雷 坤，孟 偉，喬 飛，富 國，蘇保林

（1.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境保護(hù)河口與海岸帶環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875）

1 前言

從20世紀(jì)70年代開始，我國相繼開展了大量關(guān)于水環(huán)境容量、水功能區(qū)劃、水質(zhì)模型、流域水污染防治綜合規(guī)劃以及排污許可證管理制度等方面的研究，同時將總量控制技術(shù)與水污染防治規(guī)劃相結(jié)合，逐步形成了以污染物目標(biāo)總量控制技術(shù)為主，容量總量控制和行業(yè)總量控制為輔的水質(zhì)管理技術(shù)體系，初步建立了我國水環(huán)境管理基本制度[1～3]?！熬盼濉?、“十五”期間，隨著污染物排放總量控制的理論及應(yīng)用技術(shù)不斷得到深化與拓展，我國污染控制由濃度控制進(jìn)入了總量控制階段[4]?！笆濉币詠恚覈捎昧四繕?biāo)總量控制體系，根據(jù)污染物現(xiàn)狀排放情況按照一定比例確定總量控制目標(biāo)，在管理上具有較強(qiáng)的可操作性，容易實(shí)施，在一定發(fā)展階段對我國的污染防治工作具有積極的作用[5]。目標(biāo)總量控制以行政區(qū)為單位，采用了“一刀切”的模式，減少了污染物排放量，一定程度上遏制了流域水質(zhì)惡化的趨勢。但是，由于污染物總量削減目標(biāo)的確定過程中沒有考慮污染物排放量和受納水體水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系，污染物削減與水質(zhì)改善相脫節(jié)，水質(zhì)改善效果不夠明顯[5]。

隨著水環(huán)境管理技術(shù)研究的不斷發(fā)展，發(fā)達(dá)國家提出很多先進(jìn)的總量控制模式，如日本的流域總量控制計(jì)劃、美國最大日負(fù)荷總量（TMDL）、歐盟的水框架指令等[6]。這些管理模式對總量控制過程中納污水體問題診斷、水質(zhì)指標(biāo)確定、污染控制措施的制定、實(shí)施和評估等每個技術(shù)細(xì)節(jié)都有詳細(xì)、具體的規(guī)定，保證了水環(huán)境管理效率[6]。相較而言，我國現(xiàn)行的目標(biāo)總量控制技術(shù)在方法科學(xué)性和總量合理性方面與國際先進(jìn)水平之間還存在一定差距，無法滿足當(dāng)前和未來水環(huán)境管理發(fā)展的需求，需要構(gòu)建新的水環(huán)境管理技術(shù)方法[6～12]。

控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理是在“分區(qū)、分類、分級、分期”的水環(huán)境管理理念的指導(dǎo)下，在“流域-區(qū)域-控制單元-污染源”水環(huán)境管理層次體系中，以流域總量控制為基礎(chǔ)、立足于控制單元、面向污染源的水質(zhì)管理方法[12]?？刂茊卧|(zhì)目標(biāo)管理，可以兼顧行政區(qū)劃和流域的特點(diǎn)，克服單一區(qū)域水質(zhì)管理的局限性，為污染治理提供具體的、具有可操作性的建議方案，并且可以根據(jù)需要對水環(huán)境管理目標(biāo)對象逐級細(xì)化，有利于考察水質(zhì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況和污染源的治理效果，是一種方便而直接的水環(huán)境管理技術(shù)，也是我國水環(huán)境管理發(fā)展的方向[13]。

2 控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)的內(nèi)涵與特征

2.1 控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)的內(nèi)涵

控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理是以實(shí)現(xiàn)人體健康和流域水生態(tài)系統(tǒng)健康為最終目的，以水質(zhì)目標(biāo)為基礎(chǔ)的水環(huán)境容量總量控制技術(shù)。控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理強(qiáng)調(diào)在“分區(qū)、分級、分類、分期”水環(huán)境管理模式指導(dǎo)下，以先進(jìn)的、規(guī)范的技術(shù)方法體系為支撐，建立一個“流域-控制區(qū)-控制單元-污染源”的多層次體系[6～12]。

2.2 控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)的基本特征

控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理以保障控制單元生態(tài)系統(tǒng)健康、維護(hù)水生態(tài)功能、降低水生態(tài)風(fēng)險為最終目的?；谖廴疚锃h(huán)境基準(zhǔn)研究、確定保證流域水生態(tài)系統(tǒng)健康的污染物濃度閾值，從而將水生態(tài)保護(hù)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為水質(zhì)目標(biāo)，將控制單元污染負(fù)荷削減和流域水質(zhì)與水生態(tài)安全結(jié)合起來。

控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理在流域總量控制的基礎(chǔ)上，著眼于全局，以流域的綜合水質(zhì)達(dá)標(biāo)為最終目標(biāo)，克服單一區(qū)域水質(zhì)管理的局限性。

控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理兼顧行政區(qū)劃和流域的特點(diǎn)，將水環(huán)境管理目標(biāo)對象逐級細(xì)化，并落實(shí)于行政單元上，有利于考察水質(zhì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況和污染源的治理效果，有利于考察控制單元主體的責(zé)任落實(shí)情況。

基于水環(huán)境問題和流域水質(zhì)目標(biāo)管理的復(fù)雜性和其內(nèi)在的層次性，控制單元將錯綜復(fù)雜的流域水環(huán)境系統(tǒng)按照某種特征（水污染特征、受納水體類型、污染源的類型、行政區(qū)域）分解為各具特色的子系統(tǒng)，逐一實(shí)現(xiàn)水質(zhì)目標(biāo)管理。

3 控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)

控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理主要包括以下關(guān)鍵技術(shù)：控制單元劃分；控制單元水質(zhì)目標(biāo)核定；控制單元水環(huán)境問題診斷；控制單元水質(zhì)響應(yīng)特征分析；控制單元允許納污量計(jì)算與總量分配；控制單元污染物減排方案制訂；控制單元污染物總量監(jiān)控與評估。

3.1 控制單元劃分

劃分控制單元的目的是將一個復(fù)雜的流域劃分為數(shù)個既相互獨(dú)立、又相互聯(lián)系的單元，從而便于進(jìn)行系統(tǒng)管理，落實(shí)流域水質(zhì)目標(biāo)管理的戰(zhàn)略意圖。通過控制單元劃分，可以深化和落實(shí)流域水質(zhì)目標(biāo)管理的控制要求，分解控制指標(biāo)，體現(xiàn)了流域水質(zhì)目標(biāo)管理的分層控制，層層落實(shí)、層層銜接，最終將流域水質(zhì)目標(biāo)管理落實(shí)于單元控制。

控制單元劃分步驟：a.依據(jù)數(shù)字高程模型（DEM）進(jìn)行流域地表水文分析，實(shí)現(xiàn)流域邊界識別與子流域劃分。b.分析干流各河段及子流域的水生態(tài)功能區(qū)劃（或水功能區(qū)），以及相應(yīng)水質(zhì)目標(biāo)、敏感生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，確定流域水質(zhì)目標(biāo)。c.對流域污染源的類型、分布、排放去向進(jìn)行分析，建立起流域點(diǎn)源、非點(diǎn)源分布及其與入河排污口、納污河流之間的拓?fù)潢P(guān)系。d.按照匯水區(qū)完整性的原則，沿著干流進(jìn)行河段劃分，將干流河段及其匯水區(qū)域劃分成為控制區(qū)。如果干流中存在水質(zhì)要求較高的高功能水體，可遵循優(yōu)先保護(hù)高功能水體的原則，將高功能水體的上、下端界面作為劃分干流河段的控制斷面。同時，劃分過程中應(yīng)注意保持不同干流河段的界面水質(zhì)目標(biāo)的協(xié)調(diào)，從而保證兩個控制單元之間跨界斷面水質(zhì)目標(biāo)的協(xié)調(diào)性，使得兩個控制單元可獨(dú)立進(jìn)行污染控制規(guī)劃。

3.2 控制單元水質(zhì)目標(biāo)核定

控制單元水環(huán)境目標(biāo)的主要構(gòu)成因素及水環(huán)境規(guī)劃約束體系包括：a.地理約束：水環(huán)境功能區(qū)劃等區(qū)劃，形成空間約束；b.功能約束：功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，形成控制級別的約束；c.排污口約束：允許混合區(qū)限制，形成對排放量、排放濃度和排放位置的限制。

各類約束形成一個多約束關(guān)系系統(tǒng)，其中各方面最嚴(yán)格約束的組合作為對流域及區(qū)域最大允許納污量的限制。水質(zhì)目標(biāo)確定方法如下所示。

1）全部指標(biāo)達(dá)標(biāo)。當(dāng)某一功能區(qū)的功能很多，應(yīng)執(zhí)行功能區(qū)的最高功能。一般情況相當(dāng)于全部指標(biāo)均需滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)某一功能區(qū)的目前功能單一且較低，但水質(zhì)良好，為保持其潛在功能，現(xiàn)有水質(zhì)的各濃度指標(biāo)不得降低。

2）部分指標(biāo)達(dá)標(biāo)。當(dāng)某一功能區(qū)的功能單一，其中某類指標(biāo)超標(biāo)不影響本功能區(qū)的功能及下游功能區(qū)的功能時，不作為硬性的限制指標(biāo)（如農(nóng)業(yè)灌溉用水區(qū)對氨氮的限制較低）。

3.3 控制單元水環(huán)境問題診斷

控制單元水環(huán)境問題診斷主要包括水環(huán)境特征分析和污染源結(jié)構(gòu)分析。

3.3.1 水環(huán)境特征分析

水環(huán)境特征分析包括四部分內(nèi)容：水質(zhì)現(xiàn)狀評價及變化趨勢分析、水生生物評價、物理生境評價、綜合評價。

1）水質(zhì)現(xiàn)狀評價及變化趨勢分析：根據(jù)斷面水質(zhì)監(jiān)測成果進(jìn)行水質(zhì)現(xiàn)狀評價；針對重點(diǎn)斷面進(jìn)行水質(zhì)空間變化趨勢分析；針對特征污染物進(jìn)行污染類型變化趨勢分析。

2）水生生物評價：對浮游植物、浮游動物、底棲動物分別進(jìn)行多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)、豐富度分析，進(jìn)行生物完整性評價。

3）物理生境評價：利用河流穩(wěn)態(tài)流量和含沙量等指標(biāo)進(jìn)行水生生物個體、種群或者群落生存棲息環(huán)境評價。

4）綜合評價：將水質(zhì)、水生生物、物理生境評價結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化，并根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn)，對每項(xiàng)指標(biāo)賦權(quán)重，最后進(jìn)行加權(quán)求和，得到控制單元水環(huán)境綜合評價結(jié)果。

3.3.2 污染源結(jié)構(gòu)分析

控制單元污染負(fù)荷估算是控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理中的重要環(huán)節(jié)。點(diǎn)源排放負(fù)荷可以通過多種成熟的方法進(jìn)行定量化估算[14～16]，比如通過對排污企業(yè)的污水量和濃度監(jiān)測、企業(yè)生產(chǎn)工藝的物料衡算等方法來進(jìn)行定量化。控制單元非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算相對比較復(fù)雜[17～23]，考慮到不同類型下墊面非點(diǎn)源污染產(chǎn)生機(jī)制和特征存在差異，不同下墊面類型非點(diǎn)源負(fù)荷估算方法也存在較大差異。本文針對山區(qū)丘陵、平原河網(wǎng)、平原圩區(qū)、城市區(qū)域以及感潮河流/河口下墊面類型，分別提出非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算方法。

1）混合類型：改進(jìn)的輸出系數(shù)法，適應(yīng)于各類控制單元，時間精度相對較低。

2）山區(qū)和丘陵：過程模擬模型與類型源試驗(yàn)法相結(jié)合，適用于具有明確產(chǎn)匯流關(guān)系的控制單元。

3）平原河網(wǎng)：輸出系數(shù)法與類型源試驗(yàn)相結(jié)合，適用于匯水關(guān)系復(fù)雜的控制單元。

4）平原圩區(qū)：改進(jìn)的SWAT（soil and water asscssment tool）模型，適用于人類活動對排水過程影響較大的控制單元。

5）城市區(qū)域：SWMM（storm water management model）模型與城市徑流試驗(yàn)相結(jié)合，適用于排水管網(wǎng)復(fù)雜的城市控制單元。

3.4 污染負(fù)荷與水質(zhì)響應(yīng)特征分析

一般通過水質(zhì)模型模擬的手段建立污染負(fù)荷同水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系[24～26]，針對控制單元，水質(zhì)模型選擇和應(yīng)用可遵循以下步驟。

1）確定水質(zhì)模型類別。根據(jù)模型計(jì)算需求，確定水質(zhì)模型類別。a.流域模型：城市、農(nóng)村、森林、農(nóng)業(yè)；b.水體模型：河流、湖泊、水庫、近岸海域。

2）確定水質(zhì)模型空間尺度。根據(jù)模擬水域的空間分布特征和水質(zhì)分布特征，確定模型空間尺度。a.流域模型：集總式模型、分布式模型；b.水體模型：零維、一維模型、二維模型、三維模型。

3）確定水質(zhì)模擬的時間尺度。根據(jù)水環(huán)境問題確定模型時間尺度。a.流域模型：過程模擬（小時、日、月、年）、統(tǒng)計(jì)分析；b.水體模型：穩(wěn)態(tài)、動態(tài)、準(zhǔn)動態(tài)。

4）確定水質(zhì)模擬功能。根據(jù)實(shí)際需要，確定水質(zhì)模擬指標(biāo)和組份。a.流域模型：徑流、泥沙、好氧有機(jī)物、營養(yǎng)物、有毒物質(zhì)、重金屬、生化需氧量（BOD）、細(xì)菌；b.水體模型：水動力模擬、好氧有機(jī)物、沉積物、營養(yǎng)物、有毒物質(zhì)、重金屬、BOD、溶解氧、細(xì)菌。

5）確定水質(zhì)模型求解方法。根據(jù)實(shí)際需要，確定水體水質(zhì)模型求解方法。a.河流水質(zhì)模型：解析模型、數(shù)值模型；b.湖庫水質(zhì)模型：解析模型、數(shù)值模型。

6）水質(zhì)模型應(yīng)用。選擇適用的水質(zhì)模型，進(jìn)行模型率定、驗(yàn)證和應(yīng)用，進(jìn)行水質(zhì)響應(yīng)特征分析。

3.5 控制單元允許納污量計(jì)算與總量分配

控制單元允許納污量計(jì)算與污染物總量分配是控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理的核心所在[27～29]。如何科學(xué)、合理地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)源和面源之間的分配、各個排污單位或者污染源之間允許排放量的分配，直接關(guān)系到總量控制制度的落實(shí)，也是水環(huán)境管理中的一個難點(diǎn)。控制單元允許納污量計(jì)算與分配通過兩個步驟完成：排污口總量分配、污染源總量分配。

1）排污口總量分配。按照控制斷面水質(zhì)目標(biāo)要求，排污口位置等條件，選擇合適的規(guī)劃模型，將控制單元納污總量分配到各入河排污口，得到各入河排污口的允許納污量。

2）污染源總量分配。根據(jù)排污口的允許納污量，結(jié)合各排污區(qū)的污染源結(jié)構(gòu)、不同污染源的入河系數(shù)，對排污區(qū)內(nèi)不同污染源進(jìn)行允許排放量分配。

3.6 控制單元污染物減排方案制訂

針對控制單元的污染源結(jié)構(gòu)特征，通過結(jié)構(gòu)減排、工程減排、管理減排手段，實(shí)現(xiàn)污染負(fù)荷削減。

3.7 控制單元污染物總量監(jiān)控與評估

污染物總量監(jiān)控主要包括控制斷面污染物通量監(jiān)控、污染源排污口排放量監(jiān)控和污染源排放總量監(jiān)控3個方面[30]，其中河流控制斷面污染物通量監(jiān)控、污染源排污口排放量監(jiān)控均屬通量監(jiān)控的內(nèi)容。

1）污染物通量監(jiān)控。國際上常用的非感潮河流物質(zhì)通量估算方法有5種[31～33]，可以根據(jù)流域水文、污染負(fù)荷的具體情況選用適用的估算方法。

2）工業(yè)污染源監(jiān)控。污染源是總量分配的最后一個層次，是污染物削減的實(shí)施主體，對其有效監(jiān)控是評價總量控制實(shí)施情況的基礎(chǔ)。污染源的總量監(jiān)控方案包括污染源監(jiān)控對象的篩選、監(jiān)控指標(biāo)和監(jiān)控頻率的確定等方面。

4 遼河流域南沙河控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)應(yīng)用案例

4.1 控制單元基本概況

南沙河屬于遼河水系，是大遼河一級支流太子河的主要支流，每年的6—10月為汛期，11月至次年5月為非汛期。河流呈東南—西北走向，發(fā)源于千山風(fēng)景區(qū)仙人臺，流域面積458 km2，河長67 km，上游共6條支流，河寬一般為80～100 m。南沙河多年平均降水量為703.7 mm，降水量自東南向西北逐漸減少。

南沙河主要流經(jīng)鞍山市，流域內(nèi)主要包含鐵東、鐵西、立山、千山4個城區(qū)。區(qū)域內(nèi)人口約350.2萬人，年度地區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值1344億元，工業(yè)增加值533億元，工業(yè)增加值占地區(qū)生產(chǎn)總值的比例達(dá)51.6%，成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。鞍山市工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不盡合理，高耗能產(chǎn)業(yè)比重大，形成了重工業(yè)偏重，輕工業(yè)偏輕的態(tài)勢。農(nóng)業(yè)以谷物、玉米、蔬菜、瓜果類種植和魚類、蝦蟹類養(yǎng)殖為主。

4.2 控制單元水環(huán)境問題診斷

4.2.1 水環(huán)境特征

南沙河現(xiàn)狀水質(zhì)較差，均為劣Ⅴ類，主要污染物為氨氮、化學(xué)需氧量（COD）、BOD、高錳酸鹽指數(shù)等，為點(diǎn)源占優(yōu)型污染，枯水期污染物濃度高，豐水期污染物濃度較低。由于南沙河水體嚴(yán)重污染，使河流生態(tài)系統(tǒng)受損嚴(yán)重，生物多樣性顯著降低，生態(tài)修復(fù)難度較大。

4.2.2 污染源結(jié)構(gòu)

南沙河有3條支流，按照分水嶺隔離和行政區(qū)隔離的原則，將控制單元劃分為4個控制區(qū)，大孤山鎮(zhèn)為西支控制區(qū)，千山鎮(zhèn)為中支控制區(qū)，齊大山鎮(zhèn)為東支控制區(qū)，下游鞍山市區(qū)為干流控制區(qū)，南沙河控制區(qū)空間分布見圖1。

圖1 控制區(qū)劃分示意圖Fig.1 The map of pollution control zones in Nansha River

按照控制區(qū)對南沙河控制單元主要污染物進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計(jì)。COD的排放總量為17287.55 t，其中干流控制區(qū)對排放量的貢獻(xiàn)最大，占到總量的66.55%；其次為中支控制區(qū)，占到總量的17.84%。氨氮的排放總量為1775.80 t，其中干流控制區(qū)對排放量的貢獻(xiàn)最大，占到總量的78.12%；其次為中支控制區(qū)，占到總量的12.10%。干流控制區(qū)是南沙河控制單元污染防治的重點(diǎn)。

按照污染源類型對南沙河控制單元主要污染物進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計(jì)。城鎮(zhèn)生活污染源對污染物排放總量貢獻(xiàn)較大，其COD和氨氮的排放量分別占到總量的79.75%和96.03%；工業(yè)污染源的COD和氨氮的排放量分別占到總量的1.38%和1.66%；農(nóng)業(yè)污染源COD和氨氮的排放量分別占到總量的13.44%和2.10%；畜禽養(yǎng)殖污染源的COD和氨氮的排放量較低，分別占到總量的5.43%和0.21%。城鎮(zhèn)生活污染是南沙河控制單元最主要的污染來源，這與南沙河枯水期水質(zhì)較差的結(jié)論是一致的。

4.3 控制單元水質(zhì)目標(biāo)核定

從控制單元水環(huán)境問題診斷結(jié)果可以看出，南沙河主要污染因子是氨氮、COD等常規(guī)污染物。按照風(fēng)險控制要求，其允許平均期為30天。參照《鞍山市地表水功能區(qū)劃》水功能區(qū)設(shè)置情況（見圖2），確定水功能區(qū)水質(zhì)要求為控制斷面水質(zhì)目標(biāo)。

圖2 南沙河水功能區(qū)劃圖Fig.2 The map of water function zones in Nansha River

4.4 控制單元水質(zhì)響應(yīng)特征分析

4.4.1 模型選擇及參數(shù)確定

1）模型選擇。南沙河位于中國北方地區(qū)，流域面積較小，非汛期水體流動較穩(wěn)定。沿岸污染物排放隨時間變化較小，水體中的污染物濃度空間分布較為穩(wěn)定。同時，南沙河具有流量小、河道窄、水淺、單向流的特點(diǎn)，污染物入河后在短時間內(nèi)就可以混合均勻。綜合考慮，選用一維穩(wěn)態(tài)河流水質(zhì)模型，采用解析方法求解。

2）設(shè)計(jì)水文條件選擇。南沙河水環(huán)境的主要問題是耗氧有機(jī)物污染導(dǎo)致的生物損害，最主要的控制因子是COD和氨氮，按照水文條件設(shè)計(jì)的要求，明確允許平均期和重現(xiàn)期，選擇穩(wěn)態(tài)水文條件為30B3和30Q10。

3）水力學(xué)參數(shù)確定。根據(jù)3個水文站所在位置計(jì)算相應(yīng)河道斷面的一些參數(shù)，確定水位-流量，起點(diǎn)距-高程的對應(yīng)關(guān)系，利用河流水力學(xué)方程，計(jì)算主要控制斷面的水力學(xué)參數(shù)。利用河道水力關(guān)系和設(shè)計(jì)水文條件計(jì)算河道設(shè)計(jì)流速，千山水文站為2.31 m/s，立山水文站為0.07 m/s，溫泉水文站為0.37 m/s。

4）水質(zhì)參數(shù)確定。根據(jù)排污口位置和水功能區(qū)分布，與穩(wěn)態(tài)計(jì)算相結(jié)合，將南沙河劃分為5個污染源，9個控制斷面，最上游為千山水文站控制斷面，最下游為城昂堡控制斷面，見圖3。根據(jù)南沙河區(qū)間污染物排放和斷面水質(zhì)情況確定COD和氨氮的降解系數(shù)（1/d），COD降解系數(shù)從上游到下游分別為：0.2、0.2、0.15、0.15、0.18、0.18、0.1、0.1、0.1；氨氮降解系數(shù)為：0.18、0.18、0.1、0.1、0.15、0.15、0.05、0.05、0.05。

圖3 南沙河控制斷面分布圖Fig.3 The map of control sections in Nansha River

4.4.2 響應(yīng)系數(shù)計(jì)算

將降解系數(shù)帶入一維穩(wěn)態(tài)模型，計(jì)算設(shè)計(jì)水文條件下9個斷面水質(zhì)對5個污染源COD和氨氮負(fù)荷的響應(yīng)系數(shù)矩陣，控制斷面和污染源位置見圖3，9個斷面響應(yīng)系數(shù)矩陣見表1。

表1 控制斷面響應(yīng)系數(shù)矩陣Table 1 The response coefficient matrix of the control sections mg/L

4.5 控制單元總量分配方案

4.5.1 最大允許納污量

針對南沙河控制單元主要污染物（COD和氨氮）進(jìn)行總量分配，將南沙河沿岸排污口匯總為5個排放口進(jìn)行總量分配（見圖3）。利用響應(yīng)系數(shù)矩陣，考慮背景濃度，以納污量最大化為目標(biāo)函數(shù)，斷面水質(zhì)目標(biāo)為約束方程，建立線性規(guī)劃模型。求解得到COD的最大納污量為2634.20 t/a，氨氮的最大納污量為134.97 t/a。現(xiàn)狀南沙河控制單元COD的排放總量為17287.55 t/a，氨氮的排放總量為1775.80 t/a，如果不考慮入河系數(shù)作用，南沙河控制單元COD與氨氮的排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了最大納污量，超標(biāo)倍數(shù)分別為6.5倍和13.1倍，處于嚴(yán)重超載狀態(tài)，需要進(jìn)行污染物總量控制。

4.5.2 總量分配方案

1）排污口總量分配。根據(jù)南沙河控制單元實(shí)際情況，選取容量利用率、人口、耕地、GDP以及現(xiàn)狀負(fù)荷作為總量分配評價指標(biāo)。通過專家打分法，得到南沙河控制單元COD總量分配指標(biāo)權(quán)重系數(shù)分別為：環(huán)境容量利用率0.1，人口0.3，耕地0.2，GDP 0.3，現(xiàn)狀負(fù)荷0.1，以此為依據(jù)對南沙河控制單元COD進(jìn)行總量分配；氨氮的分配方法與COD相同，氨氮總量分配指標(biāo)權(quán)重系數(shù)為：環(huán)境容量利用率0.1，人口0.3，耕地0.3，GDP 0.2，現(xiàn)狀負(fù)荷0.1。

控制單元設(shè)置3種方案進(jìn)行總量分配比選。方案1：僅考慮簡單打分的權(quán)重系數(shù)參與總量分配；方案2：考慮到南沙河流域以點(diǎn)源污染為主，而城鎮(zhèn)居民生活污染是最主要的點(diǎn)源污染，所以方案2在與方案1和現(xiàn)狀排放比較的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對人口最多的源4進(jìn)行削減；方案3：在方案2的基礎(chǔ)上，考慮源1、源2由于流量小，下游水環(huán)境對這兩個污染源變化引起的反應(yīng)非常敏感，所以對源1和源2進(jìn)行進(jìn)一步削減。從3種分配方案對比來看，方案3考慮因素最多，TCRI（合理性指數(shù)）最大（TCRICOD=0.79、TCRI氨氮=0.90），環(huán)境容量利用率也最高（COD為94.8%，氨氮為83.8%），得到COD納污量為2497 t/a，氨氮納污量為112.9 t/a，總量分配結(jié)果見表2。

2）點(diǎn)源污染源入河系數(shù)。2010年，在2月、4月、6月、8月、9月對鞍山市25個排污口進(jìn)行水量、水質(zhì)監(jiān)測，得到各排污口的COD入河量。同時，根據(jù)各排污口以上區(qū)域COD、氨氮排放的普查數(shù)據(jù)，得到排污口以上區(qū)域COD、氨氮排放量，對兩者進(jìn)行比較，得到各個排污口以上點(diǎn)源COD入河系數(shù)為0.49、0.74、0.74、0.88、0.49，氨氮的入河系數(shù)為0.65、0.66、0.66、0.91、0.48。

3）點(diǎn)源污染源總量分配。根據(jù)排污口COD、氨氮允許納污量，結(jié)合各排污口入河系數(shù)，計(jì)算得到不同區(qū)域點(diǎn)源污染排放量。在此基礎(chǔ)上，按照現(xiàn)狀工業(yè)污染在點(diǎn)源污染負(fù)荷中的比例，計(jì)算工業(yè)COD、氨氮允許排放量，確定排污口以上區(qū)域企業(yè)和生活COD、氨氮排放量?？紤]到南沙河各排污區(qū)域面積不大，各區(qū)域內(nèi)企業(yè)分布較均勻，排放方式基本一致，每個排污區(qū)域內(nèi)污染源采用相同的入河系數(shù)，各污染源按照現(xiàn)狀排放量進(jìn)行等比例分配，得到控制單元內(nèi)工業(yè)COD、氨氮污染物允許排放量為202 t/a和9.7 t/a，生活COD、氨氮污染物允許排放量為740.3 t/a和215.3 t/a。詳見表3。

表2 南沙河排污口污染物分配方案Table 2 The pollutant allocation result for sewage outfall in Nansha River t/a

表3 點(diǎn)源污染物允許排放量Table 3 The pollutant allocation result for point sources in Nansha River t/a

4.6 控制單元污染減排方案

南沙河控制單元重點(diǎn)控制點(diǎn)源，點(diǎn)源中以控制生活污染為重點(diǎn)。實(shí)施大孤山、寧遠(yuǎn)、東臺、湯南、湯北、高西等10座污水處理廠建設(shè)；配合新區(qū)建設(shè)規(guī)劃實(shí)施牛莊鎮(zhèn)1座污水處理廠建設(shè)；提標(biāo)改造海城市城市污水處理廠及感王污水處理廠；加強(qiáng)中水回用，重點(diǎn)推進(jìn)達(dá)道灣、臺安縣污水處理廠和鞍鋼中水回用等5項(xiàng)工程；保障城市污水處理廠正常運(yùn)行，實(shí)施判甲爐、寧遠(yuǎn)、東臺、西部第二污水處理廠截流干管工程及市區(qū)老舊管網(wǎng)改造工程；對重點(diǎn)工業(yè)水污染源實(shí)施限期治理，重點(diǎn)實(shí)施遼寧仁泰公司等11家企業(yè)污水處理工程建設(shè)或升級改造。

實(shí)施各項(xiàng)工程后COD減排能力提高到35950t/a，氨氮減排能力提高到3280 t/a，能夠滿足污染物削減需求。

4.7 控制單元總量監(jiān)控方案

我國目前每月1次常規(guī)采樣的流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)來估計(jì)通量誤差存在著較大的誤差，約為40%左右。為提高南沙河控制單元污染物通量監(jiān)控的精度，可考慮將千山水文斷面水質(zhì)采樣的頻率提高到每月2次，這樣污染物入庫通量監(jiān)測的誤差可提高到20%左右。另外，由于該控制斷面以上區(qū)域以面源污染為主，也可考慮在汛期（6—10月份）加大水質(zhì)監(jiān)測頻率，如汛期每月采樣增加為3～4次，而非汛期可考慮仍然采用每月2次的監(jiān)測頻率。

5 結(jié)語

控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)是流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)體系中的一個重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)基于流域水生態(tài)功能分區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文在“流域-區(qū)域-控制單元-污染源”的體系下，遵循“分區(qū)、分類、分級、分期”的流域水環(huán)境管理思路，提出了面向控制單元的污染物總量控制技術(shù)體系。

通過控制單元劃分、控制單元水質(zhì)目標(biāo)核定、控制單元水環(huán)境問題診斷、控制單元水質(zhì)響應(yīng)特征分析、控制單元允許納污量計(jì)算與總量分配、控制單元污染物減排方案制訂，以及控制單元污染物總量監(jiān)控與評估7個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)將控制單元水質(zhì)管理目標(biāo)逐級細(xì)分至具體的控制對象，使得管理措施的針對性、科學(xué)性、操作性更強(qiáng)。

南沙河控制單元技術(shù)示范研究結(jié)果表明，控制單元水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)方法可以滿足我國當(dāng)前的管理需求，在現(xiàn)有技術(shù)水平上具有較強(qiáng)的操作性，能夠服務(wù)于流域水生態(tài)目標(biāo)管理工作。

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