基于治污成本法的流域生態補償標準研究

徐麥菊, 劉小飛, 劉文康

(1.平頂山市昭平臺水庫管理局, 河南 平頂山 467300; 2.鄭州大學 水利與環境學院, 河南 鄭州450001)

基于治污成本法的流域生態補償標準研究

徐麥菊1, 劉小飛1, 劉文康2

(1.平頂山市昭平臺水庫管理局,河南平頂山467300; 2.鄭州大學水利與環境學院,河南鄭州450001)

[目的] 對河南省駐馬店市小洪河流域生態補償標準進行研究，為建立流域水質生態補償標準核算模型提供參考。 [方法] 通過搜集污水處理廠的運行和處理資料，選取COD、氨氮和總磷3個有代表性的污染因子，采用治污成本法和統計學方法開展研究。 [結果] 西平縣、上蔡縣、平輿縣、新蔡縣的補償值分別為0.40，0.46，0.58和0.88元/t，與相關研究結果較為相符。 [結論] 基于治理成本模型的水質生態補償標準核算模型能夠很好地反映流域水污染因子的單位成本，為生態補償機制的構建打下了堅實的基礎。

生態補償; 補償標準; 治污成本法; 小洪河流域; 水質模型

文獻參數： 徐麥菊, 劉小飛, 劉文康.基于治污成本法的流域生態補償標準研究[J].水土保持通報，2017,37(4)：156-160.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.026； Xu Maiju, Liu Xiaofei, Liu Wenkang. Ecological compensation standard for river basin based on method of pollution treatment cost[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：156-160.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.026

實施生態補償是調動各方積極性、保護生態環境的重要手段，是生態文明建設的重要內容。國內外學者從支付意愿和受償意愿[1]、環境損害成本[2]、污染物削減費用、直接投入和機會成本[3]、生態系統服務等角度對流域生態補償標準的測算進行了大量的研究。范曉芬[4]綜合考慮流域環境治理成本和各地區環境治理成本，提出3種生態補償額的確定方法，并對太湖流域進行了研究應用。劉桂環等[5]通過分析我國現有流域生態補償實踐的3種類型，總結出生態補償標準核算的兩種方法，并總結了兩種方法的適用范圍。趙海霞等[6]構建了基于污染足跡的生態補償標準模型，計算了3大組群的補償或受償標準。國外的研究突出的是受益方及付出方通過契約進行市場交換，對補償的經濟原因、市場化的補償途徑、補償的具體機制進行的研究比較多。目前運用污水治理成本法定量分析污染賠償標準研究的僅有劉曉紅等[7]，但其研究采用樣本數據較少，代表性不足。本文在已有研究的基礎上，通過廣泛搜集污水處理廠的運行和處理資料，選取COD、氨氮和總磷3個有代表性的污染因子，采用治污成本法對小洪河流域生態補償標準進行研究，為建立流域水質生態補償標準核算模型提供參考。

1 基于治污成本法的生態補償標準測算模型的構建

1.1 治污成本法的補償機理

流域上游來水經過沿岸生產生活取水、用水、排水等過程，使得河道中的污染物增加，水體在向下游運動的過程中同時發生水體自凈作用，污染物得到一定程度的減少。若到達下游的水體中的污染物濃度高于標準限值，則下游地區需要采取一系列的措施使得水質達到一定使用標準，在此過程中投入了一定的財力，以此費用為基礎，下游地區要求上游地區進行補償，一方面既彌補了下游治理費用的支出，另外在某種程度上可以約束上游的排污[8]。

基于治污成本法的補償標準測算模型建立思路如下：在收集區域內城市污水處理廠進出水水質、年處理規模、年運行費用等數據基礎上，引入處理設施效益[9]分離出各污染物的處理成本，再利用統計學方法擬合出進水水質、出水濃度與污染物治理成本關系的曲線，建立基于污水治理成本曲線的計算模型[10]，由此核算出不同進水濃度、出水濃度的污染物治理成本，以此作為生態補償的標準。

1.2 水質模型構建

1.2.1 水環境容量計算 水環境容量是指“某一水環境單元在特定的環境目標下所能容納污染物的量，也就是指環境中依靠自身特征使本身功能不至于被破壞的前提下能夠允許容納的最大污染物的量”[11]。水環境容量由兩部分組成：

W0=E稀+E自

(1)

式中：W0——水環境容量(kg/d)；E烯——稀釋容量(kg/d)；E自——自凈容量(kg/d)。

E稀=86.4×(S-Cb)×Qr

(2)

式中：S——水質標準(mg/L)；Cb——河流背景濃度(mg/L)；Qr——河流流量(m3/s)。

(3)

式中：Qt——河流流量(m3/s)+廢水流量(m3/s)；l——河段長度(m)；k——綜合衰減系數(1/d)；u——河流流速(m/s)。

1.2.2 水質模型 污染物進入水體之后，隨著水體的遷移運動，污染物在水體中得到稀釋和擴散，濃度得到一定降低。假定污染物符合一級衰減反應，選用一維水質模型：

(4)

式中：C——水質濃度(m3/s)；K——污染物綜合衰減系數(1/d);x——到排污口距離(m)，Dx——彌散系數(m2/s)；u——河流流速(m/s)。

該方程可以求得解析式：

(5)

式中：Q0——上游來水量(m3/s)；QE——污水排放量(m3/s)；WE——單位時間污染物超標排放量(g/s)；m——常數。

(6)

WE=(W-W0)/t

(7)

式中：W——污染因子年入河量(t)；W0——水環境容量即納污能力(t/a)，即允許最大排放量；t——時間(s)。

則公式(5)可以表示為：

C=C0ekx

(8)

式中：C0——污染源排放處的混合濃度(mg/L)，C0=WE/(Q0+QE)m；k——是綜合反映污染物對流、擴散和衰減作用的系數，k=u(1-m)/2Dx。

1.3 污染物治理成本模型的構建

選擇城市污水處理廠的運行數據開展治理成本研究。由于污水處理廠的資料均是污水治理總成本，沒有針對不同污染因子的處理成本，因此引入處理設施效益，通過深入研究污水中各污染物的治理成本系數，進而對各污染物治理成本進行核算。某一污染物處理設施的第i種污染物的處理效益[12]ηi可表示為：

(9)

式中：Ii——第i種污染物的進水濃度(mg/L)；Ei——第i種污染物的出水濃度(mg/L)；Si——污染物的排放標準，采取污水處理廠污染物排放一級標準(mg/L)；其中：Ii，Ei采用各污水處理廠中第i種污染物的實際進、出水濃度。

(10)

式中：γ(i)——第i種污染物的治理成本系數；ηi——處理設施對第i種污染物的處理效益。

若處理了N種污染物，那么第i種污染物的治理成本為：

(11)

式中：Ci——第i種污染物的治理成本(元/t)；C——廢水的治理成本(元/t)。

結合污染物的進出水濃度的差值，分別計算1 t水削減1 mg/L污染物的治理成本：

Ci=Ci/(Ii-Ei)

(12)

式中：Ci——1 t水削減1 mg/L第i種污染物的治理成本。

以上述所建立的各種污染物治理成本計量經濟模型為依據，對不同濃度情況下每1 t水削減1 mg/L各種污染物所需的治理成本進行預測，此時各種污染物的治理成本之和值即為生態補償標準。

2 實例研究

2.1 小洪河流域概況

小洪河發源于伏牛山脈，干流流經舞陽、西平、上蔡、平輿、新蔡等5市縣(其中屬于駐馬店地區的有西平、上蔡、平輿、新蔡)。于新蔡縣班臺同汝河交匯流入大洪河，全長265.6 km，流域面積4 170 km2。90%的流域面積位于駐馬店市境內，是淮河上游主要的洪水發源地之一。

駐馬店轄洪河流域水質基本處于Ⅴ類水，冬季個別月份出現劣Ⅴ類。小洪河流域的污染主要是沿河工企業廢水以及生活污水等，污水滲透污染沿河地下水，不僅引發用水矛盾，而且給生態、漁業和城鄉供水安全帶來嚴重影響。

2.2 污染因子的確定

洪河駐馬店轄流域水污染主要來自于生活污水和工業企業廢水，主要污染因子為化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)及總磷(TP)，同時河南省環境監測中心站的監測因子也為COD、氨氮及總磷，到目前為止，這3個污染因子也成為研究區地表水環境質量控制的約束性指標，再結合中國《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》，因此選擇化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)3個污染因子作為駐馬店市小洪河流域生態補償分析的水質因子。

2.3 生態補償標準測算

2.3.1 水環境容量計算 根據主要的入河排污口的分布及水環境容量計算的需求，同時兼顧生態補償的主客體，研究確定本研究的計算單元。考慮到入河排污口的分布主要是以行政縣的形式分布的，而且生態補償的主客體亦是行政縣，因此按照行政分區(縣)對河道進行一定的簡化，以4個行政分區作為計算單元，每個計算單元的長度分別為36，48.9，31.5，67.2 km。根據駐馬店轄洪河流域的水功能區劃分，駐馬店轄洪河流域的水質目標多為Ⅳ類水，因此計算水環境容量時均選擇以Ⅳ類水作為標準。

(1) 計算參數的確定。根據上述對污染因子的選取，因此亦選取COD、氨氮、總磷作為水環境容量的計算因子。駐馬店轄洪河流域的流量采用臨時曲線法[13]、連實測流量過程線法[14]推求，此流量具有較好的科學性與代表性。污染物綜合衰減系數[15]k受水溫、水文條件、河道特征、污染物濃度梯度等因素影響，本研究采用河南省環保局提供的污染物衰減系數，其中KCOD取0.16，KNH3-N取0.10，KTP取0.14。

(2) 計算結果。當前駐馬店轄小洪河流域的水污染狀況較差，基本處于Ⅴ類水的污染狀態，因此駐馬店轄小洪河流域的水環境稀釋容量為零。因此，自凈容量即為水環境容量。各行政分區的水環境容量詳見表1。

表1 駐馬店轄小洪河流域各個行政縣斷面的理論濃度值

2.3.2 理論水質濃度的確定 2012年駐馬店轄洪河流域COD排放量為96 264.97 t/a，氨氮排放量為3 424.38 t/a，總磷的排放量為903.849 2 t/a。根據構建的水質模型，對駐馬店轄洪河流域各行政分區的斷面理論濃度的計算結果如表1所示。

2.3.3 計算污染物治理成本 本研究在開展實地調研的基礎上，分別選取駐馬店西平縣河南省華中環保研究有限公司西平項目部、上蔡縣潔美污水處理有限責任公司、平輿縣污水處理廠、新蔡縣污水處理廠的2012年有效污水處理廠運行數據建立污染治理成本預測模型，預測各水質濃度恢復到Ⅱ類水時所需的成本，從而確定生態補償標準。

本研究調研收集的樣本廠運行數據中主要包括COD、氨氮、總磷的進水濃度、出水濃度、標準限值、年處理量、治理成本。

(1) COD治理成本模型建立。根據公式，得到COD削減1 mg/L的治理成本，具體見表2。從中可以分析出COD進水濃度與每t水每削減1 mg/LCOD治理成本之間的關系，隨著COD進水濃度的增加，單位治理成本呈現逐漸遞減的趨勢，并逐漸趨于穩定。冪函數的擬合優度較高，所以根據曲線擬合結果，建立COD進水濃度和其單位治理成本之間的關系模型為：

(13)

式中：XCOD——COD進水濃度(mg/L)；YCOD——每1 t水每削減1 mg/LCOD所需的治理成本(元)。

表2 不同污水處理廠削減1 mg/L COD的治理成本

(2) 氨氮治理成本模型建立。同上述COD治理成本模型建立過程相同，根據污染物進水濃度與治理成本的函數關系，建立氨氮進水濃度和其單位治理成本的關系模型為：

(14)

式中：Y氨氮——每1 t水每削減1 mg/L氨氮所需的治理成本(元)；X氨氮——氨氮進水濃度(mg/L)。

(3) 總磷治理成本模型建立。同上述COD治理成本模型建立過程相同，根據污染物進水濃度與治理成本的函數關系，建立氨氮進水濃度和其單位治理成本的關系模型為：

(15)

式中：Y總磷——每1 t水每削減1 mg/L總磷所需的治理成本(元)；X總磷——總磷進水濃度(mg/L)。

2.4 生態補償標準的確定

從目前駐馬店轄洪河流域的水質情況來看，若水質能普遍達到Ⅱ類水，就已達到集中生活飲用水標準，水質將會是較為理想的狀態，因此選擇以Ⅱ類水為標準，進行補償標準的確定。根據以上建立的COD、氨氮、總磷的治理成本模型，結合計算得到的水質理論濃度，即可得到COD、氨氮、總磷由理論值恢復到標準值所需補償的金額(表3)。

表3 各縣生態補償標準計算結果

2.5 結果分析

根據駐馬店各縣補償值計算結果，西平縣、上蔡縣、平輿縣、新蔡縣的補償值分別為0.40，0.46，0.58，0.88元/t。根據《淮河流域水污染控制生態補償機制研究報告》，同樣是根據城市污水處理廠的運行數據，結合斷面水質濃度Ⅲ類水恢復到Ⅱ類水的成本，計算出來河南省淮河流域的補償標準為0.55元/t，與本研究成果相差不大。同時，當前駐馬店轄洪河流域1 t水的治理成本平均在1.04元，本研究計算的治理成本相對較低。這是因為本研究只是以COD、氨氮、總磷為污染因子，沒有考慮其他的污染因子的影響，因此計算得出的基于治污成本法計算出的生態補償標準相對較低是符合現狀。

3 結 論

本文基于污水處理廠進出水濃度等相關數據，構建了基于治理成本模型的水質生態補償標準核算模型，該模型能很好的計算出流域水污染因子COD、氨氮、總磷的單位治理成本，為生態補償機制的構建打下堅實的基礎。但是治污成本法計算出來的補償標準偏低，具有一定局限性，在未來還需要探索更加科學與可操作的核算方法。

[1] 鄭海霞,張陸彪,涂勤.金華江流域生態服務補償支付意愿及其影響因素分析[J].資源科學,2010,32(4):761-767.

[2] 石廣明,王金南,畢軍.基于水質協議的跨界流域生態補償標準研究[J].環境科學學報,2012,32(8):1973-1983.

[3] 魏楚,沈滿洪.基于污染權角度的流域生態補償模型及應用[J].中國人口·資源與環境,2011,21(6):135-141.

[4] 范曉芬.基于污染物消減成本核算太湖流域跨界生態補償額研究[D].上海：上海師范大學,2015.

[5] 劉桂環,文一惠,張惠遠.流域生態補償標準核算方法比較[J].水利水電科技進展,2011,31(6):1-6.

[6] 趙海霞,徐頌軍.基于污染足跡的區域內生態補償標準研究：以廣州市為例[J].華南師范大學學報:自然科學版,2015(4):116-121.

[7] 于魯冀,王燕鵬,梁亦欣.基于污水治理成本的流域污染賠償標準研究[J].生態經濟,2011(9):51-54.

[8] 陳沫宇.基于TPC-WRV耦合模型的流域生態補償標準研究[D].河南 鄭州：鄭州大學,2015.

[9] 呂文艷.宜昌市城鎮污水處理設施效益分析與對策探索[J].資源節約與環保,2015(6):180-180.

[10] 閆旭.流域污染生態補償標準模型研究[D].吉林 長春：吉林大學,2012.

[11] 楊玲.綦江干流江津段水環境容量研究[D].重慶：西南大學,2009.

[12] 譚亞榮,鄭少鋒.環境污染物單位治理成本確定的方法研究[J].生產力研究,2007(24):52-53.

[13] 秦敏.天然河道采用臨時曲線法定線推流理論要領與技巧[J].黑龍江水利科技,2013,41(8):25-29.

[14] 胡憲發.堰閘站流量資料插補方法探討[J].中國水利,2013(S2):101-102.

[15] 劉洪燕,代巍.淺談河流污染物綜合衰減系數的確定方法[J].河南科技,2014(2):171-172.

Ecological Compensation Standard for River Basin Based on Method of Pollution Treatment Cost

XU Maiju, LIU Xiaofei1, LIU Wenkang2

(1.Reservoir Authority of Zhaopingtai in Pingdingshan City, Pingdingshan, He’nan 467300， China; 2.College of Water Conservancy and Environment Engineering of Zhengzhou University, Zhengzhou, He’nan 450001, China)

[Objective] The ecological compensation standard of Xiaohonghe River basin was studied in Zhumadian City to provide reference for establishing the account model of ecological compensation standard of river basin water quality. [Methods] Based on the operation and handing data of sewage treatment plants, COD, ammonia nitrogen and total phosphorus were selected as the representative pollution factors, then pollution treatment cost method and other statistical methods were used to carry out the research. [Results] The compensation values in Xiping County, Shangcai County, Pingyu County, Xincai County were 0.40, 0.46, 0.58, 0.88 yuan per ton, and the results were in good agreement with other related research. [Conclusion] The water quality-based ecological compensation standard accounting model assessed by pollution treatment cost model can well reflect the unit cost of each water pollution factor of river basin, which laid a solid foundation for the construction of ecological compensation mechanism.

ecologicalcompensation;compensationstandard;pollutiontreatmentcostmethod;XiaohongheRiverbasin;waterqualitymodel

A

： 1000-288X(2017)04-0156-05

： X171.5

2016-12-15

：2017-02-26

國家自然科學基金項目“基于生態經濟學與污染物總量控制的流域水環境生態補償研究”(51479180)

徐麥菊(1974—),女(漢族),河南省三門峽市人,學士,高級工程師,主要從事水資源學管理與研究工作。E-mail：5087363@163.com。

劉文康(1993—),男(漢族),河南省鶴壁市人,碩士研究生,研究方向為水資源規劃與水環境生態。E-mail:liuwenkangzzdx@126.com。