美国TMDL计划的研究现状及其发展趋势

第31卷第9期2008年9月

EnvironmentalScience&Technology

Vol.31No.9

卷Sep.第312008

美国TMDL计划的研究现状及其发展趋势

杨龙1,2,

王晓燕1*,

100037;

孟庆义2

2.北京市水利科学研究所,北京

100044)

(1.首都师范大学资源环境与旅游学院,北京

要:最大日负荷总量(TMDL)计划是美国环境保护局(EPA)保护流域水质的一项重要管理措施,强调将非点源污染纳入污染物

总量控制的同时考虑安全边际。安全边际估算等方面积累了宝贵经验,对改善水质、控制TMDL计划自产生30多年来,在流域水质模拟、污染发挥了重要作用。文章总结美国TMDL计划中热点问题的研究进展基础上,最后分析了美国TMDL计划未来的发展趋势。

关键词:水质管理;中图分类号:X32

非点源;

安全边际;

TMDL;美国

文献标志码:A文章编号:1003-6504(2008)09-0072-05

PresentStatusandPerspectiveofTMDLPrograminUSA

YANGLong1,2,

WANGXiao-yan1*,

MENGQing-yi2

(1.SchoolofResourceEnvironmentandTourism,CapitalNormalUniversity,Beijing100037,China;

2.BeijingResearchInstituteofWaterConservancy,Beijing100044,China)

Abstract:Totalmaximumdailyload(TMDL)asaveryimportantprogramisusedtoimprovewaterqualitybyEPAofUSA,andemphasizethesafetyofmarginwhenitbringsnon-pointsourcepollutionintogrossmanagement.StudyofTMDLprogramhasmadegreatachievementinwaterqualitysimulation,safetyofmarginandpollutionloaddistributionafterputtingintoeffectin1972.PresentstatusandhotissuesofTMDLprogramwerereviewed,anditsdevelopmenttrendswerealsoanalyzed.Keywords:waterqualitymanagement;non-pointsource;marginofsafety;totalmaximumdailyload(TMDL);USA

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(TotalMaximumDailyLoad,简称TMDL)计划属于国际上水质管理较先进的措施之一,然而目前国内未见系统介绍美国TMDL计划的文章。本文在查阅国内外相关文献的基础上,对美国TMDL计划的研究热点问题及发展趋势给予了较详细的论述。

划的核心思想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总量。TMDL计划的目标之一就是将可分配的污染负荷分配到各个污染源,包括点源和非点源,同时考虑季节变化和安全边际,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]。污染负荷分配依据的公式为:

1概述

《水质法》的《联1965年,美国国会通过一项名为

邦水污染控制法》修正案。该修正案首次采用以水质标准为依据的水污染管理方法,但是在水污染控制方面收效甚微[1]。为更有效改善污染水体水质,1972年

[2-3]

美国颁布实施了《清洁水法》。《清洁水法》第303

TMDL=WLA+LA+BL+MOS

式中:TMDL为最大日负荷总量;WLA为允许的现存和未来点源的污染负荷;LA为允许的现存和未来非点源的污染负荷;BL为水体自然背景负荷;MOS为安

(MarginofSafety,简称MOS),指关于污染物负全边际

荷与受纳水体水质之间的不确定数量关系。预计2010年左右美联邦或州要完成约21000项TMDL分析[5]。22.1

污染负荷与水质关系模拟环境流量的设计

(d)条款将水体点源和非点源污染纳入统一管理范围,对各州、领地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相应的具体规定。TDML计

收稿日期:2007-10-30;修回2008-01-08

TMDL计划中的污染负荷来自点源和随时间变

化的非点源污染,而以往的低流量法主要为估算点源

基金项目:北京市科委重大项目“密云水库流域水土流失综合防治体系及示范推广研究”(518);北京市教委科技项目(KM200510028012);北京市优秀人才计划(20061D0501600225)

作者简介:杨龙(1977-),男,博士研究生,主要从事水污染控制与管理方面的研究,(电子信箱)yslstu@sina.com;*通讯作者,女,教授,博导,(电子信箱)。

第9期杨龙,等美国TMDL计划的研究现状及其发展趋势

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污染负荷设计,比如常用的7Q10法(90%保证率下最枯连续7d的平均水量作为河流最小环境流量设计值)不适用于受非点源污染的接纳水体[6-7]。非点源主要受水文循环过程(主要为降雨及降雨形成径流过程)的影响和支配,必然具有随机性。点源的最严重危害发生在枯水期,而非点源的严重危害却发生在暴雨之后[8]。JarryX.Zhang等探讨用关键暴雨径流法(CriticalFlow-Storm,简称CFS)来解决这一问题。

sessmentScienceIntegratingPointandNonpoint

Sources)系统被广泛使用。这个多目标环境分析系统是由美国环保局于1996年开发的。其最大特点在于

它采用整合式(integrating)的系统,将集水区数据及评估工具整合于ArcViewGIS架构下,组成系统构架,大大增强了系统的模拟能力,提高了模型效率,可对多种尺度不同污染物的点源和非点源进行综合分析,是一个十分值得推广的现代模型系统。我国学者蔡芫镔等(2005)已对BASINS3.0系统做了较全面的述评[11]。

CFS法由CFS概念演化而来,即当水体遇到非点源和

点源污染时,存在这样的一个关键情景:最初的低流量结合一场小暴雨,将导致河流的最大污染浓度。CFS概念分析模型将基于事件的方法结合到点源和非点源负荷中,同时考虑污染负荷对接纳水体水质的影响。河流径流数据和来自不同规模流域的污染浓度也是体现接纳水体CFS概念的一种方法[9]。

3安全边际估算

目前确定MOS的方法有三种可选方式:(1)模糊

法;(2)简单明确法;(3)严格明确法。每种方法都可分为4个主要步骤:(1)设定保护的期望水平,即保护度;(2)选择方法;(3)估算MOS;(4)考虑实施的可行性。见图2[12]。所有的方法都得出一个MOS,但它们的精确性和实施分析所要求的条件是不同的。

2.2模型选择与应用

目前美国国家环保总局(EPA)在模型选择纲领

中列举的几十种供各地实施TMDL计划备选模型中,没有任何一个模型可适应于任何的流域。因此,决定实施TMDL计划成败之一是选择合适的模型。

Joseph等从哲学层次探讨模型选择的基本原则[10]:(1)

没有一种最好的模型适合所有的TMDL计划;(2)管

理议题促使期望的模型复杂化,而数据却限制了模型的复杂化;(3)选择能恰当强调管理目标的最简易模型。

不同的模型可以用来模拟流域接受水体污染源负荷和负荷响应之间的关系。图1描述了在一个典型的TMDL模拟过程中概念关系和数据流向。图1中可以看出流域模型的输出结果成了接纳水体非点源污染负荷的出入项。接纳水体模型的类型和复杂程度有很大的变化,但它有自身基本的输入项(包括点源负荷)和参数化要求。然而,最终的输出结果必须是一组作为目标参数列在TMDL中的水质参数。

模糊法:通过在计算可分配负荷时使用保守的假设,导出一个安全边际。这种方式相对容易采用,因为它不要求另外的不确定性分析计算。TMDL执行者选择模型输入适当的保守值,得出直接包含MOS的

TMDL结果。模糊法间接考虑保护度,可以在不通过

不确定性分析的大量实验中采用,最大的局限在于当不止一个不确定性输入时,就不能界定保护度。

简单明确法:该方法的第一步是用最有可能的数值计算可分配负荷,而不考虑安全因素。第二步,TMDL计划实施者将查看一个最接近点的预定安全边际。这个MOS依赖相关参数,也考虑模型分析的严格程度度和期望的保护水平。采用这个方法将要求一个附加的研究,TMDL的不确定范围明确地计算出来,结果可制成表格。第二步计算的MOS可以结合到第一步确定TMDL的决定可分配负荷中。简单明确法提供

在美国TMDL计划执行中,BASINS(BetterAs-

了一个预先决定的安全边际,这种边际基于考虑有关

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参数和模型分析的严格性。

严格明确法:在决定MOS中提供最直接考虑模型的不确定性。TMDL将计算模型预测的不确定性,然后立足这一不确定性和期望保护的水平明确界定如图2有三个有机步骤:(1)在输入中界定不确MOS。

定性;(2)在模型中计算不确定性;(3)估算TMDL和(First-orderErrorAnalysis,MOS。常用一阶误差分析

简称FOEA),可以在决定模型关键参数不确定性中考虑参数敏感度和不确定性,然后估算MOS,是对以上简单精确法和模糊估算发法的一种改进[13-14]。严格明确法直接考虑保护度,但要求特定能力去执行。在

234567891011a11b1213a13b1415161718a18b19

第31

表1

污染负荷分配法[15-16]

Table1Schemeforwasteloadallocation

TMDL计划使用模糊方法只有作为临时措施时推荐,

有了更严格的不确定型分析就不主张使用。

确定安全边际方法的最后一步是要决定MOS是否有实施的可行性,需要考虑以下因素:

(1)MOS本身的大小将在它可接受中扮演首要角色。一个大小为占总的可分配负荷80%的MOS比如果判断安全边际太大,以致不能20%的更有挑战性。

执行,可选择其它实施计划。

(2)附加成本:治理的边际成本一般会随着治理水平的增加而增加;对于不确定收益的边际成本的大幅增加可能要放宽MOS。

(3)特定点的考虑:考虑相关保护点的重要性。决策可能会做出不管多大代价,在近期都要确保一些水体水质;而考虑到高的安全边际的经济因素时,对其他的水体则可能放宽确定性。

WasterloadAllocationMethods

Equalpercentremoval(equalpercenttreatment)Equaleffluentconcentration

Equaltotalmassdischargeperday

EqualmassdischargepercapitaperdayEqualreductionofrawload(poundsperday)Equalambientmeanannualquality(mg/L)EqualcostperpoundofpollutantremovedEqualtreatmentcostperunitofproduction

EqualmassdischargedperunitofrawmaterialusedEqualmassdischargedperunitofproductionPercentremovalproportionaltorawloadperdayLargerfacilitiestoachievehigherremovalrates

PercentremovalproportionaltocommunityeffectiveincomeEffluentcharges(poundsperweek)Effluentchargesabovesomeloadlimit

Seasonallimitedbasedoncost-effectivenessanalysisMinimumtotaltreatmentcost

BestAvailableTechnology(BATforindustry)plussomelevelformunicipalinput

Assimilativecapacitydividedtorequirean“equaleffortamongdischargers”

Municipal:Treatmentlevelproportionaltoplantsize

Industrial:equalpercentbetweenbestpracticabletechnology(BPT)andBAT

Industrialdischargesgivendifferenttreatmentlevelsfordifferentstreamflowsandseasons

受损水体,难以判断是否是完成TMDL提高了水质。大量的证据表明水质管理计划要分别对待污染和污染物。(3)绝大多数TMDL基于不充分有效的、机械(如流的模拟模型,容易忽略和低估退化的重要原因量的改变、天然栖息地的改变、有毒植物等外来物种的出现等),并且有时现实情况会超出很多模型比较简单的假设。因此,TMDL计划今后仍需要在理论和方法上不断完善。

4污染负荷分配方法研究

USEPA就实行TMDL计划提供了19种污染负荷

等排放(削减)法、等单位分配方法,包括等比例分配法、

处理费用分配法、总处理费用最小分配方法等,见表1。

由于EPA对分配思路进行了规定,既按照(1)式进行,但对除MOS之外的点源和点源之间分配的方法没有进行明确规定,各州、领地可以根据各自情况自主选择以上19种方法之一进行分配。

5.1结合生态学思想的TMDL计划发展趋势

TMDL计划研究的主要内容虽然属于污染物最

大日负荷总量来提高水质的范畴,但是水体的水质和生态紧密联系在一起。学术界和管理者应该一起来实施较完美的、整体化的水质管理方案,来修复和保持水体的生态完整性,达到最终改善水质的目标。

5TMDL计划发展趋势探讨

TMDL计划自实施以来在改善水质方面发挥了

5.1.1生物标准和监测在TMDL中应用的必要性成功的TMDL计划包括以下两个关键因素:(1)

水质标准;(2)监测和评价。水质标准包括指定用途(水体的特定目标),基准(数量的和描述的基点)及抵御退化的策略。基准是修复和保护指定用途、评价决策状态流域的设计目标。监测措施既包括化学和物理的因素,也包括生物的因素。

水体有许多功能,其中最重要的是作为水资源的载体、饮用水水源和野生动物的生境。如在国家地表水标准中,水体按照其功能可划分为自然保护区和源

积极作用,但是其不完善处还是受到到学术界的质疑,主要问题概括如下:(1)TMDL计划强调一部分单个污染物(如沉积物、病原体、金属、营养物、有机富集物),而很多重要的污染物没有进行识别,更没有研究它们之间的相互关系;(2)TMDL强调化学和毒理学,在很多州,非污染物形式的污染(或退化)被低估或忽视,缺乏列出受损水体的理论根据,从而不能列出真正

第9期杨龙,等美国TMDL计划的研究现状及其发展趋势

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头、生活饮用水水源区、水产养殖区、旅游区、工业用水、农业灌溉用水。上述标准是衡量具有特定用途或目的水体水质是否污染的人为设定指标。随着人类对水体污染认识的不断深入和对水质眼球的不断提高,不同的社会文化、经济条件和生产工艺,决定了不同国家或社区在不同社会发展阶段对水质标准要求有所不同,进而在衡量水体是否污染时所采用的尺度并不相同。在长远的观点上,具有合理的生物多样性和种群结构、健康的营养结构和有着正常能量代谢的水生生态系统,是衡量水体水质良好的唯一标准。

监测措施包括化学的、物理的和生物的因素。评估各地的状态可以决定是否正在获得采用的基准和指定用途。生物评价有时比特定污染物基准和取样更能精确鉴定和量化水生生命受损。即使当生物和化学评价都可以,生物传达的信息更充分,因为它识别胁迫物质和化学评价不能揭示的过程结果。为了更有效地提高水质,TMDL计划必须识别出胁迫物质。当然化学评价也有不可替代的作用。

各种污染之间的相互作用被忽视了。

根据以上对从人类活动到生态响应的链系分析,得出比传统TMDL更真实的TMDL方式可能采取以下概念模型:

(PL,FR,ES,HS,BI)UA=f

UA:获得作为人类活动效应的综合功能的指定用途;PL:污染物负荷,包括点源和非点源;FR:流量状态或水文变化;ES:能量源;HS:自然环境结构;BI:生物的相互作用。

5.2结合其它管理措施的TMDL发展趋势

有限的数据、很强的不确定性、对计划控制的水

体的水质标准不能生成有效数据包等原因影响了

TMDL计划的发展和实施。目前TMDL计划的挑战

之一就是,要在有限的、不确定的数据和资源状态中找到一种可行的方案,这需要结合其他的管理措施。

5.2.1结合可适应性管理的TMDL计划

随着EPA在1998和1999年制定新的TMDL规

定,很多地方呼吁把可适应性管理结合到TMDL计划中。应国会的要求,美国国家科技部研究委员会

5.1.2从胁迫物质到生态响应的过程

当TMDL计划受公众参与的促使,实施者常常

2001年评价了TMDL计划的科学基础。他们的论证

结论是,适应性管理和使用适应性分析过程应该结合到TMDL计划中[18]。流域中的水体是注定要不断变化的。由于这样原因或那样的原因,即使科学上最好的预测能力也不能保证采取的行动一定有效。可适应性管理可以直面TMDL计划这些不确定性。

适应性管理有6个基本的过程,即问题评估—设计—执行—监测—评价—调整。图4显示了建立在传统TMDL基础上的可适应性TMDL流域水体管理(图4中UAA为ConductaUseAttainabilityAnalysis简称,即实施有用的可达性分析)。管理者只有完成所有的过程才能取得成功,但没有必要都按步骤进行。所有的过程必须建立在监测的结果上。而且,在这些问题和解决方案上利益共享体应该参与到整个过程中[18]。

强调易懂、快捷、或狭隘地定义诸如水质清澈、有无病原体、致命物、致癌毒性或其他威胁生命的物质。流域治理和接受水体之间的联系比单个污染物之间暗含的关系复杂得多。而在现实中,所有胁迫物非线性的相互关系可以通过结合生物反应与结果分析获得。这种分析可以用化学的、物理的和生物的指示剂而获得。图3显示了从人类活动到生态反应的相关过程。现代水资源评价与管理要求计划实施者借用更高级的手段,必须从方法、指示剂到取样设计和分析等方面指导水管理计划,在这个方向上将会指导新一代

TMDL的最新科学发展的到来[17]。

5.2.2结合风险管理的TMDL计划

5.1.3联系生态学思想的可量化模型

TMDL中只要不是定义公式中的污染物都基本

不予考虑。有的学者认为这些污染包含在安全边际中了。但这种观点是间接的和没有科学根据的,因为退化

原因忽略了,或污染物之间的相互作用,或污染物与

环境风险管理以环境风险评价为基础,是环境科学的一个新兴研究领域。国内外学者将流域生态风险

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评价(WERA)中有用的原则应用到TMDL计划中,认为可以促成利用透明化的过程来选择量化目标;在

第31

WangXiao-yan.NonpointSourcePollutionandManage-

(inChinese)ment[M].Beijing:OceanPress,2003.

TMDL计划源识别过程中制定和运用理解概念模型;

在关联分析步骤中采用精确的不确定性分析等等(VictorBServeiss等,2005)。我国学者蒋颖等人以杭埠-丰乐河及其流域为研究区域,以分段计算总量标准取代总量分配,以负荷流失率和化肥流失率为基准进行非点源内部不同土地利用类型的削减分配,通过局部敏感度分析和摩尔斯敏感判断因子筛选风险因子,尝试以个别关键区域的控制达到全流域的改善,并且以Jacknife模拟为风险分析方法对控制方案进行风险分析,为探索总量控制下的TMDL风险管理提供了重要的参考价值[19]。

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总量控制的同时考虑安全边际。安全边际估算等方面积累了宝贵经验,对改善水质、控制TMDL计划自产生30多年来,在流域水质模拟、污染发挥了重要作用。文章总结美国TMDL计划中热点问题的研究进展基础上,最后分析了美国TMDL计划未来的发展趋势。

关键词:水质管理;中图分类号:X32

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1概述

《水质法》的《联1965年,美国国会通过一项名为

邦水污染控制法》修正案。该修正案首次采用以水质标准为依据的水污染管理方法,但是在水污染控制方面收效甚微[1]。为更有效改善污染水体水质,1972年

[2-3]

美国颁布实施了《清洁水法》。《清洁水法》第303

TMDL=WLA+LA+BL+MOS

式中:TMDL为最大日负荷总量;WLA为允许的现存和未来点源的污染负荷;LA为允许的现存和未来非点源的污染负荷;BL为水体自然背景负荷;MOS为安

(MarginofSafety,简称MOS),指关于污染物负全边际

荷与受纳水体水质之间的不确定数量关系。预计2010年左右美联邦或州要完成约21000项TMDL分析[5]。22.1

污染负荷与水质关系模拟环境流量的设计

(d)条款将水体点源和非点源污染纳入统一管理范围,对各州、领地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相应的具体规定。TDML计

收稿日期:2007-10-30;修回2008-01-08

TMDL计划中的污染负荷来自点源和随时间变

化的非点源污染,而以往的低流量法主要为估算点源

基金项目:北京市科委重大项目“密云水库流域水土流失综合防治体系及示范推广研究”(518);北京市教委科技项目(KM200510028012);北京市优秀人才计划(20061D0501600225)

作者简介:杨龙(1977-),男,博士研究生,主要从事水污染控制与管理方面的研究,(电子信箱)yslstu@sina.com;*通讯作者,女,教授,博导,(电子信箱)。

第9期杨龙,等美国TMDL计划的研究现状及其发展趋势

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污染负荷设计,比如常用的7Q10法(90%保证率下最枯连续7d的平均水量作为河流最小环境流量设计值)不适用于受非点源污染的接纳水体[6-7]。非点源主要受水文循环过程(主要为降雨及降雨形成径流过程)的影响和支配,必然具有随机性。点源的最严重危害发生在枯水期,而非点源的严重危害却发生在暴雨之后[8]。JarryX.Zhang等探讨用关键暴雨径流法(CriticalFlow-Storm,简称CFS)来解决这一问题。

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它采用整合式(integrating)的系统,将集水区数据及评估工具整合于ArcViewGIS架构下,组成系统构架,大大增强了系统的模拟能力,提高了模型效率,可对多种尺度不同污染物的点源和非点源进行综合分析,是一个十分值得推广的现代模型系统。我国学者蔡芫镔等(2005)已对BASINS3.0系统做了较全面的述评[11]。

CFS法由CFS概念演化而来,即当水体遇到非点源和

点源污染时,存在这样的一个关键情景:最初的低流量结合一场小暴雨,将导致河流的最大污染浓度。CFS概念分析模型将基于事件的方法结合到点源和非点源负荷中,同时考虑污染负荷对接纳水体水质的影响。河流径流数据和来自不同规模流域的污染浓度也是体现接纳水体CFS概念的一种方法[9]。

3安全边际估算

目前确定MOS的方法有三种可选方式:(1)模糊

法;(2)简单明确法;(3)严格明确法。每种方法都可分为4个主要步骤:(1)设定保护的期望水平,即保护度;(2)选择方法;(3)估算MOS;(4)考虑实施的可行性。见图2[12]。所有的方法都得出一个MOS,但它们的精确性和实施分析所要求的条件是不同的。

2.2模型选择与应用

目前美国国家环保总局(EPA)在模型选择纲领

中列举的几十种供各地实施TMDL计划备选模型中,没有任何一个模型可适应于任何的流域。因此,决定实施TMDL计划成败之一是选择合适的模型。

Joseph等从哲学层次探讨模型选择的基本原则[10]:(1)

没有一种最好的模型适合所有的TMDL计划;(2)管

理议题促使期望的模型复杂化,而数据却限制了模型的复杂化;(3)选择能恰当强调管理目标的最简易模型。

不同的模型可以用来模拟流域接受水体污染源负荷和负荷响应之间的关系。图1描述了在一个典型的TMDL模拟过程中概念关系和数据流向。图1中可以看出流域模型的输出结果成了接纳水体非点源污染负荷的出入项。接纳水体模型的类型和复杂程度有很大的变化,但它有自身基本的输入项(包括点源负荷)和参数化要求。然而,最终的输出结果必须是一组作为目标参数列在TMDL中的水质参数。

模糊法:通过在计算可分配负荷时使用保守的假设,导出一个安全边际。这种方式相对容易采用,因为它不要求另外的不确定性分析计算。TMDL执行者选择模型输入适当的保守值,得出直接包含MOS的

TMDL结果。模糊法间接考虑保护度,可以在不通过

不确定性分析的大量实验中采用,最大的局限在于当不止一个不确定性输入时,就不能界定保护度。

简单明确法:该方法的第一步是用最有可能的数值计算可分配负荷,而不考虑安全因素。第二步,TMDL计划实施者将查看一个最接近点的预定安全边际。这个MOS依赖相关参数,也考虑模型分析的严格程度度和期望的保护水平。采用这个方法将要求一个附加的研究,TMDL的不确定范围明确地计算出来,结果可制成表格。第二步计算的MOS可以结合到第一步确定TMDL的决定可分配负荷中。简单明确法提供

在美国TMDL计划执行中,BASINS(BetterAs-

了一个预先决定的安全边际,这种边际基于考虑有关

74

参数和模型分析的严格性。

严格明确法:在决定MOS中提供最直接考虑模型的不确定性。TMDL将计算模型预测的不确定性,然后立足这一不确定性和期望保护的水平明确界定如图2有三个有机步骤:(1)在输入中界定不确MOS。

定性;(2)在模型中计算不确定性;(3)估算TMDL和(First-orderErrorAnalysis,MOS。常用一阶误差分析

简称FOEA),可以在决定模型关键参数不确定性中考虑参数敏感度和不确定性,然后估算MOS,是对以上简单精确法和模糊估算发法的一种改进[13-14]。严格明确法直接考虑保护度,但要求特定能力去执行。在

234567891011a11b1213a13b1415161718a18b19

第31

表1

污染负荷分配法[15-16]

Table1Schemeforwasteloadallocation

TMDL计划使用模糊方法只有作为临时措施时推荐,

有了更严格的不确定型分析就不主张使用。

确定安全边际方法的最后一步是要决定MOS是否有实施的可行性,需要考虑以下因素:

(1)MOS本身的大小将在它可接受中扮演首要角色。一个大小为占总的可分配负荷80%的MOS比如果判断安全边际太大,以致不能20%的更有挑战性。

执行,可选择其它实施计划。

(2)附加成本:治理的边际成本一般会随着治理水平的增加而增加;对于不确定收益的边际成本的大幅增加可能要放宽MOS。

(3)特定点的考虑:考虑相关保护点的重要性。决策可能会做出不管多大代价,在近期都要确保一些水体水质;而考虑到高的安全边际的经济因素时,对其他的水体则可能放宽确定性。

WasterloadAllocationMethods

Equalpercentremoval(equalpercenttreatment)Equaleffluentconcentration

Equaltotalmassdischargeperday

EqualmassdischargepercapitaperdayEqualreductionofrawload(poundsperday)Equalambientmeanannualquality(mg/L)EqualcostperpoundofpollutantremovedEqualtreatmentcostperunitofproduction

EqualmassdischargedperunitofrawmaterialusedEqualmassdischargedperunitofproductionPercentremovalproportionaltorawloadperdayLargerfacilitiestoachievehigherremovalrates

PercentremovalproportionaltocommunityeffectiveincomeEffluentcharges(poundsperweek)Effluentchargesabovesomeloadlimit

Seasonallimitedbasedoncost-effectivenessanalysisMinimumtotaltreatmentcost

BestAvailableTechnology(BATforindustry)plussomelevelformunicipalinput

Assimilativecapacitydividedtorequirean“equaleffortamongdischargers”

Municipal:Treatmentlevelproportionaltoplantsize

Industrial:equalpercentbetweenbestpracticabletechnology(BPT)andBAT

Industrialdischargesgivendifferenttreatmentlevelsfordifferentstreamflowsandseasons

受损水体,难以判断是否是完成TMDL提高了水质。大量的证据表明水质管理计划要分别对待污染和污染物。(3)绝大多数TMDL基于不充分有效的、机械(如流的模拟模型,容易忽略和低估退化的重要原因量的改变、天然栖息地的改变、有毒植物等外来物种的出现等),并且有时现实情况会超出很多模型比较简单的假设。因此,TMDL计划今后仍需要在理论和方法上不断完善。

4污染负荷分配方法研究

USEPA就实行TMDL计划提供了19种污染负荷

等排放(削减)法、等单位分配方法,包括等比例分配法、

处理费用分配法、总处理费用最小分配方法等,见表1。

由于EPA对分配思路进行了规定,既按照(1)式进行,但对除MOS之外的点源和点源之间分配的方法没有进行明确规定,各州、领地可以根据各自情况自主选择以上19种方法之一进行分配。

5.1结合生态学思想的TMDL计划发展趋势

TMDL计划研究的主要内容虽然属于污染物最

大日负荷总量来提高水质的范畴,但是水体的水质和生态紧密联系在一起。学术界和管理者应该一起来实施较完美的、整体化的水质管理方案,来修复和保持水体的生态完整性,达到最终改善水质的目标。

5TMDL计划发展趋势探讨

TMDL计划自实施以来在改善水质方面发挥了

5.1.1生物标准和监测在TMDL中应用的必要性成功的TMDL计划包括以下两个关键因素:(1)

水质标准;(2)监测和评价。水质标准包括指定用途(水体的特定目标),基准(数量的和描述的基点)及抵御退化的策略。基准是修复和保护指定用途、评价决策状态流域的设计目标。监测措施既包括化学和物理的因素,也包括生物的因素。

水体有许多功能,其中最重要的是作为水资源的载体、饮用水水源和野生动物的生境。如在国家地表水标准中,水体按照其功能可划分为自然保护区和源

积极作用,但是其不完善处还是受到到学术界的质疑,主要问题概括如下:(1)TMDL计划强调一部分单个污染物(如沉积物、病原体、金属、营养物、有机富集物),而很多重要的污染物没有进行识别,更没有研究它们之间的相互关系;(2)TMDL强调化学和毒理学,在很多州,非污染物形式的污染(或退化)被低估或忽视,缺乏列出受损水体的理论根据,从而不能列出真正

第9期杨龙,等美国TMDL计划的研究现状及其发展趋势

75

头、生活饮用水水源区、水产养殖区、旅游区、工业用水、农业灌溉用水。上述标准是衡量具有特定用途或目的水体水质是否污染的人为设定指标。随着人类对水体污染认识的不断深入和对水质眼球的不断提高,不同的社会文化、经济条件和生产工艺,决定了不同国家或社区在不同社会发展阶段对水质标准要求有所不同,进而在衡量水体是否污染时所采用的尺度并不相同。在长远的观点上,具有合理的生物多样性和种群结构、健康的营养结构和有着正常能量代谢的水生生态系统,是衡量水体水质良好的唯一标准。

监测措施包括化学的、物理的和生物的因素。评估各地的状态可以决定是否正在获得采用的基准和指定用途。生物评价有时比特定污染物基准和取样更能精确鉴定和量化水生生命受损。即使当生物和化学评价都可以,生物传达的信息更充分,因为它识别胁迫物质和化学评价不能揭示的过程结果。为了更有效地提高水质,TMDL计划必须识别出胁迫物质。当然化学评价也有不可替代的作用。

各种污染之间的相互作用被忽视了。

根据以上对从人类活动到生态响应的链系分析,得出比传统TMDL更真实的TMDL方式可能采取以下概念模型:

(PL,FR,ES,HS,BI)UA=f

UA:获得作为人类活动效应的综合功能的指定用途;PL:污染物负荷,包括点源和非点源;FR:流量状态或水文变化;ES:能量源;HS:自然环境结构;BI:生物的相互作用。

5.2结合其它管理措施的TMDL发展趋势

有限的数据、很强的不确定性、对计划控制的水

体的水质标准不能生成有效数据包等原因影响了

TMDL计划的发展和实施。目前TMDL计划的挑战

之一就是,要在有限的、不确定的数据和资源状态中找到一种可行的方案,这需要结合其他的管理措施。

5.2.1结合可适应性管理的TMDL计划

随着EPA在1998和1999年制定新的TMDL规

定,很多地方呼吁把可适应性管理结合到TMDL计划中。应国会的要求,美国国家科技部研究委员会

5.1.2从胁迫物质到生态响应的过程

当TMDL计划受公众参与的促使,实施者常常

2001年评价了TMDL计划的科学基础。他们的论证

结论是,适应性管理和使用适应性分析过程应该结合到TMDL计划中[18]。流域中的水体是注定要不断变化的。由于这样原因或那样的原因,即使科学上最好的预测能力也不能保证采取的行动一定有效。可适应性管理可以直面TMDL计划这些不确定性。

适应性管理有6个基本的过程,即问题评估—设计—执行—监测—评价—调整。图4显示了建立在传统TMDL基础上的可适应性TMDL流域水体管理(图4中UAA为ConductaUseAttainabilityAnalysis简称,即实施有用的可达性分析)。管理者只有完成所有的过程才能取得成功,但没有必要都按步骤进行。所有的过程必须建立在监测的结果上。而且,在这些问题和解决方案上利益共享体应该参与到整个过程中[18]。

强调易懂、快捷、或狭隘地定义诸如水质清澈、有无病原体、致命物、致癌毒性或其他威胁生命的物质。流域治理和接受水体之间的联系比单个污染物之间暗含的关系复杂得多。而在现实中,所有胁迫物非线性的相互关系可以通过结合生物反应与结果分析获得。这种分析可以用化学的、物理的和生物的指示剂而获得。图3显示了从人类活动到生态反应的相关过程。现代水资源评价与管理要求计划实施者借用更高级的手段,必须从方法、指示剂到取样设计和分析等方面指导水管理计划,在这个方向上将会指导新一代

TMDL的最新科学发展的到来[17]。

5.2.2结合风险管理的TMDL计划

5.1.3联系生态学思想的可量化模型

TMDL中只要不是定义公式中的污染物都基本

不予考虑。有的学者认为这些污染包含在安全边际中了。但这种观点是间接的和没有科学根据的,因为退化

原因忽略了,或污染物之间的相互作用,或污染物与

环境风险管理以环境风险评价为基础,是环境科学的一个新兴研究领域。国内外学者将流域生态风险

76

评价(WERA)中有用的原则应用到TMDL计划中,认为可以促成利用透明化的过程来选择量化目标;在

第31

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TMDL计划源识别过程中制定和运用理解概念模型;

在关联分析步骤中采用精确的不确定性分析等等(VictorBServeiss等,2005)。我国学者蒋颖等人以杭埠-丰乐河及其流域为研究区域,以分段计算总量标准取代总量分配,以负荷流失率和化肥流失率为基准进行非点源内部不同土地利用类型的削减分配,通过局部敏感度分析和摩尔斯敏感判断因子筛选风险因子,尝试以个别关键区域的控制达到全流域的改善,并且以Jacknife模拟为风险分析方法对控制方案进行风险分析,为探索总量控制下的TMDL风险管理提供了重要的参考价值[19]。

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