杭州湾海域污染物减排量计算＊

杨耀芳，蒋晓山，刘 莲，蔡燕红，王晓波

（1.国家海洋局宁波海洋环境监测中心站 宁波 315040；2.同济大学环境科学与工程学院 上海200092；3.国家海洋局东海分局 上海200137）

杭州湾海域污染物减排量计算＊

杨耀芳1，2，蒋晓山3，刘 莲1，蔡燕红1，王晓波1

（1.国家海洋局宁波海洋环境监测中心站 宁波 315040；2.同济大学环境科学与工程学院 上海200092；3.国家海洋局东海分局 上海200137）

文章根据杭州湾的特点，设计了3个污染物减排方案，以2008年入杭州湾的总磷源强为基础数据，采用层次分析方法对杭州湾总磷污染物进行权重计算，根据磷酸盐和总磷的换算因子，换算成磷酸盐的分配权重，对磷酸盐减排削减量进行分配，最后通过数值模拟，比选最优的磷酸盐减排方案。结果表明：方案1为最优方案，根据最优方案计算杭州湾近期磷酸盐的减排削减量总共为298.45t／a。

磷酸盐；层次分析法；权重；分配

我国于20世纪70年代后期引入环境容量的概念，并开始了水环境容量的研究［1］。水环境容量的估算及其在各污染源或区域之间的分配是水污染总量控制的基础和核心［2］。我国正处于由目标总量控制向容量总量控制的过渡时期。该时期的显著特征之一是现有排污量大于环境容量，因此环境容量的配置过程实质上是在现有排污基础上确定排污量削减方案的过程，其核心任务是确定各个区域排污量削减的比例［3］，这过程就涉及削减量分配的问题。

在分配中应尊重公平和效益的原则，充分反映水环境容量分配的社会性、经济性和历史性，以保证实际的可操作性［4］。层次分析法就是基于公平和效益原则的一种方法，由美国运筹学家T.L.Saaty于20世纪80年代提出，他是一种定性与定量分析相结合的多目标分析方法，它将决策者对复杂对象的决策思维过程系统化、模型化和数学化，可将决策者就不同环境行为水平对实现分目标的重要性判断通过判断矩阵进行量化，从而得出不同的环境行为水平对于削减目标的组合权重［1］。层次分析法在国内也有研究，如李如忠等［5］利用层次分析法进行合肥市区域水污染物排放总量的分配，冯普林等［6］利用层次分析法对陕西省黄河流域许可水量进行分配，王小军等［7］利用层次分析法对石羊河流域初始水权进行分配研究。本研究建立了层次结构模型并对总容量削减分配进行计算。

磷属于亲生物元素，是构成海洋初级生产力的基础物质之一。在许多沿海海域，由于水体中的氮磷原子比高于生物最适生长的Redfield比值，而使磷同时又成为该海域初级生产力乃至于赤潮发生的限制因子［8］。因此，选取磷酸盐作为研究的减排对象，对保护杭州湾生态具有现实意义。

杭州湾海域活性磷酸盐污染十分严重，湾内各处活性磷酸盐浓度基本都在0.05mg／L以上，个别高浓度区域甚至超过0.08mg／L，这导致我们在使用线性规划方法并按照最大剩余容量原则进行估算时，无法得到最优解，所以现状情况下杭州湾海域的磷酸盐水环境容量已经没有了。要使水质得到改善，必须大幅削减污染物排放源强。当然，污染物削减得越多越好，但实际操作中，削减100%不具可操作性，所以按各县（市、区）组合权重分配容量结合近期目标，用层次分析模型分析总磷总量削减源强10%的减排技术进行论述，并对设计的方案进行比较，得出最优的减排方案。通过减排使得杭州湾海域污染物排放得到有效的管理和控制，海洋生态环境的恶化趋势得到初步遏制和改善，生态系统得到一定程度的恢复，海洋开发活动逐步规范，产业结构逐步优化，基本实现杭州湾海洋生态环境的有效保护和社会经济的可持续发展。

1 研究材料和方法

1.1 研究区域和数据采集

杭州湾海域位于浙江省北部、上海南部，东临舟山群岛，西有钱塘江、曹娥江等注入。杭州湾地跨浙江、上海两省市，呈V形分布，沿岸主要包括上海、嘉兴、杭州、绍兴、宁波等地区，其北岸主要有上海的南汇区、奉贤区、金山区和嘉兴的平湖市、海盐县、海宁市，南岸主要有杭州的萧山区、绍兴市的绍兴县、上虞市和宁波的余姚、慈溪、镇海等。

以2008年为基准年，统计杭州湾海域沿岸各县（市、区）现有的总磷污染物排放量、自然资源、经济发展和社会发展资料。对2008年杭州湾沿岸各污染源进行估算，污染物排放总量约为319 765.4t／a。其中，工业污染源贡献率最大，约占总量的35.58%；其次为畜禽养殖，约占总量的26.94%；第三为农业面源和生活污染，分别占19.72%和18.11%；渔业养殖最小，约占总量的1.64%。其中总磷的排放量为3 995.68t／a［9］。

1.2 污染物减排方案

污染物减排方案设计总体思路是：进行杭州湾沿岸县（市、区）划分，从环境、资源、经济、社会和污染物排放浓度响应程度等指标考虑设计分配方案，计算出各方案杭州湾县（市、区）的总磷分配权重，根据磷酸盐和总磷的换算因子，换算成磷酸盐的分配权重，计算分配结果，再通过数学模型检验该方案的污染物浓度分布特征，进而确定最终分配方案。

层次分析法的关键点在于层次结构和指标的建立。在指标的选择上，参考乐清湾［10］考虑环境、资源、经济、社会等4个指标，同时把环境自然净化指标的影响考虑进来，因此本研究设计3个方案。

方案1：层次分析体系设计两层结构，未纳入污染物排放浓度响应程度（既污染衰减系数）。第一层指标为现有的污染物总排放量、自然资源、经济发展和社会发展等4个方面。第二层指标为县（市、区）的各个指标，具体见图1。

图1 方案1污染物分配指标体系框架

方案2：层次分析体系设计3层结构，纳入污染物排放浓度响应程度（既污染衰减系数）。在方案1的基础上，将污染衰减系数和社会指标系数作为第一层指标；第二层的指标为污染物排放浓度响应程度倒数、现有的总磷污染物排放量、自然资源、经济发展和社会发展；第三层次为县（市、区）的各个指标，具体可见图2。

图2 方案2污染物分配指标体系框架

方案3：层次分析体系设计二层结构，纳入污染衰减系数。

第一层为污染衰减系数、污染物总排放量、自然资源、经济发展和社会发展等5个方面，第二层为各县（市、区）的各个指标，具体见图3。

图3 方案3污染物分配指标体系框架

1.3 计算方法

（1）层次分析法（The analytic hierarchyprocess，AHP）是一种定性与定量相结合的多目标决策分析技术，其基本原理是将待评价或识别的复杂问题分解成若干层次，由专家或决策者对所列指标通过重要程度的两两比较逐层进行判断评分，利用计算判断矩阵的特征向量确定下层指标对上层指标的贡献程度或权重，从而得到最基层指标对于总体目标的重要性权重排序。层次分析以其系统性、灵活性、实用性等特点特别适合于多目标、多层次、多因素和多方案的复杂系统的分析决策。

层次分析法首先建立层次结构和指标。以方案1为例，以县（市、区）减排分配量为目标层A，环境、资源、经济、社会指标分别为准则层N的指标Ni（i＝1－4），工业、农业、生活、海水养殖排污分别为子准则层P的子指标P1，P2，P3，P4，从属于N1；乡镇面积、海岸线长度分别为子准则层P的子指标P5，P6，从属于N2；工业、农业、服务业产值分别为子准则层P的子指标P7，P8，P9，从属于N3；人口、排污效益、劳动生产率别为子准则层P的子指标P10，P11，P12，从属于N4。

（2）基于专家赋权的AHP法。根据对专家的问卷调查，确定同层指标权重，由此可以确定子准则层的所有子指标相对于总目标层的权重，并根据各县（市、区）的各指标信息，可以计算其对不同指标的贡献率，从而可以确定各个县（市、区）的排污分配权重。

（3）基于平均权重的AHP法。考虑到某些指标与同层的指标有相同重要的作用，考虑将同层的各个指标权重平均化的一种方法。

2 结果与讨论

2.1 权重的确定

2.1.1 方案1

本方案层次分析体系设计两层结构：第一层通过专家咨询确定各层次各指标的权重；第二层利用层次分析法计算权重，确定杭州湾沿海各县（市、区）总磷减排削减量分配指标权重（表1）。

表1 杭州湾沿海各县（市、区）总磷减排削减量分配指标权重

方案1杭州湾沿海各县（市、区）总磷减排削减量分配组合权重计算结果见表2。

表2 杭州湾沿海各县（市、区）总磷减排削减量分配组合权重分配

续表

2.1.2 方案2

该方案层次分析体系设计三层结构：第一层采用平均权重法分配第一层次权重；第二层仍通过专家咨询确定各层次各指标的权重；第三层次通过层次分析计算该层权重，杭州湾沿海各县（市、区）总磷减排削减量分配指标权重见表3。

表3 杭州湾沿海各县（市、区）总磷减排削减量分配指标权重

方案2杭州湾沿海各县（市、区）总磷减排削减量分配组合权重计算结果见表4。

表4 杭州湾沿海各县（市、区）总磷减排削减量分配组合权重分配

续表

2.1.3 方案3

本方案层次分析体系设计二层结构：第一层采用平均权重法来计算权重；第二层利用平均权重法计算权重。

杭州湾沿海各县（市、区）总磷减排削减量分配指标权重见表5。

表5 杭州湾沿海各县（市、区）总磷减排削减量分配指标权重

方案3杭州湾沿海各县（市、区）总磷减排削减量分配组合权重计算结果见表6。

表6 杭州湾沿海各县（市、区）总磷减排削减量分配组合权重分配

续表

2.2 源强减排削减量分配

本研究前半部分污染源强的估算是针对总磷的，通过分析计算已得出总磷的权重，若能确定总磷和活性磷酸盐间的换算系数，就能得到磷酸盐的权重。但在排放的污染源中，活性磷酸盐占总磷的比例受各种因素的影响而变化，因此难以确定。在海水中，磷类营养盐的存在形式与物质过程十分复杂，海水中磷类营养盐的各种形式占总磷的比例一直没有令人信服的研究成果。黄自强等在长江口的研究认为水体中无机磷约占总磷的20%［11］，但杭州湾与长江口的条件不一样，不能直接引用。

对于杭州湾总磷和活性磷酸盐之间的换算系数，可通过2006年和2007年杭州湾生态专项监数据，统计得到总磷和活性磷酸盐在水体中的浓度的比值，综合统计得到磷酸盐与总磷的源强及水体中浓度值的比值取0.747［9］，根据此换算系数可得到磷酸盐的权重。

通过计算杭州湾磷酸盐已无容量。污染源需要削减，当然污染物削减的越多越好，但实际操作中，削减100%不具可操作性，所以本研究按各县（市、区）组合权重分配容量结合近期目标，计算磷酸盐总量削减10%时的容量分配结果。各方案各县（市、区）磷酸盐源强削减量分配见表7。

表7 磷酸盐源强削减量分配t／a

2.3 削减分配方案的比较

将各县（市、区）的磷酸盐原有统计源强减去表7中的磷酸盐源强削减量后，进行磷酸盐浓度分布数值模拟计算，磷酸盐各方案浓度超标面积及百分比见表8，从浓度超标面积及百分比来看，3个方案差别不是很大。

表8 磷酸盐各方案浓度超标面积及百分比（总面积：5 396.71km）

由表8可以看出，3个方案的计算结果，杭州湾内所有海域磷酸盐浓度均超过0.030mg／L，3个方案计算结果相近，方案2和方案3超过0.045mg／L的海域面积为全杭州湾海域的86.82%和86.81%，超过0.060mg／L的海域面积为全杭州湾海域的22.34%和22.36%，方案1略显优势，超过0.045mg／L的海域面积为全杭州湾海域的86.75%，超过0.060mg／L的海域面积为全杭州湾海域的22.31%。表8显示结果亦同表7相同，各个方案控制点磷酸盐计算浓度全潮平均值都十分接近，各方案中控制点全潮平均计算浓度均严重超标，与控制点标准浓度百分比都超过100%。综合考虑容量分配及各方案分配计算结果，确定方案1为最优分配方案，见表7中方案1。杭州湾近期磷酸盐的减排削减量总共为298.45t／a。

3 结论

①对杭州湾沿岸县（市、区）划分，从环境、资源、经济、社会和污染物排放浓度响应程度等指标考虑设计了3个分配方案：方案1未考虑污染物排放浓度响应程度，层次分析体系设计两层结构；方案2考虑污染物排放浓度响应程度，层次分析体系设计3层结构；方案3考虑污染物排放浓度响应程度，层次分析体系设计两层结构。②对3个方案的权重计算和减排削减量的分配，各个县（市、区）在3个方案中除去慈溪市外其他县（市、区）分配量变化比较小。③将各县（市、区）的磷酸盐原有统计源强减去表7中的磷酸盐源强削减量后，进行磷酸盐浓度分布数值模拟计算，得到其浓度超标面积及百分比计算的结果。表明杭州湾内所有海域磷酸盐浓度均超过0.030mg／L，3个方案计算结果相近，方案1、方案2和方案3超过0.045mg／L的海域面积为全杭州湾海域的86.75%、86.82%和86.81%，超过0.060mg／L的海域面积为全杭州湾海域的22.31%、22.34%和22.36%，确定方案1为最优方案。④总量削减10%时，最优分配方案为方案1，表明污染物排放浓度响应程度（既污染衰减系数）在县（市、区）消减量分配中影响不明显。⑤根据最优方案计算杭州湾确定了近期磷酸盐的减排削减量总共为298.45t／a，慈溪市削减减排分配量最少为9.24t／a，慈溪市削减减排分配量最多为50.39t／a。

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［9］国家海洋局东海环境监测中心.杭州湾海洋环境容量及污染物总量控制研究报告［R］.2011.

［10］浙江大学建筑工程学院.乐清湾海洋环境容量及污染物总量控制研究报告［R］.2008.

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入海污染物总量控制和减排技术集成和示范（200805065）；象山港海域海洋环境质量综合评价方法研究［DOMEP（MEA）－03－02］；宁波市专项资金项目——象山港污染物总量控制及减排试点示范.