1、流域或區(qū)域尺度上進(jìn)行水污染的總量控制，是有效控制非點(diǎn)源污染、改善水質(zhì)、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展的根本保證，而建立相應(yīng)的理論和技術(shù)方法體系是實(shí)施流域水污染物總量控制的重要基礎(chǔ)。本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，選擇我國(guó)東南地區(qū)典型流域一曹娥江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)對(duì)曹娥江水系26個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的連續(xù)、逐月的水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)(2003年7月至2006年6月)，以及流域自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)條件的調(diào)查分析(2003年～2005年)，運(yùn)用土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)和經(jīng)

2、濟(jì)學(xué)等理論，應(yīng)用非點(diǎn)源污染的輸出系數(shù)模型、河流污染物輸入一輸出平衡模型、河流水質(zhì)模擬模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、基尼系數(shù)、統(tǒng)計(jì)分析等方法，采用定性與定量相結(jié)合的分析手段，圍繞流域水污染物總量控制的關(guān)鍵問(wèn)題，系統(tǒng)分析了近幾年來(lái)曹娥江水系水質(zhì)的狀況及其時(shí)空變異特征；估算和分析了集水區(qū)內(nèi)污染物輸移通量和河流中氮、磷的自凈能力，建立了針對(duì)不同河段、不同污染物的水質(zhì)動(dòng)態(tài)模擬模型。以此為基礎(chǔ)，探討了不同污染源作用下的河流水環(huán)境容量核算模型，以及流域水環(huán)

3、境容量在區(qū)域間和污染源間公平分配的新方法，并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。從而建立了流域尺度上非點(diǎn)源污染物總量控制的理論和技術(shù)方法體系。 本研究的工作成果主要包括兩個(gè)方面，即(1)建立了較為完整的流域尺度非點(diǎn)源污染總量控制的理論和技術(shù)方法體系；(2)曹娥江流域水環(huán)境污染過(guò)程定量研究和水質(zhì)總量控制研究結(jié)果。 一、流域尺度上非點(diǎn)源污染總量控制的理論和技術(shù)方法體系的建立 1．發(fā)展了分期、分區(qū)和分段的水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)和水質(zhì)時(shí)空變異

4、分析方法。通過(guò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)和集水區(qū)污染物調(diào)查分析相結(jié)合的方法，從質(zhì)和量?jī)煞矫孢M(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)和分析，從而確定主要的水環(huán)境污染指標(biāo)和污染區(qū)段、時(shí)段，以合理選擇總量控制的污染指標(biāo)； 2．建立了基于流域尺度上的分期區(qū)段水陸界面非點(diǎn)源污染物的輸移通量估算和分析方法。采用相應(yīng)的非點(diǎn)源污染模型和方法，核算非點(diǎn)源污染物輸移通量，協(xié)同河流中污染物負(fù)荷量的分析，實(shí)現(xiàn)水體中污染物的按期、分類識(shí)別； 3．針對(duì)非點(diǎn)源污染發(fā)生過(guò)程和河流中污染物的自凈

5、過(guò)程，建立了河流水質(zhì)動(dòng)態(tài)模擬模型，定量描述流域水陸界面污染物輸移通量與河流水質(zhì)之間的輸出響應(yīng)關(guān)系； 4．以集水區(qū)中污染源的污染物最大允許投(排)放量為基本依據(jù)，建立了非點(diǎn)源污染條件下的水環(huán)境容量分期、分段核算理論和模型?；谖廴疚镙斠婆c水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系和污染物自凈規(guī)律，從河流水文水質(zhì)條件出發(fā)，反推得到流域水陸界面污染物的最大允許輸移通量(水環(huán)境容量)。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步將河流水環(huán)境容量折算為污染物最大允許投(排)放量；

6、 5．流域水環(huán)境容量分配的理論和方法，應(yīng)以多層次、多目標(biāo)和公平性的觀念為基礎(chǔ)。流域水環(huán)境容量分配可以分為三個(gè)層次：區(qū)域(行政區(qū)或子流域之間)、產(chǎn)業(yè)(三大產(chǎn)業(yè)或行業(yè)之間)和污染源，針對(duì)不同層次，基于公平原則上的效益優(yōu)化原則，采用相應(yīng)的分配方法，公平、公正、合理地將總量控制指標(biāo)落實(shí)到各排污單位。 二、曹娥江流域水環(huán)境污染過(guò)程定量研究和水質(zhì)總量控制研究結(jié)果 1．曹娥江水系水質(zhì)現(xiàn)狀堪憂，大多數(shù)河段水質(zhì)劣于III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其

7、主要污染指標(biāo)為有機(jī)物(BOD5、CODMn)、氨氮、總磷。由氮、磷引起的曹娥江水系富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題也不容忽視。 2．2004年，曹娥江上游新昌江全年COD<,cr>輸移通量為2433.6 t，氨氮為332.6 t。其中工業(yè)點(diǎn)源分別占了COD<,cr>和氨氮總輸移通量的56.1％和34.9％，是造成新昌江污染的主要原因。而曹娥江上游長(zhǎng)樂(lè)江流域，2004年和2005年TN總輸移通量分別為2172.0和2706.4 t y-1，TP總輸

8、移通量102.6和109.0 t y-1；農(nóng)地化肥的非點(diǎn)源污染占TN總輸移通量的78.6％和84.3％，占TP總輸移通量的和74.7％和78.8％，是長(zhǎng)樂(lè)江氮、磷污染的主要原因。 3．2004年，新昌江流域單位集水面積非點(diǎn)源氨氮和COD<,cr>輸移通量分別為8.8 kg ha<'-1>y<'-1>和40.3 kg ha-1 y-1，而各農(nóng)地(包括水田、旱作地、園地)單位面積COD<,cr>輸移通量為41.1～82.8 kg

9、ha<'-1> y<'-1>，氨氮為5.1～11.2 kg ha<'-1>y<'-1>。2004年和2005年單位集水面積的TN輸移通量分別為30.1和37.5 kg ha<'-1>y<'-1>，TP輸移通量分別達(dá)到1.4和1.5 kg ha<'-1>y<'-1>。2004年長(zhǎng)樂(lè)江流域不同農(nóng)地(包括水田、旱作地、茶園、果園、苗木和其他)單位面積的TN的輸移通量在48.4～85.5 kg ha<'-1>Y<'-1>之間，2005年在53.

10、6～112.2 kg ha<'-1>Y<'-1>之間；2004年單位面積的TP的輸移通量在2.0～4.7 kg ha<'-1>Y<'-1>之間，2005年在1.4～5.2 kg ha<'-1>Y<'-1>之間。 4．2004年和2005年長(zhǎng)樂(lè)江TN自凈量分別為1641.0和2431.7 ty<'-1>，TP自凈量分別為89.5和90.4 t y<'-1>：長(zhǎng)樂(lè)江全年的TN自凈率分別達(dá)到36.7％和 60.4％，TP自凈率分別達(dá)

11、到71.2％和68.4％。應(yīng)用2004年的逐月數(shù)據(jù)所建立的回歸方程可以較好地預(yù)測(cè)2005年逐月的TN和TP自凈量，模擬誤差分別為±17.6％和+26.9％。 5．利用Dobbins--Camp模型、水質(zhì)一維模型和BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，分別對(duì)曹娥江干流河段、新昌江城區(qū)河段和長(zhǎng)樂(lè)江支流等典型河段(支流)中的不同污染指標(biāo)進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)研究。結(jié)果表明曹娥江干流的BOD5和DO濃度的分期、分段模擬預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差分別為±18.4％和±28

12、.1％；新昌江每月氨氮和COD<,Mn>濃度的模擬預(yù)測(cè)相對(duì)誤差分別為±18.7％和±18.3％。而應(yīng)用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)長(zhǎng)樂(lè)江每月TN、TP、DO濃度的模擬預(yù)測(cè)結(jié)果，相對(duì)誤差均可以控制在±10％以內(nèi)。 6．不同設(shè)計(jì)條件下，新昌江城區(qū)河段NH4+ -N全年水環(huán)境容量為56.5～151.1 t y -1，COD Mn為139.7-633.8 t Y -1。長(zhǎng)樂(lè)江全年TN和TP水環(huán)境容量分別為8816.4 t y -1和467

13、2.9 t y -1。水環(huán)境容量年內(nèi)分布不均，每月TN水環(huán)境容量為373.3～1064.0 t month -1，而TP為218.9～865.5 t month -1。與現(xiàn)狀投(排)放量相比，平水期是TN投排放削減量最大的時(shí)期，而豐水期是TP剩余水環(huán)境容量最小的時(shí)期。 7．在長(zhǎng)樂(lè)江流域，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)分配到的TN水環(huán)境容量在175.5～2327.8 t y -1之間，需要削減的TN投(排)放量在212.0～1358.2tY -1之間；

14、化肥施用是需要削減量最大的污染源(3527.2 t)；各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)村生活污染、畜禽養(yǎng)殖、化肥施用分別需要削減當(dāng)前TN投(排)放量的11.7％～34.4％、46.0％～77.4％、12.7％～55.9％。 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)分配到的TP水環(huán)境容量分別在140.1～1233.8 t y -1之間；畜禽養(yǎng)殖是TP剩余容量最小的污染源(330.4 t)；各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中農(nóng)村生活污染分配到的TP剩余水環(huán)境容量為20.8～301.0 t，畜禽養(yǎng)殖為11.1～1

15、14.4 t，化肥施用為26.6～362.9 t。 本文創(chuàng)新點(diǎn)和特色主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1．采用主成分分析和相關(guān)性分析相結(jié)合的方法，協(xié)同污染源調(diào)查分析，揭示了不同因素作用下的中小水系全流域水質(zhì)時(shí)空變異規(guī)律，對(duì)于非點(diǎn)源污染為主的河流而言，其水質(zhì)具有時(shí)間變異性顯著而空間變異性較小的特點(diǎn)；對(duì)于點(diǎn)源污染為主的河流而言，其水質(zhì)具有顯著的空間變異性。 2．基于河流污染物輸入一輸出平衡原理，較為系統(tǒng)地定量研究了氮、

16、磷在河流中的自凈過(guò)程，建立了河流氮、磷自凈量的預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)模型；計(jì)算得出2004年和2005年長(zhǎng)樂(lè)江TN的自凈率分別為36.7％和60.4％，TP的自凈率分別為68.4％和71.2％；發(fā)現(xiàn)水生生物的生長(zhǎng)狀況是影響長(zhǎng)樂(lè)江自凈能力的主要因子。據(jù)此，本文提出了水生生物的吸收作用可能成為一些河流TN和TP自凈過(guò)程的主要驅(qū)動(dòng)力的觀點(diǎn)。 3．將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用到非點(diǎn)源污染為主河流的水質(zhì)變化的模擬中，建立了長(zhǎng)樂(lè)江氮、磷濃度預(yù)測(cè)模擬的BP人工

17、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，較好地解決了非點(diǎn)源污染的發(fā)生過(guò)程和河流中污染物自凈過(guò)程的高度非線性問(wèn)題。對(duì)該模型的模擬預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行的實(shí)測(cè)驗(yàn)證表明，預(yù)測(cè)模擬結(jié)果具有較高的精度，且方法簡(jiǎn)單，泛化能力強(qiáng)。 4．針對(duì)非點(diǎn)源污染過(guò)程的基本特點(diǎn)，建立了針對(duì)非點(diǎn)源污染為主河流的水環(huán)境容量核算模型。模型可以估算河流按月的水環(huán)境容量，較好地解決了非點(diǎn)源污染發(fā)生和輸移通量的時(shí)間變異性問(wèn)題。同時(shí)將河流水環(huán)境容量折算為集水區(qū)中污染源的污染物投(排)放量，使水污染總量控

18、制可以直接落實(shí)到各污染源。這是我國(guó)傳統(tǒng)的以點(diǎn)源污染為核心的水環(huán)境容量研究技術(shù)的重要發(fā)展。 5．以經(jīng)濟(jì)學(xué)中的“基尼系數(shù)”概念為基礎(chǔ)，提出了多維的水環(huán)境基尼系數(shù)的基本概念和理論，建立了用于水環(huán)境容量分配的多維水環(huán)境基尼系數(shù)模型，發(fā)展并形成了以此為基礎(chǔ)的水環(huán)境容量分配和調(diào)整的技術(shù)方法體系。該方法的分配結(jié)果，較好地體現(xiàn)了多目標(biāo)條件下的公平和合理性，可以較好地協(xié)調(diào)同級(jí)排污單位(區(qū)域、子流域、行業(yè)等)之間的水資源利用與保護(hù)的關(guān)系，為促進(jìn)流