控制單元污染源排污許可總量限值優(yōu)化研究
——以永定河流域為例

張月，蔡木林，邢敏，陳鵬，王海燕，喬飛，李珊珊*

1.北京市生態(tài)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院

排污許可證制度是世界各國普遍采用的水環(huán)境管理的重要制度之一，在水污染控制和水環(huán)境質(zhì)量改善中發(fā)揮著重要作用。美國排污許可核算和分配方法主要有基于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的最實用控制技術(shù)（BPT）、最佳常規(guī)污染物控制技術(shù)（BCT）、最佳可行技術(shù)（BAT）和最佳流域管理措施（BMP）以及以每日最大負(fù)荷總量（TMDL）計劃為代表的基于水環(huán)境容量的污染物總量管理模式[1-2]，同時將以技術(shù)為基礎(chǔ)的排放標(biāo)準(zhǔn)限制和以水質(zhì)為基礎(chǔ)的排放總量限制相結(jié)合，在基于技術(shù)的排放標(biāo)準(zhǔn)不能確保實現(xiàn)納污水體的水質(zhì)要求時，采用更嚴(yán)格的基于水質(zhì)的排放限制[3-4]。歐盟依據(jù)《水框架指令》[5]要求水體達(dá)到良好水質(zhì)狀態(tài)，當(dāng)實際水質(zhì)不能滿足這一要求時，企業(yè)允許的污染物排放量會被縮減，以達(dá)到水質(zhì)改善的目標(biāo)需求。從發(fā)達(dá)國家和地區(qū)排污許可管理經(jīng)驗來看，基于水質(zhì)目標(biāo)的排污許可管理才是最終的發(fā)展方向[6-8]。

針對基于水質(zhì)目標(biāo)的許可限值，國內(nèi)外主要通過核算水環(huán)境容量確定允許排放量并進(jìn)行分配。國外多數(shù)研究在考慮經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)上將數(shù)學(xué)模型運用于水環(huán)境容量與污染負(fù)荷分配的計算中[9-10]。我國大部分研究以“流域-行政區(qū)”或“流域-行政區(qū)-污染源”作為排污許可分配主線[11-12]。近年來，鑒于以行政區(qū)為單位分配水環(huán)境容量可能存在并不能滿足流域水環(huán)境質(zhì)量管理要求的問題，以“流域-控制單元”或“流域-控制單元-污染源”為主線的分配方法逐漸涌現(xiàn)[13-14]。對于水污染負(fù)荷分配方法的研究，常用的主要有基于公平原則的等比例分配法[15-16]、按貢獻(xiàn)率削減分配法[13]，基于效率原則的經(jīng)濟最優(yōu)法[17]，以及基于公平和效率原則的層次分析法[18]、基尼系數(shù)法[19-20]、多目標(biāo)優(yōu)化法[21]和雙向耦合優(yōu)化模型法[22]等。如薛佳等[16]構(gòu)建了污染物總量分配指標(biāo)體系，運用等比例分配法實現(xiàn)污染物總量的合理分配；莊園[13]依據(jù)渾河撫順段點源、面源現(xiàn)狀水體污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率，對流域內(nèi)污染負(fù)荷直接排放源及間接排放源進(jìn)行了基于容量總量控制的排污許可分配；黨海迪[23]通過分析雙橋河小流域水污染物總量控制技術(shù)中納污能力和污染負(fù)荷分配的關(guān)鍵問題，形成了一套小流域系統(tǒng)的污染負(fù)荷總量分配技術(shù)。

流域排污許可制度的實施對于有效控制流域水污染物排放具有重要意義。由于流域執(zhí)行的現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)或流域排放標(biāo)準(zhǔn)管控的是濃度限值，與水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)不直接掛鉤，可能存在部分水體水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的情況。為解決濃度限值不能滿足水環(huán)境質(zhì)量改善需求的問題，亟需從流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)出發(fā)，實施基于水質(zhì)目標(biāo)的流域排污許可管理[2,24]。筆者結(jié)合我國流域排污許可管理現(xiàn)狀及存在問題，探索了基于水環(huán)境質(zhì)量改善的流域排污許可管理模式，對控制單元污染源排污許可總量限值進(jìn)行優(yōu)化研究，并選擇永定河流域典型控制單元開展實證研究，以期為我國流域排污許可科學(xué)化、精細(xì)化管理提供決策支撐和方法借鑒。

1 控制單元排污許可總量限值管理模式

為強化流域排污許可精細(xì)化管理，以“流域-控制單元-污染源”為主線，將基于水環(huán)境容量約束和基于流域排放標(biāo)準(zhǔn)的允許排放量進(jìn)行對比，制定不同的排污許可總量限值管理模式。

情景1：當(dāng)基于水環(huán)境容量約束的允許排放量＞基于流域排放標(biāo)準(zhǔn)的允許排放量時：

式中：TV為控制單元內(nèi)某污染物基于水環(huán)境容量約束的允許排放量，t/a；TN為執(zhí)行流域排放標(biāo)準(zhǔn)時控制單元內(nèi)該污染物的允許排放量，t/a； ΔT為削減量，t/a。

此情景下，削減量為負(fù)，執(zhí)行流域排放標(biāo)準(zhǔn)可以滿足流域水環(huán)境質(zhì)量改善的需求，故這一類控制單元內(nèi)的排污單位應(yīng)按照流域排放標(biāo)準(zhǔn)，確定固定污染源的排污許可限值。

情景2：當(dāng)基于水環(huán)境容量約束的允許排放量＜基于流域排放標(biāo)準(zhǔn)的允許排放量時：

此情景下，削減量為正，控制單元內(nèi)污染物的排污許可限值應(yīng)選擇基于水環(huán)境容量約束的允許排放量?？刂茊卧趫?zhí)行流域排放標(biāo)準(zhǔn)的同時，考慮對超出控制單元水環(huán)境容量的排放量進(jìn)行削減。

TN按下式計算：

式中：Qij為控制單元內(nèi)第i個行業(yè)中第j個企業(yè)的污水排放量，t/a；i=1，2，···，m；j=1，2，···，n；SN為某污染物的流域排放標(biāo)準(zhǔn)限值，mg/L。

2 控制單元污染源排污許可總量限值優(yōu)化

為進(jìn)一步優(yōu)化控制單元內(nèi)的污染源排污許可總量限值，構(gòu)建如圖1所示的固定源污染物排污許可削減量分配方案，將 ΔT分配到控制單元的各排污企業(yè)中去。

圖1 控制單元內(nèi)各固定源污染物削減總量分配方案Fig.1 Allocation scheme of pollutant reduction amount for each fixed source in the control units

2.1 行業(yè)層面污染物削減量分配比例的確定

通過專家打分法確定控制單元內(nèi)行業(yè)層面污染物削減量分配比例（Ai）。具體打分方法和基本步驟：1）根據(jù)對排污許可總量分配的理解，選擇合適的行業(yè)類別給定權(quán)重的專家成員；2）設(shè)計行業(yè)類別給定權(quán)重的征詢意見表，每個行業(yè)類別權(quán)重介于0～1，全部行業(yè)類別權(quán)重相加總和為1；3）綜合考慮行業(yè)發(fā)展、生產(chǎn)技術(shù)水平和污染風(fēng)險等影響因素，請專家填寫征詢意見表，對不同行業(yè)類別進(jìn)行權(quán)重賦值；4）分別對每個行業(yè)類別所有專家的權(quán)重取平均值，得到每個行業(yè)類別的平均權(quán)重，將匯總分析結(jié)果反饋給所有專家；5）專家判斷反饋結(jié)果是否能夠代表他們的意見，如有不妥之處或是不能反映專家意見的地方，重復(fù)步驟3）和4），直至專家打分不再變動為止；6）將最終確定的行業(yè)類別平均權(quán)重作為行業(yè)層面污染物削減量分配比例（Ai）。

2.2 行業(yè)內(nèi)固定源污染物削減量分配比例的確定

通過熵權(quán)法確定第p個評價指標(biāo)的權(quán)重（wp），從而確定不同行業(yè)內(nèi)各固定源的污染物削減量分配比例（Bj）。假設(shè)影響企業(yè)削減量分配的評價指標(biāo)有s個，待分配削減量的企業(yè)有n個，則可構(gòu)建評價矩陣：

式中xpj為第j個企業(yè)的第p個評價指標(biāo)，p=1，2，···，s。本研究主要采用污水排放總量、污水處理設(shè)施投入成本和污水處理成本3個評價指標(biāo)，其數(shù)據(jù)來源于“永定河流域水質(zhì)目標(biāo)綜合管理示范研究”課題[25]的實地調(diào)研。

由于各評價指標(biāo)量綱不一致，故需對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以消除量綱的影響。采用極差標(biāo)準(zhǔn)化對評價矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[26]，其中正向指標(biāo)按式（5）計算，負(fù)向指標(biāo)按式（6）計算：

式中ypj代表第j個企業(yè)的第p個評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值。各評價指標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，可得到矩陣Y=

第p個指標(biāo)的熵值（vp）按下式計算：

wp按下式計算：

行業(yè)內(nèi)各固定源的污染物削減量分配比例按下式計算：

2.3 控制單元固定源污染物削減分配量的確定

將Ai和Bj相乘，得到流域控制單元各固定源的污染物削減量分配比例（AiBj）。最終根據(jù)AiBj，按下式計算確定控制單元內(nèi)固定源污染物削減量的分配值（ΔTij）：

3 永定河流域典型控制單元實踐案例

3.1 流域概況及典型控制單元選擇

永定河是海河流域七大水系之一（112°06'E～117°45′E，39°18'N～41°20′N），流經(jīng)內(nèi)蒙古、山西、河北3?。▍^(qū)）及北京、天津2個直轄市，被譽為北京市的母親河，流域面積為4.7萬km2。流域持續(xù)多年干旱少雨，下游常年處于斷流狀態(tài)，2019年開始實施生態(tài)補水，從山西省自黃河跨流域調(diào)水補充永定河水源。目前，流域內(nèi)CODCr、氨氮超標(biāo)較嚴(yán)重，入河排污量遠(yuǎn)超水體納污能力，存在水資源過度開發(fā)、環(huán)境承載能力差、污染嚴(yán)重、生態(tài)系統(tǒng)退化等問題，嚴(yán)重制約了京津冀地區(qū)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展[27]。對流域重點涉水排污單位實施差異化和精細(xì)化管理，是改善提升永定河流域水環(huán)境質(zhì)量的有效手段。

控制單元劃分是為實施基于水環(huán)境質(zhì)量的流域排污許可管理提供水質(zhì)目標(biāo)管理的基本控制單元。根據(jù)永定河流域水功能區(qū)區(qū)劃，基于流域地表水文分析、污染源信息及水系特征，“永定河流域水質(zhì)目標(biāo)綜合管理示范研究”課題[25]開展了干流河段的劃分及控制區(qū)域的確定，將永定河流域劃分為22個控制單元（圖2），并計算了各控制單元基于水環(huán)境容量約束的允許排放量。筆者在此基礎(chǔ)上，以C-016-001-01和C-011-002-04這2個相對典型的控制單元為例，開展流域排污許可總量限值優(yōu)化的實證分析?？刂茊卧狢-016-001-01和C-011-002-04分別位于北京市段內(nèi)和張家口市段內(nèi)，其基于水環(huán)境容量約束的允許排放量CODCr分別為1 684.02和1 082.00 t/a，氨氮分別為84.20和202.30 t/a，總磷分別為 16.84 和 13.40 t/a[25]（表1）。

表1 基于水環(huán)境容量約束的典型控制單元允許排放量Table 1 Allowable discharge of typical control units based on water environmental capacity constraints t/a

基于“永定河流域水質(zhì)目標(biāo)綜合管理示范研究”課題中由中國環(huán)境科學(xué)研究院編制的河北省地方標(biāo)準(zhǔn)《永定河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（建議稿）[25]，永定河流域重點控制區(qū)和一般控制區(qū)的排放限值如表2所示?？刂茊卧狢-016-001-01和C-011-002-04均位于重點控制區(qū)，其CODCr、氨氮和總磷的流域排放標(biāo)準(zhǔn)分別為30、1.5和0.3 mg/L。本研究采用上述排放限值進(jìn)行控制單元基于流域排放標(biāo)準(zhǔn)的允許排放量計算。

表2 永定河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Discharge standard of water pollutants in Yongding River watershed mg/L

3.2 排污許可總量限值管理模式確定

基于環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算控制單元執(zhí)行流域排放標(biāo)準(zhǔn)時的水污染物排放量，并與基于水環(huán)境容量約束的允許排放量[25]進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示。其中，控制單元C-016-001-01執(zhí)行流域排放標(biāo)準(zhǔn)時，CODCr排放量為9.188 t/a，氨氮排放量為0.459 t/a，總磷排放量為0.092 t/a，均小于該控制單元基于水環(huán)境容量約束的允許排放量，符合1節(jié)中情景1。故該控制單元不需要進(jìn)一步削減企業(yè)污染物排放量，在發(fā)放排污許可證過程中嚴(yán)格執(zhí)行流域污染物排放標(biāo)準(zhǔn)即可滿足水環(huán)境質(zhì)量改善需求。而控制單元C-011-002-04執(zhí)行流域排放標(biāo)準(zhǔn)時，CODCr排放量為1 292.388 t/a，氨氮排放量為64.619 t/a，總磷排放量為12.924 t/a。其中CODCr的排放量大于該控制單元基于水環(huán)境容量約束的允許排放量，符合1節(jié)中情景2。故該控制單元需要削減CODCr210.388 t/a。

表3 控制單元基于水環(huán)境容量約束和基于流域排放標(biāo)準(zhǔn)的允許排放量對比Table 3 Comparison of the allowable discharges based on water environmental capacity constraints and watershed discharge standards in the control units t/a

3.3 污染源排污許可總量限值優(yōu)化方案

因控制單元C-011-002-04中排水直接進(jìn)入永定河流域的為2家污水處理廠，在執(zhí)行流域排放標(biāo)準(zhǔn)時仍需要減排CODCr210.388 t/a，故對處理后廢水排入這2家污水處理廠的上游固定源進(jìn)行排污許可總量限值優(yōu)化，即對需要削減的CODCr進(jìn)行分配。根據(jù)2家污水處理廠污水處理/排放量的比例，核算得到污水處理廠A需要削減CODCr5.565 t/a，污水處理廠B需要削減CODCr204.823 t/a。根據(jù)污水處理廠污水處理/排放量與上游固定源污水排放量的比例，推算得到污水處理廠A上游固定源共需削減CODCr0.002 t/a，污水處理廠B上游固定源共需削減CODCr32.039 t/a。

污水處理廠上游固定源包括煉鐵、建筑工程用機械制造、熱電聯(lián)產(chǎn)、毛皮鞣制加工、陶瓷制品制造和水泥制造等行業(yè)在內(nèi)的9家企業(yè)，其中1家企業(yè)廢水排入污水處理廠A，8家企業(yè)廢水排入污水處理廠B。根據(jù)圖1固定源污染物排污許可削減量分配方案，考慮行業(yè)發(fā)展、生產(chǎn)技術(shù)水平和污染風(fēng)險等影響因素，采用專家打分法確定行業(yè)層面污染物削減量分配比例；選擇污水排放總量、污水處理設(shè)施投入成本和污水處理成本作為主要影響因素，采用熵權(quán)法根據(jù)式（8）確定三者的影響權(quán)重，由式（9）計算得到不同行業(yè)內(nèi)各固定源的污染物削減量分配比例；最終根據(jù)式（10）計算得到該控制單元固定源污染物削減量分配值，由此核算污水處理廠上游各固定源CODCr的削減量，結(jié)果如表4所示。污水處理廠A上游的固定源僅1家水泥制造企業(yè)，因此其CODCr的削減量為0.002 t/a。對于污水處理廠B上游的固定源，煉鐵企業(yè)被分配的CODCr削減量最高（8.650 t/a，占比 27.0%），其次為水泥制造企業(yè)（5.447 t/a，占比17.0%）、建筑工程用機械制造企業(yè)（4.485 t/a，占比14.0%）和陶瓷制品制造企業(yè)（4.148 t/a，占比12.9%）。

表4 控制單元固定源水污染物削減分配情況Table 4 Reduction allocation of fixed source water pollutants in the control units

關(guān)于控制單元間接排放固定源排污許可的總量優(yōu)化，王笑楠[14]在永定河流域張家口段基于水質(zhì)的排污許可限值研究中，主要考慮了間接排放企業(yè)與污水處理廠的距離和間接排放企業(yè)的污染物排放量。本研究主要以行業(yè)特征、污水排放總量、污水處理設(shè)施投入成本和污水處理成本作為設(shè)置分配權(quán)重的重要影響因素，多因素的考量使削減量分配結(jié)果更加科學(xué)合理。但在確定行業(yè)分配權(quán)重時，存在一定的主觀局限性，進(jìn)而在一定程度上降低了固定源污染物分配的公平性。此外，控制單元內(nèi)除企業(yè)等固定源排污外，還存在城市生活和農(nóng)業(yè)等非點源污染[8,28]，尚需在實踐中進(jìn)一步探索相應(yīng)的削減和控制方法。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）在充分考慮實現(xiàn)流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過將基于水環(huán)境容量約束和基于流域排放標(biāo)準(zhǔn)的允許排放量進(jìn)行對比，可制定不同的排污許可總量限值管理模式。采用專家打分法和熵權(quán)法，分別確定行業(yè)層面和行業(yè)內(nèi)固定源污染物削減量分配比例，可計算得到控制單元固定源污染物削減分配量，為流域污染源排污許可總量限值優(yōu)化提供方法借鑒。

（2）永定河流域北京市內(nèi)典型控制單元（C-016-001-01）執(zhí)行流域排放標(biāo)準(zhǔn)時，污染物排放量小于基于水環(huán)境容量約束的允許排放量，嚴(yán)格執(zhí)行流域排放標(biāo)準(zhǔn)即可滿足水環(huán)境質(zhì)量改善需求。張家口市內(nèi)典型控制單元（C-011-002-04）執(zhí)行流域排放標(biāo)準(zhǔn)時，CODCr的排放量大于基于水環(huán)境容量約束的允許排放量，故需要削減CODCr210.388 t/a；其中污水處理廠A和B分別需要削減CODCr5.565 和204.823 t/a，上游間接排放固定源分別需削減CODCr0.002 t/a（1 家企業(yè)）和 32.039 t/a（8 家企業(yè)）。

4.2 建議

（1）針對不同類型控制單元實施差別化排污許可管理模式

基于控制單元水環(huán)境容量進(jìn)而確定基于水質(zhì)目標(biāo)的固定污染源排污許可限值，是未來實現(xiàn)固定污染源精細(xì)化管理的必然要求?？紤]到不同控制單元環(huán)境壓力與水質(zhì)改善需求存在差異，不同類型控制單元的排污許可限值確定方法應(yīng)有所區(qū)別。對于水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的控制單元，可執(zhí)行現(xiàn)行固定污染源排放要求；對于水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的控制單元，應(yīng)詳細(xì)分析固定污染源對水質(zhì)的影響，針對不同水期執(zhí)行更為嚴(yán)格的流域排放標(biāo)準(zhǔn)，或執(zhí)行基于水環(huán)境容量約束的“一企一標(biāo)”，以實現(xiàn)排污許可管理對水質(zhì)改善的精準(zhǔn)支撐。

（2）持續(xù)完善控制單元排污許可削減量的分配方法

對于控制單元固定源排污許可削減量的分配，未來的研究應(yīng)在分析控制單元同質(zhì)性和異質(zhì)性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步選擇有針對性、代表性的影響削減量分配的關(guān)鍵因素，并充分考慮技術(shù)、經(jīng)濟成本和區(qū)域環(huán)境管理政策等方面。多因素的考量可使削減量分配結(jié)果更加科學(xué)合理，但兼顧主觀性和客觀性賦予各因素權(quán)重一直是個難題。因此，目前常用的基于公平、效率原則的分配方法需進(jìn)一步優(yōu)化，其精準(zhǔn)性、適應(yīng)性需在實踐中持續(xù)探索和完善。