基于水質(zhì)達標的入河污染物總量控制方法研究

鄒朝望，王詠鈴，王海波，尹耀鋒

（湖北省水利水電規(guī)劃勘察設計院，武漢 430064）

國務院于2012年頒布的《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》中所提到的三條紅線之水功能區(qū)限制納污紅線，旨在將進入水體的主要污染物入河總量控制在水功能區(qū)的納污能力范圍內(nèi)。現(xiàn)今我國水污染管理的辦法主要有濃度控制和總量控制。水質(zhì)濃度控制：我國水環(huán)境管理起初治理模式是以控制污染排放源的排污濃度為核心。至今為止，我國水污染控制的基礎仍然是以濃度控制為主[1]，主要是將各個污染排放源或水質(zhì)代表斷面作為研究對象，將斷面實測的長期水質(zhì)數(shù)據(jù)與水質(zhì)標準相比，進而確定水質(zhì)達標情況，最終制定相宜的環(huán)境治理方略。該法執(zhí)行起來方便快捷，“排污收費”制度也是根據(jù)水質(zhì)濃度制定的，有助于提升排污者對污水管理與處置的自覺意識。污染物總量控制：將某一研究區(qū)域（行政區(qū)、流域、河流、水功能區(qū)等）作為一個模糊的整體系統(tǒng)，為達到既定的水環(huán)境目標要求，而采取相應的措施將排進該系統(tǒng)的污染物總量控制在一定范圍之內(nèi)。污染物排放總量控制，這一概念是在“九五”時期最早被提出，主要有以下三種形式，包括目標總量控制、容量總量控制和行業(yè)總量控制。目標總量控制是以排放限制為控制基點，容量總量控制是以水質(zhì)標準為前提及控制基點，行業(yè)總量控制是以能源、資源的合理利用為控制基點，三種控制模式各有利弊[2]。1968年，日本學者最早提出了關于環(huán)境容量的概念；1977年，日本環(huán)境廳提出“水質(zhì)污染總量控制”辦法[3]。其后，美國環(huán)保局于1972年相繼又提出關于污染物總量——最大日負荷總量（TMDL）的概念，并在其全國范圍內(nèi)開始實行水污染物排放許可證制度。近些年國內(nèi)也對污染物總量的研究展開了大量的討論，目前我國總量控制仍處于目標總量控制階段[4]。

但目標總量控制存在一定弊端——污染物的入河量與水體濃度兩者不能構成實時響應關系。由于總量減排與質(zhì)量改善缺乏同步性，導致水管理部門不能僅參照水體的水質(zhì)目標要求來控制污染物排放及入河總量[4]。因此，總量控制中的容量總量控制制度逐漸成為我國水環(huán)境管理與評價的主流趨勢。

1 研究方法

基于濃度控制、總量控制的理念，提出一套兼顧污染物濃度與污染物入河負荷總量控制的河道水質(zhì)評價模型。該模型結構及具體計算過程如下：

1）模型結構。模型分為污染負荷計算、河段水環(huán)境容量計算、濃度與入河總量控制決策三部分。首先，概化研究河段的污染物入河口、出入口，確定一定時間段內(nèi)的污染物入河負荷總量；利用適宜的河流水質(zhì)模型，計算研究河段的水環(huán)境容量，確定河段在研究時段內(nèi)對某種污染物的承納能力；根據(jù)實測的污染物水質(zhì)與計算得到的入河總量結合水環(huán)境容量進行分析，建立雙目標控制的評價決策模型。

2）優(yōu)化模型求解。根據(jù)研究的三個控制目標，建立目標模型，在模型無量綱化、標準化處理后，求解在不同條件下，河段需采取的污染物控制方案。

根據(jù)模型評價結果，確定研究區(qū)域污染物控制模式，為河段污染治理、水功能區(qū)管理、行政區(qū)管理提供一定的技術支撐。

1.1 污染負荷計算方法

根據(jù)污染物入河負荷的概念按照式（1）至式（7）[5]計算：

斷面的污染負荷通量：

時間段（ts）內(nèi)斷面的污染物總量：

時段t1內(nèi)入口監(jiān)測斷面處污染物入河負荷量：

具有多個入口監(jiān)測斷面的河段污染物入河負荷總量：

時段t2內(nèi)出口監(jiān)測斷面污染物出河負荷量：

具有多個出口監(jiān)測斷面的河段污染物出河負荷總量：

研究區(qū)段的外來輸入污染物總量：

式中：L為斷面的污染負荷量，kg/s；C為污染物濃度，mg/L；Q為斷面流量，m3/s；C入、C出分別為河段入口、出口處斷面濃度，mg/L；Q入、Q出分別為河段入口、出口處斷面流量，m3/s；r入、r出分別為河段各個入口、出口處斷面的污染物入河量，kg；R入、R出分別為河段污染物總?cè)牒恿亢涂偝龊恿?，kg；M為研究區(qū)段的外來污染物總量，kg。

1.2 水環(huán)境容量計算方法

根據(jù)河段的水質(zhì)保護目標，選取河流一維水環(huán)境模型對研究河段水環(huán)境容量進行測算，見公式（8）。

式中：W為水環(huán)境容量，t/a；Q為最枯月徑流量，m3/s；Cs為水質(zhì)管理目標濃度，mg/L；C0為水質(zhì)管理初始濃度，mg/L；K為污染物綜合降解系數(shù)；V為水體容積，m3；q為客體流量，m3/s。

1.3 濃度與總量雙目標控制模型

1.3.1 單元系統(tǒng)水質(zhì)水量模型

對任意子河段，由于水體本身的復雜性、河段的稀釋、降解、沉淀等過程的聯(lián)系眾多、規(guī)律冗雜，為了分析計算更為清晰，可將該段水體系統(tǒng)概化，根據(jù)《水域納污能力計算規(guī)程》[6]中數(shù)學模型計算河流水域納污能力時，對河道特征及水利條件進行簡化，當河道斷面寬深比B/H＞20時，斷面形態(tài)可簡化為矩形斷面，見圖1。

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

該模型滿足水量平衡方程式：

物質(zhì)守恒方程式：

子河段濃度方程：

子河段入河污染物總量方程：

式中，Q0i，Q1i分別為河段i時刻初始斷面與末斷面的流量，m3/s；qr1，qr2，…，qrn為流入該河段的客體流量或用戶提取的水量，m3/s；C0i，Cqr，C1i分別為對應流量的濃度值，mg/L；V為河段的水體體積，m3；W為河段的水環(huán)境容量值，t/a；j為污染物種類；xr為匯流口至下游斷面的距離；xk為研究斷面與初始斷面之間的距離；xd為研究斷面與匯流口r之間的距離；k為污染物的綜合降解系數(shù)；C0ij為i時刻初始斷面的污染物濃度；C1ij為i時刻初始下游斷面的污染物濃度。

1.3.2 多目標決策模型

根據(jù)問題的研究任務，需確定3個控制目標：①下游控制斷面濃度最??；②河段入河污染物總量最??；③控制點加權水質(zhì)最優(yōu)[4]。

目標函數(shù)定義為：

式中：X為水質(zhì)濃度；Y為入河污染物總量；Z為下游加權水質(zhì)濃度。α是X指標所占權重；β是Y指標所占權重，滿足歸一化條件α+β=1，并根據(jù)約束條件：

使目標函數(shù)極小化。為此，需要把（13）式中的指標無量綱化[7]。將水質(zhì)濃度X或入河污染物總量Y在i時刻j斷面處的值記為xij，定義：

式中：Max（xij）和Min（xij）分別為xij的最大值和最小值。由此定義：

式中：yij是無量納化的水質(zhì)濃度或入河污染物總量在i時刻j斷面處的值。

2 實例分析

2.1 區(qū)域概況

沙潁河水系是淮河流域最大的一條支流，發(fā)源于河南省牛伏山區(qū)，橫跨河南、安徽兩省，河道全長620 km，流域總面積36 651 km2[8]。本文選取沙潁河水系下游的阜陽閘至潁上閘河段為研究對象，該河段隸屬于安徽省境內(nèi)，處于不同的市級行政區(qū)管轄范圍，該河段長80.44 km，與淮河干流距離約40 km，研究河段位置及所在流域水系如圖2所示。

圖2 流域位置水系圖Fig.2 Location map of basin

2.2 水質(zhì)濃度評價

對水文測站潁上閘1996—2015年徑流排頻分析，得到枯水年（P=90%）典型年為2005年，考慮最不利因素，本文以枯水年為例進行分析。選取阜陽閘至潁上閘河段2005年水質(zhì)監(jiān)測站數(shù)據(jù)與水質(zhì)標準進行對比，年內(nèi)上下游水質(zhì)監(jiān)測斷面濃度隨時間變化曲線（C-t曲線）如圖3所示。

圖3 2005年阜陽閘與穎上閘河段監(jiān)測斷面高錳酸鉀指數(shù)（CODMn）濃度變化過程線Fig.3 Monthly variation of CODMnconcentration in 2005 at floodgates of Fuyang and Yingshang

根據(jù)多年水質(zhì)監(jiān)測資料對研究河段進行現(xiàn)狀水質(zhì)評價，知2005年上半年的水體CODMn濃度均超標，下半年水質(zhì)均達標；汛期6—9月河段均屬于Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)，而非汛期月份只有50%處于水質(zhì)達標狀態(tài)，其余月份水質(zhì)均較惡劣；對于全年度水質(zhì)整體評價，達標率e≥80%時判定為水質(zhì)達標，反之則判定為超標[9]。由圖3可知研究河段全年水質(zhì)達標率低于50%，總體狀況不容樂觀。

分析典型年2005年河道上下游兩監(jiān)測斷面的CODMn濃度隨流量變化過程，結果如圖4所示?？梢婋S著汛期降雨量的增加，該研究河段下游潁上閘的CODMn濃度與上游阜陽閘的CODMn濃度相比有所增長。因此，該河段的水環(huán)境狀況主要影響因素是面源污染[10]。其中，CODMn濃度在2—6月均不能達到水質(zhì)目標要求，1月、7—12月均滿足水質(zhì)要求。根據(jù)污染物濃度控制思想，即1月、7—12月不需要進行斷面的CODMn濃度控制，只對2—6月進行CODMn濃度控制即可。

2.3 污染物總量控制分析

根據(jù)流量過程線與濃度過程線可計算得到污染負荷月變化情況。2005年的CODMn入河污染負荷過程線（L-t）如圖5所示。然后根據(jù)式（3）至式（7）計算得到2005年阜陽閘CODMn全年入河污染物總量、出河污染物總量、區(qū)間面源與點源污染排入總量的 CODMn分別為 3.25×105t、9.07×105t、5.72×105t。

圖4 2005年兩閘CODMn濃度隨流量變化趨勢圖Fig.4 Variation trend of CODMnconcentration with flow in 2005

圖5 2005年兩閘污染負荷過程線Fig.5 Variation of pollutant load in each monitored section in 2005

據(jù)式（8）計算得到研究河段全年水環(huán)境容量值W為1.586×107t，將該水環(huán)境容量值平均分配到各個月份，得到典型年2005年各月污染物入河總量與環(huán)境容量的對比結果，如圖6所示。

圖6 2005年各月入河污染物總量變化Fig.6 Monthly variation of gross pollutant discharged into river in 2005

由圖6可知，典型年1—6月及12月的污染物CODMn入河總量均能達到水環(huán)境目標要求，而7—11月不能達到目標要求，因此，需要對超標月份進行污染物入河總量控制。

2.4 濃度與入河污染物總量聯(lián)合控制分析

與上節(jié)所述的濃度控制理論結合分析，以圖5中7月為例，如果僅以下游出口斷面的CODMn濃度考核河段水體，該月水體是滿足水質(zhì)標準的；另外，如果僅以CODMn入河總量來考核河段水體，該月水體沒能滿足水質(zhì)標準。以圖5中2—6月為例分析，CODMn濃度均不能達到水質(zhì)目標，但CODMn入河總量均已滿足水環(huán)境容量目標。因此，考核河段水質(zhì)是否達標不能僅限于對污染物濃度或入河總量的單一分析，需針對不同的污染情形選取不同的治理方案從而確定評價結果。例如：對于考核斷面濃度超標且污染物入河總量達標的情形，只需進行濃度控制，使入河污染物總量維持現(xiàn)狀排放就能達到治污的目的；相反，則只需進行污染物入河總量控制。如果兩者都不能滿足水質(zhì)要求，則需對兩者同時進行控制。

對2005年進行污染現(xiàn)狀分析，并將基礎數(shù)據(jù)代入標準化處理后的模型式（13）至式（16）計算，經(jīng)擬合得到污染物控制（評價）模型如下：

對模型分析知，當α=0時，模型為總量單一控制模型，使Z達到最小值時，計算得到C1只需滿足初始條件0＜C1＜6.96（mg/L）即可，此時只用對研究河段進行污染物入河總量控制；當α=1時，模型為濃度單一控制模型，此時Z取得定值，只用對排污口進行濃度控制，使斷面濃度C1≤Cs且CODMn入河負荷總量保持現(xiàn)狀允許排放量即可。當0＜α＜1時模型為濃度與總量聯(lián)合控制模型，即6.96＜C1＜17.8（mg/L）時，此時需對河段的污染物濃度及其入河負荷總量采取聯(lián)合控制方案[11]。

因此，采用污染物濃度及入河負荷總量聯(lián)合評價辦法對研究河段的典型年水質(zhì)進行評估。結果表明：潁上閘在1月、8—12月出口斷面濃度超標，需采取污染物入河總量控制方案；而2—7月兩者都不達標，需對濃度及污染物入河負荷總量實行聯(lián)合控制的方案才能滿足水環(huán)境容量總量要求。

2.5 方法對比研究

根據(jù)阜陽閘至潁上閘的實測水文水質(zhì)資料，分析了濃度、污染物入河總量及水體環(huán)境容量之間量與質(zhì)的關系。并結合當下我國流域水污染控制分區(qū)、水功能區(qū)劃及水功能區(qū)納污紅線等要求，對該研究河段的水污染治理提出了污染物濃度與污染物入河總量雙重考核制度的概念。與濃度、總量單一評價模式對比，得到如下結論[12]。

1）阜陽閘至潁上閘河段2005年現(xiàn)狀水質(zhì)的評價若僅采用斷面濃度評價或總量達標評價，2—6月濃度均不滿足水質(zhì)標準，1月、7—12月均滿足，即1月、7—12月無需進行斷面的濃度控制，只對2—6月進行濃度控制即可。2005年CODMn在1—6月及12月的入河總量均能滿足水環(huán)境目標，7—11月不能滿足，因此，需對超標月份的污染物入河總量進行控制。可見，濃度或總量單一評價所確定的治污月份有較大差異。

2）對研究河段水質(zhì)現(xiàn)狀評估，采用濃度與污染物入河總量聯(lián)合評價，結果表明：作為河段出口斷面的潁上閘在1月及8—12月需采取污染物入河總量控制方案；而2—7月需采取濃度及污染物入河總量聯(lián)合控制的方案才能達到環(huán)境目標要求。

3 結語

本文分別采用監(jiān)測斷面水質(zhì)濃度控制、入河總量控制和濃度-污染物入河總量聯(lián)合控制的方法對沙潁河下游阜陽閘至潁上閘河段的水環(huán)境污染現(xiàn)狀進行分析、評價，就新方法提出相應的控制方案。這種方法與前兩者相比，無論是在評價過程還是控制策略上都存在著一定的優(yōu)異性。水質(zhì)濃度與污染物入河總量的同時控制，其優(yōu)點在于能夠通過水體環(huán)境容量來確定可被允許排入的污染負荷總量，并能將該污染負荷總量與水體濃度建立良好的量性關系，這對合理管理沙潁河流域的水環(huán)境提供了有價值的參考。