每日最大污染負荷(TMDL)計劃的借鑒意義與我國水污染總量控制管理流程

1、劉莊;劉愛萍;莊巍;張麗;何斐;解宇鋒;杭小帥;高吉喜【摘 要】在系統(tǒng)調(diào)研相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上,分析了美國每日最大污染負荷(totalmaximum daily loads,TMDL)計劃的框架、特點和研究進展,對比美國的先進經(jīng)驗,對我國水污染總量的控制管理和研究現(xiàn)狀進行了全面分析,認為污染總量削減考核指標單一、總量控制和減排目標的制定未考慮水環(huán)境容量、總量控制和減排未與水質(zhì)改善掛鉤以及管理與科研脫節(jié)等是我國目前水污染總量管控存在的主要問題.需加強水質(zhì)模型、污染負荷與水環(huán)境容量計算方面的研究,建立相對客觀且可操作性強的污染減排效果評估與考核方案.借鑒TMDL計劃,提出了完善我國水污染總量管控技術(shù)流

2、程與方案的建議.【期刊名稱】生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報【年(卷),期】2016(032)001【總頁數(shù)】6頁(P47-52)【關(guān)鍵詞】水污染總量控制;每日最大污染負荷;水環(huán)境容量【作 者】劉莊;劉愛萍;莊巍;張麗;何斐;解宇鋒;杭小帥;高吉喜【作者單位】環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所,江蘇南京210042;環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所,江蘇南京210042;環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所,江蘇南京210042;環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所,江蘇南京210042;環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所,江蘇南京210042;環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所,江蘇南京210042;環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所,江蘇南京21

3、0042;環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所,江蘇南京210042【正文語種】中 文【中圖分類】X52;X321污染物進入水體后會以各種形態(tài)滯留于水體懸浮物、底泥和水生生物體內(nèi),清除流域水體中的污染物不僅技術(shù)復(fù)雜、代價高昂,而且難以取得滿意的效果。基于以上原因,各國都將控制污染物排放作為保護流域水環(huán)境的根本措施。美國國會于1972年通過的清潔水法案303(d)條款中提出了每日最大污染負荷量(total maximum daily loads,TMDL,LTMD)的概念,要求對無法達到相關(guān)水質(zhì)標準的水體制定并執(zhí)行TMDL計劃,根據(jù)水體所能容納的最大污染負荷嚴格控制進入水體的污染總量1。我國的水污染總量

4、控制研究起始于20世紀70年代末對松花江BOD總量控制標準的研究2,從第九個五年規(guī)劃開始,我國正式將污染總量管控納入國家環(huán)境保護規(guī)劃。目前,第十三個環(huán)境保護五年規(guī)劃正處于編制階段,有必要對我國的水污染總量管控開展系統(tǒng)總結(jié)和分析,借鑒國內(nèi)外先進經(jīng)驗,提出改進建議,為下一階段國家污染總量控制方案的制定提供參考。TMDL是指在滿足特定水質(zhì)標準的條件下,水體能夠接受的某種污染物的最大日負荷量,包括點源和非點源污染3。TMDL計劃的核心思想是根據(jù)水環(huán)境容量確定需要削減的污染負荷,并將削減任務(wù)分配到各個污染源,通過將進入水體的污染物削減到環(huán)境容量所能允許的范圍內(nèi),使受損水體逐步恢復(fù)并達到水質(zhì)標準。TMDL

5、計劃的實施過程大體包括以下流程:(1)受損水體識別;(2)優(yōu)先等級確定;(3)TMDL計劃制定;(4)污染控制措施實施;(5)污染控制措施效果評估(圖1)。TMDL計劃的核心是每日最大污染負荷LTMD的計算。LTMD=AWL+AL+LB+SM。美國1987年修訂的清潔水法要求,如果各州的不達標水體在實施基本技術(shù)和水質(zhì)控制措施后,仍未能滿足相應(yīng)的水質(zhì)標準,EPA就要求對這類水體實施TMDL計劃。截至2012年2月,美國各州制定的TMDL計劃數(shù)量已經(jīng)達到4萬多個,為改善水質(zhì)發(fā)揮了重要作用4。TMDL計劃的制定和實施依據(jù)流域水環(huán)境變化的基本規(guī)律,有較為堅實的科學理論基礎(chǔ)。下面以美國巖溪(Rock C

6、reek)TMDL計劃為例4,簡要分析其制定過程和特點。巖溪位于愛荷華州東部,流域以農(nóng)業(yè)用地為主,由于水質(zhì)惡化,被列入1998年的303(d)清單,相關(guān)部門通過調(diào)查,確定流域水環(huán)境問題主要由氨氮和硝酸鹽/亞硝酸鹽引起。根據(jù)愛荷華州水質(zhì)標準,該流域水體的主要功能為水生生物生態(tài)用水,其次為娛樂用水、作物灌溉、家庭生活和畜牧用水等。根據(jù)相應(yīng)的水質(zhì)標準和水動力狀況,計算得到流域的每日最大允許污染負荷：氨氮，2.67 kgd-1；硝酸鹽/亞硝酸鹽氮，13.61 kgd-1。通過對污染源的調(diào)查,確定流域內(nèi)主要點源污染源有4個,其中迪摩爾污水處理廠直接排入巖溪,其他3個不向巖溪直接排污,但可通過地下水影響巖

7、溪。盡管農(nóng)業(yè)用地在流域占主導(dǎo)地位,但面源并不是污染的主要來源。根據(jù)不同污染源的貢獻率和污染減排能力,對污染負荷削減任務(wù)進行分配,根據(jù)污染負荷變化與水質(zhì)變化之間的相關(guān)關(guān)系制定相應(yīng)的減排方案和后續(xù)監(jiān)測措施,尤其是針對通過地下水的污染,提出了移除污水池(地下水污染的主要來源)、建立人工濕地等措施。整個巖溪的污染減排方案根據(jù)TMDL的規(guī)范制定,由于明確了流域水環(huán)境問題和污染源,實施了有針對性的減排措施,取得良好效果。根據(jù)以上實例,可以看出TMDL具有如下特點:(1)以流域為實施對象,污染控制的對象和目標明確。TMDL計劃一般都針對具體的流域,要求明確水體的用途(如飲用水供應(yīng)、水生生物保護、公共娛樂等)

8、,根據(jù)指定用途確定水質(zhì)標準,根據(jù)水質(zhì)標準評估水體受損狀況并確定水質(zhì)恢復(fù)目標。(2)綜合考慮多種污染源對水質(zhì)的影響,有利于分析和識別水質(zhì)問題的根源。污染源評估是TMDL計劃制定的重要環(huán)節(jié),除考慮點源以外,非點源也是調(diào)查分析的重點,一些TMDL計劃甚至還考慮大氣沉降等方面的因素。根據(jù)污染源評估結(jié)果確定流域內(nèi)造成水體受損的重要污染源及其污染貢獻和影響區(qū)段,不僅有利于分析和識別流域水質(zhì)問題的根本原因,也有利于污染責任的界定。(3)基于現(xiàn)狀污染負荷量和水環(huán)境容量制定污染削減方案,關(guān)注污染削減與水質(zhì)變化間的聯(lián)系。建立污染負荷變化與水質(zhì)變化間的聯(lián)系是TMDL計劃最重要的特點。TMDL計劃制定過程中一般需要通

9、過水質(zhì)模型或其他技術(shù)方法建立水質(zhì)變化對污染負荷變化的響應(yīng)關(guān)系,使污染負荷量的確定以及污染負荷削減方案的制定具有相對可靠的依據(jù),也為TMDL計劃實施效果的評估提供了客觀、可行的手段。(4)重視后續(xù)保障措施,確保計劃的實施。完整的TMDL計劃除要求提出污染削減和分配方案以外,還要求制定后續(xù)的實施方案和監(jiān)測評估方案,包括監(jiān)測站點的布設(shè)、監(jiān)測時間以及分析實驗室的認證級別等。計劃的執(zhí)行者需要根據(jù)監(jiān)測評估結(jié)果,分析TMDL計劃的實施效果,根據(jù)實施過程中的實際情況,對實施方案及時進行調(diào)整和修訂,確保計劃的實施效果。經(jīng)過多年發(fā)展,TMDL計劃在美國取得很大成效,其他國家的研究者也開始運用TMDL的思路開展污染

10、負荷控制研究。GULATI等5探索了在農(nóng)業(yè)土地利用方式為主的流域中,運用常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)測算流域污染負荷并建立TMDL計劃的技術(shù)方法;KANG等6對SWAT模型進行了改進,使之能適應(yīng)水稻田非點源污染負荷計算的需要;KIM等7則運用污染負荷歷時曲線法計算每日最大負荷量,簡化了非點源污染負荷的計算。在污染削減與水質(zhì)變化的相關(guān)關(guān)系研究方面,LEBO等8研究了流域水質(zhì)變化對污染負荷削減的響應(yīng)關(guān)系,用于評估TMDL計劃的實施效果;VASQUEZ等9在洛杉磯Echo Park 湖多氯聯(lián)苯(PCBs)TMDL計劃的研究中,不滿足于單純分析水質(zhì)與污染負荷間的相關(guān)關(guān)系,還進一步研究了污染負荷變化對沉積物、水體懸

11、浮物和魚類體內(nèi)污染物濃度的影響,推動了 TMDL 研究的深入發(fā)展。TMDL計劃沒有硬性規(guī)定哪些污染物需要控制和削減,而是根據(jù)流域水污染的實際狀況來確定需要開展污染總量控制的污染物類型。SAHOO等10在加利福尼亞Tahoe 湖 TMDL計劃的研究中,不僅考慮了常規(guī)的點源和非點源污染,還考慮了河岸侵蝕、大氣干濕沉降和地下水等多種因素的影響,計算了不同類型污染源對顆粒物、TP和 TN這 3 種主要污染指標的貢獻率。此外,相關(guān)研究中 TMDL 計劃所考慮的污染物還包括硒11、SO42-和 NO3-12、沉積物13和大腸桿菌14等多種類型。國內(nèi)的學者也開展過一些零星的 TMDL研究,ZHAO 等15運

12、用三維水動力和水質(zhì)模型計算了污染負荷變化對撫仙湖 COD、TN 和 TP等水質(zhì)指標的影響,并對不同污染負荷削減方案的實施效果進行模擬和分析;CHEN等16將污染負荷歷時曲線法與貝葉斯分析相結(jié)合,運用污染負荷歷時曲線法計算長樂江的 TN 負荷與水環(huán)境容量,運用貝葉斯分析法進行不確定性分析并計算安全邊際值;萬金保等17運用TMDL計劃的思路分析了贛江污染物最大日負荷的變化特征,比較了贛江流域的現(xiàn)狀負荷通量和允許負荷通量;柯強等18研究和分析了 TMDL技術(shù)在農(nóng)業(yè)面源污染控制管理中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢。由于我國并未將 TMDL納入水污染負荷控制計劃,因此,國內(nèi)的 TMDL研究大多由科研工作者自行開展,缺

13、乏系統(tǒng)性和延續(xù)性。TMDL計劃在美國經(jīng)過 30 多年的發(fā)展和數(shù)萬個案例的實際運作,積累了豐富的經(jīng)驗,其基本方案和思路被證明是有效和可行的,對污染控制和水質(zhì)改善發(fā)揮了重要作用。在國家水污染總量控制管理制度逐步建立的過程中,相關(guān)領(lǐng)域的科研工作者在污染負荷與水環(huán)境容量的計算、污染物削減任務(wù)的合理分配等方面也開展了一系列研究工作。在污染負荷與水環(huán)境容量方面,于晶等19在對濟南市水污染源開展調(diào)查的基礎(chǔ)上,分析和研究了污染源水污染總量的評價和控制方法;魏文龍等20提出了兼顧目標總量和容量總量的水污染排放限值計算方法;陳龍等21結(jié)合我國的總量控制制度,借鑒國內(nèi)外實施季節(jié)性排污計劃的經(jīng)驗,構(gòu)建了季節(jié)性水污染物

14、總量控制的基本框架。我國一般以行政區(qū)作為污染管控的基本單元,但污染負荷與環(huán)境容量通常以流域為計算單元,因此,污染負荷及污染削減指標的分配一直是我國水污染總量管控研究的難點。不少研究者在此領(lǐng)域開展了一系列探索性的研究,田平等22應(yīng)用 WASP 模型在張家港平原水網(wǎng)區(qū)開展水環(huán)境容量計算,結(jié)合環(huán)境基尼系數(shù)提出了水污染物總量分配的優(yōu)化方案;劉媛媛等23構(gòu)建了“污染源類型-污染源細類-排污單位”的 3 層分配結(jié)構(gòu),以常州武南河控制單元為例,開展了 COD容量分配的研究;劉巧玲等24基于熵權(quán)法建立了體現(xiàn)區(qū)域差異的“改進等比例分配方法”,并對我國省際間 COD削減總量分配進行了案例研究;呂麗等25研究了決策

15、偏好對水污染物總量分配的影響;劉年磊等26在考慮社會經(jīng)濟發(fā)展水平、水污染物削減潛力以及主體功能區(qū)環(huán)境目標約束等因素的基礎(chǔ)上,嘗試構(gòu)建了國家水污染物總量控制目標分配指標體系,針對我國 2015 年 COD與氨氮的省際分配進行了實例研究;王媛等27在考慮排污權(quán)公平準則的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了以加權(quán)信息熵最大化為目標的水污染物總量分配模型。經(jīng)過多年的探索和實踐,我國的污染管控研究和制度建設(shè)取得了很大成就,為國家污染物的減排和控制做出了巨大貢獻,但相對發(fā)達國家,無論是管理思路還是科研水平,依然存在很大差距，主要體現(xiàn)在污染削減與水質(zhì)改善之間的相關(guān)關(guān)系研究較少。我國從第九個五年計劃開始正式將污染總量控制和減排納入

16、環(huán)境保護五年規(guī)劃。從歷屆環(huán)保規(guī)劃的實施情況看,各級行政單元的污染總量控制和減排任務(wù)大多完成較好,大部分地區(qū)的水體污染負荷總量呈現(xiàn)下降趨勢,但水質(zhì)狀況卻并未出現(xiàn)持續(xù)改善,很多地區(qū)甚至還有惡化趨勢 ,說明我國的水污染總量控制管理依然存在不完善之處。相對發(fā)達國家,我國的水污染管控主要存在以下問題:(1)過分依賴行政區(qū)的管理職能,忽視流域水環(huán)境管理能力的建設(shè)。由于歷史原因,我國的污染管控主要以行政區(qū)為基本單元,流域水環(huán)境管理能力相對欠缺,水污染總量控制和削減也基本上是由國家確定總體控制和削減指標,按照行政區(qū)層層分解和落實。但對于水環(huán)境而言,水資源量、水體污染負荷與水環(huán)境容量的計算,都需要以流域為單元,

17、現(xiàn)行的污染總量控制方案,對于跨行政區(qū)的流域,尤其是跨省界的流域,實施難度很大,在各個行政區(qū)之間開展污染負荷削減指標的分解和分配也存在很大困難,影響了污染控制和削減方案的實施效果。(2)污染總量控制考核指標單一,難以反映不同流域的實際水環(huán)境問題。與美國相比,我國的水污染總量控制和減排考核指標相對單一,第十一個五年計劃期間水污染總量控制的考核指標只有 COD,第十二個五年計劃期間增加了氨氮,但實際上,不同流域的水污染問題非常復(fù)雜,很多污染問題(如重金屬污染)無法通過這 2 個指標反映,對很多流域而言,僅僅控制 2 種污染指標,遠遠不能解決問題。相對而言,TMDL計劃沒有統(tǒng)一規(guī)定需要控制和削減的污染

18、物,而是按照流域水體受損的具體情況,由計劃的制定和實施部門根據(jù)實際情況確定需要開展總量控制的污染指標,有針對性地控制和削減關(guān)鍵污染物的負荷量,不僅更有成效,也避免了治理費用的浪費。(3)污染總量控制和減排目標制定的依據(jù)不充分,未考慮水環(huán)境容量。我國目前的污染總量控制主要還是基于目標總量,基本上是要求所有水體按照統(tǒng)一的比例削減污染物。但我國不同水體和流域水污染狀況的差異很大,對一些重污染水體,削減 10%遠遠不能達到水質(zhì)改善的效果,而對一些水質(zhì)本已達標的水體,無差別地開展污染負荷削減,又造成不必要的浪費；還有一些地區(qū),水質(zhì)超標是由于環(huán)境本底污染或污染削減能力已經(jīng)達到極限,根本無法完成考核目標。T

19、MDL計劃一般根據(jù)流域水環(huán)境容量確定污染負荷削減量,雖然實施過程相對復(fù)雜,但更有針對性，也更加符合實際情況,值得我國借鑒。(4)總量控制和減排未與水質(zhì)掛鉤,缺乏客觀的減排效果考核標準。水體污染總量控制和減排的根本目標是為了改善水質(zhì),但我國目前的總量控制管理體系中,并未要求分析并建立污染負荷與水質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系,環(huán)境管理部門在考核減排效果時,一般是通過審查污水處理廠和工業(yè)企業(yè)污水處理設(shè)施的運行記錄以及當?shù)匚廴酒髽I(yè)的關(guān)并情況來核算污染負荷削減量,不僅工作量巨大,而且效果不理想。由于缺乏客觀的減排效果考核標準,導(dǎo)致污染控制和減排計劃執(zhí)行不力,也難以發(fā)現(xiàn)減排方案實施中的問題并進行調(diào)整。(5)管理與科研

20、脫節(jié),管理方案的制定和實施缺乏理論和技術(shù)支撐。我國目前的污染總量控制和削減計劃主要由政府部門主導(dǎo),科研人員參與較少,管理與科研脫節(jié)的問題比較突出。一方面,污染負荷與水環(huán)境容量的計算、污染削減計劃的制定、后續(xù)效果監(jiān)督監(jiān)測與考核方案的實施等都是技術(shù)性很強的工作,但由于缺乏科研支持,實施效果受到影響;另一方面,科研人員自發(fā)開展的污染負荷與水環(huán)境容量計算等方面的研究,由于缺少實際應(yīng)用和驗證的渠道,也嚴重影響了科研成果的推廣和在實際工作中的檢驗與改進提高。經(jīng)歷改革開放后 30 多年的高速發(fā)展,我國開始進入產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型階段,傳統(tǒng)的高速度、高污染發(fā)展模式已經(jīng)難以為繼,加之全民環(huán)保意識的提高,公眾更加關(guān)

21、注環(huán)境質(zhì)量,無論是中央還是地方政府,都感受到巨大的環(huán)保壓力。如果污染總量控制和減排還是僅僅圍繞抽象的污染物削減量或削減比例，卻不與環(huán)境質(zhì)量掛鉤,污染減排的實際效果無法在水質(zhì)改善方面得到體現(xiàn)的話,各級政府和環(huán)保部門的工作將很難得到全社會的認可。同時,經(jīng)過數(shù)十年的科研積累,相關(guān)領(lǐng)域的研究已經(jīng)有了長足發(fā)展,國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出一大批相對成熟的水動力和水質(zhì)模型,能夠滿足水污染負荷及水環(huán)境容量計算的需求,已經(jīng)具備在我國建立和推廣基于環(huán)境容量和水質(zhì)改善的污染總量管控制度的條件。為進一步提高我國水污染總量控制和管理水平,有必要借鑒 TMDL 國外先進經(jīng)驗,從以下幾個方面加強研究并完善我國的水污染總量管控制度。(

22、1)建立以流域為主體、流域與行政區(qū)相結(jié)合的水污染總量管控模式。從水環(huán)境的特點看,流域既是集水區(qū)域,也是污染物匯集的區(qū)域,基于流域開展污染負荷與水環(huán)境容量計算相對簡單，也更加符合科學規(guī)律,流域應(yīng)當成為水污染總量控制和管理的基本單元,要逐步強化流域水環(huán)境管理機構(gòu)的職能和權(quán)威。同時,考慮到我國的環(huán)境管理主要還是以行政區(qū)為基本單元,短期內(nèi)完全基于流域開展管理還有困難,應(yīng)當建立以流域為主體、流域與行政區(qū)相結(jié)合的水污染總量管控模式,可以考慮按流域計算水環(huán)境容量并確定污染負荷削減定額,根據(jù)兼顧責任與公平性的原則,將削減定額分配到流域內(nèi)不同的行政單元和污染源。(2)建立相對客觀且可操作性強的污染負荷減排效果評

23、估與考核方案。我國水污染總量控制管理目前存在的最主要問題是減排方案難以落實,實施效果難以保障,這其中最主要的原因就是缺乏客觀且可操作性強的污染負荷減排效果評估與考核方案。應(yīng)當借鑒 TMDL的經(jīng)驗,研究水體污染負荷與水質(zhì)變化之間的相關(guān)關(guān)系,依據(jù)水質(zhì)的改善程度來評價污染減排的實際效果,根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)等客觀性指標考核污染減排措施的落實情況?？己酥笜丝梢圆痪窒抻?COD和氨氮等常規(guī)指標,而是根據(jù)不同流域水污染的具體情況,選擇合適的考核指標。(3)加強水質(zhì)模型、污染負荷與水環(huán)境容量計算方面的研究。水質(zhì)模型以及污染負荷與水環(huán)境容量計算是開展污染總量控制管理的重要技術(shù)基礎(chǔ)。長期以來,由于實施的是目標總量控制制度,未對污染負荷與水環(huán)境容量的計算提出硬性要求。因此,我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究相對落后,缺乏符合我國流域特點的水質(zhì)模型以及污染負荷與水環(huán)境容量測算技術(shù),但基于水環(huán)境容量的污染總量控制是今后的大趨勢,我國應(yīng)當在相關(guān)領(lǐng)域加強研究,研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、能夠適應(yīng)我國水環(huán)境特點的水質(zhì)模型以及污染負荷與水環(huán)境容量計算方法。(4)借鑒 TMDL的先進經(jīng)