水功能区纳污能力计算理论与应用进展

1.国外研究进展

国外学者常用“环境容量”“最大容许纳污量”和“水体容许排污水平”等概念来描述水域纳污能力,并将其融合在总量控制研究中,较少开展单独的相关研究。最早衡量水体容许污染物负荷量的是日本学者在20世纪60年代提出的环境容量概念,在海洋和河流等天然水体的治理中,估算环境容量对污染物的总量进行控制。随后,欧美国家开始环境容量方面的研究,并取得一定的成果。

国外一般采用系统理论和随机理论对水环境最大容许纳污量进行计算,便于根据河流水文地理参数和气象参数的时空分布特点实时分析污染物入河量并加以控制。例如,Edward将水质作为随机变量,采用非确定性分析计算污染物排放量;Duka等应用环境模拟方法对天然水体中有机物的自净容量进行计算;Fujiwarra等用流量概率约束模型对水体中的污染物质的量进行估算。

在环境管理方面,美国自1972年开始实施针对工业行业及其子行业以最佳专业判断法和颁发排放限值准则方法为依据的排污许可证制,部分地区还推出以实测的水体同化能力来变更容许排污量的变量总量控制方法,能够更为有效地对点源及面源污染进行合理分配(简称TMDL管理技术)。美国把纳污能力估算视为TMDL的中心环节,以研究水体的水环境功能区水质目标和相应的设计水量(7Q10或30Q10)为基础,借助水质模型进行不同季节条件下最大容许排污量计算。近年来,美国国家环保局(EPA)不断对TMDL计划进行调整,使美国水资源保护由过去的单纯污染源控制转变为根据生态健康和生态功能来决定控制污染。多年的实践表明,TMDL计划在恢复美国地表水体功能、改善水体水质方面起到了重要的作用。

自日本学者20世纪60年代提出“环境容量”的概念后,1971年开始对水质总量控制计划问题进行了研究。日本环境厅于1977年提出了“水质污染总量控制”方法,开始了总量控制工作。1979年日本内阁确定了有关水污染物排放总量控制的基本方法、方针及目标年度削减量等,1984年日本将第一个水污染总量控制目标规划实际运用于水质污染控制。围绕总量控制,有关部门开展了下水道管网整备、处理场整备、控制标准设定等工作,其结果使污染负荷量呈现削减的趋势,但水质状况未能得到彻底改善,于是以1989年为目标年进行第二次总量控制。

英国提出将“稀释容量”引入有机污染物排放指标的确定。苏联则直接考虑应用流域水体的自然环境容量,保证水体满足生态环境要求,对人体健康不造成威胁。其他国家如瑞典、韩国、罗马尼亚、波兰等也都相继实行了以污染物排放总量为核心的水环境管理方法,取得了一定的效果。

2.国内研究进展

我国对于流域水域纳污能力的研究经历了由浓度控制到目标总量控制再到容量总量控制的发展历程,目前的研究仍处于理论阶段。

20世纪70年代末,国家环保总局制定污染物浓度控制与总量控制相结合的水环境纳污能力研究政策,并针对松花江、图们江、黄河兰州段等流域进行了水体自净、排污标准的研究。这一时期多针对耗氧有机物或重金属采用稳态简单模型的解析解进行估算。

“六五”期间对水体中主要污染物纳污能力进行了水体自净与人工优化相结合的研究,研发了二维动态流体力学方程、氮转化和溶解氧模型和程序,还进一步研究了混合输移参数的计算方法、增长曲线法计算降解系数、相关参数的测定识别和离散规划法等。这一时期进行了河口海湾潮流场污染物浓度、深圳河有机物水环境容量研究和沱江水质规划和总量控制方案等方面的研究。(www.xing528.com)

“七五”和“八五”期间,开展了基于水环境功能区划的流域水环境综合规划,开创了水环境纳污能力研究与应用的新局面。在此期间,开展了全国30多个水域的水环境纳污能力研究和基于总量控制的水污染规划研究。1988年的全国水资源保护规划中,提出了最大允许纳污量的概念。20世纪90年代,我国开始对部分水污染物实行总量控制,并首次将污染物总量控制指标纳入国民发展计划。

自21世纪以来,我国在水域纳污能力研究方面取得了很多成绩,研究方向主要集中于有机物和重金属水质模型、纳污能力研究、纳污能力影响因素研究与计算方法、动态纳污能力计算及其仿真系统研究等。

韩守江等(2000)根据嫩江、松花江干流水环境功能区划,确定了不同河段的水环境目标并计算了设计流量,基于设计流量和水环境目标计算了河段的允许纳污量,这也是较早开展纳污能力的研究案例。韩龙喜等(2002)在对河段污染源进行概化的基础上提出纳污能力的计算方法及公式,结合水资源保护的实际需要,给出不同功能区组合情况下的纳污能力计算方法,为水资源保护与规划提供了一种简捷、有效的方法。李如忠等(2003)基于河流水文、水质条件等因素的变化,在考虑参量取值可信度的基础上,运用盲数理论对不确定性信息下河流纳污能力计算问题进行了探讨。闫非等(2006)提出了基于排污口权重的水环境容量计算方法和相应的排污控制方案。郭廓(2016)考虑辽西河流的季节性特点,将水文的随机特性同纳污能力计算与污染总量控制有机结合起来,使水质保护与总量控制成为可能并具有可实施性。

在水域动态纳污能力研究上,广大学者从纳污能力的时间、空间动态特征两方面进行了探索。长江水资源保护科学研究所2010年承担的水利部公益性项目“长江中下游干流纳污总量控制研究”,运用河流二维模型与河口一维模型,计算了特枯、枯水、平水3个方案下武汉江段17个水功能区化学需氧量、氨氮、铜、铅、邻苯二甲酸二丁酯等污染物的水域纳污能力。在MIKE软件平台的支持下,该成果系统地研究了大型水域有机物、重金属、有毒有机物的动态纳污能力,并基于此提出了动态限排控制方案,为实现水功能区纳污能力的动态管理提供了有力支撑。史晓新等(2008)分析了湖泊纳污能力的动态特征,提出将湖泊与入湖河道作为一个整体进行模拟是进行湖泊动态纳污能力计算的关键,并以枯水年作为代表水文年,采用二维数学模型模拟了太湖纳污能力的动态变化,得到了逐月化学需氧量、总氮、总磷的纳污能力的量值。汪妮等(2014)以西安市灞河干流为研究对象,分析了污染源、排污口概化方式和水质目标等因子的动态变化特征,采用标准一维水质模型,计算分析不同来水频率(90%、75%、50%)条件下年际、年内纳污能力变化。洪昌红等(2015)则重点关注了纳污能力的空间动态特征,通过环境水槽试验获取了化学需氧量和氨氮衰减系数与流速效应之间的定量关系式,建立了反应污染物衰减与流速动态变化的二维水流水质数学模型,利用二维水流水质数学模型计算的飞来峡水利枢纽库区化学需氧量、氨氮纳污能力更加符合实际情况,较好地反映了大型水利枢纽工程水域纳污能力的空间动态特征。张晓等(2016)提出纳污能力动态计算模式,该模式将设计流量、纳污能力的求解算法封装成组件,建立纳污能力计算模型及参数率定组件库,动态搭建水功能区动态纳污能力仿真系统,并将其应用于渭河干流陕西段的纳污能力求解。

在水域纳污能力模型计算方面,近年来国内学者做了比较详细的研究,采用的方法主要有混合模型、一维模型、二维模型以及针对地区特点建立的简易模型。

吴师(2005)依据一维水质模型,估算动态纳污能力、预测污水对目标河段水质的影响。胡守丽(2006)利用一维动态水动力与水质数学模型,结合浓度场叠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、截污能力限制等因素对纳污能力的影响。许仁义(2006)针对不同的典型水域选取合适的水质模型,应用有限体积法及黎曼近似解对耦合方程组进行数值求解,模拟出水体的水流过程和相应的污染物输运扩散过程,计算水体的纳污能力。徐智廷等(2007)对Streeter-Phelps水质模型(SP模型)进行概化,建立水体中污染物排放与受纳水体水质之间的关系,从而定量分析计算水功能区的纳污能力。张雷等(2014)分别运用均匀混合模型、狄龙模型动态计算了不同频率下渔洞水库中化学需氧量、氨氮、总氮和总磷等4种污染物的月纳污能力,并将月纳污能力和月污染物入库量进行逐月比较,获得了超标排放时所需削减污染物的量。李克先(2007)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。随后李克先(2015)又从理念上另辟蹊径,将解决水文问题和纳污能力计算问题耦合于一个整体进行模型构建与改进。

此外,国内研究学者还在参数的选择、参数与纳污能力的关系、参数的敏感性方面做了相关研究。

劳国民(2003)、王彦红(2007)等对水体纳污能力计算中的参数进行了敏感性分析,并讨论了如何确定参数,以提高计算结果的准确性。张文志(2007)分析纳污能力计算过程中污染源概化、设计流量和流速、上游本底浓度、污染物综合衰减系数等设计条件和参数对计算结果的影响,并讨论了如何确定设计条件和参数,以提高计算结果的准确性和合理性。毛晓文(2009)从纳污能力计算中动态因子的不确定性出发,分析探讨了纳污能力计算的主要影响因素、存在的问题及相应的控制解决办法。强调在纳污能力定量计算中应结合水环境管理的要求,充分考虑水体的自然特性、污染现状和保护目标,对设计水量、综合自净K值、水质初始浓度与目标浓度应合理取值,以避免纳污能力的不当定值造成水资源管理的被动局面。张秀菊等(2012)分析了纳污能力模型中水文条件、污染物降解系数、水质浓度、排污口概化方式等因素的不确定性特征,从理论上阐述了导致计算结果不确定性的影响机理,并以江苏某工业用水区和农业用水区为例,分析不同参数变化对COD纳污能力的影响。赵鑫等(2012)依据《水域纳污能力计算规程》(GB/T 25173—2010)的基本思路,从设计水文条件、污染源、排污口概化、计算模型与反应参数等方面对纳污能力计算方法进行了详细分析,指出了目前的处理方式产生争议的原因及相应的解决对策,并结合美国环保局的TMDL思想内涵,探讨TMDL对我国纳污能力计算的借鉴意义。