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(2009ZX07526-005)“控制单元水质目标管理技术研究”课题

发布时间:2016-05-19 浏览量:1207

构建基于分区的控制单元水质目标管理技术体系,支撑由污染物目标总量向容量总量控制转变

 

 

编者按

水环境问题已经成为阻碍我国实施跨越式经济发展战略的重要因素。目前我国实施以污染物目标总量控制技术为主的水质管理技术体系,尚没有真正意义上将水质目标与污染物减排紧密关联起来,已难以适应我国当前和未来水环境管理发展的需求。国家水“体污染控制与治理”科技重大专项启动以来,在“流域水生态功能分区与质量目标管理技术”项目中设立了“控制单元水质目标管理技术研究”课题。该课题围绕水生态改善的需求,以水质改善和污染负荷控制为核心,提出了立足于控制单元、面向污染源的污染物容量总量分配技术体系,完成辽河流域、太湖流域、赣江流域典型控制单元的管理方案。研究成果将为推动污染物目标总量向容量总量控制转变、优化水环境管理模式和提高水环境管理水平提供技术支撑。

一、研究背景

近几十年来,随着我国社会经济的快速发展,维持生产、生活的用水量不断上升,污水排放量加大,我国水环境污染形势日益严峻,部分区域水污染现状触目惊心,水安全状况日趋严峻,已成为制约我国经济社会发展最重要的因素之一。为此,十八大报告提出“五位一体”的总体布局,将“生态文明建设”提高到与经济建设、政治建设、文化建设、社会建设并列的战略新高度,明确提出完善最严格环境保护制度的要求,确立了环境保护在社会经济发展中的基础性地位。

“十一五”以来,我国启动了主要污染物目标总量控制。该项工作在我国水环境不断恶化的情况下对治污起到了积极的作用,且效果显著。但由于总量控制目标与水质目标之间缺乏紧密的联系,必然不能适应当前和未来水环境管理发展的需求。

发达国家在流域水质管理技术方面积累了丰富的研究经验,如欧盟莱茵河总量控制管理及2000 年颁布实施的《水框架指令》,日本东京湾、伊势湾及赖户内海等流域的总量控制计划以及美国TMDL 计划等。其中以美国2000年7月颁布的TMDL 计划最具代表性,经过20 多年的改进和发展,逐渐形成了一套系统的总量控制技术方法体系,多年的实践表明,TMDL计划在恢复美国地表水体功能、改善水体水质方面起到了重要的作用,一些重点治理的水域通过实施TMDL计划,水环境状况已经得到根本好转。如今,TMDL计划已经成为确保美国地表水达到水质目标的关键计划。对于我国,在当前全局性的水污染问题仍然未得到有效解决,广大人民群众对水质改善、生态保护的呼声日益高涨的局面下,我国急待需要完善我国的水环境管理模式,严格控制进入各类水域的污染物排放总量,实行流域水质目标管理,实现从目标总量控制向基于水质目标的容量总量控制的转变,提升环境管理决策科学化、环境管理精细化水平,以适应我国社会经济发展和水环境保护的需要。

二、研究成果

本课题以流域水生态功能分区、水环境基准与标准为基础,针对控制单元水环境问题,筛选城市河段、感潮河段、北方缺水河流、山区水库、平原河网共5类典型控制单元,重点突破控制单元划分技术、污染物控制指标与水质目标确定技术、水环境问题诊断技术、污染负荷核定技术、水环境模型构建、污染物总量分配技术,以及水质目标管理效果监控评估技术,形成我国控制单元水质管理技术体系,为提高我国水环境管理水平提供技术支撑。

(一)构建了控制单元水质目标管理技术体系

以流域水生态功能分区、水环境基准与标准、水环境功能分区为基础,建立了从控制单元划分确定水质目标管理的空间范围,水环境问题诊断明确控制指标、水质目标核定确定功能区水质目标,污染负荷核定估算及预测确定控制单元内污染负荷排放量,水环境模拟获取污染源单位负荷与水质之间的响应关系,允许纳污量计算确定控制单元内水体所能容纳的最大污染物总量,进行污染物总量分配、编制优化削减方案以实现阶段性的削减目标和水质改善目标,最后到水污染物总量控制效果评估等一整套控制单元水质目标管理的技术体系。

 

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图1 控制单元水质目标管理技术框架

 

(二)关键技术突破

1、多要素耦合的控制单元划分技术

控制单元的概念最早来自美国的水质规划理论,按照该理论,美国水污染防治法规中分流域、区域、设施三个层次制定水质规划。在我国,控制单元的概念在“六五、七五”我国开展水环境容量与总量控制技术研究期间就已经采用了这一概念,并在制定淮河流域水污染防治规划和水环境综合整治规划编制中得以应用。经过十余年的发展,在流域水质目标管理体系中,继续沿用了这一概念。

控制单元水质目标管理,是在“流域-控制区-控制单元=污染源”的水环境管理层次体系中,以流域总量控制为基础、立足于控制单元、面向污染源的水质管理体系。为了将不同水生态功能的水体与排入该区的污染源联系起来,实现对水体功能的保护。本课题提出了多要素耦合的控制单元划分技术。即基于控制单元水系特征,明确陆域汇水区与河流水质及其控制断面的空间对应关系,在流域范围内确定控制区(子流域)的划分尺度和层级,明确污染源的产生、排放、入河特征;在控制区内,通过空间叠加技术,将控制区与行政管理单元进行叠置,得到反应子流域汇水特征和行政区划特征的控制单元。该技术方法解决以往控制单元概念不清晰、上下游、左右岸纠纷、污染物总量削减与水质目标不紧密等问题,兼顾了污染物产生、输移过程的自然属性和社会属性,使流域水质目标的实现更具科学性和可行性,从而更便于进行系统的水质目标管理。

2、非点源污染负荷估算技术方法

本课题根据控制单元下垫面特征的差异,分别对山区和丘陵、平原河网、平原圩区和城市区域5种地区类型控制单元的非点源污染产生特征进行研究,提出了不同类型控制单元非点源负荷核定方法。对于山区和丘陵地区非点源污染负荷的核定,SWAT等非点源模型的应用是首选的方法;对于平原河网地区,提出的农村生活和畜禽养殖污染问卷调查方法、平原区农田径流试验方案,对解决类似地区的非点源负荷估算问题具有较大的应用价值。而对于属于平原地区的赣江下游圩堤地区(平原圩区),其水文过程受到水利工程(如电力排灌站)的极大影响,对非点源污染负荷的估算除了可采用问卷调查和类型源试验的方法以外,研究还提出了圩堤地区SWAT建模过程中子流域划分的方法,为类似区域的SWAT建模提供了一个技术选择。而对于城市区域暴雨径流污染的负荷研究,提出采用类型源试验与基于城市排水系统构建SWMM数学模型的方法来进行负荷核定。

3、适用于不同水体的水环境模型

水质模型描述污染物在水体中运动变化规律及其影响因素相互关系的数学表达式和计算方法。针对不同类型的河流开展了不同复杂度的水环境模型研究,提出了地表水水环境模型的选择原则方法和技术要点以及模型参数的识别技术,针对二维水环境模型,研发了一种适合于河流型控制单元水动力与污染物输运模型的稳定高效求解算法-ELADI有限差分方法,该方法可使Courant数达到40以上,在满足计算精度的同时,计算效率大为提高。基于Fortran语言开发一维潮平均水环境数值模型(TAWQ)、二维水环境模拟代码(WESC2D)等水环境质量模拟计算机软件。并针对不同类型控制单元和污染物指标,建立了基于GIS环境、集成水动力模型、水质模型和总量规划模型的控制单元水环境质量与污染负荷响应关系模型系统,为污染负荷与水质响应关系计算及水环境管理提供了必要工具。

4、污染物允许纳污量计算的设计水文条件

设计水文条件是进行污染物允许纳污量计算的必要条件之一。美国环保局为河流稳态模型极端水文条件推荐使用两种计算设计流量的方法:水文学方法和生物学方法,他们都能应用于慢性毒理控制浓度CCC和急性毒理控制浓度CMC,我国水环境评价及规划采用的设计水文条件的基本沿用了水文学方法。但在环境规划及评价中,允许平均期在我国的标准中不完全一致,应用也比较混乱。

课题提出了不同水体设计水文条件指标选择、设计水文条件的保证率分析方法、稳态设计水文条件的平均方法、准动态设计水文条件的选择方法、无水文站河段及区域设计水文条件的确定方法、流域设计流量总体生成技术等,形成了完整的设计水文条件确定技术体系。基于该项研究成果完成了《流域水环境容量计算设计条件与参数选取选择技术规范》,已经完成了标准草案编制,通过了专家论证。

5、控制单元污染物负荷层次分配体系与分配方法

从“六五”到“十一五”近30年的研究成果看,我国的水污染总量控制技术研究主要是围绕总量分配原则和分配方法展开的。本课题提出了根据控制单元划分结果,基于控制单元污染负荷的产生、迁移、汇集过程,明确污染物源汇关系,将复杂性较高的控制单元污染物总量分配分解为多个子单元的污染物总量分配体系,分配过程层次清晰,分配方案能有效实现污染控制和水质达标。一方面可以降低问题的复杂程度、确保各个子单元污染物总量分配之间的协调;另一方面可以与相应的行政单元的环境管理工作相适应。

针对河流型控制单元提出了动态水文条件下基于合理性指数的多目标污染物总量分配方法。即基于WESC2D水环境模型和RPSM粒子群算法,求解以水环境容量利用率最大和修正的总量分配合理性指数最大为目标,以保证水环境功能区首断面达标和混合区限制达标为空间约束,以30天平均浓度重现期3年不允许超过1次超标为时间约束的污染物总量分配模型,同时结合方案比较进行入河排放口污染物总量分配方案制定的方法。该方法不需要反复试算,灵活高效;以空间断面浓度超标时段和频率直接取代了以设计水文条件控制风险,显著的提高了计算的精度;相比于其他允许排放量计算方法,可以更好更快的寻找出优化解, 避免了情景方案中大量可行解而非优化解以及难于取舍的决策分析困境,兼顾了公平与效率原则,实现了在各个排污单位或者污染源之间进行科学、合理地分配污染物允许排放量。针对湖库型控制单元,提出了将“允许纳污负荷计算”与“负荷分配”整合为一体的正反双向算法新技术路线,把由控制断面水质推算允许纳污负荷量反向算法,与由污染负荷分配情景模拟水体水质变化的正向算法相结合。与目前常用容量总量控制技术相比具有更高的计算效率与精度。

三、成果应用

本课题形成了一系列技术规范和导则等共性技术支持文件,可为示范流域进行水环境管理提供技术支持。主要包括:《控制单元水质目标选择规范》、《控制单元非点源污染负荷核定技术导则》、《流域水环境容量适用模型选择技术规范》、《流域水环境容量计算设计条件与参数选取选择技术规范》、《湖库型控制单元水质目标管理技术导则》、《河流型控制单元水质目标管理技术导则》。

本课题的部分成果,如控制单元的划分技术和水环境问题诊断技术已经应用于辽河流域、滇池流域的“十二五”水污染防治规划的编制和“九龙江-厦门湾海域环境容量评估与总量控制分配示范研究”项目的研究、成渝经济区战略环境影响评价。

应用课题提出的控制单元水质目标管理技术方法、技术规范和导则等共性技术研究成果,编制了五个典型控制单元水质目标管理技术方案。这些方案与地方治污规划和总量减排工作相结合,得到了较好的应用,可为“十二五”期间控制单元水环境管理和规划提供技术支持。相关技术方案的情景模拟表明,按照课题制定的污染物总量削减方案,各控制单元受纳水体能够达到水质目标的要求,预期可在污染物总量减排、水质改善、生态状况改善方面取得较好成效

四、建议

(1)加快建立流域控制单元水质目标管理体系

加快流域控制单元水质目标技术研究成果在地方水环境管理的应用,引导我国从流域水质达标管理向水生态健康管理、目标总量管理向容量总量管理、行政区管理向流域管理、被动式应急管理向主动风险管理的水环境管理理念和制度的转变。

(2)实施氮磷总量控制,控制湖库富营养化

目前我国总量控制指标为COD和氨氮,但对于一些存在富营养化问题的湖泊和水库流域,建议开展和逐步推动流域氮、磷负荷核算技术,包括污染源普查中没有涉及的工业氮、磷排放量核算,以及技术方法尚不完善的农业氮、磷排放量核算等。以此为基础,逐步推动氮、磷总量控制的实施。

(3)强化水环境模型在环境管理中的应用

水环境模型是进行水质预测、评价、规划和管理的必要工具,在环境保护方面被广泛应用于编制法规性文件中,如污染防治规划、环境影响评价、总量控制方案等。然而,国内在模型开发和使用方面很不规范,像MIKE和DELFT3D等能够商品化和产业化的模型少之又少。建议尽快推动水环境模型在污染物总量控制和管理中的应用,加强我国水环境数学模型研发和使用过程中的标准化和法规化建设,解决目前在污染物入河系数、水质响应关系、水质改善效果分析等方面的不确定性问题,提高环境管理决策科学化、精细化水平。

(4)形成以总量控制为牵引的系统管理、精细化管理

目前,我国关于污染源控制的制度、法规,如排污许可制度、环评审批制度、项目竣工验收制度、限期治理制度、排污申报登记制度、排污收费制度、清洁生产审核、监督性监测等。这些制度均与总量控制紧密相关,但在相关工作分散在环保系统不同职能部门中,尚未形成有机结合、互为支持、系统管理的局面,甚至相互之间存在矛盾和冲突。因此,亟待在管理工作理顺这些制度之间的关系,形成以总量控制为牵引的系统管理、精细化管理模式。

在这些制度中,排污许可管理是落实和实现污染物总量控制制度的最主要的手段之一。目前虽然有些省份实施了排污许可管理制度,但在污染物排放限值的确定上多采用达标排放量或者环境影响评价所确定的允许排放量,并未与流域总量控制所确定的允许排放量相结合。因此,要切实落实流域容量总量控制工作,需要进一步完善各地的排污许可证管理制度,细化相关管理规定,在考虑公平性、可行性、效率性的基础上,问题明确企业排污的种类、数量、性质、去向、方式等,提高环境管理水平,增强环境执法透明度,推进环境保护的科学化管理,更为科学有效地落实污染物排放总量控制制度。


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