灤河承德段水環境容量計算及初始分配

門寶輝，牛曉赟，劉燦均，陳 靜，劉晶晶

(1.華北電力大學水利與水電工程學院，北京 102206； 2.承德市生態環境局，河北 承德 067000)

近些年我國經濟社會快速發展，居民消費需求日漸加大，各類污水排放量不斷增長，水環境問題日漸突出[1-2]。我國實施水污染防治的主要辦法是對水污染物進行總量控制，該方法由美國聯邦環境保護局在20世紀70年代提出，即根據確定的目標總量對污染物進行削減，再對其進行合理分配[3-8]。我國在20世紀70年代開始研究污染物濃度控制問題，80年代提出排污許可證制度，著重對污染物濃度進行嚴格控制[9-11]。隨著研究不斷深化，我國學者發現濃度控制不能從根本上改善污染問題，所以將研究方向逐步轉向總量控制[12-13]。要控制污染物總量，首先要核算出準確的水環境容量值，從而依據水環境容量和允許排放量進行分配[14]。我國學者對水環境容量總量分配主要是基于公平和效率原則，根據對二者側重點不同，提出了等比例分配法、層次分析法、最小費用法、基尼系數法等分配方法，并引入數學模擬和數理統計等方法對分配方法進行優化。如楊志平等[15]將治理費用最小作為主要目標，建立模型對水環境容量進行了合理分配；徐鴻德[16]利用最小費用法進行了河流污染物的協調分配；林高松等[17]將公平性作為首要原則，提出了等比例分配法；顏潤潤等[18]將等比例分配法應用于新孟河流域；謝夢達等[19]綜合上海、浙江、福建的環境、經濟、技術等方面的差異，應用層次分析法，進行了總量分配；陳丁江等[20]利用基尼系數法對水環境容量進行多目標分配；秦嵐迪等[21]基于尼基系數法對洞庭湖區的水環境容量進行了科學分配。

針對現有水環境容量分配方法的研究大多未完全結合實際水環境容量，也沒有考慮水質評價等問題。本文從“濃度”和“總量”兩個角度出發，通過水質評價對灤河水質優劣進行分析，核算灤河水環境容量作為容量總量，采用等比例分配法進行分配，并采用基尼系數法對分配結果進行評價，以期為承德市水環境容量總量控制提供重要參考，為承德市開展排污權交易工作和探索建立流域內跨行政區生態補償機制提供支撐。

1 研究區概況

灤河位于華北平原東北部，發源于河北省承德市豐寧縣巴彥古爾圖山北麓，是海河流域四大水系之一。灤河全長888 km，流域面積44 880 km2。河北省承德市灤河流域集水面積為28 616 km2，占全市總面積的72%，占整個灤河流域總面積的64%，灤河流域水系分布如圖1所示，灤河承德段是灤河流域的核心部分。灤河流域多年平均年徑流量為44.23億m3，承德市多年平均水資源總量大約為37.01億m3，并呈東南-西北向遞減分布。自引灤入津工程投入運行以來，年輸水量已達10億m3，極大程度上緩解了天津市供水困難問題，灤河已成為天津市的重要水源，為河北省部分地區及天津市帶來了社會效益、生態效益和環境效益。

圖1 灤河水系分布

2 灤河承德段水質評價

2.1 斷面布設及指標選取

選取灤河承德段上部的東缸房、郭家屯斷面，中部的宮后、承鋼大橋、偏橋子大橋和上板城大橋斷面，下部的烏龍磯大橋、大杖子(一)和門子哨斷面(圖2)作為評價對象，選取KMnO4、BOD5、NH3-N、COD、TP 5個代表性的參評指標，對灤河承德段2020年2月(枯水期)和5月(豐水期)各斷面的水質情況進行評價。

圖2 灤河承德段監測斷面分布

2.2 評價方法

2.2.1單因子指數法

單因子指數法將參評指標多次監測的平均值或多次監測的最值，與該指標對應的水質標準進行比對，計算單因子指數，確定水樣在該指標下的水質等級，由此對各參評指標進行水樣水質等級的判定，遵循“從劣不從優”的原則[22-23]，選擇各參評指標對應的最低水質等級作為水樣水質評價的結果。單因子指數法計算公式為

(1)

式中：pi,j為第i項指標在第j水質等級下的單因子指數；Ci為第i項指標的實測濃度值；Ci,j為第i項指標對應的第j等級的水質標準濃度值。

2.2.2灰色關聯分析法

灰色關聯分析法通過將水質監測值作為參考序列，水質標準作為比較序列，在對參考序列和比較序列進行歸一化處理后[24]，確定第i個指標(i=1,2,…,n)監測值到第j等級(j=1,2,…,m)標準值區間的距離Δi,j，進而計算該指標與等級j的關聯系數ζi，j，第i個指標與等級j的關聯系數計算公式[25-26]為

(2)

Δi,j=|xi-Ci,j|

式中：xi為第i個指標的監測值；Ci,j為第i個指標對應等級j的水質標準濃度值；λ為分辨系數，一般取0.5。

根據式(3)計算水樣與等級j的關聯度，并選取最大關聯度對應的等級作為水樣的評價等級。

(3)

式中wi為第i個指標的權重值。各指標權重值可通過CRITIC法進行計算[27]。

2.3 評價結果

用單因子指數法和灰色關聯分析法分別評價灤河干流承德段2020年2月和5月各斷面水質。單因子指數法將最為嚴重的污染物作為評價對象來確定水樣的水質等級，適用于確定水樣的主要污染物。各監測斷面2月和5月的評價結果及主要污染物見表1。2月(枯水期)灤河承德段的主要污染物為COD、TP和NH3-N，5月(豐水期)主要污染物為COD、TP。灤河承德段的上游主要受到COD的污染；中游主要受到TP的污染，其中，宮后和承鋼大橋兩個斷面的TP污染比較嚴重；下游2月(枯水期)主要受到NH3-N的污染，5月主要受到COD和TP的污染。

表1 灤河承德段各斷面單因子指數法評價結果

灰色關聯分析法能夠綜合考慮各指標對于水質的影響，其對灤河承德段的水質評價結果為：2月東缸房、郭家屯和大杖子(一)斷面為Ⅰ類水，宮后、承鋼大橋、偏橋子大橋、烏龍磯大橋和門子哨斷面為Ⅱ類水，上板城大橋斷面為Ⅲ類水；5月宮后、上板城大橋斷面為Ⅰ類水，東缸房、郭家屯、承鋼大橋、烏龍磯大橋、大杖子(一)和門子哨斷面為Ⅱ類水，偏橋子大橋斷面為Ⅲ類水。由評價結果可知：市內上游及下游河段水質較優，枯水期水質優于豐水期水質；市內中游河段由于流經承德市較發達區域，污染相對嚴重，水質劣于上游和下游，且豐水期和枯水期水質變化趨勢不明顯。總的來說，灤河承德段水質較好，能夠滿足Ⅲ類水要求。

3 灤河承德段水環境容量計算

環境容量具有資源性，水環境容量分配的前提是進行水環境容量計算[28-29]。本文將承德境內水系中的灤河干流作為研究對象，調查與評價了水文資料(包括流域面積、流速、流量、水位、降水量等)、水質資料、排污口資料、取水口資料、污染源資料、社會經濟指標數據、研究區域統計年鑒等，并進行數據一致性分析，形成數據庫；進行了水域概化，明確河流水功能區的特征并劃分控制單元，確定主控污染物，進而計算水環境容量[30]。

3.1 確定水功能區

水功能區是指為滿足河流、湖泊水資源合理開發利用和有效保護需求，并按綜合規劃、水資源保護規劃和經濟社會發展要求，劃分出執行特定標準的特定區域[31]。根據GB 50594—2010《水功能區劃分標準》以及《河北省水功能區劃》(冀水資[2017]127號)，結合灤河干流流經區域的特征，對灤河干流進行水功能區劃分，具體見表2。

表2 灤河干流水功能區劃分

3.2 劃分控制單元

基于數字高程模型(DEM)數據，采用ArcGIS Hydrology水文分析工具，對承德市數字高程數據進行創建無凹陷點DEM、流向分析、流量統計等系列操作，得到承德市境內水系的集水區范圍，提取出灤河干流集水區。根據已有的數據資料，將提取的灤河干流集水區與監測斷面位置、排污口位置數據進行疊加分析，提取滿足控制單元劃分原則的區域作為匯水單元，最后將匯水單元與區縣邊界疊加，得到灤河干流上的7個控制單元。每個控制單元均包含在一個區縣內部，且在河流流經的兩個區縣交界處，即控制單元的入口和出口均有監測斷面分布。灤河承德段的控制單元劃分結果如圖3所示。

圖3 灤河承德段控制單元劃分

3.3 水域概化

水域概化是指將復雜的河道概化為簡單的河道，將非穩態的水流概化為穩態的水流，將相鄰近的多個排污口概化為一個排污口使得概化后的水域更易于環境容量的計算。在水域概化模型中，參與概化的要素主要分為3方面：節點、河段、上下界。灤河承德段水域概化結果如圖4所示。

圖4 灤河承德段水域概化結果

3.4 確定主控污染物

我國現行污染物總量控制方法首先是對COD水污染排放總量進行控制，再將NH3-N指標加入其中。污染物總量的控制不僅為水環境治理取得了顯著的成果，也為我國有機污染問題的研究做出了巨大的貢獻。《水污染防治行動計劃》(國發〔2015〕17號)中指出TN、TP等指標對水環境有顯著影響，要將這些指標納入流域、區域污染物排放總量控制約束性指標體系中。對TN、TP的排放控制在“十三五”期間也被列上日程，在部分流域和區域內已經展開。本研究調查了承德市2013—2019年地表水監測斷面的水質類別及主要污染物狀況，由調查水質數據可知，承德市境內灤河水體已受到不同程度的污染，TP已經成為承德市河流的主要污染指標之一。因此，水環境容量計算選擇COD和NH3-N作為主要控制因子，增加TP作為區域特征污染物。

3.5 水環境容量模型和計算

3.5.1計算模型的選擇

根據GB/T 25173—2010《水域納污能力計算規程》和灤河實際狀況，采用河流一維水質數學模型計算。河流的水環境容量一般由自凈容量、稀釋容量和輸移容量組成，水環境容量計算公式為

W=Ws+Wd+Wt

(4)

Wt=31.653qCs

式中：W為河流水環境容量；Ws為自凈容量；Wd為稀釋容量；Wt為輸移容量；K為污染物綜合衰減系數；x為河段長度；u為河流斷面的平均流速；qm為污水排放量；Q0為河段流量；Cs為河道控制斷面水質標準；C0河流中污染物的本底濃度。qm相對于Q0是一個很小的值，在計算中一般忽略不計，W可整理簡化為

(5)

3.5.2模型參數的確定

在對河段進行水環境容量計算時，用河流的設計流量表示設計水文條件。對于常年有水，并且水量相對充沛的河流，一般情況下采用多年最枯月平均流量，推求設計保證率P=90%的設計流量條件；對于有冰封期、季節性、枯水期的河流，一般可根據流域實際情況確定設計標準。通過對郭家屯水文站、三道河子水文站、烏龍磯水文站2007—2016年的流量系列數據資料分析計算，得到灤河干流郭家屯水文站90%保證率下的設計流量為 3.8 m3/s，三道河子水文站90%保證率下的設計流量為4.56 m3/s，烏龍磯水文站90%保證率下的設計流量為6.42 m3/s。結合《全國水環境容量核定技術指南》[32]以及《河北省地表水水環境容量核定技術報告》，灤河干流各段各指標衰減系數取為KCOD=0.23 d-1，K氨氮=0.05 d-1。TP是難降解的無機物，只能稀釋，因此進行水環境容量計算時只考慮稀釋容量和輸移容量[33]。

3.5.3水環境容量的計算結果

根據灤河承德段的基本情況和水質控制目標，計算出灤河承德段COD、NH3-N、TP的環境容量分別為5 203.61 t/a、505.71 t/a、72.92 t/a，計算結果見表3。

表3 灤河承德段水環境容量計算結果

4 水環境容量分配

要對水污染物總量進行控制，最重要的一步是要對允許的污染物排放量進行合理分配[34]。國內對水污染總量控制可以大致分為3個階段：污染物濃度控制、目標總量控制和容量總量控制。對水環境進行綜合規劃、管控時，由于同一流域包含了不同的行政區或是同一行政區下各部分發展極不平衡，所以需要對流域水環境容量進行合理的分配。鑒于我國實行的水污染防治體系建立在行政區監管的基礎上，故一般情況下在行政單元間實行水環境容量的分配。在進行分配時，一般要把握公平原則和效益原則，并確保分配方案有良好的實用價值。

4.1 總體思路

在借鑒相關研究成果的基礎上，采用容量分配法對水環境容量進行分配，再通過基尼系數法對分配結果進行評價，并最終確定最佳分配方案。基本思路為：通過全面了解研究區各行政單元間的經濟、社會、環境等方面的差異，綜合考慮流域總量分配應該遵循的經濟效率、環境效率、區域公平3個原則，根據指標的代表性和數據的可行性，構建包含經濟效率、環境效率和區域公平3方面指標的指標體系。通過計算不同行政單元各指標的效益系數作為分配的客觀權重，并對各指標進行主觀賦權，進而得到各分配對象的綜合權重大小，確定出分配方案。引入環境基尼系數，對每個分配單位所得到的分配量進行評價，確定出最優的分配方案。

4.2 具體分配

4.2.1指標體系構建

在環境容量分配中，一定要把握經濟效率、環境效率、區域公平3個原則，并保證分配方案的可實行性。經濟效率原則選取了第二產業比例作為指標，第二產業比例反映了一個地區經濟發展對第二產業的依賴程度，在分配時，對那些依賴性較大的地區應該考慮多分配排放量；環境效率原則選取了納污能力作為指標，納污能力反映了一個地區所能容納污染物的多少，對納污能力較大的區域，分配時可稍微有所側重；區域公平原則選取了治污投資比例作為指標，治污投資比例側面反映了一個地區污染治理水平，達標率越高，治污能力越強，分配到的可排放量應該也更多。由此構建了水環境容量的指標體系。

4.2.2分配模型及分配結果

環境容量分配的實質是分配對象即行政單元權重值的確定。權重值的確定方法大致分為主觀賦權法、客觀賦權法和組合賦權法3種。組合賦權法不僅可以兼顧決策者對于各指標的偏好程度，還能深層次了解到各指標數據的客觀信息，讓賦權過程具有良好的客觀性，使主客觀相統一[35]。因此，在本次研究中為了減小誤差，采用組合賦權的分配方法確定各對象的分配權重值，構建具體模型如下：

a.通過各行政單元的經濟效率指標、環境效率指標、區域公平指標的統計數據，計算各原則下參與分配的行政單元的效益系數作為分配的客觀權重值，計算公式為

(6)

(7)

(8)

式中：Si為第i個行政單元的經濟效益系數；S′i為第i個行政單元的第二產業比例；Ei為第i個行政單元的環境效益系數；E′i為第i個行政單元的納污能力；Di為第i個行政單元的區域公平效益系數；D′i為第i個行政單元的治污投資比例，n為行政單元數。

b.在等比例分配的基礎上，調整經濟效率指標、環境效率指標、區域公平指標的主觀權重，確定了4種方案，見表4。

表4 主觀賦權的指標權重確定方案

c.結合基于各分配單位指標統計數據的客觀權重及各原則下指標的主觀權重，通過式(9)進行組合賦權，確定各參與分配的行政單元的綜合權重值，并結合灤河承德段的水環境容量計算結果，得到各行政單元的COD、NH3-N、TP水環境容量初始分配，如表5所示。

表5 各方案灤河干流各計算單元的COD、NH3-N、TP水環境容量初始分配

Wi=W(α1Si+α2Ei+α3Di)

(9)

式中:Wi為第i個行政單元分配到的水環境容量;α1、α2、α3分別為經濟效益系數、環境效益系數、區域公平效益系數權重。

4.3 基于環境基尼系數的方案評價

4.3.1基尼系數的含義

基尼系數最初主要用來衡量一個地區的居民收入和財富分配的不平等程度，后來逐漸用于污染物總量分配、能源分布和資源消耗的公平性評價[36]。在本研究中，基尼系數反映各個參與分配的行政單元分配的排污量相對于其他資源擁有量的公平程度。基尼系數越小，則表示分配越趨于公平。

4.3.2指標選取及基尼系數計算

為對污染物排放量進行公平性評價，本研究選擇GDP、區域面積、人口作為基尼系數的分配指標，各區域根據污染物分配量按遞增序列進行排序。基尼系數的計算公式為

(10)

式中：I為基尼系數；Xi為評估指標的累計比例；Yi為污染物的累計比例；n為分配對象數量。當i=1時，(Xi-1，Yi-1)視為(0，0)。

計算得到各方案各指標基尼系數見表6。洛倫茲曲線可以明顯表示分配的均衡程度[37]，各指標下污染物容量分配的洛倫茲曲線見圖5。

圖5 承德市各指標下污染物容量分配的洛倫茲曲線

4.3.3方案評價及優選

基尼系數的大小反映總量分配公平程度，按照相關規定[35]：系數小于0.2表示分配絕對公平；0.2～0.3表示比較公平；0.3～0.4表示相對公平；0.4～0.5表示略不公平；大于0.5表示不公平。由表6可知，4種方案關于人口和GDP的基尼系數均小于0.1，滿足分配絕對公平要求，關于區域面積的基尼系數均小于0.4，滿足分配相對公平要求；總體上看，4種分配方案公平性較好。在4種方案中，方案c關于GDP和區域面積的基尼系數最小，關于人口的基尼系數與其他方案相近，是4種方案中的最優方案，也是最具有實際分配參考價值的方案。同時，也可以看出人口和GDP權重在環境容量分配過程中占主導地位。

表6 各指標基尼系數

5 結 論

a.灤河承德段的主要污染物從上游到下游包括COD、TP和NH3-N，灤河水質整體較優，能夠滿足地表水Ⅲ類要求。

b.基于水質控制目標，得到灤河承德段COD、NH3-N、TP的環境容量分別為5 203.61 t/a、505.71 t/a、72.92 t/a。

c.通過綜合賦權法改變指標權重得到的4種分配方案均滿足分配相對公平要求，其中方案c更為合理；該分配方式的指標選取綜合考慮了各區域在社會、經濟方面的差異，又兼顧了環境效益和區域公平。