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(2008ZX07526-004)“流域水生态承载力与容量总量控制技术研究”课题

发布时间:2016-05-18 浏览量:1075

构建流域水生态承载力调控与容量总量控制管理技术体系,

推进生态文明流域建设

 

 

编者按

按照十八大报告提出的大力推进生态文明建设的要求,探索建立流域水生态综合保护管理新模式,对推动我国流域水环境管理的转变具有重要意义。作为水专项流域监测预警主题“流域水生态功能分区与质量目标管理技术”项目的第4课题,重点研究基于流域水生态功能分区的流域水生态承载力理论体系及调控技术方法、基于控制单元的流域水环境容量总量控制管理技术体系,选择辽河、太湖等重点流域开展示范应用,获得良好效果。其研究成果对推进流域水环境管理从行政区域管理向流域综合管理转变、从目标总量控制向容量总量控制转变、从水污染控制管理向水生态健康管理转变具有重要支撑意义。

一、研究背景

我国面临水资源约束趋紧、水环境污染严重、水生态系统退化的严峻形势,其本质原因是流域经济社会活动强度远超过流域水生态承载力。破解我国流域水环境问题困局的根本策略是走生态文明流域建设之路。即是要遵循流域综合管理的理念,以流域水生态系统健康与经济社会可持续发展为目标,以流域水生态承载力为基础,实施以保障河湖环境流量为导向的水资源管理制度,基于流域水环境容量的污染物总量控制制度,建设资源节约型、环境友好型社会。

从流域尺度出发,建立基于流域水生态功能分区的流域水生态承载力理论体系及调控技术方法,构建基于控制单元的流域水环境容量总量控制管理技术体系,实现流域水环境管理从行政区域管理向流域综合管理转变、从目标总量控制向容量总量控制转变、从水污染控制管理向水生态健康管理转变,是生态文明流域建设的关键科技需求,这也正是“流域水生态承载力与总量控制技术研究课题”(2008ZX07526-004)(以下简称“承载力课题”)“十一五”研究的重点任务。

承载力课题“十一五”期间针对我国流域水污染控制管理中存在的水陆(陆域污染控制方案与水域水质目标)关联度差、人口资源环境失衡等问题,基于系统的流域水环境过程调查监测、试验与模拟分析、共性技术研究与示范应用,形成了适合我国国情与水情的流域水生态承载力调控理论与流域容量总量控制技术体系,其核心成果包括3个部分:流域水生态承载力理论与分区调控技术、流域—控制单元容量总量控制、流域容量总量控制管理平台。

二、研究成果

1、流域水生态承载力分区调控

流域水环境问题的形成与恶化,根本原因是没有根据流域水生态承载力的要求,协调流域经济社会发展与水生态健康保护需求,导致流域人口资源环境失衡。所谓的流域水生态承载力就是维持流域良好水生态状况条件下水资源系统及水环境系统所能支撑的经济社会系统(以一定生活水平的人口的最大数量和一定技术水平下的最大的经济规模表示)。所谓的流域水生态承载力优化调控就是根据维持及恢复流域水生态系统完整性的要求,调整水资源系统及水环境系统结构,进而优化经济社会结构、规模与布局。

课题针对流域水质改善、水生态保护与经济社会可持续发展的需求,形成了以维持及恢复流域水生态完整性为导向,以保障水资源可持续利用、水体功能达标、水生态健康、经济社会可持续发展的流域水生态承载力理论体系与分区调控技术。根据维持水生态系统良好状态、支持最大的经济社会福利、达到“人水和谐”的流域水生态承载力调控目标,建立了流域水生态承载力评估与调控指标体系,提出了流域水生态承载力主要变量预测与关键指标阈值确定方法。形成了适应流域水生态系统时空分异性、流域社会经济布局及经济活动强度的空间差异性特点、流域经济社会发展空间格局优化调整需求的流域水生态承载力分区耦合系统动力学模型方法,克服了以往基于流域集总模型思路的流域水环境或水资源承载力系统动力学模型成果在空间及时间尺度上的差异性指导不足的缺点。在此基础上编制了《流域水生态承载力评估技术导则》。

课题构建了辽河太子河流域、太湖滆湖水系及赣江袁河流域的流域水生态承载力分区评估调控系统动力学模型,对上述3个流域或区域内各控制单元现状及不同水文频率年的水生态承载力状况进行了系统评估,揭示了流域水生态承载力分区及分期(水期或季节)特征与问题,并按照控制单元水文水资源、水生态及经济社会的分异特点,提出了流域水生态承载力分区分期优化调控方案,取得了良好的示范应用效果。

2、流域容量总量控制

我国流域水污染控制从“九五”开始实施目标总量控制,以行政区为单位采用“一刀切”的排放限制管理模式,总量控制目标没考虑水环境容量和水生态承载力,污染削减与水质改善的脱节问题十分严重。美日及欧盟等国家和地区针对本国水污染状况相继建立了与水质达标密切结合的总量控制计划,以美国TMDL计划最具代表性,所形成的总量控制管理技术体系是相对成功的管理技术体系,在流域水污染防治方面发挥了重要作用。

课题借鉴美国EPA进入二十一世纪以来在单一TMDLs(单个河段或单个水质项目TMDLs)基础上逐步推行的流域TMDLs(Watershed TMDLs)技术,在系统分析我国水污染总量控制发展演变及新时期国家水污染防治管理需求基础上,针对推行流域容量总量控制管理关键技术问题中的流域水污染入河负荷与水质响应模型、基于控制单元的流域容量总量计算与分配等开展系统研究,形成了流域容量总量计算与分配技术体系:流域污染特征分析与问题识别技术(控制单元划分、污染负荷调查评估、水环境问题诊断)、水质响应模型与容量计算技术(水质模型、设计水文条件、MOS设计)、容量总量分配(流域-控制单元多目标优化分配)技术。

课题针对形成流域容量总量方案需求,研究了流域水污染入河负荷计算与水质响应的流域水环境模型技术,并针对水环境模型研发要求,开展了流域多类型污染源(点源、面源及内源)的水环境过程试验研究,形成了集成分布式水文与非点源模型、水动力学学模型、水工程水力学模型及水质模型的河流流域水环境系统模型,为制定流域容量总量方案奠定了模型基础。课题研究成果为“十二五”重点流域水污染防治规划编制提供了参考。

课题在系统分析相关技术标准规定的基于区段分割、单一水文条件的容量计算方法的不足的基础上,研究提出了满足流域整体协调要求、以水质达标为核心、兼顾公平和效率的流域容量总量双层次多目标优化分配技术框架。在流域-控制单元容量总量计算和分配过程中,针对流域整体协调性要求,研究提出基于流域水质响应系数矩阵的多类多目标优化计算方法,即依托流域水质模型建立水生态功能区水质控制断面对流域各入河污染负荷(包括点源入河排污口,非点源入河支流口)的水质响应系数矩阵,以流域水生态功能区水质达标为约束,以流域容量最大、或现状及规划入河负荷削减最小、或基于流域控制单元差异调控的流域容量总量最大的流域容量总量计算与分配技术方法。该类技术方法既有效解决了相关技术标准提出的技术方法导致的容量计算结果的流域上下游不协调问题,也避免以往针对数量庞大的入河排污口及数量同样众多的水质控制断面的技术解决方法(试算法)所存在的组合计算情景数量十分巨大且操作性差的问题。在容量计算分配的设计水文条件方面,课题研究形成了包括不利低流量水文条件(如90%保证率最枯月平均流量、近10年最枯月平均流量等)和多流量过程(典型水文过程(包括水工程调度))的流域容量计算与分配技术方法。同时,课题还研究了少资料流域容量总量分配技术方法。

课题根据按照形成流域容量总量方案的要求,研究提出了适用于多类水体、多类典型污染物、不同基础数据条件的流域容量总量计算与分配技术方法。在此基础上编制了《流域容量总量计算与分配技术导则》。课题基于流域复杂水环境系统水质响应模拟技术成果,研发了辽河太子河流域、太湖滆湖水系的流域水环境模型,并基于保障流域整体协调性要求的流域容量总量计算与分配关键技术研究成果,形成了辽河太子河流域、太湖滆湖水系流域—控制单元的容量总量控制方案;对资源相对缺乏的赣江袁河流域,采用LDC方法形成了赣江袁河流域容量总量控制方案。辽河太子河及太湖滆湖水系的流域容量总量模型及容量总量方案汇编在《辽河太子河流域流域水生态承载力评估与容量总量计算分配技术指导手册》与《太湖滆湖水系流域水生态承载力评估与容量总量计算分配技术指导手册》中。

3、流域容量总量管理平台

课题针对流域水生态承载力评估调控及流域容量总量计算与分配等流域水污染控制管理技术需求,以有效提高流域水生态承载力调控管理及容量总量管理的业务能力为导向,提出了基于GIS和多维信息可视化技术、以水环境系统综合数据库为基础、以流域水生态承载力与总量控制相关模型库为核心的流域数字水环境系统集成技术。

基于流域数字水环境系统可视化及集成技术,课题研发了辽河太子河流域、太湖滆湖水系、赣江袁河流域水生态承载力与容量总量管理平台。该管理系统包括水环境系统模型库、水环境系统数据库、水环境系统可视化平台三个部分,水环境系统模型包括流域非点源模型、水动力学模型、水质模型、水生态承载力分区系统动力学模型以及容量总量计算与分配模型等。该系统实现了流域水生态承载力和总量控制的模型、数据、方案等成果与三维数字流域技术的无缝结合,具有三维可视化场景、水环境模型集成、可视化建模、流域水生态承载力分析、容量总量计算与分配可视化等方面的功能。

三、成果应用

课题研发的基于三维GIS的流域水生态承载力总量控制集成技术系统和太湖流域数字水环境系统平台已经在多处水资源水环境管理部门得到应用。

基于三维GIS的流域水生态承载力总量控制集成技术系统的辽河太子河流域系统,已被辽宁省水文水资源勘测局应用于辽宁省关于太子河流域的水资源管理工作中,为进一步深化辽宁省水资源的信息化管理提供了有力的技术支撑。辽宁省水文水资源勘测局在今后的工作中将继续予以进一步的应用和推广。

基于三维GIS的流域水生态承载力总量控制集成技术系统的赣江袁河流域系统,已被江西省水资源管理中心应用于江西省关于袁河流域的水资源管理工作中,为实现江西省水资源的信息化管理提供了有力的技术支撑。江西省水资源管理中心在今后的工作中将继续予以进一步的应用和推广。

太湖流域数字水环境系统平台软件已被江苏省水文水资源勘测局常州分局应用于江苏常州的水资源水环境管理工作中,为排污口管理、水域纳污能力核算等水环境管理工作提供了依据,为区域水情预报和水资源管理提供了支持,为区域水资源水环境管理提供了便利为宏观认识区域的水文水质演化过程提供了依据。该平台在江苏省水文水资源勘测局常州分局的应用,不仅为常州市水资源管理提供了有力工具,而且对全面认识和确定洮滆水系水污染的成因与特征、主要污染物的负荷量、污染物来源及空间分布等具有重要科学价值,对常州水环境综合治理与水资源保护方案和措施的制定具有重要的现实意义。

四、建议

基于本课题研究及成果示范应用,有以下认识及建议:

一是流域水生态承载力是对流域人口资源环境均衡状况、经济社会与河湖健康协调程度的衡量,在以后我国可能开展的生态文明流域评估中,可以作为一个重要的指标。

二是与水质目标关联度低的目标总量控制管理这类粗放式管理模式已经严重不适应当前和今后的流域水质改善要求,而依据我国现行的水环境容量(纳污能力)计算技术标准所形成的区段分割、最枯水文条件下的容量计算成果,在支持现实的流域水质达标管理需求方面存在明显不足。在我国下阶段从目标总量向容量总量转变时,需要针对我国河湖水系水文水资源及水环境特点与水质管理需求,借鉴美国EPA进入二十一世纪以来在单一TMDLs(单个河段或单个水质项目TMDLs)基础上逐步推行的流域TMDLs(Watershed TMDLs)的技术经验,形成既能确保流域的整体协调性与流域水质达标目标,也能够保证技术经济可行性的流域容量总量控制技术体系,而不能只是简单袭用现有的相对不系统,也不科学的水环境容量计算技术体系。


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