杭州灣海域污染物減排量計(jì)算＊

楊耀芳，蔣曉山，劉 蓮，蔡燕紅，王曉波

（1.國(guó)家海洋局寧波海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 寧波 315040；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 上海200092；3.國(guó)家海洋局東海分局 上海200137）

杭州灣海域污染物減排量計(jì)算＊

楊耀芳1，2，蔣曉山3，劉 蓮1，蔡燕紅1，王曉波1

（1.國(guó)家海洋局寧波海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 寧波 315040；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 上海200092；3.國(guó)家海洋局東海分局 上海200137）

文章根據(jù)杭州灣的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了3個(gè)污染物減排方案，以2008年入杭州灣的總磷源強(qiáng)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用層次分析方法對(duì)杭州灣總磷污染物進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，根據(jù)磷酸鹽和總磷的換算因子，換算成磷酸鹽的分配權(quán)重，對(duì)磷酸鹽減排削減量進(jìn)行分配，最后通過數(shù)值模擬，比選最優(yōu)的磷酸鹽減排方案。結(jié)果表明：方案1為最優(yōu)方案，根據(jù)最優(yōu)方案計(jì)算杭州灣近期磷酸鹽的減排削減量總共為298.45t／a。

磷酸鹽；層次分析法；權(quán)重；分配

我國(guó)于20世紀(jì)70年代后期引入環(huán)境容量的概念，并開始了水環(huán)境容量的研究［1］。水環(huán)境容量的估算及其在各污染源或區(qū)域之間的分配是水污染總量控制的基礎(chǔ)和核心［2］。我國(guó)正處于由目標(biāo)總量控制向容量總量控制的過渡時(shí)期。該時(shí)期的顯著特征之一是現(xiàn)有排污量大于環(huán)境容量，因此環(huán)境容量的配置過程實(shí)質(zhì)上是在現(xiàn)有排污基礎(chǔ)上確定排污量削減方案的過程，其核心任務(wù)是確定各個(gè)區(qū)域排污量削減的比例［3］，這過程就涉及削減量分配的問題。

在分配中應(yīng)尊重公平和效益的原則，充分反映水環(huán)境容量分配的社會(huì)性、經(jīng)濟(jì)性和歷史性，以保證實(shí)際的可操作性［4］。層次分析法就是基于公平和效益原則的一種方法，由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty于20世紀(jì)80年代提出，他是一種定性與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)分析方法，它將決策者對(duì)復(fù)雜對(duì)象的決策思維過程系統(tǒng)化、模型化和數(shù)學(xué)化，可將決策者就不同環(huán)境行為水平對(duì)實(shí)現(xiàn)分目標(biāo)的重要性判斷通過判斷矩陣進(jìn)行量化，從而得出不同的環(huán)境行為水平對(duì)于削減目標(biāo)的組合權(quán)重［1］。層次分析法在國(guó)內(nèi)也有研究，如李如忠等［5］利用層次分析法進(jìn)行合肥市區(qū)域水污染物排放總量的分配，馮普林等［6］利用層次分析法對(duì)陜西省黃河流域許可水量進(jìn)行分配，王小軍等［7］利用層次分析法對(duì)石羊河流域初始水權(quán)進(jìn)行分配研究。本研究建立了層次結(jié)構(gòu)模型并對(duì)總?cè)萘肯鳒p分配進(jìn)行計(jì)算。

磷屬于親生物元素，是構(gòu)成海洋初級(jí)生產(chǎn)力的基礎(chǔ)物質(zhì)之一。在許多沿海海域，由于水體中的氮磷原子比高于生物最適生長(zhǎng)的Redfield比值，而使磷同時(shí)又成為該海域初級(jí)生產(chǎn)力乃至于赤潮發(fā)生的限制因子［8］。因此，選取磷酸鹽作為研究的減排對(duì)象，對(duì)保護(hù)杭州灣生態(tài)具有現(xiàn)實(shí)意義。

杭州灣海域活性磷酸鹽污染十分嚴(yán)重，灣內(nèi)各處活性磷酸鹽濃度基本都在0.05mg／L以上，個(gè)別高濃度區(qū)域甚至超過0.08mg／L，這導(dǎo)致我們?cè)谑褂镁€性規(guī)劃方法并按照最大剩余容量原則進(jìn)行估算時(shí)，無法得到最優(yōu)解，所以現(xiàn)狀情況下杭州灣海域的磷酸鹽水環(huán)境容量已經(jīng)沒有了。要使水質(zhì)得到改善，必須大幅削減污染物排放源強(qiáng)。當(dāng)然，污染物削減得越多越好，但實(shí)際操作中，削減100%不具可操作性，所以按各縣（市、區(qū)）組合權(quán)重分配容量結(jié)合近期目標(biāo)，用層次分析模型分析總磷總量削減源強(qiáng)10%的減排技術(shù)進(jìn)行論述，并對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行比較，得出最優(yōu)的減排方案。通過減排使得杭州灣海域污染物排放得到有效的管理和控制，海洋生態(tài)環(huán)境的惡化趨勢(shì)得到初步遏制和改善，生態(tài)系統(tǒng)得到一定程度的恢復(fù)，海洋開發(fā)活動(dòng)逐步規(guī)范，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化，基本實(shí)現(xiàn)杭州灣海洋生態(tài)環(huán)境的有效保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究材料和方法

1.1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)采集

杭州灣海域位于浙江省北部、上海南部，東臨舟山群島，西有錢塘江、曹娥江等注入。杭州灣地跨浙江、上海兩省市，呈V形分布，沿岸主要包括上海、嘉興、杭州、紹興、寧波等地區(qū)，其北岸主要有上海的南匯區(qū)、奉賢區(qū)、金山區(qū)和嘉興的平湖市、海鹽縣、海寧市，南岸主要有杭州的蕭山區(qū)、紹興市的紹興縣、上虞市和寧波的余姚、慈溪、鎮(zhèn)海等。

以2008年為基準(zhǔn)年，統(tǒng)計(jì)杭州灣海域沿岸各縣（市、區(qū)）現(xiàn)有的總磷污染物排放量、自然資源、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展資料。對(duì)2008年杭州灣沿岸各污染源進(jìn)行估算，污染物排放總量約為319 765.4t／a。其中，工業(yè)污染源貢獻(xiàn)率最大，約占總量的35.58%；其次為畜禽養(yǎng)殖，約占總量的26.94%；第三為農(nóng)業(yè)面源和生活污染，分別占19.72%和18.11%；漁業(yè)養(yǎng)殖最小，約占總量的1.64%。其中總磷的排放量為3 995.68t／a［9］。

1.2 污染物減排方案

污染物減排方案設(shè)計(jì)總體思路是：進(jìn)行杭州灣沿岸縣（市、區(qū)）劃分，從環(huán)境、資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和污染物排放濃度響應(yīng)程度等指標(biāo)考慮設(shè)計(jì)分配方案，計(jì)算出各方案杭州灣縣（市、區(qū)）的總磷分配權(quán)重，根據(jù)磷酸鹽和總磷的換算因子，換算成磷酸鹽的分配權(quán)重，計(jì)算分配結(jié)果，再通過數(shù)學(xué)模型檢驗(yàn)該方案的污染物濃度分布特征，進(jìn)而確定最終分配方案。

層次分析法的關(guān)鍵點(diǎn)在于層次結(jié)構(gòu)和指標(biāo)的建立。在指標(biāo)的選擇上，參考樂清灣［10］考慮環(huán)境、資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等4個(gè)指標(biāo)，同時(shí)把環(huán)境自然凈化指標(biāo)的影響考慮進(jìn)來，因此本研究設(shè)計(jì)3個(gè)方案。

方案1：層次分析體系設(shè)計(jì)兩層結(jié)構(gòu)，未納入污染物排放濃度響應(yīng)程度（既污染衰減系數(shù)）。第一層指標(biāo)為現(xiàn)有的污染物總排放量、自然資源、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展等4個(gè)方面。第二層指標(biāo)為縣（市、區(qū)）的各個(gè)指標(biāo)，具體見圖1。

圖1 方案1污染物分配指標(biāo)體系框架

方案2：層次分析體系設(shè)計(jì)3層結(jié)構(gòu)，納入污染物排放濃度響應(yīng)程度（既污染衰減系數(shù)）。在方案1的基礎(chǔ)上，將污染衰減系數(shù)和社會(huì)指標(biāo)系數(shù)作為第一層指標(biāo)；第二層的指標(biāo)為污染物排放濃度響應(yīng)程度倒數(shù)、現(xiàn)有的總磷污染物排放量、自然資源、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展；第三層次為縣（市、區(qū)）的各個(gè)指標(biāo)，具體可見圖2。

圖2 方案2污染物分配指標(biāo)體系框架

方案3：層次分析體系設(shè)計(jì)二層結(jié)構(gòu)，納入污染衰減系數(shù)。

第一層為污染衰減系數(shù)、污染物總排放量、自然資源、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展等5個(gè)方面，第二層為各縣（市、區(qū)）的各個(gè)指標(biāo)，具體見圖3。

圖3 方案3污染物分配指標(biāo)體系框架

1.3 計(jì)算方法

（1）層次分析法（The analytic hierarchyprocess，AHP）是一種定性與定量相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析技術(shù)，其基本原理是將待評(píng)價(jià)或識(shí)別的復(fù)雜問題分解成若干層次，由專家或決策者對(duì)所列指標(biāo)通過重要程度的兩兩比較逐層進(jìn)行判斷評(píng)分，利用計(jì)算判斷矩陣的特征向量確定下層指標(biāo)對(duì)上層指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度或權(quán)重，從而得到最基層指標(biāo)對(duì)于總體目標(biāo)的重要性權(quán)重排序。層次分析以其系統(tǒng)性、靈活性、實(shí)用性等特點(diǎn)特別適合于多目標(biāo)、多層次、多因素和多方案的復(fù)雜系統(tǒng)的分析決策。

層次分析法首先建立層次結(jié)構(gòu)和指標(biāo)。以方案1為例，以縣（市、區(qū)）減排分配量為目標(biāo)層A，環(huán)境、資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)指標(biāo)分別為準(zhǔn)則層N的指標(biāo)Ni（i＝1－4），工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、海水養(yǎng)殖排污分別為子準(zhǔn)則層P的子指標(biāo)P1，P2，P3，P4，從屬于N1；鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積、海岸線長(zhǎng)度分別為子準(zhǔn)則層P的子指標(biāo)P5，P6，從屬于N2；工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)產(chǎn)值分別為子準(zhǔn)則層P的子指標(biāo)P7，P8，P9，從屬于N3；人口、排污效益、勞動(dòng)生產(chǎn)率別為子準(zhǔn)則層P的子指標(biāo)P10，P11，P12，從屬于N4。

（2）基于專家賦權(quán)的AHP法。根據(jù)對(duì)專家的問卷調(diào)查，確定同層指標(biāo)權(quán)重，由此可以確定子準(zhǔn)則層的所有子指標(biāo)相對(duì)于總目標(biāo)層的權(quán)重，并根據(jù)各縣（市、區(qū)）的各指標(biāo)信息，可以計(jì)算其對(duì)不同指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，從而可以確定各個(gè)縣（市、區(qū)）的排污分配權(quán)重。

（3）基于平均權(quán)重的AHP法?？紤]到某些指標(biāo)與同層的指標(biāo)有相同重要的作用，考慮將同層的各個(gè)指標(biāo)權(quán)重平均化的一種方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 權(quán)重的確定

2.1.1 方案1

本方案層次分析體系設(shè)計(jì)兩層結(jié)構(gòu)：第一層通過專家咨詢確定各層次各指標(biāo)的權(quán)重；第二層利用層次分析法計(jì)算權(quán)重，確定杭州灣沿海各縣（市、區(qū)）總磷減排削減量分配指標(biāo)權(quán)重（表1）。

表1 杭州灣沿海各縣（市、區(qū)）總磷減排削減量分配指標(biāo)權(quán)重

方案1杭州灣沿海各縣（市、區(qū)）總磷減排削減量分配組合權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 杭州灣沿海各縣（市、區(qū)）總磷減排削減量分配組合權(quán)重分配

續(xù)表

2.1.2 方案2

該方案層次分析體系設(shè)計(jì)三層結(jié)構(gòu)：第一層采用平均權(quán)重法分配第一層次權(quán)重；第二層仍通過專家咨詢確定各層次各指標(biāo)的權(quán)重；第三層次通過層次分析計(jì)算該層權(quán)重，杭州灣沿海各縣（市、區(qū)）總磷減排削減量分配指標(biāo)權(quán)重見表3。

表3 杭州灣沿海各縣（市、區(qū)）總磷減排削減量分配指標(biāo)權(quán)重

方案2杭州灣沿海各縣（市、區(qū)）總磷減排削減量分配組合權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 杭州灣沿海各縣（市、區(qū)）總磷減排削減量分配組合權(quán)重分配

續(xù)表

2.1.3 方案3

本方案層次分析體系設(shè)計(jì)二層結(jié)構(gòu)：第一層采用平均權(quán)重法來計(jì)算權(quán)重；第二層利用平均權(quán)重法計(jì)算權(quán)重。

杭州灣沿海各縣（市、區(qū)）總磷減排削減量分配指標(biāo)權(quán)重見表5。

表5 杭州灣沿海各縣（市、區(qū)）總磷減排削減量分配指標(biāo)權(quán)重

方案3杭州灣沿海各縣（市、區(qū)）總磷減排削減量分配組合權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 杭州灣沿海各縣（市、區(qū)）總磷減排削減量分配組合權(quán)重分配

續(xù)表

2.2 源強(qiáng)減排削減量分配

本研究前半部分污染源強(qiáng)的估算是針對(duì)總磷的，通過分析計(jì)算已得出總磷的權(quán)重，若能確定總磷和活性磷酸鹽間的換算系數(shù)，就能得到磷酸鹽的權(quán)重。但在排放的污染源中，活性磷酸鹽占總磷的比例受各種因素的影響而變化，因此難以確定。在海水中，磷類營(yíng)養(yǎng)鹽的存在形式與物質(zhì)過程十分復(fù)雜，海水中磷類營(yíng)養(yǎng)鹽的各種形式占總磷的比例一直沒有令人信服的研究成果。黃自強(qiáng)等在長(zhǎng)江口的研究認(rèn)為水體中無機(jī)磷約占總磷的20%［11］，但杭州灣與長(zhǎng)江口的條件不一樣，不能直接引用。

對(duì)于杭州灣總磷和活性磷酸鹽之間的換算系數(shù)，可通過2006年和2007年杭州灣生態(tài)專項(xiàng)監(jiān)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到總磷和活性磷酸鹽在水體中的濃度的比值，綜合統(tǒng)計(jì)得到磷酸鹽與總磷的源強(qiáng)及水體中濃度值的比值取0.747［9］，根據(jù)此換算系數(shù)可得到磷酸鹽的權(quán)重。

通過計(jì)算杭州灣磷酸鹽已無容量。污染源需要削減，當(dāng)然污染物削減的越多越好，但實(shí)際操作中，削減100%不具可操作性，所以本研究按各縣（市、區(qū)）組合權(quán)重分配容量結(jié)合近期目標(biāo)，計(jì)算磷酸鹽總量削減10%時(shí)的容量分配結(jié)果。各方案各縣（市、區(qū)）磷酸鹽源強(qiáng)削減量分配見表7。

表7 磷酸鹽源強(qiáng)削減量分配t／a

2.3 削減分配方案的比較

將各縣（市、區(qū)）的磷酸鹽原有統(tǒng)計(jì)源強(qiáng)減去表7中的磷酸鹽源強(qiáng)削減量后，進(jìn)行磷酸鹽濃度分布數(shù)值模擬計(jì)算，磷酸鹽各方案濃度超標(biāo)面積及百分比見表8，從濃度超標(biāo)面積及百分比來看，3個(gè)方案差別不是很大。

表8 磷酸鹽各方案濃度超標(biāo)面積及百分比（總面積：5 396.71km）

由表8可以看出，3個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果，杭州灣內(nèi)所有海域磷酸鹽濃度均超過0.030mg／L，3個(gè)方案計(jì)算結(jié)果相近，方案2和方案3超過0.045mg／L的海域面積為全杭州灣海域的86.82%和86.81%，超過0.060mg／L的海域面積為全杭州灣海域的22.34%和22.36%，方案1略顯優(yōu)勢(shì)，超過0.045mg／L的海域面積為全杭州灣海域的86.75%，超過0.060mg／L的海域面積為全杭州灣海域的22.31%。表8顯示結(jié)果亦同表7相同，各個(gè)方案控制點(diǎn)磷酸鹽計(jì)算濃度全潮平均值都十分接近，各方案中控制點(diǎn)全潮平均計(jì)算濃度均嚴(yán)重超標(biāo)，與控制點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)濃度百分比都超過100%。綜合考慮容量分配及各方案分配計(jì)算結(jié)果，確定方案1為最優(yōu)分配方案，見表7中方案1。杭州灣近期磷酸鹽的減排削減量總共為298.45t／a。

3 結(jié)論

①對(duì)杭州灣沿岸縣（市、區(qū)）劃分，從環(huán)境、資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和污染物排放濃度響應(yīng)程度等指標(biāo)考慮設(shè)計(jì)了3個(gè)分配方案：方案1未考慮污染物排放濃度響應(yīng)程度，層次分析體系設(shè)計(jì)兩層結(jié)構(gòu)；方案2考慮污染物排放濃度響應(yīng)程度，層次分析體系設(shè)計(jì)3層結(jié)構(gòu)；方案3考慮污染物排放濃度響應(yīng)程度，層次分析體系設(shè)計(jì)兩層結(jié)構(gòu)。②對(duì)3個(gè)方案的權(quán)重計(jì)算和減排削減量的分配，各個(gè)縣（市、區(qū)）在3個(gè)方案中除去慈溪市外其他縣（市、區(qū)）分配量變化比較小。③將各縣（市、區(qū)）的磷酸鹽原有統(tǒng)計(jì)源強(qiáng)減去表7中的磷酸鹽源強(qiáng)削減量后，進(jìn)行磷酸鹽濃度分布數(shù)值模擬計(jì)算，得到其濃度超標(biāo)面積及百分比計(jì)算的結(jié)果。表明杭州灣內(nèi)所有海域磷酸鹽濃度均超過0.030mg／L，3個(gè)方案計(jì)算結(jié)果相近，方案1、方案2和方案3超過0.045mg／L的海域面積為全杭州灣海域的86.75%、86.82%和86.81%，超過0.060mg／L的海域面積為全杭州灣海域的22.31%、22.34%和22.36%，確定方案1為最優(yōu)方案。④總量削減10%時(shí)，最優(yōu)分配方案為方案1，表明污染物排放濃度響應(yīng)程度（既污染衰減系數(shù)）在縣（市、區(qū)）消減量分配中影響不明顯。⑤根據(jù)最優(yōu)方案計(jì)算杭州灣確定了近期磷酸鹽的減排削減量總共為298.45t／a，慈溪市削減減排分配量最少為9.24t／a，慈溪市削減減排分配量最多為50.39t／a。

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入海污染物總量控制和減排技術(shù)集成和示范（200805065）；象山港海域海洋環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法研究［DOMEP（MEA）－03－02］；寧波市專項(xiàng)資金項(xiàng)目——象山港污染物總量控制及減排試點(diǎn)示范.