閆晶晶 肖榮閣 沙景華

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083)

水污染物質(zhì)排放減量化環(huán)境綜合政策的模擬分析與評價(jià)＊

閆晶晶 肖榮閣 沙景華

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083)

本文基于大城市周邊城鎮(zhèn)地區(qū)水污染加劇的問題,構(gòu)造了適于中國大城市周邊城鎮(zhèn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會特點(diǎn)的綜合經(jīng)濟(jì)環(huán)境評價(jià)模型,并通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)水污染物質(zhì)最小化的綜合評價(jià)。本文選取北京市某郊區(qū)縣作為研究對象,基于該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)變化情況,評價(jià)現(xiàn)階段在廣大農(nóng)村實(shí)行以濕式發(fā)酵技術(shù)處理為主的綜合環(huán)境改善政策的環(huán)境改善效果。通過模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出,僅通過推廣包括一般的濕式發(fā)酵處理技術(shù)在內(nèi)的環(huán)境政策并不能解決現(xiàn)階段城鎮(zhèn)地區(qū)水污染加劇的問題,必須引入更加先進(jìn)的處理技術(shù)降低水污染物質(zhì)排放量才能同時(shí)實(shí)現(xiàn)水污染物質(zhì)減量化和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的目標(biāo)。

水污染物質(zhì);環(huán)境政策;模擬實(shí)驗(yàn);動態(tài)綜合評價(jià)

近年來我國面臨的水環(huán)境形勢更加嚴(yán)峻,水污染發(fā)展呈現(xiàn)從城市向農(nóng)村轉(zhuǎn)移態(tài)勢,包括生活污染、面源污染和工礦污染在內(nèi)的污染源凸顯。同時(shí)由于大城市水源地和大型水庫大多位于周邊郊區(qū)城鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū),因此大城市周邊農(nóng)村地區(qū)水污染造成了更大區(qū)域的飲水安全隱患。據(jù)環(huán)境部門監(jiān)測,全國城鎮(zhèn)每天至少有1億t污水未經(jīng)處理直接排入水體。90%的城市水域污染嚴(yán)重,50%的城鎮(zhèn)水源不符合飲用水標(biāo)準(zhǔn),40%的水源已不能飲用,大城市周邊城鎮(zhèn)地區(qū)水環(huán)境污染問題亟待解決。

近年來,國內(nèi)外許多學(xué)者致力于水環(huán)境污染改善和促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的研究[1-2]。本文選取了北京市某郊區(qū)縣作為研究對象,同時(shí)考慮了該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)變化情況,評價(jià)在廣大農(nóng)村實(shí)行以濕式發(fā)酵技術(shù)處理為主的綜合環(huán)境改善政策的環(huán)境改善效果[3],以同時(shí)達(dá)到經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境改善的目標(biāo)。

1 模型構(gòu)建

1.1 區(qū)域劃分和污染源分類

按照該地區(qū)主要河流流向和流經(jīng)地區(qū),將該地區(qū)劃分為兩大區(qū)域,該地區(qū)其他支流均流入兩條主河流中。本文中評估的水污染物質(zhì)主要包括化學(xué)需氧量(COD),總磷(T-P)和總氮(T-N);將該地區(qū)污染源劃分為生活污染、面源污染、生產(chǎn)污染和畜產(chǎn)業(yè)污染(以養(yǎng)豬業(yè)污染為主)。根據(jù)該地區(qū)特點(diǎn),將生活污染按照處理方式分為經(jīng)過下水道處理和未經(jīng)過下水道處理兩類。面源污染按照土地利用方式(山地、林地、果園、城市用地、其他利用方式)分為五類,生產(chǎn)污染按照產(chǎn)業(yè)劃分為七類(漁業(yè)、養(yǎng)豬業(yè)、其他畜產(chǎn)業(yè)、林業(yè)、種植業(yè)、工業(yè)、其他產(chǎn)業(yè))。本文基于2000-2006年地區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒、中國環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)模擬計(jì)算。

1.2 綜合環(huán)境政策

按照該地區(qū)政府已實(shí)行的相關(guān)水資源環(huán)境保護(hù)政策,表1列出了該地區(qū)可選擇的相關(guān)水環(huán)境保護(hù)政策。針對該地畜產(chǎn)業(yè),尤其是養(yǎng)豬業(yè)污染嚴(yán)重的問題,該地區(qū)普遍推廣了濕式發(fā)酵技術(shù)處理畜產(chǎn)業(yè)特別是養(yǎng)豬業(yè)廢棄物以達(dá)到降低污染物質(zhì)排放及生物質(zhì)沼氣和有機(jī)肥利用的目的。

表1 環(huán)境綜合政策

2 評價(jià)模型

該動態(tài)評價(jià)模型包括了水污染物質(zhì)平衡模型,社會經(jīng)濟(jì)模型和污染物質(zhì)最小化目標(biāo)函數(shù)。水污染物質(zhì)平衡模型描述了污染物質(zhì)流入河流的過程。社會經(jīng)濟(jì)模型表示了該地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)活動特點(diǎn)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水污染物質(zhì)排放的關(guān)系。該動態(tài)評價(jià)模型包含五十七個(gè)數(shù)學(xué)公式模型,本文僅列出主要公式。

2.1 目的函數(shù)

由于該區(qū)域位于北京市飲用水源上游方向,水資源環(huán)境保護(hù)重要性日益凸顯,同時(shí)根據(jù)前期調(diào)查和相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示,該地區(qū)水污染物質(zhì)中總氮最難消解,因此將目的函數(shù)構(gòu)造為實(shí)現(xiàn)水污染物質(zhì)總氮10年間排放總額最小化為目標(biāo)。

2.2 物質(zhì)平衡模型

假設(shè)該地區(qū)通過下水道、未處理污水、養(yǎng)漁業(yè)和降雨所產(chǎn)生的水污染物質(zhì)均經(jīng)過河流排出。

2.2.1 水污染物質(zhì)平衡模型

其中ELpl:第l種土地利用方式水污染物質(zhì)p的排放系數(shù);Lk

j(t):在第j個(gè)區(qū)域第l種土地利用方式的面積。

2.2.5 生活污染物質(zhì)排放量

2.3 點(diǎn)源污染處理方式

該地區(qū)為了改善環(huán)境于2004年提出加大森林面積的水土保持政策,將部分農(nóng)業(yè)用地和荒地等其他用地方式轉(zhuǎn)換為森林用地。

2.3.1 增加森林用地

2.4 生活排污對策

根據(jù)我國城鎮(zhèn)污水處理方式特點(diǎn),生活污水處理主要依靠下水道設(shè)備進(jìn)行處理。

2.4.1 使用下水道設(shè)施的人口變化情況

2.4.2 下水道投資建設(shè)和維護(hù)

其中FEi(t):當(dāng)?shù)卣?cái)政可支出額;:地方政府補(bǔ)貼占總投資的比率;:第i個(gè)城鎮(zhèn)政府補(bǔ)貼中投向生活污水處理設(shè)施投資的比例;M:第t年第i個(gè)城鎮(zhèn)下水道設(shè)施的維持費(fèi)用;:第i個(gè)城鎮(zhèn)政府補(bǔ)貼中投向生活污水處理設(shè)施維持費(fèi)用的比例;:第i個(gè)城鎮(zhèn)政府補(bǔ)貼中用于生活污水處理總費(fèi)用的比例;(t):上一級政府為該地區(qū)生活污水處理提供的補(bǔ)貼額。

2.5 生產(chǎn)排污對策

其中Xmj(t):第j個(gè)區(qū)域第m個(gè)產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值;αm:第m個(gè)產(chǎn)業(yè)的資本產(chǎn)出比;(t):第j個(gè)區(qū)域第m個(gè)產(chǎn)業(yè)的資本額;(t):上一級政府為第m個(gè)產(chǎn)業(yè)提供的補(bǔ)貼額。

2.6 政策補(bǔ)貼總額

其中y(t)為該地方政府提供的總補(bǔ)貼額。

2.7 市場平衡模型

2.8 地區(qū)生產(chǎn)總值

本文采用地區(qū)生產(chǎn)總值GRP指標(biāo)反映地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。

其中GRP(t):第t年該地區(qū)生產(chǎn)總值;υ:第m個(gè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)增加值的行向量。

2.9 經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平制約

根據(jù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求,設(shè)定地區(qū)生產(chǎn)總值必須不低于前一年發(fā)展水平。

3 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在模擬實(shí)驗(yàn)中按照10年中年均地區(qū)生產(chǎn)總值增長率n%設(shè)定不同的模擬情況。在本文中我們選取了四個(gè)有代表性得模擬情況來分析模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中模擬情況Case 1表示GRP年均增長0%,Case 2代表GRP年均增長0.7%,Case 3表示GRP年均增長1%,Case 4表示GRP年均增長1.1%。

3.1 目的函數(shù)結(jié)果分析

本研究中,在水污染物質(zhì)總氮排放量最小化的限制下,GRP年均增長率最大只能達(dá)到1.1%,高于1.1%的模擬情況下均得不到可行解。因此在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的條件下,Case 4 GRP年均增長1.1%可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)解。

通過比較未采用環(huán)境綜合政策和采用政策后的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以得出水污染物質(zhì)最小化綜合政策可有效地降低水污染物質(zhì)。當(dāng)采用綜合政策并且實(shí)現(xiàn)GRP年均增長1.1%(Case 4)時(shí),目的函數(shù)(T-N10年排放量)與未采用綜合政策相比降低10.7%(見圖1)。同時(shí),2016年GRP比2007年增長了1.93億元。

圖1 目標(biāo)函數(shù)值(10年總和)

3.2 GRP變化分析

在目標(biāo)函數(shù)的要求下,GRP年均增長率最多只能達(dá)到1.1%,在Case 4中與2007年相比,GRP總量在2016年增長了9.88%(見圖2)。然而與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的要求相比,年均1.1%增長率并不能滿足地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長的需要。因此在以水污染物質(zhì)總氮排出量最小的目標(biāo)函數(shù)要求下,僅采用該地區(qū)現(xiàn)有的環(huán)境政策不可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境污染最小化和達(dá)到區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)。

3.3 養(yǎng)豬業(yè)生產(chǎn)額和水污染物質(zhì)排放變化分析

圖2 地區(qū)生產(chǎn)總值變化情況

養(yǎng)豬業(yè)產(chǎn)值和其排放的水污染物質(zhì)變化情況如圖3所示。與2007年相比,2016年養(yǎng)豬業(yè)產(chǎn)值下降了30%,而由養(yǎng)豬廠所排出的污染物質(zhì)僅通過濕式發(fā)酵技術(shù)處理,水環(huán)境污染效果改善不大。我們將造成此問題的原因歸結(jié)為以下幾點(diǎn):第一,養(yǎng)豬業(yè)排放的廢水中水污染物質(zhì)濃度特別是T-N濃度較高;第二,最小化水污染物質(zhì)T-N的目的函數(shù)和當(dāng)?shù)丨h(huán)境保護(hù)的要求限制了當(dāng)?shù)仞B(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展。因此該地區(qū)養(yǎng)豬業(yè)造成的水環(huán)境污染較為嚴(yán)重,同時(shí)僅依靠濕式發(fā)酵技術(shù)處理養(yǎng)豬業(yè)廢棄物不足以降低其排出的廢水中的高濃度污染物質(zhì)。而且在該地區(qū)養(yǎng)豬業(yè)作為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展支柱產(chǎn)業(yè),通過降低產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和規(guī)模而實(shí)現(xiàn)水污染物質(zhì)減量排放可能性較小。因此需要引入更加先進(jìn)的技術(shù)處理養(yǎng)豬業(yè)廢水實(shí)現(xiàn)在有效降低污染的同時(shí)促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

圖3 養(yǎng)豬業(yè)產(chǎn)值變化情況

4 結(jié) 論

本文根據(jù)我國城鎮(zhèn)地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)建立了經(jīng)濟(jì)環(huán)境綜合動態(tài)模型,評價(jià)該地區(qū)環(huán)境治理政策效果。通過模擬實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論。第一,當(dāng)采用綜合環(huán)境政策后,GRP每年可實(shí)現(xiàn)增長率為1.1%的經(jīng)濟(jì)增長,與不采用環(huán)境政策相比,水污染物質(zhì)T-N可降低10.7%。第二,采用環(huán)境政策后,2016年比2007年相比GRP總量增長了1.93億元。第三,采用環(huán)境政策后,可降低養(yǎng)豬業(yè)排放的267tT-N,105tT-P和1 641tCOD。

基于模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以得出濕式發(fā)酵技術(shù)可降低一部分養(yǎng)豬業(yè)廢水中的污染物質(zhì),但是有限的污染物質(zhì)降低是以大規(guī)模產(chǎn)業(yè)削減(養(yǎng)豬業(yè)生產(chǎn)總值降低30%)和低經(jīng)濟(jì)增長水平(年均經(jīng)濟(jì)增長率1.1%)換取的。而養(yǎng)豬業(yè)作為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè),以強(qiáng)行縮減養(yǎng)豬業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)環(huán)境微量改善并不可行,因此必須針對養(yǎng)豬業(yè)污染廢棄物引入先進(jìn)的處理設(shè)備從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境改善和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目的。

(編輯:王愛萍)

[1]Fumiaki H,Yoshiro H.A Simulation Analysis to Reduce Pollutants from the Catchment Area of lake Kasumigaura[J].Studies in Regional Science,2000,30,(1),47-63.

[2]TakeshiM,Katsuhiro S,Shintaro K,et al.A Simulation Analysis of Synthetic Environment Policy:Effective Utilization of Biomass Resources and Reduction of EnvironmentalBurdens in Kasumigaura Basin.Studies in Regional Science.2007,36(2):355-374.

[3]國家環(huán)境保護(hù)總局.全國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查及防治對策[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社.2002:77-78.

AbstractIn this study,we focused on the evaluation of water pollutant-minimization based on the ecological value of rural areas of China and considered a comprehensive environmentalmanagementpolicy by computer simulation that is adaptive for the specific characteristics and economyof rural suburbsof big cities in China.In order to evaluatewhether the integrated policieswith the adoption ofwet methane fermentation technology can satisfy the si multaneouspursuitof environmentalpreservation and economic development,we considered both the ecological system in the objective area and the socio-economic situational changes during a specific period that have general applicability to the rural areas of China.

Key wordswater pollutants;simulation analysis;dynamic synthetic evaluation

Comprehensive Evaluation of Integrated Pollutant-m in i m ization Policies in Rural Areas of China

YAN Jing-jing X IAO Rong-ge SHA Jing-hua
(China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

X171.1

A

1002-2104(2010)03專-0124-04

2009-09-08

閆晶晶,博士生,主要研究方向?yàn)橘Y源環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)。

＊教育部國家留學(xué)基金管理委員會“國家建設(shè)高水平大學(xué)”項(xiàng)目資助。