張萬順，唐紫晗，王艷茹，徐德強

（1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.宜興市水文水資源監(jiān)測中心，江蘇 宜興 214200）

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟社會高速發(fā)展下的一些不合理的經(jīng)濟社會活動的出現(xiàn)，以及氣候變化等原因共同導(dǎo)致水生態(tài)環(huán)境惡化嚴重，成為制約經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重大瓶頸。實施流域污染物總量控制制度、建立污染物總量分配技術(shù)，使流域內(nèi)污染物排放量處于流域水生態(tài)承載能力范圍內(nèi)，這才能有效抑制流域水污染惡化趨勢。對此本文提出了太湖流域典型區(qū)域污染物總量分配技術(shù)，可為流域水環(huán)境管理提供技術(shù)支撐，為遏制流域水環(huán)境繼續(xù)惡化，保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展政策的實施提供參考。

國外對總量控制的研究較早，一般將水環(huán)境容量的計算和負荷分配在同一過程中進行，多采用隨機理論和系統(tǒng)化結(jié)合的方法研究。Fujiwara等［1］基于概率約束模型，計算了水環(huán)境容量，并將允許排放的污染物總量進行了分配；Loucks［2］等將流量等參數(shù)作為確定性變量處理進行水環(huán)境容量的研究；Donald等［3-4］依據(jù)概率約束條件，運用優(yōu)化模型研究了這一問題。我國的總量控制研究主要圍繞總量分配原則和分配方法展開，蘇惠波［5］采用前蘇聯(lián)稀釋倍數(shù)法改進后的數(shù)學(xué)模型對排污總量進行分配；包存寬等［6］提出根據(jù)污染源對河流控制斷面水質(zhì)影響系數(shù)確定各污染源允許排放量的方法；胡康萍等［7］以區(qū)域水體功能區(qū)劃分、水環(huán)境容量計算和區(qū)域水資源水環(huán)境規(guī)劃作為基礎(chǔ)，提出了3種可行的分配方法，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；李開明等［8-9］在多河段水質(zhì)規(guī)劃中，運用最優(yōu)化原理建立了區(qū)域水環(huán)境容量優(yōu)化分配模型。由于太湖流域河網(wǎng)水系復(fù)雜，河道流向不穩(wěn)，沒有明顯上下游邊界，加之閘站眾多使水流受人為控制影響明顯的特點，上述模型難以描述太湖流域污染物遷移轉(zhuǎn)化機理以及污染特性，不適用于太湖流域典型區(qū)域污染物總量研究。

本文利用流域水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，計算出控制單元各排污口的貢獻率，從而利用貢獻率矩陣得到了長系列設(shè)計水文條件下滿足功能區(qū)水質(zhì)目標的各控制單元的動態(tài)水環(huán)境容量，基于水生態(tài)承載力權(quán)重，考慮社會、經(jīng)濟因素，得到多目標優(yōu)化條件下的各控制單元的水污染物允許排放量和削減比例。以太湖流域典型區(qū)域為例，針對太湖流域典型區(qū)域水文水質(zhì)和污染源特點，考慮典型區(qū)域內(nèi)的社會、經(jīng)濟、生態(tài)等要素，實現(xiàn)了太湖流域典型區(qū)域污染物總量分配。

2 流域水污染物總量分配技術(shù)方法研究

2.1 流域水污染物總量分配準則、方法和思路 利用貢獻率模型得出的貢獻率系數(shù)，構(gòu)建出各控制單元的動態(tài)TMDL模型，通過計算各控制單元的TMDL，以其作為各控制單元的初始分配?？紤]各控制單元的經(jīng)濟技術(shù)水平、水生態(tài)承載力現(xiàn)狀、社會人口規(guī)模等區(qū)域差異，構(gòu)建出多目標優(yōu)化模型，按照公平性原則、服從總目標原則、突出重點與區(qū)別對待原則、動態(tài)性原則實現(xiàn)污染負荷的優(yōu)化分配?；舅悸啡缦拢海?）針對水環(huán)境特點，構(gòu)建流域水環(huán)境數(shù)學(xué)模型，求出各排污口污染貢獻率，引入貢獻率系數(shù)，構(gòu)建控制單元動態(tài)TMDL模型，進而求出各控制單元TMDL。按照貢獻率，對流域污染物總量進行初始分配；（2）考慮社會、經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境等因素，建立多目標優(yōu)化模型；（3）求解多目標優(yōu)化模型，得到控制單元在滿足多目標前提下的允許排放量和削減比例。

2.2 流域允許排放水污染物總量計算

2.2.1 貢獻率模型 利用水污染物排放的水質(zhì)響應(yīng)具有可疊加的特性，采用線性規(guī)劃方法，通過流域水質(zhì)模型，計算出每個排污口的貢獻率系數(shù)。

初始賦予控制單元的某一排污口1個單位的負荷量，其他排污口排出負荷量為零，利用模型計算出最終的濃度分布，確定出各個水質(zhì)控制點的濃度值。改變初始排污口，重復(fù)以上步驟，即可得出每個排污口的貢獻率系數(shù)Sci。貢獻率模型的方程如下：

（1）連續(xù)性方程

動量方程

（2）污染物對流擴散方程

（3）節(jié)點的連續(xù)性方程：

（4）初值條件

（5）邊值條件

（6）排污條件

式中：Q為河道的流量；x為距離（沿河道水流方向的長度）；A為過水面積；t為時間；q為側(cè)流匯入流量；u為x方向的流速；g為重力加速度；z為水位；R為水力半徑；Sci為各排污口的第i個污染物的貢獻率；As、Cs是污染物輸移的源漏項。

2.2.2 控制單元TMDL模型 基于上述模型得到的貢獻率，構(gòu)建出貢獻率矩陣，以各控制單元水質(zhì)目標作為限制條件，在各排污口滿足污染物濃度排放標準和各控制斷面污染物濃度滿足功能區(qū)水質(zhì)目標的前提下，以各排污口的污染負荷排放量之和最大為目標，構(gòu)建TMDL模型，進而可以求出各控制單元的動態(tài)TMDL。

控制單元TMDL模型基本方程如下：

目標函數(shù)

約束條件

式中：l為水質(zhì)控制斷面編號；m為水質(zhì)控制斷面數(shù)目；j為排污口編號，n為排污口數(shù)目；i為污染物種類；xj為第j個排污口每天的負荷量；L為控制單元的TMDL；cjil為第j個排污口的單位負荷量對第i種污染物的第l個控制斷面的污染貢獻度系數(shù)；c0il為第i種污染物在第l個控制斷面的背景濃度，cbil為水質(zhì)控制斷面的環(huán)境標準值。

2.3 流域水污染物多目標優(yōu)化總量次級分配方法 在各控制單元水污染物初始分配的基礎(chǔ)上，當前以及規(guī)劃中的經(jīng)濟發(fā)展速度和規(guī)模的條件下，按照公平性原則、服從總目標原則、突出重點與區(qū)別對待原則、動態(tài)性原則，考慮社會、經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境等因素，基于各控制單元水生態(tài)承載力，建立并求解多目標優(yōu)化模型，對初始分配方案進行調(diào)整，最終得到流域內(nèi)各控制單元優(yōu)化分配的污染排放量。該多目標優(yōu)化模型的目標及約束條件為：（1）經(jīng)濟效益目標：各控制單元環(huán)境容量的分配使得區(qū)域經(jīng)濟總量最大。約束條件：為了保證經(jīng)濟增長，確定的各控制單元環(huán)境容量下的區(qū)域經(jīng)濟總量不低于規(guī)劃的經(jīng)濟總量。（2）環(huán)境目標：各排污口的污染負荷排放量之和最大。約束條件：選定的水質(zhì)控制點的污染物濃度不超過其各自對應(yīng)的功能區(qū)水質(zhì)目標，流域內(nèi)各控制單元分配的污染物總量之和不得超過整個流域總環(huán)境容量。（3）污染物治理費用目標：河流污染物治理費用最小。約束條件：河流污染物治理費用應(yīng)小于基準年的環(huán)境治理投資費用和地區(qū)生產(chǎn)總值限值。

3 流域污染物總量分配示范區(qū)研究

3.1 區(qū)域概況 本文選擇的太湖流域典型區(qū)域為太湖湖西區(qū)的滆湖小流域，包括常州市和宜興市的30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。該區(qū)域有以下特征：（1）河網(wǎng)及水動力學(xué)特征復(fù)雜。研究區(qū)域內(nèi)河流縱橫，湖泊密布，河流密度約2.27km/km2，水域面積占總面積的22.3%，部分河道流向不穩(wěn)，常有滯流、倒流現(xiàn)象，整體河道流速低、流量小。研究區(qū)域內(nèi)水系分布情況見圖1。（2）水環(huán)境受人為干擾大。研究區(qū)內(nèi)有大量圩區(qū)，閘站眾多，河流水文條件受人為影響大，同時因漁業(yè)圍墾使得湖岸線不斷萎縮，湖濱防護帶不斷削弱，水生生物數(shù)量減少，水生態(tài)環(huán)境壓力大。（3）湖泊及河流沿岸排污口分布密集。區(qū)內(nèi)工業(yè)發(fā)達，化工、紡織、印染、黑色冶金等行業(yè)排污口污染物不達標排放較嚴重，對水環(huán)境造成了巨大的污染。研究區(qū)域內(nèi)主要污染源和排污口分布情況見圖2。（4）大規(guī)模水產(chǎn)及畜禽養(yǎng)殖加劇了水體污染。太湖地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)大規(guī)模發(fā)展，部分養(yǎng)殖戶在湖泊內(nèi)發(fā)展圍網(wǎng)養(yǎng)殖以最大限度擴大養(yǎng)殖面積，養(yǎng)殖過程中大量餌料的投入，使得水體有機質(zhì)含量加大，湖泊富營養(yǎng)化進程加快。同時研究區(qū)內(nèi)較多的集中畜禽飼養(yǎng)場傍河湖而建，廢棄物未經(jīng)任何處理直接排放，導(dǎo)致水環(huán)境進一步惡化。

3.2 功能分區(qū)分期目標及水文條件

3.2.1 流域水功能區(qū)劃 該區(qū)域2010年以及2020年的水功能區(qū)劃分見圖3、圖4。

3.2.2 設(shè)計水文條件 水環(huán)境容量計算選擇COD、氨氮作為水質(zhì)指標，采用2007年、2008年、2009年連續(xù)3年的流量的平均值作為設(shè)計流量。

3.3 控制單元TMDL 利用貢獻率模型和控制單元TMDL模型，以各控制單元的功能區(qū)水質(zhì)為目標，首先計算出各個入河排污口的TMDL，再將控制單元內(nèi)的排污口進行統(tǒng)計，累加計算出太湖流域典型區(qū)域各控制單元的TMDL，并以各控制單元的TMDL為基礎(chǔ)，進行典型區(qū)域水污染物總量的初始分配。本文各控制單元TMDL計算結(jié)果如下表1所示。

從表中可以看出：和橋、前黃、徐舍、雪堰等控制單元COD水環(huán)境容量較大，分別為：9158.77kg/d、8851.31kg/d、6564.67kg/d、6877.38kg/d，氨氮水環(huán)境容量為：836.83kg/d、697.56kg/d、276.59kg/d、318.12kg/d。牛塘、奔牛、鐘樓區(qū)等水環(huán)境容量較小，COD分別為：121.70kg/d、235.69kg/d、276.24 kg/d，氨氮為：10.57kg/d、38.80kg/d、46.66kg/d。

表1 研究區(qū)域水環(huán)境容量計算成果表

3.4 流域水污染物總量優(yōu)化分配成果 本文在各控制單元水污染物初始分配的基礎(chǔ)上，基于水生態(tài)承載力，考慮社會、經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境等因素，按照公平性原則、服從總目標原則、突出重點與區(qū)別對待原則、動態(tài)性原則，建立并求解多目標優(yōu)化模型，對分配方案進行調(diào)整，得到整個太湖典型流域的各單元分配的污染排放量，并將其與COD和氨氮的現(xiàn)狀排放量進行對比，確定太湖典型流域各個控制單元的削減比例。

各控制單元COD和氨氮現(xiàn)狀排放量與分配后的環(huán)境容量如圖5所示。

COD分配后結(jié)果顯示：芳橋現(xiàn)狀排放量等于分配的允許排放量，不需削減污染物排放量；奔牛、嘉澤、李嘉、牛塘、陽山、鄒區(qū)現(xiàn)狀排放量較分配后的允許排放量小，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上可增加水污染物排放量；其余各鎮(zhèn)現(xiàn)狀水污染物排放量均大于分配后允許的排放量，需削減水污染物排放量，其中徐舍、雪堰需削減水污染排放量最高，現(xiàn)狀排放量分別為12156.80kg/d，12735kg/d，分配后的排放量為3539.62kg/d，3924.39kg/d，削減比例分別高達70.9%和69.2%。

氨氮分配結(jié)果顯示：李嘉和牛塘兩鎮(zhèn)現(xiàn)狀排放量略小于分配后的允許排放量，可適當增加水污染物排放量，其余各鎮(zhèn)現(xiàn)狀排放量均大于分配后的允許排放量，芳莊和官林兩鎮(zhèn)需削減的污染排放量最高，現(xiàn)狀排放量分別為632.26kg/d，1252.98kg/d，分配后的允許排放量分別為176.86kg/d，426.98kg/d，削減比例高達63.9%和66.0%。

由以上結(jié)果分析可知：除少數(shù)地區(qū)污染物現(xiàn)狀排放量等于或小于分配的允許排放量外，大多數(shù)地區(qū)污染物現(xiàn)狀排放量均大于分配的允許排放量，需削減水污染物排放量。

4 結(jié)論

通過建立的流域水污染物總量計算技術(shù)方法，提出了“流域生態(tài)功能分區(qū)（分類）、流域控制單元分區(qū)（分區(qū)）、不同水期（分期）、不同水質(zhì)目標（分級）”的控制單元——貢獻率——水生態(tài)承載力——社會經(jīng)濟最大——總量分配最優(yōu)等多目標優(yōu)化為前提的流域?qū)哟蔚呐盼劭偭糠峙涞臏蕜t和技術(shù)方法，將其運用于太湖流域典型區(qū)域，在確定流域允許排放水污染物總量目標的基礎(chǔ)上，按照公平性原則、服從總目標原則、突出重點與區(qū)別對待原則及動態(tài)性原則，通過多目標優(yōu)化模型，確定太湖流域典型區(qū)域各控制單元污染物運行排放量為實現(xiàn)太湖典型區(qū)域污染物總量控制提供依據(jù)。

［1］Fujiwara O，Gnanendran S K，Ohgaki S.River quality management under stochastic stream-flow［J］.Journal of Environmental Engineering，1986，112（2）：185-198 .

［2］Loucks D P，Re Velle C S，Lynn W R.Linear Programming Model for Water Pollution Control［J］.Management Science，1967，14（4）：B166-B181.

［3］Donald H B，Edward A M.Optimization modeling of water quality in an uncertain environment［J］.Water Re?sources Research，1985，21（7）：934-940 .

［4］Donald H B，Barbara J L.Comparison of optimization formulations for waste-load allocations［J］.Journal of Envi?ronmental Engineering，1992，118（4）：597-612 .

［5］蘇惠波.嫩江水污染物排放總量分配方法研究［J］.環(huán)境科學(xué)進展，1997，5（5）：70-74.

［6］包存寬，張敏，尚金城.流域水污染物排放總量控制研究［J］.地理科學(xué)，2000，20（1）：61-64.

［7］胡康萍，許振成.水體污染物允許排放總量分配方法研究［J］.中國環(huán)境科學(xué)，1991，11（6）：447-451.

［8］李開明，陳銑成.東莞運河水環(huán)境容量優(yōu)化研究［J］.環(huán)境科學(xué)研究，1991，4（5）：13-15.

［9］李開明，陳銑成，許振成.潮汐河網(wǎng)區(qū)水污染物總量控制及其分配方法［J］.環(huán)境科學(xué)研究，1990，3（6）：36-41.