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基于公平原则的海域-流域水污染物总量分配方法研究

杨永俊 赵骞 韩成伟 邢传玺 宋丽娜 胡展铭

引用本文:
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基于公平原则的海域-流域水污染物总量分配方法研究

    作者简介: 杨永俊(1985-), 男, 山东聊城人, 硕士, 主要研究方向为污染物总量控制, E-mail:yjyang@nmemc.org.cn;
    通讯作者: 赵骞(1978-), 男, 江苏苏州人, 博士, 主要研究方向为环境动力学, E-mail:qzhao@nmemc.org.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFC1401202);海洋公益性行业科研专项"典型海湾受损生境修复生态工程和效果评价技术集成与示范"(201305043);国家自然科学基金青年基金项目(41406119)
  • 中图分类号: X32;X55

Research on total amount allocation of sea and watershed water pollutants based on fairness principle

  • 摘要: 陆地和海洋是相互影响、相互制约的生态系统,海洋水污染物总量控制目标的实现取决于陆域排污情况,而陆域排污分配要充分考虑其对海洋环境的影响。本文从"海陆统筹"的环境管理角度,基于公平原则,充分考虑海域和陆域之间的相互影响及分配区域的现状情况,给出了"海域-流域-行政区"链条式的水污染物总量控制思路和"初次分配-公平性评估-优化调整再分配"的水污染物总量分配方法。分配过程采用了层次分析法、熵值法、基尼系数法等经典的公平方法,并在辽东湾-辽河流域COD总量分配中予以应用,可为有效治理海洋环境污染问题提供借鉴。
  • 图 1  总量分配层次结构模型

    Figure 1.  Hierarchical structure model of total amount allocation

    图 2  辽河流域行政区

    Figure 2.  Administrative regions of Liaohe river basin

    表 1  辽河流域下辖各行政区基础数据和COD排放量(*已扣除汇入黄海区域部分)

    Table 1.  The basic data of the cities in Liao river basin (eliminate the data merged into the Yellow sea)

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    表 2  COD初次分配方案(*已扣除汇入黄海区域部分)

    Table 2.  Scheme of primary allocation for COD (eliminate the data merged into the Yellow sea)

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    表 3  评估指标基尼系数值

    Table 3.  Number of gene coefficient after adjusting

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    表 4  辽东湾-辽河流域水污染物总量分配方案(*已扣除汇入黄海区域部分)

    Table 4.  Total amount allocation scheme of water pollutants in Liaodong bay-Liaohe basin

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-02-08
  • 录用日期:  2018-03-07
  • 刊出日期:  2019-10-20

基于公平原则的海域-流域水污染物总量分配方法研究

    作者简介:杨永俊(1985-), 男, 山东聊城人, 硕士, 主要研究方向为污染物总量控制, E-mail:yjyang@nmemc.org.cn
    通讯作者: 赵骞(1978-), 男, 江苏苏州人, 博士, 主要研究方向为环境动力学, E-mail:qzhao@nmemc.org.cn
  • 1. 国家海洋环境监测中心, 辽宁 大连 116023
  • 2. 国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室, 辽宁 大连 116023
基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFC1401202);海洋公益性行业科研专项"典型海湾受损生境修复生态工程和效果评价技术集成与示范"(201305043);国家自然科学基金青年基金项目(41406119)

摘要: 陆地和海洋是相互影响、相互制约的生态系统,海洋水污染物总量控制目标的实现取决于陆域排污情况,而陆域排污分配要充分考虑其对海洋环境的影响。本文从"海陆统筹"的环境管理角度,基于公平原则,充分考虑海域和陆域之间的相互影响及分配区域的现状情况,给出了"海域-流域-行政区"链条式的水污染物总量控制思路和"初次分配-公平性评估-优化调整再分配"的水污染物总量分配方法。分配过程采用了层次分析法、熵值法、基尼系数法等经典的公平方法,并在辽东湾-辽河流域COD总量分配中予以应用,可为有效治理海洋环境污染问题提供借鉴。

English Abstract

  • 陆地和海洋是相互影响、相互制约的生态系统,海洋环境污染主要是由陆源污染物排放造成的,因而,对于近海海域允许排放容量的优化分配,不仅要充分考虑目标海域海洋环境容量,还要统筹沿岸陆地对目标海域海洋环境质量的影响。目前,在入海污染物容量分配方面的研究[1-5]基本都只是将入海污染物的允许排放总量分配到各入海排污源为止,而入海排污源往往是入海河口,不存在相应的环境管理部门,无法对分配值制定相应控制方案;同时,在流域水污染物分配方面,有关学者分别从流域污染源排放[6-7],水环境容量计算[8],污染物分配方案制定[9]等方面开展了研究,但是,这些研究都只针对陆域,容量分配也是仅考虑流域本身功能区或控制断面达标的情况,而没有考虑陆域排污对海洋环境的影响。因此,当前解决海洋环境保护的关键是从“海陆统筹”的角度出发,综合考虑海域和陆域的相互影响,将分配到入海河口的海域允许排放容量在陆域内予以再次分配,并给出相应的总量控制措施。

    公平和效益是污染负荷分配的两条基本决策原则。以往的研究往往以“效益优先,兼顾公平”作为分配的指导原则,这样往往过分突出整体利益而忽略了个体的公平要求,致使排污者因分配不公平而产生抵触,从而使分配方案难以执行。中国的环境管理以行政区域为界,在流域污染物分配中关键要把握“流域共享,上下游公平”的准则,根据公平原则协调流域跨界矛盾和确定各地区允许排放量,使流域内上下游各个行政区能够接受分配方案;在初始分配公平的基础上,进而可通过排污权交易、税收与补贴等市场措施获得整体效益的最大化[10]。公平分配方法有很多种,主要有等比例分配法[11]、按贡献率分配法[12]、系统优化法[13]和层次分析法[14]等,其中,层次分析法(AHP)是一种较为常用的方法,该方法全面考虑公平分配的多种影响因素,兼顾了各区域、各排污者之间的实际差异,通过建立公平指标体系并计算各指标的权重来求得较为公平合理的分配结果,但是,该方法在各指标权重确定上具有较强的主观性。对于分配方案的公平性评估,现阶段通常使用的方法主要有基尼系数法[15]和熵值法[16],其中,基尼系数可以反映流域[17]或行政区[15]等分配对象的污染物排放量相对于其他资源(如人口、GDP、区域面积等)拥有量的公平性[18]

    本文基于公平原则,从“海陆统筹”的角度考虑,给出了一套基于公平原则的海域——流域水污染物总量分配的方法体系,以辽东湾——辽河流域COD总量分配为研究实例。首先选用层次分析法对海域—流域水污染物总量进行初次分配,在确定子准则层中各评价指标相对于准则层中对应评价指标的权重时采用熵值法[19]以减少主观因素;然后,选用基尼系数法评估初次分配方案的公平性;最后,根据评估结果和区域现状,通过构建单目标多约束的线性规划模型,对初次分配方案优化调整,使基尼系数逐步向合理范围趋近,使分配方案更加公平且切合区域客观实际。本文的研究体现了“海陆统筹”的环境管理思想,可为有效治理海洋污染问题提供借鉴。

    • 所谓公平分配并非无差别的、绝对的公平,而是在承认分配区域各种属性差异基础上的差额分配,是有差别的、相对的公平。水污染物总量分配涉及自然、经济、社会、技术等多种因素,每种因素又包含若干定性和定量影响指标,各影响指标的选取,应本着代表性、典型性、易采集、易定量化、可比较等基本原则,选取能充分体现这种区域的属性差异,能体现区域实际情况的指标,最终构成指标体系。将各地区水污染物允许排放总量作为AHP的目标层A,将代表区域差异的自然环境、经济状况、社会因素、技术水平4项指标作为准则层B控制指标;选取了9个指标(见图 1)作为子准则层C的控制指标,其中现状排放量、水体水质现状和地表水资源量这3项指标综合反映地区自然环境状况,工业总产值代表工业排污指标,农业总产值代表农业排污指标,人口数量和人均科教投入这2项指标从人口数量和质量方面反映生活排污水平,人均环保投入和污水集中处理率这2项指标综合反映地区污染治理综合水平;将流域内各行政区域作为决策层D,构建了总量分配的层次结构模型,如图 1所示。

      图  1  总量分配层次结构模型

      Figure 1.  Hierarchical structure model of total amount allocation

    • (1) 确定准则层B的每项评价指标对目标层A的权重

      采用Delphi问卷调查的方式向领域专家开展问卷调查,选用最常用的1-9及其倒数的标度方法[14]由专家对指标两两之间相对重要程度评分,构造n个(n为专家数目)A-B判断矩阵,用Matlab计算出各个判断矩阵的最大特征值为λmax和对应的特征向量;计算判断矩阵一致性比率

      式中:n为判断矩阵阶数;RI 为平均一致性指标(可查表获得[14]),并要求满足一致性要求。将n个特征向量归一化后,采用几何平均法计算准则层Bm各指标相对于目标层A的权重系数bm

      (2) 确定子准则层C中各评价指标Cj相对于准则层B中对应评价指标的权重cj

      首先,将分配区域对应指标Cj的量值进行归一化处理

      然后,计算指标Cj的信息熵ej

      式中:k为地区数,若mij=0,那么mijlnmij=0。

      最后计算各项指标的权值cj

      (3) 计算子准则层C中各评价指标相对于目标层A的权重wj

      (4) 计算决策层D中各地区污染物分配权重Zi

      决策层D各地区污染物分配权重为:

    • 流域内辖地区的降雨及陆域活动造成的污水经地表径流和排污口汇入河流,并经沿程沉降、生化、吸附等物理、化学和生物的降解作用,最终排放入海,那么各地区排放的水污染物最终排海量

      式中:Wi为地区i水污染物排放量;λi为地区i的污染物入河系数;γi为地区i的污染物入河后至排污口的全程降解率,假定沿程污染物降解符合一维稳态衰减规律,那么

      式中:Ki为污染物综合降解系数;xi为沿程距离;U为河流断面平均流速。λiKiU均可参考相关研究成果确定,xi可通过GIS测量得到。在知道各地区污染物排放量占总排放量的权重Zi的情况下,若能获得流域水污染物允许排海总量S,便可求得流域水污染物允许排放总量W和各地区的水污染物允许排放量Wi

      基于海洋模型,构建研究海域的水动力和水质模型,以海域水质标准为约束,采用入海负荷最优化法计算海域污染物最大允许排放量,以及各排污口的污染物允许排放量,其中流域入海河口获得的允许排放量即为流域水污染物允许排海总量S

    • 基尼系数是意大利经济学家基尼于1922年根据洛伦茨曲线提出的,用于定量测定社会经济中居民收入的均衡性程度。本文参照国际惯例,给出基尼系数衡量均衡程度的标准,即基尼系数在0.2以下表示高度平均;0.2~0.3表示相对平均;0.3~0.4表示较为合理;0.4~0.5表示差距偏大;0.5以上为差距悬殊,公平性“警戒线”为0.4。具体评估步骤为:选取基尼系数的评估指标,先按照单位评估指标的污染物分配量对各地区进行排序,并统计评估指标量值的累计百分比和污染物分配量累计百分比;然后,根据统计结果绘制评估指标—污染物分配量的洛伦茨曲线图,并采用梯形面积法计算得到各个评估指标—水污染物分配量的基尼系数值;最后,根据公平性标准和各地区的经济技术等实际情况对各个环境基尼系数进行分析,评估分配方案的公平性和合理性。

    • 以各项评估指标对应基尼系数之和最小为目标函数,以各地区的水污染物削减比例为决策变量,构建单目标多约束的线性规划模型,来对分配方案优化调整。优化模型如下:

      目标函数:

      约束条件:

      分配总量不变约束:

      总体公平性不降低约束:

      各地区削减比例上下限约束:

      各地区排序不变约束:N1ij=N0ij(i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, k)

      跨界断面水质不变坏约束:D1jD0j(j=1, 2, …, k)

      其中,“各地区削减比例上下限约束”是考虑各地区经济技术承受能力和环境目标规划给出的约束条件;“各地区排序不变约束”即各地区在相应评估指标的单位指标污染物排放量的排序不发生改变,从而保证各地区间的排污所得利益结构在短期内不发生根本变化。式中:G0iG1i分别指各项评估指标的初始和优化后的基尼系数值;w0jW0jW1j分别是指各地区污染物现状排放量、初始分配量和优化后的分配量;P1jP0j分别为各地区分配量基于现状的削减率上下限;N0ijN1ij分别是指每项评估指标基尼系数求解过程中各地区对应的初始和优化后的单位指标污染物分配量的排序;D0jD1j分别是指各地区跨界断面初始和优化后的平均污染物浓度值。

    • 辽东湾是渤海三大海湾之一,为半封闭式海湾,有大辽河、双台子河、大凌河、小凌河等河流注入,其中大辽河和双台子河是辽东湾入海径流量和携带污染物量最大的两条河流。大辽河和双台子河两大水系组成的辽河流域,是中国七大江河流域之一,流域总面积21.96万km2,地跨吉林、内蒙古和辽宁省两省一区,两大水系分别在辽宁营口和盘锦汇入辽东湾。辽河流域内辖内蒙古赤峰市和通辽市(除霍林郭勒市以外区域),吉林省的四平市和辽源市(除东丰县以外区域),辽宁省沈阳、鞍山、抚顺、本溪、辽阳、铁岭、营口、盘锦、锦州市、阜新市、朝阳市,共15个市(地、盟)(见图 2)。本文以辽东湾—辽河流域COD总量分配为应用实例,将辽河流域从辽东湾环境容量获得的COD允许排海量公平分配到流域各地区。参照相关研究成果[9, 20],内蒙古和吉林排入辽河的水污染物在到达入海口之前基本已被全部降解,不对海洋环境造成影响,所以只需考虑辽河流域在辽宁省部分即可。该区域的沿程污染物平均入河系数取值为0.6,并计算[20]得到沈阳、鞍山、抚顺、本溪、锦州、营口、阜新、辽阳、盘锦、铁岭、朝阳11市的COD全程平均降解率分别为0.39、0.59、0.28、0.31、0.59、0.86、0.36、0.50、0.88、0.15、0.12。

      图  2  辽河流域行政区

      Figure 2.  Administrative regions of Liaohe river basin

    • 本文所使用的各地区基础数据(已扣除抚顺、本溪、营口、鞍山4市汇入黄海区域的数据)来源于正式出版的2011年度辽宁省及各市的社会经济统计年鉴和水资源公报;控制断面平均超标率来源于《辽河流域水污染防治“十二五”规划编制大纲》[21];COD排放量是根据2011年度社会经济统计数据,运用排污系数法[22-23]计算得到的,其中各社会经济活动排污系数来源于第一次全国污染源普查各类污染源排污系数手册,以及公开发表的研究文献和著作。各地区基础数据和COD排放量见表 1

      表 1  辽河流域下辖各行政区基础数据和COD排放量(*已扣除汇入黄海区域部分)

      Table 1.  The basic data of the cities in Liao river basin (eliminate the data merged into the Yellow sea)

    • 基于区域海洋模拟系统(ROMS),结合最新的辽东湾海域水深和岸线数据,建立了研究海域高分辨率水动力模型和COD水质模型,并利用实测数据对模型进行比对验证。利用经过验证的水质模型,模拟各排污口在单位源强单独排放条件下所形成的浓度分布场,即各排污口的响应系数场。根据辽东湾海洋功能区划,在各主要排污口邻近海域设置水质控制点,并确定各控制点的水质控制目标。构建各排污口和各水质控制点组成的响应系数矩阵,采用入海负荷最优化法计算得到大辽河口和双台子河口COD允许排海总量分别为331572.7 t/a和84246.5 t/a,所以,辽河流域的COD允许排海总量为415819.2 t/a。

      选取了10个水环境领域专家,采用Delphi问卷调查的方式进行问卷调查,并对准则层B的指标两两相对重要程度评分,最后通过几何平均得到准则层B的4项指标自然环境、经济状况、社会因素、技术条件的权重系数分别为0.4090、0.4090、0.0670、0.1150,其中,自然环境和经济状况权重相同,权重之和高达0.818,因此,自然环境和经济状况是水污染物允许排放分配量的决定因素,即区域自然环境的好坏(环境容量)、现状排放量和经济发展状况基本上决定了区域水污染物允许排放量,区域自然环境越好、现状排放量越少、经济越发达应分配的排放量越大,这也很符合主观逻辑。用熵值法计算子准则层指标C1、C2、C3对准则层B1的相对权值为0.3735、0.3277、0.2988,C4、C5对B2的相对权值为0.6811、0.3189,C6、C7对B3的相对权值为0.8570、0.1430,C8、C9对B4的相对权值为0.8901、0.1099。进而计算子准则层各指标对目标层A的权值分别为0.1528、0.1340、0.1222、0.2786、0.1304、0.0574、0.0096、0.1024、0.0126,因此,子准则层的各指标中对允许排放量的分配的影响权重从高到低分别为工业总产值(0.2786)、现状排放量(0.1528)、水体水质现状(0.1340)、农业总产值(0.1304)、地表水资源量(0.1222)、人均环保投入(0.1024)、人口数量(0.0574)、污水集中处理率(0.0126)、人均科教投入(0.0096),其中,权重高于0.1的前六项权重之和高达0.92,是决定区域水污染物排放分配量的关键指标,这些指标的量值直接决定区域水污染物排放分配量,特别是前两项,其指标权重之和高达0.4310。根据表 1中的基础数据计算决策层D中地区污染物分配权重分别为0.2539、0.0772、0.0894、0.0720、0.0768、0.0795、0.0571、0.0537、0.0737、0.0976、0.0691,进而得到初次分配方案,见表 2

      表 2  COD初次分配方案(*已扣除汇入黄海区域部分)

      Table 2.  Scheme of primary allocation for COD (eliminate the data merged into the Yellow sea)

      初次分配结果显示:沈阳市COD分配比例明显较大,占到总分配量的1/4多,其余十市分配权重相差不大,介于5%~10%。十一市污染物排放总量需削减14.30%,沈阳、本溪、锦州、营口、鞍山、朝阳六市COD现状排放量超出允许排放量,需要进行适当比例削减,其中沈阳、本溪、锦州三市需要进行大幅削减,其他三市削减比例不大;辽阳、铁岭、抚顺、盘锦、阜新五市COD现状排放量少于其允许排放量,还有剩余容量,其中辽阳剩余容量较多,其他四市剩余容量较少。

    • 选取现状排放量、地表水资源量、GDP、人口数量4项综合性指标作为基尼系数评估指标,绘制各评估指标的洛伦兹曲线图,计算各评估指标对应的环境基尼系数值,见表 3

      表 3  评估指标基尼系数值

      Table 3.  Number of gene coefficient after adjusting

      表 3可知,按照评估标准,初次分配方案中所有评估指标的基尼系数值均小于公平性警戒线,基尼系数平均值介于0.2~0.3,说明初次分配方案总体是相对公平的。现状排放量、地表水资源量、GDP和人口数量4项指标对应的基尼系数值分别介于0~0.2、0.3~0.4、0.2~0.3、0~0.2,说明以现状排放量和人口数量为基准,十一地区COD分配是高度平均的;以GDP为基准,十一地区COD分配是相对平均的;以地表水资源量为基准,十一地市COD分配是较为合理的。抚顺、本溪、鞍山、铁岭四市地表水资源量占到总量的60%,而COD分配量却只占到总量的32%,水资源量同分配量的对应比例存在严重失衡,这是造成基于地表水资源量的COD分配量基尼系数值偏大的原因。

    • 单从公平的角度来看,初次分配方案是较公平的,但在某些方面却是不合理和难以执行的。该方案使得有些地区需要大量削减COD排放量(比如沈阳),可能会导致地区经济衰退且技术上也难以实现,因此在短期内方案是无法实现的;而有些地区还有很大的剩余容量(比如辽阳),若继续大幅增加COD排放量,必将带来进一步的环境污染问题,使总量控制工作失去意义;况且面对当今严重的水污染问题,每个地区都有责任尽一份减排义务。因此,考虑到分配方案的合理性和可操作性,并结合区域实际情况,本文给出十一地区COD减排的上下限分别为P1j=25%, P0j=10%,这样也同时能保证跨界断面水质不变坏。根据本文提供的优化模型对初次分配方案进行优化,应用Microsoft Excel环境下的VBA编程,并借助其自带的Solver工具,最终得到优化模型的解,见表 3表 4

      表 4  辽东湾-辽河流域水污染物总量分配方案(*已扣除汇入黄海区域部分)

      Table 4.  Total amount allocation scheme of water pollutants in Liaodong bay-Liaohe basin

      表 3可知,经优化后4项评估指标对应的基尼系数值均低于公平性“警戒线”,其中基于现状排放量和GDP这两项指标的基尼系数值均有大幅减小,减小幅度分别为33.37%、12.94%,公平性有大幅提高;基于地表水资源量和人口数量的基尼系数值具有小幅增加,增加幅度分别为1.39%、0.82%,公平性有小幅降低,但是基尼系数之和减小了6.45%,说明再分配方案公平程度更高,且更具合理性和可操作性,可作为十一地区的最终COD分配方案。

      表 4可知,沈阳、本溪、锦州三市的COD削减比例达到削减上限25%,而抚顺、阜新、辽阳、盘锦、铁岭五市的削减比例为削减下限1%,这是由削减比例上下限控制的结果,从而提高了分配方案的合理性和可操作性;而鞍山、营口、朝阳三市均需小幅削减。对比发现,需大量削减COD排放量的地区社会经济数据指标占十一市总量的比例相对偏小,但其COD排放量占十一市排放总量的比例相对偏大,导致单位社会经济指标的污染物承载量大,造成分配的不公平性,只有大量削减排放量才能促进分配公平,比如沈阳、本溪和锦州三市;相反,凡是COD排放量削减少的地区社会经济数据指标占总量的比例相对偏大,但其COD排放量占总量的比例相对偏小,从而单位社会经济指标的污染物承载量小,环境压力弱,不需要大量削减,比如抚顺、阜新、辽阳、盘锦和铁岭五市。同时,从计算结果还可以看出污染物削减比例与现状排放量没有明显的相关性,即并非现状排放量大的地区削减比例就大,比如铁岭和抚顺两市COD排放量比鞍山、营口和朝阳三市都要高,但是其COD减排比例要远小于后者。这也与实际情况是相符的,铁岭和抚顺两市虽然COD排放量较大,但是其地表水资源量较大,工农业较发达,环保投入较高,单位指标的环境承载量相对较低,从公平角度来说其削减比例也应该较小。

    • (1) 本文从“海陆统筹”的角度考虑,将陆域和相应近海海域作为一个有机整体,基于公平原则,给出“海域—流域—行政区”链条式的水污染物总量控制思路和“初次分配—评估—优化调整再分配”的总量分配方法。本文初次分配采用的层次分析法和熵值法,评估和优化采用的基尼系数法都是从公平的角度,充分考虑区域自然环境、经济、社会和技术现状差异,建立它们与水污染物分配量之间的定量关系,避免了等比例削减、按贡献率削减等所谓的“公平”削减方法忽视各分配单元对整个区域社会经济的贡献大小的做法,从而使得分配方案更加公平和符合分配区域的自然环境、经济、社会和技术现状。本文的分配方法没有考虑效率原则,这是因为在区域间污染物总量分配中,公平性是决策者首要考虑的问题,是首要原则。另外,在初始公平分配后,可通过排污权交易、税收与补贴等市场措施获得整体效益的最大化,达到效率原则的目标。

      (2) 短期内,本文给出的分配方法在推广应用时会遇到一些困难,比如污染物允许排放总量、流域污染源强无法准确给出,各地区间的行政管理难以协调等。但从长远来看,本文给出的研究思路对海洋环境污染治理有一定的借鉴意义。

参考文献 (23)

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