基于源解析法的大氣中PAHs污染排污收費(fèi)模型

崔 嵩，李一凡－3，馬萬里，郭 亮，田崇國(guó)，安立會(huì)，賈宏亮，劉憲杰

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國(guó)際持久性有毒物質(zhì)聯(lián)合研究中心，150090哈爾濱，cuisong－bq@163.com;2.大連海事大學(xué)國(guó)際持久性有毒物質(zhì)聯(lián)合研究中心，116023遼寧大連;3.加拿大環(huán)境部科學(xué)技術(shù)局，加拿大，多倫多M3H 5T4;4.哈爾濱工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，150001哈爾濱;5.中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所，264003山東煙臺(tái);6.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院河流與河口海岸創(chuàng)新基地，100012北京)

多環(huán)芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)作為環(huán)境中一種普遍存在的持久性有機(jī)污染物(POPs)，具有長(zhǎng)距離遷移性、生物富集性等特點(diǎn)，且有些PAHs還具有“三致”效應(yīng).PAHs的來源主要為天然源和人為源，天然源主要為自然界中動(dòng)植物的合成，數(shù)量有限.除了天然源外，由于人類的生產(chǎn)活動(dòng)導(dǎo)致的燃料不完全燃燒是PAHs產(chǎn)生的主要途徑[1－3].PAHs 廣泛存在于大氣、土壤、植物、水體和沉積物等環(huán)境介質(zhì)中，可以通過皮膚接觸、呼吸作用及食物鏈進(jìn)入人體，并對(duì)人體造成潛在的危害，因此，開展PAHs的研究、確定其來源途徑，從而控制PAHs的排放數(shù)量及方式，對(duì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)具有重要意義[4－6].

排污收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的制定是影響排污收費(fèi)定價(jià)的主要因素[7－9]，“排污收費(fèi)的最優(yōu)定價(jià)”一度成為較關(guān)注的問題之一.排污收費(fèi)原本隸屬于環(huán)境稅的征收范疇，國(guó)內(nèi)外普遍采用的研究方法是應(yīng)用邊際外部成本和邊際控制成本來使排污稅率達(dá)到最優(yōu)化，但該方法存在著嚴(yán)重的信息不一致性缺陷，從而使排污收費(fèi)制度在具體的實(shí)施過程中很難達(dá)到理想的效果，一般只能使污染控制趨近于最優(yōu)控制水平[10].因此，針對(duì)在具體應(yīng)用時(shí)存在著信息不對(duì)稱以及不能進(jìn)行信息交互等問題的最優(yōu)Pigovian定價(jià)方法，通過源解析技術(shù)對(duì)大氣中PAHs的污染源進(jìn)行確定，以文獻(xiàn)[2]報(bào)道的2007年春季哈爾濱地區(qū)大氣中多環(huán)芳烴為例，從環(huán)境復(fù)雜系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的角度提出了針對(duì)PAHs污染排放企業(yè)的排污行為，試圖制定排污收費(fèi)的二層最優(yōu)收費(fèi)定價(jià)問題及其模型以控制企業(yè)的排污行為，減少企業(yè)的排放量，從而使大氣污染降到最低水平，減少人類健康面臨的潛在威脅.

1 研究方法

1.1 源解析技術(shù)及多環(huán)芳烴污染特征分析

1.1.1 源解析技術(shù)

源解析技術(shù)研究方法是在大氣顆粒污染物來源解析技術(shù)的基礎(chǔ)上[11]，根據(jù)持久性有機(jī)污染物(POPs)的環(huán)境行為而發(fā)展起來的.PAHs以氣態(tài)和顆粒態(tài)兩種形式存在于大氣環(huán)境中，其中，顆粒態(tài)是氣態(tài)PAHs通過與大氣中的氣溶膠進(jìn)行吸附/解析的交換過程而存在的一種形式.因此，利用被動(dòng)采樣器進(jìn)行大氣樣品的采集[12]，進(jìn)行樣品的分析處理，以獲得大氣中PAHs的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行定性或定量的分析來確定污染源的類型.

PAHs在環(huán)境中存在很多污染源，通常污染源不同所產(chǎn)生的PAHs的特征也不同，利用這種差異來對(duì)PAHs的來源進(jìn)行判斷是常用的方法.比值法是根據(jù)所采集的樣品中污染物殘留比例與污染物成分的比例對(duì)比來進(jìn)行定性分析來源的方法，應(yīng)用比值法判定特征化合物質(zhì)量濃度是最常用的一種辨別大氣中PAHs污染源的定性方法.一般方法是以芴(fluorine)、芘(pyrene)、茚苯芘(Indeno(1，2，3 －cd)pyrene)和苯并(ghi)北(Benzo(g，hi)perylene)之間的比值來進(jìn)行來源判定，如 ρ(Flu)/(ρ(Flu)+ ρ(Pyr))和 ρ(IcdP)/(ρ(IcdP)+ρ(BghiP))常用來判定大氣中PAHs來自于燃煤或者油類、植物等不完全燃燒的排放.一般情況下，當(dāng) ρ(Flu)/(ρ(Flu)+ρ(Pyr))＞0.5時(shí)，PAHs來源為燃煤或者生物質(zhì)不完全燃燒的排放，ρ(Flu)/(ρ(Flu)+ρ(Pyr))＜0.4時(shí)，則PAHs來源于石油不完全燃燒的排放，ρ(Flu)/(ρ(Flu)+ρ(Pyr))介于0.4和0.5時(shí)則表明來自于液態(tài)化石燃料不完全燃燒的排放;當(dāng)ρ(IcdP)/(ρ(IcdP)+ρ(BghiP))＞0.5時(shí)，也表明PAHs來源為燃煤或者生物質(zhì)不完全燃燒的排放[13].另有根據(jù)苯并(a)芘(Bap)和暈苯(Cor)的比值進(jìn)行判斷的研究，一般認(rèn)為，當(dāng)ρ(Bap)/ρ(Cor)＞1時(shí)，為 燃 煤 排 放 源;當(dāng)ρ(Bap)/ρ(Cor)＜1時(shí)為燃油排放源[14].

化學(xué)質(zhì)量平衡(CMB)模型作為源解析的一種定量研究方法，已被美國(guó)環(huán)保署(USEPA)推薦為大氣顆粒物來源解析的重要方法之一.該模型是通過污染源和大氣顆粒物的化學(xué)組成來構(gòu)建線性方程組，從而解析污染源并定量污染源的貢獻(xiàn)率.于娜等曾用此方法對(duì)北京城區(qū)和郊區(qū)大氣的細(xì)粒子有機(jī)物的污染特征進(jìn)行了來源解析[15].

1.1.2 PAHs的污染特征

本文以文獻(xiàn)[2]采集的大氣中質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)為依據(jù)，應(yīng)用比值法對(duì)哈爾濱大氣中PAHs的來源進(jìn)行解析，得出 ρ(IcdP)/(ρ(IcdP)+ρ(BghiP))和ρ(Flu)/(ρ(Flu)+ρ(Pyr))的平均比值分別為0.53±0.01和0.59±0.05.以此可以判斷出哈爾濱地區(qū)大氣中PAHs主要來自于燃煤和生物質(zhì)燃燒的排放，由于該研究采樣時(shí)間正處于供暖期，在市區(qū)內(nèi)主要通過燃煤進(jìn)行供暖，而在農(nóng)村地區(qū)則主要靠燃燒秸稈取暖，所以，排放源可能相對(duì)集中于燃煤供暖和生物質(zhì)不完全燃燒的排放.

因此，對(duì)于以哈爾濱市為典型特征的我國(guó)北方城市，冬季供暖期，由于大量燃煤不完全燃燒排放的PAHs進(jìn)入大氣中，會(huì)使大氣中有害污染物大量增加，對(duì)人類的健康可能存在較大的潛在威脅.近年來的研究表明，在全球范圍內(nèi)，均充斥著低質(zhì)量濃度工業(yè)有毒有害污染物[16].有毒污染物的排放呈累積趨勢(shì)，在世界范圍內(nèi)對(duì)人類健康和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危害.國(guó)外的類似調(diào)查說明，城市肺癌死亡率高于農(nóng)村[17].

為減輕人類的健康風(fēng)險(xiǎn)，減少大氣中有毒有害污染物的質(zhì)量濃度，從而降低癌癥的發(fā)病率，政府就需要重點(diǎn)考慮環(huán)境資源最佳分配方式、社會(huì)福利函數(shù)問題和企業(yè)對(duì)外部環(huán)境造成的危害等亟待解決的問題，通過制定合理且有效排污收費(fèi)的策略，迫使污染物排放企業(yè)在政府(環(huán)境保護(hù)部門)公布排污收費(fèi)價(jià)格之后，控制企業(yè)本身的排放行為，通過技術(shù)的改造和提升，提高燃料的燃燒效率，盡量減少污染物的排放量，同時(shí)，使其對(duì)外部環(huán)境造成的損害成本(或賠償成本)降至最低，從而減少大氣環(huán)境污染給人類健康帶來的威脅.

1.2 排污收費(fèi)模型

1.2.1 價(jià)格控制問題

價(jià)格控制問題由 Bialas[18]最早提出，通常是一類比較特殊的二層線性規(guī)劃(Bilevel Linear Programming)問題.二層線性規(guī)劃問題的一般形式分為兩部分，即資源控制問題和價(jià)格控制問題，其一般表述形式分別為bTy)和maxyf2(x，y)，二者在約束條件Ax+By≤r，x，y≥0下有可行解.式中:上級(jí)決策變量x=下級(jí)控制決策的決策變A為m×n1階矩陣，B為m×n2階矩陣.有關(guān)價(jià)格控制問題的主要研究成果見文獻(xiàn)[19－22].

實(shí)際上，通常將非線性的價(jià)格控制問題轉(zhuǎn)化為線性問題進(jìn)行處理，即價(jià)格控制問題由兩個(gè)決策者構(gòu)成:價(jià)格的控制者(上級(jí)，即政府部門)和生產(chǎn)者(下級(jí)，即排放企業(yè)).在不同的價(jià)格控制下，生產(chǎn)者往往為了企業(yè)自身的生存發(fā)展，尋找對(duì)他“最有利”的生產(chǎn)規(guī)模，即使企業(yè)的利潤(rùn)最大化，而不考慮其生產(chǎn)行為所造成的環(huán)境影響，此時(shí)，就需要政府部門制定價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)來控制其生產(chǎn)排放行為，減少其排放行為所造成的環(huán)境污染.

1.2.2 排污收費(fèi)模型的構(gòu)建

基于價(jià)格控制的排污收費(fèi)二層規(guī)劃模型的構(gòu)建方法為:設(shè)不同行業(yè)(供暖、冶煉等)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)，由于其企業(yè)自身燃料的燃燒效率不高，而導(dǎo)致不完全燃燒所排放的n種大氣污染物的外部成本價(jià)為X=(X1，X2，…，Xn)T(由政府環(huán)保部門控制);則各行業(yè)污染物的排放量為 Y=(Y1，Y2，…，Yn)T(由污染物排放企業(yè)控制).

環(huán)保部門通過一定比例來收稅時(shí)，其比例分?jǐn)?shù)為 a=(a1，a2，…，an)T.通常，生產(chǎn)企業(yè)排出的污染物對(duì)環(huán)境造成的危害越大，外部成本越高，相應(yīng)的比例系數(shù)也越大.若按企業(yè)的年度排污量比例征收，則相應(yīng)的比例分?jǐn)?shù)為 b=(b1，b2，…，bn)T.一般情況下，對(duì)排放污染物越多，即排污越嚴(yán)重的企業(yè)，相應(yīng)所采用的比例系數(shù)也越大.

政府環(huán)保部門可以根據(jù)國(guó)家或不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境容量等具體情況，采取不同的方式進(jìn)行控制，通常所采取的控制方式分為:(1)嚴(yán)厲的收費(fèi)政策，針對(duì)環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較差地區(qū)的企業(yè)，即大氣污染比較嚴(yán)重地區(qū)的企業(yè)，按最大值進(jìn)行排污收費(fèi);(2)溫和的收費(fèi)政策，針對(duì)環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較好地區(qū)的企業(yè)，按最小值進(jìn)行排污收費(fèi).模型的詳細(xì)研究見文獻(xiàn)[23－24].

與傳統(tǒng)Pigovian定價(jià)方法相比，該模型的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在:上下級(jí)決策者之間能夠進(jìn)行充分的信息分享，具有信息交互性特點(diǎn)，下級(jí)在上級(jí)給定價(jià)格的情況及范圍內(nèi)，擁有自主決策權(quán)，即下級(jí)擁有彈性調(diào)節(jié)權(quán);下級(jí)的決策也會(huì)影響上級(jí)決策的制定，即上級(jí)擁有價(jià)格調(diào)整權(quán);同時(shí)，上下級(jí)決策者受制于相同的約束條件，常構(gòu)成相關(guān)聯(lián)的整體.

1.2.3 模型的求解

實(shí)際上，二層規(guī)劃問題是非線性的，但為了便于求解，往往將其當(dāng)成線性問題來進(jìn)行處理.常用的求解方法有搜索算法、遺傳算法、罰函數(shù)法、K次最好法、模擬退火算法等[23，25－26]，也有將價(jià)格控制問題轉(zhuǎn)化為與其等價(jià)的具有等式和不等式的單層數(shù)學(xué)規(guī)劃并用精確罰函數(shù)進(jìn)行求解的研究[27].

1.3 結(jié)果與討論

生產(chǎn)企業(yè)的目標(biāo)是追求其利潤(rùn)的最大化，這就勢(shì)必會(huì)使企業(yè)的生產(chǎn)行為有違公眾的利益，并與政府的目標(biāo)相違背.基于價(jià)格控制的構(gòu)成，當(dāng)價(jià)格的控制者(上級(jí))與價(jià)格的執(zhí)行者(下級(jí))存在目標(biāo)不一致時(shí)，即在不同價(jià)格的情況下，生產(chǎn)者總是試圖尋找對(duì)其“最有利”的生產(chǎn)規(guī)模，即在利益的驅(qū)動(dòng)下，使其產(chǎn)值在客觀條件下達(dá)到最大，而上級(jí)決策者則應(yīng)根據(jù)下級(jí)的反應(yīng)做出對(duì)其來說最好的價(jià)格，以此來進(jìn)一步控制企業(yè)的生產(chǎn)排放行為，即價(jià)格控制是動(dòng)態(tài)的，只有根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)行為來不斷地調(diào)整排污收費(fèi)的價(jià)格，才能達(dá)到真正控制企業(yè)排放的目的.另外，當(dāng)企業(yè)的排放行為對(duì)環(huán)境的危害過大，導(dǎo)致其外部成本過高時(shí)，生產(chǎn)企業(yè)自身也會(huì)控制其生產(chǎn)行為，從而減少其污染物的排放.

2 結(jié)論

1)根據(jù)大氣中多環(huán)芳烴的實(shí)際監(jiān)測(cè)質(zhì)量濃度，應(yīng)用源解析技術(shù)中的特征比值法，確定多環(huán)芳烴的污染源，并應(yīng)用價(jià)格控制下的排污收費(fèi)模型來控制污染物排放企業(yè)的行為，由于該模型具有信息交互的特點(diǎn)，避免了傳統(tǒng)Pigovian定價(jià)方法中存在的信息不對(duì)稱問題.

2)由于該模型求解方法較為復(fù)雜，只列出了一些較有代表性的算法，具體的全局最優(yōu)解還有待進(jìn)一步深入研究.

3)該模型不僅可以應(yīng)用于燃煤企業(yè)的排污控制，還可對(duì)石油化工等相關(guān)企業(yè)的排污進(jìn)行控制，以此規(guī)避企業(yè)的生產(chǎn)行為，減少其排污量，達(dá)到減少大氣中有毒有害污染物質(zhì)量濃度的目的，從而降低大氣環(huán)境的變化給人類健康帶來的潛在威脅，降低致癌風(fēng)險(xiǎn).

[1]ROGGE W F，HIDEMANN L M，MAZUREK M A，et al.Sources of fine organic aerosol.9.Pine，oak，synthetic log combustion in residential fireplaces[J].Environ Sci Technol，1998，32:13 －22.

[2]馬萬里，李一凡，孫德智，等.哈爾濱市大氣氣相中多環(huán)芳烴的研究[J].環(huán)境科學(xué)，2009，30(11):49 －54.

[3]ZHANG Yanxu，TAO Shu，SHEN Huizhong，et al.Inhalation exposure to ambient polycyclic aromatic hydrocarbons and lung cancer risk of Chinese population[J].PNAS，2009，106(50):21063 －21067.

[4]WANG X P，XU B Q，KANG S C，et al.The historical residue trends of DDT，hexachlorocyclohexanes and polycyclic aromatic hydrocarbons in an ice core from Mt.Everest，central Himalayas，China[J].Atmos Environ，2008，42(27):6699－6709.

[5]HUNG H，BLANCHARD T P，HALSALL C J，et al.Temporal and spatial variabilities of atmospheric polychlorinated biphenyls(PCBs)，organochlorine(OC)pesticides and polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs)in the Canadian Arctic:results from a decade of monitoring[J].Sci Total Environ，2005，342(1/3):119－144.

[6]SIMCIK M F，EISENREICH S J，LIO Y P J.Source apportionment and source/sink relationships of polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs)in the coastal atmosphere of Chicago and Lake Michigan[J].Atmos Environ，1999，33(30):5071－5079.

[7]傅國(guó)偉，王永航.排污收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)制定理論及技術(shù)方法研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1997，17(3):378 －382.

[8]BAUMOLW J.On taxation and the control of externalities[J].American Economic Review，1972，62(3):307 －322.

[9]SCHRAMM G，WARFORD J J.Environmental management and economic development[M].Baltimore:The Johns Hopkins University Press，1989.

[10]李磊，李圭白.雙級(jí)決策的排污收費(fèi)模型[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，37(12):1637 －1639.

[11]方旋，耿長(zhǎng)君，徐友海，等.污染物的源解析技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工科技，2007，15(3):60－64.

[12]SHOEIB M，HARNER T.Characterization and comparison of three passive air samplers for persistent organic pollutants[J].Environ Sci Technol，2002，36(19):4142－4151.

[13]YUNKER M B，MACDONALD R W，VINGARZAN R，et al.PAHs in the Fraser River basin:a critical appraisal of PAH ratios as indicators of PAH source and composition[J].Org Geochem，2002，33(4):489－515.

[14]SIMICIK M F，EISENREICH S J，LIOY P J.Source apportionment and source/sink relationship of PAHs in the coastal atmosphere of Chicago and lake Michigan[J].Atomos Environ，1999，33:5071 －5079.

[15]于娜，魏永杰，胡敏，等.北京城區(qū)和郊區(qū)大氣細(xì)粒子有機(jī)污染物污染特征及來源解析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(2):243 －251.

[16]HESTER T.Organization for economic cooperation and development[M].New York:Harremoes，2001:17 －36.

[17]蔡宏道.現(xiàn)代環(huán)境衛(wèi)生學(xué)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社，1995:429－432.

[18]BIALAS M，KANWAN H.Two－level linear programming[J].Management Science，1994，8(3):95 －99.

[19]阮國(guó)楨，楊豐梅，汪壽陽.線性雙級(jí)價(jià)格控制問題的單純形法[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，1996，16(12):38－43.

[20]周水生，劉三陽.價(jià)格控制問題的基本性質(zhì)[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)與計(jì)算數(shù)學(xué)學(xué)報(bào)，1998，12(2):53－58.

[21]滕春賢，李智慧.二層規(guī)劃的理論與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2002:22－44.

[22]劉志勇，滕春賢，陳東彥.雙級(jí)價(jià)格控制問題的研究[C]//中國(guó)運(yùn)籌學(xué)會(huì)第七屆學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集(下卷).Hong Kong:Global－ Link Publishing Company，2004:1302－1308.

[23]李磊.環(huán)境資源價(jià)值的價(jià)格策略[D].天津:天津大學(xué)，2004:34－36.

[24]李煜華，張鐵男，孫凱.基于價(jià)格控制的排污收費(fèi)二層線性規(guī)劃模型[J].統(tǒng)計(jì)與決策，2008，11:41 －43.

[25]林丹，王宏，李敏強(qiáng).用多目標(biāo)進(jìn)化算法求解二層規(guī)劃雙目標(biāo)模型[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2006(5):106－110.

[26]杜文，黃崇超.求解二層規(guī)劃問題的遺傳算法[J].數(shù)學(xué)雜志，2005，25(2):167 －170.

[27]滕春賢，姚鋒敏，陳東彥.價(jià)格控制問題精確罰等價(jià)形式研究[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24(1):10－15.