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

摘要

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2000's，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）的陆源污染物总量控制计划、联合国环境规划署（UNEP）的GPA计划(Actionfor the Protection from the Marine Environment from Land-based Activities)中，均己围绕“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污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)建立源区计量单元“水质标定”陆源污染物分配容量指标体系计算方法;(2)计算环渤海经济圈356个县级行政区TN和COD污染物分配容量指标体系。主要包括:①源区计量单元与行政区空间位置对应关系建立。②水质模型的实验修正。③使用修正后的模型计算响应系数场及渤海环境容量。④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污染物“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（[αm，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，①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。②对于渤海DIN和COD污染物响应系数场（[αm，i]）优化模拟计算:首先根据典型来源污染物的实验室降解实验结果，修正DON和COD一级降解动力学方程，并按照降解速率常数之间的显著差异性，将DON和COD状态变量由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％。③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。④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水质超标率、陆源污染物超载率和入海排污分配容量等之间的理论关系。
　　(3)环渤海经济圈356个县级行政区TN和COD污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COD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污染物，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污染物“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:①对于入海排污超载城市，TN和COD超载分别有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)。②对于产污超载状况，TN和COD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％。③对于工减盈缺状况，TN和COD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24个。比较产污超载与工减余缺状况表明，在23个TN和19个COD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，也包括工减分配容量。本文特色主要体现在环渤海经济圈35个地级市“差别化”减排方式上，既可根据入海排污超载状况调整减排指标，增加超载和减小余载地级市减排指标，又可根据产污超载状况确定源头控制标准，也可根据工减盈缺状况优化公共污水处理系统扩建或新建规模，结果不仅使行政区减排与渤海水质最优改善效果相吻合，而且在减排技术措施上，比“一刀切”减排更有针对性。

目录

声明

摘要

0 前言

1 文献综述

1．1 环渤海经济圈行政区总量控制管理需求

1．1．1 渤海及环渤海经济圈概况

1．1．2 环渤海经济圈陆源排污与渤海水质恶化

1．1．3 渤海环境综合调查与整治历程

1．1．4 “行政区等比例”减排效果评价及管理需求

1．2 行政区分配容量计算研究进展

1．2．1 行政区分配容量计算关键环节研究进展

1．2．2 环渤海经济圈陆源污染物分配容量研究现状

1．2．3 环渤海经济圈行政区分配容量计算存在的问题

1．3 污染物浓度时空分布优化模拟计算研究进展

1．3．1 水质模型优化模拟计算研究进展

1．3．2 渤海陆源污染物组成和含量变化

1．3．3 COD污染物降解动力学研究进展及在水质模型中的应用

1．3．4 DON污染物降解动力学研究进展及在水质模型中的应用

1．3．5 渤海污染物浓度时空分布模拟计算偏离海上调查结果的原因分析

1．4 陆源污染物总量控制指标体系研究进展

1．4．1 环境承载力与总量控制指标体系的建立

1．4．2 总量控制指标体系国内外研究进展

1．5 本文研究目的与内容

2 环渤海经济圈不同来源COD和DON污染物降解动力学实验

2．1 环渤海经济圈不同来源COD污染物降解动力学实验研究

2．1．1 来源构成分析

2．1．2 实验方法

2．1．3 实验结果及分析

2．1．4 不同来源COD降解动力学参数聚类分析

2．2 环渤海经济圈不同来源DON污染物降解动力学实验研究

2．2．1 来源构成分析

2．2．2 实验方法

2．2．3 实验结果及分析

2．2．4 不同来源DON降解动力学参数聚类分析

2．3 小结

3 渤海污染物浓度时空分布优化模拟计算

3．1 渤海污染物浓度时空分布优化模拟计算步骤

3．1．1 模型构架选择及修正

3．1．2 水质模型模拟计算结果量化验证方法

3．1．3 水质模型量化验证监测数据筛选

3．2 水质模型模拟计算及结果准确性评价

3．2．1 渤海水动力场时空分布优化模拟计算及结果准确性评价

3．2．2 渤海温盐场时空分布优化模拟计算及结果准确性评价

3．2．3 渤海DIN浓度时空分布优化模拟计算及结果准确性评价

3．2．4 渤海COD浓度时空分布优化模拟计算及准确性评价

3．3 渤海水质模型的实验修正对模拟计算优化程度的检验

3．4 小结

4 行政区污染物“水质标定”分配容量计算方法的建立

4．1 行政区“水质标定”分配容量计算方法原理

4．2 环渤海经济圈源区计量单元及入海源区划分

4．2．1 环渤海经济圈源区计量单元及入海源区划分

4．2．2 源区计量单元类型判别

4．3 环渤海经济圈行政区分配容量计算步骤

4．3．1 污染物输运衰减系数设置

4．3．2 工程减排去除率设置

4．3．3 响应系数场计算

4．3．4 水质控制条件设置

4．3．5 渤海环境容量计算

4．4 数学规划模型计算方法选取

4．5 小结

5 分配容量计算结果验证方法的建立及环渤海经济圈TN和COD污染物“行政区差别化”减排措施构建

5．1 分配容量计算结果检验方法建立及应用

5．1．1 分配容量排放下水质达标情况

5．1．2 分配容量计算结果合理性检验方法建立及应用

5．2 环渤海经济圈行政区污染物“水质标定”分配容量计算结果分析

5．2．1 县级行政区产污分配容量空间差异性分析

5．2．2 县级行政区工减分配容量空间差异性分析

5．2．3 县级行政区入海排污分配容量空间差异性分析

5．3 环渤海经济圈地级行政区“差别化”减排措施构建

5．3．1 入海排污“差别化”减排指标分配

5．3．2 产污“差别化”减排指标分配

5．3．3 工减“差别化”减排指标分配

5．4 小结

6 主要结论与创新点

6．1 主要结论

6．2 创新点

参考文献

附录

致谢

个人简历

发表的学术论文