最大日负荷总量(TMDL)技术在农业面源污染控制与管理中的应用与发展趋势

介绍了美国最大日负荷总量(totalmaximum daily load,TMDL)计划的基本内容、基本原理和实施步骤,综述了TMDL计划在国内外实施中常用的流域模型,如SWAT、HSPF和AnnAGNPS模型的研究进展,以及TMDL计划中使用的最佳管理措施(BMPs)及TMDL不确定性分析方面的研究现状。最后,提出了TMDL技术的发展方向,结合我国环境保护和总量控制技术体系现状,展望了TMDL技术在我国农业面源污染控制与管理中的应用前景。

最大日负荷总量计划在非点源污染控制管理中的应用

概述了美国环保局提出的最大日负荷总量(TMDL)计划的背景、发展进程、组成框架,介绍了TMDL计划的主要内容、如何确定水质关键管理区,以及TMDL计划中评价污染源并估算污染负荷容量的方法。最后对我国非点源污染控制管理提出建议:分地区、分重点、分阶段地实施开发TMDL计划,注意开发简单、实用、经济的估算负荷量的模型与技术手段,在总量控制范围内,应保证TMDL计划与其他控制措施相结合,计划中应包括公众参与和评论等。

基于洱海水生态特征的流域最大日负荷总量控制

基于洱海水生态历史数据及现状资料,采用概率密度分布曲线法及水生生物基准相结合的方式计算洱海总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数(COD_(Mn))和氨氮(NH_3-N)的控制目标,目标值分别为0.36、0.026、4和0.28 mg/L.再根据该水质目标,得到洱海的最大日负荷(TMDL)总量.TMDL总量采用线性规划法计算,其中污染物响应系数矩阵通过MIKE 21二维水质模型计算所得.安全容余(MOS)则通过一阶误差分析法确定.经过一系列的计算,最终确定洱海的TMDL总量控制计划.计算结果表明,洱海TN、TP、COD_(Mn)和NH_3-N的TMDL总量分别为2005.989、149.671、19258.844和1348.119 kg/d,其MOS所占比例分别为6.152%、5.570%、4.380%和5.021%,表明洱海农业面源污染为该流域主要的污染形式,其允许最大排放量约占全部允许排放量的90%左右.

负荷历时曲线法在东辽河流域最大日负荷量中的应用

根据东辽河王奔水文站2000～2009年的水文、水质数据,构建了主要污染物氨氮和化学需氧量负荷历时曲线,计算了东辽河流域氨氮和化学需氧量的最大日负荷量,分析了各污染物最大日负荷的年内变化特征及各类污染源的贡献。结果表明,在25%、50%、75%和90%的保证率下,负荷历时曲线法计算得到的氨氮最大日负荷分别为368.9、153.8、31.8、0.35kg/d,化学需氧量最大日负荷分别为7 378.6、3 058.6、635.9、6.91kg/d;东辽河在6～9月的丰水期具有较高的纳污能力,1、2月纳污能力最弱;污染物的超标点主要集中于保证率10%～70%之间,削减目标主要为非点源。

通榆河南段控制单元最大日负荷估算及分配研究

以通榆河南段控制单元为研究区,利用现有的平原感潮河网区水量模型、面源污染负荷统计模型和水环境容量模型,估算研究区2010年污染物最大日负荷总量(TMDL),并进行负荷削减和分配研究。结果表明:研究区COD、氨氮(NH3-N)90%保证率(2004年)下的水环境容量分别为7.76万t、0.37万t;对照2010年污染物入河量,COD、NH3-N的最大年负荷分别为1.99万t、0.28万t。在研究区涉及的各县市中,海安、姜堰、东台是负荷削减的重点区域;对于不同的污染源,城镇生活点源和农业面源是研究区污染物总量控制的关键。

基于最大日负荷量的潜江市河渠水网黑臭水体治理研究

随着生态文明城市建设的推进,城与水的关系由割裂向融合发生演变,但人水和谐理念未能全部落实,水体黑臭时有发生。一些城市为改善河流水质、提高水体纳污能力,在城市原有的排水系统基础上投入了大量资金进行改造治理,但治理的策略只是针对其污染控制技术和方法的创新或改进。为进一步明确黑臭水体的治理方案与策略的合理性,基于最大日负荷量的水环境治理方法,对潜江市城区内的22个河流湖泊进行了水质采样监测,按城市黑臭水体污染程度分级标准制定出黑臭水体名单。按照水体纳污能力等相关规范计算了黑臭河渠的水环境容量,根据潜江市河渠水网的最大日负荷量推算了要达到水体质量标准应削减的污染物量,并以此为依据规划黑臭水体的治理方案。

基于负荷历时曲线法的长江经济带洈水水库纳污能力研究

本文依据沙溪坪水文站2010—2020年水文与水质数据,应用负荷历时曲线法(LDC)计算洈水水库对TP、NH3-N和CODMn的纳污能力,并分析了纳污能力的变化特征。结果表明,洈水水库纳污能力季节变化明显,纳污量为夏季>秋季>春季>冬季;根据超标率的计算,TP为主要超标污染物,2010—2020年超标年份占比为73%,超标月份占比为91%;NH3-N与CODMn剩余负荷均为正数无须削减;TP没有剩余负荷,需要严格控制,在高流量期、丰水期、平水期、枯水期和低流量期TP的削减量分别为77.93kg/d、22.51kg/d、9.53kg/d、1.59kg/d、1.36kg/d。研究结果可为洈水水库流域水环境治理提供参考。

蘑菇湖水库水环境容量总量控制研究

为逐渐恢复蘑菇湖水库的农业灌溉及养殖功能,介绍了按灌溉期划分的夏秋、非灌、春灌3个不同时段及不同的水质目标,定量计算蘑菇湖水库主要污染物水环境容量总量,得到水库不同时段的最大日负荷(TMDL)。根据TMDL对蘑菇湖水库的污染来源实施总量控制研究,得出了以下结论:同一水质目标下,在夏秋、非灌、春灌不同时段的水环境容量成递增趋势;扣除水库污染物本底值的环境容量多数为负值;扣除水库污染物本底值的环境容量春灌时段大于夏秋时段,夏秋时段大于非灌时段。最后阐述了对蘑菇湖水库水环境容量实施总量控制的效果。

流域TMDL计划中的关键技术

阐述了流域TMDL计划中的关键技术问题,包括流域水环境特征识别、水污染现状分析、污染负荷估算、水文模型和点源污染物削减分配模型构建、非点源污染削减措施制定、点源和非点源削减措施实施效果评估等,分析了这些技术的应用情况,指出了我国制定和实施流域TMDL计划时应注意的相关问题。

TMDL计划的背景、发展进程及组成框架

美国环保局(EPA Environment Protection Agency)最早于1972年的《清洁水法》中提出 TMDLs(Total Maximum Daily Loads),TMDL为最大日负荷总量。在美国实施TMDL计划后,在点源和非点源污染综合控制方面成效显著;重点介绍其计划背景、发展进程、组成框架。

水中悬浮物浓度的检测方法研究进展

水中悬浮物是重要的农业非点源污染物之一,也是水质评价的重要研究对象,对水中悬浮物浓度的有效检测有助于确定相关水域的悬浮物最大日负荷(total maximum daily loads,TMDL)以及相应的最佳管理操作(best management practice,BMP)。对水中悬浮物浓度的检测方法,包括传统称质量法、光学传感器、激光衍射、遥感、声学、图像处理、电容等方法进行了总结和归纳,分析各自的优势和存在的问题并提出了建议。结果表明,在利用遥感技术、水中传感器研究的基础上,从空间、地面进行信息采集和融合,并开展多源实时监测水中悬浮物浓度的研究是未来的发展方向。

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

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。

水污染物排放总量控制的体系研究

回顾了我国水污染物排放总量控制发展的历程,针对总量控制方法体系中存在的问题,将非点源污染和不确定性分析纳入总量控制研究,构建了新的水污染总量控制方法系统,并对方法体系涉及的管理基础、管理目标、管理模型和管理实施等问题进行了研究。

基于安全余量的污染物总量控制方法评述

借助污染物最大日负荷量(TMDL)的相关研究成果,阐述安全余量(MOS)的特征。结合安全余量的表现形式,阐述隐式、显式、FOEA计算安全余量的流程。对安全余量的定量化及其负荷分配研究是推动TMDL策略完善的关键。在梳理以往研究成果的基础上,从安全余量的产生机理出发,分析与污染物总量控制相关的安全余量计算过程。在考虑安全余量的前提下,依据水环境质量的控制目标,结合环境容量所允许的污染物排放量,论述了基于数学模型测算、可持续管理策略的污染物总量控制方法。以永定河流域污染物容量总量分配为例,进行基于安全余量的污染物分配应用研究,对有效减少污染物排放总量、实现水功能区水质达标具有重要意义。

TMDL中MOS的定量估算方法及其应用

为了分析TMDL水污染控制管理模式中安全临界值MOS的影响因素,采用FOEA法对MOS中模拟计算的不确定性进行定量估算,通过不同水质达标率条件下MOS的设定,探讨水环境管理中不确定性因素对MOS的影响;将TMDL应用于珠江三角洲佛山水道的水环境管理中,运用动态水环境数学模型、考虑潮周期达标率的环境容量优化模型及遗传算法对TMDL进行求解。研究结果表明,所采用的FOEA法能较为准确地反映模型的不确定性对MOS的影响,而且从水质达标率的角度出发能合理地考察环境管理中的不确定性因素对MOS的影响,为定量化探讨MOS的设定给出了可行的求解思路及方法。

基于TMDL理念的流域排口污染物削减研究

随着海绵城市建设、城市黑臭水体治理、城镇污水处理提质增效等工作的不断深入开展,流域尺度的污染已成为不可回避且亟待解决的重大问题。基于TMDL(最大日负荷总量)水环境治理技术方法,以镇江市运粮河流域整治为例,以水体水质为目标导向,探讨出了一套应用于流域排口污染物削减的研究方法:①梳理流域排水系统,结合现场调研确定排口性质;②计算排口产污量;③根据流域水质目标及其水系流动、生态本底情况,采用一维模型分析计算流域的水环境容量;④以流域水环境为控制目标,结合产污量计算结果对重点排口提出污染物削减标准;⑤制定流域排口污染物削减方案;⑥对排口整治方案进行目标可达性分析。该研究方法可为我国其他中小城市的流域治理提供参考,为进一步深入研究流域治理提供实践案例。

TMDL计划在河湖环境容量管理中的应用方法

环境容量管理(ECM)已在世界范围内应用于管理地表水质量和控制污染,最大日污染负荷(TMDL)方案已被应用于ECM系统中。在调研相关文献的基础上,对TMDL在水环境容量管理中的研究现状进行了分析,探讨不同模型的特点、应用方向及优缺点,认为水动力和水质模型可构建流域内基于水环境容量的水动态调控机制,将水质监测与污染负荷总量控制实时挂钩,不断完善流域水环境容量管理机制,实现流域水资源与水环境联动调控和精细化管理。在后续的污染物负荷分配上还需进行充分研究,简单的分配方式很难兼顾效率和公平,应考虑不同类型、不同程度的污染负荷分配方法。

美国生态浮岛除氮能力测试分析

湿地浮岛可减少水库蓄水期间中水的总氮浓度。为探索其去除总氮的效率,对佛罗里达州帕斯科县的湿地浮岛进行了测试。在一个接收帕斯科县控制再利用系统中水的池塘内,按线性布置,设置并监控20个湿地浮岛,按分布式进行网格连接,评估3个连续阶段,即培植期(湿地浮岛实施前6个月)、运行期(湿地浮岛实施后8个月)和控制期(从池塘中去除湿地浮岛的后3个月)的处理性能。湿地浮岛的主要作用是减少池塘有机氮的输出。通过评估湿地浮岛运行期和控制期氮去除量的差异说明,布设湿地浮岛后,每年总氮去除率得以提高。

基于WASP模型的小流域精细化管理研究——以株洲渌水流域为例

对河流“分区、分类、分级”的精细化管理是推进水污染综合治理与水质保护的最佳管理办法.渌水作为湖南省创建的省级样板河,是湘赣边区域合作示范区流域综合治理典范,是一个边界完整的典型城市河流小流域.本研究通过计算整合渌水流域现状排污负荷数据,以水质分析模拟程序(water quality analysis simulation program,WASP)为工具,建立渌水水质模拟预测模型.以控制单元为载体,基于最大日污染负荷计划,计算分析流域各河段的污染负荷削减分配精细化管理方案.通过模型情景分析,考察上游来水水质超标对本流域的影响和在全流域生活污染治理工作落实完成后的水质改善情况.