水环境污染物总量分配分析

2017-03-15 05:47:32 1

  1 引言

  我国水环境容量与总量控制技术研究始于20世纪70年代,并逐步应用于水环境管理中(孟伟,2008).总量分配是实施污染物总量控制的重要步骤,是在计算环境容量的基础上,依据公平性、经济性等原则对各污染负荷进行再次分配的过程(邓义祥等,2009).污染物总量分配过程,是一个科学与艺术相结合的过程,也是一个充满不确定性的过程(Burges and Lettenmaier, 1975;张海亮,2005;Gauger et al., 2008).

  按不确定性来源分类,不确定性可分为客观不确定性和主观不确定性.客观不确定性是指由于对环境过程认识不够全面和细致而带来的不确定性,例如针对模型结构、模型参数和观测误差等进行的不确定性分析就属客观不确定性分析.目前国内外总量分配的不确定性分析大部分侧重于客观不确定性(邓义祥,2003;Reckhow and Chapra, 1999;徐爱兰等,2007;裴洪平和汪勇,2004;郭怀成等,1999;Benke et al., 2008;Xu and Gertner, 2007;Castillo et al., 2008;刘毅等,2002;齐珊珊,2007;邢可霞和郭怀成,2006;Ao et al., 2011).除客观不确定性以外,主观不确定性的影响也不容忽视.主观不确定性是指由于对于同样事件,不同主体或同一主体在不同时刻不同环境下得出相差较大甚至意见相反的判断而导致的不确定性.主观不确定性的根源在于人的有限理性和认知模式的差异性,在实际的决策过程中往往表现为决策偏好.主观不确定性的研究是一个较新的概念,与具有随机性和本质不确定性的客观不确定性相比,主观不确定性具有模糊性和含糊性(王彪,2013).目前,不少专家研究客观不确定性的同时也在关注主观不确定性对决策结果的影响(杨玉峰,2000;Yang et al., 2013;Hanss and Turrin, 2010;Zhang et al., 2011),目前主观不确定性对总量分配影响的分析尚不够深入和系统,往往以寻求“最优”的方案作为目标,但对实际上可能出现的“非最优”分配方案对分配结果的影响缺乏研究.在总量分配关键参数的决策中,必须依赖决策者的主观性进行决策,由于决策者个人偏好、知识结构、信息的不确定性、信息的模糊性和信息的多样性等众多因素的影响可能会影响总量分配结果的可靠性和合理性(卫宝真,2009),因此研究决策偏好对总量分配的影响是非常有必要的.

  2 研究区域概况

  研究区域渤海是1个半封闭的陆架边缘海,三面环陆,位于辽宁、河北、山东、天津3省1市之间.具体位置在北纬37°07′~41°00′、东经117°35′~121°10′.渤海主要由辽东湾、渤海湾、莱州湾及中央海区组成,面积为7.7×104 km2,平均水深约18 m,最大水深85 m,海域面积约7.7万 km2.渤海入海河流大约有45条,分布在海河、黄河、辽河三大流域7个水系.

  2010年水质监测结果(按照监测站位统计)显示,渤海一类水体比例为30.6%,二类水体比例为24.5%,三类水体比例为20.4%,四类水体比例为10.2%,劣四类水体比例为14.3%.各污染因子中,无机氮超过二类水体标准2.8倍,石油类超过二类水体标准4.4倍,活性磷酸盐超过二类水体标准0.7倍,镉、铅、铜等重金属分别超过二类水体标准1.2、2.3、3.8倍.

  据统计,渤海入海河流流域内GDP为19.6万亿元,人口为2.37亿人,耕地面积为2.2万km2.根据环渤海海域环境状况调查分析研究,渤海海域的河流入海口及直排源概化为56个源,各污染源的位置分布如图 1所示.

  图 1 渤海污染源的位置分布图

  3 研究方法

  3.1 总量分配模型

  采用两步法进行污染物总量分配.首先计算研究区域的环境容量,环境容量的计算以污染物排放量最大为目标,不考虑污染源之间的分配关系.环境容量计算的模型表达式为:

  目标函数:

  约束方程:

  式中,X*j为第j个污染源的容量(g · s-1);n为污染源个数,本研究区域n=56;m为控制点位的个数,本研究区域m=137025;aij为第j个污染源在第i个控制点的响应系数(mg · L-1 · s · g-1),可由水质模拟计算得到;Si为第i个控制点的水质目标(mg · L-1);Bi为第i个控制点的背景浓度(mg · L-1).

  然后,在环境容量的计算基础上,进行污染物总量分配,总量分配的模型表达式为:

  目标函数:

  约束方程:

  式中,Xj为第j个污染源的分配量(g·s-1);Xj,min为第j个污染源的最小分配量(g · s-1);Xj,max为第j个污染源的最大分配量(g · s-1);TCRI为总量分配合理性指数:

  式中,TCRI为总量分配合理性指数;k为总量分配合理性因子的序号;w为总量分配合理性因子的个数,本研究取w=6;ak为总量分配合理性因子对应的权重系数,∑ w k=1 ak=1;Ck为总量分配合理性因子,数值越大越合理,无量纲.

  3.2 总量分配合理性指数的构建

  总量分配是以水质达标为前提,将污染物允许排放量分配到各污染源的过程.合理性指数方法的关键是科学地构建总量分配合理性因子并设置对应的权重因子(金菊良等,2007).本文按6个因子设置合理性指数,即环境容量、水资源量、人口、耕地面积、GDP和现状排放量.上述因子构成多目标分配问题(Deng et al., 2010),其表达形式见表 1.

  表 1 总量分配合理性指数对应的各项因子

  总量分配合理性因子对应的权重值可采用一般的统计方法,如专家打分法、熵值法、层次分析法等(王晖等,2007).本文分配因子为表 1中的6个因子,对应的因子权重也为6个.各因子权重值的确定采用专家打分法,专家主要分为3个群体,即管理人员10人、专业研究人员10人、普通公众10人,以问卷的形式发放到当地环保部门、科研单位、普通公众人员进行打分.每位专家由于个人倾向性不同,在进行赋权时各有所侧重,造成总量分配结果的差异.不同专家的类型介绍见表 2.

表 2 专家人员介绍

  3.3 专家决策偏好对总量分配影响分析方法

  决策是决策者根据自己的个人价值、目标、预期结果、知识进行选择行为的过程.偏好则是一种主观态度,影响着决策者的决策和行为(常光伟等,2001),具有内向性即主观性(谯旭,2007).决策偏好是指决策者在面对几个选项或备择方案时选择其中某一项的倾向.进行决策时根据专家与专家、不同领域专家确定的权重计算的总量分配结果会出现一定的差异性.专家决策偏好对总量分配的影响分析采用变差系数方法.变差系数法是指一组数据的标准差与平均值之比,反映了随机变量相对于均值取值的离散程度,其公式为(章炼,1992):

  式中,CV为变差系数;

  为平均值;S为标准差.

  4 结果与讨论

  4.1 总量分配合理性因子赋权分布情况分析

  本次赋权的30名专家来自不同领域,执行水质管理时面临的问题也各不相同,专家们根据自身的经验信息并着重考虑各方面的因素给6个总量分配合理性因子进行赋权,图 2是30名专家赋权的情况分布图.图 2中,30名专家较重视环境容量因子,给出的最高值为0.6,平均值为0.28,但专家间给环境容量的权重值较分散.其他5个分配因子权重值相对较集中,专家间的意见较一致.

  图 2 30名专家赋权情况

  图 3是3组人员对6个总量分配合理性因子赋权的平均值汇总情况.图 3中,3组人员对权重的取值意见基本一致,在6个因子中较其他因子更重视环境容量因子,平均值最高为0.35.环境容量平均值大小依次为,专业研究人员>管理人员>普通公众,说明专业研究人员赋权倾向于环境容量因子,倾向性较明显.

  图 3 3组专家赋权平均值

  4.2 总量分配结果分析

  图 4是根据不同专家权重系数计算出对应的污染源负荷分配总量分布情况.图 4中,根据30名专家权重值计算的TN分配量平均值为1.64万t · a-1,标准差为0.16万t · a-1,变差系数为9%;最大值和最小值相对平均值偏离比例分别为31%和-13%.TP分配量的平均值为0.12万t · a-1,标准差为0.014万t · a-1,变差系数为12%;最大值和最小值相对平均值偏离比例分别为32%和-19%.说明不同专家权重方案给负荷总量分配结果带来一定的影响,虽然TN和TP整体上偏离值为9%和12%,但个别较为极端的权重系数取值导致分配负荷量偏离比例比较大.

  图 4 30名专家权重对应的TN、TP分配总量情况

  图 5是根据3组专家权重系数计算的污染物分配总量的变差系数情况.图 5中,不同分组之间变差系数的大小依次是:专业研究人员>管理人员>普通公众.说明专业研究人员和管理人员对总量分配权重更容易形成自己的倾向性,因此污染源之间的分配量相差可能较大;普通公众对应的变差系数较小,原因可能是普通公众对某一具体分配因子的倾向性不明显造成的.

  图 5 3组专家权重对应的总量分配变差系数

  进一步分析专家决策对56个污染源负荷分配的影响.图 6为56个污染源的污染负荷分配变差系数分布.图 6中,56个污染源TN和TP的变差系数的变化具有一定的相似性,TN和TP变差系数平均值分别为0.20和0.22,最大值均为0.41.

  图 6 污染源负荷分配量变差系数分布

  将分配量变差系数分为3个区间:[0.3,+∞]、[0.15,0.3)、[0,0.15),分别代表分配量差异显著、一般和不显著3个水平,与此对应的污染源个数和分配量见表 3. 表 3中,[0.3,+∞]区间内分布的污染源个数占总数的43%,TN和TP分配量占比分别是21%和30%;[0,0.15)区间内分布的污染源个数占总数的39%,TN和TP分配量占比分别为72%和64%.这说明专家决策差异对负荷量较大的污染源影响不明显,但对于负荷较小的污染源影响较大.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  表 3 不同变差系数区间对应的污染源个数和分配量

  5 结论

  1)专家打分法是主观性较强的赋权方法之一,在多个备选分配方案中应根据该流域的具体情况选择合理的分配方案.

  2)从渤海总量分配的案例来看,依据各专家确定的分配因子权重值计算的总量分配结果,总体上表现出较好的一致性,但对于某些负荷量较小的污染源分配量变差系数较大,仍存在公平性、效率性欠缺的隐患.

  3)从政府管理人员、专业研究人员和普通公众分组来看,不同领域的专家往往表现出一定的倾向性,因此,专家打分问卷应避免过分集中于某个领域的专家,以克服专家偏见对总量分配结果所造成的影响.

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