全力支撑我国精细化水环境管理工作 ——水专项“流域控制单元水质目标管理技术集成”课题进展

改善水环境质量一直是我国水环境管理的核心任务。国外成功的水环境管理实践证明，根据流域环境质量目标控制污染物排放的流域控制单元水质目标管理是成功的理论和方法。

“十三五”期间，由中国环境科学研究院承担的国家水体污染控制与治理科技重大专项（简称“水专项”）“流域控制单元水质目标管理技术集成”课题，旨在集成“十一五”以来水专项在总量控制、排污许可和生态流量三方面形成的水质目标管理关键技术成果，构建差别化、精细化、科学化的流域控制单元水质目标管理技术体系，支撑国家流域控制单元水环境质量改善方案的制定以及精细化水环境管理能力的形成。流域控制单元水质目标管理的理论和方法将在实践中不断完善，成为新一轮固定源排污许可证、“三线一单”和资源环境承载力预警调控等环境管理制度的重要技术基础，有力支撑生态环境根本好转。

形成整装成套关键技术和系列规范指南，指导流域污染物排放总量控制和排污许可管理实践

“十一五”以来，水专项借鉴国内外流域水质目标管理理论和实践经验，遵循以水质达标为根本目的、以总量控制为技术基础、以排污许可为管理手段的水质目标管理理念，形成了由流域控制单元水环境问题诊断、水质目标确定、污染负荷估算和解析、污染源-水质响应关系分析、容量总量分配、排污许可管理等核心技术组成的流域控制单元水质目标管理技术体系。

在技术集成方面，课题梳理了“十一五”以来围绕流域控制单元水质目标管理技术体系研发的相关支撑技术80余项，以先进性原则、适用性原则、效益性原则为导向，从技术水平、可操作性、适用范围、规范化、成果产出和推广应用等角度评估各项技术的可实施性，最终形成一套涵盖7大类核心技术、16项关键技术和41项支撑技术的流域控制单元水质目标与排污许可管理整装成套技术。课题编制技术名片41张，从适用范围、技术原理、发展阶段、工艺流程、指标参数、技术创新点、应用示范情况等方面对各项支撑技术进行了详细介绍，为我国流域控制单元水质目标管理工作提供技术支撑。

在技术规范方面，“十一五”以来，水专项在流域控制单元水质目标管理方面形成相关技术规范、导则共19项，其中《流域水环境容量计算设计条件与参数选取技术规范》和《流域水环境容量适用模型选择技术规范》两项已完成行业标准（HJ）征求意见稿；《流域水质目标管理控制单元划分技术规范》《控制单元非点源污染负荷核定技术导则》《流域水环境规划水质目标选择技术导则》《流域污染物负荷分配计算方法技术导则》和《不同周期排放限值转换技术导则》5项导则通过中国环境科学学会团体标准立项。相关技术规范的制定将支撑我国流域水质目标管理规范化和科学化实施。

在技术应用方面，“十一五”以来，水专项完成太湖（江苏）流域和辽河（辽宁）流域70%控制单元的水环境容量核定。在太湖（江苏）流域完成无锡市、宜兴市和常州市典型市控制单元的1024个重点污染源主要水污染物初始许可量分配，发放排污许可证467张；在辽河流域完成铁岭市38个控制单元排污许可限值分配方案，发放排污许可证94张，为推动我国构建基于水质目标的排污许可管理制度提供了有力的技术实践基础。

构建基于水质的排污许可限值核定技术体系，实现排污许可管理与水质的衔接

实施基于水质的排污许可管理，是建立以环境质量为核心的水环境管理体系的主要任务之一，其技术关键在于排污许可限值的确定。我国现阶段排污许可限值确定主要是依据企业行业排放标准、环评审批等要求，更多考虑企业自身的行业属性和已有法定审批要求，是基于技术的排污许可限值，这种方法在我国排污许可制度实施初期是实事求是的，有利于排污许可管理的迅速推广。随着水环境管理研究工作的不断深入，为解决基于技术的排污许可限值未能与水质目标直接挂钩的问题，需要以流域水质达标为出发点，确定基于环境容量的流域污染物最大允许排放量，进而确定各固定源排污许可限值，将固定源排污许可管理置于流域水质目标管理框架之下，实现以水质达标为核心的科学化、精细化水质管理。

在此背景下，课题组构建了基于水质的固定源排污许可限值核定技术体系，分别针对受损水体和未受损水体，提出了“环境问题诊断－污染源水质响应关系－控制单元最大允许排放量－固定源排污许可限值”的技术链。在控制单元划分和污染源解析的基础上，建立控制单元污染物排放与水质之间的响应关系，解析固定源对水质的影响和贡献；通过污染控制情景分析和优化分配等方法，依据流域水质目标确定控制单元最大允许排放量；进一步考虑经济技术可行性等因素，通过制定行业排放限值或确定固定源“一企一证”的排放限值，最终将流域水质达标要求落实到固定源排污许可限值。

针对固定源排污许可监管需求，参照美国和欧盟的做法，课题组建立了不同时间尺度下污染物允许排放量向排污许可限值转换的方法。在排污许可管理中，对应于年度和每日污染负荷排放管理需求，需要确定污染物排放年许可限值和日许可限值。因污水和污染物排放固有的波动特征，较为短期的污染物排放量一般具有更大波动性，但不同周期的污染物排放量之间具有一定的统计规律。根据固定源污染物排放监测数据频率的不同，课题提出了针对具有在线监测数据、有限次监测数据（如每周、每月或每季度一次），以及无监测数据情况下，不同平均期固定源许可限值转换系数（β值）确定方法。采用上述方法，针对常州控制单元给出了满足监管要求的污染源最低监测频率，即最低监测频率为每月一次，最优监测频率为每周一次。这一技术可为企业开展自行监测、管理部门开展监督性监测提供科学依据。

建立工业固定源排放限值分级确定方法，支撑基于水质的排污许可管理

课题组相关负责人介绍说，当前，基于水质的排污许可限值核定技术在实际推广进程中，存在多个需要解决的问题，主要表现为：第一，制定的限值在行业层面是否具备可行性，限值过低以现有治理水平无法实现或利润不足以支持高昂的废水处理成本，将对行业的发展产生压制作用；第二，行业间排污行为差异性极大，废水基质复杂，污染物削减的难度可能存在巨大差别，限值制定需考虑行业的污染物削减潜力，对污染物削减潜力大的行业优先执行，对污染物削减潜力小的行业适当给予“保护”；第三，与现行排污许可制度缺少衔接，体现在具体的排放量限值落实到排放浓度游离于排放标准的管控体系外，环保管理者缺少执法抓手。

针对上述问题，课题组以农药、印染和淀粉等重点行业为例，进行了严于国家排放标准的污染物浓度分级限值及对应技术方法的削减潜力与成本分析，为固定源由执行基于技术的排污许可限值到执行基于水质的排污许可限值提供了过渡方案。遵循统一原则、统一架构、分级分管、分级分治的管理理念，按污染物浓度将重点行业排放限值目标分为5级，分级依据首先是参照现行有效的排放标准，其次是浓度级别可较好区分相应达到的处理技术水平。按照固定污染源排污许可分类管理名录（2019年版），不同分类的行业如若生产情况、废水污染物产生水平、最佳治理工艺、适用标准等方面相同或相似，可使用同一分级进行管理。按照废水处理的先后顺序将处理工艺分为预处理、一级处理、二级处理和深度处理，某个行业的废水要实现不同等级的达标排放，需根据废水种类和特性设置不同的治理工艺组合。

提出我国城镇污水处理厂排污许可管控项目确定方法和分级管控要求

目前，我国共有近6000座城镇污水处理厂，设计处理能力接近2亿吨/日。城镇污水处理厂既是城镇污水的治理单位，也是重要的水污染物排放单位之一，是实现水环境质量改善必须考虑的污染物减排单位。

课题提出城镇污水处理厂排污许可管控项目应体现环境风险防范原则，主要基于城镇污水处理厂污染物排放标准和进水执行的排放标准管控项目确定。《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）表1和表2规定的相关污染物项目为必控项目；如城镇污水处理厂同时接纳工业废水，则还应根据不同进水执行排放标准中规定的污染物项目，对照GB18918表3中的污染物确定管控项目；如排污单位为工业废水集中处理厂，对于处理单一行业工业废水的，则应根据相应行业废水排放标准确定污染物项目，否则根据不同进水应执行排放标准中规定的污染物确定管控项目，并提出许可排放浓度限值的计算方法。

随着水环境质量改善压力的加大，各地陆续出台了专门的城镇污水处理厂排放标准或涵盖其排放控制要求的流域水污染物排放标准。课题通过对已发布标准和水环境质量改善需求的分析，区分排放浓度限值和排放量限值，提出了城镇污水处理厂许可排放限值四级体系。建议可首先从收严排放标准入手，依次依据国家行业排放标准、地方行业排放标准、地方流域排放标准中的浓度限值水平，确定许可排放量限值，如还不能满足改善目标要求，则可针对单个污水处理厂核定许可排放量。地方也可以不制定地方行业排放标准和地方流域排放标准，而是直接根据改善目标规定许可排放量。

研发水质目标管理模型决策云计算平台，助力水环境管理能力现代化

为了加快推进环境管理转型和创新，提升环境治理的现代化水平，实现水环境管理的精细化、科学化、系统化和信息化，课题运用物联网和模型云计算等技术，基于科学性、先进性、实用性、可扩展和模块化原则，集成适用于平原河网区的水质目标管理核心技术，突破传统软件的部署方式，统一云端部署计算，自主研发了“水质目标管理模型决策云计算平台”（以下简称“平台”），实现了水环境精细化管理和智慧决策。

平台功能包括环境问题识别、污染负荷估算、水质预测预报、削减措施分析、模型信息查询和系统管理等，并于2020年1月6日在江苏省常州市进行部署。平台目前应用于管理常州市京杭运河以北区域（约800平方公里）内近200条河流，平台通过规范的信息管理，统一采集、存储、管理、查询、分析、展示自然地理、污染源、水文、水质和气象等多元数据，实现空间数据和专题数据采集、入库和成图，形成统一空间数据库和专题数据云图。

为了摸清区域水环境质量发展趋势及其变化规律，平台集成单因子指数和水污染指数等多种定性定量评价方法，分析水体水质的时空分布特征。并基于环境问题识别专题GIS图，警示超标污染物和超标水体，展示查询监测点位监测数据及评价结果，利用二维矩阵图等图表形式动态反映水质趋势走向以及不同断面之间同一污染负荷、同一断面不同污染负荷之间的相关性关系，并辅助生成水环境质量现状评估报告、水质达标统计表、监测指标变化趋势分析图等，为实现综合诊断环境问题提供支撑。

平台集成了输出系数法和机理模型法的污染负荷估算模型，基于实时气象、土地利用、污染源等数据实现了工业源、污水处理厂、农村生活、城镇生活、农田径流、畜禽养殖、水产养殖等各类污染源的污染负荷逐月产生量和排放量的自动计算。基于污染负荷专题GIS图，展示查询各乡镇及各类污染源逐月污染负荷的产生量和排放量，并通过统计图表方式，展示各类污染源构成比例，形成各乡镇污染源清单。

针对实时水质预测预报业务需求，开发了集降雨径流模型、负荷估算模型、河网一维水动力水质模型为一体的实时动态耦合模拟系统，通过集成水质定性定量评价方法，建立了水质预测预报模型。平台基于气象、水文、水质、污染源等逐时实测数据，实现对常州运河以北区域3000多个河流断面未来7天逐时的水质预报与预警，并通过水质预测预报专题GIS图，展示查询逐时流量、流速、水位、水深、COD、氨氮、总氮和总磷等指标。

为了更好地提供智慧决策支持服务，实现水环境质量改善，平台通过建立的污染源和水质断面的响应关系模型，自动计算各类污染负荷与水质断面响应关系，定量评估污染源对断面水环境质量的贡献率。并通过负荷削减专题GIS图，展示查询任一污染源对任一断面的响应关系或任一断面溯源分析的各类污染源的贡献率。针对超标断面，综合运用PSO优化方法或情景分析法，实现基于水质的排污许可限值确定，自动生成污染源负荷削减建议报告。

随着常州市环境大数据平台建设的不断推进和水质目标管理模型决策云计算平台业务化运行的不断完善，平台将在水质实时预测预报、排污许可限值核定、水质达标方案制定以及水环境管理现代化能力提升等智慧决策支持方面发挥更重要的作用。

形成从诊断到监测的整套生态流量核算管理技术，支撑我国河流生态管理

生态流量研究为我国河流管理提供了强力技术支撑，帮助河流管理者全面了解河流状态、构建河流生态-水文响应关系、识别河流水资源管理问题、明确水生生物保护中的水资源管理关键问题。生态流量管理工作涉及维持水量、改善水质以及保护水生态等多方面内容，是流域水质目标管理体系的重要组成部分。课题开展了生态流量核算技术集成与适应性管理方法研究，为河流水生态修复、水资源管理提供整治思路，为河流生态流量管理提供近期和远期目标。

突破生态流量确定最核心的技术难点是构建水文-生态响应关系。受限于这一技术瓶颈，在实际操作中，水资源管理者确定的生态流量常常难以满足河流水生态修复的实际需求。课题从水生生物种群的结构和功能出发，考虑水生态修复需求，基于排序分析和网络分析等技术，构建了闸坝重度干扰河流水文-生态响应关系确定技术。课题聚焦于生态流量制定和管理中的关键技术开展研发。基于广义线性模型，结合生态基础知识，提出了水文变动的生态界限确定技术，确定闸控重干扰河流的水文限值。基于模糊逻辑法、主成分分析法，凝练了河流关键生态目标筛选技术，辅助生态流量目标诊断；采用水环境模型，构建了水质水量水生态耦合技术，识别流域的水文水质水生态动态变动机制。汇总国内外常用的生态流量核算方法58种，考虑多目标调度管理需求，形成生态流量核算方法集成技术，辅助流域生态流量确定。相关核心和关键技术的解决为推动生态流量流程化管理提供了科学依据。

课题以淮河流域典型闸控河流沙颍河开展技术示范，确立了沙颍河水文-生态响应关系，提出了生态流量目标，制定的生态流量管控方案得到河南省沙颍河水资源保护局采纳实施。在执行生态流量方案期间，课题组同步监测水生态变动状况，评估生态流量方案的水生态修复效果，进行适应性反馈管理。自课题实施以来，沙颍河生态流量满足程度逐年提高，即使是枯水年（2019年）来临，生态流量的满足程度也能达到84.13%。同时，相较于2013年，项目执行期间生物多样性显著增加，在2017年~2019年间，界首断面首次监测到白虾、方格短沟蜷、河蚬、纹石蛾和光滑狭口螺等物种，表明沙颍河的生态流量调度方案是卓有成效的。