渤海陸源TN和COD污染物分配容量指標(biāo)體系計(jì)算方法及應(yīng)用.pdf

1、在環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈內(nèi)，三省兩市轄35個(gè)地級(jí)市、356個(gè)縣級(jí)行政區(qū)。自1970's末，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，渤海化學(xué)需氧量(COD)尤其是溶解無(wú)機(jī)氮(DIN)濃度呈持續(xù)升高趨勢(shì)。監(jiān)測(cè)表明，目前渤海DIN濃度超標(biāo)嚴(yán)重，超過國(guó)家二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的面積占比約30％，且水質(zhì)沿海岸線呈不均衡分布特點(diǎn)。
　　自2000's，國(guó)家相繼組織開展了一系列渤海環(huán)境綜合整治措施。特別是分別于2006年和2011年，按照行政區(qū)產(chǎn)污等比例的“一刀切”減排方式，環(huán)

2、渤海經(jīng)濟(jì)圈三省兩市開始實(shí)行陸源COD和氨氮污染物總量控制管理，但沒有產(chǎn)生理想的預(yù)期效果。這主要是由于“一刀切”減排方式嚴(yán)重偏離了超標(biāo)水域沿海岸線不均衡分布的特征所致。因此，在當(dāng)前依然面臨產(chǎn)污數(shù)量剛性增長(zhǎng)的壓力下，如果仍沿用“一刀切”減排方式，既難以使水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)海域形成最有效的改善機(jī)制，也有可能對(duì)未超載行政區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生不必要的限制作用。因此，迫切需要由按行政區(qū)產(chǎn)污等比例的“一刀切”減排轉(zhuǎn)變?yōu)榘葱姓^(qū)入海排污超載的“差別化”減排。<

3、br>　　當(dāng)前，在美國(guó)（TMDL計(jì)劃）、日本（TPLCS計(jì)劃）、歐洲（WFD計(jì)劃）的陸源污染物總量控制計(jì)劃、聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）的GPA計(jì)劃(Actionfor the Protection from the Marine Environment from Land-based Activities)中，均己圍繞“區(qū)域性”尤其是行政區(qū)陸源污染物“差別化”減排方式開展研究，包括建立完善行政區(qū)排污壓力與水質(zhì)響應(yīng)之間的數(shù)值檢驗(yàn)關(guān)系等方

4、面。但目前尚沒有針對(duì)行政區(qū)建立起陸源污染物“水質(zhì)標(biāo)定”分配容量指標(biāo)體系的計(jì)算方法。
　　在陸源污染物從污染源經(jīng)流域、公共污水工程處理系統(tǒng)到入海排污口再到近海的輸移過程（排污鏈）中，由于輸移路徑及土地利用類型、離海距離等不同，不同入海排污口及所連接的行政區(qū)對(duì)渤海水質(zhì)超標(biāo)影響程度有顯著差異。因此，要使差別化減排與近海水質(zhì)最優(yōu)改善相吻合，一方面，對(duì)于陸源排污，要把減排指標(biāo)落實(shí)到最基本的陸源排污屬地責(zé)任主體，需要明確縣級(jí)及以上層級(jí)行政區(qū)的

5、排污超載狀況，而不僅僅是入海排污口的狀況。另一方面，要實(shí)現(xiàn)行政區(qū)減排指標(biāo)，既需要在產(chǎn)污環(huán)節(jié)科學(xué)界定源頭控制標(biāo)準(zhǔn);又需要針對(duì)城市污水等點(diǎn)源，在工減環(huán)節(jié)（即:公共污水工程處理環(huán)節(jié)）合理編制工減處理能力;也可能需要在輸減環(huán)節(jié)（即:污染物在土壤和河流中的自然輸運(yùn)等環(huán)節(jié)）科學(xué)規(guī)劃環(huán)境整治目標(biāo)。因此，行政區(qū)陸源污染物分配容量指標(biāo)體系應(yīng)包括產(chǎn)污分配容量和工減分配容量，必要時(shí)也應(yīng)包括輸減分配容量，而不僅僅是入海排污分配容量。
　　因此，本文的研究

6、目的是圍繞“水污染防治行動(dòng)計(jì)劃（水十條）”制定的環(huán)境改善目標(biāo):“到2020年，近岸海域水質(zhì)優(yōu)良（一、二類）比例達(dá)到70％左右”;針對(duì)當(dāng)前按行政區(qū)產(chǎn)污等比例的“一刀切”減排嚴(yán)重偏離渤海水質(zhì)沿海岸線不均衡分布的現(xiàn)狀，通過建立行政區(qū)陸源污染排放與水質(zhì)響應(yīng)的輸運(yùn)自凈過程和空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立行政區(qū)分配容量計(jì)算方法，并以計(jì)算得到的環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈356個(gè)縣級(jí)行政區(qū)TN和COD污染物分配容量指標(biāo)體系為量化科學(xué)依據(jù)，提出35個(gè)地級(jí)市的多層次“差別化”減排方

7、式，為建立環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈“行政區(qū)差別化”總量控制指標(biāo)體系提供量化科學(xué)依據(jù)。
　　因此，本文的研究?jī)?nèi)容主要有3個(gè)方面:(1)建立源區(qū)計(jì)量單元“水質(zhì)標(biāo)定”陸源污染物分配容量指標(biāo)體系計(jì)算方法;(2)計(jì)算環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈356個(gè)縣級(jí)行政區(qū)TN和COD污染物分配容量指標(biāo)體系。主要包括:①源區(qū)計(jì)量單元與行政區(qū)空間位置對(duì)應(yīng)關(guān)系建立。②水質(zhì)模型的實(shí)驗(yàn)修正。③使用修正后的模型計(jì)算響應(yīng)系數(shù)場(chǎng)及渤海環(huán)境容量。④數(shù)學(xué)規(guī)劃模型計(jì)算方法選取等。(3)優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)渤海

8、經(jīng)濟(jì)圈35個(gè)地級(jí)市“差別化”減排方式。
　　綜合采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、海洋水質(zhì)模型、優(yōu)化分配、理論分析等方法，主要得到4個(gè)方面的研究結(jié)果:
　　(1)源區(qū)計(jì)量單元陸源污染物“水質(zhì)標(biāo)定”分配容量計(jì)算方法建立。在優(yōu)化的水質(zhì)模擬數(shù)學(xué)規(guī)劃法基礎(chǔ)上，通過分析污染物輸運(yùn)過程及其數(shù)量關(guān)系，建立了源區(qū)計(jì)量單元的分配容量計(jì)算方法。該方法既可得到入海排污分配容量，又可以得到產(chǎn)污分配容量和工減分配容量，必要的時(shí)候還可計(jì)算自然輸運(yùn)分配容量。
　　(

9、2)環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈356個(gè)縣級(jí)行政區(qū)TN和COD污染物“水質(zhì)標(biāo)定”分配容量指標(biāo)體系計(jì)算。在應(yīng)用上述方法計(jì)算分配容量指標(biāo)體系中，縣級(jí)行政區(qū)與源區(qū)計(jì)量單元邊界之間匹配關(guān)系、響應(yīng)系數(shù)場(chǎng)（[αm，i]）優(yōu)化模擬計(jì)算、水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置、有關(guān)約束條件上下限取值、數(shù)學(xué)規(guī)劃運(yùn)算方法等環(huán)節(jié)會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。其中，①通過調(diào)控源區(qū)計(jì)量單元?jiǎng)澐殖叨?，建立環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈356個(gè)縣級(jí)行政區(qū)與源區(qū)計(jì)量單元邊界之間匹配關(guān)系。②對(duì)于渤海DIN和COD污染物響應(yīng)系數(shù)場(chǎng)（

10、[αm，i]）優(yōu)化模擬計(jì)算:首先根據(jù)典型來(lái)源污染物的實(shí)驗(yàn)室降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，修正DON和COD一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)方程，并按照降解速率常數(shù)之間的顯著差異性，將DON和COD狀態(tài)變量由1個(gè)分別細(xì)分為3個(gè)和4個(gè);將這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于水質(zhì)模型的修正后，模擬計(jì)算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差平均降低約30％。③對(duì)于數(shù)學(xué)規(guī)劃運(yùn)算方法，由于計(jì)算單元過多等原因，傳統(tǒng)的單純形法運(yùn)算時(shí)間往往過長(zhǎng)甚至難以收斂，因此采用具有更高運(yùn)算效率的內(nèi)點(diǎn)法取代。④應(yīng)用水質(zhì)模型，通過由分配容量反推

11、的水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)濃度模擬計(jì)算表明，分配容量指標(biāo)體系計(jì)算結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差平均約是37％。環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈356個(gè)縣級(jí)行政區(qū)分配容量計(jì)算結(jié)果亦符合文中建立的近海水質(zhì)超標(biāo)率、陸源污染物超載率和入海排污分配容量等之間的理論關(guān)系。
　　(3)環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈356個(gè)縣級(jí)行政區(qū)TN和COD污染物分配容量指標(biāo)體系分布特征。計(jì)算結(jié)果表明，環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈356個(gè)縣級(jí)行政區(qū)TN和COD分配容量指標(biāo)體系，無(wú)論是入海排污，還是產(chǎn)污和工減分配容量，其空間分布都有顯著差異。

12、結(jié)果顯示，在環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈中，對(duì)于TN和COD污染物，高、中、低三個(gè)等級(jí)的產(chǎn)污分配容量面積占比分別為22％和29％、51％和53％、27％和18％;高、中、低三個(gè)等級(jí)的工減分配容量面積占比分別為8％和18％、36％和42％、56％和40％;高、中、低三個(gè)等級(jí)的入海排污分配容量面積占比分別為22％和27％、49％和47％、39％和26％。其中，入海排污與產(chǎn)污分配容量的空間分布相似，但與工減分配容量之間呈現(xiàn)出顯著差異，這可能與縣級(jí)行政區(qū)中點(diǎn)源

13、/非點(diǎn)源比例等有關(guān)。
　　(4)提出環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈35個(gè)地級(jí)市TN和COD污染物“差別化”減排方式。由于目前只公布了環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈地級(jí)市的污染源普查數(shù)據(jù)，因此只能建立地級(jí)市的污染物“差別化”減排方式。并且，需要從入海排污超載狀況、產(chǎn)污超載狀況及工減盈缺狀況三個(gè)層面建立地級(jí)市“差別化”減排方式，才能使陸源減排與渤海超標(biāo)水質(zhì)最優(yōu)改善相吻合。對(duì)35個(gè)地級(jí)市分析表明:①對(duì)于入海排污超載城市，TN和COD超載分別有26個(gè)和19個(gè);平載城市分別有

14、8個(gè)和14個(gè);余載城市分別有1個(gè)和2個(gè)。對(duì)于超載城市，主要分布在遼河入海河口所連接的盤錦、鞍山、營(yíng)口等地，海河入?？谶B接的北京、天津、廊坊等地，應(yīng)平均增加減排指標(biāo)約75％(TN)和74％(COD)。對(duì)于余載城市，主要分布在承德市和葫蘆島市，應(yīng)平均減小減排指標(biāo)約75％(TN)和66％(COD)。②對(duì)于產(chǎn)污超載狀況，TN和COD產(chǎn)污超載城市分別有23個(gè)和19個(gè)，分別平均超載272％和367％，平載分別有8個(gè)和13個(gè)，余載分別有4個(gè)和3個(gè)，平

15、均余載分別是77％和62％。③對(duì)于工減盈缺狀況，TN和COD工減短缺城市分別有16個(gè)和9個(gè)，平均短缺71％和64％，盈缺平衡分別有19個(gè)和24個(gè)。比較產(chǎn)污超載與工減余缺狀況表明，在23個(gè)TN和19個(gè)COD產(chǎn)污超載地級(jí)市中，分別有13個(gè)和9個(gè)工減短缺，但均分別有10個(gè)工減盈缺平衡。這說明，對(duì)于前者，可能主要是點(diǎn)源產(chǎn)污超載，可通過擴(kuò)建或新建公共污水處理系統(tǒng)規(guī)模的技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)減排。然而，對(duì)于后者，可能主要是非點(diǎn)源產(chǎn)污超載，應(yīng)采取減少施肥量、畜

16、禽養(yǎng)殖集約化等非點(diǎn)源減排措施。
　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要是建立了源區(qū)計(jì)量單元陸源污染物分配容量指標(biāo)體系計(jì)算方法，特別是在水質(zhì)模擬數(shù)學(xué)規(guī)劃法基礎(chǔ)上，通過建立入海排污、產(chǎn)污、工減和輸減數(shù)量之間及與近海水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)之間的量化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了源區(qū)計(jì)量單元陸源污染物分配容量指標(biāo)體系的優(yōu)化計(jì)算，其中既包括入海排污，又包括產(chǎn)污，也包括工減分配容量。本文特色主要體現(xiàn)在環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈35個(gè)地級(jí)市“差別化”減排方式上，既可根據(jù)入海排污超載狀況調(diào)整減排指標(biāo)，增加