張躍生

(山西省忻州市水利勘測設(shè)計院，山西 忻州034000)

2011年中央一號文件提出了我國實施最嚴(yán)格的水資源管理制度，就是要不斷完善并全面貫徹落實水資源管理的各項法律、法規(guī)和政策措施，劃定水資源管理的三條“紅線”，嚴(yán)格執(zhí)法監(jiān)督。一是明確水資源開發(fā)利用“紅線”，嚴(yán)格實行用水總量控制;二是明確水功能區(qū)限制納污“紅線”，嚴(yán)格控制入河排污總量;三是明確用水效率控制“紅線”，堅決遏制用水浪費。

按照三條“紅線”的要求，根據(jù)河流水能區(qū)水體納污能力分析計算，提出限制入河排污總量意見，為水資源統(tǒng)一管理和保護、防治水污染的宏觀決策和水環(huán)境綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 有關(guān)概念

水環(huán)境承載能力指的是在一定的水域，其水體能夠被繼續(xù)使用并仍保持良好生態(tài)系統(tǒng)時，所能夠容納污水及污染物的最大能力。

水域納污能力指在設(shè)計水文條件下，某種污染物滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)要求所能容納的該污染物的最大數(shù)量。

污染物排放限制量即污染物排放控制量，是指為保證功能區(qū)水質(zhì)符合水域功能要求，根據(jù)陸域污染源污染物排放量和入河量之間的輸入響應(yīng)關(guān)系，由功能區(qū)污染物入河控制量所推出的功能區(qū)相應(yīng)陸域污染源的污染物排放最大數(shù)量。

限制排污總量指的是排污單位污染物排放總量的限制值，它是一個量值的總和，排污單位可以理解為一個企業(yè)、一個排污口甚至按不同方式匯總時可以是一個功能區(qū)、一段河流或一個行政區(qū)。

2 水功能區(qū)納污能力計算

2.1 不同功能區(qū)納污能力確定原則

由于不同水功能區(qū)功能對水質(zhì)的要求不同，功能區(qū)的水質(zhì)現(xiàn)狀和功能區(qū)水質(zhì)保護的要求不同，功能區(qū)納污能力確定的方法也不同。各類功能區(qū)納污能力確定方法如下:

2.1.1 保護區(qū)和保留區(qū)

納污能力:保護區(qū)和保留區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)原則上是維持現(xiàn)狀水質(zhì)不變。在設(shè)計流量(水量)不變的情況下，保護區(qū)和保留區(qū)的納污能力與其現(xiàn)狀污染負(fù)荷相同，可直接采用現(xiàn)狀入河污染物量代替其納污能力。對于需要改善水質(zhì)的保護區(qū)，則要求計算水功能區(qū)的納污能力，提出入河污染物量的削減量及污染源排放量的削減量。

2.1.2 緩沖區(qū)

納污能力:水質(zhì)較好，用水矛盾不突出的緩沖區(qū)，可采用保護區(qū)和保留區(qū)確定納污能力的計算方法確定其納污能力;水質(zhì)較差或存在用水水質(zhì)矛盾的緩沖區(qū)，也要求計算水功能區(qū)的納污能力，提出入河污染物的削減量和污染源排放量的削減量。

2.1.3 開發(fā)利用區(qū)

納污能力:開發(fā)利用區(qū)納污能力需根據(jù)各二級水功能區(qū)的設(shè)計條件和水質(zhì)目標(biāo)，選擇符合實際的數(shù)學(xué)模型進行計算。

概括起來說，確定水功能區(qū)納污能力方法分為兩類:一類是保護區(qū)、保留區(qū)和部分水質(zhì)較好、用水矛盾不突出的緩沖區(qū)，其水質(zhì)目標(biāo)原則上是維持現(xiàn)狀水質(zhì)，將功能區(qū)的現(xiàn)狀污染物入河量定為功能區(qū)的納污能力;另一類是所有的開發(fā)利用區(qū)和需要改善水質(zhì)的保護區(qū)、緩沖區(qū)，其納污能力均需根據(jù)各功能區(qū)的設(shè)計條件和水質(zhì)目標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)乃克|(zhì)模型進行計算得到。

水功能區(qū)納污能力與功能區(qū)水質(zhì)保護目標(biāo)、水體稀釋自凈規(guī)律、以及上游背景來水水質(zhì)狀況密切相關(guān)。而水體稀釋能力決定于水體水量，自凈能力則決定于污染物在水體中的衰減能力。

首先，明確功能區(qū)納污能力計算條件，包括COD和NH3－N兩項水質(zhì)指標(biāo)分別對應(yīng)于功能區(qū)水質(zhì)保護目標(biāo)的目標(biāo)濃度值CS;功能區(qū)設(shè)計水文條件(包括設(shè)計水量及其相應(yīng)設(shè)計流速)等。

其次，選擇適宜的水量水質(zhì)模型及其模型參數(shù)值，用來模擬污染物在水功能區(qū)段體內(nèi)的稀釋與自凈規(guī)律，

最后，利用數(shù)學(xué)模型，根據(jù)納污能力計算條件，進行水功能區(qū)納污能力計算。

2.2 水功能區(qū)納污能力計算

水功能區(qū)納污能力指對確定的水功能區(qū)，在滿足水域功能要求和水體自然凈化能力的前提下，按給定的水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)值、設(shè)計水量、排污口位置及排位方式，功能區(qū)水體所能容納的最大污染物量。

水功能區(qū)納污能力，是以功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)和水體稀釋自凈規(guī)律為依據(jù)的一切與功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)和水體稀釋自凈規(guī)律有關(guān)的因素，如水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、水體自然背景值、水量及水量隨時間的變化、水體的物理、化學(xué)、生物學(xué)及水力學(xué)特征，以及排污口的位置和方式等均能影響水功能區(qū)納污能力。水質(zhì)模型是這些因素相互關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式。因此，水功能區(qū)納污能力可以通過選擇適當(dāng)?shù)乃|(zhì)數(shù)學(xué)模型進行計算求的。

按照一定的水質(zhì)模型進行水功能區(qū)納污能力計算時，首先要進行納污能力設(shè)計條件的確定，這些設(shè)計條件包括:設(shè)計水文條件即斷面設(shè)計流量設(shè)計和斷面設(shè)計流速的確定、功能區(qū)水質(zhì)初始濃度值和水質(zhì)目標(biāo)濃度值、所選擇的水質(zhì)模型以及綜合衰減系數(shù)和其它參數(shù)等。

水功能區(qū)納污能力計算按水利部發(fā)布的《水域納污能力計算規(guī)程》(SL348－2006)進行。計算得出的水功能區(qū)納污能力成果填入附表12。

2.2.1 設(shè)計水文條件確定

水功能區(qū)納污能力計算的設(shè)計條件以計算斷面的設(shè)計流量(水量)表示。現(xiàn)狀條件下，一般采用最近10年最枯月平均流量(水量)或90%保證率最枯月平均流量(水量)作為設(shè)計流量(水量)。集中式飲用水水源區(qū)，采用95%保證率最枯月平均流量(水量)作為其設(shè)計流量(水量)?？筛鶕?jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整設(shè)計保證率，也可選取平偏枯典型年的枯水期流量作為設(shè)計流量。另外，還要計算90%保證率最豐月平均流量(水量)作為豐水期設(shè)計流量。

2.2.2 設(shè)計流量的計算

有水文長系列資料時，現(xiàn)狀設(shè)計流量的確定，選用設(shè)計保證率的最枯月平均流量，采用頻率計算法計算。無水文長系列資料時，可采用近10年系列資料中出現(xiàn)最小的最枯月平均流量作為設(shè)計流量。對于豐水期設(shè)計流量，可采用近10年最小的最豐月平均流量。無水文資料時，可采用內(nèi)插法、水量平衡法、類比法等方法推求設(shè)計流量。

湖(庫)的設(shè)計水量一般采用近10年最低月平均水位或90%保證率最枯月平均水位相應(yīng)的蓄水量?；蚋鶕?jù)湖(庫)水位資料，求出設(shè)計枯水位，其所對應(yīng)的湖泊(水庫)蓄水量即為湖(庫)設(shè)計水量。對水庫而言，也可用水庫正常水位的庫容蓄水量和死庫容的差值作為設(shè)計水量。

2.2.3 斷面設(shè)計流速確定

有資料時，可直接用公式計算

式中:V為設(shè)計流速;Q為設(shè)計流量;A為過水?dāng)嗝婷娣e。

無資料時，可采用經(jīng)驗公式計算斷面流速，也可通過實測確定。對實測流速要注意轉(zhuǎn)換為設(shè)計條件下的流速。

2.2.4 計算模型選擇

按水利部發(fā)布的《水域納污能力計算規(guī)程》(SL348－2006)河流納污能力數(shù)學(xué)模型計算法，采用數(shù)學(xué)模型計算河流水域納污能力，按計算河段多年平均流量Q將計算河段劃分為大型河段(Q≥150m3/s)、中型河段(15＜Q＜150m3/s)和小型河段(Q≤15m3/s);對于Q＜150m3/s的中小型河段，污染物在河段橫斷面上均勻混合，可采用河流一維模型計算水域納污能力。本次研究的河流均按上述原則選取，即采用河流一維模型。但在實際運用時需對采用的模型進行檢驗，模型參數(shù)可采用經(jīng)驗法和實驗法確定，成果需進行合理性分析。

1)一般中小型河流水功能區(qū)納污能力計算的一維模型

一維對流推移方程為

解得:

式中:Cx為控制斷面污染物濃度(mg/L);C0為起始斷面污染物濃度(mg/L);k為污染物綜合自凈系數(shù)(1/s)，k值一般以1/d表示，計算時應(yīng)換算成1/s;x為排污口下游斷面距控制斷面縱向距離(m);u為設(shè)計流量下岸邊污染帶的平均流速(m/s)。

相應(yīng)的水域納污能力按式計算:

式中:Q為初始斷面的入流流量(m3/s);Qp為廢污水排放流量(m3/s);其余符號同前。

當(dāng)入河排污口位于計算河段的中部時(即x=L/2)，水功能區(qū)下斷面的污染物濃度及其相應(yīng)的水域納污能力分別按下式計算。

式中:Qr為設(shè)計流量;M為污染物最大允許入河速率(g/s)，也就是功能區(qū)的納污能力。

2)均勻混合的湖(庫)納污能力計算的均勻混合模型

平衡時:

式中:C(t)為計算時段污染物濃度(mg/L);m為污染物入湖(庫)速率(g/s);m0=C0Q，為污染物湖(庫)現(xiàn)有污染物排放速率(g/s);Kh為中間變量(1/s);V為湖(庫)容積(m3);Q為入湖(庫)流量(m3/s);K為污染物綜合衰減系數(shù)(1/s);C0為湖(庫)現(xiàn)狀濃度;t為計算時段(s)。

3)非均勻混合湖(庫)納污能力計算的非均勻混合模型

式中:Cr為距排污口r處污染物濃度(mg/L);Cp為污染物排放濃度(mg/L);Qp為污水排放流量(m3/s);Φ為擴散角，由排放口附近地形決定。排污口在開闊的岸邊垂直排放時，Φ=π;排污口在湖(庫)中排放時，Φ=2π;H為擴散區(qū)湖(庫)平均水深(m);r為距排污口距離(m)。

4)具有富營養(yǎng)化趨勢的湖(庫)納污能力計算模型

可采用狄龍模型

式中:［P］為湖(庫)中氮、磷的平均濃度(mg/m3);Ip為年入湖(庫)的氮、磷量(mg/a);Lp為年入湖(庫)的氮、磷單位面積負(fù)荷(mg/m2·a);V為湖(庫)容積(m3);h為平均水深(m);r=Q/V(1/a);Q為湖(庫)年出流水量(m3/a);Rp為氮、磷在湖(庫)中的滯留系數(shù);qa和qi分別為年出流和入流的流量(m3/a);［P］a和［P］i分別為年出流和入流的氮、磷平均濃度(mg/m3)。

湖(庫)中氮、磷最大允許負(fù)荷量:

式中:［m］為氮、磷最大允許負(fù)荷量(mg/a);Ls為單位湖(庫)水面積，氮、磷最大允許負(fù)荷量(mg/m2a);A為湖(庫)水面積(m2);［P］s為湖(庫)中磷(氮)的年平均控制濃度(mg/m3)。

有富營養(yǎng)化趨勢湖(庫)的計算，也可根據(jù)情況選擇其他適用的數(shù)學(xué)模型。

2.2.5 初始濃度值Co的確定

根據(jù)上一個水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)值來確定Co，即上一個水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)值就是下一個功能區(qū)的初始濃度值Co。

2.2.6 水質(zhì)目標(biāo)Cs值的確定

水質(zhì)目標(biāo)Cs值為本功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)值。

2.2.7 綜合衰減系數(shù)的確定

為簡化計算，在水質(zhì)模型中，將污染物在水環(huán)境中的物理降解、化學(xué)降解和生物降解概化為綜合衰減系數(shù)。所確定的污染物綜合衰減系數(shù)應(yīng)進行檢驗。綜合衰減系數(shù)的確定方法如下。

1)分析借用

分析借用是將計算水域以前工作和研究中的有關(guān)資料，經(jīng)過分析檢驗后采用。無計算水域的資料時，可借用水力特性、污染狀況及地理、氣象條件相似的鄰近河流的資料。

對于以前在環(huán)境評價、環(huán)保規(guī)劃、環(huán)?？蒲械裙ぷ髦锌晒├玫挠嘘P(guān)資料經(jīng)過分析檢驗后采用。無資料時，可借用水力特性、污染狀況、及地理、氣象條件相似的鄰近河流的資料。

2)實測法

實測法是選取一個順直、水流穩(wěn)定、無支流匯入、無入河排污口的河段，分別在河段上游(A點)和下游(B點)布設(shè)采樣點，監(jiān)測污染物濃度值，并同時測驗水文參數(shù)以確定斷面平均流速。

綜合降解系數(shù)(K)按下式計算:

式中:C1為河段上斷面(A點)污染物濃度(mg/L);

C2為河段下斷面(B點)污染物濃度(mg/L);

V為河段平均流速(km/d);

X為上、下斷面距離(km)。

對于湖庫:選取一個排污口，在距排污口一定距離處分別布設(shè)2個采樣點(近距離處:A點，遠距離處:B點)，監(jiān)測污染物濃度值，并同時監(jiān)測污水排放流量。布設(shè)采樣點時應(yīng)注意:采樣點附近只能有一個排污口，且附近無河流匯入，近距離采樣點不宜離排污口過近以免所采水樣不具備代表性;遠距離采樣點也不宜離排污口過遠，以免超出排污口影響區(qū)。

綜合衰減系數(shù)(K)用實測數(shù)據(jù)進行估值:

式中:rA、rB分別為為遠近兩測點距排放點的距離(m)。

用實測法測定綜合衰減系數(shù)直觀可行，但誤差較大，應(yīng)監(jiān)測多組數(shù)據(jù)取其平均值(需擬定K值測定實施方案)。

3)經(jīng)驗公式法

可采用懷特經(jīng)驗公式，按下式計算:

式中，P為河床濕周，m。

綜合衰減系數(shù)的確定應(yīng)根據(jù)資料條件通過綜合分析，選擇合適的K值，在采用分析借用和采用經(jīng)驗公式計算時，應(yīng)注意K值的適用性，重要的是用實測值進行檢驗，采用較合理的數(shù)值。

2.2.8 納污能力計算的合理性分析與檢驗

納污能力計算的合理性分析與檢驗應(yīng)包括基本資料的合理性分析、計算條件簡化和假定條件的合理性分析、模型與參數(shù)的合理性分析與檢驗、水功能區(qū)水質(zhì)狀況以及納污能力計算成果的合理性分析與檢驗。

對單項數(shù)據(jù)的合理性分析檢驗至少應(yīng)用兩種不同方法對數(shù)據(jù)相互驗證，兩種方法所得結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)，方可認(rèn)為該數(shù)據(jù)是合理的。

分析判斷是根據(jù)水域的相互關(guān)系對數(shù)據(jù)進行綜合分析，從數(shù)據(jù)的橫向聯(lián)系上，將水功能區(qū)的納污能力與其上下游或條件相似的水功能區(qū)水域納污能力分析比較，檢驗其合理性。也可與條件相似的一個水系或一個流域的水域納污能力的計算成果比較，檢驗其合理性。

此外，在進行水功能區(qū)納污能力計算合理性檢驗時，還要特別注意檢查數(shù)學(xué)模型運算過程的正確性，公式的變化是否正確，計量單位的轉(zhuǎn)換，參數(shù)的取值及輸入等都會影響計算結(jié)果，納污能力是制定污染物控制量和消減量的基礎(chǔ)，因此必須對納污能力計算結(jié)果進行驗算，保證其正確性和合理性。

3 入河污染物總量控制

3.1 總量控制的意義

水功能區(qū)管理的依據(jù)是功能區(qū)的納污能力和據(jù)此提出的污染物入河控制量和入河消減量。

污染物排放總量控制是根據(jù)受納水體的納污能力，將污染源的排放數(shù)量控制在水體所能承受的范圍之內(nèi)，以限制排污單位的污染物排放總量，它是環(huán)境管理的一種新方法，也是功能區(qū)水質(zhì)管理的依據(jù)基礎(chǔ)。

研究水功能區(qū)納污能力，建立功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)與排放源的輸入響應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，將功能區(qū)污染物入河量分配到相關(guān)陸域各排放源，是污染物排放總量控制的重要環(huán)節(jié)，也是總量控制中的技術(shù)關(guān)鍵問題。只有了解和掌握水域污染物控制量和消減量，才能達到有效控制水污染的目的。因此，制定污染物入河控制量和入河消減量方案是實施限制排污總量控制即污染物排放總量控制的前提，對于控制水環(huán)境污染，改善和提高水環(huán)境質(zhì)量具有重大的意義。

3.2 污染物入河控制量和消減量

根據(jù)本細(xì)則制定限制排污總量需對有關(guān)概念統(tǒng)一界定。

3.2.1 污染物入河控制量

根據(jù)水功能區(qū)的納污能力和污染物入河量，綜合考慮功能區(qū)水質(zhì)狀況、當(dāng)?shù)丶夹g(shù)經(jīng)濟條件和經(jīng)濟社會發(fā)展，確定污染物進入水功能區(qū)的最大數(shù)量，稱為污染物入河控制量。不同功能區(qū)入河控制量按不同的方法分別確定。

3.2.2 污染物入河消減量

水功能區(qū)的污染物入河量與其入河控制量相比較，如果污染物入河量超過入河控制量，其差值即為該功能區(qū)的污染物入河消減量。

3.2.3 入河控制量具體要求

依據(jù)，只反映水功能區(qū)納污能力和現(xiàn)狀入河量之間存在的差距。

污染物入河控制量和消減量的制定，是根據(jù)全國水資源保護規(guī)劃中的有關(guān)規(guī)定:即2010年，60%的城鎮(zhèn)生活污水應(yīng)達標(biāo)排放;飲用水源區(qū)、省界水體及重要水功能區(qū)基本達標(biāo)。

(1)若基準(zhǔn)年入河量小于納污能力，則入河量作為其入河控制量。

(2)若入河量大于納污能力，則入河量應(yīng)削減，相對于納污能力入河削減量在20%以內(nèi)即可達到功能區(qū)要求的，則入河控制量即等于其納污能力;這些功能區(qū)也是2010年應(yīng)達標(biāo)的功能區(qū)。

(3)若入河量大于納污能力，且相對納污能力入河削減量在20%以上仍不能達到功能區(qū)要求的，但對于流域內(nèi)的飲用水源區(qū)、省界水體等重要功能區(qū)，無論消減量多大，都應(yīng)在2010年達到水質(zhì)目標(biāo)要求，即以納污能力作為其入河控制量。對于其他功能區(qū)應(yīng)按以下情況確定入河控制量:

A、對于污染嚴(yán)重的功能區(qū)，入河削減量應(yīng)在30%以上。

B、其他功能區(qū)的入河削減量應(yīng)在20～30%之間。

3.3 入河控制量、消減量推導(dǎo)

根據(jù)基準(zhǔn)年2010年的污染物入河量和現(xiàn)狀設(shè)計水量下的功能區(qū)納污能力，即可制定功能區(qū)的現(xiàn)狀入河控制量和消減量，由于各功能區(qū)的污染物入河量資料存在完整、確切上的差異，制定功能區(qū)的現(xiàn)狀入河控制量和消減量時，可根據(jù)資料的詳細(xì)和完整程度，分別處理。將各水平年水功能區(qū)的入河污染物量與相應(yīng)的納污能力進行比較，當(dāng)入河污染物量大于納污能力時，應(yīng)計算入河污染物削減量;當(dāng)入河排污量小于納污能力時，則根據(jù)納污能力和入河污染物排放量，擬定入河污染物控制量，污染物入河控制量和入河消減量應(yīng)對應(yīng)到相應(yīng)的水功能區(qū)。

現(xiàn)狀年不同水功能區(qū)和分配到排污口以及以行政區(qū)為單元統(tǒng)計的污染物入河控制量和削減量成果填入附表13—附表15中。

污染嚴(yán)重的小支流，可按排污口處理。不宜作為排污口處理的支流，可將水功能區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)作為支流控制斷面的水質(zhì)目標(biāo)，根據(jù)支流的具體情況，計算支流的污染物控制量和削減量。

3.4 限排量合理性檢驗

計算出污染物入河控制量和入河消減量后，為了保證污染物控制量和消減量制定過程的質(zhì)量，使各功能區(qū)制定的限制排污量和消減量科學(xué)合理、符合實際，具有可操作性，能真正作為污染源、排污口限制排污的管理依據(jù)，必須對污染物控制量和消減量制定全過程實施全面質(zhì)量控制，進行合理性檢驗，只有經(jīng)過合理性檢驗的結(jié)果才能作為限制排污的指導(dǎo)結(jié)果。

全面質(zhì)量控制的單項合理性核定與綜合分析，包括以下內(nèi)容:

水質(zhì)目標(biāo)合理性檢驗;納污能力包括水質(zhì)模型和模型參數(shù)的合理性檢驗;功能區(qū)污染物入河量合理性檢驗;根據(jù)上述數(shù)據(jù)的相互關(guān)系進行綜合分析，從橫向聯(lián)系上核定數(shù)據(jù)的合理性。

單項合理性核定，要求至少用兩種方法對數(shù)據(jù)互相驗證，兩種方法所得數(shù)據(jù)間的誤差在允許范圍內(nèi)方認(rèn)為該數(shù)據(jù)是合理的。

利用相互關(guān)系進行綜合分析，要求將同一個功能區(qū)的所有數(shù)據(jù)放在一起比較和分析，并與其上、下、左、右的功能區(qū)數(shù)據(jù)進行比較分析，最后劃歸到整條河流分析，如果存在矛盾，尋找原因，進行調(diào)整。