基于COD水環(huán)境剩余容量的流域生態(tài)補償研究

謝曉敏 蹇興超 馮慶革

(1.廣西大學(xué)環(huán)境學(xué)院，廣西 南寧 530004;2.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護廳，廣西南寧 530028）

本文選取普遍認可的污染指標COD為主要計算因子，從上游經(jīng)濟發(fā)展受限的角度出發(fā)，核算水域的化學(xué)需氧量(COD，Chemical Oxygen Demand）水環(huán)境容量，估算了COD水環(huán)境容量的工業(yè)利用價值，確定了環(huán)境容量和流域生態(tài)補償之間的關(guān)系，并結(jié)合當環(huán)境狀況和地經(jīng)濟發(fā)展程度確定補償系數(shù)，提出了一種基于COD水環(huán)境剩余容量的流域生態(tài)補償標準計算方法，從而為流域生態(tài)補償提出了一種新的補償思路。

1 基于水環(huán)境容量的流域生態(tài)補償分析方法

1.1 環(huán)境容量的計算方法

環(huán)境容量的測算各有特點，本文采用斷面水質(zhì)控制反向計算方法，所用的一維水環(huán)境容量模型適用于河寬小于200m的河道，通常先確定流域范圍的功能區(qū)劃設(shè)定的水質(zhì)目標和一定保證率下的最枯月流量［1］，在忽略離散作用時，描述河流污染物一維穩(wěn)態(tài)衰減規(guī)律的模型為:

式中，M為計算單元的理想水環(huán)境容量(t/a），Cs為上游斷面控制濃度(mg/L），C為下游斷面控制濃度(mg/L），Q為河道流量(m3/s），u為河段的設(shè)計流速(m/s），x為計算單元的長度(m），k為污染物綜合降解系數(shù)(L/d），α為不均勻系數(shù)，βs為允許排污河長占總河長的比例，不超過40%。

按照模型(1）計算得到的水環(huán)境容量是與設(shè)定的條件相對應(yīng)的一個確定的、理想的數(shù)值，理想的水環(huán)境容量容納了點源污染源和非點源污染源兩部分，非點源污染物不利于總量控制方案的實施［2］。在實際的河流水環(huán)境容量計算中，希望得到的是易于控制的、集中式排放的點源污染源的容量。因此，實際環(huán)境容量是式(1）的計算結(jié)果減去非點源污染源的入河量，如式(2）所示:

1.2 估算單位COD水環(huán)境容量的價值

式(3）中，C0為單位COD水環(huán)境容量的價值(萬元/t），G為當年該地排污企業(yè)對工業(yè)廢水處理的投資資金，E為當年該地工業(yè)COD排放總量(t/a）。式(3）的意義是根據(jù)當?shù)谻OD排放總量以及當?shù)亟?jīng)濟狀況的調(diào)查，計算排放每噸COD對應(yīng)的投資金額C0(萬元/t），估算每噸COD水環(huán)境容量的工業(yè)價值。

1.3 計算流域中COD水環(huán)境容量的工業(yè)利用價值

本文基于COD水環(huán)境容量作為生態(tài)補償?shù)膮⒖蓟鶞剩鶕?jù)式(4）確定流域剩余COD水環(huán)境容量的工業(yè)利用價值。式中，C為流域剩余COD水環(huán)境容量的工業(yè)利用價值(萬元），M為按功能區(qū)斷面水質(zhì)標準的類別計算的實際環(huán)境容量(t/a），Mi為按實際監(jiān)測水質(zhì)類別計算的實際環(huán)境容量(t/a），k為流域生態(tài)補償系數(shù)，由補償雙方GDP的比值和工業(yè)廢水的比重確定。計算結(jié)果若為正數(shù)，則說明上游COD剩余環(huán)境容量為正，下游需支付補償費用;反之，說明上游COD剩余環(huán)境容量為負，需對下游支付治污補償費用;若計算結(jié)果為零，則雙方無需支付補償。

2 實例研究

以左江崇左河段為例，其流域內(nèi)水源的主要利用方式是飲用水源和景觀用水(景觀娛樂用水區(qū)、飲用水源保護區(qū)），崇左市處于南寧市取水口的上游，影響著南寧百萬人民飲用水質(zhì)量。從1991年以來，南寧市的自來水水質(zhì)綜合合格率均在99.45%以上，該河段達到《地面水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838－2002）Ⅱ類水質(zhì)，排入該河段的主要污染源是點源污染源，包括城市生活污染源、工業(yè)污染源和規(guī)模化養(yǎng)殖污染源。

圖1為南寧市和崇左市排污總量、人均GDP的比較，從圖中可以看出，2003年至2010年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，下游南寧市的污水排放總量比上游崇左市高30%左右，都在2006年前后達到“倒 U 型”曲線［3－5］的峰值，但崇左市的人均GDP比南寧市低25%以上，反映了經(jīng)濟增長與環(huán)境質(zhì)量的量化關(guān)系［6］，從某種程度上來說，上游城市在水源保護中受到一定的經(jīng)濟發(fā)展限制［7］。因此，本文有必要以崇左市作為案例研究對象，考慮流域生態(tài)補償?shù)沫h(huán)境管理手段來緩和南寧市和崇左市經(jīng)濟發(fā)展的差異。

圖1 南寧市和崇左市排污總量、人均GDP的比較(2003－2010）

2.1 COD水環(huán)境容量計算分析

2.1.1 COD 排放總量的估算

(1）點源污染量。根據(jù)表1污染普查數(shù)據(jù)顯示，2007年崇左市排放工業(yè)廢水總量為4 692.49萬t，經(jīng)處理排放的工業(yè)廢水COD總量為3.61萬t;城鎮(zhèn)人口數(shù)量40.33萬，城鎮(zhèn)廢水排放總量為2 767.52萬t，COD排放量達0.97萬t;折合規(guī)模化養(yǎng)殖豬共4.72萬頭，廢水產(chǎn)生量共5.49 萬 t，污水排放量1.10萬 t，COD 排放量達 3 100t。綜合以上工業(yè)污染源、城市生活污染源、規(guī)模化養(yǎng)殖污染源排放的COD總量作為點源污染源排放總量，合計崇左市點源COD排放量為4.89萬t，南寧市為15.53萬t。

(2）非點源污染量。非點源包括農(nóng)村生活、農(nóng)田徑流、非規(guī)模化禽畜散養(yǎng)、城市徑流、礦山徑流［2，8－9］，合計崇左市非點源排放量為11.14萬t，南寧市為19.54萬t。

表1 崇左市、南寧市點源和非點源COD排放量統(tǒng)計

2.1.2 剩余COD水環(huán)境容量的計算

(1）功能區(qū)及計算單元的劃分。明確功能區(qū)的劃分，在計算前，對河道進行了一定的簡化，左江崇左河段總共分為40個單元計算，每個單元的長度不超過20km。

(2）計算邊界。污染源調(diào)查點上強調(diào)重點污染源，水環(huán)境功能區(qū)的劃分，若出現(xiàn)上下游斷面水質(zhì)矛盾，按較高功能標準進行。水文統(tǒng)一按照90%最枯月流量計算，不考慮現(xiàn)狀因素變化和優(yōu)化。模型計算的前提是，污染物進入河流后，在一定范圍內(nèi)經(jīng)過平流輸移、縱向離散和橫向混合后達到充分混合，或者根據(jù)水質(zhì)管理的精度要求允許不考慮混合過程而假定在排污口斷面瞬時完成均勻混合，按一維模型問題概化計算條件［2］。

(3）模型參數(shù)的確定。①Cs上游斷面控制濃度和C下游斷面控制濃度

根據(jù)功能區(qū)的劃分，斷面水質(zhì)要求執(zhí)行GB3838－2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》;②取90%保證率最枯月平均流量作為設(shè)計流量，確定相應(yīng)的設(shè)計流速，考慮安全因素，設(shè)計流速取0.1m/s;④x計算單元的長度按不同功能區(qū)劃分，基本劃分為10km;⑤k污染物綜合降解系數(shù)的取值，通過實驗測定COD濃度并經(jīng)過一級動力學(xué)反應(yīng)模型確定。一般COD污染降解系數(shù)取0.2L/d;⑥α不均勻系數(shù)的取值，河寬0－50m取值為0.8－1，50－100取值為0.6－0.8，100 － 150 取值為 0.4 － 0.6［2］。龍州縣河段40m，扶綏縣河段80m，江州區(qū)河段110m，α分別取值1、0.8、0.6。⑦βs是允許排污河長占總河長的比例，β取值限制為40%。將以上參數(shù)帶入反向計算模型，根據(jù)反向計算模型計算得到的即為理想水環(huán)境容量，必須扣除無組織排放的非點源COD入河量才能得到能進行總量控制的實際環(huán)境容量，如式5所示。非點源COD入河量為實際上非點源進入河道的總量，大部分為無組織排放源或天然排放源。

表2 崇左市左江各行政區(qū)段按Ⅱ、Ⅲ類水質(zhì)的COD水環(huán)境容量匯總

(4）模型計算結(jié)果。根據(jù)以上的計算過程，得到2007年左江崇左河段環(huán)境容量的匯總表見表2。

圖2 崇左市河段各計算單元按Ⅱ類、Ⅲ類水質(zhì)標準計算的COD水環(huán)境容量比較

如表2所示，2007年崇左河段按Ⅲ類水質(zhì)計算的COD理想水環(huán)境總?cè)萘繛?44 557.3t，非點源污染物總?cè)牒恿繛?4 086.5t，COD 水環(huán)境實際容量為 240 470.8t。按Ⅱ類水質(zhì)計算的COD理想水環(huán)境總?cè)萘繛?83 417.9t，非點源污染物總?cè)牒恿繛? 086.5t，COD水環(huán)境容量為179 331.4t。

圖2為崇左市河段各計算單元按Ⅱ類、Ⅲ類水質(zhì)標準計算的COD水環(huán)境容量比較，圖中列出了主要流域范圍中龍州縣、江州區(qū)、扶綏縣的COD水環(huán)境容量情況。根據(jù)Ⅱ類、Ⅲ類水質(zhì)計算的剩余COD水環(huán)境容量為61 139.4t。

2.2 單位水環(huán)境容量價值的研究

根據(jù)調(diào)查，2007年全市排污企業(yè)的廢水處理總投資約為3.458億元，排放工業(yè)廢水COD總量為3.61萬t，折合處理每噸COD需投資9 578.9元。

2.3 崇左市流域水環(huán)境COD水環(huán)境容量的工業(yè)利用價值

本文提出基于COD水環(huán)境容量的工業(yè)利用價值作為流域生態(tài)補償?shù)膮⒖迹鶕?jù)式(4）可知:

本方法計算的剩余環(huán)境容量若全部用于工業(yè)生產(chǎn)，理論上可以多產(chǎn)生5.86億元的產(chǎn)值，但由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的復(fù)雜性，其計算結(jié)果往往偏大，所以只能作為補償?shù)牧炕瘏⒖肌Ｋh(huán)境容量也不可能完全利用殆盡，因此生態(tài)補償額度需根據(jù)兩地環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展的差異確定補償系數(shù)k，或由補償雙方協(xié)商確定。

2.4 流域生態(tài)補償系數(shù)的計算

根據(jù)2003－2010年的污普數(shù)據(jù)顯示，崇左市工業(yè)COD排放占總量的比重穩(wěn)定在75% －85%之間，2007年崇左市工業(yè)COD排放占總量的比重為78.9%。南寧市和崇左市的GDP比值如表3所示，2007年兩市該比值為0.216，最終確定流域生態(tài)補償系數(shù)k為0.170，那么本方法計算關(guān)于南寧市和崇左市的流域生態(tài)補償?shù)念~度為C=5.86k，即9 962 萬元。

表3 南寧市和崇左市的GDP及補償系數(shù)

3 結(jié)論

本文從COD水環(huán)境容量的角度出發(fā)，提出了基于剩余環(huán)境容量的流域生態(tài)補償，構(gòu)建了一個涉及環(huán)境和經(jīng)濟要素的流域生態(tài)保護補償?shù)哪Ｊ剑⒁宰蠼饔虺缱笫泻湍蠈幨袨榘咐治觯瑴y算了上游崇左市為保護下游南寧市水質(zhì)所放棄的工業(yè)發(fā)展機會成本。結(jié)果表明COD水環(huán)境容量與流域生態(tài)補償有直接關(guān)系，可以采用COD水環(huán)境容量的價值計算出流域生態(tài)補償?shù)念~度，此額度可用于衡量上游崇左市水質(zhì)保護效果高于功能區(qū)規(guī)劃所付出的代價，具有較高的現(xiàn)實價值。這種方法有助于深化自然資源與環(huán)境承載力相協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展原則，減輕上游發(fā)展過程中對流域生態(tài)環(huán)境投入的壓力，在全流域資源整合的層面上促進水資源的可持續(xù)利用。

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