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TMDL计划在流域水污染物总量控制中的应用
&&&&&&本期共收录文章20篇
　　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。中国论文网 /7/view-3819472.htm　　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：　　[1]杨 桐， 杨常亮， 毛永杨. 流域水污染物总量控制研究进展[J]. 环境科学导刊， 2011， 30（4）：12～16.　　[2]王彩艳， 彭 虹， 张万顺， 等. TMDL技术在东湖中的应用[J]. 武汉大学学报， ）：665～668.　　[3]Committee to review the New York city watershed management strategy water science and technology board. Watershed management for potable water supply [M]. Washington D C： National Academy Press，2000.　　[4]邢乃春， 陈捍华. TMDL计划的背景/发展进程及组成框架[J]. 水利科技与经济， 2005， 11（9）： 534～537.　　[5]杨 龙， 王晓燕， 孟庆义. 美国TMDL计划的研究现状及其发展趋势[J]. 环境科学与技术， 2008， 31（9）： 72～76.　　[6]叶兴平， 张玉超. TMDL计划在污染物总量控制规划中的应用初探[J]. 环境科学与管理， 2008， 33（8）： 13～16.　　[7]陈丁江， 吕 军， 金树权， 等. 非点源污染河流的水环境容量估算和分配[J]. 环境科学， 2007， 28（7）： .　　[8]王少平， 俞立中， 许世远， 等. 基于GIS的苏州河非点源污染的总量控制[J]. 中国环境科学， 2002， 22（6）： 520～524.　　[9]周 雯， 任秀文，李适宇. TMDL中MOS的定量估算方法及其应用[J]. 新疆环境保护， 2011， 33（2）： 21～28.　　[10]HARMEL R D. Uncertainty in TMDL models[J]. Transactions of the ASABE， 2006， 49（4）： .　　[11]牛丽冬， 王晓燕. 基于TMDL的WARMF模型在水污染控制管理中的应用[J]. 水资源保护， 2012， 28（2）： 20～24.
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隐藏全部&&&&&&徐宗学，男，1962年生，山东省淄博市人。1988年获武汉水利电力学院工学博士学位，同年到清华大学水利系任教，1997年获德国“洪堡”奖学金，2007年获得澳大利亚联邦政府教育科学部（DEST）&“Endeavour。Executive&Awards”和联合国教科文组织（LJNESCO）国际水文计划（1HP）中国国家委员会“国际水文合作突出贡献奖”。先后在日本九州大学、山梨大学．建设技术研究所，德国鲁尔大学及澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）从事研究工作或任教10余年。现为北京师范大学“京师学者”特聘教授、博士生导师，水科学研究院副院长。并担任国际水文科学协会（IAHs）中国国家委员会副主席、联合国教科文组织（LJNESCO）国际水文计划（1HP）中国国家委员会委员、全球水系统计划中国委员会（CNC—GWSP）委员等，同时兼任中国科学院博士生导师。在水文风险率分析、日径流随机模拟、分布式水文模型、水循环对气候变化的响应、洪水预测预报、生态水文过程以及水资源系统分析等领域发表学术论文220余篇，其中被SCI、EI与IsTP三大检索系统收录论文80余篇。
隐藏全部&&丛书序序一序二前言第一篇&水文模型基础绪论第一节&水循环与水文模型第二节&水文模型发展回顾第三节&水文模型的分类、应用及发展前景第四节&小结第一章&流域与流域水循环第一节&流域和水系第二节&流域水循环第三节&流域特征第四节&流域数字高程模型第五节&数字流域与水文模型第六节&本章小结第二章&降水过程模拟第一节&降水及其分类第二节&降水要素及其时空分布特征第三节&平均降水量计算方法第四节&降雪与降雨量划分第五节&融雪积雪过程模拟第六节&本章小结第三章&地表截留和入渗过程模拟第一节&植物截留与填洼过程第二节&下渗物理过程第三节&天然条件下的下渗过程第四节&经验下渗曲线第五节&本章小结第四章&蒸散发过程模拟第一节&蒸散发及其影响因素第二节&流域蒸散发第三节&潜在蒸散发量估算第四节&实际蒸散发量估算第五节&本章小结第五章&地下水过程模拟第一节&地下水运动基本概念第二节&含水层分类与特性第三节&地下水运动模拟第四节&地下水运动数学模型与解法第五节&本章小结第六章&产汇流过程模拟第一节&径流形成过程第二节&径流组成第三节&流域产流过程模拟第四节&圣维南方程组及其简化第五节&流域汇流过程模拟第六节&河道洪水演算第七节&本章小结第七章&水文模型评估第一节&模型选择第二节&模型率定第三节&模型验证第四节&模型评价第五节&本章小结第二篇&概念性水文模型第八章&新安江模型第一节&二水源新安江模型第二节&三水源新安江模型第三节&新安江模型改进第四节&新安江模型应用实例第九章&水箱模型第一节&水箱模型基本原理第二节&湿润地区的水箱模型第三节&干旱和半干旱地区的水箱模型第四节&融雪积雪过程模拟第五节&模型参数优选第六节&水箱模型在牧马河流域的应用第七节&本章小结第十章&SWMM模型第一节&概述第二节&模型基本结构第三节&模型输入参数第四节&应用研究进展第五节&计算实例第六节&本章小结第十一章&PRMS模型第一节&概述第二节&日径流模拟第三节&次洪过程模拟第四节&参数优化与灵敏度分析第五节&应用实例第六节&本章小结第十二章&HSPF’模型第一节&模型基本功能第二节&模型基本原理第三节&模型改进与功能扩展第四节&应用实例第五节&本章小结第十三章&HBV模型第一节&概述第二节&模型基本原理第三节&HBV模型在径流模拟中的应用第四节&HBV模型应用实例第五节&本章小结第三篇&分布式与半分布式水文模型第十四章&TOPMODEL第一节&概述第二节&TOPMODEL基本结构第三节&BTOPMC第四节&改进的TOPMODEL及其功能第五节&GIS技术在TOPMOODEL中的应用第六节&TOPMODEL应用实例第七节&本章小结第十五章&SHE模型第一节&概述第二节&SHE模型基本结构第三节&SHE模型基本功能的扩展第四节&模型参数与数据需求第五节&模型应用实例第六节&本章小结第十六章&SWAT模型第一节&概述第二节&模型基本原理与结构第三节&模型输入与输出第四节&主要模块简介第五节&模型率定与不确定性分析第六节&应用实例第七节&本章小结第十七章&VIC模型第一节&引言第二节&模型基本原理第三节&参数率定与移植第四节&陆地尺度流域水文模拟及应用第五节&本章小结第十八章&TOPKAPI模型第一节&概述第二节&TOPKAPI模型概念与推导第三节&TOPKAPI模型应用的尺度问题第四节&分布式TOPKAPI模型应用实例第五节&ArcTOP：TOPKAPI与GIS耦合的分布式水文模型系统第六节&本章小结第十九章&考虑植被作用的新安江模型第一节&概述第二节&数字流域水系第三节&考虑植被作用的新安江模型基本原理第四节&考虑植被作用的新安江模型应用实例第五节&本章小结第二十章&PDTank模型第一节&概述第二节&PDTank模型基本结构第三节&PDTank模型中基本方程式的差分解法第四节&PDTank模型应用实例第五节&本章小结参考文献
隐藏全部&&&&&&地球上以液态、固态和气态形式分布于海洋、陆地、大气和生物体内的水体构成了地球上的水圈。水圈中的各种水体在太阳能和大气运动的驱动下，不断地从水面、陆面以及植物的茎叶表面，通过蒸散发以水汽形式进入大气圈。在适当条件下，大气圈中的水汽又凝结成小水滴，小水滴相互碰撞合并成大水滴，当凝结的水滴大到能克服空气阻力时，就在地球引力的作用下，以降水形式降落到地球表面。到达地球表面的降水，一部分在分子力、毛管力和重力的作用下通过地面渗入地下；一部分则形成地表径流，在重力作用下流人江、河、湖泊，最后汇人海洋；还有一部分通过蒸散发重新逸散到大气圈。渗入地下的那部分降水，或者被土壤颗粒吸收变成土壤水，再经蒸散发回到大气中，或者以地下水形式排人江、河、湖泊，再汇人海洋。水圈中的各种水体在太阳辐射和地心引力的作用下，通过这种不断蒸发、水汽输送、凝结、降落、下渗、地表和地下径流的往复循环过程，称为水循环或水文循环。按水循环的规模与过程，一般分为大循环和小循环。从海洋蒸发的水汽，被气流输送到大陆形成降水，其中一部分以地表和地下径流的形式从河流汇人海洋；另一部分重新蒸发返回大气。这种海陆间的水分交换过程，称为大循环。在大循环运动中，水分一方面在地面和大气中通过降水和蒸发进行纵向交换；另一方面通过河流在海洋和陆地之间进行横向交换。海洋从空中向陆地输送水汽，陆地则通过河流把水输送到海洋里。陆地也向海洋输送水汽，但与海洋向陆地输送的水汽相比，其量很少。所以，海洋是陆地降水的主要水汽来源。海洋上蒸发的水汽在海洋上空凝结后，以降水的形式降落至海洋里，或陆地上的水经蒸发凝结后又降落到陆地上，这种局部的水循环称为小循环。&&&&按照研究尺度的不同，水循环可以分为全球水循环、流域水循环和水一土一植物系统水循环三种。全球水循环是空间尺度最大的水循环，也是最完整的水循环，它涉及海洋、大气和陆地之间的相互作用，与全球气候变化关系密切。流域水循环即为流域降雨径流形成过程，降落到流域上的雨水，首先满足植物截留、填洼和下渗，其余雨水形成地表和地下径流，汇人河网，再流至流域出口断面。水一土一植物系统是一个由水分、土壤和植物构成的系统，水一土一植物系统水循环是自然界空间尺度最小的水循环。降水进入该系统后，在太阳能、地球引力等作用下发生截留、填洼、下渗、蒸发、散&&&&……
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