水质目标管理技术的研究——比弗河流域TMDL计划执行案例研究

王道涵，李晓旭，冯思静，孟 晔，何宇姝，王永刚

（辽宁工程技术大学 环境科学与工程学院，阜新 123000）

水质目标管理技术的研究
——比弗河流域TMDL计划执行案例研究

王道涵，李晓旭，冯思静，孟 晔，何宇姝，王永刚

（辽宁工程技术大学 环境科学与工程学院，阜新 123000）

TMDL计划制定与实施的目标是识别具体污染控制单元及其土地利用状况，根据分级、分区、分类、分期来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，从而促进整个流域执行最好的流域管理与污染控制计划，达到水质目标管理要求。本文以美国比弗河流域TMDL计划执行案例为研究对象，简要分析了水质目标管理技术的计划内容、实施情况及效果评估，并提出了对我国流域水环境管理的启示。

最大日负荷总量（TMDL）；非点源污染；总磷

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”（USEPA，2007），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（梁博等，2004）。TMDL实施包括水质受限水体的识别，按优先顺序来确定需要优先制定TMDL计划的水体，制定TMDL计划，控制措施的执行，水质控制措施的评价。

比弗河在迈纳斯维尔水库，Kents Lake，LaBaron Reservoir和Puffer Lake的上游地区，由于受污染的水体通过渗流和径流等流入到这些水库和湖泊中，对它们的水体造成污染，导致水体富营养化，使农业灌溉、水产养殖和休闲娱乐等重要的使用受到损害，影响到了当地居民的生活（USEPA，2002），因此，比弗河流域实施TMDL计划是迫切和必须的。

1 TMDL计划框架内容

1.1 水质受限水体识别

水质受限水体是指已经实施水污染控制措施以后，仍不能符合水质目标的水体。EPA水质规划与管理办法中对水质受限水体的识别做了具体的规定，指出：水体在实施了污染措施后，仍不能满足水质标准时，水体需要实行TMDL计划。这里的控制措施包括：《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)；联邦、州和当地有关部门规定的其他污染控制措施（如最佳管理措施BMPs）（邢乃春等，2005）。

1.2 按优先顺序来确定需要优先制定TMDL计划的水体

水体优先顺序要考虑水体受污染的程度和使用的功能，还有对人们生活健康和对水生生物生活的影响程度等，然后使用具体的排序方法对水体进行优先排序，排序的方法一般由有关部门自己制定。

1.3 制定TMDL计划

比弗河流域主要的污染问题是溶解氧过度损耗和富营养化，对流入水体所造成这些问题的污染物进行总量估算，然后执行水体污染预测分析，确定允许的污染负荷量，在确保水体已经达到水质标准的情况下，还需考虑安全临界值的问题。

1.4 控制措施的实施

TMDL计划制定之后，由有关的部门对污染控制措施进行实施。先要对水质管理计划更新，然后按照TMDL计划制定的污染负荷分配目标进行对点源和非点源的分配。

对于点源的排放限制，国家有污染物排放消减体系（NPDES）的排放许可证。

对于非点源，好多国家一般采用的措施，如最佳管理办法（BMPs）。美国环境保护署（USEPA）将BMPs定义为“任何能够减少或预防水资源污染的方法、措施或操作程序，包括工程、非工程措施的操作和维护程序”（代才江等，2009）。

1.5 效果评估

对实施了TMDL计划的目标水体的水质、点源和非点源进行监测，来评估TMDL计划对水质改善的有效性。

2 比弗河流域TMDL计划

2.1 比弗河流域概况

比弗河流域位于盐湖城的南部大约160英里和50英里以北的锡达城区域内的盆地地区（图1）。流域约320000亩，约占比弗城的306000亩和艾昂县14000亩，流域被Tushar山脉的东北部和东部， Circleville山的东南部、Black山、Mahogany Knoll和Jack Henry Knoll的南部，Mineral山脉以西，Gillies山、Woodtic山和Wittwer山的北部所围绕。流域地区的主要经济收入是依靠牛肉和奶制品的制作等农业生产和附近的国家森林和迈纳斯维尔公园提供的旅游业等方面。

2.2 TMDL计划研究

比弗河流域的主要污染情况为富营养化，其中牧场和草地产生的灌溉回流和水位线以下的放牧已被确定为这是污染物进入比弗河流域的主要来源。

犹他州的水质部门与当地的部门对比弗河流域进行水质监测，CWA建议将其确定为非点源流域。

2.2.1 受损的水域

在1998年的水体受损水域名单303(d)列表中比弗河及其他流域的污染物如表1所示。

2.2.2 水质标准

比弗河流域TMDL计划侧重于恢复水的功效，并达到犹他州的水质标准。根据“美国的水质标准”（犹他州行政法规R317-2），冷水渔业的溶解氧标准为4.0 mg·L−1，冷水渔业的水温标准为20℃，河流与湖泊的总磷标准分别为0.05 mg·L−1、0.025 mg·L−1。

2.2.3 比弗河流域总磷的分析

在比弗河流域设置十个监测站，这十个站点检测出的总磷平均浓度为0.046 ～ 0.125 mg·L−1，站点9和站点10（上游）总磷的平均浓度显著比其他8个站点偏低，站点4到站点10的总磷百分率从100%下降到26.5%，样品的百分比超过国家指标范围的0.05 mg·L−1，除了站点4、9、10，其他所有站点都超过国家标准至少93.9%。

图1 比弗河流域Fig.1 Beaver River Watershed

表1 比弗河流域受损水体Table 1 Impaired waterbodies of Beaver River Watershed

农业土地的灌溉，肥料的使用和饲养牲畜的位置，是比弗河流域磷的重要来源。动物的粪便会产生高浓度的磷，饲养的位置越接近流域，磷就越容易进入水中，流域地段的特点不同，磷的移动速度也不一样。

2.2.4 控制措施

比弗河流域指导委员会实施了几项计划来控制磷的流入：1、实现最少80个综合营养管理计划；2、水库的水位线以下减少或消除放牧；3、管理草场放牧以减少磷径流潜力；4、改善土地灌溉输水系统；5、恢复和保护河岸走廊使河岸稳定；6、增加植被多样性，提高牧场土壤的稳定性。

2.2.5 TMDL责任分配

迈纳斯维尔水库清洁湖泊研究是将一部分量化的总磷输入到迈纳斯维尔水库（1995），提取干净的湖泊数据来研究每年的负荷率，除了有另外的说明（表2），每年流速如下：长期流量（英亩英尺）=比弗河（38154）+沟渠（2785）+径流（779）+降水量+地下水（858）=43820；研究期间流量（英亩英尺）= 16958。

表2是指长期以来，在直接靠近水库放牧区的水已经退去后，磷产量的平均流量将产生0.026毫克/升的额外数值。

表3是根据表2中的数据，摘要的年度负荷。负荷的计算如下：负荷（公斤/年）=平均浓度（毫克/升）×若干的英亩英尺/年×1233立方米/水量×1000升/立方米×1千克/1000000毫克。例如0.14毫克/升×38154水量/年×1233立方米/水量×1000 升/立方米×1 千克/100000毫克=6586千克/年。

893.1 是一个因素，可以用来乘以浓度（毫克/升）并乘以流量（立方尺/秒），得到公斤/年，其计算方法为：立方英尺 /秒×60秒/分钟×60分钟/小时×24小时/天×365天/年×28.32 升 / 立方英尺×1公斤/ 1000000毫克= 893.1。例如0.14毫克/升×52.7立方尺/秒（38154水量）×893.1=6589千克/年。

根据表2、3中的数据进行营养状态分析，来确定迈纳斯维尔水库的负荷分配。迈纳斯维尔库的年度负荷量取决于流量，所以，禁止水库水位线以下放牧则减少流入总磷的浓度。

如果停止水库周围放牧（表2），每年磷的流入量都会显著降低，那么就可允许长期放牧所产生的约1397千克/年或大约60%的载荷量。

表2 年度总磷负荷的观测和目标Table 2 Annual total phosphorus loading observations and goals

表3 迈纳斯维尔水库年度总磷负荷总结Table 3 Summary of annual total phosphorus loads to Minersville Reservoir

通过对非点源源头的控制，实施动物饲养区（AFAs）发展优先级选择标准，进一步削减总磷的来源，CRMP建议AFAs制定和实施综合营养管理计划来减少磷的负荷。

综合管理营养计划实施水质最大化优先级，首先控制动物粪便是当前的重点项目。初始分配已经确定为：动物粪便项目60%，水功能改善项目20%，河边与河岸改善项目15%，高地修复项目5%。每个项目设立的具体标准都是根据CRMP对水质进行改善和管理。

3 对我国流域治理的启示

由于我国国土面积广阔，地区差异显著，流域富营养化是在不同区域的不同自然和社会条件下形成的，不仅受到当地气候、水文、地质、地貌、生物等自然条件的影响，还受到区域土地的利用方式、人口、农业现代化水平、城市化和工业化水平等因素的影响，导致了富营养化具有区域分异特点。所以，要控制流域的富营养化，就需要采用我国水环境管理总量分配的方案，实行分级、分区、分类的控制策略。

高效的流域管理是实施水环境管理总量分配计划的关键，目前我国的流域管理体制存在诸多问题，主要表现在四个方面。（1）各相关部门的职能定位不清，流域管理与行政区域管理的职责不清晰。（2）流域与区域、区域与区域、部门和部门之间缺乏统一的管理机制。（3）缺乏完善的流域管理体系。（4）水资源保护的措施很难落实；流域管理机构缺乏有效的管理手段，依法行政的管理职责难以到位。这些问题严重地影响了流域水资源的有效保护。因此，在流域富营养化问题日益突出的情况下，加强这些方面的研究是非常重要的。

比弗河流域水质治理的过程中，各政府间的协同治理、非点源的氮磷污染限制、广泛的公众参与是水质治理中必不可少的部分。美国为了改善阻碍不同部门和领域间整体合作的现状，在2000年公布了统一联邦政策《联邦土地和资源流域管理方法》，这是在环境保护局、农业部、商务部、国防部、能源部以及内务部之间合作框架内对于流域管理必要性的一种认同（赵永宏等，2010）。为了实现共同合作，必须进行流域信息的共享，地方居民和管理机构提供的信息用于流域决策，通过信息的提供使得公众参与成为可能。公众参与也是TMDL计划顺利实施的一部分，这是确保长期目标的实现和恢复供水质量的关键。

通过比弗河案例研究可以发现流域管理、公众参与、完善流域法律法规体系、加强法律保障、控制非点源污染等措施在流域富营养化控制中的重要作用（何天龙，2012），这给我国的流域富营养化控制提供了借鉴，也是我国今后控制流域富营养化不可忽视的方面。

代才江, 杨卫东, 王君丽, 等. 2009. 最佳管理措施（BMPs）在流域农业非点源污染控制中的应用[J].农业环境与发展, 4: 65–67. [Dai C J, Yang W D, Wang J L, et al. 2009. Best managment practices (BMPs) in the application of the watershed agricultural non-point source pollution [J]. Agro-Environment and Development, 4: 65–67.]

何天龙. 2012. 湖泊富营养化控制中的问题及对策研究——以太湖流域为例[D]. 南京: 南京大学. [He T L. 2012. The study on problems and countermeasures in the lake eutrophication control: take the Taihu Lake valley as the example [D]. Nanjing: Nanjing University.]

梁 博,王晓燕,曹利平. 2004. 最大日负荷总量计划在非点源污染控制管理中的应用[J].水资源保护, 4: 37– 41. [Liang B, Wang X Y, Cao L P. 2004. TMDL program in non-point source pollution control and management application [J]. Water Resources Protection, 4: 37– 41.]

邢乃春, 陈捍华. 2005. TMDL计划的背景、发展进展及组成框架[J]. 水利科技与经济, 9: 534 –537. [Xing N C, Chen H H. 2005. Introduction to background and development and framework of TMDL [J]. Water Conservancy Science and Technology and Economy, 9: 534 –537.]

赵永宏, 邓祥征, 战金艳, 等. 2010. 我国湖泊富营养化防治与控制策略研究进展[J].环境科学与技术, 3: 92–98. [Zhao Y H, Deng X Z, Zhan J Y, et al. 2010. Progress on preventing and controlling strategies of lake eutrophication in China [J]. Environmental Science and Technology, 3: 92–98.]

USEPA. 2007. Overview of current total maximum daily load-ft-mdl-f program and regulations. http:PPwww.epa. govPowowPtmdlPintro.html.

USEPA . 2002. Utah Department of Environmental Quality Division of Water Quality TMDL Section Beaver River Watershed TMDL [EB/OL] . http://water.epa.gov/ lawsregs/lawsguidance/cwa/tmdl/upload/2002_07_16_ tmdl_examples_disoxygen_ut_beaver_f.pdf .

Water quality target management technology—A case study of TMDL implementation of Beaver River Basin planning

WANG Dao-han, LI Xiao-xu, FENG Si-jing, MENG Ye, HE Yu-shu, WANG Yong-gang
(College of Environmental Science and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China )

The target of TMDL program formulation and implementation was to identify the choice of pollution control unit and its land use status. The control measures would be put forward from the unit point source and non-point source pollutants concentration of emission and its total discharge according to the grade, region, type, and term. This promoting the whole basin executed the best watershed management and pollution control plan to meet the water quality target management requirements. In this paper, taking the TMDL program of Beaver Creek watershed in the US as a case, then the plan content of water quality target management technology, implementation and evaluation would be analyzed brief y, and the revelation of water environment management in China was put forward.

Total Maximum Daily Loads (TMDL); non-point source pollution; total phosphorus

10.7515/JEE201404008

X524

A

1674-9901(2014)04-0282-05

2014-03-26

国家重大水专项（2012ZX07505005）

李晓旭，E-mail: alice1372@163.com