渤海陆源TN和COD污染物分配容量指标体系计算方法及应用

1、渤海陆源TN和COD亏染物分配容量指标体系计算方法及应用在环渤海经济圈内 , 三省两市辖 35 个地级市、 356 个县级行政区。自 1970 s末，随着社会经济高速发展,渤海化学需氧量（COD尤其是溶解无机氮（DIN）浓度呈持续升高趋势。监测表明，目前渤海DIN浓度超标严重，超过国家二类海水水质标准的面积 占比约 30%,且水质沿海岸线呈不均衡分布特点。自 2000s, 国家相继组织开展 了一系列渤海环境综合整治措施。特别是分别于 2006年和2011年,按照行政区产污等比例的“一刀切”减排方式，环渤海经济圈三省两市开始实行陆源 COD和氨氮污染物总量控制管理，但没有产生理想的预期效果。 这

2、主要是由于 “一刀切”减排方式严重偏离了超标水 域沿海岸线不均衡分布的特征所致。因此, 在当前依然面临产污数量刚性增长的压力下 , 如果仍沿用“一刀切”减 排方式 , 既难以使水质严重超标海域形成最有效的改善机制 , 也有可能对未超载 行政区社会经济发展产生不必要的限制作用。因此 , 迫切需要由按行政区产污等 比例的“一刀切”减排转变为按行政区入海排污超载的“差别化”减排。当前,在美国（TMDL计划）、日本（TPLCS计划）、欧洲（WFD计划）的陆源污染中,物总量控制计划、联合国环境规划署（UNEP）的GPA计划（Action for theProtection from the Marine

3、 Environment from Land-based Activities)均已围绕“区域性”尤其是行政区陆源污染物“差别化”减排方式开展研究, 包 括建立完善行政区排污压力与水质响应之间的数值检验关系等方面。 但目前尚没 有针对行政区建立起陆源污染物“水质标定”分配容量指标体系的计算方法。在陆源污染物从污染源经流域、 公共污水工程处理系统到入海排污口再到近海的输移过程 （排污链）中,由于输移路径及土地利用类型、 离海距离等不同 , 不同 入海排污口及所连接的行政区对渤海水质超标影响程度有显著差异。因此 , 要使 差别化减排与近海水质最优改善相吻合 ,一方面,对于陆源排污 ,要把减排指标落

4、实到最基本的陆源排污属地责任主体 , 需要明确县级及以上层级行政区的排污超 载状况, 而不仅仅是入海排污口的状况。另一方面, 要实现行政区减排指标 , 既需要在产污环节科学界定源头控制标 准：又需要针对城市污水等点源 ,在工减环节 （即：公共污水工程处理环节 ）合理编制工减处理能力；也可能需要在输减环节 （ 即：污染物在土壤和河流中的自然 输运等环节 ）科学规划环境整治目标。 因此,行政区陆源污染物分配容量指标体系 应包括产污分配容量和工减分配容量 , 必要时也应包括输减分配容量 , 而不仅仅 是入海排污分配容量。因此, 本文的研究目的是围绕“水污染防治行动计划 （ 水十条） ”制定的环境 改

5、善目标：“到 2020年, 近岸海域水质优良 （一、二类）比例达到 70%左右”：针对当前按行政区产污等比例的 “一刀切”减排严重偏离渤海水质沿海岸线不均衡分 布的现状 , 通过建立行政区陆源污染排放与水质响应的输运自净过程和空间对应 关系, 建立行政区分配容量计算方法 ,并以计算得到的环渤海经济圈 356个县级行政区TN和COD亏染物分配容量指标体系为量化科学依据,提出35个地级市的 多层次“差别化”减排方式 , 为建立环渤海经济圈“行政区差别化”总量控制指 标体系提供量化科学依据。 因此,本文的研究内容主要有 3个方面：（1） 建立源区（2） 计算环渤海计量单元“水质标定”陆源污染物分配容

6、量指标体系计算方法： 经济圈356个县级行政区TN和COD亏染物分配容量指标体系。主要包括：源区计量单元与行政区空间位置对应关系建立。水质模型的实验修正。使用修正后的模型计算响应系数场及渤海环境容量。 数学规划模型计算 方法选取等。(3) 优化设计环渤海经济圈 35个地级市“差别化”减排方式。 综合采用实验 室实验、海洋水质模型、优化分配、理论分析等方法 , 主要得到 4个方面的研究结果： (1) 源区计量单元陆源污染物“水质标定”分配容量计算方法建立。在优化的水质模拟数学规划法基础上 , 通过分析污染物输运过程及其数量关 系, 建立了源区计量单元的分配容量计算方法。该方法既可得到入海排污分配

7、容 量,又可以得到产污分配容量和工减分配容量 , 必要的时候还可计算自然输运分 配容量。(2)环渤海经济圈356个县级行政区TN和COD亏染物“水质标定”分配容量指标体系计算。在应用上述方法计算分配容量指标体系中 , 县级行政区与源区计 量单元边界之间匹配关系、响应系数场(a m,i)优化模拟计算、水质控制标准设置、有关约束条件上下限取值、 数学规划运算方法等环节会影响计算结果的准 确性。其中,通过调控源区计量单元划分尺度，建立环渤海经济圈356个县级行 政区与源区计量单元边界之间匹配关系。对于渤海DIN和COD亏染物响应系数 场(I a m,i)优化模拟计算：首先根据典型来源污染物的实验室降

8、解实验结果修正DONffi COD-级降解动力学方程,并按照降解速率常数之间的显著差异性,将DON和COD犬态变量由1个分别细分为3个和4个；将这一实验结果应用于水 质模型的修正后 ,模拟计算结果的标准偏差平均降低约 30%。对于数学规划运算方法 ,由于计算单元过多等原因 ,传统的单纯形法运算时间往往过长甚至难以收敛，因此采用具有更高运算效率的内点法取代。应用 水质模型,通过由分配容量反推的水质控制标准浓度模拟计算表明 ,分配容量指标体系计算结果标准偏差平均约是 37%。环渤海经济圈 356 个县级行政区分配容量计算结果亦符合文中建立的近海(3) 环水质超标率、陆源污染物超载率和入海排污分配容

9、量等之间的理论关系。渤海经济圈356个县级行政区TN和COD亏染物分配容量指标体系分布特征。计算结果表明,环渤海经济圈356个县级行政区TN和CO分配容量指标体系, 无论是入海排污 ,还是产污和工减分配容量 ,其空间分布都有显著差异。 结果显示 ,在环渤海经济圈中,对于TN和COD亏染物,高、中、低三个等级的产污分配容量 面积占比分别为 22%和 29%、51%和 53%、27%和 18%；高、中、低三个等级的工减分配容量面积占比分别为 8%和 18%、 36%和 42%、 56%和 40%；高、中、低三个等级的入海排污分配容量面积占比分别为 22%和 27%、 49%和 47%、 39%和

10、26%。其中,入海排污与产污分配容量的空间分布相似 ,但与工减分配容量之间呈现出显著差异 ,这可能与县级行政区中点源 /非点源比例等有关。 (4) 提出环渤海 经济圈35个地级市TN和COD亏染物“差别化”减排方式。由于目前只公布了环渤海经济圈地级市的污染源普查数据 , 因此只能建立地 级市的污染物“差别化”减排方式。并且 , 需要从入海排污超载状况、产污超载 状况及工减盈缺状况三个层面建立地级市“差别化”减排方式 , 才能使陆源减排 与渤海超标水质最优改善相吻合。对35个地级市分析表明：对于入海排污超载城市,TN和CODS载分别有26 个和 19个：平载城市分别有 8 个和 14个：余载城市

11、分别有 1 个和 2 个。对 于超载城市 , 主要分布在辽河入海河口所连接的盘锦、 鞍山、营口等地 , 海河入海 口连接的北京、天津、廊坊等地,应平均增加减排指标约75%(TN和74%(COD)对于余载城市 , 主要分布在承德市和葫芦岛市 , 应平均减小减排指标约75%(TN和 66%(COD)对于产污超载状况,TN和CO产污超载城市分别有23个和 19个,分别平均超载 272%和367%,平载分别有 8个和 13个,余载分别有 4个和 3 个 , 平均余载分别是 77%和 62%。对于工减盈缺状况,TN和CO工减短缺城市分别有16个和9个,平均短缺71%和64%,盈缺平衡分别有 19个和 2

12、4个。比较产污超载与工减余缺状况表明在23个TN和19个CO产污超载地级市中,分别有13个和9个工减短缺，但均分 别有 10 个工减盈缺平衡。这说明,对于前者,可能主要是点源产污超载 ,可通过扩建或新建公共污水处理系统规模的技术措施实现减排。然而 ,对于后者,可能主要是非点源产污超载 ,应采取减少施肥量、畜禽养殖集约化等非点源减排措施。本文的创新点主要是建立了源区计量单元陆源污染物分配容量指标体系计 算方法 , 特别是在水质模拟数学规划法基础上 , 通过建立入海排污、 产污、工减和 输减数量之间及与近海水质控制标准之间的量化关系 , 实现了源区计量单元陆源 污染物分配容量指标体系的优化计算 ,其中既包括入海排污 ,又包括产污,也