楊占紅羅 宏呂連宏徐永利

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境與經(jīng)濟(jì)研究室,北京 100012;2.河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院,河北石家莊 050021)

城市工業(yè)COD總量優(yōu)化分配研究

楊占紅1羅 宏1呂連宏1徐永利2

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境與經(jīng)濟(jì)研究室,北京 100012;2.河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院,河北石家莊 050021)

總量控制是控制污染源發(fā)展趨勢、改善環(huán)境質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑,如何在適度公平的基礎(chǔ)上尋求環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、資源等整體最優(yōu)是環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究課題。本文以工業(yè)城市蘇州市為例,研究其工業(yè)化學(xué)需氧量的排放特征,以基尼系數(shù)法分行業(yè)對其工業(yè)化學(xué)需氧量排放量的公平性進(jìn)行評價,并將總量控制與資源、社會和經(jīng)濟(jì)相聯(lián)系,以行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化和增加治理投資費(fèi)用最小化為目標(biāo),利用多目標(biāo)行業(yè)總量優(yōu)化分配模型對蘇州市的工業(yè)化學(xué)需氧量排放總量進(jìn)行優(yōu)化分配。研究結(jié)果表明,紡織業(yè)、化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)、能源和水的生產(chǎn)與供應(yīng)業(yè)、造紙及木材加工、醫(yī)藥制造業(yè)等行業(yè)是蘇州市的化學(xué)需氧量重點(diǎn)排放行業(yè),經(jīng)優(yōu)化分配后,COD排放總量削減了10%,新鮮用水量減少了41.81%,行業(yè)年總產(chǎn)值增幅達(dá)到214.69%,資源和水環(huán)境容量在滿足一定的經(jīng)濟(jì)增長速度的條件下實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置,總量控制制度在市場經(jīng)濟(jì)體制下發(fā)揮出盡可能大的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

化學(xué)需氧量(COD);公平性;基尼系數(shù);優(yōu)化分配

總量控制是控制污染源發(fā)展趨勢、改善環(huán)境質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑,各個排污單位或污染源之間如何科學(xué)、合理地分配排放污染物的量,使其在市場經(jīng)濟(jì)體制下發(fā)揮出盡可能大的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益,是總量控制的核心問題[1]。水污染物排放總量分配涉及到經(jīng)濟(jì)、社會、技術(shù)和環(huán)境等多種因素,在每種因素中往往又包含了若干種定性和定量因子[2]。國外優(yōu)化分配的研究自20世紀(jì)60年代起步,80年代后各種分配模型的應(yīng)用得到很大改善,如開發(fā)了隨機(jī)動態(tài)規(guī)劃費(fèi)用最小模型[3]、利用模糊多目標(biāo)優(yōu)化方法等[4-5],國內(nèi)也有一些總量控制公平性方面的研究,如最小處理費(fèi)用公平協(xié)調(diào)方法[6]、水污染物允許排放量公平分配方法[7-9]、多目標(biāo)行業(yè)總量優(yōu)化分配模型[10-11],但就我國目前國情而言,如何在適度公平的基礎(chǔ)上,尋求環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、資源等整體最優(yōu)仍是一個重要的研究課題。

本文以蘇州市為例,將總量控制與資源、社會和經(jīng)濟(jì)相聯(lián)系,研究該市工業(yè)化學(xué)需氧量(COD)的排放特征,以基尼系數(shù)法分行業(yè)對其工業(yè)COD排放量的公平性進(jìn)行評價,同時考慮水資源量、水環(huán)境容量、社會行業(yè)優(yōu)化調(diào)整等多方面的約束,以行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化和增加治理投資費(fèi)用最小化為目標(biāo),參考利用多目標(biāo)行業(yè)總量優(yōu)化分配模型[10-11]對蘇州市的工業(yè)COD排放總量進(jìn)行優(yōu)化分配,力求實(shí)現(xiàn)盡可能大的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 研究對象概況

蘇州市位于長江三角洲中部,江蘇省南部,東鄰上海,南接浙江,西傍無錫,北依長江。蘇州水系受滬寧鐵路的分割,分為南北兩大水系。北部地區(qū)由于地勢相對較高,水系主要以河網(wǎng)為主。而南部地區(qū)由于地勢低洼,水系以湖蕩為主。蘇州屬典型的江南水網(wǎng)化平原地區(qū),全市水面約3 609 km2,約占總面積的42.5%。蘇州擁有大小湖泊321個,湖泊率約為8%,是全國湖泊率的10倍。

2006年蘇州市三次產(chǎn)業(yè)比例為1.9∶65.4∶32.7,電子、紡織、交通設(shè)備、冶金、電氣、化工是支柱產(chǎn)業(yè),水污染點(diǎn)源以鋼鐵行業(yè)、紡織行業(yè)、化工行業(yè)、造紙業(yè)、印染行業(yè)等為主。工業(yè)企業(yè)廢水COD排放總量按行業(yè)分類統(tǒng)計(jì),全市排在前三位的行業(yè)為紡織業(yè)、化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)和造紙及紙制品業(yè)。

2 研究基本原理

2.1 基尼系數(shù)

基尼系數(shù)的定義是在洛倫茲曲線的基礎(chǔ)上提出的,洛倫茲曲線如圖1。

用橫軸代表人口累積百分比,用縱橫代表收入累積百分比,實(shí)際收入分配曲線和收入分配絕對平等曲線之間的面積為A,實(shí)際收入分配曲線右下方面積為B,則基尼系數(shù)的定義式為:

圖1 洛倫茲曲線Fig.1 Lorenz Curve

基尼系數(shù)有多種計(jì)算方法,如直接計(jì)算法、回歸曲線法、人口等分法、城鄉(xiāng)分解法[12],葉禮奇提出了三角形面積法、弓形面積法[13],本文采用比較普遍使用的梯形面積法,將洛倫茨曲線下方的面積近似為若干梯形進(jìn)行計(jì)算,其公式如下:

式中,Xi為評估指標(biāo)的累計(jì)比例,%;Y i為污染物的累計(jì)比例,%;i為分配對象數(shù)量。當(dāng)i=1時,(Xi-1,Yi-1)視為(0,0)。

2.2 多目標(biāo)行業(yè)總量優(yōu)化分配模型[10-11]

2.2.1 行業(yè)水環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合指數(shù)(R)

某行業(yè)的R可以用式描述:

式中:ec表示該行業(yè)經(jīng)濟(jì)方面的特征,en表示該行業(yè)環(huán)境方面的特征,r表示該行業(yè)資源方面的特征,F表示一組復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。

假定共選擇m項(xiàng)指標(biāo)作為R的影響因子,先將每項(xiàng)因子的實(shí)際值與區(qū)域社會平均值相除,得到單因子社會發(fā)展度,再運(yùn)用數(shù)學(xué)方法調(diào)整m項(xiàng)因子對R的影響權(quán)重,綜合計(jì)算得到R值。在行業(yè)總量優(yōu)化分配模型中將R作為調(diào)整行業(yè)結(jié)構(gòu)這一關(guān)鍵約束條件來加以使用。

2.2.2 模型結(jié)構(gòu)

(1)目標(biāo)函數(shù)

1)行業(yè)年總產(chǎn)值總和S(104元·a-1)最大:

式中:Xi—行業(yè)i控制污染物優(yōu)化排放量,t;

K1i—行業(yè)i萬元產(chǎn)值排放控制污染物量系數(shù),t/萬元;

i—總量控制區(qū)域內(nèi)行業(yè)類別。

2)行業(yè)新增處理污染物費(fèi)用總和G最小:本模型中假定生產(chǎn)規(guī)模保持不變,當(dāng)行業(yè)控制污染物現(xiàn)狀排放量Ci高于Xi時,G為正;當(dāng)Ci低于Xi時,G為負(fù)。本模型只考慮限制污染物排放量變化所產(chǎn)生的影響。

式中:Pi—行業(yè)i廢水中控制污染物平均濃度指標(biāo),t/萬t;

K2i—行業(yè)i處理單位體積廢水費(fèi)用系數(shù),萬元/萬t。

(2)約束條件

1)水環(huán)境質(zhì)量約束:為保證區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量,各行業(yè)每年所排放控制污染物總量應(yīng)不大于本區(qū)域控制污染物的環(huán)境容量QR(t)。

2)水資源合理利用約束:為保證當(dāng)?shù)厮Y源可持續(xù)利用,各行業(yè)每年所用新鮮水量總和應(yīng)不大于當(dāng)年本區(qū)域可供給行業(yè)生產(chǎn)的新鮮水資源量QG(萬t)。

式中:K3i—行業(yè)i萬元產(chǎn)值新鮮用水量系數(shù),萬噸/萬元。

3)行業(yè)優(yōu)化調(diào)整約束:為保證區(qū)域行業(yè)布局結(jié)構(gòu)科學(xué)合理,水環(huán)境容量、水資源得到優(yōu)化配置,行業(yè)間的容量配額比應(yīng)與水環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合指數(shù)Ri其比例相近,相適應(yīng)程度通過上下限兩個調(diào)整系數(shù)控制。

式中:Kmin—行業(yè)優(yōu)化調(diào)整下限系數(shù);

Kmax—行業(yè)優(yōu)化調(diào)整上限系數(shù)。

4)行業(yè)分配容量非負(fù)約束:即:Xi＞0

(3)模型求解

為求解方便,本規(guī)劃將目標(biāo)函數(shù)由多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo),將非線性約束轉(zhuǎn)化為線性約束,轉(zhuǎn)化后模型形式如下:約束條件為:

3 研究結(jié)果

3.1 工業(yè)COD排放特征

3.1.1 排放量與排放強(qiáng)度

根據(jù)《中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》、《蘇州市環(huán)境狀況公報(bào)》和《蘇州統(tǒng)計(jì)年鑒》對蘇州市1993-2006年間工業(yè)COD排放量和蘇州工業(yè)產(chǎn)值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),得出蘇州市近年來工業(yè)COD年排放量和排放強(qiáng)度的變化趨勢,分別見圖2和圖3。

圖2 1993-2006年蘇州市工業(yè)COD排放量變化趨勢Fig.2 The emission trend of industry COD in Suzhou between 1993 and 2006

圖3 1993-2006年蘇州市工業(yè)COD排放強(qiáng)度變化趨勢Fig.3 The emission intensity trend of industry COD in Suzhou between 1993 and 2006

從圖2中可以看出,1993-2006年14年間蘇州市工業(yè)COD年排放量平穩(wěn)中稍微增長,期間存在下降與上升的波動,在2005年排放量達(dá)到峰值6.71萬t。從圖3中可以看出,1993-2006年間蘇州市工業(yè)COD排放強(qiáng)度有了大幅下降,降低幅度達(dá)到85%,亦存在一定的升降波動。

3.1.2 分行業(yè)排放量與放量強(qiáng)度

本研究中共調(diào)查了873家重點(diǎn)排污企業(yè),這些污染點(diǎn)源分屬于30余個子行業(yè)。為了便于宏觀層面上的管理,根據(jù)行業(yè)性質(zhì)經(jīng)合并得到17個行業(yè),分別為:能源和水的生產(chǎn)與供應(yīng)業(yè)、紡織業(yè)、造紙及木材加工、化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)、食品加工制造業(yè)、醫(yī)藥制造業(yè)、冶金及金屬加工制造業(yè)、非金屬礦物制品業(yè)、電子及通訊設(shè)備、儀器儀表及文化辦公用機(jī)械制造業(yè)、交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)、工藝品及其他制造業(yè)、石油、煉焦及核燃料加工業(yè)、采選業(yè)、廢棄資源和廢舊材料回收加工業(yè)、研究與試驗(yàn)發(fā)展、公共設(shè)施管理業(yè)。各行業(yè)COD年排放量和萬元產(chǎn)值排放量情況見表1。

從表1可以看出,蘇州市各行業(yè)COD年排放量和排放強(qiáng)度差距較大,COD年排放量最高可相差20 653倍,排放強(qiáng)度最高相差3227倍,但單從行業(yè)年排放量和排放強(qiáng)度分析公平性是不盡合理的,下面采用基尼系數(shù)法對蘇州市各行業(yè)COD排放量的公平性進(jìn)行分析。

3.2 公平性評價

以各行業(yè)工業(yè)產(chǎn)值為評估指標(biāo),工業(yè)產(chǎn)值累積比例作為橫坐標(biāo),COD排放量的累積比例為縱坐標(biāo),以各行業(yè)工業(yè)生產(chǎn)總值-COD排放量繪制洛倫茨曲線,見圖4。

根據(jù)曲線圖應(yīng)用梯形面積法計(jì)算基尼系數(shù),通過計(jì)算得到各行業(yè)生產(chǎn)總值-COD排放量的基尼系數(shù)為0.652。

在經(jīng)濟(jì)學(xué)中,由于社會發(fā)展的局限性,人均收入的分配不可能平衡,因此基尼系數(shù)在0-0.2的可能性很小,基尼系數(shù)的合理范圍為0.2-0.4。但在流域間環(huán)境基尼系數(shù)的計(jì)算中,由于各流域間沒有水資源沖突,沒有不平等的前提,認(rèn)為基尼系數(shù)趨近于零是最合理的,因此本文將基尼系數(shù)的合理范圍界定為0-0.2。

圖4 蘇州市各行業(yè)生產(chǎn)總值-COD排放量洛倫茲曲線圖Fig.4 Lorenz Curve of different industry total output value-COD emission in Suzhou city

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知,蘇州市工業(yè)生產(chǎn)總值指標(biāo)的基尼系數(shù)超過了合理范圍,主要是由于紡織業(yè)、化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)、能源和水的生產(chǎn)與供應(yīng)業(yè)、造紙及木材加工、醫(yī)藥制造業(yè)等行業(yè)污染物排放量過高,加之電子及通訊設(shè)備等低COD排放行業(yè)起步較晚,發(fā)展緩慢所致。由于行業(yè)基尼系數(shù)較高,需對指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整,處于曲線頂點(diǎn)的行業(yè)是重點(diǎn)污染對象,是污染物削減排放的主要對象。

3.3 總量優(yōu)化分配

3.3.1 模型所需系數(shù)及邊界條件確定

(1)模型所需參數(shù)

將17個行業(yè)的污染點(diǎn)源數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,得到年總產(chǎn)值、廢水治理設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用、年新鮮用水量、廢水排放量、COD排放量等數(shù)據(jù)的匯總結(jié)果;再經(jīng)過計(jì)算得到模型中所需的各行業(yè)系數(shù)值 ,包括 K1、K2、K3、C和 P,見表 1。

根據(jù)江蘇省2006年水資源公報(bào),蘇州市當(dāng)年水資源量約為值為19.98億t(QG)。按照“來水Ⅲ類,目標(biāo)Ⅳ類”標(biāo)準(zhǔn)控制測算水環(huán)境容量,得出蘇州市“十一五”期間COD最大允許排放量為129 500 t,扣除2006年城鎮(zhèn)生活COD排放量68 760.39 t,實(shí)際企業(yè)(占排污負(fù)荷約85%)所屬行業(yè)的COD為51 628.67 t(QR)。

行業(yè)優(yōu)化調(diào)整系數(shù)上下限:Kmin和 Kmax分別取0.9和1.1。

(2)行業(yè)水環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合指數(shù)

采用BP網(wǎng)絡(luò)確定行業(yè)水環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合指數(shù)R,輸入因子為7個,分別為:行業(yè)生產(chǎn)總值、工業(yè)用水總量、新鮮用水量、廢水設(shè)施治理運(yùn)行費(fèi)用、工業(yè)廢水排放量、COD排放量、氨氮排放量;輸出因子為行業(yè)水環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合指數(shù);利用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱,經(jīng)過反復(fù)多次試算,確定隱層層數(shù)為1,隱層神經(jīng)元5個,隱層和輸出層傳遞函數(shù)分別為T ansig和Logsig,BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練函數(shù)取T raingdx,誤差為0.001。

根據(jù)江蘇省《江蘇省“十一五”工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展規(guī)劃綱要》,江蘇省在今后很長一段時期里將要大力發(fā)展扶植那些資源節(jié)約、低污染、高效益的重點(diǎn)行業(yè),改造或淘汰那些耗能高、污染重、效益低的行業(yè)。因此,本規(guī)劃在訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)的過程中吸納了上述規(guī)劃綱要中的觀點(diǎn),對于重點(diǎn)行業(yè)給予較高的R值。

BP網(wǎng)絡(luò)確定R值及其排名結(jié)果見表1。

表1 模型所需參數(shù)確定結(jié)果Tab.1 The result of parameters in model

表2 模型優(yōu)化分配結(jié)果Tab.2 Optimal distribution results by the model

由表2可知,石油、煉焦及核燃料加工業(yè)、廢棄資源和廢舊材料回收加工業(yè)、電子及通訊設(shè)備等行業(yè)排名靠前,而相對的紡織、冶金及化工等行業(yè)排名居末。

3.3.2 模型求解及結(jié)果分析

在Lingo軟件中編寫程序求解上述模型,得出優(yōu)化分配結(jié)果見表2。

由表2可以看出,應(yīng)用模型優(yōu)化后,COD排放總量削減了10%,新鮮用水量減少了41.81%,行業(yè)年總產(chǎn)值總和大幅度增長,增幅達(dá)到214.69%,并且,改善水環(huán)境質(zhì)量所獲得的長期社會綜合效益遠(yuǎn)不止于此。從上述優(yōu)化結(jié)論里也可以看出,蘇州市在今后行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、環(huán)境政策制定能夠得到以上結(jié)果,是因?yàn)樗h(huán)境容量、水資源量被重新優(yōu)化配置給各行業(yè),區(qū)域行業(yè)結(jié)構(gòu)更為合理。

4 結(jié) 論

(1)1993-2006年的14年間,蘇州市工業(yè)COD排放量和排放強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢,紡織業(yè)、化學(xué)原料及化學(xué)制品制造業(yè)、能源和水的生產(chǎn)與供應(yīng)業(yè)、造紙及木材加工、醫(yī)藥制造業(yè)等行業(yè)是蘇州市的COD重點(diǎn)排放行業(yè);

(2)經(jīng)多目標(biāo)行業(yè)總量優(yōu)化分配模型優(yōu)化后,COD排放總量削減了10%,新鮮用水量減少了41.81%,行業(yè)年總產(chǎn)值增幅達(dá)到214.69%,本模型在既定的限制條件(包括水資源與其它資源要素的供給情況等)下,為蘇州市的行業(yè)水污染物容量總量控制提供了一種可借鑒的思路和方法。

(編輯:溫武軍)

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AbstractT otal amount control is an important approach to control the pollution,improve the environment quality and realize sustainable development.How to find a optimal model to balance environment,economy,technology and resource under a relatively fair condition is a research subject in environmental science.This article studies the emission characteristics of industry COD in Suzhou city,and uses G ini coefficient to evaluate the equity of COD emission distribution of by.Meanwhile,this study relates the total amount control with resource,society and economic,aiming to maximize the economic benefits and minimize the investment cost of pollution control.The multi-object optimal industry total distribution model is used to redistribute the total amount of COD among industriesof Suzhou.The results show that textile industry,chemical materials and chemical products industry,energy and water production and supply industry,papermaking and wood processing industry and medicine industry are primary COD emission industries.After optimal distribution of total COD,the rate of COD emission decreased 10%,fresh water consumption decreased 41.81%and industry annual total output value increased 214.69%.Also,resources and water environmental capacity could realize the optimal allocation under the Corresponding speed of economic growth.T otal amount control may create the largest potential environmental and economic benefits under market economy system.

Key wordsChemical Oxygen Demand(COD);equity;G ini coefficient;optimal distribution

Study on Optimal Distribution of Total COD of City Industry

YANG Zhan-hong1LUO Hong1LV Lian-hong1XU Yong-li2
(1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China;
2.Environmental Geology Perambulation Academy of Hebei Province,Shijiazhuang Hebei 050021,China)

X321

A

1002-2104(2010)03-0124-06

10.3969/j.issn.1002-2104.2010.03.023

2009-09-27

楊占紅,助理工程師,主要研究方向?yàn)榄h(huán)境規(guī)劃與管理。

羅宏,博士,研究員,主要研究方向?yàn)榄h(huán)境經(jīng)濟(jì)與管理。