渤海陸源TN和COD污染物分配容量指標體系計算方法及應用.pdf

1、在環(huán)渤海經濟圈內，三省兩市轄35個地級市、356個縣級行政區(qū)。自1970's末，隨著社會經濟高速發(fā)展，渤?；瘜W需氧量(COD)尤其是溶解無機氮(DIN)濃度呈持續(xù)升高趨勢。監(jiān)測表明，目前渤海DIN濃度超標嚴重，超過國家二類海水水質標準的面積占比約30％，且水質沿海岸線呈不均衡分布特點。
　　自2000's，國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)產污等比例的“一刀切”減排方式，環(huán)

2、渤海經濟圈三省兩市開始實行陸源COD和氨氮污染物總量控制管理，但沒有產生理想的預期效果。這主要是由于“一刀切”減排方式嚴重偏離了超標水域沿海岸線不均衡分布的特征所致。因此，在當前依然面臨產污數量剛性增長的壓力下，如果仍沿用“一刀切”減排方式，既難以使水質嚴重超標海域形成最有效的改善機制，也有可能對未超載行政區(qū)社會經濟發(fā)展產生不必要的限制作用。因此，迫切需要由按行政區(qū)產污等比例的“一刀切”減排轉變?yōu)榘葱姓^(qū)入海排污超載的“差別化”減排。<

3、br>　　當前，在美國（TMDL計劃）、日本（TPLCS計劃）、歐洲（WFD計劃）的陸源污染物總量控制計劃、聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）的GPA計劃(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)排污壓力與水質響應之間的數值檢驗關系等方

4、面。但目前尚沒有針對行政區(qū)建立起陸源污染物“水質標定”分配容量指標體系的計算方法。
　　在陸源污染物從污染源經流域、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)對渤海水質超標影響程度有顯著差異。因此，要使差別化減排與近海水質最優(yōu)改善相吻合，一方面，對于陸源排污，要把減排指標落實到最基本的陸源排污屬地責任主體，需要明確縣級及以上層級行政區(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，要實現行政區(qū)減排指標，既需要在產污環(huán)節(jié)科學界定源頭控制標準;又需要針對城市污水等點源，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等環(huán)節(jié)）科學規(guī)劃環(huán)境整治目標。因此，行政區(qū)陸源污染物分配容量指標體系應包括產污分配容量和工減分配容量，必要時也應包括輸減分配容量，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“水污染防治行動計劃（水十條）”制定的環(huán)境改善目標:“到2020年，近岸海域水質優(yōu)良（一、二類）比例達到70％左右”;針對當前按行政區(qū)產污等比例的“一刀切”減排嚴重偏離渤海水質沿海岸線不均衡分布的現狀，通過建立行政區(qū)陸源污染排放與水質響應的輸運自凈過程和空間對應關系，建立行政區(qū)分配容量計算方法，并以計算得到的環(huán)渤海經濟圈356個縣級行政區(qū)TN和COD污染物分配容量指標體系為量化科學依據，提出35個地級市的多層次“差別化”減排方

7、式，為建立環(huán)渤海經濟圈“行政區(qū)差別化”總量控制指標體系提供量化科學依據。
　　因此，本文的研究內容主要有3個方面:(1)建立源區(qū)計量單元“水質標定”陸源污染物分配容量指標體系計算方法;(2)計算環(huán)渤海經濟圈356個縣級行政區(qū)TN和COD污染物分配容量指標體系。主要包括:①源區(qū)計量單元與行政區(qū)空間位置對應關系建立。②水質模型的實驗修正。③使用修正后的模型計算響應系數場及渤海環(huán)境容量。④數學規(guī)劃模型計算方法選取等。(3)優(yōu)化設計環(huán)渤海

8、經濟圈35個地級市“差別化”減排方式。
　　綜合采用實驗室實驗、海洋水質模型、優(yōu)化分配、理論分析等方法，主要得到4個方面的研究結果:
　　(1)源區(qū)計量單元陸源污染物“水質標定”分配容量計算方法建立。在優(yōu)化的水質模擬數學規(guī)劃法基礎上，通過分析污染物輸運過程及其數量關系，建立了源區(qū)計量單元的分配容量計算方法。該方法既可得到入海排污分配容量，又可以得到產污分配容量和工減分配容量，必要的時候還可計算自然輸運分配容量。
　　(

9、2)環(huán)渤海經濟圈356個縣級行政區(qū)TN和COD污染物“水質標定”分配容量指標體系計算。在應用上述方法計算分配容量指標體系中，縣級行政區(qū)與源區(qū)計量單元邊界之間匹配關系、響應系數場（[αm，i]）優(yōu)化模擬計算、水質控制標準設置、有關約束條件上下限取值、數學規(guī)劃運算方法等環(huán)節(jié)會影響計算結果的準確性。其中，①通過調控源區(qū)計量單元劃分尺度，建立環(huán)渤海經濟圈356個縣級行政區(qū)與源區(qū)計量單元邊界之間匹配關系。②對于渤海DIN和COD污染物響應系數場（

10、[αm，i]）優(yōu)化模擬計算:首先根據典型來源污染物的實驗室降解實驗結果，修正DON和COD一級降解動力學方程，并按照降解速率常數之間的顯著差異性，將DON和COD狀態(tài)變量由1個分別細分為3個和4個;將這一實驗結果應用于水質模型的修正后，模擬計算結果的標準偏差平均降低約30％。③對于數學規(guī)劃運算方法，由于計算單元過多等原因，傳統(tǒng)的單純形法運算時間往往過長甚至難以收斂，因此采用具有更高運算效率的內點法取代。④應用水質模型，通過由分配容量反推

11、的水質控制標準濃度模擬計算表明，分配容量指標體系計算結果標準偏差平均約是37％。環(huán)渤海經濟圈356個縣級行政區(qū)分配容量計算結果亦符合文中建立的近海水質超標率、陸源污染物超載率和入海排污分配容量等之間的理論關系。
　　(3)環(huán)渤海經濟圈356個縣級行政區(qū)TN和COD污染物分配容量指標體系分布特征。計算結果表明，環(huán)渤海經濟圈356個縣級行政區(qū)TN和COD分配容量指標體系，無論是入海排污，還是產污和工減分配容量，其空間分布都有顯著差異。

12、結果顯示，在環(huán)渤海經濟圈中，對于TN和COD污染物，高、中、低三個等級的產污分配容量面積占比分別為22％和29％、51％和53％、27％和18％;高、中、低三個等級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、低三個等級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，入海排污與產污分配容量的空間分布相似，但與工減分配容量之間呈現出顯著差異，這可能與縣級行政區(qū)中點源

13、/非點源比例等有關。
　　(4)提出環(huán)渤海經濟圈35個地級市TN和COD污染物“差別化”減排方式。由于目前只公布了環(huán)渤海經濟圈地級市的污染源普查數據，因此只能建立地級市的污染物“差別化”減排方式。并且，需要從入海排污超載狀況、產污超載狀況及工減盈缺狀況三個層面建立地級市“差別化”減排方式，才能使陸源減排與渤海超標水質最優(yōu)改善相吻合。對35個地級市分析表明:①對于入海排污超載城市，TN和COD超載分別有26個和19個;平載城市分別有

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

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

16、禽養(yǎng)殖集約化等非點源減排措施。
　　本文的創(chuàng)新點主要是建立了源區(qū)計量單元陸源污染物分配容量指標體系計算方法，特別是在水質模擬數學規(guī)劃法基礎上，通過建立入海排污、產污、工減和輸減數量之間及與近海水質控制標準之間的量化關系，實現了源區(qū)計量單元陸源污染物分配容量指標體系的優(yōu)化計算，其中既包括入海排污，又包括產污，也包括工減分配容量。本文特色主要體現在環(huán)渤海經濟圈35個地級市“差別化”減排方式上，既可根據入海排污超載狀況調整減排指標，增加