左其亭,龐瑩瑩

(1.鄭州大學水科學研究中心,河南 鄭州 450001;2.天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司,天津 300170)

水污染物總量控制是緩解水體環(huán)境問題、改善水質的一項重大舉措,在水環(huán)境不斷惡化的形勢下,該舉措發(fā)揮著重要的作用。水污染物總量控制方案的制定與實施是為了滿足水體功能目標,根據(jù)一定的方式或規(guī)則,不斷調整各控制單元排放污染物的數(shù)量,確定最終的可行性方案的過程。由于利益、技術條件等因素的影響,其中必然存在對立、分歧的現(xiàn)象,使方案的制定與實施存在一定的難度,無法滿足每個相關參與者的要求。和諧論可以使具體的行為達到總體“和諧、一致、協(xié)調”,較好地解決分歧問題,為水污染物總量控制方案的合理制定和污染物負荷分配提供新的解決方法。因此,研究基于和諧論的水污染物總量控制非常必要,可以促進水污染物總量控制技術的推廣應用。

目前水污染物總量控制研究成果較多,國外較成熟的水污染控制策略主要有美國的最大日總量控制(TMDL)及歐盟的水框架指令[1],國內研究較多的是總量控制方案制定方法,主要有環(huán)境基尼系數(shù)法[2]、行業(yè)優(yōu)化分配模型[3]、Delphi-AHP法[4]以及群體決策法[5]等。和諧論是最近提出的新的理論方法,筆者對和諧論的概念、和諧論五要素、和諧度方程、和諧關鍵問題以及和諧論在自然科學和社會科學中的應用做了相關研究[6-8]。目前關于水污染物總量控制的研究多數(shù)是針對某一控制對象,根據(jù)分配原則制定總量控制方案,強調總量分配方法,而忽略了控制方案的可行性評估、多因素影響及和諧問題,因而所制定的污染負荷分配方案難以讓人信服,影響方案的實施。

基于以上問題,筆者將和諧論引入水污染物總量控制工作中,在闡述水污染物總量控制面臨主要問題的基礎上,采用和諧論理論對水污染物總量控制問題進行解析,建立了基于和諧論的水污染物總量控制模型,并進行實例應用研究。

1 水污染物總量控制面臨的主要問題

1.1 總量控制對象較單一、不完整

從污染源來看,目前水污染物總量控制的對象主要是點源污染,雖已意識到面源污染對水體污染的貢獻逐漸升高,但由于對面源污染的產生、遷移轉化過程缺少充分的認識,并未真正將面源污染納入水污染物總量控制中。此外,水體內源中底泥釋放污染物也是水體污染的重要來源,之前也未將其納入水污染物總量控制中。

從污染物類型來看,目前水污染物總量控制的指標主要是COD,NH3-N,TN等常規(guī)指標。而在水環(huán)境日益惡化的形勢下,水體的污染指標不僅僅是常規(guī)性指標,還包括有機指標、重金屬等,這些污染物對水體污染的影響也非常大。但由于有機指標和重金屬的監(jiān)測方法較復雜,監(jiān)測資料較少、不完整,且監(jiān)測時間間隔較長,較難評估這些污染物的影響,這也是水污染物總量控制無法考慮這些指標的重要原因之一。

1.2 總量控制方案未綜合體現(xiàn)公平與效益原則

水污染物總量分配的原則包括公平性和效益性,由于二者之間相互制約、相互影響,在總量控制方案中未能綜合體現(xiàn)。此外,目前我國實行的水污染物總量分配方法主要是等比例分配法和按貢獻率分配法,這2種方法均以現(xiàn)狀排放量為出發(fā)點,比較簡單,實施容易,但未考慮現(xiàn)狀排放量的合理性,也不能綜合體現(xiàn)公平和效益原則,因此,所制定的水污染物總量控制方案的可行性還存在一定問題。

1.3 缺乏對污染物削減技術的研究

在制定水污染物總量控制方案時,僅結合總量控制目標與進入水體的污染負荷來計算污染物的削減量,雖可以保障水體環(huán)境達到水功能目標,但未充分考慮污染物削減技術是否可以滿足污染物削減要求。由于缺少對污染物削減技術的研究,難以保障水污染物總量控制方案的順利實施,降低了污染物總量控制方案的可行性。因此,不僅需要對污染物削減量進行計算,同時也要考慮污染物削減技術及其可實施性,從而保障水污染物總量控制方案的應用。

2 水污染物總量控制的和諧論解析

在水污染物總量控制實施過程中,為避免上述問題的影響,需要從不同層次來研究,綜合考慮公平性和效益性,結合污染物削減技術制定可行的水污染物總量控制方案,從而滿足水體功能目標,使水污染物排放量與水體承納污染物能力之間達到“和諧”。由于水污染物總量控制涉及多個利益相關者,對總量控制的實施方案必然存在一定的分歧,影響方案的整體實施。為了減少分歧所帶來的影響,筆者將和諧論引入水污染物總量控制中,采用和諧論來詮釋水污染物總量控制問題。

2.1 和諧論五要素及和諧度方程

筆者將和諧論定義為“研究多方參與者共同實現(xiàn)和諧行為的理論和方法”,它的五要素如下[6]:①和諧參與者:就是參與和諧的各方,一般為雙方或多方,稱為“和諧方”,其集合表示為 H={H1,H2,…,Hn},n為和諧方個數(shù)。②和諧目標:是指和諧參與者為了達到和諧狀態(tài)所必須滿足的目標。③和諧規(guī)則:是指和諧參與者為了達到和諧目標所制定的一切規(guī)則或約束。④和諧因素:是指和諧參與者為了達到總體和諧所需要考慮的因素。⑤和諧行為:是指和諧參與者針對和諧因素所采取的具體行為的總和。

筆者曾提出和諧度方程(根據(jù)和諧因素的數(shù)量,可以分為單一因素和多因素的和諧度方程),其中,單一因素的和諧度方程可以描述為

式中:HD為和諧度,當 HD＜0時,定義 HD=0,則HD∈[0,1];a為統(tǒng)一度;b為分歧度;a,b∈[0,1],如果和諧參與者存在棄權或既不贊成也不反對的行為,則 a+b＜1,否則 a+b=1;i為和諧系數(shù),反映和諧目標的滿足程度,由和諧目標計算確定,i∈[0,1];j為不和諧系數(shù),反映和諧方對存在分歧現(xiàn)象的反對程度,可由分歧度計算確定,j∈[0,1]。

多因素的和諧度方程是在單一因素和諧度方程的基礎上,考慮各因素的權重進行綜合計算。權重的確定存在一定的人為性和隨意性,為避免這一影響,可以借鑒較客觀且能反映實際情況的確定方法,通過反復論證,得到可信度較高的權重。

2.2 水污染物總量控制的和諧問題

水污染物總量控制的研究內容可以用和諧論五要素來詮釋。

a.和諧參與者:在水污染物總量控制中,和諧參與者可以是污染源、流域的行政控制單元、各排污企業(yè),也可以是各污水排放口。如研究流域污染源的負荷削減問題時,可以把點源污染、流域范圍內的面源污染等作為水污染物總量控制的和諧參與者;如研究流域內各行政分區(qū)污染負荷削減問題時,可以把不同行政分區(qū)作為水污染物總量控制的和諧參與者。

b.和諧目標:為防止水體進一步惡化,應嚴格控制進入水體的污染負荷。當進入水體的污染負荷總量大于水體承納的最大污染物數(shù)量時,水質將惡化;而當進入水體的污染負荷總量小于水體承納的最大污染物數(shù)量時,可以保持或改善目前的水質狀況。也就是說,可以采用“污染負荷總量小于水體承納的最大污染物數(shù)量”作為和諧目標。

c.和諧規(guī)則:各參與者的水污染物控制量之和必須小于或等于水體承納的最大污染物數(shù)量;各種污染物的削減目標必須小于對應污染物進入水體的污染負荷量,且應控制在污染物削減措施的技術上限范圍內;可以結合水污染物總量分配中的公平、效益原則或以人口、工業(yè)增加值與污染物排放量之間的關系來分配污染負荷,確定不同和諧參與者的污染物削減量。

d.和諧因素:在水污染物總量控制問題研究中,不僅要使水質滿足水功能目標,也要考慮污染物削減技術的可行性、經濟的投入等因素。另外,從水污染物總量控制的指標來看,主要有COD,NH3-N,TN等,如果考慮的因素不是單一的,該和諧問題則為多因素和諧問題。

e.和諧行為:參與者所采取的具體的控制水污染物排放量的措施,可通過參與者分配得到的污染物允許排放量來表征控制措施的效果。為了定量研究水污染物總量控制和污染負荷分配方案,需要建立水污染物總量控制模型。

3 基于和諧論的水污染物總量控制模型

3.1 模型方程

筆者結合和諧論的研究方法和水污染物總量控制中總量分配方法,建立了基于和諧論的水污染物總量控制模型。該模型以和諧度最大作為目標函數(shù),以水污染物總量控制總目標、治理措施的技術及經濟投入等作為約束條件,建立單目標模型。

目標函數(shù):

約束條件:

式中:Ak為第k個和諧參與者排放某污染物的數(shù)量;Gk為根據(jù)和諧規(guī)則確定的第k個和諧參與者允許排放的某污染物數(shù)量;TG為某污染物的總控制目標;TL為某措施治理某污染物的技術上限;Ck(Ak-Gk)為第 k個和諧參與者治理某污染物的邊際成本;C為政府對環(huán)境治理的經濟投入。

當Ak≤Gk時,表明該和諧參與者排放的污染物數(shù)量不需要削減,不需要考慮第3個約束條件,只有當Ak＞Gk時,第3個約束條件才成立。

3.2 模型參數(shù)的確定

該模型中涉及幾個重要參數(shù),其確定方法說明如下:①污染物總控制目標 TG:為保證水質達到水功能目標,降低突發(fā)性水環(huán)境污染事故對水體環(huán)境造成的危害,可以考慮預留一部分水體承納的污染物數(shù)量作為安全余量,并結合進入水體的污染負荷總量與水體允許承納的最大污染物數(shù)量來確定污染物的總控制目標 TG。②治理措施的技術上限 TL:從水污染物總量分配方案的可行性角度出發(fā),需要考慮污染物治理措施的技術削減范圍,滿足污染物削減的要求,從而保障總量分配方案可實施。治理措施的技術上限與治理措施的選擇有重要關系,不同治理措施的治理效果是不同的。技術上限的確定可以通過查閱相關文獻、參考已有研究成果來確定。③治理污染物的邊際成本Ck(Ak-Gk):邊際成本主要與污染物的治理措施、治理效果、污染物特性等因素有關。相關研究表明[9]:治理污染物的邊際成本隨著污染物削減量的增加呈下降趨勢,當削減量大于治理措施的技術上限時,邊際成本出現(xiàn)上升的趨勢,因此,邊際成本呈U形變化規(guī)律。研究還表明[10-12],采用指數(shù)函數(shù)可以較好地擬合邊際成本與處理水量之間的關系。綜上所述,邊際成本函數(shù)需要考慮污染物治理措施,依據(jù)基建成本和運行成本,綜合分析邊際成本與削減量之間的關系來確定。④允許排放的污染物數(shù)量Gk:該變量與和諧規(guī)則及和諧參與者排放污染物的數(shù)量Ak有密切的聯(lián)系,可通過和諧規(guī)則中的最低、最高約束或規(guī)則比例來確定。⑤和諧系數(shù)i:反映和諧目標的滿足程度,可以根據(jù)和諧目標來計算,比如筆者在文獻[7]中提出的與和諧目標滿足程度呈線性關系的方程。⑥不和諧系數(shù)j:反映和諧方對存在分歧現(xiàn)象的反對程度,可以根據(jù)分歧度來計算,比如筆者在文獻[7]中提出的與分歧度呈線性關系的方程。

3.3 模型計算方法

如果模型中治理污染物的邊際成本函數(shù)是線性函數(shù),該模型為單目標線性規(guī)劃模型,求解此類模型的方法主要有圖解法、單純形法、改進單純形法等。如果模型中治理污染物的邊際成本函數(shù)是非線性函數(shù),則該模型為單目標非線性規(guī)劃模型,目前尚未有通用的方法來求解該類模型,需要根據(jù)模型的特點選擇合適的求解方法。對于存在約束條件的非線性規(guī)劃,可以通過建立懲罰函數(shù)的方法將其轉化為無約束極值的非線性規(guī)劃,進一步采用梯度法、共軛梯度法或變尺度法進行求解。這些方法各有優(yōu)缺點,可以根據(jù)具體實例中的目標函數(shù)和約束條件的復雜程度來選擇求解方法。

本文應用實例中建立的治理污染物的邊際成本函數(shù)是指數(shù)函數(shù),因此,該模型為單目標非線性規(guī)劃模型,利用matlab7.0工具箱來進行求解。

4 應用舉例

以武漢市湯遜湖CODMn污染物為例,采用所建立的基于和諧論的水污染物總量控制模型進行流域水污染防治問題研究。

4.1 研究區(qū)概況

湯遜湖流域位于武漢市東南部,湖泊水面面積占武漢城區(qū)湖泊面積的18.7%,占流域總面積的13.6%[13]。受經濟利益的驅動,人類生產活動不斷侵占湯遜湖流域,導致水面面積不斷減少,水環(huán)境受到嚴重威脅,水質呈現(xiàn)不斷惡化的趨勢。為了緩解水環(huán)境問題,迫切需要實行水污染物總量控制。根據(jù)污染物的產生來源,可將湯遜湖流域的污染來源分為點源、面源、內源和外源,其中點源污染包括生活污水和工業(yè)廢水,面源污染包括農田徑流、畜禽養(yǎng)殖及城鎮(zhèn)徑流產生的污染,內源污染包括漁業(yè)養(yǎng)殖及底泥釋放產生的污染,外源污染為連接湯遜湖流域的巡司河在汛期產生的污染[13]。在湯遜湖流域水環(huán)境管理中,僅通過控制點源污染已不能滿足水功能目標的要求,必須對面源、內源和外源污染都進行控制,而面源、內源和外源污染控制措施的資金投入及治理效果影響三者分配得到的污染負荷量,如何使各污染源的負荷分配整體達到和諧狀態(tài)需要認真研究。此外,湯遜湖流域的水環(huán)境管理還涉及江夏區(qū)、洪山區(qū)以及東湖高新區(qū)之間的整體協(xié)調,而每個行政區(qū)都希望有更大的水污染物可入湖量,以保障區(qū)域的經濟發(fā)展。因此,各行政區(qū)對水污染物總量控制的最終方案均有一定的爭議,阻礙了湖泊流域的水環(huán)境管理。

4.2 模型及參數(shù)確定

根據(jù)所建立的基于和諧論的水污染物總量控制模型,以污染源(點源、面源、內源和外源)作為和諧參與者,分析湯遜湖流域CODMn污染物總量控制的和諧問題。這里的和諧目標是:水污染物入湖總量不超過納污能力,水質可以滿足水體功能目標(Ⅲ類水);當水污染物入湖總量大于1.2倍的納污能力時,水體將無法承納污染物的入湖總量,水質惡化。和諧規(guī)則是內源和外源按各自的貢獻率控制污染負荷量,點源和面源根據(jù)最小邊際成本投入控制污染負荷量。其中,統(tǒng)一度a采用式(3)計算:

式中:W PWL為污染物的允許入湖總量;W WL為污染物的實際入湖總量。

在湯遜湖水污染物總量控制中,由于每個污染源對水體均產生了較大的影響,僅削減部分污染源不能達到和諧目標,每個污染源必須都有不同程度的削減。因此,不存在和諧參與者棄權或既不贊成也不反對的行為,故取 a+b=1,此時,分歧度 b可以通過b=1-a來計算。

和諧系數(shù)i根據(jù)和諧目標來確定,其數(shù)學描述曲線見圖1。圖1中,M指該流域的水體納污能力,G為入湖污染物總量。即當污染物入湖總量小于納污能力時,i=1;當污染物入湖總量大于納污能力且小于1.2倍納污能力時,i隨著入湖總量的增加而減小,通過線性插值獲得相應值;當污染物入湖總量大于1.2倍納污能力時,i=0。

圖1 和諧系數(shù)i的數(shù)學描述曲線

不和諧系數(shù)j根據(jù)分歧度來確定,也有多種形式,如文獻[7]論述,可以取“j與b成正比的曲線形式”,即 j=b。

4.3 結果分析

根據(jù)前文建立的水污染物總量控制模型,分別計算按照現(xiàn)狀發(fā)展趨勢 2015年、2020年75%和90%來水頻率下湯遜湖流域CODMn的納污能力、入湖量、允許入湖量以及和諧度,計算結果見表1。根據(jù)文獻[6]對和諧等級劃分的標準,2015年75%來水頻率的和諧度在0.4～0.6之間,處于較不和諧狀態(tài);2015年90%來水頻率下和諧度處在0～0.4之間,處于基本不和諧狀態(tài);而2020年75%和90%來水頻率條件下的和諧度均為0,處于不和諧狀態(tài),表明2020年污染物來源的入湖結構處于不和諧狀態(tài)。通過分析和諧度的計算過程可知,2015年75%和90%來水頻率下污染物的入湖量雖已超出水體的納污能力,但小于1.2倍的水體納污能力,表明湖泊還可以承受,但湖泊的水體納污能力與污染物排放總量之間已出現(xiàn)不和諧狀態(tài),必須通過和諧參與者的和諧行為來控制污染物的排放量,使不和諧狀態(tài)向和諧狀態(tài)轉變。

表1 按現(xiàn)狀發(fā)展趨勢計算得到的CODMn排放量及和諧度

根據(jù)制定的和諧規(guī)則,即內源和外源按各自的貢獻率控制污染負荷量,點源和面源根據(jù)最小邊際成本投入控制污染負荷量,調整 2015年、2020年75%和90%來水頻率條件下CODMn的污染源允許排放量,并計算調整后的和諧度,結果見表2。從表2中可以看出,和諧度均為1.000,處于和諧狀態(tài),表明表中各污染源的允許入湖量即為滿足和諧目標所具有的最佳和諧行為。

表2 按照和諧模型計算的CODMn允許入湖量及和諧度

根據(jù)表2的計算結果,2015年、2020年75%和90%來水頻率下點源的允許入湖量占允許入湖總量的平均比例為75.7%,面源、內源和外源的平均比例分別為6.2%,11.8%和6.3%,這與湯遜湖流域污染物來源對水體的貢獻是類似的,同時也表明湯遜湖流域CODMn污染的主要來源是點源,這與實際調研的結果是吻合的。

從和諧規(guī)則來看,內源和外源采用按貢獻率法進行允許入湖量的分配,充分體現(xiàn)二者對水體的貢獻,而采用最小邊際成本法對點源和面源進行分配,從優(yōu)化的角度來體現(xiàn)點源和面源治理污染物的難易程度,也充分體現(xiàn)經濟投入的最小化。該和諧規(guī)則不僅體現(xiàn)了公平性,也考慮了優(yōu)化的分配原則,表明該和諧規(guī)則是合理的。另外,從和諧度的評價結果也可以看出,按照目前各污染源的允許入湖量排放污染物,可以使湖泊處于和諧狀態(tài),表明分配得到的各污染源的允許入湖量是合理的,能夠達到湖泊的和諧目標,滿足水功能目標的要求。

根據(jù)以上研究,首先確定了湯遜湖流域污染負荷分配方案,包括污染源之間的控制分配、行政區(qū)之間的控制分配、排污口之間的控制分配。其次,在湯遜湖水污染物總量分配結果的基礎上,為保證總量分配方案的順利實施,針對點源、面源、內源以及外源提出了具體的水環(huán)境防治措施,包括陸域點源污染物防治措施、陸域面源污染防治措施、漁業(yè)內源污染防治措施。

5 結 語

水污染物總量控制是緩解流域水環(huán)境問題、改善水質的一項重大舉措,在該項措施的實施過程中涉及許多利益相關者,在制定水污染總量控制方案時不能滿足所有利益相關者的要求,存在一定的分歧,如何分析總量控制方案中的統(tǒng)一與分歧問題是方案成功實施的關鍵。本文將和諧論引入水污染物總量控制研究中,通過分析水污染物總量控制的和諧問題,建立了基于和諧論的水污染物總量控制模型,并成功應用于實例研究中。應用結果表明,該模型可以從整體上衡量水污染物總量控制方案的合理性,反映各和諧參與者對總量控制方案的反應程度,可以為流域水污染物總量控制方案的制定提供技術支撐。

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