(zhì)模型進(jìn)行計(jì)算。對(duì)冰封期河流，由于污染物在水體中的消減作用減弱，影響機(jī)理復(fù)雜，有學(xué)者建議根據(jù)實(shí)測(cè)資料，對(duì)單個(gè)河流建立簡(jiǎn)單的冰封期污染物輸入響應(yīng)模型，然后進(jìn)行整體加和[20]。鑒于在上述水文條件下，水體中污染物的運(yùn)移消減規(guī)律研究尚不明確，因此首先在理論層面進(jìn)行特殊類型的水體水流運(yùn)動(dòng)方程特征要素研究，在掌握其適用條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行概化處理。

（2）模型參數(shù)的識(shí)別與應(yīng)用系統(tǒng)性較差

水環(huán)境容量模型能否正確應(yīng)用，關(guān)鍵在于參數(shù)的識(shí)別。國(guó)外一般借助隨機(jī)理論、系統(tǒng)理論、不確定性理論對(duì)參數(shù)加以確定，并且率定效果較好。我國(guó)學(xué)者在借鑒國(guó)外成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，積極探究適合我國(guó)不同流域的模型參數(shù)甄別方法，如王彥紅[21]、張文志[22]等在理論層面的探索研究為我國(guó)水環(huán)境容量計(jì)算中參數(shù)的識(shí)別提供了參考，但缺乏系統(tǒng)性分析，難以進(jìn)行全面推廣。

（3）非點(diǎn)源污染定量化研究不足

非點(diǎn)源污染，由于其污染的隨機(jī)性，污染物排放和污染途徑的不確定性，特別是負(fù)荷時(shí)空差異性，使得對(duì)其監(jiān)測(cè)、模擬與控制存在較大困難。合理確定非點(diǎn)源污染物的產(chǎn)生量及入河量是進(jìn)行水環(huán)境容量研究的基礎(chǔ)。但當(dāng)前對(duì)非點(diǎn)源污染的研究缺乏統(tǒng)一的測(cè)算標(biāo)準(zhǔn)，定性或經(jīng)驗(yàn)化判定的方法較多，基于模型的定量化研究不足。國(guó)際上用于非點(diǎn)源污染模型軟件的開發(fā)應(yīng)用還沒有普及，有關(guān)非點(diǎn)源污染的計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)應(yīng)用還只處于研究階段。已有研究成果中對(duì)模型參數(shù)的確定受研究對(duì)象、研究區(qū)域、研究方法的局限，該方法的推廣尚有一定距離。

2.實(shí)踐層面

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取比較缺乏

目前，國(guó)內(nèi)主要大江大河均有較為完善的環(huán)境水質(zhì)和水文常規(guī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已積累起來(lái)大量的水質(zhì)和水文數(shù)據(jù)供研究分析。而對(duì)中小型河流而言，由于經(jīng)費(fèi)和重視程度不足，系統(tǒng)性的水質(zhì)和水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏，或者僅有部分水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水文數(shù)據(jù)，但其數(shù)據(jù)一致性與代表性較差，難以進(jìn)行長(zhǎng)系列的查補(bǔ)延展，以反映河流水質(zhì)的整體變化趨勢(shì)。

（2）不確定信息的量化程度較差

水環(huán)境容量的計(jì)算過程中不確定因素眾多，各個(gè)物理量之間的依賴性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)變化明顯。但是基于當(dāng)前的研究水平與監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)踐中對(duì)水體進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的設(shè)備較少，并且監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)連貫性多與水量的自然豐枯變化性相關(guān)，忽略影響水環(huán)境容量變化的相關(guān)信息的獲取，或者利用簡(jiǎn)單的水量—水環(huán)境容量間的函數(shù)相關(guān)性，將水環(huán)境容量的其他不確定性信息作為依附于水量變化的約束條件不在目標(biāo)函數(shù)中加以體現(xiàn)，難以在計(jì)算中將其量化。

（3）模型選取主觀性較強(qiáng)，缺乏客觀判斷

對(duì)于模型的選取，現(xiàn)實(shí)中多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇在本區(qū)域已進(jìn)行過成功嘗試的通用模型，主觀性較強(qiáng)，定量判據(jù)不足。如有文獻(xiàn)建議，水面平均寬度超過200m的河流均應(yīng)采用二維模型計(jì)算；小于200m的河流，則應(yīng)采用一維或者零維模型計(jì)算。實(shí)際應(yīng)用中，模型選取往往沒有原則，主觀性較強(qiáng)，如本應(yīng)采用二維模型計(jì)算岸邊容量的水體，卻應(yīng)用一維或者零維模型計(jì)算河流的水環(huán)境容量，容量值被嚴(yán)重高估。同時(shí)，模型選擇涉及的地理水文特征參數(shù)較少，計(jì)算結(jié)果也缺乏基于研究區(qū)實(shí)際的適當(dāng)整體修正。因此，在水環(huán)境容量計(jì)算模型選擇上有待進(jìn)一步因地制宜，深入研究。

（4）評(píng)價(jià)因子的選取混亂，總體考慮欠缺

針對(duì)當(dāng)前大多數(shù)研究中，一般選取COD、NH3-N作為評(píng)價(jià)因子，并沒有依據(jù)實(shí)際計(jì)算，對(duì)引起區(qū)域水環(huán)境破壞的主導(dǎo)因子進(jìn)行定量判定，或僅考慮當(dāng)前水質(zhì)變壞的表象因素，并沒有考慮基于長(zhǎng)系列的水質(zhì)評(píng)價(jià)因子的導(dǎo)向作用，或?qū)υ斐伤|(zhì)變化的因子間的相互聯(lián)系考慮較少，忽略因素間的耦合相關(guān)性，導(dǎo)致評(píng)價(jià)因子的選取具有獨(dú)立性，使得現(xiàn)實(shí)中即便依據(jù)水環(huán)境容量進(jìn)行污染物控制的河流，也不能從整體上改變水質(zhì)惡化的態(tài)勢(shì)。

四、改進(jìn)策略分析

（1）水環(huán)境容量模型完善化

針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在水環(huán)境容量模型的選擇、參數(shù)率定、應(yīng)用方面的不足，在加強(qiáng)水質(zhì)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)理論研究的同時(shí)，還應(yīng)將污染物在水體中運(yùn)移及轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)一步量化，加強(qiáng)對(duì)動(dòng)態(tài)、非確定性水環(huán)境容量模型的開發(fā)研究力度。

水質(zhì)數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算的基礎(chǔ)，借助生態(tài)學(xué)與河流動(dòng)力學(xué)對(duì)水流運(yùn)動(dòng)要素要求的交互點(diǎn)，進(jìn)一步完善生態(tài)動(dòng)力學(xué)水質(zhì)模型，使之更準(zhǔn)確地描述水體中的生態(tài)變化，更好地反映水體中污染物的遷移、轉(zhuǎn)化和富積規(guī)律。水環(huán)境容量具有時(shí)空動(dòng)態(tài)變化性，在水功能區(qū)水環(huán)境容量的確定時(shí)應(yīng)充分考慮水質(zhì)目標(biāo)、流量、水溫等變化帶來(lái)的影響，同時(shí)還應(yīng)充分利用平、豐水期環(huán)境容量資源的動(dòng)態(tài)性，避免對(duì)水環(huán)境過度保護(hù)造成的資源、經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。水體污染是一個(gè)復(fù)雜的、不確定性因素眾多的過程，是污染物在水體的物理、化學(xué)、生物及綜合因素影響導(dǎo)致的稀釋、擴(kuò)散、降解、沉淀的結(jié)果，受水文水質(zhì)條件與周圍社會(huì)背景等諸多不確定性因素的制約，因此，應(yīng)借助模糊數(shù)學(xué)理論、信息擴(kuò)散理論、盲數(shù)理論等將不確定信息進(jìn)一步量化，使水環(huán)境容量計(jì)算中非確定性參數(shù)量化方法進(jìn)一步普適化、系統(tǒng)化。

（2）水環(huán)境容量參數(shù)率定數(shù)值化

當(dāng)前針對(duì)水環(huán)境容量模型參數(shù)的率定，大多基于經(jīng)驗(yàn)或簡(jiǎn)單的概化計(jì)算，沒有針對(duì)水環(huán)境容量的參數(shù)特性進(jìn)行基于計(jì)算機(jī)數(shù)值分析的率定，導(dǎo)致多數(shù)水環(huán)境容量的計(jì)算與實(shí)際水體的納污極限并不一致。借鑒國(guó)外在水環(huán)境容量模型方面的成熟經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)的流域納污現(xiàn)狀及污染物的排放規(guī)律，將參數(shù)的率定作為模型的核心模塊，使其以數(shù)值分析計(jì)算的形式嵌入模型中，在確定參數(shù)的同時(shí)，還可利用長(zhǎng)系列代表性資料對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，利于水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性。

（3）水環(huán)境容量計(jì)算要素的準(zhǔn)確性

針對(duì)當(dāng)前水環(huán)境容量評(píng)價(jià)因子混亂，總體考慮欠缺的現(xiàn)狀，將水環(huán)境容量的考慮因素自基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集整理開始，建立分類評(píng)價(jià)體系對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，便于數(shù)據(jù)的保存與調(diào)用。采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)水體各要素進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)，克服水環(huán)境容量計(jì)算因水質(zhì)數(shù)據(jù)的不連續(xù)性帶來(lái)的不確定影響。結(jié)合GIS對(duì)不同要素在圖層上的不同顯示，在對(duì)流域水量、地形地貌特征數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先確定的基礎(chǔ)上，依據(jù)計(jì)算機(jī)對(duì)流域污染圖譜的分析整理，排除不敏感因子及少量雜質(zhì)的影響，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，得到不同污染因子對(duì)應(yīng)的污染物排放量。

（4）水環(huán)境容量計(jì)算方法規(guī)范化，指標(biāo)因子定量化

當(dāng)前水環(huán)境容量計(jì)算方法各地根據(jù)自身的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以便于計(jì)算為原則選用，對(duì)水環(huán)境容量計(jì)算中的因素考慮欠缺，造成計(jì)算結(jié)果的不可比性、盲目性。為此應(yīng)以同流域水文、氣象特征的相似性為核心，將同流域的水環(huán)境容量計(jì)算方法在考慮各個(gè)影響因素的基礎(chǔ)上以通式的形式給出，便于本流域根據(jù)自身的水管理現(xiàn)狀靈活選用參數(shù)，也便于流域內(nèi)不同河流水環(huán)境保護(hù)狀況下水質(zhì)的比較。

針對(duì)當(dāng)前水環(huán)境容量計(jì)算中過分偏重水質(zhì)模擬、忽略水環(huán)境管理的現(xiàn)狀，在以后的研究及實(shí)踐中應(yīng)在充分調(diào)查研究區(qū)水文、氣象資料的基礎(chǔ)上，通過對(duì)參數(shù)的科學(xué)率定，合理選取水質(zhì)模型、確定來(lái)水水質(zhì)目標(biāo)，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)整體修正。對(duì)于指標(biāo)因子的選取應(yīng)借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，將長(zhǎng)系列資料情況下不同種類污染物對(duì)水質(zhì)造成的影響通過專家打分法、模糊聚類分析，借助一定的數(shù)值分析計(jì)算以百分比的形式給出，利于促進(jìn)研究中指標(biāo)因子的選取定量化，針對(duì)性強(qiáng)，便于污染物排放總量合理消減與水質(zhì)達(dá)標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

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