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1 中 国 环 境 科 学 204,34(3):80~809 Chia Evirometal Sciece 基 于 环 境 基 尼 系 数 最 小 化 模 型 的 水 污 染 物 总 量 分 配 优 化 以 张 家 港 平 原 水 网 区 为 例 田 平,3, 方 晓 波 2*, 王 飞 儿, 朱 瑶 (. 浙 江 大 学 环 境 与 资 源 学 院, 浙 江 杭 州 3002;2. 浙 江 农 林 大 学 环 境 与 资 源 学 院, 浙 江 临 安 3300;3. 浙 江 卓 锦 工 程 技 术 有 限 公 司, 浙 江 杭 州 30004) 摘 要 : 本 文 通 过 应 用 WASP 模 型 计 算 出 研 究 区 域 环 境 容 量 及 其 在 各 镇 的 空 间 分 布, 在 此 基 础 上 确 定 整 个 区 域 的 污 染 物 目 标 总 量. 结 合 研 究 区 域 实 际 情 况, 提 出 并 开 发 了 基 于 经 济 社 会 和 资 源 禀 赋 的 综 合 环 境 基 尼 系 数 最 小 化 模 型, 用 于 污 染 物 目 标 总 量 分 配 的 最 优 化 求 解. 最 终 分 配 方 案 相 比 污 染 物 现 状 排 放 容 量 分 配 两 种 情 形 而 言,COD 的 基 尼 系 数 分 别 下 降 5.% 和 8.4%, 氨 氮 的 基 尼 系 数 分 别 下 降.0% 和 3.7%, 分 配 方 案 更 加 公 平 合 理. 在 最 终 优 化 分 配 所 得 的 COD 削 减 方 案 中, 长 泾 镇 削 减 比 率 最 高, 达 到 20%, 削 减 量 为 23.74t/a; 在 相 应 的 氨 氮 削 减 方 案 中, 祝 塘 镇 削 减 比 率 最 高, 达 到 59.9%, 削 减 量 为 59.74t/a. 关 键 词 : 基 尼 系 数 ; 最 小 化 ; 总 量 分 配 ; 环 境 容 量 ;WASP 模 型 中 图 分 类 号 :X9;X52 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 : (204) Use of a miimum evirometal Gii Coefficiet model o optimizig the allocatio pla of total pollutat load i water bodies: a case study at Zhagjiagag river-etwork plai. TIAN Pig,3, FANG Xiao-bo 2*, WANG Fei-er, ZHU Yao (. College of Evirometal ad Resource Scieces, Zhejiag Uiversity, Hagzhou 3002, Chia;2. School of Evirometal ad Resource Scieces, Zhejiag Agricultural ad Forestry Uiversity, Li a 3300, Chia;3. Zhejiag Zoe-kig Egieerig ad Techology Limited Compay, Hagzhou 30004, Chia). Chia Evirometal Sciece, 204,34(3):80~809 Abstract:A Gii Coefficiet model was developed i a attempt to optimize the total pollutats load allocatio pla at the study area, Zhagjiagag river-et plai, where the evirometal capacity of target pollutats ad spatial distributio at six differet tows i this regio have bee well addressed via WASP model. The local social, ecoomic ad resource factors were itegrated ad processed i developig this Gii Coefficiet model, by which the best solutio to the allocatio pollutat pla was successfully figured out. As a cosequece, the COD Gii Coefficiets were decreased by 5.% ad 8.5% while ammoia Gii Coefficiets were decreased by.0% ad 3.7% i terms of pollutat discharge ad capacity allocatio respectively. The largest reductio rate of COD,approximately 20%,was achieved at Chagjig tow by the optimized load reductio strategy with a aual reductio, of 23.74toes. As to the ammoia pollutat load reductio, Zhutag Tow showed the largest reductio rate of 59.9% with a aual reductio amout of 59.74toes. Key words:gii coefficiet;miimum;total pollutat load allocatio;evirometal capacity;wasp model 在 过 去 的 几 十 年 里, 总 量 控 制 技 术 被 广 泛 应 用 于 发 达 国 家 水 质 管 理 领 域, 对 于 改 善 水 环 境 质 量 起 到 了 明 显 的 作 用, 如 莱 茵 河 的 RAP(Rhie Actio Programme) [] 多 瑙 河 的 DRBPRP (Daube River Basi Pollutio Reductio Programme) [2] 日 本 的 TPLCS(Total Pollutat Load Cotrol System) [3] 以 及 美 国 的 TMDLs(Total Maximum Daily Loads) [4]. 我 国 将 总 量 控 制 技 术 与 水 污 染 防 治 规 划 相 结 合, 逐 步 形 成 了 以 污 染 物 目 标 总 量 控 制 技 术 为 主, 容 量 总 量 控 制 和 行 业 总 量 控 制 为 辅 的 水 质 管 理 技 收 稿 日 期 : 基 金 项 目 : 国 家 水 体 污 染 控 制 与 治 理 科 技 重 大 专 项 课 题 (2008ZX070-00); 江 阴 市 张 家 港 河 河 道 综 合 整 治 规 划 项 目 ; 浙 江 省 教 育 厅 项 目 (Y202073); 浙 江 农 林 大 学 发 展 基 金 预 研 项 目 (200FK042); 浙 江 农 林 大 学 人 才 启 动 项 目 * 责 任 作 者, 讲 师, xbfag487@gmail.com

2 802 中 国 环 境 科 学 34 卷 术 体 系, 为 我 国 水 环 境 管 理 基 本 制 度 的 建 立 奠 定 了 基 础 [5]. 污 染 物 目 标 总 量 在 特 定 的 时 间 和 区 域 内 是 一 定 的, 可 将 其 视 作 一 种 与 水 土 地 等 同 样 稀 缺 的 资 源, 在 经 济 发 达 地 区, 这 种 稀 缺 性 更 加 明 显 [-9]. 在 我 国 现 行 的 水 环 境 管 理 体 制 下, 还 无 法 完 全 实 现 按 照 水 环 境 容 量 进 行 污 染 物 目 标 总 量 的 分 配, 在 实 际 实 施 过 程 中 还 需 要 综 合 考 虑 经 济 社 会 等 因 素, 是 一 个 主 客 观 相 结 合 的 决 策 过 程. 如 何 通 过 一 些 技 术 手 段 使 这 个 决 策 过 程 中 主 观 因 素 更 小, 污 染 物 目 标 总 量 更 公 平 合 理 地 分 配 到 各 个 行 政 单 元 显 得 尤 为 重 要, 直 接 影 响 了 总 量 控 制 方 案 的 可 操 作 性. 流 域 污 染 物 目 标 总 量 分 配 往 往 以 经 济 最 优 化 为 目 标, 以 公 平 性 与 效 率 性 为 决 策 准 则 进 行 污 染 负 荷 分 摊, 常 用 方 法 包 括 等 比 例 分 配 模 糊 多 目 标 基 尼 系 数 等 [0]. 在 以 经 济 最 优 化 为 目 标 的 分 配 中, 由 于 片 面 强 调 整 体 的 经 济 效 益 性, 忽 视 了 区 域 间 客 观 存 在 的 差 异 性, 导 致 分 配 结 果 不 公 平, 影 响 目 标 总 量 控 制 工 作 顺 利 开 展 [], 而 基 于 基 尼 系 数 的 污 染 物 目 标 总 量 分 配 以 公 平 性 为 原 则, 能 合 理 地 将 污 染 物 分 配 到 各 个 行 政 单 元, 成 为 一 种 推 广 应 用 的 的 污 染 物 分 配 方 法, 并 成 功 应 用 于 巢 湖 [] 松 花 江 [2] 海 河 流 域 [3] 汤 逊 湖 [4] 等 流 域 污 染 物 分 配 研 究, 为 流 域 污 染 物 优 化 分 配 提 供 参 考. 我 国 太 湖 流 域 近 年 来 水 污 染 问 题 尤 为 突 出 [5]. 国 家 于 2008 年 5 月 出 台 了 太 湖 流 域 水 环 境 综 合 治 理 总 体 方 案 [], 其 实 质 是 一 个 针 对 太 湖 流 域 的 新 型 总 量 控 制 计 划. 张 家 港 河 流 域 属 于 太 湖 流 域 的 沿 江 水 系, 对 太 湖 水 质 产 生 一 定 的 影 响, 然 而 未 见 该 流 域 污 染 物 总 量 分 配 文 献 报 道. 本 研 究 以 太 湖 流 域 典 型 的 平 原 水 网 区 江 阴 市 张 家 港 河 流 域 为 研 究 对 象, 在 基 于 WASP 模 型 水 环 境 容 量 计 算 基 础 上, 结 合 该 区 域 的 自 然 社 会 经 济 等 特 点, 提 出 并 开 发 了 基 于 GDP 人 口 土 地 面 积 和 环 境 容 量 的 综 合 环 境 基 尼 系 数 最 小 化 模 型, 基 于 该 模 型 确 定 最 优 的 目 标 污 染 物 总 量 分 配 及 削 减 控 制 方 案. 研 究 区 概 况 N N N 图 例 镇 河 流 监 测 断 面 研 究 范 围 km E E E 图 研 究 区 域 示 意 Fig. Sketch map of the study area 表 研 究 区 域 水 环 境 质 量 监 测 结 果 Table Evirometal quality of the water bodies i the study area based o routie moitorig data (2009) 河 流 张 家 港 河 高 锰 酸 盐 监 测 断 指 数 面 数 ( 个 ) (mg/l) COD (mg/l) 氨 氮 (mg/l) 总 磷 (mg/l) 水 质 类 [7] 别 劣 Ⅴ 蔡 港 河 劣 Ⅴ 长 泾 河 2 / 劣 Ⅴ 东 清 河 劣 Ⅴ 二 干 河.20 / 劣 Ⅴ 应 天 河 劣 Ⅴ 青 祝 运 河 劣 Ⅴ 注 : 水 质 类 别 依 据 地 表 水 环 境 质 量 标 准 [7] (GB ) 划 分 研 究 区 域 位 于 江 苏 省 江 阴 市 东 部, 主 要 由 张 家 港 河 蔡 港 河 长 泾 河 应 天 河 二 干 河 青 祝 运 河 东 清 河 等 河 流 组 成, 包 括 江 阴 市 周 庄 华 士 新 桥 顾 山 长 泾 和 祝 塘 等 乡 镇 ( 图 ). 张 家 港 河 为 该 水 系 干 流, 北 起 长 江, 经 张 家 港 市 江 阴 市 入 常 熟 市, 连 接 引 江 济 太 骨 干 通 道 望 虞 河. 研 究 区 域 总 面 积 332.km 2, 属 典 型 的 平 原 河 网 区,

3 3 期 田 平 等 : 基 于 环 境 基 尼 系 数 最 小 化 模 型 的 水 污 染 物 总 量 分 配 优 化 803 地 势 平 坦 河 流 密 度 大, 年 平 均 降 水 量 057mm, 年 平 均 气 温 5.24, 多 年 平 均 径 流 深 43mm, 属 多 水 带. 区 域 城 镇 化 水 平 高 人 口 密 集, 经 济 发 展 迅 猛,2008 年 末, 总 人 口 万, 地 区 生 产 总 值 亿 元, 人 均 生 产 总 值 2.3 万. 伴 随 着 社 会 经 济 的 快 速 发 展, 大 量 污 染 物 排 入 水 体, 导 致 区 域 水 环 境 质 量 堪 忧, 根 据 江 阴 市 环 境 监 测 站 2009 年 的 监 测 数 据 显 示, 张 家 港 河 干 流 及 主 要 支 流 水 质 超 标 严 重, 尤 以 氨 氮 指 标 最 为 突 出 ( 表 ). 2 研 究 方 法 2. 基 于 环 境 基 尼 系 数 的 污 染 物 总 量 优 化 分 配 模 型 2.. 环 境 基 尼 系 数 环 境 基 尼 系 数 原 理 与 基 尼 系 数 [8-9] 基 本 一 致, 其 体 现 了 人 口 GDP 环 境 容 量 等 指 标 与 污 染 物 排 放 量 之 间 的 比 值, 该 比 值 越 小 则 污 染 物 排 放 分 配 越 公 平 [20]. 在 经 济 学 上, 基 尼 系 数 小 于 0.4 作 为 收 入 分 配 差 距 的 警 戒 线, 小 于 0.4 认 为 分 配 合 理. 在 环 境 问 题 中, 由 于 所 选 取 指 标 存 在 无 资 源 冲 突 无 不 平 等 前 提, 因 此 环 境 基 尼 系 数 可 能 趋 于 0 [20-2]. 借 鉴 相 关 文 献 [2,20-2] 报 道, 本 研 究 环 境 基 尼 系 数 合 理 范 围 界 定 为 0~ 环 境 基 尼 系 数 评 价 指 标 确 定 合 适 评 价 指 标 的 选 取 是 保 障 基 尼 系 数 污 染 物 总 量 分 配 公 平 合 理 的 前 提, 经 济 生 态 社 会 等 因 素 都 会 影 响 污 染 物 总 量 分 配. 本 研 究 针 对 张 家 港 市 实 际 情 况, 选 取 地 区 生 产 总 值 (GDP) 人 口 数 量 (P) 土 地 面 积 (S) 和 环 境 容 量 (C) 这 4 项 指 标 来 评 估 污 染 物 分 配 方 案 的 公 平 性 [22]. 人 口 是 一 个 代 表 社 会 发 展 水 平 的 指 标. 选 择 人 口 作 为 评 价 指 标, 一 方 面 流 域 中 每 个 人 都 有 享 受 向 周 围 水 体 排 放 污 水 的 权 利, 另 一 方 面 江 阴 市 近 0% 的 COD 排 放 来 源 于 城 市 生 活 污 水, 因 此 该 指 标 基 尼 系 数 越 小 表 明 该 流 域 人 民 享 受 向 周 围 水 体 排 放 污 染 物 的 权 利 越 均 等. GDP 是 一 个 反 映 当 地 经 济 发 展 水 平 的 指 标.GDP 增 长 会 导 致 该 区 域 污 染 物 排 放 量 增 加, 同 时,GDP 增 速 快 的 区 域 能 投 入 更 多 财 力 保 障 污 染 物 削 减 方 案 及 管 理 措 施 的 实 施, 因 此, 降 低 单 位 GDP 污 染 物 排 放 量 能 有 效 地 降 低 该 指 标 基 尼 系 数. 环 境 容 量 是 一 个 代 表 资 源 禀 赋 及 反 映 环 境 承 受 及 自 净 能 力 的 指 标. 本 论 文 涉 及 的 水 环 境 容 量 是 指 水 体 在 规 定 的 水 质 目 标 下 所 能 接 纳 的 污 染 物 最 大 量. 从 效 率 角 度 而 言, 水 环 境 管 理 中 水 体 自 净 能 力 利 用 得 越 充 分, 污 染 物 对 水 环 境 总 体 影 响 越 小, 因 此, 该 指 标 基 尼 系 数 越 小, 则 水 环 境 自 净 能 力 利 用 越 充 分. 土 地 面 积 是 一 个 代 表 资 源 禀 赋 的 指 标. 该 指 标 被 纳 入 评 价 指 标 有 以 下 几 方 面 原 因 : 土 地 面 积 与 面 源 污 染 直 接 相 关, 土 地 面 积 越 大 降 雨 径 流 带 入 地 表 水 体 的 面 源 污 染 物 越 多 ; 土 地 有 自 净 能 力, 能 去 除 污 水 中 的 污 染 物 ; 土 地 面 积 越 大, 人 口 增 长 工 业 发 展 和 经 济 增 长 潜 力 越 大 ; 该 指 标 基 尼 系 数 越 小 表 明 污 染 物 分 配 越 公 平 环 境 基 尼 系 数 计 算 模 型 本 研 究 以 张 家 港 河 流 域 各 乡 镇 为 环 境 基 尼 系 数 计 算 基 本 单 元. 先 将 各 乡 镇 各 环 境 指 标 所 承 载 的 污 染 物 按 照 由 低 到 高 的 顺 序 排 列, 采 用 梯 形 面 积 法 计 算 环 境 基 尼 系 数, 公 式 如 式 () [20] : G j = ( Xij X () ( i ) j)( Yi + Yi ) 式 中 :j 为 GDP 人 口 土 地 面 积 和 环 境 容 量 4 个 指 标 编 号 ;i 为 乡 镇 编 号,,2,,; G j 为 基 于 环 境 指 标 j 的 基 尼 系 数 ;X ij 为 第 i 个 乡 镇 环 境 指 标 j 的 累 积 比 例,%;Y i 为 第 i 个 乡 镇 排 放 或 分 配 污 染 物 量 的 累 积 比 例,%; 当 时,X (i -)j=0,y i -= 综 合 环 境 基 尼 系 数 最 小 化 模 型 构 建 基 于 对 研 究 区 域 污 染 现 状 的 分 析 和 政 府 总 量 控 制 的 要 求, 本 研 究 选 取 COD 和 氨 氮 作 为 目 标 总 量 控 制 污 染 物 来 构 建 环 境 基 尼 系 数 模 型, 以 GDP P S 和 C 为 评 价 指 标, 在 权 重 设 置 和 各 项 指 标 环 境 基 尼 系 数 模 型 构 建 基 础 上, 再 构 建 综 合 环 境 基 尼 系 数 最 小 化 模 型. 并 在 Excel 平 台 上 进 行 二 次 程 序 开 发 以 求 解, 其 主 要 思 路 是 对 决 策 变 量 即 污 染 物 目 标 总 量 在 各 单 元 的 分 配 设 置 一 个 步 长, 在 一 定 的 边 界 条 件 下, 以 设 定 步 长 为 单 位 进 行 循 环 计 算, 直 至 使 综 合 基 尼 系 数 最 小 为 止. 根 据 江 阴 市 污 染 源 普 查 结 果, 结 合 未 来 产 业 规 划 的 需 要, 确 定 在 COD 的 分 配 中, 各 项 指 标 权

4 804 中 国 环 境 科 学 34 卷 重 分 别 为 GDP(0.3) P(0.3) S(0.) 和 C(0.3); 在 氨 氮 的 分 配 中, 各 项 指 标 权 重 分 别 为 GDP(0.2) P(0.3) S(0.2) 和 C(0.3). 由 于 程 序 开 发 基 于 循 环 运 算 的 思 路, 因 此 需 要 设 定 决 策 变 量 循 环 步 长 取 值 范 围 等 边 界 条 件 来 控 制 计 算 量. 根 据 研 究 区 域 目 标 总 量 结 果 和 现 状 排 放 量 数 据, 确 定 边 界 条 件 如 下 : () 各 镇 相 对 现 状 排 放 削 减 比 例,COD 不 超 过 20%, 氨 氮 不 超 过 0%. 即 : T 0k Tk 对 于 COD, 20% (2) T 0k T 0k Tk 对 于 氨 氮, 0% (3) T 0k 式 中,T k 表 示 分 配 到 第 k 个 镇 的 污 染 物 目 标 总 量,T 0k 表 示 第 k 个 镇 目 前 污 染 物 的 排 放 量 ( 下 同 ). (2) 研 究 区 域 内 目 标 总 量 一 定, 即 对 于 COD, k = T k =274 (4) 对 于 氨 氮, T k =277 (5) k = 污 染 物 目 标 总 量 = 基 于 WASP 模 型 的 环 境 容 量 (- 安 全 临 界 值 ), 即 COD 目 标 总 量 =04.49 (- 5%)=274, 氨 氮 目 标 总 量 =29.9 (-5%)=277. (3) 决 策 变 量 COD 的 循 环 步 长 设 置 为 20t/a, 氨 氮 的 循 环 步 长 设 置 为 0t/a. 根 据 环 境 基 尼 系 数 的 原 理, 即 基 尼 系 数 越 小 分 配 越 公 平, 确 定 以 综 合 基 尼 系 数 最 小 为 目 标 函 数, 即 : f (G i )=mi G i () 4 G i = G' ij wij (7) j= G ij =- ( F jk Fj( k ) )( Tik + Ti( k ) ) (8) k= 式 中,f 为 目 标 函 数, 即 综 合 基 尼 系 数 最 小 值 ;G 为 总 量 污 染 物 综 合 基 尼 系 数 ;G 为 总 量 污 染 物 对 于 各 指 标 的 单 项 基 尼 系 数 ;w 为 综 合 基 尼 系 数 中 各 单 项 基 尼 系 数 的 权 重 ;F 为 单 项 指 标 ;i 为 总 量 污 染 物 的 编 号 ;j 为 单 项 指 标 的 编 号. 2.2 基 于 WASP 的 水 环 境 容 量 分 析 模 型 水 环 境 容 量 不 仅 是 污 染 物 目 标 总 量 分 配 的 重 要 参 考 指 标, 也 是 用 以 确 定 污 染 物 目 标 总 量 的 基 础. 其 原 理 是 在 选 定 水 质 模 型 及 其 参 数 率 定 的 前 提 下, 建 立 负 荷 水 质 响 应 关 系, 输 入 限 制 条 件, 计 算 划 定 水 域 的 水 体 纳 污 能 力. 本 研 究 选 用 美 国 环 保 署 (USEPA) 推 荐 的 WASP7.3 模 型 为 水 环 境 容 量 计 算 工 具.WASP 水 质 模 型 被 称 之 为 万 能 水 质 模 型 [23], 能 实 现 河 流 河 口 湖 泊 等 不 同 水 体 一 维 二 维 三 维 水 质 模 拟, 在 土 耳 其 布 尔 萨 Uluabat 湖 [24] 台 湾 高 雄 Salt-water 河 [25] 浙 江 省 湖 州 市 太 湖 河 网 区 [2] 等 水 体 环 境 容 量 估 算 及 负 荷 削 减 等 流 域 水 质 管 理 中 得 以 应 用 WASP 模 型 WASP 模 型 由 DYNHYD EUTRO 和 TOXI 3 个 子 模 型 组 成,DYNHYD 模 型 用 于 模 拟 河 流 流 量 和 流 速,EUTRO 模 型 用 于 模 拟 氧 碳 氮 和 磷 等 富 营 养 化 指 标 迁 移 转 化 规 律,TOXI 模 型 可 以 模 拟 水 体 中 悬 浮 固 体 盐 和 重 金 属 等 迁 移 转 化 [27].WASP 模 型 模 拟 步 骤 如 下 : 首 先 通 过 N 天 DYNHYD 模 型 模 拟, 明 确 模 拟 河 段 流 量 流 速 河 段 水 体 体 积 和 上 游 来 水 等 相 关 信 息, 在 此 基 础 上 分 别 采 用 EUTRO 和 TOXI 子 模 型 进 行 相 应 水 质 模 拟 [27]. 本 研 究 根 据 张 家 港 河 水 体 实 际 污 染 情 况, 选 择 COD 和 氨 氮 为 环 境 容 量 计 算 指 标, 采 用 WASP 模 型 中 EUTRO 子 模 型 对 张 家 港 河 水 质 进 行 模 拟. 为 简 化 研 究 区 模 拟 计 算 过 程, 模 型 运 行 过 程 中 进 行 一 些 假 定, 具 体 假 定 内 容 见 文 献 [2] 基 于 WASP 模 型 的 水 环 境 容 量 计 算 张 家 港 河 流 域 为 平 原 河 网 区, 河 道 流 速 较 缓 慢 且 流 向 不 定, 借 鉴 往 复 流 河 道 水 环 境 容 量 计 算 方 法, 基 于 WASP7.3 模 型, 以 张 家 港 平 原 河 网 区 域 90% 水 文 保 证 率 流 量 及 地 表 水 Ⅳ 类 水 质 要 求 为 基 础, 采 用 试 错 法 进 行 水 环 境 容 量 计 算. 水 环 境 容 量 计 算 公 式 见 文 献 [2] 污 染 物 入 河 量 估 算 研 究 区 污 染 源 包 括 工 业 点 源 城 市 污 水 处 理 厂 规 模 化 畜 禽 养 殖 场 等 点 源, 以 及 农 村 生 活 污 染 分 散 养 殖 种 植 业 水 产 养 殖 等 面 源. 污 染 物 入 河 量 估 算, 点 源 按 照 就 近 原 则 排 入 相 应 河 道, 面 源 采 用 排 污 当 量 系 数 法 估 算, 并 结 合 地 表 径 流 流 向 根 据 河 道 长 度 均 匀 地 进 入 相 应 河 道 [2]. 污 染 物 入 河 量 计 算 公 式 污

5 3 期 田 平 等 : 基 于 环 境 基 尼 系 数 最 小 化 模 型 的 水 污 染 物 总 量 分 配 优 化 805 染 物 排 污 当 量 污 染 物 入 河 系 数 借 鉴 文 献 [2,28] 数 据 来 源 容 量 计 算 所 需 污 染 源 基 础 数 据 来 源 于 江 阴 市 污 染 源 普 查 和 江 阴 市 环 保 局 环 境 统 计 资 料 ; 水 质 数 据 来 源 于 江 阴 市 环 境 监 测 站 2005~ 2009 年 实 测 数 据 ; 河 道 及 水 文 资 料 来 源 于 江 阴 市 水 利 局 ; 降 雨 量 及 其 气 象 资 料 来 源 江 苏 省 气 候 中 心. 3 结 果 与 讨 论 3. 水 环 境 容 量 3.. WASP 参 数 率 定 结 果 根 据 张 家 港 河 流 域 水 力 学 特 征 及 支 流 概 化 后 排 污 口 位 置, 把 研 究 区 域 河 网 划 分 为 244 个 400~500m 的 河 段. 自 此 基 础 上, 选 用 水 质 监 测 数 据 较 为 完 整 的 凤 凰 陆 桥 北 国 大 桥 北 新 桥 4 个 断 面 作 为 率 定 和 验 证 断 面, 在 参 数 取 值 范 围 内, 输 入 2005~2008 年 枯 水 期 (2 月 月 及 2 月 )COD 和 氨 氮 实 测 值, 不 断 调 整 模 型 参 数 直 到 模 拟 值 接 近 实 测 值. 由 于 污 染 负 荷 以 COD Cr 作 为 输 入 条 件, 而 水 质 以 COD M 作 为 模 型 率 定 和 验 证 条 件, 两 者 必 须 进 行 转 化, 根 据 流 域 内 实 测 资 料 确 定 COD Cr 和 COD M 之 间 的 转 化 系 数 为 优 化 后 参 数 取 值 如 表 2 所 示, 表 2 中 未 列 出 参 数 为 模 型 默 认 值. 表 2 研 究 区 域 WASP 模 型 水 质 参 数 值 Table 2 Parameters of the WASP model for the study area 参 数 符 号 单 位 模 型 范 围 典 型 值 范 围 取 值 20 下 的 硝 化 速 度 系 数 k 2 d - 0~0 0.05~0.27 a 下 的 COD M 降 解 系 数 K d d - 0~ ~0.25 a 0.25 COD M 降 解 系 数 与 温 度 的 关 系 K T 无 量 纲 0~.07.02~.08 c.075 氧 限 制 COD M 半 饱 和 系 数 K COD mg/l 0~ b 0.25 硝 化 速 度 与 温 度 的 关 系 K NT 无 量 纲 0~.07.09~.03 c.085 氧 限 制 硝 化 半 饱 和 系 数 K NO3 mg/l 0~2 0. b 0.4 硝 化 反 应 的 最 低 温 度 T mi 0~20 区 域 最 低 水 温 2 氧 碳 比 a oc 无 量 纲 0~2.7 32/2 b 2.7 复 氧 速 率 与 温 度 相 关 系 数 r 无 量 纲 0~.03.05~.047 c.03 最 小 复 氧 系 数 K omi d - 0~ 下 总 复 氧 系 数 K O d - 0~20 O Coor 和 Dbbbis 公 式 0.45 COD M 降 解 速 率 比 例 因 子 R 无 量 纲 0~ ~.0 河 段 温 度 比 例 因 子 R T 无 量 纲 0~ ~.0 注 : a 为 实 测 值, b 来 自 文 献 [29], c 来 自 文 献 [30], - 表 示 没 有 典 型 值 2 模 拟 值 (mg/l) CODM y =.035x R 2 = =29 氨 氮 模 拟 值 (mg/l) y = 0.94x R 2 = = COD M 实 测 值 (mg/l) 氨 氮 实 测 值 (mg/l) 图 2 90% 保 证 率 COD 氨 氮 率 定 结 果 Fig.2 Calibratio results of COD ad ammoia itroge uder the 90% hydrological guaratee rate 在 参 数 率 定 基 础 上, 以 2009 年 枯 水 期 COD 和 [3] 氨 氮 实 测 值, 采 用 线 性 回 归 法 和 一 致 性 指 数 法 评

6 80 中 国 环 境 科 学 34 卷 价 模 型 率 定 效 果, 一 致 性 指 数 (d) 按 下 式 计 算 : d=-[ ( Ai Bi )/ ( A' i + B' i ) 2 ] (9) A i =A i - Ai /, B i =B i - Bi / (0) 式 中, 为 样 本 总 数,A i 为 模 拟 值,B i 为 实 测 值. 表 3 率 定 结 果 误 差 分 析 Table 3 Error aalysis of calibratio results 指 标 一 致 性 指 绝 对 误 差 相 对 误 差 相 关 性 系 样 本 数 数 (mg/l) (%) 数 ( 个 ) COD 氨 氮 由 图 3 可 知, 在 趋 势 线 截 距 为 0 的 预 设 条 件 下, 模 拟 值 与 实 测 值 的 相 关 性 较 好 ( 相 关 性 系 数 >0.85). 一 致 性 评 价 结 果 显 示 ( 表 3), 一 致 性 指 数 (d) 均 在 0.9 以 上, 表 明 模 拟 值 与 实 测 值 接 近,COD 氨 氮 的 总 体 相 对 误 差 为 8.48% 4.28%, 也 均 较 低, 说 明 优 化 后 的 模 型 参 数 可 用 于 此 流 域 总 量 控 制 研 究 区 域 水 环 境 容 量 根 据 对 该 区 域 几 十 年 的 降 雨 及 水 文 资 料 的 频 率 分 析, 经 比 较 选 择 97 年 2 月 作 为 90% 的 水 文 保 证 率 流 量. 研 究 区 域 河 网 密 布, 河 流 数 量 众 多, 不 利 于 容 量 计 算, 为 此, 根 据 河 网 概 化 的 一 般 原 则 [2,32], 结 合 掌 握 的 水 文 资 料, 以 区 域 内 张 家 港 河 等 3 条 主 干 河 流 为 基 础 进 行 概 化. 经 计 算, 本 区 域 内 COD 和 氨 氮 的 总 环 境 容 量 为 04.49t/a,29.9t/a, 其 在 各 镇 的 具 体 情 况 见 表 4. 根 据 对 江 阴 市 污 染 源 普 查 及 环 境 统 计 数 据 的 分 析 计 算, 本 研 究 区 域 2009 年 COD 和 氨 氮 的 入 河 量 分 别 为 t,492.34t, 均 超 过 环 境 容 量 值 (COD 04.49t/a, 氨 氮 29.9t/a), 氨 氮 入 河 量 更 是 超 环 境 容 量 的 9%, 这 与 研 究 区 域 水 质 氨 氮 超 标 严 重 的 现 状 相 吻 合. 乡 镇 表 4 研 究 区 域 各 镇 环 境 容 量 及 污 染 物 现 状 排 放 入 河 量 Table 4 Evirometal capacity ad output load of the tows i the study area 所 含 概 化 河 流 环 境 容 量 (t/a) 现 状 排 放 入 河 量 (t/a) COD 氨 氮 COD 氨 氮 华 士 张 家 港 河, 东 横 河, 华 塘 河, 青 祝 运 河, 蔡 港 河 周 庄 张 家 港 河, 东 横 河, 应 天 河, 长 寿 河 新 桥 张 家 港 河, 蔡 港 河 长 泾 张 家 港 河, 长 泾 河, 富 贝 河, 东 清 河 顾 山 张 家 港 河, 东 清 河, 新 沙 河, 二 干 河 祝 塘 青 祝 运 河, 祝 塘 河, 富 贝 河 合 计 目 标 总 量 分 配 表 5 研 究 区 各 镇 污 染 物 目 标 总 量 及 削 减 比 率 Table 5 Aimed total pollutat load ad reduced rate of every tow i research area 现 状 排 放 量 入 目 标 总 量 (t/a) 乡 镇 河 量 (t/a) 削 减 比 率 (%) COD 氨 氮 COD 氨 氮 COD 氨 氮 华 士 周 庄 新 桥 长 泾 顾 山 祝 塘 合 计 根 据 WASP 模 型 容 量 计 算 结 果, 借 鉴 TMDL 的 做 法, 考 虑 安 全 临 界 值 (MOS) [33], 确 定 本 区 域 污 染 物 目 标 总 量. 根 据 区 域 实 际 特 点, 取 模 型 计 算 环 境 容 量 的 5% 作 为 安 全 临 界 值, 考 虑 模 型 计 算 方 便, 将 结 果 进 行 取 整, 最 终 确 定 区 域 污 染 物 目 标 总 量 为 COD 274t/a, 氨 氮 277t/a. 在 此 基 础 上, 结 合 区 域 经 济 发 展 水 平 和 实 际 承 载 能 力, 同 时 确 保 实 现 总 量 削 减 目 标, 确 定 各 乡 镇 COD 削 减 上 限 不 超 过 20%, 氨 氮 削 减 上 限 不 超 过 0%, 并 保 证 基 于 GDP P S 和 C 4 个 指 标 的 基 尼 系 数 总 和 最 小, 基 于 综 合 环 境 基 尼 系 数 最 小 化 模 型, 并 通 过 Excel 平 台 上 二 次 开 发 的 程 序, 把 污 染 物 目 标 总 量 合 理 地 分 配 到 各 乡 镇. 根 据 模 型 运 行 结 果, 研 究 区 域 污 染 物 目 标 总

7 3 期 田 平 等 : 基 于 环 境 基 尼 系 数 最 小 化 模 型 的 水 污 染 物 总 量 分 配 优 化 807 量 (COD 274t/a, 氨 氮 277t/a) 在 镇 的 分 配 结 果 如 表 5 所 示. 该 分 配 方 案 与 基 于 容 量 的 总 量 指 标 分 配 污 染 物 现 状 排 放 入 河 量 2 种 情 形 下 环 境 基 尼 系 数 的 对 比 情 况 如 表 所 示. 表 不 同 阶 段 总 量 控 制 污 染 物 分 配 的 单 项 及 综 合 基 尼 系 数 比 较 Table Compariso of the sigle ad itegrated Gii Coefficiets of the allocatio of total pollutats i differet phases 阶 段 COD 氨 氮 G GDP G P G S G C G G GDP G P G S G C G 现 状 排 放 容 量 分 配 目 标 总 量 讨 论 由 表 4 可 知, 各 乡 镇 COD 环 境 容 量 大 小 依 次 为 : 周 庄 镇 > 顾 山 镇 > 华 士 镇 > 长 泾 镇 > 新 桥 镇 > 祝 塘 镇 ; 氨 氮 环 境 容 量 大 小 依 次 为 : 周 庄 镇 > 长 泾 镇 > 顾 山 镇 > 华 士 镇 > 新 桥 镇 > 祝 塘 镇. 通 过 综 合 环 境 基 尼 系 数 最 小 化 模 型 优 化 分 配, 各 乡 镇 目 标 总 量 有 所 变 化 ( 表 5),COD 目 标 总 量 大 小 依 次 为 : 周 庄 镇 > 华 士 镇 > 祝 塘 镇 > 长 泾 镇 > 顾 山 镇 > 新 桥 镇 ; 氨 氮 目 标 总 量 大 小 依 次 为 : 周 庄 镇 > 华 士 镇 > 顾 山 镇 > 祝 塘 镇 > 长 泾 镇 > 新 桥 镇. 由 表 5 可 知, 基 于 目 标 总 量 的 各 乡 镇 减 排 任 务, 长 泾 镇 COD 减 排 任 务 最 重, 占 总 削 减 量 的 20%, 这 跟 其 以 印 染 造 纸 为 主 的 产 业 特 征 及 较 小 的 目 标 总 量 有 关 ; 而 华 士 顾 山 两 镇 COD 无 需 减 排, 这 主 要 是 由 于 华 士 镇 的 环 境 容 量 较 高, 经 济 社 会 指 标 较 为 领 先, 导 致 其 目 标 总 量 较 高 ; 而 顾 山 镇 主 要 是 由 于 目 标 总 量 较 高, 污 染 物 现 状 排 放 入 河 量 较 小 所 致. 相 比 COD 指 标, 各 镇 的 氨 氮 削 减 任 务 都 比 较 艰 巨, 这 也 从 另 一 个 侧 面 反 映 了 研 究 区 地 表 水 中 该 指 标 值 高 污 染 严 重 的 现 状. 各 乡 镇 氨 氮 削 减 比 例 大 小 依 次 为 : 祝 塘 镇 > 华 士 镇 > 长 泾 镇 > 新 桥 镇 > 周 庄 镇 > 顾 山 镇. 祝 塘 镇 和 华 士 镇 削 减 比 例 大 于 50%, 为 氨 氮 削 减 重 点 镇, 祝 塘 镇 由 于 畜 禽 养 殖 业 农 业 等 比 较 发 达, 氨 氮 现 状 排 放 量 较 大, 而 河 流 环 境 容 量 最 小, 故 其 削 减 任 务 最 为 艰 巨 ; 而 华 士 镇 由 于 印 染 化 工 等 企 业 众 多, 氨 氮 现 状 排 放 量 最 大, 导 致 其 削 减 任 务 较 重. 基 于 综 合 环 境 基 尼 系 数 最 小 化 模 型 的 最 终 分 配 方 案 并 非 污 染 负 荷 量 越 大 削 减 比 例 越 高. 以 氨 氮 为 例, 排 污 大 镇 周 庄 镇 排 放 入 河 量 占 研 究 区 总 量 的 2.0%, 而 削 减 量 占 总 削 减 量 的 30.7%; 祝 塘 镇 氨 氮 排 放 入 河 量 占 研 究 区 总 量 的 7.3%, 而 削 减 量 却 占 总 削 减 量 的 27.7%. 虽 然 周 庄 镇 的 氨 氮 入 河 量 占 总 量 的 比 例 比 祝 塘 镇 高 出 8.7%, 但 两 镇 氨 氮 所 需 削 减 量 占 总 削 减 量 的 比 例 接 近, 主 要 归 因 于 祝 塘 镇 人 口 GDP 环 境 容 量 等 单 位 指 标 所 承 载 的 氨 氮 污 染 物 排 放 入 河 量 高 于 周 庄 镇, 这 一 结 果 与 文 献 报 道 研 究 结 果 吻 合 [20]. 因 此, 本 研 究 所 构 建 的 综 合 环 境 基 尼 系 数 最 小 化 模 型 综 合 考 虑 研 究 区 经 济 社 会 和 资 源 禀 赋 等 客 观 因 素, 基 于 该 模 型 所 得 到 的 分 配 结 果 更 公 平 合 理. 由 表 可 知, 现 状 排 放 基 尼 系 数 容 量 分 配 基 尼 系 数 和 目 标 总 量 基 尼 系 数 存 在 差 异 性. () 现 状 排 放 基 尼 系 数. 对 COD 而 言, 基 于 人 口 土 地 面 积 的 现 状 排 放 基 尼 系 数 值 小 于 0., 而 基 于 GDP 环 境 容 量 的 现 状 排 放 基 尼 系 数 值 大 于 0.2,4 个 指 标 基 尼 系 数 值 介 于 0.02~0.285 之 间 ; 对 氨 氮 而 言, 同 样 基 于 人 口 土 地 面 积 的 现 状 排 放 基 尼 系 数 值 小 于 0., 而 基 于 GDP 环 境 容 量 的 现 状 排 放 基 尼 系 数 值 大 于 0.2,4 个 指 标 基 尼 系 数 值 介 于 0.059~0.24 之 间 ; 表 明 研 究 区 人 均 和 单 位 土 地 面 积 承 载 的 COD 氨 氮 现 状 排 放 入 河 量 较 均 衡, 而 单 位 GDP 和 环 境 容 量 所 承 载 的 COD 氨 氮 现 状 排 放 入 河 量 不 够 均 衡, 存 在 不 公 平 因 素. (2) 容 量 分 配 基 尼 系 数. 由 于 G c 与 环 境 容 量 为 同 一 个 指 标, 因 此 该 值 为 0, 属 于 绝 对 公 平 ; 基 于 GDP- 环 境 容 量 人 口 - 环 境 容 量 土 地 面 积 - 环 境 容 量 的 COD 和 氨 氮 基 尼 系 数 值 均 接 近 或 大 于 0.2, 表 明 人 均 COD 和 氨 氮 环 境 容 量 以 及 单 位 GDP 单 位 土 地 面 积 COD 和 氨 氮 环 境 容 量 分 配 不 够 均 衡. (3) 目 标 总 量 基 尼 系 数. 对 COD 而 言,

8 808 中 国 环 境 科 学 34 卷 基 于 GDP 土 地 面 积 的 目 标 总 量 基 尼 系 数 值 小 于 0., 而 基 于 人 口 环 境 容 量 的 目 标 总 量 基 尼 系 数 值 接 近 或 大 于 0.2,4 个 指 标 基 尼 系 数 值 介 于 0.04~0.25 之 间 ; 与 现 状 排 放 基 尼 系 数 进 行 比 较, 除 了 人 口 - 目 标 总 量 基 尼 系 数 值 有 明 显 增 大, 其 余 GDP- 目 标 总 量 土 地 面 积 - 目 标 总 量 环 境 容 量 - 目 标 总 量 3 个 指 标 基 尼 系 数 值 都 有 不 同 程 度 减 小, 其 中 GDP- 目 标 总 量 基 尼 系 数 值 减 小 幅 度 最 大, 减 少 0.244, 并 且 4 个 指 标 基 尼 系 数 值 范 围, 从 基 于 现 状 排 放 的 0.02~0.285, 变 为 基 于 目 标 总 量 的 0.04~0.25, 表 明 4 个 指 标 基 于 目 标 总 量 的 基 尼 系 数 值 范 围 比 基 于 现 状 排 放 趋 于 更 合 理 区 间. 对 氨 氮 而 言, 基 于 GDP 土 地 面 积 的 目 标 总 量 基 尼 系 数 值 小 于 0., 基 于 环 境 容 量 的 基 尼 系 数 值 为 0.4( 介 于 之 间 ), 而 基 于 人 口 的 目 标 总 量 基 尼 系 数 值 大 于 0.2,4 个 指 标 基 尼 系 数 值 介 于 0.07~0.228 之 间 ; 与 现 状 排 放 基 尼 系 数 进 行 比 较, 人 口 - 目 标 总 量 基 尼 系 数 值 有 明 显 增 大, 土 地 面 积 - 目 标 总 量 基 尼 系 数 值 略 微 增 加, 而 GDP- 目 标 总 量 和 环 境 容 量 - 目 标 总 量 2 个 指 标 基 尼 系 数 值 都 有 减 小,GDP 和 环 境 容 量 2 个 指 标 基 尼 系 数 值 分 别 减 少 0.7 和 0.24;4 个 指 标 基 尼 系 数 值 范 围 从 基 于 现 状 排 放 的 0.059~0.24 变 为 基 于 目 标 总 量 的 0.07~0.228, 最 大 值 从 0.24 降 为 0.228, 相 对 而 言 4 个 指 标 基 于 目 标 总 量 的 基 尼 系 数 值 范 围 比 基 于 现 状 排 放 更 为 合 理. 基 于 GDP P S 和 C 4 个 指 标 的 COD 和 氨 氮 基 尼 系 数 总 和 大 小 依 次 均 为 : 现 状 排 放 > 容 量 分 配 > 目 标 总 量. 4 个 指 标 基 于 目 标 总 量 的 基 尼 系 数 总 和, 相 比 于 基 于 现 状 排 放 容 量 分 配 两 种 情 形 而 言,COD 的 基 尼 系 数 值 分 别 下 降 5.% 和 8.4%, 氨 氮 的 基 尼 系 数 值 分 别 下 降.0% 和 3.7%, 分 配 方 案 更 加 公 平 合 理, 更 易 为 各 镇 所 接 受, 操 作 性 也 更 强. 本 研 究 以 基 于 GDP P S 和 C 4 个 指 标 的 基 尼 系 数 总 和 最 小 为 优 化 目 标, 以 各 乡 镇 COD 削 减 上 限 不 超 过 20%, 氨 氮 削 减 上 限 不 超 过 0% 为 约 束 条 件, 各 指 标 的 基 尼 系 数 在 优 化 过 程 中 出 现 了 不 同 程 度 的 变 化, 但 未 实 现 4 个 指 标 基 于 目 标 总 量 的 基 尼 系 数 都 小 于 基 于 排 放 现 状 的 基 尼 系 数, 这 一 结 果 与 相 关 研 究 结 果 一 致 [,20]. 笔 者 认 为, 由 于 优 化 目 标 和 约 束 条 件 所 限, 在 追 求 基 尼 系 数 最 优 和 全 局 分 配 最 为 合 理 的 情 况 下, 出 现 没 有 使 单 个 或 者 几 个 指 标 达 到 最 优 的 情 况 是 合 理 的, 若 过 分 强 调 单 个 指 标 基 尼 系 数 优 化, 而 忽 略 全 局, 必 将 影 响 整 体 分 配 方 案 的 合 理 性. 目 标 总 量 控 制 是 一 项 长 期 工 程, 不 能 一 蹴 而 就, 应 充 分 考 虑 研 究 区 的 社 会 经 济 以 及 资 源 禀 赋 等 实 际 情 况, 循 序 渐 进, 逐 步 调 整 优 化. 4 结 论 4. 本 研 究 开 发 了 综 合 环 境 基 尼 系 数 最 小 化 模 型, 该 模 型 以 地 区 生 产 总 值 人 口 数 量 土 地 面 积 和 环 境 容 量 为 评 价 指 标, 并 融 合 TMDL 总 量 控 制 理 念, 使 各 指 标 目 标 总 量 基 尼 系 数 值 更 为 合 理. 各 指 标 COD 目 标 总 量 基 尼 系 数 值 大 小 依 次 为 : 人 口 数 量 (0.25)> 环 境 容 量 (0.9)> 土 地 面 积 (0.055)> 地 区 生 产 总 值 (0.04); 各 指 标 氨 氮 目 标 总 量 基 尼 系 数 值 大 小 依 次 为 : 人 口 数 量 (0.228)> 环 境 容 量 (0.40)> 土 地 面 积 (0.09)> 地 区 生 产 总 值 (0.07). 基 于 地 区 生 产 总 值 人 口 数 量 土 地 面 积 和 环 境 容 量 4 个 指 标 的 COD 和 氨 氮 基 尼 系 数 总 和, 相 比 于 基 于 现 状 排 放, 分 别 下 降 5.% 和.0%, 分 配 方 案 更 为 合 理, 更 易 为 各 镇 所 接 受. 4.2 通 过 综 合 环 境 基 尼 系 数 最 小 化 模 型, 可 实 现 张 家 港 流 域 各 乡 镇 2009 年 COD 和 氨 氮 排 放 入 河 量 的 优 化 分 配, 结 果 表 明 : 对 COD 排 放 入 河 量 而 言, 长 泾 镇 削 减 比 率 最 高, 达 到 20%, 削 减 量 为 23.74t/a; 对 氨 氮 排 放 入 河 量 而 言, 祝 塘 镇 削 减 比 率 最 高, 达 到 59.9%, 削 减 量 为 59.74t/a. 基 于 综 合 环 境 基 尼 系 数 最 小 化 模 型 的 目 标 总 量 分 配 最 优 化 求 解, 跟 以 往 只 是 用 基 尼 系 数 来 判 断 总 量 分 配 方 案 是 否 合 理 的 做 法 相 比, 保 证 了 在 一 定 约 束 条 件 下 分 配 方 案 的 最 优 性. 参 考 文 献 : [] Iteratioal Commissio for the Protectio of the Rhie (ICPR). Upstream Outcome of the Rhie Actio Programme [EB/OL]. ( ) [ ] &L=3&pdfPage=. [2] Niemeyer R. Daube river basi pollutio reductio programme

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