水污染物质排放减量化环境综合政策的模拟分析与评价＊

闫晶晶 肖荣阁 沙景华

(中国地质大学(北京),北京 100083)

水污染物质排放减量化环境综合政策的模拟分析与评价＊

闫晶晶 肖荣阁 沙景华

(中国地质大学(北京),北京 100083)

本文基于大城市周边城镇地区水污染加剧的问题,构造了适于中国大城市周边城镇地区经济社会特点的综合经济环境评价模型,并通过计算机模拟实验实现水污染物质最小化的综合评价。本文选取北京市某郊区县作为研究对象,基于该地区的生态系统和社会经济变化情况,评价现阶段在广大农村实行以湿式发酵技术处理为主的综合环境改善政策的环境改善效果。通过模拟实验结果得出,仅通过推广包括一般的湿式发酵处理技术在内的环境政策并不能解决现阶段城镇地区水污染加剧的问题,必须引入更加先进的处理技术降低水污染物质排放量才能同时实现水污染物质减量化和经济快速发展的目标。

水污染物质;环境政策;模拟实验;动态综合评价

近年来我国面临的水环境形势更加严峻,水污染发展呈现从城市向农村转移态势,包括生活污染、面源污染和工矿污染在内的污染源凸显。同时由于大城市水源地和大型水库大多位于周边郊区城镇和农村地区,因此大城市周边农村地区水污染造成了更大区域的饮水安全隐患。据环境部门监测,全国城镇每天至少有1亿t污水未经处理直接排入水体。90%的城市水域污染严重,50%的城镇水源不符合饮用水标准,40%的水源已不能饮用,大城市周边城镇地区水环境污染问题亟待解决。

近年来,国内外许多学者致力于水环境污染改善和促进区域经济发展的研究[1-2]。本文选取了北京市某郊区县作为研究对象,同时考虑了该地区的生态系统和社会经济变化情况,评价在广大农村实行以湿式发酵技术处理为主的综合环境改善政策的环境改善效果[3],以同时达到经济发展和环境改善的目标。

1 模型构建

1.1 区域划分和污染源分类

按照该地区主要河流流向和流经地区,将该地区划分为两大区域,该地区其他支流均流入两条主河流中。本文中评估的水污染物质主要包括化学需氧量(COD),总磷(T-P)和总氮(T-N);将该地区污染源划分为生活污染、面源污染、生产污染和畜产业污染(以养猪业污染为主)。根据该地区特点,将生活污染按照处理方式分为经过下水道处理和未经过下水道处理两类。面源污染按照土地利用方式(山地、林地、果园、城市用地、其他利用方式)分为五类,生产污染按照产业划分为七类(渔业、养猪业、其他畜产业、林业、种植业、工业、其他产业)。本文基于2000-2006年地区统计年鉴、中国环境统计年鉴等统计数据模拟计算。

1.2 综合环境政策

按照该地区政府已实行的相关水资源环境保护政策,表1列出了该地区可选择的相关水环境保护政策。针对该地畜产业,尤其是养猪业污染严重的问题,该地区普遍推广了湿式发酵技术处理畜产业特别是养猪业废弃物以达到降低污染物质排放及生物质沼气和有机肥利用的目的。

表1 环境综合政策

2 评价模型

该动态评价模型包括了水污染物质平衡模型,社会经济模型和污染物质最小化目标函数。水污染物质平衡模型描述了污染物质流入河流的过程。社会经济模型表示了该地区社会经济活动特点和社会经济发展与水污染物质排放的关系。该动态评价模型包含五十七个数学公式模型,本文仅列出主要公式。

2.1 目的函数

由于该区域位于北京市饮用水源上游方向,水资源环境保护重要性日益凸显,同时根据前期调查和相关统计资料显示,该地区水污染物质中总氮最难消解,因此将目的函数构造为实现水污染物质总氮10年间排放总额最小化为目标。

2.2 物质平衡模型

假设该地区通过下水道、未处理污水、养渔业和降雨所产生的水污染物质均经过河流排出。

2.2.1 水污染物质平衡模型

其中ELpl:第l种土地利用方式水污染物质p的排放系数;Lk

j(t):在第j个区域第l种土地利用方式的面积。

2.2.5 生活污染物质排放量

2.3 点源污染处理方式

该地区为了改善环境于2004年提出加大森林面积的水土保持政策,将部分农业用地和荒地等其他用地方式转换为森林用地。

2.3.1 增加森林用地

2.4 生活排污对策

根据我国城镇污水处理方式特点,生活污水处理主要依靠下水道设备进行处理。

2.4.1 使用下水道设施的人口变化情况

2.4.2 下水道投资建设和维护

其中FEi(t):当地政府财政可支出额;:地方政府补贴占总投资的比率;:第i个城镇政府补贴中投向生活污水处理设施投资的比例;M:第t年第i个城镇下水道设施的维持费用;:第i个城镇政府补贴中投向生活污水处理设施维持费用的比例;:第i个城镇政府补贴中用于生活污水处理总费用的比例;(t):上一级政府为该地区生活污水处理提供的补贴额。

2.5 生产排污对策

其中Xmj(t):第j个区域第m个产业的总产值;αm:第m个产业的资本产出比;(t):第j个区域第m个产业的资本额;(t):上一级政府为第m个产业提供的补贴额。

2.6 政策补贴总额

其中y(t)为该地方政府提供的总补贴额。

2.7 市场平衡模型

2.8 地区生产总值

本文采用地区生产总值GRP指标反映地区经济发展水平。

其中GRP(t):第t年该地区生产总值;υ:第m个产业经济增加值的行向量。

2.9 经济发展水平制约

根据地方经济发展的要求,设定地区生产总值必须不低于前一年发展水平。

3 模拟实验结果

在模拟实验中按照10年中年均地区生产总值增长率n%设定不同的模拟情况。在本文中我们选取了四个有代表性得模拟情况来分析模拟实验结果。其中模拟情况Case 1表示GRP年均增长0%,Case 2代表GRP年均增长0.7%,Case 3表示GRP年均增长1%,Case 4表示GRP年均增长1.1%。

3.1 目的函数结果分析

本研究中,在水污染物质总氮排放量最小化的限制下,GRP年均增长率最大只能达到1.1%,高于1.1%的模拟情况下均得不到可行解。因此在实现目标函数的条件下,Case 4 GRP年均增长1.1%可实现最优解。

通过比较未采用环境综合政策和采用政策后的模拟实验结果,可以得出水污染物质最小化综合政策可有效地降低水污染物质。当采用综合政策并且实现GRP年均增长1.1%(Case 4)时,目的函数(T-N10年排放量)与未采用综合政策相比降低10.7%(见图1)。同时,2016年GRP比2007年增长了1.93亿元。

图1 目标函数值(10年总和)

3.2 GRP变化分析

在目标函数的要求下,GRP年均增长率最多只能达到1.1%,在Case 4中与2007年相比,GRP总量在2016年增长了9.88%(见图2)。然而与地区经济发展规划的要求相比,年均1.1%增长率并不能满足地区经济增长的需要。因此在以水污染物质总氮排出量最小的目标函数要求下,仅采用该地区现有的环境政策不可能同时实现环境污染最小化和达到区域经济发展目标。

3.3 养猪业生产额和水污染物质排放变化分析

图2 地区生产总值变化情况

养猪业产值和其排放的水污染物质变化情况如图3所示。与2007年相比,2016年养猪业产值下降了30%,而由养猪厂所排出的污染物质仅通过湿式发酵技术处理,水环境污染效果改善不大。我们将造成此问题的原因归结为以下几点:第一,养猪业排放的废水中水污染物质浓度特别是T-N浓度较高;第二,最小化水污染物质T-N的目的函数和当地环境保护的要求限制了当地养猪业的发展。因此该地区养猪业造成的水环境污染较为严重,同时仅依靠湿式发酵技术处理养猪业废弃物不足以降低其排出的废水中的高浓度污染物质。而且在该地区养猪业作为当地经济发展支柱产业,通过降低产业产值和规模而实现水污染物质减量排放可能性较小。因此需要引入更加先进的技术处理养猪业废水实现在有效降低污染的同时促进地区经济发展。

图3 养猪业产值变化情况

4 结 论

本文根据我国城镇地区社会经济特点建立了经济环境综合动态模型,评价该地区环境治理政策效果。通过模拟实验得出以下结论。第一,当采用综合环境政策后,GRP每年可实现增长率为1.1%的经济增长,与不采用环境政策相比,水污染物质T-N可降低10.7%。第二,采用环境政策后,2016年比2007年相比GRP总量增长了1.93亿元。第三,采用环境政策后,可降低养猪业排放的267tT-N,105tT-P和1 641tCOD。

基于模拟实验结果,可以得出湿式发酵技术可降低一部分养猪业废水中的污染物质,但是有限的污染物质降低是以大规模产业削减(养猪业生产总值降低30%)和低经济增长水平(年均经济增长率1.1%)换取的。而养猪业作为当地经济发展的支柱产业,以强行缩减养猪业规模实现环境微量改善并不可行,因此必须针对养猪业污染废弃物引入先进的处理设备从而实现环境改善和经济发展的目的。

(编辑:王爱萍)

[1]Fumiaki H,Yoshiro H.A Simulation Analysis to Reduce Pollutants from the Catchment Area of lake Kasumigaura[J].Studies in Regional Science,2000,30,(1),47-63.

[2]TakeshiM,Katsuhiro S,Shintaro K,et al.A Simulation Analysis of Synthetic Environment Policy:Effective Utilization of Biomass Resources and Reduction of EnvironmentalBurdens in Kasumigaura Basin.Studies in Regional Science.2007,36(2):355-374.

[3]国家环境保护总局.全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策[M].北京:中国环境科学出版社.2002:77-78.

AbstractIn this study,we focused on the evaluation of water pollutant-minimization based on the ecological value of rural areas of China and considered a comprehensive environmentalmanagementpolicy by computer simulation that is adaptive for the specific characteristics and economyof rural suburbsof big cities in China.In order to evaluatewhether the integrated policieswith the adoption ofwet methane fermentation technology can satisfy the si multaneouspursuitof environmentalpreservation and economic development,we considered both the ecological system in the objective area and the socio-economic situational changes during a specific period that have general applicability to the rural areas of China.

Key wordswater pollutants;simulation analysis;dynamic synthetic evaluation

Comprehensive Evaluation of Integrated Pollutant-m in i m ization Policies in Rural Areas of China

YAN Jing-jing X IAO Rong-ge SHA Jing-hua
(China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

X171.1

A

1002-2104(2010)03专-0124-04

2009-09-08

闫晶晶,博士生,主要研究方向为资源环境经济学。

＊教育部国家留学基金管理委员会“国家建设高水平大学”项目资助。