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排污许可制在我国实践20年来，一直是以污染物排放浓度控制为前提，以污染物总量减排为手段，未能作为环境管理的有效手段真正实现环境改善的目标[1]。一方面排污许可制度未能推动环境质量改善。现行的排污许可量核定是以目标总量为基础，大多来源于排污申报，没有与区域环境容量有效衔接，不能体现环境质量改善需求[2]。另一方面现有水环境容量核算技术在环境管理中适用性不强。由于自然条件、认识水平、技术手段等多种不确定性因素的限制，难以准确地确定流域水环境容量，同时长时间确定的容量总量也不适应流域气候、水量变化较大的特点，这必然导致缺少实际操作性。文章以江苏省太湖流域为例，围绕科学核定区域水环境容量、推动许可证与容量总量有效衔接等问题，研究建立面向排污许可证实施的控制单元核定及水环境容量核算方法，从而为流域水质目标管理体系的建立提供基础。
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控制单元是对重要水质控制断面影响的主要污染负荷所在区域，即控制单元内部单位污染负荷影响应大于外部单位污染负荷影响[3-5]。水质控制断面包括重要水质考核断面、饮用水源地、太湖一级保护区与重要水系相交断面，对于没有控制断面的控制单元，以控制单元的边界作为控制断面。
国家“十一五”水专项课题中，已对太湖流域进行了控制单元的划分，当时的划分是建立在水生态三级功能分区基础上[6-8]。文章在“十一五”水专项课题划分的基础上，结合江苏省太湖流域水生态功能分区的成果，同时考虑到排污许可证实施的可操作性，对控制单元的划分进行了优化调整。优化调整的原则主要有：①以控制断面水质达标为核心原则。控制断面水质达标是进行总量控制、分配的基础。②考虑流域水文情势、太湖流域圩区的分布原则。研究区域河流湖浜众多，受潮汐影响，下游边界多为双向流且圩区分布范围较广，基于上述水文特性导致污染源对控制断面水质的影响复杂多变。③兼顾区县行政边界、江苏省水资源分区原则。为便于控制单元内总量控制规划及行政区划管理，调整的控制单元边界应考虑水资源分区和行政边界，对没有可调的行政边界，可根据河流水系完整性分布进行控制单元边界调整。
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在“十一五”水专项课题划分成果基础上，以控制断面水质达标为核心，考虑流域及水文情势及兼顾区县行政边界，最终对原“十一五”水专项课题划分的38个控制单元进行了修改，最终将太湖流域（江苏）控制单元数目确定为70个，见图1。
太湖一级保护区边界与重要水系交接断面属于控制断面。太湖一级保护区控制断面水质达标情况，直接影响入湖水质。因此，以太湖一级保护区为依据，对控制断面进行修改。根据原控制单元内主导流场分析，对饮用水源地控制断面水质产生影响的主要污染负荷区域进行判断，对控制单元进行调整，见图2。
根据原控制单元内主导流场分析，对重要水质考核断面水质产生影响的主要污染负荷区域进行判断，最终根据水生态功能分区边界、行政边界以及考虑水系完整性对控制单元进行划分，见图3。
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控制单元是对重要水质控制断面影响的主要污染负荷所在区域。故引入控制单元内外单位污染负荷水质影响比的概念，单位污染负荷水质影响比是指控制单元内外单位污染负荷条件下对控制断面水质的影响程度，用α表示见式（1）。
式中，αi为控制单元内外单位污染负荷条件下对控制断面水质影响比，%；Wi为控制单元内部污染负荷；ci为控制单元内部污染源对控制断面水质的影响值；W0为控制单元外部污染负荷；c0为控制单元外部污染源对控制断面水质的影响值。
选择研究区域最不利水文条件，基于太湖流域模型计算出的概化河网流场分布及污染物传输结果，并根据研究区域内控制断面分布，计算得到各控制单元内外单位污染负荷水质影响比。计算结果表明：控制单元内部单位污染负荷对控制断面最不利水质影响比在65%～88%之间，可证明控制单元内的污染源为控制断面水质影响的主要来源，对其内部的污染源进行控制可有效地保证水质改善，故认为各控制单元划分基本合理。
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水环境容量是指在设计水文条件下，满足计算水域的水质目标要求时，水体所能容纳的某种污染物的最大数量[9-12]。与一般独立河网不同，复杂河湖系统内因存在河流与湖泊两类水体，进行河湖相连水系内河网区水环境容量计算时需要考虑河湖双重目标，在确保河网水质目标的同时应考虑河网输入对湖泊水环境影响，将河网区排污对太湖湖体的影响纳入到河网区水环境容量计算的约束条件体系中[13]。故研究提出了基于河网区河流功能达标、排污口混合带约束、控制断面达标及湖泊入湖口污染混合带控制等多个目标的河网区水环境容量计算体系，见图4。
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总体达标计算方法是基于零维水质模型建立起来的，其计算结果与污染源所处位置无关。水环境功能区总体达标水环境容量具体计算公式见（2）−（3）。
式中，Wij为计算中的水环境容量，计算中最小空间计算单元为河段(河段为两节点之间的河道)，最小时间计算单元为天；Q0ij、Vij为设计水文条件，采用太湖河网模型计算得到；Csij为功能区水质目标；C0ij为上游来水水质浓度；K为水质降解系数；αij为不均匀混合系数。
根据确定的设计条件，以一维非稳态水环境数学模型（式（3））为工具，计算出各水体最小空间范围和最小时间长度的水环境容量值；再根据式（2）计算出研究区域内各水环境功能区总的水环境容量值。
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控制断面水质达标目标值为使用控制断面水质达标计算方法计算得到的区域水环境容量值。控制断面水质达标计算方法是基于一维、二维水质模型建立起来的，其计算结果与污染源所处位置有关。采用一维稳态模型进行研究区域控制断面水质达标计算。
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由于太湖受纳的污染物主要经入湖河道带入，该项研究将入湖河道口门处理为排污口，通过控制单个污染带面积的方法进行太湖竺山湾控制目标下允许排污量的计算[14]。采用二维非稳态水量水质数学模型，计算得到不同风向下污染带，形成污染带的允许排污量即为竺山湾河网区湖体约束单元的控制目标值，竺山湾湖体约束单元控制目标值计算公式见式（4）。
式（4）中，W为污染物允许排污量，t/a；Wij为单个排污口在某一风向风速下的允许排放量， t/a，并以污染带面积控制，1～3 km2；αj为各个风向风速频率，%；n为排污口个数，个；b为不同风向风速频率个数，个；ΔW为允许排放量订正值，t/a，用以补充未概化到的河道的水环境容量。
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选用年降雨90%保证率作为典型年，按典型年实际水利工程调度状况和分区边界水文资料，利用河网（或河道）水量模型，计算相应典型年中最枯月平均流量（或平均水位），以作为本次各地表水功能区水环境容量（90%保证率）的设计水文条件。经频率分析，太湖流域90%保证率的典型年为1971年[15]。
根据《江苏省地表水（环境）功能区划（苏政复〔2003〕29号）》 [16]，结合《国务院关于全国重要江河湖泊水功能区划（2011～2030年）：〔国函2011〕167号》[17]的批复要求，综合确定本次计算水体的水环境功能区划。
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根据水环境容量计算方法，在90%水文保证率、2020年水功能区划条件下，计算得太湖流域（江苏）各地市COD、NH3-N和TP水环境容量分别为23.75、2.1和0.4万t/a，计算结果见表1。
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选用区域污染物削减率与水质超标情况对比，对本次水环境容量计算结果的合理性进行分析。污染物削减率计算公式见（5）。
式（5）中，入河量为2011年各类污染物入河量；水环境容量为90%水文保证率条件下的污染物最大允许入河量。河量。
将太湖流域（江苏）各地市2011年污染物入河量、此次计算得到的水环境容量、污染物入河量削减率及水利部门测量得到的2011年水质超标率汇总，见表2。
太湖流域（江苏）2011年污染物入河量削减率与江苏省水文水资源勘测局提供的2011年水质超标率对比，见图5。
图5可见，①太湖流域（江苏）2011年COD、NH3-N、TP入河量削减率分别为16.7%、43.8%、32.4%，水质超标率分别为14.9%、61.0%、20.4%，总体看来水质指标中COD优于NH3-N和TP；②太湖流域2011年COD和NH3-N的入河量削减率与水质超标率相差基本在20%以内，削减率与水质超标率基本吻合，说明水环境容量计算值基本合理。
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文中采用水环境容量逐县和逐控制单元分配的计算公式[18]见（6）−（7）。
式中，αj为某镇j占的环境容量权重；W总为研究区域总水环境容量；Wj为某镇j的水环境容量；Csi为i类水水质标准；Sj为某镇j的水域面积；lij为某镇j的i类水功能区总长；S为研究区域总的水域面积；li为研究区域的i类水功能区总长。
各县市及控制单元水域面积通过控制单元和gis遥感图切割划分得到；各县及控制单元功能区长度通过控制单元及功能区划mapinfo统计得到，各湖泊功能区统一折算成周长统计[19-20]。太湖流域（江苏）各县市水环境容量为基础，按照分配方法，最终确定江苏太湖流域各控制单元的水环境容量值，见表3。
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研究在“十一五”水专项课题划分成果基础上，以控制断面水质达标为核心，考虑流域及水文情势及兼顾区县行政边界，最终对原“十一五”划分的38个控制单元进行了修改，最终将太湖流域（江苏）控制单元划分为70个。计算表明控制单元内部单位污染负荷对控制断面最不利水质影响比在65%～88%之间，各控制单元划分基本合理，对控制单元内部的污染源进行控制可有效改善控制单元水质。
研究依据多目标河网区水环境容量计算体系，计算并分配得到70个控制单元的水环境容量。分析太湖流域2011年COD和NH3-N的入河量削减率与水质超标率相差基本在20%以内，计算结果合理。江苏省太湖流域COD、NH3-N、TP水环境容量为23.75、2.1和0.42万t/a。
控制单元核定及水环境容量核算研究
——以江苏省太湖流域为例Study on Control Unit Verification and Water Environmental Capacity Calculation ——A Case Study of Taihu Basin in Jiangsu
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摘要: 文章以江苏省太湖流域为例，围绕核定区域水环境容量、推动许可证与容量总量有效衔接等问题，建立了面向排污许可证实施的控制单元核定及水环境容量核算方法。将江苏省太湖流域划分为70个控制单元，计算得出控制单元内部单位污染负荷对控制断面最不利水质影响比在65%～88%之间。经核算得到各控制单元的水环境容量，太湖流域2011年COD和NH3-N的入河量削减率与水质超标率相差基本在20%以内。Abstract: Taking the Taihu basin in Jiangsu province as an example, this paper established the control unit verification by considering the implementation of the pollutant discharge permit, and the water environmental capacity calculation method in order to find the scientific verification of the regional water environmental capacity and the effective connection between the promotion permit and the total capacity. In this study, the Taihu lake basin in Jiangsu province was divided into 70 control units, and the ratio of the unit pollution load within the control units with the most unfavorable water quality on the control section was calculated to be the range from 65% to 88%. The water environmental capacity of each control unit was obtained, and the difference between the reduction rate of COD and ammonia nitrogen in the Taihu lake basin in 2011 and the excess rate of water quality was basically within 20%.
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Key words:
- Control Unit /
- Water Environmental Capacity /
- Pollutant Discharge Permit /
- Taihu Basin
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表 1 太湖流域（江苏）水环境容量成果
t·a−1 地名 水环境容量 COD NH3-N TP 无锡 54 289 5 420 1 084 常州 59 842 4 055 811 苏州 123 333 11 495 2 299 合计 237 464 20 970 4 194 
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表 2 江苏太湖流域各地市水环境容量计算值合理性分析
万t·a−1 地市 COD NH3-N TP 入河量 水环境
容量入河量
削减率/%水质超
标率/%入河量 水环境
容量入河量
削减率/%水质超
标率/%入河量 水环境
容量入河量
削减率/%水质超
标率/%无锡 6.3 5.4 14.0 18.9 0.6 0.5 14.0 70.3 0.14 0.11 24.8 17.0 常州 7.1 6.0 15.7 22.1 0.9 0.4 54.9 69.0 0.17 0.08 52.3 27.2 苏州 15.1 12.3 18.3 3.6 2.2 1.1 47.8 43.8 0.31 0.23 24.9 17.0 合计 28.5 23.7 16.7 14.9 3.7 2.1 43.8 61.0 0.62 0.42 32.4 20.4
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表 3 太湖流域（江苏）控制单元水环境容量
t·a−1 控制单元编号 COD NH3-N TP 控制单元编号 COD NH3-N TP 1 394 26 5 36 2 510 214 43 2 250 15 3 37 2 527 233 47 3 404 24 5 38 11 051 946 189 4 945 62 12 39 3 881 361 72 5 1 486 92 18 40 6 456 596 119 6 3 145 207 41 41 4 377 407 81 7 418 28 6 42 2 534 261 52 8 612 38 8 43 1 825 188 38 9 1 632 108 22 44 2 340 241 48 10 2 427 160 32 45 1 169 120 24 11 934 57 11 46 517 47 9 12 6 168 411 82 47 244 24 5 13 9 536 636 127 48 1 627 159 32 14 6 047 443 89 49 155 16 3 15 6 907 505 101 50 9 400 865 173 16 2 040 119 24 51 10 516 991 198 17 119 9 2 52 8 478 783 157 18 5 389 502 100 53 12 492 1 181 236 19 341 21 4 54 5 831 539 108 20 1 321 133 27 55 6 233 576 115 21 143 15 3 56 8 192 737 147 22 1 118 105 21 57 4 538 398 80 23 2 656 278 56 58 2 220 197 39 24 3 835 413 83 59 2 896 271 54 25 3 835 413 83 60 8 396 785 157 26 6 793 732 146 61 7 019 648 130 27 4 426 464 93 62 2 209 244 49 28 3 330 223 45 63 207 23 5 29 1 595 107 21 64 600 66 13 30 8 677 582 116 65 2 413 267 53 31 1 704 114 23 66 3 504 388 78 32 2 290 154 31 67 277 25 5 33 5 878 394 79 68 1 499 116 23 34 3 782 245 49 69 197 15 3 35 833 55 11 70 9 776 933 187
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图( 5) 表( 3)
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