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TMDL计划在武汉东湖水污染控制中的应用

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环境演变研究方法
——TMDL计划在武汉东湖水污染控制中的应用

摘要：为了改善武汉市东湖的水环境，对东湖污染最大日负荷总量(TMDL）进行了分析研究。根据有关资料，东湖的主要污染为水体富营养化.对水体富营养化影响最大的污染因素是总磷、总氮、COD，因此,选择这3个因素对东湖进行TMDL分析.根据规划，东湖的水质控制目标为Ⅲ类水。分析结果为：东湖所有子湖的总磷污染已经大大超过其承载能力，水果湖、郭郑湖、庙湖和后湖的总氮污染,水果湖、庙湖的COD污染超过了其承载力.针对东湖水质的分析结果,提出了治理东湖水污染的措施。

关键词： 富营养化 污染控制 TDM计划 东湖水污染

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。
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，1996～2006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。
2.2 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。

2.2。1　水质受限水体的识别水质受限水体是指那些即使实施了一定的水污染控制措施后，仍然无法满足水质目标的水体。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。
2。2。2　选择水质指标，确定指标值识别要建立TMDL程序的污染物，量化能代表水体污染物的负荷目标。
2。2。3　制定TMDL计划在保证一定水质目标条件下,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。2.3。1　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5％~10％。
本文采用Reckhow模型来估算总磷、总氮、COD的外源污染，从点源和非点源两个方面来计算污染物负荷。Reckhow模型点源的污染负荷计算公式为:
WLAs=∑(C排 V排 N）
式中，WLAs为污染物标准点源年排放负荷；C排为各排污口排放的污染物削减后的浓度；V排为各排污口的排放量；N为排污口的运行天数。
非点源污染负荷计算方程为：
LA=Ecag*Aag+Ecf＊Af+Ecu＊Au+Eca*As
式中,LA为非点源污染负荷;Ecag、Ecf、Ecu、Eca分别表示农业土地、林地、城市用地、水域输出系数;Aag、Af、Au、As分别表示农业用地、林地、城市用地和水域面积.
2.2。3.2　内源负荷
内源负荷P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.
2.2.4　控制措施的实施TMDL计划制定完成后，应由专门的机构实施污染控制措施。首先是更新水质管理计划,接着按TM2DL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。
2。2.5　效果评估效果评估是监测目标水体水质、点源与非点源；审核非点源控制措施的有效性；评价TMDL计划对水质的改善效果.

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。
3.2 TMDL计划
东湖由8个子湖组成，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，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Ⅲ类水,根据《国家地表水水质标准（GB38382002）》Ⅲ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
① 点源负荷。
东湖水质主要为Ⅳ、V类,根据国家《城镇污水处理厂污染物排放标准(GBl8918—2002）》，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1.1×107,6.2×107，5。74×107m3/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。
② 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
TP
TN
COD
水果湖
1。15
2。24
27.87
郭郑湖
0。80
1.18
20。45
汤菱湖
0。60
1。05
18.00
庙湖
1.15
6。78
35.92
后湖
0。60
1.28
18。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
TMDL
P
TMDL外源
LAs
WLAs
MOS
水果湖
1。80
61。71
—59.91
128.22
33000
0。18
郭郑湖
74。12
1632。00
—1557.88
5283.70
185988
7。41
汤菱湖
27.69
474.98
—447.29
1973.62
—
2。77
庙湖
10。08
366。30
—356.22
718。74
172290
1。01
后湖
27.69
474。98
-447.29
1973。62
-
2。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
TMDL
P
TMDL外源
LAs
WLAs
MOS
水果湖
5.76
69.56
—63。80
128。22
220000
0.58
郭郑湖
237。18
391.68
-154。50
5283.70
1239920
23。72
汤菱湖
88.60
43.18
45。42
1973.62
—
8。86
庙湖
32。26
1924。74
-1892.48
718.74
1148600
3。23
后湖
88.60
241。81
-153。21
1973。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量可以容纳外源污染。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
TMDL
P
TMDL外源
LAs
WLAs
MOS
水果湖
215。82
441。51
—225。69
128.22
1100000
21.58
郭郑湖
8894.40
979。20
7915。20
5283.70
6199600
889.44
汤菱湖
3322.32
—1727。20
5049.52
1973.62
—
332.23
庙湖
1209.90
5301。36
-4091.46
718。74
5743000
120。99
后湖
3322。32
—1416。30
4738.62
1973。62
-
332.23
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：
① 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。
② 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。
③ 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。

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,确保中国流域水环境污染综合整治和污染物总量控制达到预期目的。
目前世界上较成功的湖泊恢复策略主要有：通过内源控制降低湖中营养物质的浓度、通过流域管理减少外来养分输入。依据东湖的TMDL计算结果,宜两种方法并举，此外，生物控制也是一种比较好的治理富营养化的方法,已有专家在东湖进行了试验并取得了比较好的效果，应继续完善生物控制方案，多方面控制.

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