流域清潔生產(chǎn)及其潛力分析方法研究

謝明輝，喬 琦，孫啟宏

（中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012）

1 前言

目前，清潔生產(chǎn)在企業(yè)層面上的實踐已取得了顯著的成果，包括清潔生產(chǎn)技術(shù)評價、清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)等研究，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與環(huán)境問題的復(fù)雜化，越來越需要在更高層次和更大范圍內(nèi)實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，因此，區(qū)域和流域清潔生產(chǎn)研究應(yīng)運(yùn)而生。其中，區(qū)域清潔生產(chǎn)研究范圍較小，主要集中在工業(yè)園區(qū)層次，并已初步形成了一些理論基礎(chǔ)[1～3]。而流域清潔生產(chǎn)由于所面對的流域范圍較大，其中涉及污染跨界和上下游、左右岸等問題，從可查閱的國內(nèi)外文獻(xiàn)來看，有關(guān)流域清潔生產(chǎn)的概念提及甚少。孟偉等[4～8]曾在《流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究》中提及對流域中不同使用功能和保護(hù)目標(biāo)的地表水域應(yīng)實施水質(zhì)分級管理，對于流域內(nèi)技術(shù)水平與排放限值要求不同的企業(yè)實施分級環(huán)境經(jīng)濟(jì)政策，以促進(jìn)流域清潔生產(chǎn)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)的整體實現(xiàn)，這是國內(nèi)首次從宏觀意義上提及流域清潔生產(chǎn)的概念。

流域清潔生產(chǎn)是將工業(yè)生態(tài)學(xué)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論相結(jié)合，同時融入系統(tǒng)論的方法，將清潔生產(chǎn)的對象拓展到流域社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，從流域經(jīng)濟(jì)活動入手，包括流域總體布局、經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面，結(jié)合流域水質(zhì)管理目標(biāo)和流域水環(huán)境容量，兼顧上下游經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，以控制區(qū)-控制單元體系為框架，提出合理的行業(yè)清潔生產(chǎn)配置方案，實現(xiàn)流域資源的合理利用、廢物的資源化和最小化，促進(jìn)流域經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。

2 流域清潔生產(chǎn)的概念

2.1 內(nèi)涵

相比企業(yè)清潔生產(chǎn)、行業(yè)清潔生產(chǎn)和區(qū)域清潔生產(chǎn)，流域清潔生產(chǎn)需要考慮的因素更為繁多，各因素之間的關(guān)系也相對復(fù)雜。不但要考慮流域水質(zhì)管理目標(biāo)和水資源承載力，還要兼顧流域上下游經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，通過對流域重點行業(yè)的過程控制與監(jiān)管，實現(xiàn)源頭削減甚至消除污染物產(chǎn)生的目標(biāo)。同時作為一個動態(tài)體系，流域清潔生產(chǎn)更不容易控制和掌握。因此，在流域內(nèi)全面推行清潔生產(chǎn)，是對污染末端治理和傳統(tǒng)發(fā)展模式的根本變革和創(chuàng)新，是走新型工業(yè)化道路、促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益雙贏、實現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

1）可持續(xù)內(nèi)涵。流域清潔生產(chǎn)以可持續(xù)發(fā)展為指導(dǎo)，以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為原則。在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時要保證和促進(jìn)流域水資源的完整性和生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，要做到資源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

2）社會經(jīng)濟(jì)內(nèi)涵。流域清潔生產(chǎn)跟社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平是緊密聯(lián)系的，是以可預(yù)見的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平為依據(jù)的。社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平?jīng)Q定著用水結(jié)構(gòu)，也影響著流域清潔生產(chǎn)水平的高低。同時，清潔生產(chǎn)技術(shù)水平的合理優(yōu)化配置是一種典型的社會經(jīng)濟(jì)活動，體現(xiàn)了清潔生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)價值所在，提升了流域經(jīng)濟(jì)資源優(yōu)化的合理性。

2.2 特征

流域清潔生產(chǎn)不同于企業(yè)清潔生產(chǎn)，但又兼具區(qū)域清潔生產(chǎn)的部分特征，主要特征如下所示。

1）系統(tǒng)性。流域清潔生產(chǎn)除涉及環(huán)境系統(tǒng)外，還包括社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，其優(yōu)化配置方案的合理性與流域經(jīng)濟(jì)水平密切相關(guān)，這點在前文已有論述，在此不再累述。

2）針對性。流域清潔生產(chǎn)更多關(guān)注的是水體污染物，這點與區(qū)域清潔生產(chǎn)有所不同，區(qū)域清潔生產(chǎn)不僅關(guān)注水體污染物還需關(guān)注大氣污染物和固體廢物，但流域清潔生產(chǎn)針對的主要是水體污染防治，這是由流域污染防治的特征所決定的。流域清潔生產(chǎn)通過對清潔生產(chǎn)方案的優(yōu)化配置，實現(xiàn)水資源的高效利用和源頭削減水體污染物的產(chǎn)生，從而減少對流域水體污染物的排放。

3）跨界性。流域一般具有跨市、跨省甚至跨經(jīng)濟(jì)帶的特征，如長江、黃河流域等地跨我國東、中、西部3個經(jīng)濟(jì)帶，既有自然條件的差異，又存在著上、中、下游區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差異。因此，在實施流域清潔生產(chǎn)時，必須充分考慮這些特點，遵循“分區(qū)、分級”的理念，以反映流域清潔生產(chǎn)在區(qū)域差異、水質(zhì)差異下實施的差異性。

4）優(yōu)先性。流域水體自上而下具有累積性，即下游的每個行政區(qū)域不僅接受了上游排出的污水（源頭區(qū)域除外），而且還排出了污染本行政區(qū)域和下游河段的污水。一般來說，越往下游走，水質(zhì)越壞。因此，流域清潔生產(chǎn)一般優(yōu)先配置在流域上游或是水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)較高的區(qū)域，特別是在診斷識別過程中，對上、中、下游同行業(yè)的產(chǎn)污強(qiáng)度的比較需要區(qū)別對待。

2.3 理論基礎(chǔ)

流域清潔生產(chǎn)是基于工業(yè)生態(tài)學(xué)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論和可持續(xù)理論，并結(jié)合系統(tǒng)論分析方法，指導(dǎo)在流域?qū)用鎸嵤┑那鍧嵣a(chǎn)。因此，其理論基礎(chǔ)主要包括工業(yè)生態(tài)學(xué)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)理論和系統(tǒng)論四大塊。

1）工業(yè)生態(tài)學(xué)。1989年9月，美國物理學(xué)家、哈佛大學(xué)教授Robert等發(fā)表文章[9]，從生態(tài)系統(tǒng)角度提出了產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的概念。產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)主要研究社會生產(chǎn)活動中自然資源從源、流到匯的全代謝過程及其組織管理體制，以及生產(chǎn)、消費(fèi)、調(diào)控行為的動力學(xué)機(jī)制、控制論方法及其與生命支持系統(tǒng)的相互關(guān)系，通過重組和調(diào)整工業(yè)系統(tǒng)，將環(huán)境因素整合到經(jīng)濟(jì)過程之中，使之與生物圈相兼容，從而能持久生存下去。由于工業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系是關(guān)注的熱點問題，所以目前對于產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的研究集中在工業(yè)生態(tài)學(xué)方面[10～12]。

2）循環(huán)經(jīng)濟(jì)。20世紀(jì)90年代，人們認(rèn)識到當(dāng)代資源枯竭和環(huán)境問題日益惡化的根本原因是由于人類以高開采、低利用、高排放為特征的線性經(jīng)濟(jì)模式造成的。為此提出應(yīng)在資源環(huán)境不退化甚至得到改善的情況下促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長，建立一種以物質(zhì)閉環(huán)流動為特征的經(jīng)濟(jì)，即循環(huán)經(jīng)濟(jì)。循環(huán)經(jīng)濟(jì)把經(jīng)濟(jì)活動組織成為一個“資源—產(chǎn)品—再生資源”的反饋式流程，所有資源和能源得到合理和持久的利用，從而把經(jīng)濟(jì)活動對自然環(huán)境的影響降低到盡可能小的程度。循環(huán)經(jīng)濟(jì)本質(zhì)上是一種生態(tài)經(jīng)濟(jì)，它運(yùn)用生態(tài)學(xué)規(guī)律指導(dǎo)人類社會的經(jīng)濟(jì)活動，可以為優(yōu)化人類經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)各個組成部分之間的關(guān)系提供整體性的思路，為工業(yè)化以來的傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)提供戰(zhàn)略性的理論范式，從而從根本上消解長期以來環(huán)境與發(fā)展之間的尖銳沖突[13]。

3）可持續(xù)理論?？沙掷m(xù)發(fā)展是我國的基本國策，也是我國必須長期堅持的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。它要求在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時，正確處理經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人口、環(huán)境、資源的關(guān)系，使環(huán)境和資源既能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)的需要，又能滿足人民日益增長的物質(zhì)和文化生活的需要。清潔生產(chǎn)實行源頭削減和對產(chǎn)品生產(chǎn)實施全過程控制，可以避免和減少因末端治理不徹底而造成的二次污染；減少需要末端處理的污染物總量和處理設(shè)施的建設(shè)規(guī)模，降低一次性投資和運(yùn)行費(fèi)用，可以帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益；改善職工的勞動條件和工作環(huán)境，有效保護(hù)職工安全，減輕對職工健康的不良影響，提高職工勞動積極性和工作效率，同時也保護(hù)了公眾健康；有利于企業(yè)樹立良好的社會公眾形象，提高企業(yè)的環(huán)保聲譽(yù)和產(chǎn)品競爭能力[14，15]。

4）系統(tǒng)論。系統(tǒng)論是流域清潔生產(chǎn)研究的重要理論基礎(chǔ)之一，這是由于流域清潔生產(chǎn)是由經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)中多個不同的要素構(gòu)成的。各個要素復(fù)雜多變，因此整個系統(tǒng)存在較大的不確定性，需要從系統(tǒng)論的角度去解決問題。系統(tǒng)論的創(chuàng)始人貝塔朗菲給系統(tǒng)論的定義是“處在一定相互聯(lián)系中與環(huán)境發(fā)生關(guān)系的各組成部分的整體”。這其中包含兩層含義：一是系統(tǒng)由互相聯(lián)系的要素構(gòu)成；二是系統(tǒng)與環(huán)境發(fā)生關(guān)系，它不是孤立的。要素是組成系統(tǒng)的各個部分，是構(gòu)成系統(tǒng)的實體，離開要素，系統(tǒng)就不存在。但是系統(tǒng)又不是要素的簡單相加，它還包括要素間的相互關(guān)系，要素有機(jī)地組織起來才構(gòu)成系統(tǒng)整體[16]。

3 流域清潔生產(chǎn)潛力分析方法

流域清潔生產(chǎn)潛力是指通過流域行業(yè)清潔生產(chǎn)優(yōu)化配置，在整個流域?qū)崿F(xiàn)減排中清潔生產(chǎn)的貢獻(xiàn)情況，而由于使用清潔生產(chǎn)技術(shù)降低污染負(fù)荷導(dǎo)致末端處置設(shè)施穩(wěn)定性和長期性提升而產(chǎn)生的間接效益，則不在研究范圍之內(nèi)。目前，清潔生產(chǎn)潛力分析方法主要集中在微觀層次，即單個企業(yè)或行業(yè)層面，如清潔生產(chǎn)審核、物質(zhì)流分析、績效分析、情景分析、最佳可行性技術(shù)分析和生命周期評價等，但這些方法都有各自的適用性。而對于宏觀層次（區(qū)域、流域）的清潔生產(chǎn)潛力分析方法目前尚無系統(tǒng)研究，考慮到流域清潔生產(chǎn)作為一個經(jīng)濟(jì)和環(huán)境耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，選用系統(tǒng)動力學(xué)這一常用于解決復(fù)雜系統(tǒng)問題的方法去分析流域清潔生產(chǎn)潛力是可行的，因此筆者擬采用系統(tǒng)動力學(xué)的方法對流域清潔生產(chǎn)潛力定量分析方法進(jìn)行探討。

系統(tǒng)動力學(xué)是一種研究復(fù)雜系統(tǒng)行為的方法，適于研究隨時間變化的復(fù)雜系統(tǒng)問題，最初由麻省理工學(xué)院Jayw Foster教授于1956年創(chuàng)立。它基于系統(tǒng)論，并吸收控制論、信息論的精髓，融結(jié)構(gòu)與功能、物質(zhì)與信息、科學(xué)與經(jīng)驗于一體，溝通了自然科學(xué)與社會科學(xué)的橫向聯(lián)系，是一門交叉性、綜合性很強(qiáng)的學(xué)科。系統(tǒng)動力學(xué)從系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手，構(gòu)造系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)并建立模型，進(jìn)而借助計算機(jī)模擬技術(shù)分析系統(tǒng)的動態(tài)行為，預(yù)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，并可作為實際系統(tǒng)特別是社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、資源復(fù)雜大系統(tǒng)的“實驗室”。模型的主要功能在于向人們提供一個進(jìn)行學(xué)習(xí)與政策分析的工具。目前，系統(tǒng)動力學(xué)已廣泛應(yīng)用于社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、科研、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域[17]。

3.1 模型設(shè)計

系統(tǒng)動力學(xué)雖然應(yīng)用于水環(huán)境領(lǐng)域的研究較多，但這些研究都僅限于流域水資源承載力方面的研究，而對流域清潔生產(chǎn)潛力分析的研究基本沒有。因此，本文選用系統(tǒng)動力學(xué)，結(jié)合情景分析，同時兼顧流域的環(huán)境、社會、經(jīng)濟(jì)、政策體系的配套管理，構(gòu)建了流域清潔生產(chǎn)潛力分析的系統(tǒng)動力學(xué)模型（SDM-BCPP）。該模型包括一個主體模塊和兩個輔助模塊，主體模塊為流域清潔生產(chǎn)潛力分析的基礎(chǔ)模塊，具有行業(yè)普適性；兩個輔助模塊分別為流域清潔生產(chǎn)診斷識別模塊和流域清潔生產(chǎn)趨勢分析模塊，前者用于識別診斷流域清潔生產(chǎn)的重點行業(yè)，后者用于確定模型中的參數(shù)變量。三個模塊的關(guān)系如圖1所示。

圖1 流域清潔生產(chǎn)潛力分析主體模塊與輔助模塊的關(guān)系示意圖Fig.1 The relationship between main modules and assistant modules of basin cleaner production potential

3.1.1 主體模塊：流域清潔生產(chǎn)潛力分析

主體模塊由多個獨立的子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)對應(yīng)一個行業(yè)或子行業(yè)的清潔生產(chǎn)潛力分析。每個子系統(tǒng)都由行業(yè)產(chǎn)值變化率、萬元產(chǎn)值新水耗量、污染物產(chǎn)污強(qiáng)度、污染物進(jìn)水濃度、污染物削減率、污染設(shè)施進(jìn)水量、廢水回用率等變量構(gòu)成。考慮到水體污染的國控指標(biāo)為化學(xué)需氧量（COD）和氨氮，因此可選擇這兩個指標(biāo)為流域清潔生產(chǎn)參數(shù)，不同流域應(yīng)根據(jù)實際情況增加或刪減相應(yīng)的特征污染物。其中經(jīng)濟(jì)變量（行業(yè)產(chǎn)值變化率）一個，其變化趨勢一般根據(jù)國家產(chǎn)業(yè)規(guī)劃及流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃界定；其余全為環(huán)境變量，跟流域清潔生產(chǎn)有關(guān)的是萬元產(chǎn)值新水耗量、產(chǎn)污強(qiáng)度、廢水回用率這幾個變量，其余的變量跟末端治理方式有關(guān)，子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 子系統(tǒng)清潔生產(chǎn)潛力分析系統(tǒng)動力學(xué)模型圖Fig.2 The system dynamics model of cleaner production potential for subsystem

主體模塊應(yīng)層層分解至具有一定數(shù)據(jù)可比性且技術(shù)集中度較高的子行業(yè)層次，以便于進(jìn)行清潔生產(chǎn)趨勢分析。一個獨立的子系統(tǒng)包含25個變量參數(shù)、9個狀態(tài)方程、4個速率方程以及大量的輔助方程，其中主要的幾個狀態(tài)方程如下：

式（1）～（5）中，L指某（子）行業(yè)；K為目標(biāo)年（2015年）；J為基準(zhǔn)年（2007年）。

3.1.2 輔助模塊1：流域清潔生產(chǎn)診斷識別

清潔生產(chǎn)主要通過降低產(chǎn)污強(qiáng)度來實現(xiàn)污染物的源頭削減和過程控制，因此產(chǎn)污強(qiáng)度越大的企業(yè)應(yīng)作為清潔生產(chǎn)的重點。此外，考慮到流域污染介質(zhì)在上下游的累積性，越靠近源頭區(qū)域、水質(zhì)功能級別越高的行業(yè)應(yīng)優(yōu)先實施清潔生產(chǎn)。因此，流域清潔生產(chǎn)主要行業(yè)的診斷識別應(yīng)同時考慮產(chǎn)污強(qiáng)度和所在控制區(qū)的水質(zhì)目標(biāo)，其重要性與產(chǎn)污強(qiáng)度成正比、與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值成反比，三者關(guān)系如式（6）所示。

本文從流域污染物產(chǎn)生特征入手，結(jié)合流域水質(zhì)改善目標(biāo)，提出基于產(chǎn)污強(qiáng)度和水質(zhì)目標(biāo)的流域清潔生產(chǎn)診斷方法。該模型可用式（7）表示。

式（7）中，i為行業(yè)類別（1，2，…，n）；j為污染物種類（1，2，…，m）；a為控制區(qū)（1，2，…，x）；Ii為行業(yè)i清潔生產(chǎn)重要度；Gaij為流域a控制區(qū)內(nèi)行業(yè)i的污染物j的產(chǎn)生量；Eai為流域a控制區(qū)內(nèi)行業(yè)i的行業(yè)總產(chǎn)值；Kaj為流域a控制區(qū)水質(zhì)改善目標(biāo)中污染物j的標(biāo)準(zhǔn)限值。

流域清潔生產(chǎn)診斷識別的具體程序是通過對流域內(nèi)各行業(yè)清潔生產(chǎn)重要度的計算，選擇重要度較大的行業(yè)作為流域清潔生產(chǎn)的主要行業(yè)。

3.1.3 輔助模塊2：流域清潔生產(chǎn)趨勢分析

關(guān)于流域清潔生產(chǎn)趨勢分析，傳統(tǒng)的做法是將行業(yè)清潔生產(chǎn)指標(biāo)（產(chǎn)污強(qiáng)度）與清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對，計算出產(chǎn)污強(qiáng)度的降低程度，從而分析清潔生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。但此方法忽視了區(qū)域特征對清潔生產(chǎn)技術(shù)實施的影響，同時由于清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)更新速度較慢，多數(shù)清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)已滿足不了目前流域清潔生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展趨勢的分析要求，特別是達(dá)到1級標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)。因此，筆者經(jīng)過大量的調(diào)研，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)出發(fā)，結(jié)合流域“分區(qū)、分類、分級”的管理理念，提出了基于目標(biāo)距離法的流域清潔生產(chǎn)趨勢分析，目前該方法在清潔生產(chǎn)方面的應(yīng)用尚屬首次。

目標(biāo)距離法是一種通過界定預(yù)期目標(biāo)再進(jìn)行趨勢分析的方法，起源于1990年的加權(quán)過程中，常用于生命周期評價（LCA）的加權(quán)過程，后被發(fā)展成為定量評價方法。目標(biāo)距離法用于生命周期影響評價過程，通過某種環(huán)境效應(yīng)的當(dāng)前水平與目標(biāo)水平（標(biāo)準(zhǔn)或容量）之間的距離來表征某種環(huán)境效應(yīng)的嚴(yán)重性，距離越大，影響越大。對目標(biāo)既可采用科學(xué)目標(biāo)，如環(huán)境干擾的極限濃度或數(shù)量，也可采用政策目標(biāo)（如政府削減目標(biāo)）和管理目標(biāo)（各種排放標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等）。

本文將目標(biāo)距離法應(yīng)用到流域清潔生產(chǎn)產(chǎn)污強(qiáng)度的趨勢分析中，結(jié)合統(tǒng)計學(xué)原理，對相同行業(yè)、相同子行業(yè)、相同規(guī)模、相同企業(yè)類別、相同產(chǎn)品的產(chǎn)污強(qiáng)度進(jìn)行系統(tǒng)分析，通過計算各企業(yè)清潔生產(chǎn)產(chǎn)污現(xiàn)狀與目標(biāo)之間的距離，表征其產(chǎn)污強(qiáng)度的降低程度，再通過企業(yè)加權(quán)、規(guī)模加權(quán)、子行業(yè)加權(quán)的方式，得出流域內(nèi)該行業(yè)清潔生產(chǎn)產(chǎn)污強(qiáng)度的降低程度，分析流域內(nèi)行業(yè)清潔生產(chǎn)的趨勢，模型可用式（8）表示。

式（8）中，X為子行業(yè)類別（1，2，…，k）；Y為規(guī)模類型（1、2、3分別代表大型、中型、小型）；i為A類企業(yè)（1，2，…，n）；j為B類企業(yè)（1，2，…，m）；RC為行業(yè)某污染物產(chǎn)污強(qiáng)度降低度；E為行業(yè)產(chǎn)值；EX為該行業(yè)子行業(yè)X的產(chǎn)值；EXY為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下的產(chǎn)值；EXYG為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下A類企業(yè)產(chǎn)值之和；EXYB為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下B類企業(yè)產(chǎn)值之和；WXYGi為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下A類企業(yè)i在所有A類企業(yè)中的產(chǎn)值占比；WXYBj為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下B類企業(yè)j在所有B類企業(yè)中的產(chǎn)值占比；RXYGi為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下A類企業(yè)i的產(chǎn)污強(qiáng)度降低率，可用公式（9）計算。

式（9）中，CXYGi為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下A類企業(yè)i的產(chǎn)污強(qiáng)度。

RXYBj為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下B類企業(yè)j的產(chǎn)污強(qiáng)度降低率，可用公式（10）計算。

式（10）中，CXYBj為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下B類企業(yè)j的產(chǎn)污強(qiáng)度；GXYGi為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下A類企業(yè)i的產(chǎn)污量；GXYBj為該行業(yè)子行業(yè)X在規(guī)模Y下B類企業(yè)j的產(chǎn)污量。

3.2 程序設(shè)計

流域清潔生產(chǎn)潛力分析的程序如圖3所示。

圖3 流域清潔生產(chǎn)潛力分析程序圖Fig.3 Procedure of basin cleaner production potential analysis

3.3 方案設(shè)計

流域清潔生產(chǎn)潛力分析的方案設(shè)計根據(jù)流域經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型方式的不同，可以分為產(chǎn)業(yè)優(yōu)化方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)調(diào)整方案設(shè)計和布局優(yōu)化方案設(shè)計。考慮到結(jié)構(gòu)調(diào)整和布局優(yōu)化是對流域內(nèi)行業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整布局，包括流域行業(yè)集聚區(qū)的跨經(jīng)濟(jì)帶、跨上下游、跨控制區(qū)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移等，不僅需要考慮流域清潔生產(chǎn)重點度的變化，還需考慮結(jié)構(gòu)調(diào)整和布局優(yōu)化后污染源與流域間的擴(kuò)散距離，涉及較多的環(huán)境污染機(jī)理研究，相關(guān)研究內(nèi)容將在“十二五”水專項中展開。因此，本文僅對產(chǎn)業(yè)優(yōu)化方案下流域清潔生產(chǎn)潛力分析進(jìn)行研究。

產(chǎn)業(yè)優(yōu)化主要是指通過提高工藝水平，推廣清潔生產(chǎn)技術(shù)，以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)資源能源產(chǎn)出率，減少污染物的產(chǎn)生和排放。具體的情景方案設(shè)計如下。

1）方案1：現(xiàn)狀方案。保持現(xiàn)有狀況不變，即現(xiàn)有清潔生產(chǎn)和末端治理水平不變，模型如式（11）所示。

式（11）中，Po為目標(biāo)年現(xiàn)狀方案下流域（行業(yè)）的污染物排放量；Eoi為基準(zhǔn)年（子）行業(yè)i產(chǎn)值；ai為（子）行業(yè)i經(jīng)濟(jì)年均增長率；Coi為（子）行業(yè)i基準(zhǔn)年產(chǎn)污強(qiáng)度；Roi為（子）行業(yè)i基準(zhǔn)年末端治理設(shè)施的削減率

2）方案2：優(yōu)化方案（清潔生產(chǎn)方案）。指在現(xiàn)有方案的基礎(chǔ)上，通過實施清潔生產(chǎn)技術(shù)，結(jié)合清潔生產(chǎn)趨勢分析，逐年降低萬元產(chǎn)值新水耗量、COD產(chǎn)污強(qiáng)度和氨氮產(chǎn)污強(qiáng)度，同時綜合考慮現(xiàn)有污染處置設(shè)施的技術(shù)參數(shù)，預(yù)測分析實施清潔生產(chǎn)對污染物排放量的削減程度，模型如式（12）所示。

式（12）中，Pc為目標(biāo)年優(yōu)化方案下流域（行業(yè)）的污染物排放量；Cti為目標(biāo)年（子）行業(yè)i的產(chǎn)污強(qiáng)度，Cti=Cti（1－Rci）。

3）方案3：綜合方案（清潔生產(chǎn)+末端治理方案）。指在現(xiàn)有方案的基礎(chǔ)上，通過實施清潔生產(chǎn)技術(shù)，降低萬元產(chǎn)值新水耗量、COD產(chǎn)污強(qiáng)度和氨氮產(chǎn)污強(qiáng)度，同時對實施清潔生產(chǎn)后的污染處理設(shè)施進(jìn)行趨勢分析，提高末端處理設(shè)施的COD削減率、氨氮削減率等指標(biāo)，進(jìn)一步預(yù)測實施清潔生產(chǎn)和提高末端治理對整個流域減排的潛力，模型如式（13）所示。

式（13）中，Pc+t為目標(biāo)年綜合方案流域（行業(yè)）的污染物排放量；Rti為目標(biāo)年（子）行業(yè)i末端治理設(shè)施的污染物削減率。

4 案例分析：遼河流域清潔生產(chǎn)潛力分析

4.1 遼河流域清潔生產(chǎn)診斷識別

遼河流域水體污染物主要為COD和氨氮，因此以這兩個指標(biāo)來識別診斷該流域清潔生產(chǎn)主要行業(yè)。目前，遼河流域內(nèi)蒙古控制區(qū)和吉林控制區(qū)不存在工業(yè)體系，因此僅需在遼寧控制區(qū)識別診斷流域清潔生產(chǎn)主要行業(yè)，在同一控制區(qū)進(jìn)行識別診斷時無需考慮水質(zhì)目標(biāo)，故可根據(jù)產(chǎn)污強(qiáng)度進(jìn)行識別診斷。結(jié)果表明，遼河流域清潔生產(chǎn)主要行業(yè)為造紙及紙制品業(yè)；啤酒釀造業(yè)；黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)；醫(yī)藥制造業(yè)；印染加工業(yè)；石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)這六大行業(yè)（見圖4）。

圖42008年遼河流域主要行業(yè)污染物產(chǎn)生量及產(chǎn)生強(qiáng)度比較Fig.4 Comparison of water pollutants generation and intensity by main industry in Liaohe River basin in 2008

2008年這六大行業(yè)工業(yè)產(chǎn)值占流域工業(yè)總產(chǎn)值的44.2%，COD和氨氮產(chǎn)生量分別占流域總量的72.5%和88.4%。其中，造紙及紙制品業(yè)、印染加工業(yè)、黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)這3個行業(yè)的COD產(chǎn)生量最大，分別占COD產(chǎn)生總量的24.1%、14.5%和11.2%。醫(yī)藥制造業(yè)，石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)，印染加工業(yè)的氨氮產(chǎn)生量較大，分別占氨氮產(chǎn)生總量的42.0%、20.1%和16.4%，醫(yī)藥制造業(yè)和啤酒釀造業(yè)的COD產(chǎn)生強(qiáng)度也較大。

4.2 遼河流域清潔生產(chǎn)潛力分析模型整合

遼河流域清潔生產(chǎn)潛力分析模型主體模塊與輔助模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中主體模塊中的每一個子行業(yè)都有一個如圖5下半部分由氨氮排放量、COD排放量和廢水排放量這3個狀態(tài)變量組成的子系統(tǒng)，受篇幅所限，模型結(jié)構(gòu)圖只畫出了制藥行業(yè)生物制藥子行業(yè)的子系統(tǒng)。

4.3 遼河流域清潔生產(chǎn)趨勢分析

根據(jù)遼河流域清潔生產(chǎn)診斷識別結(jié)果，結(jié)合本文建立的流域趨勢分析方法學(xué)，遼河流域清潔生產(chǎn)主要行業(yè)趨勢分析結(jié)果如表1所示。

圖5 遼河流域清潔生產(chǎn)潛力分析系統(tǒng)動力學(xué)模型Fig.5 The system dynamics model of basin cleaner production potential in Liaohe River basin

表1 遼河流域清潔生產(chǎn)指標(biāo)趨勢分析結(jié)果Table 1 Trend analysis results on cleaner production index in Liaohe River basin%

4.4 遼河流域清潔生產(chǎn)潛力分析結(jié)果

將表1中的數(shù)據(jù)代入流域清潔生產(chǎn)潛力分析模型，結(jié)果如圖6和圖7所示。從圖6中可以看出，方案2即可實現(xiàn)冶金、造紙和石化的COD減排；而方案3中冶金、造紙、石化、制藥更是分別實現(xiàn)了COD的減排，分別為24.08%、18.88%、18.75%和5.52%?？紤]到造紙、冶金、石化行業(yè)污染物排放量比較大，因此，這3個行業(yè)將是遼河流域清潔生產(chǎn)COD減排潛力較大的行業(yè)。

圖6 遼河流域重點行業(yè)2015年COD排放量較2010年變化情況圖Fig.6 Prediction of COD emission from main industries in Liaohe River basin in 2015 compared with that actually in 2010

其中制藥行業(yè)由于受益于國家政策，在“十二五”期間飛速發(fā)展的同時將帶來大量的COD排放。但由于醫(yī)藥行業(yè)整體的COD產(chǎn)污強(qiáng)度降低空間較大，因此，在方案3中還是實現(xiàn)了COD減排。

由于啤酒行業(yè)工藝流程短，又是我國早期開展清潔生產(chǎn)國際合作的示范行業(yè)，且目前遼河流域啤酒行業(yè)的所有企業(yè)均已達(dá)到了清潔生產(chǎn)一級水平，因此該行業(yè)產(chǎn)污強(qiáng)度降低空間不大。同時，目前該行業(yè)的COD和氨氮的削減率已經(jīng)分別達(dá)到了95.28%和82.33%，污染物削減率提升空間不大。這兩點原因直接導(dǎo)致了該行業(yè)COD和氨氮排放量在2015年沒有實現(xiàn)較2010年的減排，方案3中氨氮排放量雖然較2010年實現(xiàn)了減排5.42%，但仍低于同期流域減排規(guī)劃目標(biāo)。由此可見，在沒有更為減污增效的清潔生產(chǎn)技術(shù)推廣應(yīng)用之前，該行業(yè)不宜作為清潔生產(chǎn)減排的重點行業(yè)，應(yīng)通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)政策調(diào)整的經(jīng)濟(jì)手段來控制行業(yè)的污染物排放。

印染行業(yè)也未能實現(xiàn)COD減排，考慮到產(chǎn)污強(qiáng)度降低空間較大，應(yīng)積極從生產(chǎn)工藝下手，加強(qiáng)過程控制，加大清潔生產(chǎn)技術(shù)的投入，因此，應(yīng)作為流域清潔生產(chǎn)COD減排的重點行業(yè)。

圖7 遼河流域重點行業(yè)2015年氨氮排放量較2010年變化情況圖Fig.7 Prediction of NH3-N emission from main industries in Liaohe River basin in 2015 compared with that actually in 2010

從圖7中可以看出，方案2實現(xiàn)了冶金、造紙、石化這3個行業(yè)的氨氮減排，而方案3可實現(xiàn)冶金、造紙、石化、啤酒、制藥和印染全部6個行業(yè)的減排，其較2010年分別減排22.68%、15.13%、29.58%、5.42%、6.00%和2.18%。其中冶金、造紙、石化超過流域規(guī)劃的整體氨氮減排目標(biāo)。因此，這3個行業(yè)是遼河流域清潔生產(chǎn)氨氮減排潛力最大的行業(yè)。

啤酒由于前文所述原因，不作為清潔生產(chǎn)重點行業(yè)，印染和制藥則應(yīng)作為流域清潔生產(chǎn)氨氮減排的重點行業(yè)。

4.5 遼河流域清潔生產(chǎn)對減排的貢獻(xiàn)研究

遼河流域清潔生產(chǎn)主要行業(yè)的COD和氨氮減排貢獻(xiàn)率對比如表2所示，推進(jìn)清潔生產(chǎn)對于COD和氨氮的減排貢獻(xiàn)率分別在50%和60%之上，明顯高于提升末端處置效率的貢獻(xiàn)，其中以制藥行業(yè)最為明顯，該行業(yè)推進(jìn)清潔生產(chǎn)對COD和氨氮減排的貢獻(xiàn)率分別為80%和84%。對遼河流域清潔生產(chǎn)主要行業(yè)污染物排放進(jìn)行整體方案分析，結(jié)果如圖8和圖9所示。

表2 遼河流域重點行業(yè)清潔生產(chǎn)與末端處理的減排貢獻(xiàn)率表Table 2 Contribution rate of cleaner production and treatment in emission-reduction in Liaohe River basin

圖8 遼河流域不同方案下重點行業(yè)COD排放量圖Fig.8 Comparision of COD emissions from different scenarios by main industries in Liaohe River basin

圖9 遼河流域不同方案下重點行業(yè)氨氮排放量圖Fig.9 Comparision of NH3-N emissions from different scenarios by main industries in Liaohe River basin

按方案1發(fā)展，到“十二五”末期，COD排放量將達(dá)到69594 t，較2010年增加36%。采用清潔生產(chǎn)措施（方案2）后，COD排放量降低至52173 t，較2010年增加2%，可有效降低方案1中COD排放量的25%。采用清潔生產(chǎn)和末端治理措施（方案3）后，COD排放量降低至43109 t，較2010年減少16%，可有效降低方案1中COD排放量的38%。因此，實施清潔生產(chǎn)和提高末端治理后對應(yīng)的COD減排絕對貢獻(xiàn)率分別為25%和13%，在COD減排方面的相對貢獻(xiàn)率為66%∶34%。

按方案1發(fā)展，到“十二五”末期，氨氮排放量將達(dá)到6430 t，較2010年增加39%。采用清潔生產(chǎn)措施（方案2）后，氨氮排放量降低至4378 t，較2010年減少5.4%，可有效降低方案1中氨氮排放量的32%；采用清潔生產(chǎn)和末端治理措施（方案3）后，氨氮排放量降低至3606 t，較2010年減少22%，可有效降低方案1中氨氮排放量的44%。因此，實施清潔生產(chǎn)和提高末端治理對應(yīng)的氨氮減排絕對貢獻(xiàn)率分別為32%和12%，兩者在氨氮減排方面的相對貢獻(xiàn)率為73%∶27%。

4.6 小結(jié)：流域重點水污染行業(yè)源頭減量和過程控制技術(shù)路線

基于遼河流域重點污染行業(yè)的清潔生產(chǎn)現(xiàn)狀和潛力分析，按照分類指導(dǎo)原則，提出各行業(yè)推進(jìn)清潔生產(chǎn)的技術(shù)路線。

1）緊抓冶金（壓延加工子行業(yè)）、造紙（造紙子行業(yè)）、石化等清潔生產(chǎn)減排潛力行業(yè)，繼續(xù)實施清潔生產(chǎn)。根據(jù)模擬結(jié)果中清潔生產(chǎn)減排潛力較大的冶金、造紙、石化等行業(yè)，全面實施清潔生產(chǎn)，特別是冶金行業(yè)的壓延加工子行業(yè)、造紙行業(yè)的造紙子行業(yè)、石化行業(yè)的所有子行業(yè)，應(yīng)從產(chǎn)品工藝技術(shù)、設(shè)備、管理等方面全面降低污染物產(chǎn)生指標(biāo)，實現(xiàn)趨勢分析中設(shè)定的各項清潔生產(chǎn)指標(biāo)削減目標(biāo)。

2）針對制藥（化學(xué)藥制品子行業(yè)）、印染、造紙（制漿子行業(yè)）等清潔生產(chǎn)重點行業(yè)，加快實施清潔生產(chǎn)。針對預(yù)測模擬中沒有實現(xiàn)減排目標(biāo)的制藥、印染、造紙等重點行業(yè)，應(yīng)在行業(yè)內(nèi)積極推進(jìn)清潔生產(chǎn)，特別是制藥行業(yè)中的化學(xué)藥制品子行業(yè)、造紙行業(yè)中的制漿子行業(yè)和印染行業(yè)，應(yīng)加大清潔生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)和推廣力度，加強(qiáng)清潔生產(chǎn)審核，在實現(xiàn)趨勢分析中設(shè)定的各項清潔生產(chǎn)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低清潔生產(chǎn)的各項指標(biāo)，最終實現(xiàn)各項減排目標(biāo)。

3）經(jīng)濟(jì)調(diào)控規(guī)劃環(huán)境目標(biāo)，實現(xiàn)啤酒行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。經(jīng)濟(jì)調(diào)控實現(xiàn)環(huán)境目標(biāo)，通過控制行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度，對現(xiàn)有啤酒產(chǎn)業(yè)進(jìn)行全面轉(zhuǎn)型升級，大力提升科技含量，提高附加值，延長產(chǎn)業(yè)鏈，形成產(chǎn)業(yè)集群，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)集約化發(fā)展。在實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長的同時，集中開展行業(yè)清潔生產(chǎn)審核，必要時可提高清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)中的一級指標(biāo)要求和行業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求，減少污染物排放，雙管齊下，實現(xiàn)啤酒行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

4）加強(qiáng)制藥、造紙、印染行業(yè)氨氮處置設(shè)施建設(shè)，提升氨氮減排能力。目前制藥、造紙、印染行業(yè)氨氮削減率較低，氨氮減排效果較差。因此應(yīng)突出技術(shù)減排，以技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行為依據(jù)，對制藥、造紙、印染行業(yè)的排放標(biāo)準(zhǔn)、清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)以及落后產(chǎn)能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行流域性更新升級，促使行業(yè)提升技術(shù)水平，優(yōu)化發(fā)展方式，切實抑制氨氮新增排放量。同時還要狠抓工程減排，形成有效的減排能力，特別是針對列入規(guī)劃或立項的項目，應(yīng)在審批上嚴(yán)格要求其增設(shè)脫氮除磷設(shè)施，對已建項目的污染處置設(shè)施進(jìn)行升級改造，進(jìn)一步提高氨氮處理能力。

5 結(jié)語

1）在對清潔生產(chǎn)的基本理論與實踐的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，指出流域清潔生產(chǎn)是清潔生產(chǎn)向更高、更深層次上發(fā)展的需求，也是流域可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求，并進(jìn)一步論述了流域清潔生產(chǎn)的定義、內(nèi)涵、特征、理論基礎(chǔ)和優(yōu)勢。

2）基于系統(tǒng)動力學(xué)，構(gòu)建了流域清潔生產(chǎn)潛力及對減排貢獻(xiàn)的定量分析模型——SDM-BCPP模型，該模型包括一大主體模塊（流域清潔生產(chǎn)潛力分析）和兩大輔助模塊（流域清潔生產(chǎn)診斷識別和流域清潔生產(chǎn)趨勢分析）。

3）選擇遼河流域進(jìn)行了案例分析，識別出遼河流域目前實施清潔生產(chǎn)的主要行業(yè)為冶金、造紙、石化、啤酒、制藥、印染六大行業(yè)，其中潛力行業(yè)為冶金、造紙和石化，重點行業(yè)為制藥和印染，調(diào)控行業(yè)為啤酒；采用清潔生產(chǎn)技術(shù)并結(jié)合末端治理技術(shù)的提升，預(yù)計到2015年，COD和氨氮排放量可實現(xiàn)較2010年分別減排16%和22%，其中清潔生產(chǎn)技術(shù)和末端治理技術(shù)在COD減排和氨氮減排過程中的貢獻(xiàn)占比分別為66%∶34%和73%∶27%。

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