徐麥菊, 劉小飛, 劉文康

(1.平頂山市昭平臺(tái)水庫(kù)管理局, 河南 平頂山 467300; 2.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 河南 鄭州450001)

基于治污成本法的流域生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)研究

徐麥菊1, 劉小飛1, 劉文康2

(1.平頂山市昭平臺(tái)水庫(kù)管理局,河南平頂山467300; 2.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,河南鄭州450001)

[目的] 對(duì)河南省駐馬店市小洪河流域生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，為建立流域水質(zhì)生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)核算模型提供參考。 [方法] 通過(guò)搜集污水處理廠的運(yùn)行和處理資料，選取COD、氨氮和總磷3個(gè)有代表性的污染因子，采用治污成本法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法開展研究。 [結(jié)果] 西平縣、上蔡縣、平輿縣、新蔡縣的補(bǔ)償值分別為0.40，0.46，0.58和0.88元/t，與相關(guān)研究結(jié)果較為相符。 [結(jié)論] 基于治理成本模型的水質(zhì)生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)核算模型能夠很好地反映流域水污染因子的單位成本，為生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制的構(gòu)建打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

生態(tài)補(bǔ)償; 補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn); 治污成本法; 小洪河流域; 水質(zhì)模型

文獻(xiàn)參數(shù)： 徐麥菊, 劉小飛, 劉文康.基于治污成本法的流域生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)研究[J].水土保持通報(bào)，2017,37(4)：156-160.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.026； Xu Maiju, Liu Xiaofei, Liu Wenkang. Ecological compensation standard for river basin based on method of pollution treatment cost[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：156-160.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.026

實(shí)施生態(tài)補(bǔ)償是調(diào)動(dòng)各方積極性、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要手段，是生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從支付意愿和受償意愿[1]、環(huán)境損害成本[2]、污染物削減費(fèi)用、直接投入和機(jī)會(huì)成本[3]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等角度對(duì)流域生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)算進(jìn)行了大量的研究。范曉芬[4]綜合考慮流域環(huán)境治理成本和各地區(qū)環(huán)境治理成本，提出3種生態(tài)補(bǔ)償額的確定方法，并對(duì)太湖流域進(jìn)行了研究應(yīng)用。劉桂環(huán)等[5]通過(guò)分析我國(guó)現(xiàn)有流域生態(tài)補(bǔ)償實(shí)踐的3種類型，總結(jié)出生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)核算的兩種方法，并總結(jié)了兩種方法的適用范圍。趙海霞等[6]構(gòu)建了基于污染足跡的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)模型，計(jì)算了3大組群的補(bǔ)償或受償標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外的研究突出的是受益方及付出方通過(guò)契約進(jìn)行市場(chǎng)交換，對(duì)補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)原因、市場(chǎng)化的補(bǔ)償途徑、補(bǔ)償?shù)木唧w機(jī)制進(jìn)行的研究比較多。目前運(yùn)用污水治理成本法定量分析污染賠償標(biāo)準(zhǔn)研究的僅有劉曉紅等[7]，但其研究采用樣本數(shù)據(jù)較少，代表性不足。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)廣泛搜集污水處理廠的運(yùn)行和處理資料，選取COD、氨氮和總磷3個(gè)有代表性的污染因子，采用治污成本法對(duì)小洪河流域生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，為建立流域水質(zhì)生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)核算模型提供參考。

1 基于治污成本法的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)測(cè)算模型的構(gòu)建

1.1 治污成本法的補(bǔ)償機(jī)理

流域上游來(lái)水經(jīng)過(guò)沿岸生產(chǎn)生活取水、用水、排水等過(guò)程，使得河道中的污染物增加，水體在向下游運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中同時(shí)發(fā)生水體自凈作用，污染物得到一定程度的減少。若到達(dá)下游的水體中的污染物濃度高于標(biāo)準(zhǔn)限值，則下游地區(qū)需要采取一系列的措施使得水質(zhì)達(dá)到一定使用標(biāo)準(zhǔn)，在此過(guò)程中投入了一定的財(cái)力，以此費(fèi)用為基礎(chǔ)，下游地區(qū)要求上游地區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償，一方面既彌補(bǔ)了下游治理費(fèi)用的支出，另外在某種程度上可以約束上游的排污[8]。

基于治污成本法的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)測(cè)算模型建立思路如下：在收集區(qū)域內(nèi)城市污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)、年處理規(guī)模、年運(yùn)行費(fèi)用等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，引入處理設(shè)施效益[9]分離出各污染物的處理成本，再利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法擬合出進(jìn)水水質(zhì)、出水濃度與污染物治理成本關(guān)系的曲線，建立基于污水治理成本曲線的計(jì)算模型[10]，由此核算出不同進(jìn)水濃度、出水濃度的污染物治理成本，以此作為生態(tài)補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。

1.2 水質(zhì)模型構(gòu)建

1.2.1 水環(huán)境容量計(jì)算 水環(huán)境容量是指“某一水環(huán)境單元在特定的環(huán)境目標(biāo)下所能容納污染物的量，也就是指環(huán)境中依靠自身特征使本身功能不至于被破壞的前提下能夠允許容納的最大污染物的量”[11]。水環(huán)境容量由兩部分組成：

W0=E稀+E自

(1)

式中：W0——水環(huán)境容量(kg/d)；E烯——稀釋容量(kg/d)；E自——自凈容量(kg/d)。

E稀=86.4×(S-Cb)×Qr

(2)

式中：S——水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(mg/L)；Cb——河流背景濃度(mg/L)；Qr——河流流量(m3/s)。

(3)

式中：Qt——河流流量(m3/s)+廢水流量(m3/s)；l——河段長(zhǎng)度(m)；k——綜合衰減系數(shù)(1/d)；u——河流流速(m/s)。

1.2.2 水質(zhì)模型 污染物進(jìn)入水體之后，隨著水體的遷移運(yùn)動(dòng)，污染物在水體中得到稀釋和擴(kuò)散，濃度得到一定降低。假定污染物符合一級(jí)衰減反應(yīng)，選用一維水質(zhì)模型：

(4)

式中：C——水質(zhì)濃度(m3/s)；K——污染物綜合衰減系數(shù)(1/d);x——到排污口距離(m)，Dx——彌散系數(shù)(m2/s)；u——河流流速(m/s)。

該方程可以求得解析式：

(5)

式中：Q0——上游來(lái)水量(m3/s)；QE——污水排放量(m3/s)；WE——單位時(shí)間污染物超標(biāo)排放量(g/s)；m——常數(shù)。

(6)

WE=(W-W0)/t

(7)

式中：W——污染因子年入河量(t)；W0——水環(huán)境容量即納污能力(t/a)，即允許最大排放量；t——時(shí)間(s)。

則公式(5)可以表示為：

C=C0ekx

(8)

式中：C0——污染源排放處的混合濃度(mg/L)，C0=WE/(Q0+QE)m；k——是綜合反映污染物對(duì)流、擴(kuò)散和衰減作用的系數(shù)，k=u(1-m)/2Dx。

1.3 污染物治理成本模型的構(gòu)建

選擇城市污水處理廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)開展治理成本研究。由于污水處理廠的資料均是污水治理總成本，沒有針對(duì)不同污染因子的處理成本，因此引入處理設(shè)施效益，通過(guò)深入研究污水中各污染物的治理成本系數(shù)，進(jìn)而對(duì)各污染物治理成本進(jìn)行核算。某一污染物處理設(shè)施的第i種污染物的處理效益[12]ηi可表示為：

(9)

式中：Ii——第i種污染物的進(jìn)水濃度(mg/L)；Ei——第i種污染物的出水濃度(mg/L)；Si——污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)，采取污水處理廠污染物排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(mg/L)；其中：Ii，Ei采用各污水處理廠中第i種污染物的實(shí)際進(jìn)、出水濃度。

(10)

式中：γ(i)——第i種污染物的治理成本系數(shù)；ηi——處理設(shè)施對(duì)第i種污染物的處理效益。

若處理了N種污染物，那么第i種污染物的治理成本為：

(11)

式中：Ci——第i種污染物的治理成本(元/t)；C——廢水的治理成本(元/t)。

結(jié)合污染物的進(jìn)出水濃度的差值，分別計(jì)算1 t水削減1 mg/L污染物的治理成本：

Ci=Ci/(Ii-Ei)

(12)

式中：Ci——1 t水削減1 mg/L第i種污染物的治理成本。

以上述所建立的各種污染物治理成本計(jì)量經(jīng)濟(jì)模型為依據(jù)，對(duì)不同濃度情況下每1 t水削減1 mg/L各種污染物所需的治理成本進(jìn)行預(yù)測(cè)，此時(shí)各種污染物的治理成本之和值即為生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。

2 實(shí)例研究

2.1 小洪河流域概況

小洪河發(fā)源于伏牛山脈，干流流經(jīng)舞陽(yáng)、西平、上蔡、平輿、新蔡等5市縣(其中屬于駐馬店地區(qū)的有西平、上蔡、平輿、新蔡)。于新蔡縣班臺(tái)同汝河交匯流入大洪河，全長(zhǎng)265.6 km，流域面積4 170 km2。90%的流域面積位于駐馬店市境內(nèi)，是淮河上游主要的洪水發(fā)源地之一。

駐馬店轄洪河流域水質(zhì)基本處于Ⅴ類水，冬季個(gè)別月份出現(xiàn)劣Ⅴ類。小洪河流域的污染主要是沿河工企業(yè)廢水以及生活污水等，污水滲透污染沿河地下水，不僅引發(fā)用水矛盾，而且給生態(tài)、漁業(yè)和城鄉(xiāng)供水安全帶來(lái)嚴(yán)重影響。

2.2 污染因子的確定

洪河駐馬店轄流域水污染主要來(lái)自于生活污水和工業(yè)企業(yè)廢水，主要污染因子為化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)及總磷(TP)，同時(shí)河南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站的監(jiān)測(cè)因子也為COD、氨氮及總磷，到目前為止，這3個(gè)污染因子也成為研究區(qū)地表水環(huán)境質(zhì)量控制的約束性指標(biāo)，再結(jié)合中國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》，因此選擇化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)3個(gè)污染因子作為駐馬店市小洪河流域生態(tài)補(bǔ)償分析的水質(zhì)因子。

2.3 生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)測(cè)算

2.3.1 水環(huán)境容量計(jì)算 根據(jù)主要的入河排污口的分布及水環(huán)境容量計(jì)算的需求，同時(shí)兼顧生態(tài)補(bǔ)償?shù)闹骺腕w，研究確定本研究的計(jì)算單元。考慮到入河排污口的分布主要是以行政縣的形式分布的，而且生態(tài)補(bǔ)償?shù)闹骺腕w亦是行政縣，因此按照行政分區(qū)(縣)對(duì)河道進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，以4個(gè)行政分區(qū)作為計(jì)算單元，每個(gè)計(jì)算單元的長(zhǎng)度分別為36，48.9，31.5，67.2 km。根據(jù)駐馬店轄洪河流域的水功能區(qū)劃分，駐馬店轄洪河流域的水質(zhì)目標(biāo)多為Ⅳ類水，因此計(jì)算水環(huán)境容量時(shí)均選擇以Ⅳ類水作為標(biāo)準(zhǔn)。

(1) 計(jì)算參數(shù)的確定。根據(jù)上述對(duì)污染因子的選取，因此亦選取COD、氨氮、總磷作為水環(huán)境容量的計(jì)算因子。駐馬店轄洪河流域的流量采用臨時(shí)曲線法[13]、連實(shí)測(cè)流量過(guò)程線法[14]推求，此流量具有較好的科學(xué)性與代表性。污染物綜合衰減系數(shù)[15]k受水溫、水文條件、河道特征、污染物濃度梯度等因素影響，本研究采用河南省環(huán)保局提供的污染物衰減系數(shù)，其中KCOD取0.16，KNH3-N取0.10，KTP取0.14。

(2) 計(jì)算結(jié)果。當(dāng)前駐馬店轄小洪河流域的水污染狀況較差，基本處于Ⅴ類水的污染狀態(tài)，因此駐馬店轄小洪河流域的水環(huán)境稀釋容量為零。因此，自凈容量即為水環(huán)境容量。各行政分區(qū)的水環(huán)境容量詳見表1。

表1 駐馬店轄小洪河流域各個(gè)行政縣斷面的理論濃度值

2.3.2 理論水質(zhì)濃度的確定 2012年駐馬店轄洪河流域COD排放量為96 264.97 t/a，氨氮排放量為3 424.38 t/a，總磷的排放量為903.849 2 t/a。根據(jù)構(gòu)建的水質(zhì)模型，對(duì)駐馬店轄洪河流域各行政分區(qū)的斷面理論濃度的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

2.3.3 計(jì)算污染物治理成本 本研究在開展實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，分別選取駐馬店西平縣河南省華中環(huán)保研究有限公司西平項(xiàng)目部、上蔡縣潔美污水處理有限責(zé)任公司、平輿縣污水處理廠、新蔡縣污水處理廠的2012年有效污水處理廠運(yùn)行數(shù)據(jù)建立污染治理成本預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)各水質(zhì)濃度恢復(fù)到Ⅱ類水時(shí)所需的成本，從而確定生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。

本研究調(diào)研收集的樣本廠運(yùn)行數(shù)據(jù)中主要包括COD、氨氮、總磷的進(jìn)水濃度、出水濃度、標(biāo)準(zhǔn)限值、年處理量、治理成本。

(1) COD治理成本模型建立。根據(jù)公式，得到COD削減1 mg/L的治理成本，具體見表2。從中可以分析出COD進(jìn)水濃度與每t水每削減1 mg/LCOD治理成本之間的關(guān)系，隨著COD進(jìn)水濃度的增加，單位治理成本呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)，并逐漸趨于穩(wěn)定。冪函數(shù)的擬合優(yōu)度較高，所以根據(jù)曲線擬合結(jié)果，建立COD進(jìn)水濃度和其單位治理成本之間的關(guān)系模型為：

(13)

式中：XCOD——COD進(jìn)水濃度(mg/L)；YCOD——每1 t水每削減1 mg/LCOD所需的治理成本(元)。

表2 不同污水處理廠削減1 mg/L COD的治理成本

(2) 氨氮治理成本模型建立。同上述COD治理成本模型建立過(guò)程相同，根據(jù)污染物進(jìn)水濃度與治理成本的函數(shù)關(guān)系，建立氨氮進(jìn)水濃度和其單位治理成本的關(guān)系模型為：

(14)

式中：Y氨氮——每1 t水每削減1 mg/L氨氮所需的治理成本(元)；X氨氮——氨氮進(jìn)水濃度(mg/L)。

(3) 總磷治理成本模型建立。同上述COD治理成本模型建立過(guò)程相同，根據(jù)污染物進(jìn)水濃度與治理成本的函數(shù)關(guān)系，建立氨氮進(jìn)水濃度和其單位治理成本的關(guān)系模型為：

(15)

式中：Y總磷——每1 t水每削減1 mg/L總磷所需的治理成本(元)；X總磷——總磷進(jìn)水濃度(mg/L)。

2.4 生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的確定

從目前駐馬店轄洪河流域的水質(zhì)情況來(lái)看，若水質(zhì)能普遍達(dá)到Ⅱ類水，就已達(dá)到集中生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)將會(huì)是較為理想的狀態(tài)，因此選擇以Ⅱ類水為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的確定。根據(jù)以上建立的COD、氨氮、總磷的治理成本模型，結(jié)合計(jì)算得到的水質(zhì)理論濃度，即可得到COD、氨氮、總磷由理論值恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)值所需補(bǔ)償?shù)慕痤~(表3)。

表3 各縣生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果

2.5 結(jié)果分析

根據(jù)駐馬店各縣補(bǔ)償值計(jì)算結(jié)果，西平縣、上蔡縣、平輿縣、新蔡縣的補(bǔ)償值分別為0.40，0.46，0.58，0.88元/t。根據(jù)《淮河流域水污染控制生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制研究報(bào)告》，同樣是根據(jù)城市污水處理廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合斷面水質(zhì)濃度Ⅲ類水恢復(fù)到Ⅱ類水的成本，計(jì)算出來(lái)河南省淮河流域的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為0.55元/t，與本研究成果相差不大。同時(shí)，當(dāng)前駐馬店轄洪河流域1 t水的治理成本平均在1.04元，本研究計(jì)算的治理成本相對(duì)較低。這是因?yàn)楸狙芯恐皇且訡OD、氨氮、總磷為污染因子，沒有考慮其他的污染因子的影響，因此計(jì)算得出的基于治污成本法計(jì)算出的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低是符合現(xiàn)狀。

3 結(jié) 論

本文基于污水處理廠進(jìn)出水濃度等相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于治理成本模型的水質(zhì)生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)核算模型，該模型能很好的計(jì)算出流域水污染因子COD、氨氮、總磷的單位治理成本，為生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制的構(gòu)建打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是治污成本法計(jì)算出來(lái)的補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)偏低，具有一定局限性，在未來(lái)還需要探索更加科學(xué)與可操作的核算方法。

[1] 鄭海霞,張陸彪,涂勤.金華江流域生態(tài)服務(wù)補(bǔ)償支付意愿及其影響因素分析[J].資源科學(xué),2010,32(4):761-767.

[2] 石廣明,王金南,畢軍.基于水質(zhì)協(xié)議的跨界流域生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(8):1973-1983.

[3] 魏楚,沈滿洪.基于污染權(quán)角度的流域生態(tài)補(bǔ)償模型及應(yīng)用[J].中國(guó)人口·資源與環(huán)境,2011,21(6):135-141.

[4] 范曉芬.基于污染物消減成本核算太湖流域跨界生態(tài)補(bǔ)償額研究[D].上海：上海師范大學(xué),2015.

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Ecological Compensation Standard for River Basin Based on Method of Pollution Treatment Cost

XU Maiju, LIU Xiaofei1, LIU Wenkang2

(1.Reservoir Authority of Zhaopingtai in Pingdingshan City, Pingdingshan, He’nan 467300， China; 2.College of Water Conservancy and Environment Engineering of Zhengzhou University, Zhengzhou, He’nan 450001, China)

[Objective] The ecological compensation standard of Xiaohonghe River basin was studied in Zhumadian City to provide reference for establishing the account model of ecological compensation standard of river basin water quality. [Methods] Based on the operation and handing data of sewage treatment plants, COD, ammonia nitrogen and total phosphorus were selected as the representative pollution factors, then pollution treatment cost method and other statistical methods were used to carry out the research. [Results] The compensation values in Xiping County, Shangcai County, Pingyu County, Xincai County were 0.40, 0.46, 0.58, 0.88 yuan per ton, and the results were in good agreement with other related research. [Conclusion] The water quality-based ecological compensation standard accounting model assessed by pollution treatment cost model can well reflect the unit cost of each water pollution factor of river basin, which laid a solid foundation for the construction of ecological compensation mechanism.

ecologicalcompensation;compensationstandard;pollutiontreatmentcostmethod;XiaohongheRiverbasin;waterqualitymodel

A

： 1000-288X(2017)04-0156-05

： X171.5

2016-12-15

：2017-02-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)與污染物總量控制的流域水環(huán)境生態(tài)補(bǔ)償研究”(51479180)

徐麥菊(1974—),女(漢族),河南省三門峽市人,學(xué)士,高級(jí)工程師,主要從事水資源學(xué)管理與研究工作。E-mail：5087363@163.com。

劉文康(1993—),男(漢族),河南省鶴壁市人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗Y源規(guī)劃與水環(huán)境生態(tài)。E-mail:liuwenkangzzdx@126.com。