水污染物質排放減量化環境綜合政策的模擬分析與評價＊

閆晶晶 肖榮閣 沙景華

(中國地質大學(北京),北京 100083)

水污染物質排放減量化環境綜合政策的模擬分析與評價＊

閆晶晶 肖榮閣 沙景華

(中國地質大學(北京),北京 100083)

本文基于大城市周邊城鎮地區水污染加劇的問題,構造了適于中國大城市周邊城鎮地區經濟社會特點的綜合經濟環境評價模型,并通過計算機模擬實驗實現水污染物質最小化的綜合評價。本文選取北京市某郊區縣作為研究對象,基于該地區的生態系統和社會經濟變化情況,評價現階段在廣大農村實行以濕式發酵技術處理為主的綜合環境改善政策的環境改善效果。通過模擬實驗結果得出,僅通過推廣包括一般的濕式發酵處理技術在內的環境政策并不能解決現階段城鎮地區水污染加劇的問題,必須引入更加先進的處理技術降低水污染物質排放量才能同時實現水污染物質減量化和經濟快速發展的目標。

水污染物質;環境政策;模擬實驗;動態綜合評價

近年來我國面臨的水環境形勢更加嚴峻,水污染發展呈現從城市向農村轉移態勢,包括生活污染、面源污染和工礦污染在內的污染源凸顯。同時由于大城市水源地和大型水庫大多位于周邊郊區城鎮和農村地區,因此大城市周邊農村地區水污染造成了更大區域的飲水安全隱患。據環境部門監測,全國城鎮每天至少有1億t污水未經處理直接排入水體。90%的城市水域污染嚴重,50%的城鎮水源不符合飲用水標準,40%的水源已不能飲用,大城市周邊城鎮地區水環境污染問題亟待解決。

近年來,國內外許多學者致力于水環境污染改善和促進區域經濟發展的研究[1-2]。本文選取了北京市某郊區縣作為研究對象,同時考慮了該地區的生態系統和社會經濟變化情況,評價在廣大農村實行以濕式發酵技術處理為主的綜合環境改善政策的環境改善效果[3],以同時達到經濟發展和環境改善的目標。

1 模型構建

1.1 區域劃分和污染源分類

按照該地區主要河流流向和流經地區,將該地區劃分為兩大區域,該地區其他支流均流入兩條主河流中。本文中評估的水污染物質主要包括化學需氧量(COD),總磷(T-P)和總氮(T-N);將該地區污染源劃分為生活污染、面源污染、生產污染和畜產業污染(以養豬業污染為主)。根據該地區特點,將生活污染按照處理方式分為經過下水道處理和未經過下水道處理兩類。面源污染按照土地利用方式(山地、林地、果園、城市用地、其他利用方式)分為五類,生產污染按照產業劃分為七類(漁業、養豬業、其他畜產業、林業、種植業、工業、其他產業)。本文基于2000-2006年地區統計年鑒、中國環境統計年鑒等統計數據模擬計算。

1.2 綜合環境政策

按照該地區政府已實行的相關水資源環境保護政策,表1列出了該地區可選擇的相關水環境保護政策。針對該地畜產業,尤其是養豬業污染嚴重的問題,該地區普遍推廣了濕式發酵技術處理畜產業特別是養豬業廢棄物以達到降低污染物質排放及生物質沼氣和有機肥利用的目的。

表1 環境綜合政策

2 評價模型

該動態評價模型包括了水污染物質平衡模型,社會經濟模型和污染物質最小化目標函數。水污染物質平衡模型描述了污染物質流入河流的過程。社會經濟模型表示了該地區社會經濟活動特點和社會經濟發展與水污染物質排放的關系。該動態評價模型包含五十七個數學公式模型,本文僅列出主要公式。

2.1 目的函數

由于該區域位于北京市飲用水源上游方向,水資源環境保護重要性日益凸顯,同時根據前期調查和相關統計資料顯示,該地區水污染物質中總氮最難消解,因此將目的函數構造為實現水污染物質總氮10年間排放總額最小化為目標。

2.2 物質平衡模型

假設該地區通過下水道、未處理污水、養漁業和降雨所產生的水污染物質均經過河流排出。

2.2.1 水污染物質平衡模型

其中ELpl:第l種土地利用方式水污染物質p的排放系數;Lk

j(t):在第j個區域第l種土地利用方式的面積。

2.2.5 生活污染物質排放量

2.3 點源污染處理方式

該地區為了改善環境于2004年提出加大森林面積的水土保持政策,將部分農業用地和荒地等其他用地方式轉換為森林用地。

2.3.1 增加森林用地

2.4 生活排污對策

根據我國城鎮污水處理方式特點,生活污水處理主要依靠下水道設備進行處理。

2.4.1 使用下水道設施的人口變化情況

2.4.2 下水道投資建設和維護

其中FEi(t):當地政府財政可支出額;:地方政府補貼占總投資的比率;:第i個城鎮政府補貼中投向生活污水處理設施投資的比例;M:第t年第i個城鎮下水道設施的維持費用;:第i個城鎮政府補貼中投向生活污水處理設施維持費用的比例;:第i個城鎮政府補貼中用于生活污水處理總費用的比例;(t):上一級政府為該地區生活污水處理提供的補貼額。

2.5 生產排污對策

其中Xmj(t):第j個區域第m個產業的總產值;αm:第m個產業的資本產出比;(t):第j個區域第m個產業的資本額;(t):上一級政府為第m個產業提供的補貼額。

2.6 政策補貼總額

其中y(t)為該地方政府提供的總補貼額。

2.7 市場平衡模型

2.8 地區生產總值

本文采用地區生產總值GRP指標反映地區經濟發展水平。

其中GRP(t):第t年該地區生產總值;υ:第m個產業經濟增加值的行向量。

2.9 經濟發展水平制約

根據地方經濟發展的要求,設定地區生產總值必須不低于前一年發展水平。

3 模擬實驗結果

在模擬實驗中按照10年中年均地區生產總值增長率n%設定不同的模擬情況。在本文中我們選取了四個有代表性得模擬情況來分析模擬實驗結果。其中模擬情況Case 1表示GRP年均增長0%,Case 2代表GRP年均增長0.7%,Case 3表示GRP年均增長1%,Case 4表示GRP年均增長1.1%。

3.1 目的函數結果分析

本研究中,在水污染物質總氮排放量最小化的限制下,GRP年均增長率最大只能達到1.1%,高于1.1%的模擬情況下均得不到可行解。因此在實現目標函數的條件下,Case 4 GRP年均增長1.1%可實現最優解。

通過比較未采用環境綜合政策和采用政策后的模擬實驗結果,可以得出水污染物質最小化綜合政策可有效地降低水污染物質。當采用綜合政策并且實現GRP年均增長1.1%(Case 4)時,目的函數(T-N10年排放量)與未采用綜合政策相比降低10.7%(見圖1)。同時,2016年GRP比2007年增長了1.93億元。

圖1 目標函數值(10年總和)

3.2 GRP變化分析

在目標函數的要求下,GRP年均增長率最多只能達到1.1%,在Case 4中與2007年相比,GRP總量在2016年增長了9.88%(見圖2)。然而與地區經濟發展規劃的要求相比,年均1.1%增長率并不能滿足地區經濟增長的需要。因此在以水污染物質總氮排出量最小的目標函數要求下,僅采用該地區現有的環境政策不可能同時實現環境污染最小化和達到區域經濟發展目標。

3.3 養豬業生產額和水污染物質排放變化分析

圖2 地區生產總值變化情況

養豬業產值和其排放的水污染物質變化情況如圖3所示。與2007年相比,2016年養豬業產值下降了30%,而由養豬廠所排出的污染物質僅通過濕式發酵技術處理,水環境污染效果改善不大。我們將造成此問題的原因歸結為以下幾點:第一,養豬業排放的廢水中水污染物質濃度特別是T-N濃度較高;第二,最小化水污染物質T-N的目的函數和當地環境保護的要求限制了當地養豬業的發展。因此該地區養豬業造成的水環境污染較為嚴重,同時僅依靠濕式發酵技術處理養豬業廢棄物不足以降低其排出的廢水中的高濃度污染物質。而且在該地區養豬業作為當地經濟發展支柱產業,通過降低產業產值和規模而實現水污染物質減量排放可能性較小。因此需要引入更加先進的技術處理養豬業廢水實現在有效降低污染的同時促進地區經濟發展。

圖3 養豬業產值變化情況

4 結 論

本文根據我國城鎮地區社會經濟特點建立了經濟環境綜合動態模型,評價該地區環境治理政策效果。通過模擬實驗得出以下結論。第一,當采用綜合環境政策后,GRP每年可實現增長率為1.1%的經濟增長,與不采用環境政策相比,水污染物質T-N可降低10.7%。第二,采用環境政策后,2016年比2007年相比GRP總量增長了1.93億元。第三,采用環境政策后,可降低養豬業排放的267tT-N,105tT-P和1 641tCOD。

基于模擬實驗結果,可以得出濕式發酵技術可降低一部分養豬業廢水中的污染物質,但是有限的污染物質降低是以大規模產業削減(養豬業生產總值降低30%)和低經濟增長水平(年均經濟增長率1.1%)換取的。而養豬業作為當地經濟發展的支柱產業,以強行縮減養豬業規模實現環境微量改善并不可行,因此必須針對養豬業污染廢棄物引入先進的處理設備從而實現環境改善和經濟發展的目的。

(編輯:王愛萍)

[1]Fumiaki H,Yoshiro H.A Simulation Analysis to Reduce Pollutants from the Catchment Area of lake Kasumigaura[J].Studies in Regional Science,2000,30,(1),47-63.

[2]TakeshiM,Katsuhiro S,Shintaro K,et al.A Simulation Analysis of Synthetic Environment Policy:Effective Utilization of Biomass Resources and Reduction of EnvironmentalBurdens in Kasumigaura Basin.Studies in Regional Science.2007,36(2):355-374.

[3]國家環境保護總局.全國規模化畜禽養殖業污染情況調查及防治對策[M].北京:中國環境科學出版社.2002:77-78.

AbstractIn this study,we focused on the evaluation of water pollutant-minimization based on the ecological value of rural areas of China and considered a comprehensive environmentalmanagementpolicy by computer simulation that is adaptive for the specific characteristics and economyof rural suburbsof big cities in China.In order to evaluatewhether the integrated policieswith the adoption ofwet methane fermentation technology can satisfy the si multaneouspursuitof environmentalpreservation and economic development,we considered both the ecological system in the objective area and the socio-economic situational changes during a specific period that have general applicability to the rural areas of China.

Key wordswater pollutants;simulation analysis;dynamic synthetic evaluation

Comprehensive Evaluation of Integrated Pollutant-m in i m ization Policies in Rural Areas of China

YAN Jing-jing X IAO Rong-ge SHA Jing-hua
(China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

X171.1

A

1002-2104(2010)03專-0124-04

2009-09-08

閆晶晶,博士生,主要研究方向為資源環境經濟學。

＊教育部國家留學基金管理委員會“國家建設高水平大學”項目資助。