基于源解析法的大氣中PAHs污染排污收費模型

崔 嵩，李一凡－3，馬萬里，郭 亮，田崇國，安立會，賈宏亮，劉憲杰

(1.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室國際持久性有毒物質聯合研究中心，150090哈爾濱，cuisong－bq@163.com;2.大連海事大學國際持久性有毒物質聯合研究中心，116023遼寧大連;3.加拿大環境部科學技術局，加拿大，多倫多M3H 5T4;4.哈爾濱工業大學管理學院，150001哈爾濱;5.中國科學院煙臺海岸帶研究所，264003山東煙臺;6.中國環境科學研究院河流與河口海岸創新基地，100012北京)

多環芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)作為環境中一種普遍存在的持久性有機污染物(POPs)，具有長距離遷移性、生物富集性等特點，且有些PAHs還具有“三致”效應.PAHs的來源主要為天然源和人為源，天然源主要為自然界中動植物的合成，數量有限.除了天然源外，由于人類的生產活動導致的燃料不完全燃燒是PAHs產生的主要途徑[1－3].PAHs 廣泛存在于大氣、土壤、植物、水體和沉積物等環境介質中，可以通過皮膚接觸、呼吸作用及食物鏈進入人體，并對人體造成潛在的危害，因此，開展PAHs的研究、確定其來源途徑，從而控制PAHs的排放數量及方式，對環境影響評價具有重要意義[4－6].

排污收費標準的制定是影響排污收費定價的主要因素[7－9]，“排污收費的最優定價”一度成為較關注的問題之一.排污收費原本隸屬于環境稅的征收范疇，國內外普遍采用的研究方法是應用邊際外部成本和邊際控制成本來使排污稅率達到最優化，但該方法存在著嚴重的信息不一致性缺陷，從而使排污收費制度在具體的實施過程中很難達到理想的效果，一般只能使污染控制趨近于最優控制水平[10].因此，針對在具體應用時存在著信息不對稱以及不能進行信息交互等問題的最優Pigovian定價方法，通過源解析技術對大氣中PAHs的污染源進行確定，以文獻[2]報道的2007年春季哈爾濱地區大氣中多環芳烴為例，從環境復雜系統層次結構的角度提出了針對PAHs污染排放企業的排污行為，試圖制定排污收費的二層最優收費定價問題及其模型以控制企業的排污行為，減少企業的排放量，從而使大氣污染降到最低水平，減少人類健康面臨的潛在威脅.

1 研究方法

1.1 源解析技術及多環芳烴污染特征分析

1.1.1 源解析技術

源解析技術研究方法是在大氣顆粒污染物來源解析技術的基礎上[11]，根據持久性有機污染物(POPs)的環境行為而發展起來的.PAHs以氣態和顆粒態兩種形式存在于大氣環境中，其中，顆粒態是氣態PAHs通過與大氣中的氣溶膠進行吸附/解析的交換過程而存在的一種形式.因此，利用被動采樣器進行大氣樣品的采集[12]，進行樣品的分析處理，以獲得大氣中PAHs的質量濃度數據，并進行定性或定量的分析來確定污染源的類型.

PAHs在環境中存在很多污染源，通常污染源不同所產生的PAHs的特征也不同，利用這種差異來對PAHs的來源進行判斷是常用的方法.比值法是根據所采集的樣品中污染物殘留比例與污染物成分的比例對比來進行定性分析來源的方法，應用比值法判定特征化合物質量濃度是最常用的一種辨別大氣中PAHs污染源的定性方法.一般方法是以芴(fluorine)、芘(pyrene)、茚苯芘(Indeno(1，2，3 －cd)pyrene)和苯并(ghi)北(Benzo(g，hi)perylene)之間的比值來進行來源判定，如 ρ(Flu)/(ρ(Flu)+ ρ(Pyr))和 ρ(IcdP)/(ρ(IcdP)+ρ(BghiP))常用來判定大氣中PAHs來自于燃煤或者油類、植物等不完全燃燒的排放.一般情況下，當 ρ(Flu)/(ρ(Flu)+ρ(Pyr))＞0.5時，PAHs來源為燃煤或者生物質不完全燃燒的排放，ρ(Flu)/(ρ(Flu)+ρ(Pyr))＜0.4時，則PAHs來源于石油不完全燃燒的排放，ρ(Flu)/(ρ(Flu)+ρ(Pyr))介于0.4和0.5時則表明來自于液態化石燃料不完全燃燒的排放;當ρ(IcdP)/(ρ(IcdP)+ρ(BghiP))＞0.5時，也表明PAHs來源為燃煤或者生物質不完全燃燒的排放[13].另有根據苯并(a)芘(Bap)和暈苯(Cor)的比值進行判斷的研究，一般認為，當ρ(Bap)/ρ(Cor)＞1時，為 燃 煤 排 放 源;當ρ(Bap)/ρ(Cor)＜1時為燃油排放源[14].

化學質量平衡(CMB)模型作為源解析的一種定量研究方法，已被美國環保署(USEPA)推薦為大氣顆粒物來源解析的重要方法之一.該模型是通過污染源和大氣顆粒物的化學組成來構建線性方程組，從而解析污染源并定量污染源的貢獻率.于娜等曾用此方法對北京城區和郊區大氣的細粒子有機物的污染特征進行了來源解析[15].

1.1.2 PAHs的污染特征

本文以文獻[2]采集的大氣中質量濃度數據為依據，應用比值法對哈爾濱大氣中PAHs的來源進行解析，得出 ρ(IcdP)/(ρ(IcdP)+ρ(BghiP))和ρ(Flu)/(ρ(Flu)+ρ(Pyr))的平均比值分別為0.53±0.01和0.59±0.05.以此可以判斷出哈爾濱地區大氣中PAHs主要來自于燃煤和生物質燃燒的排放，由于該研究采樣時間正處于供暖期，在市區內主要通過燃煤進行供暖，而在農村地區則主要靠燃燒秸稈取暖，所以，排放源可能相對集中于燃煤供暖和生物質不完全燃燒的排放.

因此，對于以哈爾濱市為典型特征的我國北方城市，冬季供暖期，由于大量燃煤不完全燃燒排放的PAHs進入大氣中，會使大氣中有害污染物大量增加，對人類的健康可能存在較大的潛在威脅.近年來的研究表明，在全球范圍內，均充斥著低質量濃度工業有毒有害污染物[16].有毒污染物的排放呈累積趨勢，在世界范圍內對人類健康和生態系統產生危害.國外的類似調查說明，城市肺癌死亡率高于農村[17].

為減輕人類的健康風險，減少大氣中有毒有害污染物的質量濃度，從而降低癌癥的發病率，政府就需要重點考慮環境資源最佳分配方式、社會福利函數問題和企業對外部環境造成的危害等亟待解決的問題，通過制定合理且有效排污收費的策略，迫使污染物排放企業在政府(環境保護部門)公布排污收費價格之后，控制企業本身的排放行為，通過技術的改造和提升，提高燃料的燃燒效率，盡量減少污染物的排放量，同時，使其對外部環境造成的損害成本(或賠償成本)降至最低，從而減少大氣環境污染給人類健康帶來的威脅.

1.2 排污收費模型

1.2.1 價格控制問題

價格控制問題由 Bialas[18]最早提出，通常是一類比較特殊的二層線性規劃(Bilevel Linear Programming)問題.二層線性規劃問題的一般形式分為兩部分，即資源控制問題和價格控制問題，其一般表述形式分別為bTy)和maxyf2(x，y)，二者在約束條件Ax+By≤r，x，y≥0下有可行解.式中:上級決策變量x=下級控制決策的決策變A為m×n1階矩陣，B為m×n2階矩陣.有關價格控制問題的主要研究成果見文獻[19－22].

實際上，通常將非線性的價格控制問題轉化為線性問題進行處理，即價格控制問題由兩個決策者構成:價格的控制者(上級，即政府部門)和生產者(下級，即排放企業).在不同的價格控制下，生產者往往為了企業自身的生存發展，尋找對他“最有利”的生產規模，即使企業的利潤最大化，而不考慮其生產行為所造成的環境影響，此時，就需要政府部門制定價格標準來控制其生產排放行為，減少其排放行為所造成的環境污染.

1.2.2 排污收費模型的構建

基于價格控制的排污收費二層規劃模型的構建方法為:設不同行業(供暖、冶煉等)進行生產活動，由于其企業自身燃料的燃燒效率不高，而導致不完全燃燒所排放的n種大氣污染物的外部成本價為X=(X1，X2，…，Xn)T(由政府環保部門控制);則各行業污染物的排放量為 Y=(Y1，Y2，…，Yn)T(由污染物排放企業控制).

環保部門通過一定比例來收稅時，其比例分數為 a=(a1，a2，…，an)T.通常，生產企業排出的污染物對環境造成的危害越大，外部成本越高，相應的比例系數也越大.若按企業的年度排污量比例征收，則相應的比例分數為 b=(b1，b2，…，bn)T.一般情況下，對排放污染物越多，即排污越嚴重的企業，相應所采用的比例系數也越大.

政府環保部門可以根據國家或不同地區的經濟發展、環境容量等具體情況，采取不同的方式進行控制，通常所采取的控制方式分為:(1)嚴厲的收費政策，針對環境質量相對較差地區的企業，即大氣污染比較嚴重地區的企業，按最大值進行排污收費;(2)溫和的收費政策，針對環境質量相對較好地區的企業，按最小值進行排污收費.模型的詳細研究見文獻[23－24].

與傳統Pigovian定價方法相比，該模型的主要特點體現在:上下級決策者之間能夠進行充分的信息分享，具有信息交互性特點，下級在上級給定價格的情況及范圍內，擁有自主決策權，即下級擁有彈性調節權;下級的決策也會影響上級決策的制定，即上級擁有價格調整權;同時，上下級決策者受制于相同的約束條件，常構成相關聯的整體.

1.2.3 模型的求解

實際上，二層規劃問題是非線性的，但為了便于求解，往往將其當成線性問題來進行處理.常用的求解方法有搜索算法、遺傳算法、罰函數法、K次最好法、模擬退火算法等[23，25－26]，也有將價格控制問題轉化為與其等價的具有等式和不等式的單層數學規劃并用精確罰函數進行求解的研究[27].

1.3 結果與討論

生產企業的目標是追求其利潤的最大化，這就勢必會使企業的生產行為有違公眾的利益，并與政府的目標相違背.基于價格控制的構成，當價格的控制者(上級)與價格的執行者(下級)存在目標不一致時，即在不同價格的情況下，生產者總是試圖尋找對其“最有利”的生產規模，即在利益的驅動下，使其產值在客觀條件下達到最大，而上級決策者則應根據下級的反應做出對其來說最好的價格，以此來進一步控制企業的生產排放行為，即價格控制是動態的，只有根據企業的生產行為來不斷地調整排污收費的價格，才能達到真正控制企業排放的目的.另外，當企業的排放行為對環境的危害過大，導致其外部成本過高時，生產企業自身也會控制其生產行為，從而減少其污染物的排放.

2 結論

1)根據大氣中多環芳烴的實際監測質量濃度，應用源解析技術中的特征比值法，確定多環芳烴的污染源，并應用價格控制下的排污收費模型來控制污染物排放企業的行為，由于該模型具有信息交互的特點，避免了傳統Pigovian定價方法中存在的信息不對稱問題.

2)由于該模型求解方法較為復雜，只列出了一些較有代表性的算法，具體的全局最優解還有待進一步深入研究.

3)該模型不僅可以應用于燃煤企業的排污控制，還可對石油化工等相關企業的排污進行控制，以此規避企業的生產行為，減少其排污量，達到減少大氣中有毒有害污染物質量濃度的目的，從而降低大氣環境的變化給人類健康帶來的潛在威脅，降低致癌風險.

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