基于水质达标的污染源排污许可限值确定方法与流程

本发明属于水环境保护和环境管理技术领域，尤其涉及流域排污许可证管理技术领域。

背景技术：

排污许可证是实施总量控制制度的重要手段，能够将总量控制目标和削减任务科学合理的分配到各排污单位，确保总量控制制度真正落到实处，见到实效。美国的国家污染物排放消除制度(National Pollutants Discharge Elimination System，NPDES)中规定，所有排放户都必须执行并达到基于污染控制技术的行业排放标准，在受纳水体仍然不能得到保护时，要对污染源制订和执行基于水质的排放标准。我国提出实施排污许可证制度已经有30多年，1984年颁布的《中华人民共和国水污染防治法》第14条规定“直接或间接向水体排放污染物的企业事业单位……排放污染物的种类、数量和浓度，并提供防治水污染方面的有关技术资料”。这实际上就是排污许可证制度雏形。1989年召开的第三次全国环境保护会议，正式把排污许可证制度确定为八项环境管理制度之一。1989年7月，经国务院批准，原国家环保总局发布的《中华人民共和国水污染防治法实施细则》第9条规定，对企事业单位向水体排放污染物的，实行排污许可证管理。至此，水污染物的排放许可证制度基本确立。1999年我国颁布的《海洋环境保护法》与2000年颁布的《大气污染防治法》分别在水环境保护和大气环境保护方面作出了排污许可证制度实施的相关规定。2008年1月以环办函[2008]16号对《排污许可证管理条例》公开征求意见。2013年11月十八届三中全会《中共中央关于全面深化改革若干重大问题的决定》中提出改革生态环境保护管理体制，建立和完善严格监管所有污染物排放的环境保护管理制度，独立进行环境监管和行政执法。落实到具体工作中即要求完善污染物排放许可制，实行企事业单位污染物排放总量控制制度。2014年4月24日第十二届全国人民代表大会常务委员会第八次会议新修订的《环境保护法》第六条规定，企业事业单位和其他生产经营者应当防止、减少环境污染和生态破坏，对所造成的损害依法承担责任；第四十五条规定国家依照法律规定实行排污许可管理制度。实行排污许可管理的企业事业单位和其他生产经营者应当按照排污许可证的要求排放污染物；未取得排污许可证的，不得排放污染物。2014年，环境保护部制定《排污许可证管理暂行办法》(简称“办法”)自2015年1月1日起施行。办法规定：五类重点排污单位，即国家、省级重点环境监控企业，城镇和工业污水集中处理单位，垃圾集中处理处置单位，危险废物处理处置单位和省级环境保护主管部门确定的其他排污单位，应当于本办法施行之日起一年内完成发放。

但是，目前排污许可证在我国各地实施情况相差甚远，有的地方取得了良好的效果，有的地方许可证制度事实上处于“名存实亡”的境地，一是发放许可证的数字与实际排污企业数差别太大；二是有的市县根本就没有真正落实过这项制度。究其原因在于排污许可限值的计算不够科学，同时排污许可证的管理和排污监控制度不够完善。为了科学合理制定排污许可限值，支撑排污许可证管理制度，提出基于水质的污染源排污许可限值的确定方法。现有的文献、规范和指南中尚未见对基于水质的污染源排污许可限值的报道。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种考虑河流水质要求，针对污染源的排污许可限值确定方法，以支撑排污许可证管理。

为实现上述目的，本发明提出一种基于水质达标的污染源排污许可限值确定方法，其特点在于，包括：

步骤1，数据准备，至少包括收集流域的水文数据、水质数据和污染源监测数据；

步骤2，建立该流域的污染源与排污口的产排关系；

步骤3，建立该流域的排污口与水质断面的压力响应关系；

步骤4：综合步骤2和步骤3建立的结果，建立该流域的污染源与水质断面之间的压力响应关系；

步骤5：计算基于水质达标的污染源总量分配方案，得到该流域的污染源在允许平均期内的平均允许排放量；

步骤6：将所述平均允许排放量转化为不同时间尺度的污染源排放限值以作为不同时间尺度的排污许可限值。

在本发明的实施例中，步骤1中的污染源监测数据至少包括污染源排放量、排污口位置和排放过程的连续监测数据，且步骤1中包括：

进行流域水文水力特征调查，对该流域的河流水体进行概化，明确支流和干流的产汇关系，流量和水质断面的空间关系；

利用水文学方法和水力学方法计算不同河段、水质断面的水文学参数和水力学参数；

而步骤2是通过所述污染源监测数据，确定该流域的污染源与排污口的对应关系，包括空间位置关系和排放关系，从而建立单个污染源排放与排污口的关系。

在本发明的实施例中，步骤3是根据该流域的河流水系、污染源、及排污口的空间分布情况，进行河流概化，建立流域水质模型，并利用污染源排放量和水质数据进行校准，得到该流域的水体对排污口污染源排放的水质响应场，从而确定该流域的排污口与水质断面的压力响应关系。

在本发明的实施例中，在步骤3中，在确定该流域的排污口与水质断面的压力响应关系时是考虑该流域的排污口和水质断面之间的动态响应关系，通过设置响应时间来实现水质断面动态响应排污口排放量；而步骤4是通过步骤2和步骤3实现该流域的污染源与水质断面之间的动态响应关系。

在本发明的实施例中，在步骤2中，所建立的单个污染源排放与排污口的关系如下：

W_i,j,t＝f₁(i,j,t)·WS_j,t (1)

其中：W_i,j,t为t时刻污染源j排入排污口i的排放量，其量纲为g/s；WS_j,t为t时刻污染源j的排放量，其量纲为g/s；f₁(i,j,t)为t时刻污染源j与排污口i之间的关系函数，无量纲，该关系函数是通过该流域的污染产排情况确定，且随时间变化。

在本发明的实施例中，在步骤3中所得到的该流域的水体对污染源排放的水质响应场如下：

$C_{k,i,j,t}=f_2(k,i,t)\·W_{i,j,t-t_0}/Q_{k,t}---\left(2\right)$

其中：C_k,i,j,t为t时刻由污染源j在t-t₀时刻排入排污口i的排放量在水质断面k处形成的浓度，其量纲为mg/l；t₀为污染源j经过排污口i流到水质断面k的时间，其量纲为s；为t-t₀时刻污染源j排入排污口i的排放量，其量纲为g/s；f₂(k,i,t)为t时刻排污口i与水质断面k之间的关系函数，该关系函数是通过流域水质模型确定，无量纲；Q_k,t为t时刻水质断面K的流量，其量纲为m³/s。

在本发明的实施例中，在步骤4中，根据式(1)、式(2)，得到

$C_{k,i,j,t}=f_1(i,j,t-t_0)\·f_2(k,i,t)\·{\mathrm{WS}}_{j,t-t_0}/Q_{k,t}---\left(3\right)$

令a_k,i,j,t＝f₁(i,j,t-t₀)·f₂(k,i,t)/Q_k,t

则得到污染源与水质断面之间的压力响应关系：

$C_{k,i,j,t}=a_{k,i,j,t}\·{\mathrm{WS}}_{j,t-t_0}---\left(4\right)$

其中：C_k,i,j,t为t时刻由污染源j在t-t₀时刻排入排污口i的排放量在水质断面k处形成的浓度，其量纲为mg/l；a_k,i,j,t为t时刻污染源j通过排污口i入河与水质断面k之间的水质压力响应系数，其量纲为1/(m³/s)；为t-t₀时刻污染源j的排放量，其量纲为g/s。

在本发明的实施例中，在步骤5中，是基于水质目标要求，根据不同的水质指标风险控制要求，确定水质指标允许平均期和超标概率，制定基于污染源的容量总量分配方案，得到污染源在允许平均期内的平均允许排放量；

其中，以污染源排放量最大为目标函数，以水质目标为约束方程，构建优化方程组，表达式为：

目标函数：

约束方程：

式中：为t-t₀时刻污染源j的排放量，其量纲为g/s；n为污染源总数；m为水质断面个数；a_k,i,j,t为t时刻污染源j通过排污口i入河与水质断面k之间的水质压力响应系数，其量纲为1/(m³/s)；S_k为水质断面k的水质目标，其量纲为mg/l；B_k为水质断面k的背景浓度，其量纲为mg/l；为t-t₀时刻污染源j最大排放量，其量纲为g/s；t₀为污染源j经过排污口i流到水质断面k的时间，其量纲为s。

在本发明的实施例中，在步骤6中，是考虑污染源排放非均匀排放特征，通过分析年、月、日平均排放量之间的关系，制定污染源日尺度、月尺度和年尺度的排放限值方案，从而得到不同时间尺度的污染源排放限值。

在本发明的实施例中，在步骤6中：

对于监测数据充分的企业，是依据污染源监测数据，分析污染源排放规律，计算日最大瞬时排放量、最大日平均排放量、最大月平均排放量、及年平均排放量，并分析之间的比例关系，根据比例关系将步骤5中计算得到的平均允许排放量转化为不同时间尺度的污染源排放限值；

对于监测数据不充分的企业，是利用同行业中，工艺水平和生产规模类似的企业的在线监测数据，估算日最大瞬时排放量、最大日平均排放量、最大月平均排放量，及年平均排放量之间的比例关系，根据比例关系将步骤5中计算得到的平均允许排放量转化为不同时间尺度的污染源排放限值；

对于监测数据不充分的企业，在没有在线监测数据的情况下，是使用美国国家污染源排放消除制度提供的方法计算不同时间尺度的平均期限值，以作为不同时间尺度的排污许可限值。

本发明针对环境管理的要求，基于水质目标，考虑污染源排放特点，提出排污许可限值核定方法。通过流域水环境模拟和污染源排放特征分析将流域环境管理的目标落实和转化为特定污染源的管理，为排污许可证制度的管理提供必要的技术支持。

附图说明

图1是本发明的基于水质达标的污染源排污许可限值确定方法的流程图；

图2是本发明的不同时间尺度限值比较的示意图；

图3是本发明的24小时出水浓度变化过程的日监测数据示意图；

图4是本发明的365天污染排放过程的年监测数据示意图。

具体实施方式

本发明提出一种基于水质达标的污染源排污许可限值确定方法，将河流水质目标要求与污染源排放规律相结合，实现水质达标，污染源可管的限值确定方法。

本发明涉及的理论包括水质模拟理论、规划优化理论、概率统计理论等。本发明的方法是在现场实测和数值模拟基础上，采用水质模拟理论确定水质响应场，采用优化理论确定基于水质的允许排放量，基于概率统计理论确定污染源日、月、年排放限值，不同时间尺度的排污许可限值能够支撑排污许可管理的监测和评估环节。

如图1所示，本发明的基于水质达标的污染源排污许可限值确定方法具体实施需要以下工作步骤：

步骤1，数据准备，至少包括收集流域的水文数据、水质数据和污染源监测数据。

其中，相关数据准备工作包括：进行流域水文水力特征调查，对河流水体进行概化，明确支流和干流的产汇关系，流量和水质断面的空间关系等。同时，利用水文学、水力学方法计算不同河段、断面的水文学参数(流量、水位、汇流时间等)和水力学参数(流速、水深、糙率等)。

其中，相关污染源监测数据至少包括污染源排放量、排污口位置和排放过程的连续监测数据。

步骤2，建立该流域的污染源与排污口的产排关系。主要是通过所述污染源监测数据，确定该流域的污染源与排污口的对应关系，包括空间位置关系和排放关系，从而建立单个污染源排放与排污口的关系：

W_i,j,t＝f₁(i,j,t)·WS_j,t (1)

其中：W_i,j,t为t时刻污染源j排入排污口i的排放量，其量纲为g/s；WS_j,t为t时刻污染源j的排放量，其量纲为g/s；f₁(i,j,t)为t时刻污染源j与排污口i之间的关系函数，无量纲，该关系函数是通过该流域的污染产排情况确定，且随时间变化。

在步骤2中，可通过所述污染源监测数据，进行流域污染源调查和分析，列出污染源清单，明确污染源的排放量、处理处置方式、排放位置和排放方式等。对于直排污染源，明确污染源与排污口的对应关系，根据处理、处置、排放方式建立污染源排放量与入河量之间的关系；对于间排污染源，利用污水处理厂出水情况建立污染源排放量与入河量之间的关系。

步骤3，建立该流域的排污口与水质断面的压力响应关系。主要是根据该流域的河流水系、污染源、及排污口的空间分布情况，进行河流概化，建立流域水质模型，并利用污染源排放量和水质数据进行校准，得到该流域的水体对污染源排放的水质响应场，从而确定该流域的排污口与水质断面的压力响应关系：

$C_{k,i,j,t}=f_2(k,i,t)\·W_{i,j,t-t_0}/Q_{k,t}---\left(2\right)$

其中：C_k,i,j,t为t时刻由污染源j在t-t₀时刻排入排污口i的排放量在水质断面k处形成的浓度，其量纲为mg/l；t₀为污染源j经过排污口i流到水质断面k的时间，其量纲为s；为t-t₀时刻污染源j排入排污口i的排放量，其量纲为g/s；f₂(k,i,t)为t时刻排污口i与水质断面k之间的关系函数，该关系函数是通过流域水质模型确定，无量纲；Q_k,t为t时刻水质断面k的流量，其量纲为m³/s。

在本发明中，在确定该流域的排污口与水质断面的压力响应关系时考虑了该流域的排污口和水质断面之间的动态响应关系，通过设置响应时间(即t₀)来实现水质断面动态响应排污口排放量，从而确保响应关系更符合实际情况。

步骤4：综合步骤2和步骤3建立的结果，建立该流域的污染源与水质断面之间的压力响应关系。

较佳地，在本发明中，步骤4是通过步骤2和步骤3实现该流域的污染源与水质断面之间的动态响应关系，将污染源排放与水质响应直接关联，降低了方法的操作难度，提高了可操作性。

其中，根据式(1)、式(2)，得到

$C_{k,i,j,t}=f_1(i,j,t-t_0)\·f_2(k,i,t)\·{\mathrm{WS}}_{j,t-t_0}/Q_{k,t}---\left(3\right)$

令a_k,i,j,t＝f₁(i,j,t-t₀)·f₂(k,i,t)/Q_k,t

则得到污染源与水质断面之间的压力响应关系：

$C_{k,i,j,t}=a_{k,i,j,t}\·{\mathrm{WS}}_{j,t-t_0}---\left(4\right)$

其中：C_k,i,j,t为t时刻由污染源j在t-t₀时刻排入排污口i的排放量在水质断面k处形成的浓度，其量纲为mg/l；a_k,i,j,t为t时刻污染源j通过排污口i入河与水质断面k之间的水质压力响应系数，其量纲为1/(m³/s)；为t-t₀时刻污染源j的排放量，其量纲为g/s。

步骤5：计算基于水质达标的污染源总量分配方案，得到该流域的污染源在允许平均期内的平均允许排放量。

在步骤5中，其是基于水质目标要求，根据不同的水质指标风险控制要求，确定水质指标允许平均期和超标概率，制定基于污染源的容量总量分配方案，得到污染源在允许平均期内的平均允许排放量(如：4日平均值、30天平均值等)。

例如，以污染源排放量最大为目标函数，以水质目标为约束方程，构建优化方程组，表达式为：

目标函数：

约束方程：

式中：为t-t₀时刻污染源j的排放量，其量纲为g/s；n为污染源总数；m为水质断面个数；a_k,i,j,t为t时刻污染源j通过排污口i入河与水质断面k之间的水质压力响应系数，其量纲为1/(m³/s)；S_k为水质断面k的水质目标，其量纲为mg/l；B_k为水质断面k的背景浓度，其量纲为mg/l；为t-t₀时刻污染源j最大排放量，其量纲为g/s；t₀为污染源j经过排污口i流到水质断面k的时间，其量纲为s。

由此，本发明在步骤4中建立了基于污染源的响应关系矩阵，并在此基础上，在步骤5中，利用规划、优化方法，构建优化模型，可得到污染源不同时间尺度的平均允许排放量。

步骤6：将所述平均允许排放量转化为不同时间尺度的污染源排放限值以作为不同时间尺度的排污许可限值。

由于步骤5中基于水质达标计算得到的平均允许排放量仅为允许平均期内的平均排放量，而在排污许可证需要得到更多时间尺度的排放限值(如：最大日限值、最大月限值、年限值等)，因此，需要考虑污染源排放非均匀排放特征，通过分析年、月、日平均排放量之间的关系，制定污染源在日尺度、月尺度和年尺度的排放限值方案，如图1所示。

对于监测数据充分的企业，即监测数据比较多且有较完整的日监测数据(如图3所示)和年监测数据(如图4所示)，可依据污染源监测数据，对污染源排放量的波动规律进行分析，研究污染源排放的时间波动规律，例如，分析污染源排放规律(逐时变化、逐日变化过程)，计算日最大瞬时排放量、最大日平均排放量、最大月平均排放量，及年平均排放量，并分析之间的比例关系，根据比例关系将步骤5计算得到的平均允许排放量转化为不同时间尺度的排放限值。

其中，在污染源监测数据能够支撑的情况下，利用监测数据，可得到污染源年平均排放量与污染源日均排放量最大值之间的比值a：

此处，a可作为日排放限值与年平均排放限值之间的比例，从而根据上述基于排放标准确定的日排放限值，得到年平均排放限值，进一步乘企业生产天数，即可得到年污染源排放许可量。

对于监测数据不充分的企业，即缺少详细监测数据，需要分情况讨论：

(1)利用同行业中，工艺水平类似、生产规模类似的企业的在线监测数据，估算日最大瞬时排放量、最大日平均排放量、最大月平均排放量，及年平均排放量之间的关系，然后计算得到的平均允许排放量转化为不同时间尺度的排放限值。

(2)在没有在线监测数据的情况下，可使用美国NPDES提供的方法计算不同时间平均期限值。

其中，年平均排放量(LTA)是计算其他时间平均期限值的基础，体现了污染源的平均控制水平，其计算方法如下：

$LTA=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{X}_i}{n}---\left(7\right)$

式中：X_i为COD每日监测值，其量纲为mg/L；n为监测值的个数。

污染源排放的标准偏差和变异系数的计算方法为：

$S={\[\frac{1}{n-1}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(X_i-LTA)}^2\]}^{0.5}---\left(8\right)$

$CV=\frac{S}{LTA}---\left(9\right)$

式中，S为样本的标准偏差；CV为变异系数，可衡量样本的变化程度，即CV反应了出水浓度的波动剧烈程度，CV越大，说明出水浓度波动越大。

在正态分布的假设条件下，最大日排放量(MDL)、最大月排放量(AML)可以通过年平均排放量(LTA)为基础数据进行估算：

$MDL=LTA\×Exp({\mathrm{z\σ}}_1-0.5{\mathrm{\σ}}_1^2)---\left(10\right)$

$AML=LTA\×Exp({\mathrm{z\σ}}_{30}-0.5{\mathrm{\σ}}_{30}^2)---\left(11\right)$

${\mathrm{\σ}}_c={\[\ln \left(\frac{{\mathrm{CV}}^2}{c}+1\right)\]}^{0.5}---\left(12\right)$

式中：σ_c用来估计样本的变化差异状况；z为不同的保证概率下的标准正态的分位数，该研究取95％保证率下的z值，为1.646；c为不同时限的天数。

式(10)～(12)体现了LTA与其他周期平均限值的关系，不同周期平均限值与LTA的转化系数的计算方法为：

${\mathrm{\β}}_{MDL}=\frac{MDL}{LTA}=Exp(1.646{\mathrm{\σ}}_1-0.5{\mathrm{\σ}}_1^2)---\left(13\right)$

${\mathrm{\β}}_{AML}=\frac{AML}{LTA}=Exp(1.646{\mathrm{\σ}}_{30}-0.5{\mathrm{\σ}}_{30}^2)---\left(14\right)$

从而，可将计算得到的平均允许排放量转化为不同时间尺度的排放限值。

本发明针对环境管理的要求，基于水质目标，考虑污染源排放特点，提出排污许可限值核定方法。通过流域水环境模拟和污染源排放特征分析将流域环境管理的目标落实和转化为特定污染源的管理，为排污许可证制度的管理提供必要的技术支持。

本发明将水质管理与污染源管理有机的结合起来，比现有流域管理更加精细化，更具有操作性，有效解决了现有流域管理中“点”与“面”管理的困难。

当然，本发明在细节处理方面还有很大的选择余地，或者有不同的处理方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。