TMDL计划在武汉东湖水污染控制中的应用.doc

1、前言随着全球水环境污染的日益严重，人体健康和经济社会发展受到严重威胁，世界各国纷纷采取了多种减轻污染、改善水质的措施。美国最大日负荷总量TMDL计划属于国际上水质管理较先进的措施之一1。TMDL（Total Maximum Daily Load，最大日负荷总量）是指“在满足水质标准的条件下，水体能够接受的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的变化，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”。其目标是识别具体污染控制单元及其土地利用状况，对单元内点源和非点源污染物的排放浓度和总量提出控制措施，从而引导整个流域执行最好的流域管理计划。TMDL计划把水资源保护由过去单纯的污染源控制逐渐转变为根据生态健康和生态功能来控制污染。美国许多州已对各自行政区域内的水质受限水体实施了TMDL计划，19962006年已达2.2万多个。目前，我国只有少数学者对美国TMDL计划进行了初步研究。武汉市正在建设两型社会，作为最大的城中湖泊东湖水质的改善对于城市形象的提升和人民生活环境的改善有着不可取代的作用。因此，实施东湖水质TMDL计划是迫切和必需的。国外的TMDL研究主要以流域为单位，且极少考虑点源污染。鉴于我国与东湖的实际情况，本文将点源污染放在和面源、底泥污染同等重要的地位，通过对监测数据的处理分析，提出东湖TMDL计划，旨在为东湖富营养化工程治理方案的拟定提供参考资料。2、TMDL简介2.1 TMDL产生的背景二十世纪六七十年代，美国对工业和市政产生的点源污染十分重视，尤其在实施清洁水法(Clean Water Act)后，通过推行“污染物排放削减计划”(National Pollutant Discharge Elimination System，NPDES)对点源污染进行了有效控制，基本上解决了点源污染问题，但是水质状况并未得到根本改善”。随后，美国政府开始注意非点源污染对水质的威胁，并认识到非点源污染才是导致河流、湖泊及河口地区地表水污染的主要原因，也是造成地下水污染和湿地生态环境退化的主要原因”。此外，美国早期的水质管理政策只强调水体化学质量，忽略了水体的整体生态功能，虽然花费大量资金和人力来降低水体中的化学物质含量，但却不能恢复某些需要的生态功能。因此，联邦水质监测委员会提出清洁水计划应在流域基础上实施，流域管理的重点是保护水体的化学、物理和生物的总体功能，加强水生生态系统的正常循环功能和保护生物多样性及整体性，而不仅仅局限于减少化学污染物，污染问题的评价范围；不仅包括评价水体的化学污染物是否超标，还应评价流域的生态系统功能是否正常。基于以上背景，美国国家环保局(USEPA)1972年根据清洁水法303(d)款对美国各个州的水域水体的水质标准和相应的 TMDL 计划的制定和实施都做了具体的规定。其目的在于通过同时控制点源和非点源污染来实现水环境质量标准，以法令形式要求各州识别每一重点水域的非点源负荷并确定其削减量，使非点源污染成为水污染负荷总量控制的重要组成部分2。目前EPA法规要求各州、领地及部族每2a必须向EPA汇报当地水体的整体卫生情况及水体是否达到了水质标准。如果采用了最优的水处理技术， 仍然没有达到相应的水质标准， EPA则要求州、 领地和部族对这类水体制定并实施TMDL计划3。2.2 TMDL计划的定义TMDL（Total Maximum Daily Load，最大日负荷总量）是指“在满足水质标准的条件下，水体能够接受的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的变化，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4”。2.3 TMDL计划的实施过程TMDL计划研究的基本流程分为5个步骤（图2-1）：(1) 水质受限水体的识别；(2) 选择水质指标，确定指标值；(3) 制定TMDL计划；(4) 控制措施的实施；(5) 效果评估。 图2-1最大日负荷量（TMDL）的技术流程52.3.1水质受限水体的识别EPA的清洁水法规定，各个州必须每3a对各州所属水体的水质标准进行评估并重新修订，国家污染物排放削减体系（NPDES National Pollutant Discharge Elimination System）许可证应每5a进行重新核定。现行的TMDL计划的评估部分将这两个过程有机地结合在了一起。TMDL计划的第一步便是对所谓的“问题水体”，即水质受限水体进行识别。所谓水质受限水体，指那些即使实施了1972年水污染控制修正案所规定的排放限制，也无希望实现水质标准的水体。而水质标准是评估水体水质状况和实施所需污染控制措施的基础和准绳。各州的水质标准包括3个组成部分：水体指定的使用功能、用于保护水体使用功能的指标（包括物理、化学和生物指标）以及防止水质恶化政策规定。各州应当对那些任何未能满足这3条水质标准要求之一的 水体进行识别。EPA的水质规划与管理办法对水质限制河段的识别做了具体规定。规定指出：当某水体在实施了一定的污染控制措施后，仍然无法满足水质标准时，则该水体需要实行TMDL计划。这些控制措施包括：清洁水法中规定的基于技术的排放限制；联邦、州及当地有关部门规定的比基于技术的排放限制更加严格的排放限制（包括禁止排放）；以及联邦、州和当地有关部门规定的其它污染控制措施（如最佳管理措施 BMPs）。2.3.2选择水质指标。确定指标值这部分的目的就是识别可测量的或可定量化的指标， 并确定指标值， 用于评价清单所列水体水质标准的可达性。一般来说，TMDL计划的指标值都是可定量化的，但在某些情况下，TMDL也应对不存在定量化水质指标的污染开发一些参数，当定量指标不存在时，就可用叙述性指标或通过水体功能的描述（如渔业养殖）来反映水体的受损程度。估算水质指标值的方法有：(1) 对比参考点。通过对比参考点确定水质指标值，一般有两种对比方式：收集受污染的水体资料，然后从相似的没有受污染或受污染程度最小点收集资料作对比；从当前受污染点收集资料和收集这一点在没有受污染以前的资料作对比，利用这些参考点的条件可能推算出TMDL计划中指标的标准。然而这种方法缺点有可能不能反映真实情况。(2) 对照现存的分类系统。Vollenweider和Kerekes(1980)通过对美国北部湖泊观察、实验、利用模型估算出这样的分类系统，这个系统通过利用不同指标把湖泊富营养化程度加以区分，例如P的质量浓度20g/L被认为是富营养化湖泊。虽然实际水体的条件与参照系统的条件不尽相同，但是选择指标值时，可供参考。(3) 利用参考值和最好职业人员的判断。Welchetal(1988)对美国和瑞典的22个溪流进行研究，总结出叶绿素生物量的变化范围是100150mg/m2，他认为这也许对于水体景观方面的妨碍是个关键的指标值。在判断水体指标值时，判断者的职业对于指标值的准确程度具有重要意义。然而以上这些方法并非孤立，可以联合使用。2.3.3制定TMDL计划1、每日的“降解容量”即指水体每日通过光、物理、化学和生物等自净作用所消耗的污染物的量。其计算公式为：式中，为平均水面面积；为平均水深；为水体降解系数；为水质控制目标浓度。2、外源负荷污染负荷分配是将容许排放量在点源和非点源及污染个体之间的进行分配。其中，外源负荷计算公式为：式中，为容许的现存和未来点源的污染负荷；为容许的现存和未来非点源的污染负荷；为安全临界值，指污染物负荷与受纳水体水质之间关系的不确定数量，EPA推荐的安全临界值为TMDL的510。3、内源负荷内源负荷P的计算公式为：式中，为水面面积；为底泥释放系数；为底泥平均浓度；为水质控制目标浓度。2.3.4控制措施的实施一旦TMDL计划制定完成后，接下来就应该由州或EPA对污染控制措施进行实施了。实施的第一步是对水质管理计划进行更新， 接着按 TMDL计划中制定的污染负荷分配目标对点源和非点源进行分配。国家污染物排放削减体系（NPDES National Pollutant Discharge Elimination System）的排放许可证用于限制点源的排放。公共污水处理厂（POTWs）的建设决策和先进的污水处理设备的安装决策也必须符合基于技术或基于水质的排放限制要求。这些决策应保持一致，这样才能保证污水处理厂的排放要求与许可证的排放要求一致。对于非点源，州和当地法律应保证非点源控制措施的实施，如采用最佳管理办法 （BMPs Best Management Practice）。清洁水法319条款的州管理规划是实施非点源控制措施和保证水质的有效工具。然而，很多情况下，实施BMPs的地方甚至没有相应的规划。在这种情况下，需要州专门制定相应文件， 用来协调州与地方部门、 土地主人、 操作人员和管理人员之间的关系，然后对BMPs的实施、维护和总体效果进行评估，以保证负荷的合理分配.2.3.5效果评估水质监测是基于水质的污染控制措施的关键组成部分。有了监测数据，才能评估TMDL和控制措施对水质的保护和环境的改善的有效性。对于点源， 由于 NPDES排污许可证要求排污单位提供相应的排污报告，评估相对比较容易。某些情况下，许可证还要求排污单位提供污染排放对受纳水体的影响评估。只要有足够的信息用于填写排污许可证，监测要求就可作为一项特殊的条件附在排污许可证上。还鼓励各州采用创新的监测方法，以便为点源和非点源提供足够的监测信息。州还应该保证提供有效的监测方法用于评估非点源污染控制措施。EPA高度重视监测在州非点源管理规划中的作用。3、武汉东湖水的TMDL计划3.1水质概况东湖位于武昌东部，是武汉市主城区中最大的湖泊，也是中国最大的“城中湖”。由于长期的城市污水以及生活垃圾入湖，水体面临着生态功能严重退化、富营养化明显的现状。东湖截污工程从20世纪80年代开始启动，截至目前，周边的污水收集与处理系统基本建成，目前只剩少数几个排污口，但水质依然较差。图3-1 东湖平面示意3.2 TMDL计划东湖由8个子湖组成，鉴于资料有限，本文选取水果湖、郭郑湖、庙湖、汤菱湖、后湖进行TMDL模型的分析计算。(1) TMDL指标选择东湖的主要污染情况为富营养化，根据有关文献资料，总磷、总氮为富营养化必不可少的污染指标6，而COD是其他污染指标中权重最大的，所以选取总磷、总氮、COD为评价指标。(2) TMDL的确定东湖总氮、总磷、COD的降解系数分别取为0.008，0.005，0.015 L/d。东湖的目标水质为类水，根据国家地表水水质标准(GB38382002)类水体总磷、总氮、COD的浓度控制含量分别为：0.05，1，20 mg/L。依据东湖水深与面积等基础资料，按照式计算出东湖各子湖的TMDL。(3) 外源负荷 点源负荷。东湖水质主要为、V类，根据国家城镇污水处理厂污染物排放标准(GBl89182002)，总磷、总氮、COD的最高允许排放浓度分别为3，20，100 mg/L，水果湖、郭郑湖、庙湖排污口的排放量依次为1.1107，6.2107，5.74107m3/a。根据公式计算出东湖各子湖的点源污染。由于后湖、汤菱湖没有排污口，故不用考虑点源的污染，只需考虑面源污染与内源底泥的污染。 面源负荷。采用的相应面源污染的输出系数为：森林0.05、城市0.90、农业0.30、水域0.10。由公式：可得东湖各子湖的面源负荷。(4) 内源负荷表3-1为东湖各子湖泊底泥总磷(TP)、总氮(TN)、COD平均浓度，已知底泥平均浓度、底泥释放系数等，根据式可计算东湖各子湖内源负荷。 表3-1 东湖底泥平均浓度 mg/L 湖区名称TPTNCOD水果湖1.152.2427.87 郭郑湖0.801.1820.45汤菱湖0.601.0518.00庙湖1.156.7835.92后湖0.601.2818.36已知TMDL，内源污染P，以TMDL减去P所求出的值即为外源污染所容许排放的TMDL。(5) 安全临界值根据东湖的实际水环境状况和相关研究成果，用TMDL的10为安全临界值。(6) 污染负荷分配及控制措施 表3-2 东湖总磷污染负荷分配 g/d湖区名称TMDLPTMDL外源LAsWLAsMOS水果湖1.8061.71-59.91128.22330000.18郭郑湖74.121632.00-1557.885283.701859887.41汤菱湖27.69474.98-447.291973.622.77庙湖10.08366.30-356.22718.741722901.01后湖27.69474.98-447.291973.622.77由表3-2可以看出，东湖总磷污染已经相当严重，内源污染已经大大超出了其承载能力，因此应在采取有效措施降低内源污染的基础上控制外源污染。从表中还可以看出，水果湖、郭郑湖、庙湖的外源污染主要为点源污染，汤菱湖、后湖的主要外源污染为非点源污染。 表3-3 东湖总氮污染负荷分配 g/d湖区名称TMDLPTMDL外源LAsWLAsMOS水果湖5.7669.56-63.80128.222200000.58郭郑湖237.18391.68-154.505283.70123992023.72汤菱湖88.6043.1845.421973.628.86庙湖32.261924.74-1892.48718.7411486003.23后湖88.60241.81-153.211973.62-8.86由表3-3可以看出，水果湖、郭郑湖、庙湖、后湖的内源总氮污染已经超过了其负荷能力，只有汤菱湖还有一部分负荷容鼍可以容纳外源污染。除此之外，水果湖、郭郑湖、庙湖的点源污染在外源污染中占相当大的比例。 表3-4 东湖COD污染负荷分配 g/d湖区名称TMDLPTMDL外源LAsWLAsMOS水果湖215.82441.51-225.69128.22110000021.58郭郑湖8894.40979.207915.205283.706199600889.44汤菱湖3322.32-1727.205049.521973.62332.23庙湖1209.905301.36-4091.46718.745743000120.99后湖3322.32-1416.304738.621973.62332.23由表3-4可以看出，水果湖、庙湖的COD污染已经超过了其负荷能力，汤菱湖、后湖的COD污染较小，可以满足负荷要求。并且，水果湖、郭郑湖、庙湖的点源污染在外源污染中所占比重较大。综合以上分析结果可知： 东湖的内源污染已经很严熏，控制内源污染在东湖富营养化治理中占据 着很重要的地位。对于内源污染来说，底泥处理是很重要的。现阶段最好的办法是，将污染较重的底泥挖除，减少底泥对水体的污染。挖出的底泥可以制砖或作肥料，这样既可以减轻底泥污染，又可以将底泥作为资源回收利用，减少二次污染并获得一定的经济效益。 外源污染在东湖污染中也不可小觑，其中点源污染比较容易控制，常见的方法有：在排污口增加脱磷、脱氮设施，或处理污水使其达标排放；严格控制新增点源，新增点源应在排污交易市场购得排污权，或采用新技术实现“零”排放。 面源污染的控制较困难，目前通用的方法为：对于医院排出的废水，应严格控制，最好建设专门的减污设施来清除医院的废水后，再间接排除；对于沿湖的餐厅、饭店较多的地方，应及时清扫路面，防止雨水将污染物质冲入水体中；单独处理雨水，集中处理垃圾，且日清日干；改善水产养殖过程饵料的释放速度，提高营养物的利用率，同时改变投饵方式；在农业排水方面，减少化肥使用量，提高肥料利用率，依靠土地处理系统使排出物、垃圾肥料化，同时可以结合景观生态设计减少污染物进入水体的数量；对家畜排水进行处理或土地还原；城市大气污染烟尘控制区内，严格执行烟尘控制规定，防止降尘经降雨产生二次污染7。4、结语TMDL计划在美国的实施表明，该计划无论在点源还是非点源的污染综合控制方面成效显著。中国可以在借鉴美国TMDL计划制定和实施经验的基础上，开发研究与中国污染物总量控制制度相结合的TMDL计划，科学合理地在点源与非点源、各个污染单位之间分配污染物允许排放量，