基于系統(tǒng)協(xié)調(diào)度的入河排污布設(shè)分區(qū)理論及應(yīng)用

尹煒 李建 辛小康

摘要：我國河湖等地表水體仍存在入河排污口布局不合理，取水口、排水口犬牙交錯(cuò)和相互影響等問題。而如何科學(xué)劃定排污分區(qū)，協(xié)調(diào)水資源保護(hù)與利用之間的關(guān)系，尚缺乏科學(xué)理論方面的指導(dǎo)，因此迫切需要建立入河排污布設(shè)分區(qū)理論?；谙到y(tǒng)協(xié)調(diào)論基本思想，從目標(biāo)、關(guān)系、規(guī)則、行為等方面構(gòu)建了入河排污布設(shè)分區(qū)理論體系，提出了基于系統(tǒng)協(xié)調(diào)度函數(shù)的排污布設(shè)分區(qū)模型，并選擇漢江干流漢川段進(jìn)行了典型案例分析。研究結(jié)果表明：基于系統(tǒng)協(xié)調(diào)度的入河排污布設(shè)分區(qū)理論可以從系統(tǒng)角度統(tǒng)籌考慮保護(hù)與發(fā)展、區(qū)域與區(qū)域、部門與部門、當(dāng)前與長(zhǎng)遠(yuǎn)4個(gè)維度的協(xié)調(diào)關(guān)系。基于協(xié)調(diào)度函數(shù)的排污布設(shè)分區(qū)模型具有計(jì)算方便、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，可為入河排污口科學(xué)布局提供理論和方法指導(dǎo)。

關(guān) 鍵 詞：入河排污口; 布設(shè)分區(qū); 系統(tǒng)協(xié)調(diào)度; 理論與應(yīng)用

系統(tǒng)論是研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、行為、動(dòng)態(tài)、原則、規(guī)律以及系統(tǒng)間的聯(lián)系，并對(duì)其功能進(jìn)行數(shù)學(xué)描述的學(xué)科，最早由美籍奧地利理論生物學(xué)家貝塔朗菲在1932年提出，其基本思想是把研究和處理的對(duì)象看作一個(gè)整體系統(tǒng)來對(duì)待[1]。20世紀(jì)70年代，德國物理學(xué)家赫爾曼·哈肯教授在系統(tǒng)論基礎(chǔ)上發(fā)展了系統(tǒng)協(xié)調(diào)理論，提出系統(tǒng)相變過程是通過內(nèi)部自組織來實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)走向何種秩序和結(jié)構(gòu)取決于系統(tǒng)在臨界區(qū)域時(shí)內(nèi)部變量的協(xié)同作用，這種協(xié)同作用可以用協(xié)調(diào)度進(jìn)行量度[2]。目前系統(tǒng)協(xié)調(diào)論被廣泛應(yīng)用于社會(huì)-經(jīng)濟(jì)，社會(huì)-環(huán)境，環(huán)境-經(jīng)濟(jì)等發(fā)展模式的定量評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)工作中[3]。

系統(tǒng)協(xié)調(diào)論的思想在入河排污布局工作中具有很好的指導(dǎo)意義。入河排污布局問題實(shí)際上是一個(gè)流域整體性、關(guān)聯(lián)性、層次性和動(dòng)態(tài)性都很強(qiáng)的多目標(biāo)優(yōu)化問題[4-7]，只有把系統(tǒng)論思維作為頂層設(shè)計(jì)的方法論，才能協(xié)調(diào)好保護(hù)與發(fā)展、區(qū)域與區(qū)域、部門與部門、當(dāng)前與長(zhǎng)遠(yuǎn)之間的復(fù)雜關(guān)系。

入河排污布局是指科學(xué)劃分禁止排污、限制排污的水域，使取水、排污、漁業(yè)、生態(tài)保護(hù)等水體使用功能互相協(xié)調(diào)、互不影響，從而達(dá)到人水和諧。禁止排污和限制排污的概念是在國內(nèi)水資源保護(hù)工作實(shí)踐中長(zhǎng)期積累和發(fā)展形成的。2010年，長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所編制的《三峽庫區(qū)水資源保護(hù)規(guī)劃》中最早提出了排污分區(qū)的概念，并對(duì)不同區(qū)域新設(shè)排污口提出了設(shè)置原則和要求[8]。2011年SL532-2011《入河排污口管理技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定入河排污口管理單位應(yīng)按照水功能區(qū)水質(zhì)管理目標(biāo)及限制排污總量控制要求，對(duì)區(qū)域入河排污口布局進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，提出禁止、限制設(shè)置入河排污口的水域范圍。2011年，長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所編制的《長(zhǎng)江流域重點(diǎn)水功能區(qū)入河排污口布設(shè)規(guī)劃——金沙江攀枝花江段入河排污口布設(shè)規(guī)劃》中，在禁止排污區(qū)和限制排污區(qū)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將限制排污區(qū)劃分為嚴(yán)格限制排污區(qū)和一般限制排污區(qū)。隨后，禁止排污區(qū)、嚴(yán)格限制排污區(qū)和一般限制排污區(qū)的概念被納入《全國水資源保護(hù)規(guī)劃（2015～2030）》。2016年，水利部印發(fā)《長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶沿江取水口、排污口和應(yīng)急水源布局規(guī)劃》，進(jìn)一步細(xì)化了禁止排污區(qū)、嚴(yán)格限制排污區(qū)和一般限制排污區(qū)的分區(qū)方法。

目前，我國河湖等地表水體仍存在入河排污口布局不合理，取水口、排水口犬牙交錯(cuò)和相互影響等問題[9-10]。入河排污口作為控制污染物入河的最后一道關(guān)口，在流域水資源保護(hù)管理工作中具有重要地位。如何科學(xué)劃定排污分區(qū)，協(xié)調(diào)水資源保護(hù)與利用之間的關(guān)系，尚缺乏科學(xué)理論方面的指導(dǎo)[11-12]，迫切需要建立入河排污布局分區(qū)理論。本研究將這套方法應(yīng)用于入河排污布設(shè)分區(qū)研究工作中，使排污布局規(guī)劃具備了定量化分區(qū)手段。

1 基于系統(tǒng)協(xié)調(diào)度的入河排污布設(shè)分區(qū)理論

在系統(tǒng)思維的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮多方面影響因素之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，從目標(biāo)、關(guān)系、規(guī)則、行為等方面構(gòu)建了入河排污布設(shè)分區(qū)的系統(tǒng)協(xié)調(diào)理論架構(gòu)（圖1）。

1.1 理論的思想內(nèi)涵

基于系統(tǒng)協(xié)調(diào)度的入河排污布設(shè)分區(qū)理論的具體內(nèi)涵可以描述為：以系統(tǒng)協(xié)調(diào)論為基本思想，以排污與水環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)為目標(biāo)，從保護(hù)與發(fā)展、區(qū)域與區(qū)域、部門與部門、當(dāng)前與長(zhǎng)遠(yuǎn)4個(gè)維度，綜合反映：① 現(xiàn)狀入河量與限排總量之間的污染負(fù)荷協(xié)調(diào)度;② 上下游左右岸出境斷面污染物現(xiàn)狀濃度與目標(biāo)濃度之間的水質(zhì)濃度協(xié)調(diào)度;③ 各類保護(hù)區(qū)等敏感水域的保護(hù)優(yōu)先級(jí)協(xié)調(diào)度;④ 水功能區(qū)現(xiàn)狀水質(zhì)達(dá)標(biāo)率與限制納污紅線之間的協(xié)調(diào)度，按照判斷協(xié)調(diào)度優(yōu)劣的規(guī)則，實(shí)現(xiàn)以水功能區(qū)為基本河段單元，以禁止排污區(qū)、一般限制排污區(qū)和嚴(yán)格限制排污區(qū)為主要組成的入河排污布局分區(qū)。

1.2 理論的結(jié)構(gòu)組成

（1） 目標(biāo)。入河排污布設(shè)分區(qū)的總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)排污與水環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)，具體可分解為保障水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)、保障流域（區(qū)域）人民身體健康和生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

（2） 關(guān)系。入河排污布設(shè)分區(qū)理論的核心是分別從系統(tǒng)的整體性、相關(guān)性、層次性和動(dòng)態(tài)性角度，協(xié)調(diào)保護(hù)與發(fā)展、區(qū)域與區(qū)域、部門與部門、當(dāng)前與長(zhǎng)遠(yuǎn)4個(gè)維度的關(guān)系。其中，保護(hù)與發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系表現(xiàn)為現(xiàn)狀入河量與水功能區(qū)限排總量指標(biāo)之間的約束關(guān)系，區(qū)域與區(qū)域的協(xié)調(diào)關(guān)系表現(xiàn)為上下游左右岸斷面水質(zhì)現(xiàn)狀濃度和目標(biāo)濃度指標(biāo)之間的約束關(guān)系，部門與部門的協(xié)調(diào)關(guān)系表現(xiàn)為各部門管理下各類水體保護(hù)層級(jí)之間的約束關(guān)系，當(dāng)前與長(zhǎng)遠(yuǎn)的協(xié)調(diào)關(guān)系表現(xiàn)為河段單元與區(qū)域水體整體水質(zhì)不同階段達(dá)標(biāo)率指標(biāo)之間的約束關(guān)系。

（3） 規(guī)則。入河排污布設(shè)分區(qū)理論的規(guī)則是通過判斷協(xié)調(diào)關(guān)系中各維度要素之間的協(xié)調(diào)度優(yōu)劣，進(jìn)行入河排污布設(shè)分區(qū)。針對(duì)4個(gè)維度要素的約束指標(biāo)與對(duì)應(yīng)要素現(xiàn)狀值的關(guān)系，構(gòu)建協(xié)調(diào)度曲線和系統(tǒng)協(xié)調(diào)函數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)函數(shù)值確定入河排污布設(shè)分區(qū)。

（4） 行為。入河排污布設(shè)分區(qū)理論的行為是完成禁止排污區(qū)、嚴(yán)格限制排污區(qū)和一般限制排污區(qū)的劃分，這也是最終的協(xié)調(diào)結(jié)果。

2 基于協(xié)調(diào)度函數(shù)的排污布設(shè)分區(qū)模型

2.1 排污影響因素協(xié)調(diào)度曲線

根據(jù)入河排污布設(shè)分區(qū)理論框架，入河排污口的分區(qū)布局需要統(tǒng)籌考慮保護(hù)與發(fā)展統(tǒng)籌、區(qū)域與區(qū)域協(xié)調(diào)、部門與部門協(xié)同、當(dāng)前與長(zhǎng)遠(yuǎn)平衡4個(gè)評(píng)價(jià)維度。結(jié)合目前我國水資源保護(hù)已有的工作基礎(chǔ)，選取確定了每個(gè)維度的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)（表1）。

2.1.1 污染負(fù)荷協(xié)調(diào)度曲線

對(duì)某一確定的水域而言，當(dāng)污染物現(xiàn)狀入河量（Qp）小于水域納污能力（Qm）范圍時(shí)，水環(huán)境容量處于可承受的范圍，水域不會(huì)因容納污染物而出現(xiàn)質(zhì)量嚴(yán)重下降的情況，仍可以新設(shè)入河排污口排放污染物以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，該水域排污協(xié)調(diào)度越高，其污染負(fù)荷協(xié)調(diào)度U（e1）接近1。當(dāng)現(xiàn)狀入河量Qp大于等于水域納污能力Qm時(shí)，該水域已經(jīng)不適合新增入河排污口，社會(huì)經(jīng)濟(jì)要進(jìn)一步發(fā)展，只能采取增產(chǎn)不增污，以新帶老等方式置換，該水域的污染負(fù)荷協(xié)調(diào)度小于0.37（即1/e）?？梢姡廴矩?fù)荷協(xié)調(diào)度U（e1）隨Qp/Qm的增加而減小。若考慮多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，偏安全的角度而言，應(yīng)選擇污染負(fù)荷協(xié)調(diào)度的最小值參與綜合協(xié)調(diào)度計(jì)算。入河排污口布設(shè)分區(qū)的污染負(fù)荷協(xié)調(diào)度曲線如圖2（a）所示。

2.1.2 污染物濃度協(xié)調(diào)度曲線

對(duì)于某一確定的水域而言，當(dāng)出境斷面某污染物的現(xiàn)狀濃度C小于等于目標(biāo)濃度Cs時(shí)，說明該水域的排污量小，水質(zhì)狀況良好，未來可以新增排污口以滿足本區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，污染物濃度協(xié)調(diào)度U（e2）較大。當(dāng)出境斷面濃度大于目標(biāo)濃度時(shí)，說明本水域已不適合新增排污口，需要適當(dāng)關(guān)停排污口以減少排污量，此時(shí)U（e2）<0.5。若考慮多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，偏安全的角度而言，應(yīng)選擇污染物濃度協(xié)調(diào)度最小值參與綜合協(xié)調(diào)度計(jì)算。入河排污口布設(shè)分區(qū)的污染物濃度協(xié)調(diào)度曲線如圖2（b）所示。

2.1.3 水域保護(hù)層級(jí)協(xié)調(diào)度曲線

我國水資源的不同屬性歸屬于不同部門管轄，因此針對(duì)同一水域往往會(huì)出現(xiàn)多種管理辦法。當(dāng)同一水域面臨多種使用功能需求時(shí)，就需要考慮水域的保護(hù)層級(jí)。水域保護(hù)層級(jí)根據(jù)其保護(hù)立法效力來確定。法律對(duì)應(yīng)的保護(hù)層級(jí)為最高級(jí)（第1級(jí)）、國務(wù)院行政法規(guī)對(duì)應(yīng)的保護(hù)層級(jí)為第2級(jí)、部委規(guī)章和省級(jí)法規(guī)對(duì)應(yīng)的保護(hù)層級(jí)為第3級(jí)、設(shè)區(qū)的地市州法規(guī)為第4級(jí)、設(shè)區(qū)的地市州規(guī)章為第5級(jí)、規(guī)范性文件和標(biāo)準(zhǔn)為第6級(jí)。法律法規(guī)及規(guī)范性文件明確指出不能設(shè)置入河排污口的水域，按照規(guī)定應(yīng)視法律的效力等級(jí)確定水域的保護(hù)層級(jí)協(xié)調(diào)度。法律明確規(guī)定不能設(shè)置排污口的，其保護(hù)層級(jí)為第1級(jí)的，U（e3）=0;法律及規(guī)范性文件未明確規(guī)定不能排污的，U（e3）=1;其余根據(jù)法律條文的表述類推確定，一般情況下U（e3）=P/10，P為保護(hù)層級(jí)，各類型水域保護(hù)層級(jí)協(xié)調(diào)度可按表2進(jìn)行量化區(qū)分。入河排污口布設(shè)分區(qū)的污染物濃度協(xié)調(diào)度曲線如圖2（c）所示。

2.1.4 納污紅線協(xié)調(diào)度曲線

以水功能區(qū)為基本評(píng)價(jià)單元，以地市級(jí)行政區(qū)（有條件的可細(xì)化至縣級(jí)行政區(qū)）為統(tǒng)計(jì)單位，對(duì)比區(qū)域水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率現(xiàn)狀和規(guī)劃年水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率之間的關(guān)系，評(píng)判該水域當(dāng)前水質(zhì)現(xiàn)狀與長(zhǎng)遠(yuǎn)水質(zhì)保護(hù)的關(guān)系，從而達(dá)到當(dāng)前與長(zhǎng)遠(yuǎn)的平衡。

對(duì)于某一確定的區(qū)域而言，當(dāng)區(qū)域水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率E低于50%時(shí)，說明該區(qū)域水環(huán)境狀況特別差，不符合水環(huán)境保護(hù)的總體要求，該區(qū)域不應(yīng)再增加入河排污口，此時(shí)納污紅線協(xié)調(diào)度U（e4）=0;當(dāng)區(qū)域水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率E為50%至紅線目標(biāo)值E0時(shí)，U（e4）線性增加，當(dāng)區(qū)域水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率E為紅線目標(biāo)值E0至100%時(shí)，U（e4）=1。入河排污口布設(shè)分區(qū)的納污紅線協(xié)調(diào)度曲線如圖2（d）所示。

3 漢江干流漢川段排污布設(shè)分區(qū)案例

3.1 研究區(qū)域概況

漢江干流漢川段自漢川市萬福閘至武漢市新溝鎮(zhèn)，河長(zhǎng)79 km。根據(jù)《全國重要江河湖泊水功能區(qū)劃（2011～2030年）》，漢江干流漢川段的一級(jí)水功能區(qū)劃包括漢江仙桃、漢川保留區(qū)（54 km），漢江漢川開發(fā)利用區(qū)（25km）;其中，漢江漢川開發(fā)利用區(qū)又分為2個(gè)二級(jí)水功能區(qū)，即漢江漢川飲用水源、工業(yè)用水區(qū)（5 km）和漢江漢川工業(yè)用水、飲用水源區(qū)（20 km）。

本研究以2016年作為基準(zhǔn)年，對(duì)漢江干流漢川段進(jìn)行入河排污布設(shè)分區(qū)。研究江段的水質(zhì)和污染物入河情況見表3。

根據(jù)調(diào)查，漢江干流漢川段COD現(xiàn)狀入河量為2 221.0 t/a，氨氮入河量為612.8 t/a，對(duì)應(yīng)的水域納污能力COD為3 581.1 t/a，氨氮為298.5 t/a。

研究區(qū)域內(nèi)，重要水環(huán)境敏感區(qū)有集中式飲用水水源地3處，分別為漢川市城區(qū)第二飲用水源地保護(hù)區(qū)、漢川市城區(qū)三水廠飲用水源地保護(hù)區(qū)、孝感市城區(qū)三水廠飲用水源地保護(hù)區(qū);水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)1處，為漢江漢川國家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)。

3.2 入河排污布設(shè)分區(qū)結(jié)果

根據(jù)排污布設(shè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)度函數(shù)計(jì)算結(jié)果，漢江干流漢川段共計(jì)劃分了5個(gè)禁止排污區(qū)，河長(zhǎng)24.6 km;1個(gè)嚴(yán)格限制排污區(qū)，河長(zhǎng)5 km;1個(gè)一般限制排污區(qū)43.5 km（見表4）。其中，漢江漢川段國家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)核心區(qū)江段以及3個(gè)集中式飲用水源保護(hù)區(qū)被劃為禁止排污區(qū);漢江漢川工業(yè)用水、飲用水源區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀不達(dá)標(biāo)，氨氮超標(biāo)，除去部分水域?yàn)榻古盼蹍^(qū)以外，剩余5 km為嚴(yán)格限制排污區(qū)水域;其余江段被劃為一般限制排污區(qū)。

4 結(jié) 論

本研究基于系統(tǒng)協(xié)調(diào)論，提出了入河排污布設(shè)分區(qū)理論，并構(gòu)建了排污布設(shè)分區(qū)模型，以漢江干流漢川段為典型區(qū)域，進(jìn)行了案例分析，主要結(jié)論如下。

（1） 基于系統(tǒng)協(xié)調(diào)度的入河排污布設(shè)分區(qū)理論，從目標(biāo)、關(guān)系、規(guī)則、行為等方面形成了一套完整的理論體系，該理論統(tǒng)籌考慮了保護(hù)與發(fā)展、區(qū)域與區(qū)域、部門與部門、當(dāng)前與長(zhǎng)遠(yuǎn)4個(gè)維度的協(xié)調(diào)關(guān)系，為科學(xué)布局入河排污口提供了理論指導(dǎo)。

（2） 基于協(xié)調(diào)度函數(shù)的排污布設(shè)分區(qū)模型，利用排污影響因素協(xié)調(diào)度曲線，耦合了污染負(fù)荷協(xié)調(diào)度、污染物濃度協(xié)調(diào)度、水域保護(hù)層級(jí)協(xié)調(diào)度和納污紅線協(xié)調(diào)度，從方法論方面為排污布設(shè)分區(qū)理論提供了量化計(jì)算方法。

（3） 選取漢江干流漢川段，利用排污布設(shè)分區(qū)模型進(jìn)行了系統(tǒng)協(xié)調(diào)度計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將漢江干流漢川段計(jì)劃分為5個(gè)禁止排污區(qū)、 1個(gè)嚴(yán)格限制排污區(qū)和1個(gè)一般限制排污區(qū)。從劃分結(jié)果來看，構(gòu)建的排污布設(shè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)度函數(shù)能夠較好地體現(xiàn)入河排污布設(shè)分區(qū)理論基本思想，同時(shí)能夠更方便更準(zhǔn)確地完成入河排污布局。

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（編輯：黃文晉）