推动长江经济带高质量发展是新时期国家重大战略决策，亟需在落实县域主体功能区定位和空间管控制度基础上，建立环境质量底线约束，将开发活动控制在区域资源环境承载能力范围之内[1]。汉江中下游是南水北调中线工程供水区，也是湖北省母亲河，其经济发展和环境保护的矛盾问题突出[2]，在该地区开展以污染物总量控制为核心的环境质量底线技术研究在长江经济带具有示范作用，为服务新时代水环境管理提供重要支撑。
污染物总量控制制度是我国水环境管理的重要抓手，在长江经济带地区广泛实施以来取得了一定成效[3-5]。环境容量具有资源性[6]，其分配利用需与主体功能定位一致，统筹上下游协同治理，建立环境质量底线约束下的空间管控机制。汉江中下游流域近年来全年常出现不同程度的水质超标现象，局部江段甚至水华频发，环境容量剩余不足[7-9]。当前，我国水环境容量核算仍多以传统方法为主，即以最枯条件下的设计流量进行核算，对水环境容量动态性考虑不足[10]，且污染物总量分配未充分考虑区域间社会经济的差异[11]。TMDL (Total Maximum Daily Load)从逐日时间尺度核算流域水环境容量，为流域水环境管理提供了思路[12-14]。本文结合不同地区的主体功能定位，综合考虑区域间水环境承载力差异，核算汉江中下游各区（县）动态水环境容量，实现全流域污染物总量控制，为汉江中下游建立水环境质量底线和不同区域差异化的管控要求提供理论依据与技术支撑，对全面改善水环境质量，支撑主体功能区战略的环境管控精准落地，推动长江经济带高质量发展具有重要意义。
1 研究区概况
汉江中下游起点为丹江口坝下，终点于湖北省武汉市汇入长江。汉江中下游区域内经济发达、人口密集，依据主体功能定位，汉江中下游干流流经的区（县）分为重点开发区、重点生态功能区、农产品主产区三种类型（图1）。重点生态功能区为丹江口市，位于流域上游，农业开发区主要集中在中游，而重点开发区主要集中于流域下游。依据基于汉江中下游各水功能区水质目标，确定汉江中下游干流各河段水质目标，如表1所示。
图1 汉江中下游流域概况图
Fig. 1 Watershed and location of study area
表1汉江干流各河段水质目标
Table. 1 Water quality target of the Hanjiang River
2 研究方法
2.1基于水环境承载力的总量核算与分配技术
按照公平、协调、可持续发展原则，考虑社会、经济、生态、环境等因素，利用基于水环境承载力的总量核算与分配技术[15-17]，建立服务于水环境质量底线的污染物总量控制方法，计算汉江中下游流域各区（县）的水环境承载能力并确定污染物总量控制目标，其技术路线如图2所示。
图2 基于水环境承载力的总量核算与分配技术路线
Fig. 2 Flow chart of total accounting and allocation method based on water environment carrying capacity
2.1.1 流域污染物总量核算
基于汉江中下游所建立的一维水动力水质模型[17,20-22]，建立排污口污染负荷与控制断面的响应关系，以各河段目标和各排污口排放浓度标准作为限制条件，以各排污口的污染负荷排放量之和最大为目标，核算研究区域最大日负荷总量[15-17]。考虑最大日负荷总量的波动和环境管理的实际需求，以水质达标率提高到90%以上为目标[23]，获得流域动态水环境容量。
基于汉江中下游一维水动力水质模型[17,20-22]，模型的参数选取如表2所示。本次研究水文数据由长江委水文局提供，水质数据由湖北省科学研究院提供（下同）。对2015年~2016年 COD和NH3-N水质浓度的实测结果进行验证，如图3所示。其中，COD浓度模拟值与实测值的误差小于13%，NH3-N浓度模拟值与实测值的误差小于8.36%，模拟精度较好，本次研究所建模型可满足该河段水质模拟研究。
表2水动力水质模型相关参数的取值
Table.2 Parameters Used in the hydrodynamic water quality model
图3水质模型验证
Fig. 3 Water quality model validation
2.1.2 基于水环境承载力的污染物总量分配
本文结合不同地区的主体功能定位，构建基于驱动力(Driving force)-压力(Pressure)-抵抗力(Resilience)-状态(State)-响应(Response)（下文简称“DPRSR”）的流域水环境承载力评价模型[17]，评估汉江中下游流域水环境承载能力。以水环境承载能力为权重，对流域水环境容量进行再次分配。
（1）结合汉江中下游流域特征，选取流域水环境承载力评价指标体系，采用层次分析法[16]确定各层级指标体系的权重，如表3所示。
（2）基于“DPRSR”水环境承载力模型进行水环境承载力评价时，先对所有评价指标进行标准化处理，再采用指标评价法，通过各指标的分值和各层的加权分值，得到汉江中下游各行政区水环境承载力分值，如式（1）~（2）。
式中：m为层数，n为指标个数，Vk分别为DPRSR各层的标准化分值，Vki分别为DPRSR各指标的标准化分值，Wki为DPRSR各指标的权重，Wk分别为DPRSR各层的权重，AECC为水环境承载力最终分值。
（3）水环境承载力评价结果分级如表4所示。为实现流域水环境可承载，结合主体功能定位，以研究区的社会经济发展现状、发展目标为依据，选出相应指标进行调控，实现全流域基本可承载，从而得到各区（县）可承载的GDP和人口规模。
表4 水环境承载力评价分级
Table. 4 Classification of water environment carrying capacity
2.2 数据来源
本研究以2017年水文条件为例，分析汉江中下游的水环境容量变化情况，基础数据来源包括气象数据、水文数据、水质数据和社会经济数据。其中逐日气象数据包括降雨和风速，来源于湖北省气象局；逐日水文数据包括流量和下游边界水位，逐日水质数据来源于湖北省环境科学研究院，社会经济数据包括人口、GDP和污染物负荷数据，来源于湖北省统计年鉴。
3 结果与讨论
3.1 汉江中下游动态水环境容量
基于动态水环境容量核算技术，2017年汉江中下游COD和NH3-N动态水环境容量结果如图4所示，COD和NH3-N全年水环境容量总量分别为227576 t/a和47920 t/a。由图4分析可知，汉江中下游水环境容量随时间差异显著，总体特征为汛期各类污染物水环境容量均较高，非汛期较低；其中汛期COD水环境容量最大为2338 t/d，而非汛期水环境容量最低为216.4 t/d，NH3-N汛期水环境容量最大为474.3 t/d，而非汛期水环境容量最低为92.5 t/d。这主要是由于河道水环境容量受降雨影响较大，汛期河道流量、水流流速较大，对污染物稀释作用较强。
图4 2017年汉江中下游动态水环境容量
Fig. 4 Dynamic water environmental capacity of the Middle-lower Hanjiang River in 2017
汉江中下游流域COD动态水环境容量全年为184430 t/a，NH3-N动态水环境容量全年总量为38250 t/a，高于单一水文条件下核算的水环境容量[24]，这是充分利用汛期水环境容量的结果。因此，以日为尺度实施污染物总量控制是更为精细的管控。
3.2 汉江中下游水环境承载力评估
为实现流域水环境可承载，以研究区的社会经济发展现状、发展目标为依据，基于“DPRSR”流域水环境承载力模型，计算汉江中下游流域各区（县）可承载的GDP和人口规模，各区（县）所能承载的社会经济总量和人口如图5所示。
图5 2017年汉江中下游水环境承载力
Fig.5 Water environmental carrying capacity of the Middle-lower Hanjiang River in 2017
由图5可知，可知汉阳区、潜江市、仙桃市可承载的GDP总量较大，分别为833.86亿元、758.91亿元、667.09亿元，丹江口市可承载的GDP总量最小，为274.18亿元；天门市、仙桃市和汉川市可承载的人口较大，分别为175.64万人、147.97万人、143.71万人。
3.3 各区（县）污染物总量控制
以各区（县）的水环境承载力作为权重进行总量分配，其水环境容量结果如图6所示。从空间上看，汉江中下游流域水环境容量总体上呈现由西北向东南、由上游向下游增多的趋势，潜江、汉阳、仙桃、天门等区（县）水环境容量较大，而上游丹江口市、老河口市和樊城区等区（县）水环境容量较小。
图6 2017年汉江中下游各区（县）污染物总量控制
Fig. 6 Total pollutant control of the Middle-lower Hanjiang River in 2017
汉江中下游各区（县）水环境容量和污染物现状排放量如图7所示。其中丹江口市需削减COD需削减的量为1540.3 t，襄州区、樊城区和襄城区分别COD需削减7137.6 t/a、3953.5 t/a和7029.4 t/a。NH3-N水环境容量整体剩余较高。
结合区（县）主体功能定位，探讨服务于水环境质量底线的管控措施：汉江中下游流域农产品主产区水环境容量整体剩余较高，而重点生态功能区和部分重点开发区污染物排放量仍需进一步削减。应结合各区（县）的主体功能和发展目标差异，对总量控制目标进一步调整和优化，为构建主体功能区战略提供支撑。
图7 2017年汉江中下游现状排污量及污染物总量控制
Fig. 7 Current sewage discharge and total pollutant control of the Middle-lower Hanjiang River in 2017
4 结论
（1）本文考虑汉江中下游各行政区（县）主体功能定位，在满足水环境质量最低要求的基础上，核算流域动态水环境容量，利用“DPRSR”水环境承载力评价模型，进行了汉江中下游流域污染物总量分配，落实水环境质量底线控制要求。
（2）基于本文提出的服务于环境质量底线的总量控制方法，核算汉江中下游COD和NH3-N全年水环境容量分别为184430t/a和38250t/a，总体特征为汛期各类污染物水环境容量而非汛期较低。依据水环境承载力，确定污染物总量控制目标，结合现状排污情况，其中丹江口市、襄州区、樊城区和襄城区COD需削减的量分别为1540.3 t/a、3953.5 t/a和7029.4 t/a，NH3-N水环境容量整体剩余较高。
（3）结合各区（县）主体功能定位及其污染物总量控制分析结果，提出了服务于环境质量底线的污染物总量分区管控建议。丹江口市重点生态功能区排污量需进一步削减；重点开发区中襄州区、樊城区和襄城区排污量需进一步削减，天门市、仙桃市排污量已接近污染物总量控制限值，需推进产业结构优化，发展绿色产业；老河口市等农产品主产区在继续保持农业发展的同时要注意保证生态不恶化。
研究成果为服务于环境质量底线的污染物总量控制研究提供参考，为对接主体功能区战略环境管控要求，推动新时代环境管理提供新思路。
致谢
感谢长江水利委员会水文局、湖北省环境科学研究院提供的水文、水质等数据。感谢张潇、涂华伟及马蒙越等在本文写作过程中的指导与帮助，谨此表示感谢！
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Study on the total pollutant control of the Middle-lower Hanjiang River serving baseline of the environment Quality
Abstract: Establishing the baseline of water environmental quality is an important way to improve the regional water environment governance capacity, controlling the total amount of pollutants is a key link in establishing the baseline of water environmental quality. Based on the dynamic water environmental capacity model, this study calculated the water environmental capacity (WEC), allocated it according to the water environment carrying capacity and main function orientation of each administrative area, the control measures were discussed in combination with the main function orientation. The results showed that the annual WEC of COD and NH3-N were 184430 t/a and 38250 t/a. From the perspective of spatial distribution, the WEC in key development zones of the downstream were higher than those of the main agricultural product production areas in the middle reaches and higher than the key ecological function areas of the upstream, combined with the current sewage discharges, the remaining allowable emissions in the middle reaches were higher and were lower in upstream. The COD reduction of upstream in Xiangzhou, Fancheng, Xiangcheng, and Danjiangkou were7137.6 t/a、3953.5 t/a、7029.4 t/a and1540.3 t/a, it is necessary to strictly adhere to the baseline constraint of total pollutant control. The major agricultural production areas of middle reaches such as Laohekou, Yicheng, Zhongxiang, and Shayang should ensure that the ecology does not deteriorate while develop agricultural. The current pollution discharge in key development zones of downstream such as Tianmen and Xiantao was close to the limits, strict total pollutant control should be implemented.
Keywords: total amount control; baseline of environmental quality; the middle and lower reaches of the Hanjiang River; Major Function Oriented Zoning; water environment carrying capacity
