區(qū)域污染物總量控制及排污權(quán)交易優(yōu)化模型的應(yīng)用

李 魚, 李 莊,, 溫靜雅, 孫 釗, 胡 艷, 李倦生

(1. 華北電力大學(xué) 區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化教育部重點實驗室, 北京102206；2. 華北電力大學(xué) 資源與環(huán)境研究院, 北京 102206； 3. 長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 長沙 410004)

目前, 通過實施以濃度排放標(biāo)準(zhǔn)為核心的污染物濃度控制政策, 我國已初步遏制了環(huán)境惡化趨勢[1], 但隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展, 僅依靠原有濃度控制已不能完全保證環(huán)境質(zhì)量[2]. 因此, 必須采取相應(yīng)地減排措施將排入某一區(qū)域的污染物總量控制在一定數(shù)量內(nèi), 以滿足該區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量要求[3]. 目前, 國內(nèi)對主要污染物總量的控制研究已有許多結(jié)果, 劉子剛等[4]給出了不同區(qū)域環(huán)境承載力及排污總量消減分配模型的分析方法與評價; 王寶民等[5]提出了大氣污染物總量控制模型, 為大氣環(huán)境容量測算提供了理論求解思路, 但未考慮排污交易制度對環(huán)境總量控制的影響； 而排污權(quán)交易制度的研究則側(cè)重于排污交易制度的設(shè)計與排污權(quán)初始分配效率等[6], 與主要污染物總量控制及相關(guān)減排途徑很難銜接. 基于此, 本文在文獻(xiàn)[7]研究的基礎(chǔ)上, 兼顧區(qū)域污染物總量控制與污染物排污權(quán)交易制度, 運用數(shù)學(xué)優(yōu)化方法, 通過調(diào)整構(gòu)成參數(shù)、 約束條件及模型求解計算, 給出了各減排途徑的最優(yōu)減排量配置.

1 區(qū)域污染物總量控制優(yōu)化模型及其修正

1.1 目標(biāo)函數(shù)

區(qū)域污染物總量控制優(yōu)化模型以主要污染物在各行業(yè)最優(yōu)減排量為變量, 減排成本最小為優(yōu)化目標(biāo), 其中涉及結(jié)構(gòu)減排、 工程減排和監(jiān)管減排3種減排途徑及排污權(quán)交易下的減排量優(yōu)化[7]. 模型規(guī)劃基準(zhǔn)年為2010年, 規(guī)劃目標(biāo)年為2015年, 模型目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式[7]為

minf=SE+EE+ME+DT,

(1)

式中：f表示區(qū)域主要污染物減排總成本, 單位: 萬元； SE,EE,ME分別表示區(qū)域結(jié)構(gòu)減排、 工程減排和監(jiān)管減排過程中的主要污染物削減成本, 單位: 萬元； DT為排污權(quán)交易過程中涉及的主要污染物交易成本(或收益), 單位: 萬元.

1.1.1 結(jié)構(gòu)減排 結(jié)構(gòu)減排指通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、 落后產(chǎn)能淘汰等項目, 實現(xiàn)主要污染物總量減排的一項措施, 主要針對化工、 電力、 鋼鐵、 煤炭、 建材、 鐵合金、 電解鋁、 焦炭造紙和食品等行業(yè)中工藝落后、 能耗高、 污染嚴(yán)重的企業(yè)及產(chǎn)能為對象. 其數(shù)學(xué)模型為

(2)

1.1.2 工程減排 工程減排是指采取污染治理工程實現(xiàn)主要污染物總量減排的一項措施, 主要包括大氣污染治理工程建設(shè)和水污染治理工程建設(shè). 其中, 大氣污染治理包括對不同大氣污染控制因子(SO2和NOx)的總量控制； 而水污染治理由工業(yè)企業(yè)污水深度治理、 城鎮(zhèn)污水集中處理及畜禽養(yǎng)殖污水治理三方面構(gòu)成. 其數(shù)學(xué)模型為

(3)

1.1.3 監(jiān)管減排 監(jiān)管減排是指通過嚴(yán)格環(huán)境執(zhí)法監(jiān)管和提高重點污染行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn), 輔以污染物穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放和清潔生產(chǎn)等環(huán)境管理方法, 實現(xiàn)主要大氣污染物總量減排. 包括“十一五”末已安裝脫硫設(shè)施但效率低的(如循環(huán)硫化床鍋爐和燒結(jié)煙氣脫硫設(shè)施), 或已安裝脫硝設(shè)施但運行不良的燃煤機(jī)組, 通過提高投運率、 完善在線監(jiān)測和加強(qiáng)環(huán)境管理等措施增加污染物削減量. 其數(shù)學(xué)模型如下:

(4)

1.1.4 排污權(quán)交易 在區(qū)域主要污染物排放總量控制目標(biāo)下, 排污單位首先按初始排污權(quán)分配量一次性購買5年期初始排污權(quán). 通過實施排污權(quán)交易制度, 區(qū)域、 企業(yè)及行業(yè)間結(jié)合自身污染物控制能力及減排成本, 權(quán)衡省內(nèi)、 省際排污權(quán)交易成本, 使排污權(quán)從減排成本高的污染源流向減排成本低的污染源, 從而區(qū)域以較低投資實現(xiàn)總量控制目標(biāo), 形成污染水平低、 生產(chǎn)效率高的合理經(jīng)濟(jì)格局, 并促使環(huán)境質(zhì)量隨經(jīng)濟(jì)增長而不斷改善[8]. 其數(shù)學(xué)模型如下:

(6)

(7)

1.2 約束條件

區(qū)域污染物總量控制優(yōu)化模型選取“十二五”總量控制、 環(huán)境容量控制、 污染物濃度控制、 各減排途徑投占比、 GDP增長、 投資資金和減排效力等相關(guān)因素作為模型主要約束條件[7].

(8)

(9)

對于水污染物, 需保證水污染物削減量滿足國家污染物總量控制目標(biāo), 如案例省到2015年COD和NH3-N的排放總量分別比2010年減少削減8.20%和10.30%, 還需保證工業(yè)源及生活源的行業(yè)約束(削減8.0%), 其數(shù)學(xué)公式為

(10)

(11)

對于大氣污染物, 由于對污染行業(yè)并無特殊要求, 考慮到國家污染物總量控制目標(biāo), 即案例省SO2和NOx的排放總量需削減8.60%和9.80%, 其數(shù)學(xué)公式為

(12)

1.2.2 各減排措施下行業(yè)減排約束 區(qū)域污染物總量控制優(yōu)化模型的行業(yè)減排約束設(shè)置為年度約束[7], 與行業(yè)總量達(dá)標(biāo)并不相稱, 故將污染物不同減排措施及行業(yè)減排約束改為5年累計, 同時依照“強(qiáng)化結(jié)構(gòu)減排、 細(xì)化工程減排、 實化監(jiān)管減排”的要求, 對重點工業(yè)行業(yè)進(jìn)行污染物削減約束.

對于大氣污染物, 有

(13)

對于水污染物, 有

?j,m.

(14)

歐瑞康（Oerlikon）是一家全球領(lǐng)先的高科技集團(tuán)，致力于通過專業(yè)研發(fā)的材料、設(shè)備和表面技術(shù)，幫助客戶提升產(chǎn)品性能，延長產(chǎn)品使用壽命。歐瑞康集團(tuán)旗下有表面處理、化學(xué)纖維兩大事業(yè)板塊。其中表面處理事業(yè)板塊包括歐瑞康巴爾查斯, 歐瑞康美科和歐瑞康增材制造。歐瑞康美科通過一系列獨特的表面技術(shù)、設(shè)備、材料、服務(wù)、專業(yè)機(jī)加工服務(wù)和部件，提供使客戶受益的表面增強(qiáng)服務(wù)。

1.2.3 各行業(yè)污染物新增量減排約束 通過核算各行業(yè)污染物新增量, 增加污染物新增量約束, 以確保各減排措施減排量高于區(qū)域動態(tài)增長幅度, 彌補(bǔ)區(qū)域污染物總量控制優(yōu)化模型不能體現(xiàn)污染物動態(tài)變化的不足. 通過對污染物新增量的約束, 使企業(yè)必須采取具體措施積極削減污染物排放量, 杜絕僅通過排污權(quán)交易或規(guī)劃末期突擊減排等消極削減行為, 其約束表達(dá)式如下:

(15)

1.2.4 排污權(quán)交易約束 對區(qū)域污染物總量控制優(yōu)化模型求解計算表明, 兼顧其污染物削減量指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需污染物排放容量、 區(qū)域間交易量(EP)與排污權(quán)交易量的絕對值存在大小關(guān)系, 因此將原有約束改寫為如下約束：

(16)

1.2.5 非負(fù)約束 大氣主要污染物減排量的非負(fù)約束為

(17)

2 修正后的區(qū)域污染物總量控制優(yōu)化模型案例

2.1 案例概況

本文選取案例省“十二五”區(qū)域減排指標(biāo)作為優(yōu)化研究對象, 參照文獻(xiàn)[10]的計算方法, 確定案例省GDP增長強(qiáng)度、 能源消耗總量和工業(yè)增加值等相關(guān)參數(shù), 估算各項主要污染物規(guī)劃期內(nèi)的新增量, 計算結(jié)果列于表1. 其中, COD和NH3-N的預(yù)測分為工業(yè)、 城鎮(zhèn)生活和農(nóng)業(yè)源3部分, 預(yù)測口徑以污染源普查動態(tài)更新后的口徑為準(zhǔn)(不預(yù)測未列入污染源普查口徑的污染物新增量)； SO2和NOx的預(yù)測采用宏觀測算方法, 并按行業(yè)測算予以校核.

表1 案例省2010～2015年不同行業(yè)各污染物的新增量

*“淘汰”部分為“十二五”規(guī)劃期內(nèi)因結(jié)構(gòu)關(guān)停調(diào)整企業(yè)合計新增量.

結(jié)合國家“十二五”期間主要污染物排放總量控制指標(biāo), 案例省以污染源普查動態(tài)更新后的2010年主要污染物排放量, 作為總量控制規(guī)劃排放量基數(shù). 規(guī)劃編制的基準(zhǔn)年為2010年, 規(guī)劃目標(biāo)年為2015年, 即到2015年主要污染物COD和NH3-N的排放總量分別比2010年減少削減8.20%和10.30%(其中工業(yè)和生活減少8.0%), 而SO2和NOx則需削減8.60%和9.80%, 計算結(jié)果列于表2.

表2 案例省“十二五”期間主要污染物實際削減目標(biāo)

由表2可見, 若“十二五”期間國民經(jīng)濟(jì)及社會建設(shè)持續(xù)較快增長, 則案例省主要污染物新增量增加幅度較大, 污染物減排工作面臨嚴(yán)峻考驗.

2.2 案例優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)案例數(shù)據(jù)與當(dāng)?shù)卣{(diào)研資料, 將整理后數(shù)據(jù)輸入LINGO13.0程序中, 求解獲得案例省主要污染物減排優(yōu)化減排量, 結(jié)果列于表3和表4, 優(yōu)化后污染物減排成本為494.02億元.

2.3 分析與評價

1) 在滿足區(qū)域污染物減排量約束的前提下, 兼顧3項減排措施與排污權(quán)交易, 案例省“十二五”期間可削減COD 46.93萬t、 NH3-N 5.89萬t、 SO233.83萬t和NOx20.45萬t, 可控指標(biāo)減排量(不含排污交易量)分別增加了6.85%,8.63%,17.34%和6.51%, 優(yōu)化后的污染物減排成本為494.02億元, 低于參考方案(502.23億元), 見表5. 此外, 修正后的“污染物總量控制概念模型”通過對年度減排量進(jìn)行約束, 所獲優(yōu)化結(jié)果可精確到各年度、 各行業(yè)和各減排途徑的減排量, 從而確保了年度減排計劃有效實施, 避免規(guī)劃末期發(fā)生惡性突擊減排事件.

表3 修正后的區(qū)域污染物總量控制優(yōu)化模型水污染物減排優(yōu)化結(jié)果

表4 修正后的區(qū)域污染物總量控制優(yōu)化模型大氣污染物減排優(yōu)化結(jié)果

*因大氣污染處理工程僅有淘汰落后企業(yè)一個類別, 故表中略去SER的零項.

表5 修正后的區(qū)域污染物總量控制優(yōu)化模型優(yōu)化方案與參考方案的比較

2) 若將參考方案未完成減排量折合排污權(quán)交易量, 則參考方案減排成本增加19.80億元, 即為522.03億元. 與參考方案相比, 修正后的“污染物總量控制概念模型”通過系統(tǒng)優(yōu)化及排污權(quán)交易, 可減少投入資金28.00億元, 縮減比例達(dá)5.36%, COD,NH3-N,SO2和NOx可控指標(biāo)減排量(含排污交易)增加了9.34%,12.55%,26.06%和15.52%, 并間接消納了未完成指標(biāo), 完成了國家減排任務(wù)(表5). 由表5可見, SO2直接減排量大于環(huán)保部門要求的削減量, 故此盈余指標(biāo)也可通過排污權(quán)交易轉(zhuǎn)化為環(huán)境收益, 以降低減排成本.

3) 修正后的區(qū)域污染物總量控制優(yōu)化模型結(jié)合各地區(qū)的行業(yè)發(fā)展, 并考慮不同行業(yè)的減排潛力, 可優(yōu)化各行業(yè)減排總量, 參照表6的對比參考方案, 從而更好地衡量各主要污染物在不同行業(yè)間的減排能力, 做到對重點行業(yè)進(jìn)行監(jiān)管與控制.

表6 案例省“十二五”期間主要污染物各行業(yè)減排總量

a. SER工業(yè); b. SER生活; c. SER農(nóng)業(yè); d. EER工業(yè); e. EER生活; f. EER農(nóng)業(yè); g. 排污權(quán)交易;h. SER淘汰; i. EER電力; j. EER非電力; k. MER電力; l. MER非電力.圖1 各主要污染物不同途徑的減排削減比例Fig.1 Cutting proportion of each pollutant through different emission reduction ways

4) 修正后的區(qū)域污染物總量控制優(yōu)化模型還可反映各行業(yè)不同減排措施的側(cè)重點, 如圖1所示. 由圖1可見, COD工程減排削減量(37.46萬t)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)減排量削減量(9.46萬t), 削減比例達(dá)70.34%； NH3-N工程減排削減量(4.77萬t)也大于結(jié)構(gòu)減排量削減量(1.56萬t), 工程減排比例72.17%. 因此, 未來5年規(guī)劃期內(nèi), 水污染減排重點仍為完善各類污水處理設(shè)施(包括配套管網(wǎng)建設(shè)), 加快實施污泥深度處理和中水回用工程及農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖污染治理. 而大氣污染物SO2主要通過結(jié)構(gòu)減排進(jìn)行總量削減, 所占比例達(dá)37.77%, 其后依次為非電力行業(yè)工程減排和電力行業(yè)監(jiān)管減排. 有色冶煉、 燒結(jié)機(jī)、 35 t以上燃煤鍋爐脫硫工程建設(shè)及改造將成為保證“十二五”環(huán)保指標(biāo)順利完成的重點工程； 在氮氧化物控制中, 電力行業(yè)NOx工程減排比例為61.67%, 非電力行業(yè)監(jiān)管減排比例可達(dá)17.85%, 因此, “十二五”規(guī)劃期內(nèi), 一方面要對單機(jī)容量20萬kW及以上的現(xiàn)役燃煤機(jī)組實行脫硝改造, 開展燒結(jié)機(jī)、 新型干法水泥窯和65 t以上燃煤鍋爐脫硝工程建設(shè)示范； 另一方面要進(jìn)行機(jī)動車尾氣污染監(jiān)管, 努力推廣城市公交、 燃?xì)獬鲎廛嚭碗妱榆嚨氖褂? 推行汽油和柴油油品的升級.

綜上所述, 本文將初始排污權(quán)分配及環(huán)境本底基數(shù)概念引入?yún)^(qū)域污染物總量控制優(yōu)化模型中, 調(diào)整和補(bǔ)充了部分約束條件, 并進(jìn)行了模型優(yōu)化求解. 案例應(yīng)用表明, 修正后的模型對案例省污染物減排方案進(jìn)行優(yōu)化后, 最終減排成本縮減494.02億元, 較案例省參考方案(502.23億元)減少28.00億元, 縮減比例達(dá)5.36%, 從而保證了案例省“十二五”環(huán)境保護(hù)總量控制規(guī)劃的完成, 為全面提高環(huán)境質(zhì)量、 轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式提供了理論基礎(chǔ).

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