河流动态纳污量及水质传递影响研究与实践

第1章 绪论 1.1 研究背景及意义 水是自然界的重要组成部分，是一切生命的源头，也是人类生存和发展的必要条件。然而，人类对自然资源的肆意开发和利用，对水环境造成了严重破坏。人口激增、社会工业化及城市化的迅速发展和管理不善，各种工业废水、生活污水排入河流、湖泊等水体，造成水环境质量恶化，水体富营养化、重金属污染等事件频发。水资源短缺和水环境质量差已成为全球性的问题。如何实现环境资源的合理利用，控制和减少污染物排放，已成为全球关注的重点问题[1，2]。 为保障经济社会的可持续发展，2011?年中央一号文件《中共中央 国务院关于加快水利改革发展的决定》中明确提出实行*严格的水资源管理制度。既要在水资源利用总量上严格控制，又要提高水资源的利用效率，还要减少污染物排放量。*严格的水资源管理制度中“加强水功能区限制纳污红线管理，严格控制入河湖排污总量”是“三条红线”之一。因此，为加强水资源的保护与管理，保障*严格水资源管理制度的实施，国家提出了水功能区划、水域纳污能力(水环境容量)核定、污染物入河总量控制、水功能区考核和流域水环境补偿等一系列水环境管理措施。 限制排污首先需要核定水域的纳污能力，这是水功能区管理和实施污染物总量控制的一个核心问题，是科学合理制定水污染控制规划和水资源管理的基础，也是划定水功能区限制纳污红线的重要依据。纳污能力核定是在环境管理需求基础上，充分研究流域水文特性、污染物的迁移及转化规律和排污口的排污方式后确定的[3]。纳污能力具体是指设计水文条件下，满足计算水域的水质目标要求时，该水域所能容纳的某种污染物的*大数量[1，4]。从水域纳污能力的定义可以看出，纳污能力是一个确切值，与设计水文条件相对应。但是，纳污能力是动态变化的，受各种自然因素及河流水体水文特征的动态影响，因此开展动态纳污能力研究尤为重要[5，6]。 流域水环境现状异常严峻，想要达到改善环境质量的目的，仅控制排污浓度或者排污总量是不够的，必须实施基于纳污能力的重点水污染物总量控制。排污者(污染源)是水功能区纳污管理的源头，中间环节是城市水务和环保部门，末端控制是污染负荷分配，涉及众多人员，只有全社会踊跃参加与支持，才能有效实施。因此，建立污染负荷分配方法需要全面考虑相关因素且易被排污者接受。 为贯彻落实*严格水资源管理制度，2012年，国务院颁布了《国务院关于实行*严格水资源管理制度的意见》(国发〔2012〕3号)，提出建立水资源管理责任和考核制度。随后，各级行政区公布其考核目标及评定方法，考核结果作为年度目标责任及领导干部考核的依据。以考核之力推动*严格水资源管理制度落实，建立健全指标体系、制度体系、保障体系和监控体系等，是推动水资源严格管理现代化，实现水资源可持续利用的必由之路[7]。 随着经济社会快速发展，尤其是河流中上游重要能源基地和城市群的深入开发，跨界水污染问题持续存在，严重制约经济社会的可持续发展，加之突发性水污染事件时有发生，跨界水污染日益成为水资源保护日常管理工作中*受关注的问题。《国务院关于实行*严格水资源管理制度的意见》(国发〔2012〕3号)明确提出建立健全水生态补偿机制，作为推进水生态系统保护与修复的一项措施。2013年，水利部发布的《水利部关于加快推进水生态文明建设工作的意见》(水资源〔2013〕1号)明确指出，鼓励开展水权交易，运用经济手段促进水资源的节约与保护，探索建立以重点功能区为核心的水生态共建与利益共享的水生态补偿长效机制。党的十八大和十八届三中全会报告均明确提出建立生态补偿制度[8]。 在当前国家实施*严格水资源管理考核制度的新形势下，制定跨界水环境补偿方案，应用*严格水资源管理制度考核结果对流域各省区征收或下达水环境补偿金，开展流域跨界水环境补偿，是落实*严格水资源管理制度的重要保障，也是针对考核结果提出的重要奖惩手段，将促进考核对省区水资源保护工作的激励和约束作用[8]。 以上管理措施的实施将对*严格水资源管理制度的推进及水环境改善、水资源管理发挥重要作用，国内外学者对此开展了很多研究。 1.2 基本概念 1. 河流纳污能力 污染物进入水体后，在水体平流输移、纵向离散和横向混合作用下，发生物理、化学和生物作用，使水体中污染物浓度逐渐降低，这是一个动态过程。水域纳污能力的概念多以水质管理和水环境承载力的方式提出。20世纪30年代，比利时数学家Forest提出了环境容量的概念。1968年，日本科学家首先提出了水环境容量的概念[9]。美国环境保护局(United States Environmental Protection Agency，USEPA)于1972年*先提出*大日负荷总量(total maximum daily loads，TMDL)概念及*大年负荷总量(total maximum yearly loads，TMYL)概念。污染负荷可以表示单位时间接纳污染物的质量、毒性和其他适合测定的指标[10]。 虽然对纳污能力的研究已开展多年，但纳污能力还没有统一的定义[11，12]。已有定义都包含“*大”一词，如*大污染物量[13]、*大容许纳污量[14]、*大数量[4]等。 2. 水污染物总量控制 水污染物总量控制是指将控制单元内水环境污染物排放负荷控制在一定的数量内，使该控制单元受纳水体中污染物的含量满足既定的水质目标[15]。它包括排污总量、排污总量的地域范围及排污的时间跨度三个方面。总量控制是指对于一个流域或地区，想要实现某些环境目标，基于该地区实际情况，通过经济、技术分析，得出对应的允许污染物排放的*大值[6]。水污染物总量控制制度的核心是污染负荷分配，公平性与效益性是污染负荷分配的两个重要决策准则。负荷分配方法主要有等比例分配法[16]、按贡献率削减排污量分配法、排污绩效的分配法[17]、基于污染物削减费用*小分配法[18]、基于公平性考虑的分配法[19]、基于层次分析法的负荷分配[20]、基于多人合作对策的负荷分配协商仲裁法[21]和基于博弈论的负荷分配[22]等。 3. 水功能区考核 为强化水资源管理，我国提出并实施了*严格水资源管理制度[23]。为落实该制度，2013年1月《国务院办公厅关于印发实行*严格水资源管理制度考核办法的通知》明确，实行该制度的责任主体为各省、自治区及直辖市，确定其具体考核内容为目标完成程度、制度建设情况及措施落实情况。通过评分来考核评定，将考核结果分为四个等级：优秀、良好、合格及不合格，这标志着我国正式建立了水资源管理责任制度。为满足水资源开发利用、管理和保护的需求，设定了水功能区管理制度，这是我国实施的一项重要的水资源保护制度，水功能区的监督管理及水资源利用的重要依据就是水功能区考核达标[24]。水功能区考核的主要指标是水功能区水质达标率，指在水质评价过程中达到标准的水功能区的数量与所有参与考核的水功能区数量之比[7]。 4. 水质传递影响 我国流域水环境管理中，上下游之间经济发展与环境保护的矛盾依然存在[25]。党的十八届三中全会明确提出“实行生态补偿制度，坚持谁受益、谁补偿原则，完善对重点生态功能区的生态补偿机制，推动地区间建立横向生态补偿制度”。跨界水环境补偿是以保护和改善流域水环境质量为出发点，为促进流域内人与自然和谐共处、上下游协同发展，运用政府和经济手段，调节流域上下游及水环境保护利益相关者之间利益关系的一种公共制度[26]。水环境补偿机制建立的难点之一是如何合理地划分水污染责任。 流域上游产生的污染往往具有连续性与传递性，会影响下游甚至其他地区的水质。为了划分跨界水污染责任，为补偿水环境相关损益的核算提供定量化依据，需要进行水质传递影响研究。水质传递影响研究指通过从上游到下游的递推计算，确定水污染影响范围与程度。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 水域纳污能力计算研究现状 20世纪60年代末，琵琶湖的水污染事件引起日本政府对环境问题的重视，为改善水和大气环境质量状况，提出污染物排放总量控制问题。水环境容量于1968年提出，1975年才从定性发展到定量[8]。自日本环境厅委托卫生工学小组提出《1975年环境容量计量化调查研究报告》，环境容量在日本得到了广泛应用。以环境容量研究为基础，逐渐形成了日本环境总量控制制度。而欧美国家的学者较多使用*大容许纳污量、同化容量和水体容许排污水平等概念描述水域纳污能力[27]。 欧美国家一般采用随机理论和系统优化相结合的方法研究水域纳污能力[28]。Ecker[29]、Liebman等[30]、Revelle等[31]进行的纳污能力研究中将流量等参数作为确定性的变量。Li等[32]考虑到河流横向混合的不均匀性，采用优化模型确定了各排污口在给定水质目标浓度下的允许排污量。Revelle等[33]、Thomann等[34]采用确定性方法将目标函数线性化，同时利用优化模型对排污量及削减量进行求解。Fujiwara等[35]、Lohani等[36]将流量作为已知概率分布的随机变量，用概率约束模型研究超标风险下的污染负荷分配。Donald等[37]使用一阶不确定性分析方法，把水质随机变量转化为等价的确定性变量后进行了排污量的计算。Glasoe等[38]提出将环境阈值引入生态系统承载能力的评估中，从而抵御人类对环境的干预。环境阈值在各种环境管理中的使用通常建立在“限制”的基础上，为后续的环境标准和土地利用规划提供一个基础，并应用于美国四个区域的水资源管理中[1]。 我国对纳污能力的研究始于20世纪70年代，在纳污能力计算方法和实践应用等方面，已取得一系列重要研究成果。 20世纪90年代以来，纳污能力研究已全面进入应用阶段。国家重点支持了武汉东湖、云南滇池、陕西渭河等水域的污染综合防治，为纳污能力理论应用提供了广阔空间[39]。20世纪90年代后期至21世纪初，我国不少学者对河流纳污能力的计算方法进行了深入研究。纳污能力的计算方法可大致分为三类：解析公式算法、模型试错法及系统*优化分析方法。周孝德等[40]提出了一维稳态条件下计算水环境容量的段首控制、段尾控制和功能区段尾控制三种方法。司全印等[41]探讨了水环境容量的价值问题。孙卫红等[42]探讨了基于不均匀系数的水环境容量计算方法，提出不均匀系数求解思路，并应用二维水量、水质数学模型进行求解。熊风等[43]利用一维稳态托马斯(Thomas)模型研究了有机污染物在不同水文、气象条件下的求解方法。李红亮等[44]分析了水域纳污能力影响因素及水域自净过程的特点，选取不同水域纳污能力的计算模型及其参数应用于实例，同时指出了水域纳污能力的主要影响因素及纳污能力在当今水资源管理中的作用，在水环境保护基础理论方面进行了深入研究。胡守丽等[45]利用一维动态水动力与水质数学模型，结合浓度场迭加原理与线性优化模型，计算深圳河的纳污能力，并讨论河口潮汐、排污口位置和截污能力限制等因素对纳污能力的影响。李克先[46]针对径流资料匮乏区域中小河流特性和水文学原理，构建设计流量计算模型，并与改进的水质模型耦合，获得简易的径流-纳污能力计算耦合模型。张文志[47]分析了一维水质模型中污染源概化、设计流量和流速、上游本底浓度等设计条件和参数对结果的影响，并讨论如何确定设计条件和参数。劳国民分析了污染源概化方式对水体纳污能力计算的影响，并比较了这种影响与设计频率和综合衰减系数之间的关系[8，48]。陈丁江等[49]基于实测水文水质参数的统计分析和河流一维水环境容量计算模型，应用Monte Carlo模拟方法，分析了模型各输入参数的灵敏度及水环境容量概率分布，建立了非点源污染河流水环境容量的分期不确定性分析方法。周洋等[50]运用一维稳态水质模型和水环境容量模型，采用段首控制高功能区和段尾控制低功能区相结合的方法计算了渭河陕西段水环境