TMDL计划在流域水污染物总量控制中的应用
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摘要：概述了美国环保局提出的最大日负荷量（tmdl）计划的概念、目标及具体实施步骤，其实践表明：TMDL计划对改善水质是行之有效的。讨论分析了与美国TMDL计划实施过程相比，我国污染物总量控制实施TMDL计划可能存在的问题。最后提出了以流域水生态健康为出发点，结合我国流域实际情况，重视非点源污染，开发简单、经济、实用的污染负荷估算模型，制订了适宜我国流域水污染物总量控制的TMDL计划，并结合其他污染控制措施，以最终实现流域水生态健康。
关键词：污染物；总量控制；TMDL计划
中图分类号：X321 文献标识码：A
1 引言
总量控制主要是从定量的角度，把水域看做一个整体，依据水体功能要求和污染源分布状况，预先算出达到该环境目标所允许排放的污染物最大排放量，然后通过优化计算，确定分配到各污染源的排放量及其削减量，并制定防治措施，以达到改善水质、满足水环境质量标准要求的目的[1]。目前的研究和应用领域，普遍把我国总量控制技术体系分为目标总量控制、容量总量控制和行业总量控制3种类型。
随着水环境污染加剧及人们对水质目标和水质管理要求的提高，我国水质管理逐步由浓度控制为主向实行总量控制转变。多年的实践证明，我国点源污染控制和管理体系已逐步完善，点源污染得到有效治理，虽然日趋严重的非点源污染研究还处在探索阶段，但总量控制的实施对控制污染物排放和改善水质是行之有效的。
国外多年的总量控制研究和实践表明，美国EPA最早提出的TMDL计划是国际上比较先进的水质管理措施，对点源和非点源的污染防治效果非常显著，对我国流域水污染物总量控制有较多值得借鉴之处。
2 TMDL计划
2.1 TMDL计划概述
美国EPA于1972年清洁水法中提出TMDL计划，是指“在满足水质标准的条件下，水体能够接受某种污染物的最大日负荷量，包括点源和非点源的污染负荷分配，同时要考虑安全临界值和季节性变化，从而采取适当的污染控制措施来保证目标水体达到相应的水质标准”[2]。 TMDL计划总目标是识别具体污染区和土地利用状况，并考虑这些具体区域点源和非点源的污染物浓度和数量提出控制措施，从而引导整个流域执行最好的流域管理规划[3]。经过20多年的改进和发展，美国的TMDL计划把水资源保护由单纯的污染源控制转变为依据生态功能和生态健康进行污染控制，逐步形成了一套完整的总量控制策略和技术方法体系。美国多个州在各自行政区域内实行了TMDL计划，而且每年批准或实施的TMDL计划都在增加，到2006年为止，其总数量已达22000多个。一些案例表明，TMDL计划对美国水体的水质改善效果十分明显。
我国已有学者对美国TMDL 计划进行了研究，邢乃春等人[4]介绍了TMDL计划的研究背景、发展进程及组成框架。杨龙等人[5]对美国TMDL计划的研究现状及发展趋势进行了系统介绍。叶兴平等人[6]总结分析了我国污染物总量控制制度存在的主要问题，介绍了美国TMDL计划的成功实施经验，并结合中国水环境管理现状，总结了中国实施TMDL计划的技术路线和需要解决的问题。还有一些对TMDL计划应用模型、TMDL不确定分析等内容的讨论与分析。TMDL计划研究在我国还处在起步阶段，需要结合水体实际情况进行总量控制，制订适宜的TMDL计划，从根本上改善水环境质量。
2.2 TMDL计划实施步骤
美国TMDL计划周期一般是3年，而我国总量控制以5年规划为周期，包括6个实施步骤。
2.2.1 水质问题识别
依据水环境功能区划，制定目标水体的水质评价标准；根据水体使用功能、污染控制指标及有关法规规定，选取水质评价因子；收集各类水质监测数据，评价水体目前水质状况，判断污染性质和程度。当发生水体污染或富营养化时，可以根据污染源排放状况、自然环境特征，识别出水体污染或富营养化的主要原因，从而识别出“问题水体”及主要控制因子。确定水质受限水体之后，根据水体污染程度、污染控制措施等因素，对“问题水体”进行排序。
2.2.2 制定水质指标及目标
根据水质问题的识别结果，选择一种或几种可定量化的指标作为水质指标，通常河流可选取CODcr 、NH3-N作为水质指标；湖泊的入湖口、湖区可选取CODcr 、NH3-N、TP、TN作为水质指标；若不存在定量化指标时，可以选择某些叙述性指标来反应水体受污染程度。根据水体受污染程度和水体功能要求，可以将水质目标值设置为一个或几个阶段，如近期指标、远期指标，或近期、中期、远期指标。
2.2.3 最大污染负荷的确定
（1）建立流域水质模型。建立流域水质模型，模拟流域非点源污染负荷并计算水环境容量。在GIS基础上，依据空间和属性数据，划分子流域，通过模型参数的敏感分析确定各流域水文水质敏感因子，再利用历史观测和现场实测水质水文数据进行模型参数校准和验证，从而建立流域水质模型系统。
（2）污染源调查与模拟。调查污染流域水体的点源和非点源，统计点源废水及主要污染物排放量、入河量；统计非点源主要污染物的产生量，采用经过模型参数率定和验证的非点源污染模型模拟非点源污染物入河量。
（3） 估算最大污染负荷量。通过合理设计水文条件，合理选取水环境容量计算模型和模型参数，根据水质目标值，计算出点源和非点源环境容量，转化成最大允许排放量，再计算出污染物削减量。
2.2.4 污染负荷分配
污染负荷分配是TMDL计划的关键步骤，应该科学合理公平地进行负荷分配。污染负荷分配是指在点源和非点源及各污染源之间进行的污染负荷分配，依据公式为：
TMDL=ΣWLAs+ΣLAs+MOS
式中，WLA是现存和未来点源可分配污染负荷量；LA是现存和未来非点源可分配污染负荷量；MOS是安全临界值（Margin of Safety，MOS），指污染负荷和受纳水体水质之间的不确定数量关系。
2.2.5 制定污染控制措施并实施
制定点源污染和非点源污染削减方案，并严格执行。对点源，可以增加点源污水处理设施、改良工艺技术等；对非点源，可以采用控制农业化肥的使用、对畜禽养殖废水进行处理、加大对城市径流污染的控制等措施。
2.2.6 后续监测和效果评估
通过实际的水质监测数据，对目标水体TMDL计划的实施效果进行评估，判断水体是否达到预期的水质目标值。若能够达到预期目标，可以继续实施TMDL水污染控制计划方案；若不能达到预期目标，就需要对先前实行的TMDL计划进行修改和调整。
3 实施TMDL计划的关键问题
我国水污染物总量控制与美国的TMDL计划模式在总体思路上是相似的，都是先制定水质目标值，再把能够达到目标值的污染物最大允许排放量进行分配。但是，美国TMDL计划中的某些方面在我国总量控制工作中可能考虑不够完全，如水质目标的确定、非点源污染控制、安全临界值的确定及模型选用等方面。
3. 1 水质目标的确定
美国的TMDL计划以恢复受污水体的指定用途为出发点，从水生态健康和水体使用功能的角度，在水体的营养物、沉积物、病原菌等方面都实施了TMDL计划，极大地改善了受污水体的水质。而我国水污染物总量控制基本目标是达到水环境功能区的水质标准，选取的水质指标单一，通常以COD、TP、TN为主。引起水体污染的因素多种多样，仅靠控制某种污染物或水质指标，不能满足水环境功能要求，也不能从根本上改善水质。
3.2 非点源污染控制
由于非点源污染随机性强、成因复杂、潜伏期长，所以非点源污染的控制极其困难。美国EPA 1972年颁布清洁水法，制定并实施了点源污染物排放控制措施，但是由于没有考虑非点源污染及多个点源在流域内的累积效应，导致大量水体无法满足相应的水体功能要求，才制订出TMDL计划。美国对非点源污染的研究已经有30年，随着TMDL计划的不断完善，点源和非点源污染都得到有效控制，水体水质改善效果十分明显。
而我国的水污染物总量控制基本是针对点源污染，随着点源污染的有效控制，非点源污染已经成为水体污染的重要污染源，不进行非点源污染控制就不能实现水体水质的根本改善。虽然我国已将非点源污染总量控制纳入流域水污染物总量控制计划，但非点源污染研究仍处在起步阶段。陈丁江等人[7]针对非点源污染为主的河流污染总量控制问题，提出适用于非点源污染河流的水环境容量和相应集水区内污染源排放削减量的分月估算方法，制定污染排放削减量分配方案，建立了非点源污染总量控制的方法体系；王少平等人[8]对苏州河通过模拟试验修正非点源模型，利用GIS技术建立非点源污染信息数据库，对苏州河进行网格和河网概化，以CODcr为控制因子，根据断面水环境目标，计算水环境容量，并确定削减量，最后提出非点源污染总量控制对策；另外，我国对非点源污染的模拟研究以国外常用模型为基础，根据不同的地理信息、水文信息、流域情况、污染特征等，选取适合研究区域的信息数据，不断地修正和验证模型。
3.3 不确定性分析
TMDL计划是一个连续渐进的过程，实施过程中的不确定性因素很多，各种不确定性是相互关联的，前一步骤中的不确定性可能会延至下一步骤，如果某一步骤中的不确定性未经解决，那该步骤中的不确定性可能会影响下一步骤决策，通过误差传递和累积，最终影响整个决策系统。不确定性可以从定性和定量两方面进行分析，定量化研究是指安全临界值MOS的确定。
3.3.1 不确定性的定性分析
不确定性定性分析是确定安全边际值MOS的基础，根据具体实施步骤对其可能包含的不确定性进行定性分析，指出不确定性可能的来源。第一，水质问题识别中存在的不确定性，如水环境背景信息的获取、监测规定的确定等。第二，水质目标制定存在不确定性，水质目标的实现具有阶段性，根据流域水污染程度和污染治理水平的不同，可以采用不同时段的水质目标。第三，污染源调查与模拟方面，存在污染源调查不全面、不系统问题，如污染源普查对点源和非点源的划分不明确、非点源调查不足等。第四，水环境容量计算过程存在不确定性，水环境容量计算模型和参数的选取、污染源分布和污染物排放方式及设计水文条件等方面都存在不确定性。第五，污染负荷分配在选择分配方法和相关参数假设方面存在不确定性。第六，后续监测与效果评估的不确定性可以从监测数据的准确合理性及监测人员的主观判断等方面进行分析。
3.3.2 安全边际值的确定
美国EPA常用的MOS估算方法主要是隐式计算和简单的显式计算[9]。隐式计算采用保守设计条件估算水体所能承受的最大污染负荷量，将MOS值合并到TMDL中，而不再单独计算安全临界值MOS；简单的显式计算考虑最有可能出现的水文情况估算负荷量，依据当地的实际管理情况预留一部分环境容量作为MOS。这两种过于保守或随意的估算方法并不能充分说明不确定性的影响。我国一般预留部分环境容量作MOS值，对MOS估算方法研究相对较少，周雯等人[9]采用一阶误差分析（FOEA）法对模拟计算中的不确定性进行了定量估算。
目前，多数研究考虑了定量不确定性分析，主要集中在概率框架内的参数和变量的不确定性量化分析，常见方法有蒙特卡罗模拟（Monte Carlo simulation）、一次近似法（first order approximation）、均值一阶可靠法（mean value first order reliability method）和广义似然不确定性估计（generalized likelihood uncertainty estimation）等[10]。安全临界值MOS受环境容量模拟计算中的误差和水环境管理中不确定性因素的共同影响，应该更加具体地考虑这些因素，准确地估算MOS。
3.4 模型选择
目前美国EPA在模型选择纲领中列举的几十种供各地实施TMDL计划备选模型中，没有任何一个模型可适用于任何的流域，决定TMDL计划能否成功实施的关键问题之一就是选择合适的模型[5]。选择过于简单、过于复杂，或灵敏度不够的模型，可能造成预测不准确、延误研究进展、增加成本等问题。我国污染负荷估算使用的是国外较为成熟的模型，如WARMF、HSPF 、SWAT等。每种模型有其各自的适用范围和特点。BASINS系统是目前TMDL计划中较为常用的模型系统，是由美国EPA开发的集水区多目标环境分析系统，适用于水系和流域的研究，专门用于计算受纳水体的总最大污染负荷。系统中的水文模拟程序HSPF模型是最常用的水系模型之一，主要用于农村和城市混合流域沉积物及营养物TMDL的长期连续模拟[11]。
4 结语
TMDL技术是目前国际上较为先进的水质管理方法，也是国际水环境管理的发展趋势。美国已经对水体中的沉积物、营养物、病原菌等作了成功的TMDL计划，极大地改善了水体水质。在国外成功经验的基础上，应该以流域水生态健康为出发点，结合我国流域自然环境、资源、社会经济及环境管理等方面的实际情况，以小流域为基本控制单元，跟踪污染物在流域内迁移转化的全过程，重视非点源污染控制，开发简单、经济、实用的污染负荷估算模型，科学合理地进行污染负荷分配，制订适宜我国流域水污染物总量控制的TMDL计划，结合其他污染控制措施，最终达到各阶段水质目标值，使水质得到根本改善，逐步实现流域水生态健康。
参考文献：
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