一種兼顧目標總量和容量總量的水污染物排放限值確定方法

魏文龍,曾思育,杜鵬飛,陳吉寧,劉 毅(清華大學環(huán)境學院 北京 100084)

一種兼顧目標總量和容量總量的水污染物排放限值確定方法

魏文龍,曾思育*,杜鵬飛,陳吉寧,劉 毅(清華大學環(huán)境學院 北京 100084)

針對中國水污染物總量管理面臨由目標總量管理向容量總量管理的轉變趨勢,提出了一種兼顧兩種管理模式的水污染物排放限值計算方法.該方法建立在水體分類計算、匯水區(qū)與行政區(qū)相關聯(lián)、自下而上、不同保護要求的水體予以差別化對待、污染物控制類型擴展的原則上,將水體按環(huán)境容量利用方式的不同劃分為保護性利用、恢復性利用、控制性利用、開發(fā)性利用和限制性利用 5種類型,分別采用目標總量、混合管理、容量總量、容量總量和混合管理等不同模式,并給出了分別按匯水區(qū)和行政區(qū)計算污染物排放限值的一般過程. 將上述方法應用于西南區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略環(huán)評案例,結果表明云南省31.25%地市需調(diào)減COD總量,43.75%地市需調(diào)減氨氮總量,而貴州省55.56%地市可適當調(diào)增 COD總量,44.44%地市可適當調(diào)增氨氮排放總量.該方法可將總量限值的確定與當?shù)厮h(huán)境質量改善緊密結合,強化水環(huán)境對現(xiàn)狀質量不達標地區(qū)未來發(fā)展的約束,同時適當減弱水環(huán)境條件對達標地區(qū)的約束以換取其發(fā)展空間.以計算出的排放限值為依據(jù)對當前的減排目標進行調(diào)整可為云貴實現(xiàn)又好又快發(fā)展提供支撐.經(jīng)案例驗證,本文所建立的方法為中國水環(huán)境管理從目標總量模式向容量總量模式發(fā)展提供了技術手段.

目標總量控制；容量總量控制；水環(huán)境；環(huán)境管理；戰(zhàn)略環(huán)境影響評價

污染物總量控制包括目標總量和容量總量控制等不同模式[1-2].污染物排放限值的確定方法不同是目標總量模式和容量總量模式的根本區(qū)別之一.前者從行政管理的角度出發(fā),直接設定污染物排放總量控制目標,該目標可以不跟具體的環(huán)境介質掛鉤,在實施中易于用行政干預手段實現(xiàn)控制目標,但缺點也顯而易見,未考慮排放總量與環(huán)境質量之間響應關系,比較適合于污染嚴重、環(huán)境質量整體較差的地區(qū).而容量總量管理模式則是從環(huán)境容量出發(fā),將排放總量與環(huán)境質量定量關聯(lián)進而確定污染物排放要求.容量總量管理對污染物排放控制更具針對性,但實施的難度遠高于目標總量管理.

在總量管理的實踐中,美國和歐盟采用了容量總量模式[3-6].我國“十一五”和“十二五”期間則采用目標總量管理的模式,對總體上控制污染物排放和改善環(huán)境質量起到了重要作用.

但是,隨著我國目標總量管理的推進,也逐漸暴露出一些問題.例如,一些重污染區(qū)域,存在完成減排要求、但水質達標率并未明顯提高的現(xiàn)象;而一些區(qū)域盡管長期環(huán)境質量良好,仍要不斷降低總量指標,一定程度上剝奪了區(qū)域的發(fā)展空間.面對這些問題,不斷有研究者提出我國應從目標總量管理向容量總量管理轉變[7-15],而關于環(huán)境容量計算的研究則從未停止過.

本文結合目標總量和容量總量管理的各自優(yōu)點及適用性,探索一種兼顧目標總量和容量總量的水污染物總量限制計算方法,并在中國西南區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略環(huán)境評價中得到應用.該方法既一定程度上增加現(xiàn)有目標總量管理的科學性,又減小純粹容量總量管理直接應用帶來的困難,嘗試使中國現(xiàn)行總量管理方法和未來的發(fā)展趨勢相契合,促進向容量總量管理的平穩(wěn)過渡.

1 研究方法

1.1 基本原則

(1)水體分類計算的原則:我國一直未能全面開展容量總量管理的原因之一在于環(huán)境容量計算過程復雜、計算所需數(shù)據(jù)支撐條件要求高、計算結果不確定性也較大.為了同時兼顧目標總量容易確定和容量總量針對性強的優(yōu)點,本文提出根據(jù)水體現(xiàn)狀納污情況、環(huán)境容量大小和當前正在實施的行政區(qū)減排目標三者之間的相對關系,把水體分成不同類別,按照環(huán)境容量利用方式的不同而命名,對其匯水區(qū)執(zhí)行不同的總量管理方式和排放限值計算方法.例如,對能夠穩(wěn)定達標、使用中并未超出其環(huán)境容量的水體,跟那些不能穩(wěn)定達標、經(jīng)常出現(xiàn)環(huán)境容量超載的水體,在確定匯水區(qū)排放限值時將區(qū)別對待,以保證水質好的水體能夠繼續(xù)維持,水質差的水體能夠不斷改善.

(2)匯水區(qū)與行政區(qū)相關聯(lián)的原則:匯水區(qū)邊界決定了污染源排放跟其對水體環(huán)境影響之間的關聯(lián)關系,而這個邊界與行政管理區(qū)的邊界并不一定重合.在本研究中,設定最小的行政管理單元為縣級行政區(qū),以便與現(xiàn)行的目標管理模式統(tǒng)一.水體單元的劃分則按照水環(huán)境功能區(qū)劃中給定的湖庫分區(qū)和河流分段方案來執(zhí)行,以保證劃分完的每個水體單元都有明確的水質保護目標.為了能將容量總量與目標總量相銜接,還要求將每個水體單元的匯水區(qū)邊界與縣級行政區(qū)邊界進行疊圖分析,將獲得的縣級行政區(qū)內(nèi)的各個子匯水區(qū)邊界作為水體環(huán)境容量計算單元的邊界.所采用的環(huán)境容量計算方法必須與這種計算單元劃分方式相協(xié)調(diào),以保證某水體的環(huán)境容量可以簡單地分解到相關的縣級行政區(qū),也能保證某縣級行政區(qū)的水環(huán)境容量可以簡單地由相關水體的環(huán)境容量疊加計算獲得.

(3)自下而上的原則:我國目前執(zhí)行的目標總量管理模式,在確定各行政單元的排放量限值時基本上采用自上而下的工作過程,即首先設定全國的污染減排目標和減排比例,然后將此任務逐級分解至省級、地區(qū)級和縣級行政區(qū).而本文提出的方法,更多借鑒容量總量管理的做法,以水體為基礎,采用自下而上的原則,先從各縣級行政區(qū)所轄水體對應的各個子匯水區(qū)排放限值算起,然后經(jīng)疊加得到縣級行政區(qū)的排放限值.在此基礎上,向上疊加獲得地市級、省級和國家級排放總量限值.

(4)不同保護要求的水體予以差別化對待的原則:我國的地表水環(huán)境功能區(qū)劃將水體按照五個水質類別分等級加以保護[16],本文將水質目標為I、II、III類的水體統(tǒng)稱為高保護等級水體,而水質目標為IV和V類的稱為低保護等級水體.環(huán)境容量是一種資源稟賦條件,在對其進行管理時應遵循可持續(xù)發(fā)展的原則,保障環(huán)境容量使用中的代際公平.結合我國當前社會經(jīng)濟發(fā)展對環(huán)境容量的迫切需求,提出區(qū)別對待不同保護等級水體的環(huán)境容量使用,要求至少為高保護等級水體制定相應的匯水區(qū)排放限值時要考慮到容量的預留.

(5)污染物控制類型擴展的原則:我國從“十一五”開始實施的水污染物排放總量控制,首先以COD為突破口,在“十二五”期間又新增了氨氮指標,為全面控制我國普遍存在的有機污染問題做出了很大貢獻,但今后是否通過在全國層面統(tǒng)一增加新的指標,進一步解決污染問題還存在在很大爭議.根據(jù)容量總量管理的思想,應當有針對性地確定控制指標,不同水體可能要確定不同的污染物類型.為了兼顧兩種模式在管理污染物控制類型上的優(yōu)點,建議那些不存在超容量接納COD和氨氮的水體,應積極引入容量總量管理,在總量控制中擴展特征污染指標;而仍然存在超容量接納 COD和氨氮的水體,可以先維持現(xiàn)有的管控指標不變.

表1 水體相應陸域匯水區(qū)排放限值的分類計算方法Table 1 Classified calculation methods of pollutant discharge limits for catchments

(6)動態(tài)調(diào)整的原則:目標總量管理的優(yōu)點之一是可以通過動態(tài)調(diào)整目標來促進環(huán)境改善,提高目標實現(xiàn)的可行性,例如“十一五”期間全國的 COD總量削減要求為 10%,“十二五”期間調(diào)整為8%.而在容量總量管理中,國際經(jīng)驗是采用嚴格的水文計算條件來獲得很高的水質達標保證率,相應的容量計算結果一般較小.直接將這種做法搬至國內(nèi)的話,過高的達標保證率與我國當前社會經(jīng)濟快速發(fā)展的實際情況并不匹配.事實上,選用怎樣的水文計算條件,跟對水體保護的主觀要求有關,而這個主觀要求應該是循序漸進的、跟當前的發(fā)展水平和技術經(jīng)濟水平相匹配的、同時具有一定超前性的,因此應該是根據(jù)不同階段的管理需要而動態(tài)調(diào)整的.例如某水污染嚴重地區(qū)的河流保護要求,可以先從平水年份的最枯月平均流量條件為起點,過渡到枯水年份的最枯月平均流量條件,進而過渡到更嚴格的要求,比如 95%保證率最枯月平均流量條件或者美國的 7Q10條件(90%保證率下最枯連續(xù)7d平均流量).

1.2 水體相應陸域匯水區(qū)排放限值的分類計算方法

圖1 確定各匯水區(qū)和縣級行政區(qū)污染物排放限值的一般過程Fig.1 Procedure of determining the pollutant discharge limits for catchments and related counties

根據(jù)前面的原則,將水體分成A、B、C、D、E五種類型,每種類型采用的管理模式和污染物排放限值計算方法均有所不同.另外,特別注意的是,為了實現(xiàn)對水體的分類,可選擇與規(guī)定的水文計算條件相同或相似(可略嚴格)的年份作為基準年,水體分類和匯水區(qū)排放限值計算時使用基準年的水質數(shù)據(jù)和污染物排放數(shù)據(jù).本文提出的水體分類、各類型水體滿足的條件、相應的匯水區(qū)污染物排放限值計算方法,如表1所示.

其中,A類水體的特點是不需要對其匯水區(qū)做出進一步減排的要求,同時將其尚未利用的環(huán)境容量保護起來留給后代.B類水體的特點是要根據(jù)環(huán)境容量擴展參與總量控制的污染物指標.C類水體的特點則是先將其COD和氨氮的目標總量管理轉向容量總量管理.D類水體的特點是實現(xiàn)對低等級保護水體環(huán)境容量的充分利用,但值得注意的是此處的環(huán)境容量僅考慮了 COD和氨氮指標,對其他污染物指標對應的容量如何利用并未予以考慮,各地區(qū)可根據(jù)實際情況對其做出補充規(guī)定.而對E類水體的處理方式則充分體現(xiàn)了低保護等級水體在過渡期應如何銜接兩種總量管理模式.

1.3 確定污染物排放限值的一般過程

本文提出的水污染物排放限值計算方法,在實際操作中可遵循圖1所示的一般過程.

在計算水體環(huán)境容量時,嚴格遵守上述動態(tài)調(diào)整原則,合理設計水文條件[17].綜合考慮基礎數(shù)據(jù)支持與污染物在水體中遷移、轉化和降解特征等因素,選取機理模型、半機理模型或是統(tǒng)計模型.如USEPA在TMDL計算方法中涉及多種河流水質模型,而這些模型在模擬 BOD,以及氨氮、TN和TP等營養(yǎng)物方面的能力已經(jīng)在國內(nèi)外眾多水環(huán)境容量研究中得到驗證[18].

需要注意的是,從水體出發(fā),確定其相適宜的總量管理模式,技術難度并不高,但會給相關部門新增一定的工作量;不過從長遠看,相應的工作量付出完全可以從日后總量管理效益的提高上得到補償.另外,文中提出的5種水體分類及其命名,主要起的是方便理解和直觀表達的作用,在管理實踐中為避免引起概念上的混淆、不必要的社會矛盾,可根據(jù)實際情況決定是否專門列出每個水體的類別命名結果.

2 案例研究

云南和貴州兩省經(jīng)濟社會發(fā)展水平落后于全國平均水平.據(jù)此,中國先后出臺一系列扶持政策支持云貴兩省的積極發(fā)展,作為長江、珠江以及多條國際河流的上游或源頭,云南、貴州的水環(huán)境保護具有全局戰(zhàn)略性地位.如何制定合理的水污染物總量控制計劃,促進其在發(fā)展中保護,在保護中發(fā)展,是該地區(qū)水環(huán)境管理中迫切需要回答的問題.

案例研究以云南和貴州兩省地表河流為對象,選取縣級行政區(qū)(下簡稱區(qū)縣)為基本控制單元,共涉及長江流域、珠江流域和西南諸河流域的金沙江水系、南盤江水系、北盤江水系、紅河水系、怒江水系、瀾滄江水系、伊洛瓦底江水系、烏江水系、紅水河水系、赤水-綦江水系、沅水水系及柳江水系11個水系的121條河流和217個區(qū)縣.根據(jù)水環(huán)境區(qū)劃,將河流劃分為237個河段,各河流水系空間分布見圖2.

圖2 云南貴州兩省河流水系分布Fig.2 Spatial distribution of river systems in Yunnan and Guizhou Province

案例研究中確定2010年為水體分類的基準年,該年為偏枯水文年.2010年云貴地表河流水質整體尚可.其中,云南省水質符合或優(yōu)于Ⅲ類標準的斷面占 63.8%,功能達標斷面占 70.4%[19];貴州省符合或優(yōu)于Ⅲ類標準的斷面占 71.8%,水環(huán)境功能達標斷面占71.8%[20].

2.1 劃分河段類型

經(jīng)計算劃分,云南、貴州237個河段中,歸為保護性利用類型的河段共計129個,占比54.4%,恢復性利用共計26個,占比11.0%;控制性利用共計 18個,占比7.6%;開發(fā)性利用共計 39個,占比16.5%;限制性利用共計 25個,占比 10.6%.另外,在被劃定為“恢復性利用”的 26個河段中,有 21個是由于總磷超出了環(huán)境容量,而剩余 5個是由于鉛、鎘、汞等重金屬超出環(huán)境容量.

從劃分結果可以看到,金沙江干流及一級支流主要為保護性利用,但部分二級支流為限制性利用,尤其集中在滇中地區(qū).這說明滇中地區(qū)水環(huán)境容量已經(jīng)沒有可利用空間,為了保護環(huán)境,需要不斷削減排放總量,使水環(huán)境質量達標.怒江、瀾滄江、伊洛瓦底江等干流為保護性利用,因為水體敏感,水環(huán)境容量雖有余額,但不允許進一步開發(fā)使用.南北盤江的干流整體為保護性利用,但南盤江情況比較復雜,除了一級支流開發(fā)性利用與限制性利用并存外,部分干流河段也呈開發(fā)性利用,說明有進一步合理開發(fā)利用水環(huán)境容量的空間.烏江和沅水從干流中間開始均由保護性利用變?yōu)榛謴托岳?這主要由于支流帶來的特征污染物(總磷等)匯入干流致使干流水質超標.紅河干流在紅河州上為保護性利用,但入紅河境內(nèi)后變?yōu)榛謴托岳?主要由兩岸排入的鉛嚴重超標所致.

2.2 計算COD和氨氮排放限值

在河段分類的基礎上,按照圖 1中計算污染物排放限值方法,得到云南、貴州兩省 217個區(qū)縣未來 COD和氨氮排放限值,在此基礎上匯總得到云南省16個市州和貴州省9個市州的污染物排放限值. 因計算結果較為敏感,本文未直接列出計算結果,僅給出各市州排放限值和當?shù)卣兄Z的“十二五”排放量之間的比較,見表 2.表中給出了計算出的排放限值超出政府承諾值的比例,該比例為正值時,意味著相應市州還有可使用的水環(huán)境容量,當前的總量目標可以適當放松;該比例為負值時,意味著從保證高保護等級水體水質穩(wěn)定達標的要求出發(fā)的話,應部分收回該市州當前分配的總量指標.

根據(jù)計算出的排放限值,建議對云南16個市州的COD和氨氮承諾排放量做出不同程度的調(diào)整.其中 5個市州 COD承諾排放量需要調(diào)減,主要分布在滇中地區(qū).有 4個市州可以放寬其承諾的 COD目標總量控制要求,大體上分布在滇西南地區(qū).而對于氨氮,未來有7個市州要在承諾值基礎上進一步削減,尤其是滇中地區(qū)的幾個核心城市調(diào)減幅度較高,最高可達20%.僅有3個市州未來發(fā)展可以適當放寬氨氮指標的約束,其允許排放量可以適當調(diào)增,這些州市也分布在滇西南.

相較于云南的復雜情況,貴州未來發(fā)展整體上受COD和氨氮的約束應該適當放寬,9個市州中,除建議對1個市州小幅調(diào)減其減排指標外,其余8個市州COD和氨氮的允許排放量在當?shù)卣兄Z的控制量基礎上,可維持不變或適當調(diào)增,個別城市調(diào)增幅度甚至可高達30%.

表2 云貴各市州污染物排放限值與政府承諾值之間的比較Table 2 Comparisons between calculated discharge limits and promised total pollution loads by local governments in Yunnan and Guizhou province

使用本文提出的方法確定各地區(qū)污染物排放限值,總量削減任務與實際水環(huán)境質量改善的結合更加緊密也更有針對性.已經(jīng)進入工業(yè)化中后期、相對發(fā)達且地表水環(huán)境質量較差地區(qū)受到的水環(huán)境約束變大,需要通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)發(fā)展結構、規(guī)模、布局以及革新工藝技術等手段實現(xiàn)未來污染物排放量的進一步削減.同時亦不至于剝奪那些還沒有剛進入工業(yè)化初中期、欠發(fā)達且地表水環(huán)境質量達標率較高地區(qū)的發(fā)展權利,這部分地區(qū)在新的排放限值下一方面維持高保護等級水體的持續(xù)達標和質量不降低,同時充分利用低保護等級水體的環(huán)境容量,在水質等級不降低的同時為進一步發(fā)展爭取空間.

3 結語

本文構建了一種兼顧目標總量與容量總量的水污染物排放限值計算方法.通過分析水體的污染物現(xiàn)狀排放量、環(huán)境容量和相應行政區(qū)目標總量的相互關系,按照分級分類等原則來確定水體匯水區(qū)和各級行政區(qū)的水污染物總量控制要求,可以為我國從目標總量管理向容量總量管理轉變提供技術支撐.

文中提出的方法應用到了西南區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略環(huán)境評價中,將云貴水體劃分為五種類型,計算各區(qū)縣的水污染物排放限值,通過和各區(qū)縣自身的未來污染物承諾排放量相比較,發(fā)現(xiàn)使總量管理工作較好地與地表水環(huán)境質量相結合,為云南和貴州兩省未來污染物總量管理提供參考.

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A method for determining water pollutant discharge limit based on combination of administrative goal-oriented and environmental capacity-based total pollution load control patterns.

WEI Wen-long, ZENG Si-yu*, DU Peng-fei,CHEN Ji-ning, LIU Yi (School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2014,34(1)：136～142

Since China was facing the challenge to transit its control pattern on total pollution load from an administrative goal-oriented way to an environmental capacity-based way, an approach for determining water pollutant discharge limit which could combine advantages of two patterns was put forward. To establish the method, five principles were involved, i.e.,calculations were dependent on water body classification; relations between catchment and administration boundaries were considered; bottom-up way was applied; protection levels for different water bodies were differentiated; and more kinds of pollutants were covered. Water bodies were grouped into five categories, according to different ways to utilize environmental capacities and corresponding total load management patterns. Five categories were named as protective utilization, restorative utilization, controlled utilization, developmental utilization, and restricted utilization, to which a goal-oriented pattern, mixed pattern, capacity-based pattern, capacity-based pattern, and mixed pattern was assigned, respectively. A general procedure instructing calculation of pollutant discharge limit for both catchment and administrative zone was given. The approach was applied to a project on strategic environmental assessment of social-economic development in Yunnan and Guizhou Province.The case study showed that 31.25% of cities in Yunnan should decrease the load of COD and 43.75% should decrease the load of ammonia nitrogen, while 55.56percent of cities in Guizhou could increase the load of COD properly and 44.44percent could increase the load of ammonia nitrogen properly. It was capable of linking pollution load reduction more closely to local water environmental improvement, tightening up environmental restrictions on regions with poor water quality by stricter discharge permit, and leaving more development room to regions with surplus environmental capacity by loosening existing pollutant reduction goals. For local governments, discharge limits given in the paper could be used to adjust existing pollution load control plans. The approach was a practical tool for China to transit its water pollution load management pattern.

book=1,ebook=44

administrative goal-oriented total pollution load control；environmental capacity-based total pollution load control；water environment；environmental management；strategic environmental assessment (SEA)

X703.5

A

1000-6923(2014)01-0136-07

2013-05-11

西南(云貴)重點區(qū)域和行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略環(huán)境評價

* 責任作者, 副教授, szeng@mail.tsinghua.edu.cn

魏文龍(1988-),男,河南新密人,清華大學碩士研究生,主要從事環(huán)境規(guī)劃與管理研究.