一种经济与环境约束下点源污染消减技术的优化筛选方法

摘要

本发明公开了一种经济与环境约束下点源污染消减技术措施的优化筛选方法，包括：开展常规发展模式下点源污染负荷预测；分水功能区提出水环境目标约束条件；识别技术可行的点源污染消减措施集合；建立区域社会经济约束条件；确定点源污染消减的成本函数；确定点源污染消减的成本函数。本发明基于点源污染物入河量动态，综合考虑了经济发展总量、水质改善目标等双重约束条件，通过点源污染消减技术的系统识别与成本函数比较，实现了多种点源污染技术组合的优化筛选；为流域开展技术经济可行的点源污染消减工程建设提供技术支撑。

说明书

技术领域

本发明属于点源污染技术领域，尤其涉及一种经济与环境约束下点源污染消减技术的优化筛选方法。

背景技术

传统的点源污染消减通常根据减排比例要求，提出多项点源污染消减技术(如污水处理、清洁生产等)，存在如下两方面缺点：(1)这些消减技术通常与水环境质量没有建立定量响应关系，主要以达标排放的控制为主，对规划或已实施的点源污染消减技术能否实现水质目标，无法给出定量的效果评价；(2)无法实现环境目标约束下经济最优的点源污染消减技术筛选，致使点源消减技术投资成本过高，脱离区域经济社会发展阶段而无法有效实施。

发明内容

本发明目的在于提供一种经济与环境约束下点源污染消减技术的优化筛选方法，旨在解决无法实现环境目标约束下经济最优的点源污染消减技术筛选，致使点源污染消减技术投资成本过高，脱离区域经济社会发展阶段而无法有效实施的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种经济与环境约束下点源污染消减技术的优化筛选方法，包括步骤：

步骤1，开展现状消减条件下点源污染负荷预测，即定量预测现状消减条件下，各水功能区的工业废水和生活污水中各污染物在各时刻下的入河量；

步骤2，分水功能区单元确立水质目标，倒推点源污染物的入河量控制指标要求，即水质目标约束条件，本步骤具体为：

根据不同河流的水功能区划及水质目标，基于现状水质状况，构建水环境质量模型；根据水环境质量模型，分水功能区倒推达到水质目标的约束条件，即污染物的入河量控制指标要求WG_i,k,t；对河流的水功能区，以化学需氧量和氨氮为入河量控制指标；对湖泊和水库的水功能区，以化学需氧量、氨氮、总氮和总磷为入河量控制指标；

步骤3，基于步骤1预测的入河量以及步骤2倒推的入河量控制指标要求，识别各水功能区的技术可行的点源污染消减技术集合；所述的点源污染消减技术集合包括污染物源头减排技术、污染物过程阻断技术和/或污染物末端治理技术，以及各消减技术对应的污染物去除率参数、经济特征、适用条件；

步骤4，建立水功能区单元点源污染物消减的投资约束条件，本步骤具体为：

基于统计分析与相关规划，识别区域社会经济发展的现状与未来规模，确定点源污染消减的最大可能投资规模，建立点源污染消减的投资规模与区域经济规模总量的比例，从而获得点源污染物消减投资约束KK_i,t，所述的区域经济规模总量即水功能区单元的GDP值；

步骤5，确定点源污染消减技术集合中点源各项污染消减技术的单位成本函数，点源污染消减技术的单位成本函数由点源污染消减技术的基本建设费用和运行维护费用构成；

步骤6，结合点源污染物消减投资约束KK_i,t和点源污染消减技术的单位成本函数C_i,k,t，从点源污染消减技术集合中筛选出最优的点源污染消减技术，本步骤具体为：

基于单元水质目标约束条件和单元点源污染物消减投资约束构建约束条件，从各水功能区的点源污染消减技术集合中优化筛选出各水功能区的最优点源污染消减技术。

步骤1中，现状消减条件下各水功能区的工业废水和生活污水中各污染物在各时刻下的入河量采用如下公式预测，其中单元即水功能区单元：

M_i,k,t＝D_i,k,t×K_i,k,t>

D_i,k,t＝WP_i,k,t×SP_i,k,t>

WP_i,k,t＝(WDP_i,t-RDP_i,t)×CW_i,k,t×10^-2+(WIP_i,t-RIP_i,t)×CW_i,k,t×10^-2>

${\mathrm{CW}}_{i,k,t}=min({\mathrm{CS}}_k,\frac{({\mathrm{WDP}}_{i,t}\times {\mathrm{PDP}}_{i,k,t}+{\mathrm{WIP}}_{i,t}\times {\mathrm{PIP}}_{i,k,t})(1-L_k\times {10}^{-2})}{{\mathrm{WDP}}_{i,t}+{\mathrm{WIP}}_{i,t}})---\left(4\right)$

SP_i,k,t＝(QDP_i,t-WDP_i,t)×PDP_i,k,t+(QIP_i,t-WIP_i,t)×PIP_i,k,t>

式(1)～(5)中：

M_i,k,t表示i单元k污染物t时刻的入河量，单位：t/a；

D_i,k,t表示i单元k污染物t时刻的排放量，单位：t/a；

K_i,k,t表示i单元k污染物t时刻的入河系数；

WP_i,k,t表示i单元t时刻的污水集中处理厂k污染物的排放量，单位：t/a；

SP_i,k,t表示i单元t时刻的污染源中k污染物的直排量，单位：t/a；

WDP_i,t表示i单元t时刻的污水集中处理厂生活污水处理量，单位：万m³/a；

RDP_i,t表示i单元t时刻的污水集中处理厂生活污水处理后回用量，单位：万m³/a；

CW_i,k,t表示i单元t时刻的污水集中处理厂k污染物的尾水排放浓度，单位：mg/l；

WIP_i,t表示i单元t时刻的污水集中处理厂工业废水处理量，单位：万m³/a；

RIP_i,t表示i单元t时刻的污水集中处理厂工业废水处理后回用量，单位：万m³/a；

PDP_i,k,t表示i单元t时刻生活污水中k污染物的产生浓度，单位：mg/l；

PIP_i,k,t表示i单元t时刻工业废水中k污染物的产生浓度，单位：mg/l；

L_k表示污水集中处理厂k污染物的去除率，单位：％；

CS_k表示污水处理厂k污染物的排放标准，单位：mg/l；

QDP_i,t表示i单元t时刻的生活污水排放量，单位：万m³/a；

QIP_i,t表示i单元t时刻的工业废水排放量，单位：万m³/a。

步骤2中，所述的水环境质量模型为零维、一维或多维形式。

步骤2中，污染物的入河总量控制指标要求WG_i,k,t＝Min(M_i,k,t,CPT2_i,k,t)，其中：

WG_i,k,t为i单元t时刻k污染物的入河量控制指标要求，单位：t/a；

M_i,k,t为i单元k污染物t时刻的入河量，单位：t/a；

CPT2_i,k,t为i单元t时刻k污染物的水功能区纳污能力，单位：t/a。

步骤4中，点源污染物消减投资约束KK_i,t＝GDP_i,t·GK_i,t，其中：

KK_i,t为i单元t时刻的污染物消减投资约束，单位：万元；

GDP_i,t为i单元t时刻的区域经济规模总量，即水功能区单元的GDP，单位：万元；

GK_i,t为i单元t时刻点源污染消减的投资规模与区域经济规模总量的比例，无量纲。

步骤4中，点源污染消减的投资规模与区域经济规模总量的比例为0.5％-3.0％。

步骤5中，点源污染消减技术的单位成本函数：

$C_{i,k,t}=\frac{Dr\times {\mathrm{Inv}}_{i,k,t}\times R{(1+R)}^{Lf}}{{(1+R)}^{Lf}-1}+{\mathrm{Ope}}_{i,k,t}$

其中：

C_i,k,t为i单元t时刻消减单位量k污染物的总成本，单位：元/年；

Inv_i,k,t为i单元t时刻消减单位量k污染物的投资成本，单位：元/年；

Ope_i,k,t为i单元t时刻消减单位量k污染物的运行成本，单位：元/年；

Dr为投资成本折旧系数，单位：1/年；

R为折旧利率；

Lf为点源污染消减措技术的使用寿命，单位：年。

步骤6中，所述的目标函数为Max(W1_i,k,t+W2_i,k,t+W3_i,k,t)，其中：

W1_i,k,t为i单元t时刻企业达标排放实现的k污染物消减量，单位：t/a；

W2_i,k,t为i单元t时刻污水集中处理厂实现的k污染物消减量，单位：t/a；

W3_i,k,t为i单元t时刻以其他方式进一步消减实现的k污染物消减量，单位：t/a。

步骤6中，所述的约束条件包括：

C1_i,k,t×W1_i,k,t+C2_i,k,t×W2_i,k,t+C3_i,k,t×W3_i,k,t≤KK_i,t

$W{1}_{i,k,t}+W{2}_{i,k,t}+W{3}_{i,k,t}\le {\mathrm{PG}}_{i,k,t}-\frac{{\mathrm{WG}}_{i,k,t}}{K_{i,k,t}}$

W1_i，k，t≤LW1_i，k，t

W2_i，k，t≤LW2_i，k，t

W1_i，k，t≥0

W2_i，k，t≥0

W3_i，k，t≥0

其中：

C1_i,k,t为i单元t时刻污水集中处理方式实现的消减单位量k污染物的总成本，单位：万元/t；

C2_i,k,t为i单元t时刻污染源达标分散治理方式实现的消减单位量k污染物的总成本，单位：万元/t；

C3_i,k,t为i单元t时刻以其他方式进一步实现的消减单位量k污染物的总成本，单位：万元/t；

W1_i,k,t为i单元t时刻企业达标排放实现的k污染物消减量，单位：t/a；

W2_i,k,t为i单元t时刻污水集中处理厂实现的k污染物消减量，单位：t/a；

W3_i,k,t为i单元t时刻以其他方式进一步消减实现的k污染物消减量，单位：t/a；

KK_i,t为i单元t时刻的污染物消减投资约束，单位：万元；

PG_i,k,t为i单元t时刻k污染物的产生量，单位：t/a；

WG_i,k,t为i单元t时刻k污染物的入河量控制指标要求，单位：t/a；

K_i,k,t为i单元t时刻k污染物的入河系数；

LW1_i,k,t为i单元t时刻企业达标排放最大可实现的k污染物消减量，单位：t/a；

LW2_i,k,t为i单元t时刻污水集中处理厂最大可实现的k污染物消减量，单位：t/a。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)综合性强，综合考虑了经济发展总量和水质改善目标双重约束条件，通过点源污染消减技术的系统识别与成本函数比较，实现了多种点源污染消减技术组合的优化筛选。

(2)可操作性强，为流域开展技术经济可行的点源污染消减工程建设提供决策支持和技术支撑。

附图说明

图1是本发明方法的具体流程示意图；

图2是实施例提供的典型流域COD污染物纳污能力与入河量的示意图；

图3是实施例提供的典型流域不同单元各点源污染消减技术单位COD消减量的成本比较的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的经济与环境约束下点源污染消减技术的优化筛选方法包括以下步骤：

S101：开展现状消减条件下点源污染负荷预测；

S102：分水功能区单元确立水质目标，倒推点源污染物入河量控制指标；

S103：根据步骤S101和S102结果，识别技术可行的点源污染消减技术集合；

S104：建立计算单元点源污染物消减的投资约束条件；

S105：根据步骤S103结果，确定点源各项消减技术的成本函数；

S106：结合步骤S104和S105，提出点源污染消减技术的经济优化筛选方案。

下面将详细说明本发明的优化筛选方法：

步骤一，开展现状消减条件下点源污染负荷预测。

消减条件指污水处理设施和污水处理回用量条件。本步骤中，综合考虑现状的污水处理设施、污水处理回用量以及不同入河系数的影响，定量预测未来各水功能区的工业废水和生活污水中各污染物在各时刻下的入河量。预测过程中，通常仅需考虑现状的污水处理设施和污水处理回用量，为未来消减技术方案的布设提供基础。入河系数大小受多种因素影响，如排放方式(如管道或渠道)、排放环境(如温度)等，通常为0.3～0.9，需根据实际情况进行实验测定。

点源污染负荷预测的基本公式如下，其中i单元即表示第i个水功能区单元：

M_i,k,t＝D_i,k,t×K_i,k,t>

D_i,k,t＝WP_i,k,t×SP_i,k,t>

WP_i,k,t＝(WDP_i,t-RDP_i,t)×CW_i,k,t×10^-2+(WIP_i,t-RIP_i,t)×CW_i,k,t×10^-2>

${\mathrm{CW}}_{i,k,t}=min({\mathrm{CS}}_k,\frac{({\mathrm{WDP}}_{i,t}\times {\mathrm{PDP}}_{i,k,t}+{\mathrm{WIP}}_{i,t}\times {\mathrm{PIP}}_{i,k,t})(1-L_k\times {10}^{-2})}{{\mathrm{WDP}}_{i,t}+{\mathrm{WIP}}_{i,t}})---\left(4\right)$

SP_i,k,t＝(QDP_i,t-WDP_i,t)×PDP_i,k,t+(QIP_i,t-WIP_i,t)×PIP_i,k,t>

式(1)～(5)中：

M_i,k,t表示i单元k污染物t时刻的入河量，单位：t/a；

D_i,k,t表示i单元k污染物t时刻的排放量，单位：t/a；

K_i,k,t表示i单元k污染物t时刻的入河系数；

WP_i,k,t表示i单元t时刻的污水集中处理厂k污染物的排放量，单位：t/a；

SP_i,k,t表示i单元t时刻的污染源中k污染物的直排量，单位：t/a；

WDP_i,t表示i单元t时刻的污水集中处理厂生活污水处理量，单位：万m³/a；

RDP_i,t表示i单元t时刻的污水集中处理厂生活污水处理后回用量，单位：万m³/a；

CW_i,k,t表示i单元t时刻的污水集中处理厂k污染物的尾水排放浓度，单位：mg/l；

WIP_i,t表示i单元t时刻的污水集中处理厂工业废水处理量，单位：万m³/a；

RIP_i,t表示i单元t时刻的污水集中处理厂工业废水处理后回用量，单位：万m³/a；

PDP_i,k,t表示i单元t时刻生活污水中k污染物的产生浓度，单位：mg/l；

PIP_i,k,t表示i单元t时刻工业废水中k污染物的产生浓度，单位：mg/l；

L_k表示污水集中处理厂k污染物的去除率，单位：％；

CS_k表示污水处理厂k污染物的排放标准，单位：mg/l；

QDP_i,t表示i单元t时刻的生活污水排放量，单位：万m³/a；

QIP_i,t表示i单元t时刻的工业废水排放量，单位：万m³/a。

步骤二，根据水功能区水质目标倒推污染物的入河量控制指标要求。

本步骤根据不同河流水功能区划和现状水质状况，分水功能区提出水质目标约束条件，即各水功能区污染物(如COD和氨氮)的入河量控制指标要求WG_i,k,t。

入河量控制指标要求WG_i,k,t的计算如下：

WG_i,k,t＝Min(M_i,k,t,CPT2_i,k,t)>

式(6)中：

WG_i,k,t为i单元t时刻k污染物的入河量控制指标要求，单位：t/a；

M_i,k,t为i单元k污染物t时刻的入河量，单位：t/a，M_i,k,t由式(1)计算获得；

CPT2_i,k,t为i单元t时刻k污染物的水功能区纳污能力，单位：t/a。

本步骤具体为：

根据不同河流的水功能区划及水质目标，基于现状水质状况，构建水环境质量模型；根据水环境质量模型，分水功能区倒推达到水质目标的约束条件，即各水功能区污染物(如COD和氨氮)的入河量控制指标要求。对河流的水功能区，以化学需氧量和氨氮为入河量控制指标；对湖泊和水库的水功能区，以化学需氧量、氨氮、总氮和总磷为入河量控制指标。本发明中，根据数据的可靠性与详细程度，水环境质量模型可采用零维、一维或多维形式。

图2为典型流域COD(化学需氧量)纳污能力与入河量的示意图。

步骤三，识别技术可行的点源污染消减技术集合。

基于步骤一预测的各水功能区污染物的入河量，以及步骤二倒推的各水功能区污染物的入河量控制指标要求，识别各水功能区的技术可行的点源污染消减技术集合。

该集合既要考虑污染物的源头减排技术，也要考虑污染物的过程阻断与末端治理技术；源头减排技术主要考虑清洁生产技术推广、产业结构调整、循环经济建立等，过程阻断技术主要考虑污水收集官网的完善、污水处理厂的建设、再生水利用系统的构建，末端治理技术主要考虑湿地建设、底泥处理、水体生态修复等。针对各种消减技术需要建立消减技术数据库，存储各种消减技术的污染物去除率参数、经济特征、适用条件等，为后面的技术优选提供条件。

步骤四，建立水功能区单元点源污染物消减的投资约束条件。

基于统计分析与相关规划，识别区域社会经济发展的现状与未来规模，确定点源污染消减的最大可能投资规模，建立点源污染消减的投资规模与区域经济规模总量(如GDP)的比例，从而获得点源污染物消减投资约束KK_i,t。

KK_i,t的计算如下：

KK_i,t＝GDP_i,t·GK_i,t>

式(7)中：

KK_i,t为i单元t时刻的污染物消减投资约束，单位：万元；

GDP_i,t为i单元t时刻的区域经济规模总量，即水功能区单元的GDP，单位：万元；

GK_i,t为i单元t时刻点源污染消减的投资规模与区域经济规模总量的比例，无量纲。

通常，点源污染消减作为环境基础设施投资的一部分，通常约占该区域经济规模总量的0.5％-3.0％，即GK_i,t通常取0.5％-3.0％；根据特定单元的社会经济发展现状、定位与趋势，该比例GK_i,t可适当调整与变化。

步骤五，根据步骤三所获得的点源污染消减技术集合，确定点源各项污染消减技术的单位成本函数。

基于调查分析构建点源污染消减技术集合中点源各项污染消减技术的单位成本函数。假设点源各项污染消减技术的成本以及对污染物的消减相互间无影响，单位成本函数既需考虑年折旧成本，也需考虑年运行成本。具体的，点源污染消减技术的成本主要由基本建设费用和运行维护费用两部分构成。基本建设费用主要在短时期内集中支出，如工程的勘查、测绘、设计、土建和设备费等；运行维护费用通常在项目生命周期内逐年支付，如人工、电耗和设备维护费等。总成本等于投资成本折旧与运行维护费用之和。为考虑时间价值，用水器具的投资成本折旧通常按照初始投资成本在其生命周期内等额现值折算，并可能受到政府的节水器具投资补贴政策的影响。一般，较高的利率和较短的消减技术实施周期，将导致消减技术的总成本增加。

见图3，典型流域点源不同污染消减技术单位COD消减量的成本如下：

$C_{i,k,t}=\frac{Dr\times {\mathrm{Inv}}_{i,k,t}\times R{(1+R)}^{Lf}}{{(1+R)}^{Lf}-1}+{\mathrm{Ope}}_{i,k,t}---\left(8\right)$

式(8)中：

C_i,k,t为i单元t时刻消减单位量k污染物的总成本，单位：元/年；

Inv_i,k,t为i单元t时刻消减单位量k污染物的投资成本，单位：元/年；

Ope_i,k,t为i单元t时刻消减单位量k污染物的运行成本，单位：元/年；

Dr为投资成本折旧系数，单位：1/年；

R为折旧利率；

Lf为消减技术的使用寿命，单位：年。

步骤六，结合点源污染物消减投资约束KK_i,t和点源污染消减技术的单位成本函数C_i,k,t，因地制宜优化筛选出各水功能区最优的点源污染消减技术，从而获得最优的点源污染消减技术组合。

定量分析计算点源污染消减技术的成本与收益，在投资约束下通过优化筛选计算提出满足经济与环境目标的最小化成本的点源污染消减技术组合。在不同入河量控制指标分别优化的基础上，取各优化单元投资外包络线，扩展到整个流域层面，提出流域层面不同单元的推荐消减技术方案。

本步骤中，以点源污染消减技术实现的污染物消减量最大为目标函数，基于单元水质目标约束条件和单元点源污染物消减投资约束构建约束条件，从各水功能区的点源污染消减技术集合中优化筛选出各水功能区的最优点源污染消减技术。

目标函数见式(9)：

Max(W1_i,k,t+W2_i,k,t+W3_i,k,t)>

约束条件见式(10)～(16)：

C1_i,k,t×W1_i,k,t+C2_i,k,t×W2_i,k,t+C3_i,k,t×W3_i,k,t≤KK_i,t>

$W{1}_{i,k,t}+W{2}_{i,k,t}+W{3}_{i,k,t}\le {\mathrm{PG}}_{i,k,t}-\frac{{\mathrm{WG}}_{i,k,t}}{K_{i,k,t}}---\left(11\right)$

W1_i，k，t≤LW1_i，k，t>

W2_i，k，t≤LW2_i，k，t>

W1_i，k，t≥0>

W2_i，k，t≥0>

W3_i，k，t≥0>

式(9)～(16)中：

W1_i,k,t为i单元t时刻企业达标排放实现的k污染物消减量，单位：t/a；

W2_i,k,t为i单元t时刻污水集中处理厂实现的k污染物消减量，单位：t/a；

W3_i,k,t为i单元t时刻以其他方式进一步消减实现的k污染物消减量，单位：t/a；

C1_i,k,t为i单元t时刻污水集中处理方式实现的消减单位量k污染物的总成本，单位：万元/t；

C2_i,k,t为i单元t时刻污染源达标分散治理方式实现的消减单位量k污染物的总成本，单位：万元/t；

C3_i,k,t为i单元t时刻以其他方式进一步实现的消减单位量k污染物的总成本，单位：万元/t；

PG_i,k,t为i单元t时刻k污染物的产生量，单位：t/a；

K_i,k,t为i单元t时刻k污染物的入河系数；

LW1_i,k,t为i单元t时刻企业达标排放最大可实现的k污染物消减量，单位：t/a；

LW2_i,k,t为i单元t时刻污水集中处理厂最大可实现的k污染物消减量，单位：t/a；

C1_i,k,t、C2_i,k,t、C3_i,k,t采用公式(8)计算获得。

本发明方法综合性强，系统考虑经济发展总量、水质改善目标等双重约束条件；通过点源污染消减技术的系统识别与成本函数比较，实现多种点源污染技术组合的优化筛选；可操作性强，可为流域开展技术经济可行的点源污染消减工程建设提供技术支撑等优点，适用于流域大尺度范围内土壤侵蚀类面源污染入河量的计算；

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。