青岛市陆源COD和氮污染产污数量分级产强核算方法研究

摘要

陆源COD和总氮(TN)产污数量是当前我国环境保护管理的最基础数据，既是按各级行政区陆源产污TN等比例分配减排指标，也是各种污染源单元源头治理的参照基准。对于一个行政区产污数量的计量，既可采用现场监测统计法，也可以采用产强系数核算法。关于现场监测统计法，由于难以实行污染源单元监测全覆盖，一般选择代表性污染源单元进行检验性监测。关于产强系数核算法，一般是通过分属不同（亚）小类污染源规模因子和相应分类产强系数列表核算。2007年国务院第一次污染源普查领导小组办公室发布了《第一次全国污染源普查产排污系数手册》（下简称“《全国污染源系数手册》”），共计农业、工业、服务业和生活（四大界类）污染源的375个小类（其中分别包括255个和127个产生COD和TN的小类），细分为上千个亚小类（其中分别包括3022个和1734个产生COD和TN的亚小类）。然而，由于两个方面的原因，目前分类产强核算法仍然难以在日常环境管理中推广应用。一方面，污染源规模因子单位没有统一到“产值”，结果不能直接从各级政府“统计年鉴”等常规的社会经济统计体系获取数据，需要建立像污染源普查那样繁杂的专门环境统计体系。另一方面，为获取高可靠性的分类产强系数，需要通过代表性污染源单元的现场监测进行检验，但检验性监测工作量往往过大。特别是传统的污染源产强系数监测统计方法，只能用于单一污染源，无法用于混合污染源。实际上，城镇污水处理厂、农业等是常见的混合污染源。这样，要在行政区环境保护管理中，实现陆源污染物产污数量的常规核算，既需要能够直接采用常规的社会经济统计体系，也需要大大简化产强系数列表。实际上，由于不同小类往往具有相近的产强系数，共计375个小类有可能按产强系数大小划分为若干个等级，结果就有可能建立产污数量分级产强核算方法。
　　因此，本文研究目的是针对传统的分类产强核算法的局限性，通过污染源规模因子归一化、产强系数聚类分级、分级产强系数标准值列表等方法，建立行政区产污数量分级产强核算方法，为行政区环境保护管理实现陆源污染物产污数量的常规核算，提供规范化的科学量化依据。主要研究内容有:(1)建立四大界类污染源产污数量分级产强核算方法;(2)编制经检验性监测的四大界类污染源产强系数列表;(3)验证评价青岛市陆源污染物产污数量分级产强核算结果的可靠性。(4)应用《青岛市统计年鉴》提供的污染源规模因子数据核算青岛市陆源污染物产污数量
　　综合应用数据统计处理、列表编制、核算结果可靠性评价等方法，主要得到了3个方面的研究结果:
　　1.农业、工业、服务业和生活污染源产污数量分级产强核算方法。要实现行政区产污数量的常规核算，首先是要能够直接采用常规的社会经济统计数据，结果需要将具有不同计量单位的污染源规模因子归一化为统一计量单位。同时，要通过确定同一污染源的两种计量单位之间的归一化转化系数（归一化系数），将小类产强系数计量单位归一化。然后，根据归一化产强系数大小聚类分级规律，结合整数分级和（极、超）低等级归并原则，可以确定产强系数等级划分。研究表明:①对于污染源规模因子计量单位，由于在常规的社会经济统计数据中，普遍采用“产值”作为农业、工业和服务业生产经营，采用“人均收入”作为生活水平的统计数据计量单位，这样在共计255个（或127个）产生COD(或TN)的小类，对采用“物质或服务产品数量”的小类统一归一化为“产值”，采用“人口”的生活污染源归一化为“收入”。②对于产强系数计量单位，要同时将采用各种“吨-污染物/单位产品数量”的产强系数(I)归一化为“吨-污染物/单位产值”或“吨-污染物/单位收入”((I))。定义两者比值为归一化系数:α=I/(I)，结果α计量单位是“单位产品产值”。这样，在实际应用中，可以采用“单位产品价格”作为农业、工业和服务业污染源的α取值以及采用城镇和农村人均收入（万元/人）作为城镇和农村生活污染源的α取值。③结果表明，在《全国污染源系数手册》共计255个产生的COD的小类和127个产生TN的小类中，(1)COD和(l)CTN数值分别从10-6.13和10-4.23变化到104.36和101.84（吨/万元），分别跨11个和7个数量级。应用层次聚类分析表明，(l)CCOD和(l)CTN都呈现出按对数等分的分布特征。这样，结合整数等分和极低等级小类归并的原则，可以编制“陆源COD和TN污染物分级产强系数(l)SCOD和(l)SN7等13级标准值列表”（“(l)SCOD和(l)STN7等13级标准值列表”）。这里，“等”表示1个数量级，从低到高分为极低、超低、低、中、高、超高和极高，“级”表示在1个数量级范围内按对数等分，除极低、超低、低和超高外，其余都细分为3个“级”。
　　2.青岛市农业、工业、服务业和生活污染源经检验性监测的分级产强系数标准值列表。按照上述方法，(l)SCOD和(l)STN标准值列表是实现青岛市陆源COD和TN产污数量常规核算的科学量化依据，直接影响核算结果的可靠性，需要对代表性污染源产强系数进行检验性现场监测。研究表明:①对于工业污染源，青岛市共有约432个小类（COD是277个小类，TN有146个小类），据估计其中185个COD和147个TN小类产污数量均约占85％以上。这样，选取这些个小类作为代表性工业污染源，产污数量和污染源规模因子等取自2002-2005年现场监测统计数据②对于经公共污水处理厂集中减排处理的城镇污水，由于其中生活及部分小类服务业和工业污染源相混合，不能采用传统的监测统计方法检验其中单一污染源产强系数。这样，按照上述分级产强核算方法，对于“I”个城镇污水处理厂集污区，每个集污区的产污数量(Wi)应是“J”个产强等级产污数量的加和，在数值上可通过j等级产强系数（(l)Sj）和各个相应n小类归一化规模因子（(M)j/n）计算:Wi=∑J j=1(i)Sj∑n n=1(M)j/n(1)
　　其中，通过归转系数(αn)可将传统规模因子(Mj/n)转化成归一化规模因子:(M)j/n=αnMj/n。方程(1)表明，Wi应与“J”个∑n n=1Mj/n成多元线性关系。这样，如果公共污水处理厂数量“I”大于相应产强等级数量“J”，应用多元线性回归法可以得到(l)S j，然后通过αn，可以得到分类产强系数(l)Cj/n=αn(l)Sj。分析表明，青岛市典型城镇集污区一般大约有1个生活、19个服务业和159个工业，共计约179个小类污染源，其中(l)CCOD和(l)CTN分别不超过8个和10个等级。这样，选取青岛市10个城镇集污区，20个小类污染源规模因子取自《青岛市2007年第一次全国污染源普查》，产污数量根据2007年10个公共污水处理厂出口监测数据，结合相应污染物去除率进行估算。这样，应用Matlab软件，可以计算青岛市城镇生活及部分服务业和工业污染源分级和分类产强系数。③根据上述检验性监测，可以编制“青岛市农业、工业、服务业和生活污染源产强系数标准值列表”（下简称“青岛市污染源产强系数列表”），其中，对于COD和TN，主要包括330和199个实有小类，共计2000多个（或1000多个）亚小类分类产强系数、类级归化系数和产强等级等。在276和145个工业、36和36个服务业、城镇生活点源小类中，分别有55.4％和43.4％、44.4％和52.8％、100％和100％经检验性监测，COD和TN产污数量占点源总产污数量的比例，工业源分别约是86％和87％、服务业源分别是56％和60％、城镇生活源分别是66.7％和70.9％。然而，在16个农业和农村生活非点源中，目前尚未经检验性监测。在经检验性监测的153和63个工业、17和15个服务业小类中，分类产强系数(l)CCOD和(l)CTN与《全国污染源系数手册》相比，分别有约45.3％、58.8％和46.4％、66.7％没有显著性差异，分别有27.9％、11.8％和10.7％、13.3％偏高，分别有26.9％、29.4％和42.8％、26.7％偏低，需要校正。城镇生活点源小类与《全国污染源系数手册》相比，其中COD分类产强系数偏低，相对误差为77.68％，而TN则与《全国污染源系数手册》相一致。分级产强系数(l)SCOD和(l)STN与“(l)SCOD和(l)STN7等13级标准值列表”相比，分别对应8个和10个等级，其中，3个和2个与等级标准值列表中的中间值接近，3个和4个等级与上限值接近，2个和4个等级与下限值接近。
　　3.青岛市农业、工业、服务业和生活污染源COD和TN污染物分级产污数量核算结果的可靠性。青岛市四大界类污染源规模因子数据等取自《青岛市2007年第一次全国污染源普查》。这样，在通过αn实现污染源规模因子归一化基础上，根据“青岛市污染源产强系数列表”，可以得到青岛市陆源COD和TN污染物产污数量的分级产强核算结果。结果表明，对于青岛市陆源COD和TN产污数量，分级产强核算结果分别是17.4和2.3万吨/年，分别比分类产强高约6.5％和-5.2％。与分级产强系数7等13级标准值变化幅度的39％相当。这说明，分级产强核算方法可以推广应用于青岛市陆源污染物产污数量的常规核算。
　　4.应用常规经济统计数据核算青岛市陆源污染物产污数量。鉴于农业、工业和服务业在《青岛统计年鉴》中具有产值数值的污染源层级分别为中类、大类和门类，因此，首先以青岛市（亚）小类分级产强为基础，加权平均得到门类、大类和界类层级上的产强系数;然后以2008年《青岛统计年鉴》所提供的各农业门类、工业大类、服务业界类和生活门类的经济统计（产值或收入）数据作为规模因子，核算得到青岛市2007年COD和TN的农业、工业和服务业产污数量分别为4.6万吨/年、4.0万吨/年、6.9万吨/年和0.5万吨/年、0.2万吨/年、0.3万吨/年，较应用（亚）小类分级产强核算的产污数量相比相对误差分别为-11.2％、25.5％、21.78％和-56.7％、-33.4％、50.7％。
　　本论文的科学创新主要是首次建立了陆源污染物产污数量分级产强核算方法，集中体现将COD的255个小类和TN的127个小类的分类产强系数转化为7等13级分级产强系数标准值列表，为直接采用常规的社会经济统计数据，如《青岛市统计年鉴》，实现青岛市农业、工业、服务业和生活污染源产污数量的常规核算提供了规范化的量化科学依据。所建立的分级产强核算方法兼具实际可操作性和便捷性，产强系数列表由上千个分类大大缩减到7等13级，特别是污染源规模因子可以直接取自常规的社会经济统计体系，而不是需要建立像污染源普查那样的专门环境统计体系。

目录

声明

摘要

0 前言

1 文献综述

1．1 陆源污染物产污数量产强核算方法

1．1．1 陆源污染物产污数量产强核算方法简介

1．1．2 产强核算法与现场监测法关系

1．1．3 产强核算法与物料衡算法比较

1．1．4 产强核算法不足及发展趋势

1．2 陆源污染物产强系数监测统计方法

1．2．1 点源产强系数监测统计方法

1．2．2 面源产强系数监测统计方法

1．2．3 城镇混合污染源特征

1．2．4 混合污染源产强系数监测统计方法发展趋势

1．3 污染源规模因子环境统计

1．4 论文研究目的、总体思路和研究内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 技术路线

1．4．3 研究内容

2 陆源污染物产污数量分级产强核算方法

2．1 陆源污染物产污数量分类产强核算方法

2．2 污染源产强系数或规模因子归一化

2．2．1 产强系数及规模因子归一化

2．2．2 归一化数据及归一化因子数据库

2．2．3 归一化因子列表

2．3 陆源污染物产强聚类分级

2．3．1 聚类方法介绍

2．3．2 聚类分级过程

2．3．3 聚类分级结果

2．4 陆源污染物产污数量分级产强核算方法

2．5 陆源污染物产污数量分级产强核算流程

2．5．1 污染源产强归一化因子选取

2．5．2 污染源产强定级

2．5．3 污染源归一化规模因子数据选取

2．5．4 污染源产污数量分级核算

3 青岛市工业污染源COD和氮污染物分类产强检验性监测

3．1 青岛市工业污染源监测对象和方法

3．1．1 青岛市工业源监测对象

3．1．2 青岛市工业源监测项目与方法

3．1．3 青岛市工业源监测数据处理与评价

3．2 青岛市工业污染源分类产强监测结果统计处理

3．2．1 青岛市工业污染源监测结果统计

3．3 青岛市工业污染源COD、TN分类产强校验评价

3．2．1 青岛市工业污染源分类产强监测结果

3．2．2 青岛市工业污染源COD、TN分类产强校验评价

3．4 青岛市工业污染源分级产强监测统计结果

4 青岛市城镇点源COD和氮污染物单一源分类产强检验监测

4．1 青岛市公共污水处理厂进污口污染物监测方法

4．2 青岛市城镇单一点源COD和氮污染物分级产强监测结果统计处理

4．2．1 计算原理

4．2．2 青岛市城镇单一点源COD和TN污染物分级产强

4．3 青岛市城镇单一点源COD和氮污染物分类产强监测统计

4．4 青岛市城镇单一点源分类和分级产强列表

5 青岛市陆源COD和氮污染物产污数量核算结果及评价

5．1 青岛市陆源COD和氦污染物产污数量分类产强核算结果

5．1．1 应用分类产强核算的青岛市陆源COD和TN产污数量

5．1．2 青岛市农业源COD和TN污染物分类产强核算的产污数量

5．1．3 应用分类产强核算的青岛市工业源COD和TN产污数量

5．1．4 应用分类产强核算的青岛市服务业源COD和TN产污数量

5．1．5 应用分类产强核算的青岛市生活源COD和TN产污数量

5．2 青岛市陆源COD和氮污染物产污数量分类和分级核算结果比较及评价

5．3 青岛市陆源COD和氮污染物产污数量分级核算结果

6 应用常规统计数据实现分级核算方法的可靠性评级

6．1 计算工业、农业、服务业在大类、门类以及界类上的产强系数

6．2 COD、TN产污数量的计算与比较

7 结论与创新特色

7．1 结论

7．2 创新特色

参考文献

附录

致谢

个人简历

发表的学术论文