謝明輝,喬 琦,孫啟宏
(中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012)
目前,清潔生產(chǎn)在企業(yè)層面上的實(shí)踐已取得了顯著的成果,包括清潔生產(chǎn)技術(shù)評(píng)價(jià)、清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)等研究,但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與環(huán)境問(wèn)題的復(fù)雜化,越來(lái)越需要在更高層次和更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn),因此,區(qū)域和流域清潔生產(chǎn)研究應(yīng)運(yùn)而生。其中,區(qū)域清潔生產(chǎn)研究范圍較小,主要集中在工業(yè)園區(qū)層次,并已初步形成了一些理論基礎(chǔ)[1~3]。而流域清潔生產(chǎn)由于所面對(duì)的流域范圍較大,其中涉及污染跨界和上下游、左右岸等問(wèn)題,從可查閱的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)來(lái)看,有關(guān)流域清潔生產(chǎn)的概念提及甚少。孟偉等[4~8]曾在《流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究》中提及對(duì)流域中不同使用功能和保護(hù)目標(biāo)的地表水域應(yīng)實(shí)施水質(zhì)分級(jí)管理,對(duì)于流域內(nèi)技術(shù)水平與排放限值要求不同的企業(yè)實(shí)施分級(jí)環(huán)境經(jīng)濟(jì)政策,以促進(jìn)流域清潔生產(chǎn)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)的整體實(shí)現(xiàn),這是國(guó)內(nèi)首次從宏觀意義上提及流域清潔生產(chǎn)的概念。
流域清潔生產(chǎn)是將工業(yè)生態(tài)學(xué)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論相結(jié)合,同時(shí)融入系統(tǒng)論的方法,將清潔生產(chǎn)的對(duì)象拓展到流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),從流域經(jīng)濟(jì)活動(dòng)入手,包括流域總體布局、經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面,結(jié)合流域水質(zhì)管理目標(biāo)和流域水環(huán)境容量,兼顧上下游經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求,以控制區(qū)-控制單元體系為框架,提出合理的行業(yè)清潔生產(chǎn)配置方案,實(shí)現(xiàn)流域資源的合理利用、廢物的資源化和最小化,促進(jìn)流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。
相比企業(yè)清潔生產(chǎn)、行業(yè)清潔生產(chǎn)和區(qū)域清潔生產(chǎn),流域清潔生產(chǎn)需要考慮的因素更為繁多,各因素之間的關(guān)系也相對(duì)復(fù)雜。不但要考慮流域水質(zhì)管理目標(biāo)和水資源承載力,還要兼顧流域上下游經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求,通過(guò)對(duì)流域重點(diǎn)行業(yè)的過(guò)程控制與監(jiān)管,實(shí)現(xiàn)源頭削減甚至消除污染物產(chǎn)生的目標(biāo)。同時(shí)作為一個(gè)動(dòng)態(tài)體系,流域清潔生產(chǎn)更不容易控制和掌握。因此,在流域內(nèi)全面推行清潔生產(chǎn),是對(duì)污染末端治理和傳統(tǒng)發(fā)展模式的根本變革和創(chuàng)新,是走新型工業(yè)化道路、促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益雙贏、實(shí)現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。
1)可持續(xù)內(nèi)涵。流域清潔生產(chǎn)以可持續(xù)發(fā)展為指導(dǎo),以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為原則。在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)要保證和促進(jìn)流域水資源的完整性和生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán),要做到資源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。
2)社會(huì)經(jīng)濟(jì)內(nèi)涵。流域清潔生產(chǎn)跟社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是緊密聯(lián)系的,是以可預(yù)見的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平為依據(jù)的。社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平?jīng)Q定著用水結(jié)構(gòu),也影響著流域清潔生產(chǎn)水平的高低。同時(shí),清潔生產(chǎn)技術(shù)水平的合理優(yōu)化配置是一種典型的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng),體現(xiàn)了清潔生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值所在,提升了流域經(jīng)濟(jì)資源優(yōu)化的合理性。
流域清潔生產(chǎn)不同于企業(yè)清潔生產(chǎn),但又兼具區(qū)域清潔生產(chǎn)的部分特征,主要特征如下所示。
1)系統(tǒng)性。流域清潔生產(chǎn)除涉及環(huán)境系統(tǒng)外,還包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),其優(yōu)化配置方案的合理性與流域經(jīng)濟(jì)水平密切相關(guān),這點(diǎn)在前文已有論述,在此不再累述。
2)針對(duì)性。流域清潔生產(chǎn)更多關(guān)注的是水體污染物,這點(diǎn)與區(qū)域清潔生產(chǎn)有所不同,區(qū)域清潔生產(chǎn)不僅關(guān)注水體污染物還需關(guān)注大氣污染物和固體廢物,但流域清潔生產(chǎn)針對(duì)的主要是水體污染防治,這是由流域污染防治的特征所決定的。流域清潔生產(chǎn)通過(guò)對(duì)清潔生產(chǎn)方案的優(yōu)化配置,實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用和源頭削減水體污染物的產(chǎn)生,從而減少對(duì)流域水體污染物的排放。
3)跨界性。流域一般具有跨市、跨省甚至跨經(jīng)濟(jì)帶的特征,如長(zhǎng)江、黃河流域等地跨我國(guó)東、中、西部3個(gè)經(jīng)濟(jì)帶,既有自然條件的差異,又存在著上、中、下游區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差異。因此,在實(shí)施流域清潔生產(chǎn)時(shí),必須充分考慮這些特點(diǎn),遵循“分區(qū)、分級(jí)”的理念,以反映流域清潔生產(chǎn)在區(qū)域差異、水質(zhì)差異下實(shí)施的差異性。
4)優(yōu)先性。流域水體自上而下具有累積性,即下游的每個(gè)行政區(qū)域不僅接受了上游排出的污水(源頭區(qū)域除外),而且還排出了污染本行政區(qū)域和下游河段的污水。一般來(lái)說(shuō),越往下游走,水質(zhì)越壞。因此,流域清潔生產(chǎn)一般優(yōu)先配置在流域上游或是水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)較高的區(qū)域,特別是在診斷識(shí)別過(guò)程中,對(duì)上、中、下游同行業(yè)的產(chǎn)污強(qiáng)度的比較需要區(qū)別對(duì)待。
流域清潔生產(chǎn)是基于工業(yè)生態(tài)學(xué)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論和可持續(xù)理論,并結(jié)合系統(tǒng)論分析方法,指導(dǎo)在流域?qū)用鎸?shí)施的清潔生產(chǎn)。因此,其理論基礎(chǔ)主要包括工業(yè)生態(tài)學(xué)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)理論和系統(tǒng)論四大塊。
1)工業(yè)生態(tài)學(xué)。1989年9月,美國(guó)物理學(xué)家、哈佛大學(xué)教授Robert等發(fā)表文章[9],從生態(tài)系統(tǒng)角度提出了產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的概念。產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)主要研究社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)中自然資源從源、流到匯的全代謝過(guò)程及其組織管理體制,以及生產(chǎn)、消費(fèi)、調(diào)控行為的動(dòng)力學(xué)機(jī)制、控制論方法及其與生命支持系統(tǒng)的相互關(guān)系,通過(guò)重組和調(diào)整工業(yè)系統(tǒng),將環(huán)境因素整合到經(jīng)濟(jì)過(guò)程之中,使之與生物圈相兼容,從而能持久生存下去。由于工業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系是關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題,所以目前對(duì)于產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的研究集中在工業(yè)生態(tài)學(xué)方面[10~12]。
2)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。20世紀(jì)90年代,人們認(rèn)識(shí)到當(dāng)代資源枯竭和環(huán)境問(wèn)題日益惡化的根本原因是由于人類以高開采、低利用、高排放為特征的線性經(jīng)濟(jì)模式造成的。為此提出應(yīng)在資源環(huán)境不退化甚至得到改善的情況下促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng),建立一種以物質(zhì)閉環(huán)流動(dòng)為特征的經(jīng)濟(jì),即循環(huán)經(jīng)濟(jì)。循環(huán)經(jīng)濟(jì)把經(jīng)濟(jì)活動(dòng)組織成為一個(gè)“資源—產(chǎn)品—再生資源”的反饋式流程,所有資源和能源得到合理和持久的利用,從而把經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響降低到盡可能小的程度。循環(huán)經(jīng)濟(jì)本質(zhì)上是一種生態(tài)經(jīng)濟(jì),它運(yùn)用生態(tài)學(xué)規(guī)律指導(dǎo)人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng),可以為優(yōu)化人類經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各個(gè)組成部分之間的關(guān)系提供整體性的思路,為工業(yè)化以來(lái)的傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)提供戰(zhàn)略性的理論范式,從而從根本上消解長(zhǎng)期以來(lái)環(huán)境與發(fā)展之間的尖銳沖突[13]。
3)可持續(xù)理論??沙掷m(xù)發(fā)展是我國(guó)的基本國(guó)策,也是我國(guó)必須長(zhǎng)期堅(jiān)持的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。它要求在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí),正確處理經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人口、環(huán)境、資源的關(guān)系,使環(huán)境和資源既能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)的需要,又能滿足人民日益增長(zhǎng)的物質(zhì)和文化生活的需要。清潔生產(chǎn)實(shí)行源頭削減和對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)施全過(guò)程控制,可以避免和減少因末端治理不徹底而造成的二次污染;減少需要末端處理的污染物總量和處理設(shè)施的建設(shè)規(guī)模,降低一次性投資和運(yùn)行費(fèi)用,可以帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益;改善職工的勞動(dòng)條件和工作環(huán)境,有效保護(hù)職工安全,減輕對(duì)職工健康的不良影響,提高職工勞動(dòng)積極性和工作效率,同時(shí)也保護(hù)了公眾健康;有利于企業(yè)樹立良好的社會(huì)公眾形象,提高企業(yè)的環(huán)保聲譽(yù)和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力[14,15]。
4)系統(tǒng)論。系統(tǒng)論是流域清潔生產(chǎn)研究的重要理論基礎(chǔ)之一,這是由于流域清潔生產(chǎn)是由經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)中多個(gè)不同的要素構(gòu)成的。各個(gè)要素復(fù)雜多變,因此整個(gè)系統(tǒng)存在較大的不確定性,需要從系統(tǒng)論的角度去解決問(wèn)題。系統(tǒng)論的創(chuàng)始人貝塔朗菲給系統(tǒng)論的定義是“處在一定相互聯(lián)系中與環(huán)境發(fā)生關(guān)系的各組成部分的整體”。這其中包含兩層含義:一是系統(tǒng)由互相聯(lián)系的要素構(gòu)成;二是系統(tǒng)與環(huán)境發(fā)生關(guān)系,它不是孤立的。要素是組成系統(tǒng)的各個(gè)部分,是構(gòu)成系統(tǒng)的實(shí)體,離開要素,系統(tǒng)就不存在。但是系統(tǒng)又不是要素的簡(jiǎn)單相加,它還包括要素間的相互關(guān)系,要素有機(jī)地組織起來(lái)才構(gòu)成系統(tǒng)整體[16]。
流域清潔生產(chǎn)潛力是指通過(guò)流域行業(yè)清潔生產(chǎn)優(yōu)化配置,在整個(gè)流域?qū)崿F(xiàn)減排中清潔生產(chǎn)的貢獻(xiàn)情況,而由于使用清潔生產(chǎn)技術(shù)降低污染負(fù)荷導(dǎo)致末端處置設(shè)施穩(wěn)定性和長(zhǎng)期性提升而產(chǎn)生的間接效益,則不在研究范圍之內(nèi)。目前,清潔生產(chǎn)潛力分析方法主要集中在微觀層次,即單個(gè)企業(yè)或行業(yè)層面,如清潔生產(chǎn)審核、物質(zhì)流分析、績(jī)效分析、情景分析、最佳可行性技術(shù)分析和生命周期評(píng)價(jià)等,但這些方法都有各自的適用性。而對(duì)于宏觀層次(區(qū)域、流域)的清潔生產(chǎn)潛力分析方法目前尚無(wú)系統(tǒng)研究,考慮到流域清潔生產(chǎn)作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境耦合的復(fù)雜系統(tǒng),選用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)這一常用于解決復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的方法去分析流域清潔生產(chǎn)潛力是可行的,因此筆者擬采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)流域清潔生產(chǎn)潛力定量分析方法進(jìn)行探討。
系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是一種研究復(fù)雜系統(tǒng)行為的方法,適于研究隨時(shí)間變化的復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題,最初由麻省理工學(xué)院Jayw Foster教授于1956年創(chuàng)立。它基于系統(tǒng)論,并吸收控制論、信息論的精髓,融結(jié)構(gòu)與功能、物質(zhì)與信息、科學(xué)與經(jīng)驗(yàn)于一體,溝通了自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)的橫向聯(lián)系,是一門交叉性、綜合性很強(qiáng)的學(xué)科。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)從系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手,構(gòu)造系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)并建立模型,進(jìn)而借助計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為,預(yù)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì),并可作為實(shí)際系統(tǒng)特別是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、資源復(fù)雜大系統(tǒng)的“實(shí)驗(yàn)室”。模型的主要功能在于向人們提供一個(gè)進(jìn)行學(xué)習(xí)與政策分析的工具。目前,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)已廣泛應(yīng)用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、科研、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域[17]。
系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)雖然應(yīng)用于水環(huán)境領(lǐng)域的研究較多,但這些研究都僅限于流域水資源承載力方面的研究,而對(duì)流域清潔生產(chǎn)潛力分析的研究基本沒(méi)有。因此,本文選用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),結(jié)合情景分析,同時(shí)兼顧流域的環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政策體系的配套管理,構(gòu)建了流域清潔生產(chǎn)潛力分析的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型(SDM-BCPP)。該模型包括一個(gè)主體模塊和兩個(gè)輔助模塊,主體模塊為流域清潔生產(chǎn)潛力分析的基礎(chǔ)模塊,具有行業(yè)普適性;兩個(gè)輔助模塊分別為流域清潔生產(chǎn)診斷識(shí)別模塊和流域清潔生產(chǎn)趨勢(shì)分析模塊,前者用于識(shí)別診斷流域清潔生產(chǎn)的重點(diǎn)行業(yè),后者用于確定模型中的參數(shù)變量。三個(gè)模塊的關(guān)系如圖1所示。
圖1 流域清潔生產(chǎn)潛力分析主體模塊與輔助模塊的關(guān)系示意圖Fig.1 The relationship between main modules and assistant modules of basin cleaner production potential
3.1.1 主體模塊:流域清潔生產(chǎn)潛力分析
主體模塊由多個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)組成,每個(gè)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)行業(yè)或子行業(yè)的清潔生產(chǎn)潛力分析。每個(gè)子系統(tǒng)都由行業(yè)產(chǎn)值變化率、萬(wàn)元產(chǎn)值新水耗量、污染物產(chǎn)污強(qiáng)度、污染物進(jìn)水濃度、污染物削減率、污染設(shè)施進(jìn)水量、廢水回用率等變量構(gòu)成。考慮到水體污染的國(guó)控指標(biāo)為化學(xué)需氧量(COD)和氨氮,因此可選擇這兩個(gè)指標(biāo)為流域清潔生產(chǎn)參數(shù),不同流域應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況增加或刪減相應(yīng)的特征污染物。其中經(jīng)濟(jì)變量(行業(yè)產(chǎn)值變化率)一個(gè),其變化趨勢(shì)一般根據(jù)國(guó)家產(chǎn)業(yè)規(guī)劃及流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃界定;其余全為環(huán)境變量,跟流域清潔生產(chǎn)有關(guān)的是萬(wàn)元產(chǎn)值新水耗量、產(chǎn)污強(qiáng)度、廢水回用率這幾個(gè)變量,其余的變量跟末端治理方式有關(guān),子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 子系統(tǒng)清潔生產(chǎn)潛力分析系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型圖Fig.2 The system dynamics model of cleaner production potential for subsystem
主體模塊應(yīng)層層分解至具有一定數(shù)據(jù)可比性且技術(shù)集中度較高的子行業(yè)層次,以便于進(jìn)行清潔生產(chǎn)趨勢(shì)分析。一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)包含25個(gè)變量參數(shù)、9個(gè)狀態(tài)方程、4個(gè)速率方程以及大量的輔助方程,其中主要的幾個(gè)狀態(tài)方程如下:
式(1)~(5)中,L指某(子)行業(yè);K為目標(biāo)年(2015年);J為基準(zhǔn)年(2007年)。
3.1.2 輔助模塊1:流域清潔生產(chǎn)診斷識(shí)別
清潔生產(chǎn)主要通過(guò)降低產(chǎn)污強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)污染物的源頭削減和過(guò)程控制,因此產(chǎn)污強(qiáng)度越大的企業(yè)應(yīng)作為清潔生產(chǎn)的重點(diǎn)。此外,考慮到流域污染介質(zhì)在上下游的累積性,越靠近源頭區(qū)域、水質(zhì)功能級(jí)別越高的行業(yè)應(yīng)優(yōu)先實(shí)施清潔生產(chǎn)。因此,流域清潔生產(chǎn)主要行業(yè)的診斷識(shí)別應(yīng)同時(shí)考慮產(chǎn)污強(qiáng)度和所在控制區(qū)的水質(zhì)目標(biāo),其重要性與產(chǎn)污強(qiáng)度成正比、與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值成反比,三者關(guān)系如式(6)所示。
本文從流域污染物產(chǎn)生特征入手,結(jié)合流域水質(zhì)改善目標(biāo),提出基于產(chǎn)污強(qiáng)度和水質(zhì)目標(biāo)的流域清潔生產(chǎn)診斷方法。該模型可用式(7)表示。
式(7)中,i為行業(yè)類別(1,2,…,n);j為污染物種類(1,2,…,m);a為控制區(qū)(1,2,…,x);Ii為行業(yè)i清潔生產(chǎn)重要度;Gaij為流域a控制區(qū)內(nèi)行業(yè)i的污染物j的產(chǎn)生量;Eai為流域a控制區(qū)內(nèi)行業(yè)i的行業(yè)總產(chǎn)值;Kaj為流域a控制區(qū)水質(zhì)改善目標(biāo)中污染物j的標(biāo)準(zhǔn)限值。
流域清潔生產(chǎn)診斷識(shí)別的具體程序是通過(guò)對(duì)流域內(nèi)各行業(yè)清潔生產(chǎn)重要度的計(jì)算,選擇重要度較大的行業(yè)作為流域清潔生產(chǎn)的主要行業(yè)。
3.1.3 輔助模塊2:流域清潔生產(chǎn)趨勢(shì)分析
關(guān)于流域清潔生產(chǎn)趨勢(shì)分析,傳統(tǒng)的做法是將行業(yè)清潔生產(chǎn)指標(biāo)(產(chǎn)污強(qiáng)度)與清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì),計(jì)算出產(chǎn)污強(qiáng)度的降低程度,從而分析清潔生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。但此方法忽視了區(qū)域特征對(duì)清潔生產(chǎn)技術(shù)實(shí)施的影響,同時(shí)由于清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)更新速度較慢,多數(shù)清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)已滿足不了目前流域清潔生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的分析要求,特別是達(dá)到1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)。因此,筆者經(jīng)過(guò)大量的調(diào)研,從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)出發(fā),結(jié)合流域“分區(qū)、分類、分級(jí)”的管理理念,提出了基于目標(biāo)距離法的流域清潔生產(chǎn)趨勢(shì)分析,目前該方法在清潔生產(chǎn)方面的應(yīng)用尚屬首次。
目標(biāo)距離法是一種通過(guò)界定預(yù)期目標(biāo)再進(jìn)行趨勢(shì)分析的方法,起源于1990年的加權(quán)過(guò)程中,常用于生命周期評(píng)價(jià)(LCA)的加權(quán)過(guò)程,后被發(fā)展成為定量評(píng)價(jià)方法。目標(biāo)距離法用于生命周期影響評(píng)價(jià)過(guò)程,通過(guò)某種環(huán)境效應(yīng)的當(dāng)前水平與目標(biāo)水平(標(biāo)準(zhǔn)或容量)之間的距離來(lái)表征某種環(huán)境效應(yīng)的嚴(yán)重性,距離越大,影響越大。對(duì)目標(biāo)既可采用科學(xué)目標(biāo),如環(huán)境干擾的極限濃度或數(shù)量,也可采用政策目標(biāo)(如政府削減目標(biāo))和管理目標(biāo)(各種排放標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等)。
本文將目標(biāo)距離法應(yīng)用到流域清潔生產(chǎn)產(chǎn)污強(qiáng)度的趨勢(shì)分析中,結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,對(duì)相同行業(yè)、相同子行業(yè)、相同規(guī)模、相同企業(yè)類別、相同產(chǎn)品的產(chǎn)污強(qiáng)度進(jìn)行系統(tǒng)分析,通過(guò)計(jì)算各企業(yè)清潔生產(chǎn)產(chǎn)污現(xiàn)狀與目標(biāo)之間的距離,表征其產(chǎn)污強(qiáng)度的降低程度,再通過(guò)企業(yè)加權(quán)、規(guī)模加權(quán)、子行業(yè)加權(quán)的方式,得出流域內(nèi)該行業(yè)清潔生產(chǎn)產(chǎn)污強(qiáng)度的降低程度,分析流域內(nèi)行業(yè)清潔生產(chǎn)的趨勢(shì),模型可用式(8)表示。
式(8)中,X為子行業(yè)類別(1,2,…,k);Y為規(guī)模類型(1、2、3分別代表大型、中型、小型);i為A類企業(yè)(1,2,…,n);j為B類企業(yè)(1,2,…,m);RC為行業(yè)某污染物產(chǎn)污強(qiáng)度降低度;E為行業(yè)產(chǎn)值;EX為該行業(yè)子行業(yè)X的產(chǎn)值;EXY為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下的產(chǎn)值;EXYG為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下A類企業(yè)產(chǎn)值之和;EXYB為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下B類企業(yè)產(chǎn)值之和;WXYGi為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下A類企業(yè)i在所有A類企業(yè)中的產(chǎn)值占比;WXYBj為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下B類企業(yè)j在所有B類企業(yè)中的產(chǎn)值占比;RXYGi為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下A類企業(yè)i的產(chǎn)污強(qiáng)度降低率,可用公式(9)計(jì)算。
式(9)中,CXYGi為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下A類企業(yè)i的產(chǎn)污強(qiáng)度。
RXYBj為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下B類企業(yè)j的產(chǎn)污強(qiáng)度降低率,可用公式(10)計(jì)算。
式(10)中,CXYBj為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下B類企業(yè)j的產(chǎn)污強(qiáng)度;GXYGi為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下A類企業(yè)i的產(chǎn)污量;GXYBj為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下B類企業(yè)j的產(chǎn)污量。
流域清潔生產(chǎn)潛力分析的程序如圖3所示。
圖3 流域清潔生產(chǎn)潛力分析程序圖Fig.3 Procedure of basin cleaner production potential analysis
流域清潔生產(chǎn)潛力分析的方案設(shè)計(jì)根據(jù)流域經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型方式的不同,可以分為產(chǎn)業(yè)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)調(diào)整方案設(shè)計(jì)和布局優(yōu)化方案設(shè)計(jì)??紤]到結(jié)構(gòu)調(diào)整和布局優(yōu)化是對(duì)流域內(nèi)行業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整布局,包括流域行業(yè)集聚區(qū)的跨經(jīng)濟(jì)帶、跨上下游、跨控制區(qū)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移等,不僅需要考慮流域清潔生產(chǎn)重點(diǎn)度的變化,還需考慮結(jié)構(gòu)調(diào)整和布局優(yōu)化后污染源與流域間的擴(kuò)散距離,涉及較多的環(huán)境污染機(jī)理研究,相關(guān)研究?jī)?nèi)容將在“十二五”水專項(xiàng)中展開。因此,本文僅對(duì)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化方案下流域清潔生產(chǎn)潛力分析進(jìn)行研究。
產(chǎn)業(yè)優(yōu)化主要是指通過(guò)提高工藝水平,推廣清潔生產(chǎn)技術(shù),以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)資源能源產(chǎn)出率,減少污染物的產(chǎn)生和排放。具體的情景方案設(shè)計(jì)如下。
1)方案1:現(xiàn)狀方案。保持現(xiàn)有狀況不變,即現(xiàn)有清潔生產(chǎn)和末端治理水平不變,模型如式(11)所示。
式(11)中,Po為目標(biāo)年現(xiàn)狀方案下流域(行業(yè))的污染物排放量;Eoi為基準(zhǔn)年(子)行業(yè)i產(chǎn)值;ai為(子)行業(yè)i經(jīng)濟(jì)年均增長(zhǎng)率;Coi為(子)行業(yè)i基準(zhǔn)年產(chǎn)污強(qiáng)度;Roi為(子)行業(yè)i基準(zhǔn)年末端治理設(shè)施的削減率
2)方案2:優(yōu)化方案(清潔生產(chǎn)方案)。指在現(xiàn)有方案的基礎(chǔ)上,通過(guò)實(shí)施清潔生產(chǎn)技術(shù),結(jié)合清潔生產(chǎn)趨勢(shì)分析,逐年降低萬(wàn)元產(chǎn)值新水耗量、COD產(chǎn)污強(qiáng)度和氨氮產(chǎn)污強(qiáng)度,同時(shí)綜合考慮現(xiàn)有污染處置設(shè)施的技術(shù)參數(shù),預(yù)測(cè)分析實(shí)施清潔生產(chǎn)對(duì)污染物排放量的削減程度,模型如式(12)所示。
式(12)中,Pc為目標(biāo)年優(yōu)化方案下流域(行業(yè))的污染物排放量;Cti為目標(biāo)年(子)行業(yè)i的產(chǎn)污強(qiáng)度,Cti=Cti(1-Rci)。
3)方案3:綜合方案(清潔生產(chǎn)+末端治理方案)。指在現(xiàn)有方案的基礎(chǔ)上,通過(guò)實(shí)施清潔生產(chǎn)技術(shù),降低萬(wàn)元產(chǎn)值新水耗量、COD產(chǎn)污強(qiáng)度和氨氮產(chǎn)污強(qiáng)度,同時(shí)對(duì)實(shí)施清潔生產(chǎn)后的污染處理設(shè)施進(jìn)行趨勢(shì)分析,提高末端處理設(shè)施的COD削減率、氨氮削減率等指標(biāo),進(jìn)一步預(yù)測(cè)實(shí)施清潔生產(chǎn)和提高末端治理對(duì)整個(gè)流域減排的潛力,模型如式(13)所示。
式(13)中,Pc+t為目標(biāo)年綜合方案流域(行業(yè))的污染物排放量;Rti為目標(biāo)年(子)行業(yè)i末端治理設(shè)施的污染物削減率。
遼河流域水體污染物主要為COD和氨氮,因此以這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)識(shí)別診斷該流域清潔生產(chǎn)主要行業(yè)。目前,遼河流域內(nèi)蒙古控制區(qū)和吉林控制區(qū)不存在工業(yè)體系,因此僅需在遼寧控制區(qū)識(shí)別診斷流域清潔生產(chǎn)主要行業(yè),在同一控制區(qū)進(jìn)行識(shí)別診斷時(shí)無(wú)需考慮水質(zhì)目標(biāo),故可根據(jù)產(chǎn)污強(qiáng)度進(jìn)行識(shí)別診斷。結(jié)果表明,遼河流域清潔生產(chǎn)主要行業(yè)為造紙及紙制品業(yè);啤酒釀造業(yè);黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè);醫(yī)藥制造業(yè);印染加工業(yè);石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)這六大行業(yè)(見圖4)。
圖42008年遼河流域主要行業(yè)污染物產(chǎn)生量及產(chǎn)生強(qiáng)度比較Fig.4 Comparison of water pollutants generation and intensity by main industry in Liaohe River basin in 2008
2008年這六大行業(yè)工業(yè)產(chǎn)值占流域工業(yè)總產(chǎn)值的44.2%,COD和氨氮產(chǎn)生量分別占流域總量的72.5%和88.4%。其中,造紙及紙制品業(yè)、印染加工業(yè)、黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)這3個(gè)行業(yè)的COD產(chǎn)生量最大,分別占COD產(chǎn)生總量的24.1%、14.5%和11.2%。醫(yī)藥制造業(yè),石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè),印染加工業(yè)的氨氮產(chǎn)生量較大,分別占氨氮產(chǎn)生總量的42.0%、20.1%和16.4%,醫(yī)藥制造業(yè)和啤酒釀造業(yè)的COD產(chǎn)生強(qiáng)度也較大。
遼河流域清潔生產(chǎn)潛力分析模型主體模塊與輔助模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中主體模塊中的每一個(gè)子行業(yè)都有一個(gè)如圖5下半部分由氨氮排放量、COD排放量和廢水排放量這3個(gè)狀態(tài)變量組成的子系統(tǒng),受篇幅所限,模型結(jié)構(gòu)圖只畫出了制藥行業(yè)生物制藥子行業(yè)的子系統(tǒng)。
根據(jù)遼河流域清潔生產(chǎn)診斷識(shí)別結(jié)果,結(jié)合本文建立的流域趨勢(shì)分析方法學(xué),遼河流域清潔生產(chǎn)主要行業(yè)趨勢(shì)分析結(jié)果如表1所示。
圖5 遼河流域清潔生產(chǎn)潛力分析系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型Fig.5 The system dynamics model of basin cleaner production potential in Liaohe River basin
表1 遼河流域清潔生產(chǎn)指標(biāo)趨勢(shì)分析結(jié)果Table 1 Trend analysis results on cleaner production index in Liaohe River basin%
將表1中的數(shù)據(jù)代入流域清潔生產(chǎn)潛力分析模型,結(jié)果如圖6和圖7所示。從圖6中可以看出,方案2即可實(shí)現(xiàn)冶金、造紙和石化的COD減排;而方案3中冶金、造紙、石化、制藥更是分別實(shí)現(xiàn)了COD的減排,分別為24.08%、18.88%、18.75%和5.52%??紤]到造紙、冶金、石化行業(yè)污染物排放量比較大,因此,這3個(gè)行業(yè)將是遼河流域清潔生產(chǎn)COD減排潛力較大的行業(yè)。
圖6 遼河流域重點(diǎn)行業(yè)2015年COD排放量較2010年變化情況圖Fig.6 Prediction of COD emission from main industries in Liaohe River basin in 2015 compared with that actually in 2010
其中制藥行業(yè)由于受益于國(guó)家政策,在“十二五”期間飛速發(fā)展的同時(shí)將帶來(lái)大量的COD排放。但由于醫(yī)藥行業(yè)整體的COD產(chǎn)污強(qiáng)度降低空間較大,因此,在方案3中還是實(shí)現(xiàn)了COD減排。
由于啤酒行業(yè)工藝流程短,又是我國(guó)早期開展清潔生產(chǎn)國(guó)際合作的示范行業(yè),且目前遼河流域啤酒行業(yè)的所有企業(yè)均已達(dá)到了清潔生產(chǎn)一級(jí)水平,因此該行業(yè)產(chǎn)污強(qiáng)度降低空間不大。同時(shí),目前該行業(yè)的COD和氨氮的削減率已經(jīng)分別達(dá)到了95.28%和82.33%,污染物削減率提升空間不大。這兩點(diǎn)原因直接導(dǎo)致了該行業(yè)COD和氨氮排放量在2015年沒(méi)有實(shí)現(xiàn)較2010年的減排,方案3中氨氮排放量雖然較2010年實(shí)現(xiàn)了減排5.42%,但仍低于同期流域減排規(guī)劃目標(biāo)。由此可見,在沒(méi)有更為減污增效的清潔生產(chǎn)技術(shù)推廣應(yīng)用之前,該行業(yè)不宜作為清潔生產(chǎn)減排的重點(diǎn)行業(yè),應(yīng)通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)政策調(diào)整的經(jīng)濟(jì)手段來(lái)控制行業(yè)的污染物排放。
印染行業(yè)也未能實(shí)現(xiàn)COD減排,考慮到產(chǎn)污強(qiáng)度降低空間較大,應(yīng)積極從生產(chǎn)工藝下手,加強(qiáng)過(guò)程控制,加大清潔生產(chǎn)技術(shù)的投入,因此,應(yīng)作為流域清潔生產(chǎn)COD減排的重點(diǎn)行業(yè)。
圖7 遼河流域重點(diǎn)行業(yè)2015年氨氮排放量較2010年變化情況圖Fig.7 Prediction of NH3-N emission from main industries in Liaohe River basin in 2015 compared with that actually in 2010
從圖7中可以看出,方案2實(shí)現(xiàn)了冶金、造紙、石化這3個(gè)行業(yè)的氨氮減排,而方案3可實(shí)現(xiàn)冶金、造紙、石化、啤酒、制藥和印染全部6個(gè)行業(yè)的減排,其較2010年分別減排22.68%、15.13%、29.58%、5.42%、6.00%和2.18%。其中冶金、造紙、石化超過(guò)流域規(guī)劃的整體氨氮減排目標(biāo)。因此,這3個(gè)行業(yè)是遼河流域清潔生產(chǎn)氨氮減排潛力最大的行業(yè)。
啤酒由于前文所述原因,不作為清潔生產(chǎn)重點(diǎn)行業(yè),印染和制藥則應(yīng)作為流域清潔生產(chǎn)氨氮減排的重點(diǎn)行業(yè)。
遼河流域清潔生產(chǎn)主要行業(yè)的COD和氨氮減排貢獻(xiàn)率對(duì)比如表2所示,推進(jìn)清潔生產(chǎn)對(duì)于COD和氨氮的減排貢獻(xiàn)率分別在50%和60%之上,明顯高于提升末端處置效率的貢獻(xiàn),其中以制藥行業(yè)最為明顯,該行業(yè)推進(jìn)清潔生產(chǎn)對(duì)COD和氨氮減排的貢獻(xiàn)率分別為80%和84%。對(duì)遼河流域清潔生產(chǎn)主要行業(yè)污染物排放進(jìn)行整體方案分析,結(jié)果如圖8和圖9所示。
表2 遼河流域重點(diǎn)行業(yè)清潔生產(chǎn)與末端處理的減排貢獻(xiàn)率表Table 2 Contribution rate of cleaner production and treatment in emission-reduction in Liaohe River basin
圖8 遼河流域不同方案下重點(diǎn)行業(yè)COD排放量圖Fig.8 Comparision of COD emissions from different scenarios by main industries in Liaohe River basin
圖9 遼河流域不同方案下重點(diǎn)行業(yè)氨氮排放量圖Fig.9 Comparision of NH3-N emissions from different scenarios by main industries in Liaohe River basin
按方案1發(fā)展,到“十二五”末期,COD排放量將達(dá)到69594 t,較2010年增加36%。采用清潔生產(chǎn)措施(方案2)后,COD排放量降低至52173 t,較2010年增加2%,可有效降低方案1中COD排放量的25%。采用清潔生產(chǎn)和末端治理措施(方案3)后,COD排放量降低至43109 t,較2010年減少16%,可有效降低方案1中COD排放量的38%。因此,實(shí)施清潔生產(chǎn)和提高末端治理后對(duì)應(yīng)的COD減排絕對(duì)貢獻(xiàn)率分別為25%和13%,在COD減排方面的相對(duì)貢獻(xiàn)率為66%∶34%。
按方案1發(fā)展,到“十二五”末期,氨氮排放量將達(dá)到6430 t,較2010年增加39%。采用清潔生產(chǎn)措施(方案2)后,氨氮排放量降低至4378 t,較2010年減少5.4%,可有效降低方案1中氨氮排放量的32%;采用清潔生產(chǎn)和末端治理措施(方案3)后,氨氮排放量降低至3606 t,較2010年減少22%,可有效降低方案1中氨氮排放量的44%。因此,實(shí)施清潔生產(chǎn)和提高末端治理對(duì)應(yīng)的氨氮減排絕對(duì)貢獻(xiàn)率分別為32%和12%,兩者在氨氮減排方面的相對(duì)貢獻(xiàn)率為73%∶27%。
基于遼河流域重點(diǎn)污染行業(yè)的清潔生產(chǎn)現(xiàn)狀和潛力分析,按照分類指導(dǎo)原則,提出各行業(yè)推進(jìn)清潔生產(chǎn)的技術(shù)路線。
1)緊抓冶金(壓延加工子行業(yè))、造紙(造紙子行業(yè))、石化等清潔生產(chǎn)減排潛力行業(yè),繼續(xù)實(shí)施清潔生產(chǎn)。根據(jù)模擬結(jié)果中清潔生產(chǎn)減排潛力較大的冶金、造紙、石化等行業(yè),全面實(shí)施清潔生產(chǎn),特別是冶金行業(yè)的壓延加工子行業(yè)、造紙行業(yè)的造紙子行業(yè)、石化行業(yè)的所有子行業(yè),應(yīng)從產(chǎn)品工藝技術(shù)、設(shè)備、管理等方面全面降低污染物產(chǎn)生指標(biāo),實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)分析中設(shè)定的各項(xiàng)清潔生產(chǎn)指標(biāo)削減目標(biāo)。
2)針對(duì)制藥(化學(xué)藥制品子行業(yè))、印染、造紙(制漿子行業(yè))等清潔生產(chǎn)重點(diǎn)行業(yè),加快實(shí)施清潔生產(chǎn)。針對(duì)預(yù)測(cè)模擬中沒(méi)有實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)的制藥、印染、造紙等重點(diǎn)行業(yè),應(yīng)在行業(yè)內(nèi)積極推進(jìn)清潔生產(chǎn),特別是制藥行業(yè)中的化學(xué)藥制品子行業(yè)、造紙行業(yè)中的制漿子行業(yè)和印染行業(yè),應(yīng)加大清潔生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)和推廣力度,加強(qiáng)清潔生產(chǎn)審核,在實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)分析中設(shè)定的各項(xiàng)清潔生產(chǎn)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步降低清潔生產(chǎn)的各項(xiàng)指標(biāo),最終實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)減排目標(biāo)。
3)經(jīng)濟(jì)調(diào)控規(guī)劃環(huán)境目標(biāo),實(shí)現(xiàn)啤酒行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。經(jīng)濟(jì)調(diào)控實(shí)現(xiàn)環(huán)境目標(biāo),通過(guò)控制行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度,對(duì)現(xiàn)有啤酒產(chǎn)業(yè)進(jìn)行全面轉(zhuǎn)型升級(jí),大力提升科技含量,提高附加值,延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈,形成產(chǎn)業(yè)集群,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)集約化發(fā)展。在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí),集中開展行業(yè)清潔生產(chǎn)審核,必要時(shí)可提高清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)中的一級(jí)指標(biāo)要求和行業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求,減少污染物排放,雙管齊下,實(shí)現(xiàn)啤酒行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
4)加強(qiáng)制藥、造紙、印染行業(yè)氨氮處置設(shè)施建設(shè),提升氨氮減排能力。目前制藥、造紙、印染行業(yè)氨氮削減率較低,氨氮減排效果較差。因此應(yīng)突出技術(shù)減排,以技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行為依據(jù),對(duì)制藥、造紙、印染行業(yè)的排放標(biāo)準(zhǔn)、清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)以及落后產(chǎn)能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行流域性更新升級(jí),促使行業(yè)提升技術(shù)水平,優(yōu)化發(fā)展方式,切實(shí)抑制氨氮新增排放量。同時(shí)還要狠抓工程減排,形成有效的減排能力,特別是針對(duì)列入規(guī)劃或立項(xiàng)的項(xiàng)目,應(yīng)在審批上嚴(yán)格要求其增設(shè)脫氮除磷設(shè)施,對(duì)已建項(xiàng)目的污染處置設(shè)施進(jìn)行升級(jí)改造,進(jìn)一步提高氨氮處理能力。
1)在對(duì)清潔生產(chǎn)的基本理論與實(shí)踐的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,指出流域清潔生產(chǎn)是清潔生產(chǎn)向更高、更深層次上發(fā)展的需求,也是流域可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求,并進(jìn)一步論述了流域清潔生產(chǎn)的定義、內(nèi)涵、特征、理論基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)。
2)基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),構(gòu)建了流域清潔生產(chǎn)潛力及對(duì)減排貢獻(xiàn)的定量分析模型——SDM-BCPP模型,該模型包括一大主體模塊(流域清潔生產(chǎn)潛力分析)和兩大輔助模塊(流域清潔生產(chǎn)診斷識(shí)別和流域清潔生產(chǎn)趨勢(shì)分析)。
3)選擇遼河流域進(jìn)行了案例分析,識(shí)別出遼河流域目前實(shí)施清潔生產(chǎn)的主要行業(yè)為冶金、造紙、石化、啤酒、制藥、印染六大行業(yè),其中潛力行業(yè)為冶金、造紙和石化,重點(diǎn)行業(yè)為制藥和印染,調(diào)控行業(yè)為啤酒;采用清潔生產(chǎn)技術(shù)并結(jié)合末端治理技術(shù)的提升,預(yù)計(jì)到2015年,COD和氨氮排放量可實(shí)現(xiàn)較2010年分別減排16%和22%,其中清潔生產(chǎn)技術(shù)和末端治理技術(shù)在COD減排和氨氮減排過(guò)程中的貢獻(xiàn)占比分別為66%∶34%和73%∶27%。
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