滦河承德段水环境容量计算及初始分配

门宝辉，牛晓赟，刘灿均，陈 静，刘晶晶

(1.华北电力大学水利与水电工程学院，北京 102206； 2.承德市生态环境局，河北 承德 067000)

近些年我国经济社会快速发展，居民消费需求日渐加大，各类污水排放量不断增长，水环境问题日渐突出[1-2]。我国实施水污染防治的主要办法是对水污染物进行总量控制，该方法由美国联邦环境保护局在20世纪70年代提出，即根据确定的目标总量对污染物进行削减，再对其进行合理分配[3-8]。我国在20世纪70年代开始研究污染物浓度控制问题，80年代提出排污许可证制度，着重对污染物浓度进行严格控制[9-11]。随着研究不断深化，我国学者发现浓度控制不能从根本上改善污染问题，所以将研究方向逐步转向总量控制[12-13]。要控制污染物总量，首先要核算出准确的水环境容量值，从而依据水环境容量和允许排放量进行分配[14]。我国学者对水环境容量总量分配主要是基于公平和效率原则，根据对二者侧重点不同，提出了等比例分配法、层次分析法、最小费用法、基尼系数法等分配方法，并引入数学模拟和数理统计等方法对分配方法进行优化。如杨志平等[15]将治理费用最小作为主要目标，建立模型对水环境容量进行了合理分配；徐鸿德[16]利用最小费用法进行了河流污染物的协调分配；林高松等[17]将公平性作为首要原则，提出了等比例分配法；颜润润等[18]将等比例分配法应用于新孟河流域；谢梦达等[19]综合上海、浙江、福建的环境、经济、技术等方面的差异，应用层次分析法，进行了总量分配；陈丁江等[20]利用基尼系数法对水环境容量进行多目标分配；秦岚迪等[21]基于尼基系数法对洞庭湖区的水环境容量进行了科学分配。

针对现有水环境容量分配方法的研究大多未完全结合实际水环境容量，也没有考虑水质评价等问题。本文从“浓度”和“总量”两个角度出发，通过水质评价对滦河水质优劣进行分析，核算滦河水环境容量作为容量总量，采用等比例分配法进行分配，并采用基尼系数法对分配结果进行评价，以期为承德市水环境容量总量控制提供重要参考，为承德市开展排污权交易工作和探索建立流域内跨行政区生态补偿机制提供支撑。

1 研究区概况

滦河位于华北平原东北部，发源于河北省承德市丰宁县巴彦古尔图山北麓，是海河流域四大水系之一。滦河全长888 km，流域面积44 880 km2。河北省承德市滦河流域集水面积为28 616 km2，占全市总面积的72%，占整个滦河流域总面积的64%，滦河流域水系分布如图1所示，滦河承德段是滦河流域的核心部分。滦河流域多年平均年径流量为44.23亿m3，承德市多年平均水资源总量大约为37.01亿m3，并呈东南-西北向递减分布。自引滦入津工程投入运行以来，年输水量已达10亿m3，极大程度上缓解了天津市供水困难问题，滦河已成为天津市的重要水源，为河北省部分地区及天津市带来了社会效益、生态效益和环境效益。

图1 滦河水系分布

2 滦河承德段水质评价

2.1 断面布设及指标选取

选取滦河承德段上部的东缸房、郭家屯断面，中部的宫后、承钢大桥、偏桥子大桥和上板城大桥断面，下部的乌龙矶大桥、大杖子(一)和门子哨断面(图2)作为评价对象，选取KMnO4、BOD5、NH3-N、COD、TP 5个代表性的参评指标，对滦河承德段2020年2月(枯水期)和5月(丰水期)各断面的水质情况进行评价。

图2 滦河承德段监测断面分布

2.2 评价方法

2.2.1单因子指数法

单因子指数法将参评指标多次监测的平均值或多次监测的最值，与该指标对应的水质标准进行比对，计算单因子指数，确定水样在该指标下的水质等级，由此对各参评指标进行水样水质等级的判定，遵循“从劣不从优”的原则[22-23]，选择各参评指标对应的最低水质等级作为水样水质评价的结果。单因子指数法计算公式为

(1)

式中：pi,j为第i项指标在第j水质等级下的单因子指数；Ci为第i项指标的实测浓度值；Ci,j为第i项指标对应的第j等级的水质标准浓度值。

2.2.2灰色关联分析法

灰色关联分析法通过将水质监测值作为参考序列，水质标准作为比较序列，在对参考序列和比较序列进行归一化处理后[24]，确定第i个指标(i=1,2,…,n)监测值到第j等级(j=1,2,…,m)标准值区间的距离Δi,j，进而计算该指标与等级j的关联系数ζi，j，第i个指标与等级j的关联系数计算公式[25-26]为

(2)

Δi,j=|xi-Ci,j|

式中：xi为第i个指标的监测值；Ci,j为第i个指标对应等级j的水质标准浓度值；λ为分辨系数，一般取0.5。

根据式(3)计算水样与等级j的关联度，并选取最大关联度对应的等级作为水样的评价等级。

(3)

式中wi为第i个指标的权重值。各指标权重值可通过CRITIC法进行计算[27]。

2.3 评价结果

用单因子指数法和灰色关联分析法分别评价滦河干流承德段2020年2月和5月各断面水质。单因子指数法将最为严重的污染物作为评价对象来确定水样的水质等级，适用于确定水样的主要污染物。各监测断面2月和5月的评价结果及主要污染物见表1。2月(枯水期)滦河承德段的主要污染物为COD、TP和NH3-N，5月(丰水期)主要污染物为COD、TP。滦河承德段的上游主要受到COD的污染；中游主要受到TP的污染，其中，宫后和承钢大桥两个断面的TP污染比较严重；下游2月(枯水期)主要受到NH3-N的污染，5月主要受到COD和TP的污染。

表1 滦河承德段各断面单因子指数法评价结果

灰色关联分析法能够综合考虑各指标对于水质的影响，其对滦河承德段的水质评价结果为：2月东缸房、郭家屯和大杖子(一)断面为Ⅰ类水，宫后、承钢大桥、偏桥子大桥、乌龙矶大桥和门子哨断面为Ⅱ类水，上板城大桥断面为Ⅲ类水；5月宫后、上板城大桥断面为Ⅰ类水，东缸房、郭家屯、承钢大桥、乌龙矶大桥、大杖子(一)和门子哨断面为Ⅱ类水，偏桥子大桥断面为Ⅲ类水。由评价结果可知：市内上游及下游河段水质较优，枯水期水质优于丰水期水质；市内中游河段由于流经承德市较发达区域，污染相对严重，水质劣于上游和下游，且丰水期和枯水期水质变化趋势不明显。总的来说，滦河承德段水质较好，能够满足Ⅲ类水要求。

3 滦河承德段水环境容量计算

环境容量具有资源性，水环境容量分配的前提是进行水环境容量计算[28-29]。本文将承德境内水系中的滦河干流作为研究对象，调查与评价了水文资料(包括流域面积、流速、流量、水位、降水量等)、水质资料、排污口资料、取水口资料、污染源资料、社会经济指标数据、研究区域统计年鉴等，并进行数据一致性分析，形成数据库；进行了水域概化，明确河流水功能区的特征并划分控制单元，确定主控污染物，进而计算水环境容量[30]。

3.1 确定水功能区

水功能区是指为满足河流、湖泊水资源合理开发利用和有效保护需求，并按综合规划、水资源保护规划和经济社会发展要求，划分出执行特定标准的特定区域[31]。根据GB 50594—2010《水功能区划分标准》以及《河北省水功能区划》(冀水资[2017]127号)，结合滦河干流流经区域的特征，对滦河干流进行水功能区划分，具体见表2。

表2 滦河干流水功能区划分

3.2 划分控制单元

基于数字高程模型(DEM)数据，采用ArcGIS Hydrology水文分析工具，对承德市数字高程数据进行创建无凹陷点DEM、流向分析、流量统计等系列操作，得到承德市境内水系的集水区范围，提取出滦河干流集水区。根据已有的数据资料，将提取的滦河干流集水区与监测断面位置、排污口位置数据进行叠加分析，提取满足控制单元划分原则的区域作为汇水单元，最后将汇水单元与区县边界叠加，得到滦河干流上的7个控制单元。每个控制单元均包含在一个区县内部，且在河流流经的两个区县交界处，即控制单元的入口和出口均有监测断面分布。滦河承德段的控制单元划分结果如图3所示。

图3 滦河承德段控制单元划分

3.3 水域概化

水域概化是指将复杂的河道概化为简单的河道，将非稳态的水流概化为稳态的水流，将相邻近的多个排污口概化为一个排污口使得概化后的水域更易于环境容量的计算。在水域概化模型中，参与概化的要素主要分为3方面：节点、河段、上下界。滦河承德段水域概化结果如图4所示。

图4 滦河承德段水域概化结果

3.4 确定主控污染物

我国现行污染物总量控制方法首先是对COD水污染排放总量进行控制，再将NH3-N指标加入其中。污染物总量的控制不仅为水环境治理取得了显著的成果，也为我国有机污染问题的研究做出了巨大的贡献。《水污染防治行动计划》(国发〔2015〕17号)中指出TN、TP等指标对水环境有显著影响，要将这些指标纳入流域、区域污染物排放总量控制约束性指标体系中。对TN、TP的排放控制在“十三五”期间也被列上日程，在部分流域和区域内已经展开。本研究调查了承德市2013—2019年地表水监测断面的水质类别及主要污染物状况，由调查水质数据可知，承德市境内滦河水体已受到不同程度的污染，TP已经成为承德市河流的主要污染指标之一。因此，水环境容量计算选择COD和NH3-N作为主要控制因子，增加TP作为区域特征污染物。

3.5 水环境容量模型和计算

3.5.1计算模型的选择

根据GB/T 25173—2010《水域纳污能力计算规程》和滦河实际状况，采用河流一维水质数学模型计算。河流的水环境容量一般由自净容量、稀释容量和输移容量组成，水环境容量计算公式为

W=Ws+Wd+Wt

(4)

Wt=31.653qCs

式中：W为河流水环境容量；Ws为自净容量；Wd为稀释容量；Wt为输移容量；K为污染物综合衰减系数；x为河段长度；u为河流断面的平均流速；qm为污水排放量；Q0为河段流量；Cs为河道控制断面水质标准；C0河流中污染物的本底浓度。qm相对于Q0是一个很小的值，在计算中一般忽略不计，W可整理简化为

(5)

3.5.2模型参数的确定

在对河段进行水环境容量计算时，用河流的设计流量表示设计水文条件。对于常年有水，并且水量相对充沛的河流，一般情况下采用多年最枯月平均流量，推求设计保证率P=90%的设计流量条件；对于有冰封期、季节性、枯水期的河流，一般可根据流域实际情况确定设计标准。通过对郭家屯水文站、三道河子水文站、乌龙矶水文站2007—2016年的流量系列数据资料分析计算，得到滦河干流郭家屯水文站90%保证率下的设计流量为 3.8 m3/s，三道河子水文站90%保证率下的设计流量为4.56 m3/s，乌龙矶水文站90%保证率下的设计流量为6.42 m3/s。结合《全国水环境容量核定技术指南》[32]以及《河北省地表水水环境容量核定技术报告》，滦河干流各段各指标衰减系数取为KCOD=0.23 d-1，K氨氮=0.05 d-1。TP是难降解的无机物，只能稀释，因此进行水环境容量计算时只考虑稀释容量和输移容量[33]。

3.5.3水环境容量的计算结果

根据滦河承德段的基本情况和水质控制目标，计算出滦河承德段COD、NH3-N、TP的环境容量分别为5 203.61 t/a、505.71 t/a、72.92 t/a，计算结果见表3。

表3 滦河承德段水环境容量计算结果

4 水环境容量分配

要对水污染物总量进行控制，最重要的一步是要对允许的污染物排放量进行合理分配[34]。国内对水污染总量控制可以大致分为3个阶段：污染物浓度控制、目标总量控制和容量总量控制。对水环境进行综合规划、管控时，由于同一流域包含了不同的行政区或是同一行政区下各部分发展极不平衡，所以需要对流域水环境容量进行合理的分配。鉴于我国实行的水污染防治体系建立在行政区监管的基础上，故一般情况下在行政单元间实行水环境容量的分配。在进行分配时，一般要把握公平原则和效益原则，并确保分配方案有良好的实用价值。

4.1 总体思路

在借鉴相关研究成果的基础上，采用容量分配法对水环境容量进行分配，再通过基尼系数法对分配结果进行评价，并最终确定最佳分配方案。基本思路为：通过全面了解研究区各行政单元间的经济、社会、环境等方面的差异，综合考虑流域总量分配应该遵循的经济效率、环境效率、区域公平3个原则，根据指标的代表性和数据的可行性，构建包含经济效率、环境效率和区域公平3方面指标的指标体系。通过计算不同行政单元各指标的效益系数作为分配的客观权重，并对各指标进行主观赋权，进而得到各分配对象的综合权重大小，确定出分配方案。引入环境基尼系数，对每个分配单位所得到的分配量进行评价，确定出最优的分配方案。

4.2 具体分配

4.2.1指标体系构建

在环境容量分配中，一定要把握经济效率、环境效率、区域公平3个原则，并保证分配方案的可实行性。经济效率原则选取了第二产业比例作为指标，第二产业比例反映了一个地区经济发展对第二产业的依赖程度，在分配时，对那些依赖性较大的地区应该考虑多分配排放量；环境效率原则选取了纳污能力作为指标，纳污能力反映了一个地区所能容纳污染物的多少，对纳污能力较大的区域，分配时可稍微有所侧重；区域公平原则选取了治污投资比例作为指标，治污投资比例侧面反映了一个地区污染治理水平，达标率越高，治污能力越强，分配到的可排放量应该也更多。由此构建了水环境容量的指标体系。

4.2.2分配模型及分配结果

环境容量分配的实质是分配对象即行政单元权重值的确定。权重值的确定方法大致分为主观赋权法、客观赋权法和组合赋权法3种。组合赋权法不仅可以兼顾决策者对于各指标的偏好程度，还能深层次了解到各指标数据的客观信息，让赋权过程具有良好的客观性，使主客观相统一[35]。因此，在本次研究中为了减小误差，采用组合赋权的分配方法确定各对象的分配权重值，构建具体模型如下：

a.通过各行政单元的经济效率指标、环境效率指标、区域公平指标的统计数据，计算各原则下参与分配的行政单元的效益系数作为分配的客观权重值，计算公式为

(6)

(7)

(8)

式中：Si为第i个行政单元的经济效益系数；S′i为第i个行政单元的第二产业比例；Ei为第i个行政单元的环境效益系数；E′i为第i个行政单元的纳污能力；Di为第i个行政单元的区域公平效益系数；D′i为第i个行政单元的治污投资比例，n为行政单元数。

b.在等比例分配的基础上，调整经济效率指标、环境效率指标、区域公平指标的主观权重，确定了4种方案，见表4。

表4 主观赋权的指标权重确定方案

c.结合基于各分配单位指标统计数据的客观权重及各原则下指标的主观权重，通过式(9)进行组合赋权，确定各参与分配的行政单元的综合权重值，并结合滦河承德段的水环境容量计算结果，得到各行政单元的COD、NH3-N、TP水环境容量初始分配，如表5所示。

表5 各方案滦河干流各计算单元的COD、NH3-N、TP水环境容量初始分配

Wi=W(α1Si+α2Ei+α3Di)

(9)

式中:Wi为第i个行政单元分配到的水环境容量;α1、α2、α3分别为经济效益系数、环境效益系数、区域公平效益系数权重。

4.3 基于环境基尼系数的方案评价

4.3.1基尼系数的含义

基尼系数最初主要用来衡量一个地区的居民收入和财富分配的不平等程度，后来逐渐用于污染物总量分配、能源分布和资源消耗的公平性评价[36]。在本研究中，基尼系数反映各个参与分配的行政单元分配的排污量相对于其他资源拥有量的公平程度。基尼系数越小，则表示分配越趋于公平。

4.3.2指标选取及基尼系数计算

为对污染物排放量进行公平性评价，本研究选择GDP、区域面积、人口作为基尼系数的分配指标，各区域根据污染物分配量按递增序列进行排序。基尼系数的计算公式为

(10)

式中：I为基尼系数；Xi为评估指标的累计比例；Yi为污染物的累计比例；n为分配对象数量。当i=1时，(Xi-1，Yi-1)视为(0，0)。

计算得到各方案各指标基尼系数见表6。洛伦兹曲线可以明显表示分配的均衡程度[37]，各指标下污染物容量分配的洛伦兹曲线见图5。

图5 承德市各指标下污染物容量分配的洛伦兹曲线

4.3.3方案评价及优选

基尼系数的大小反映总量分配公平程度，按照相关规定[35]：系数小于0.2表示分配绝对公平；0.2～0.3表示比较公平；0.3～0.4表示相对公平；0.4～0.5表示略不公平；大于0.5表示不公平。由表6可知，4种方案关于人口和GDP的基尼系数均小于0.1，满足分配绝对公平要求，关于区域面积的基尼系数均小于0.4，满足分配相对公平要求；总体上看，4种分配方案公平性较好。在4种方案中，方案c关于GDP和区域面积的基尼系数最小，关于人口的基尼系数与其他方案相近，是4种方案中的最优方案，也是最具有实际分配参考价值的方案。同时，也可以看出人口和GDP权重在环境容量分配过程中占主导地位。

表6 各指标基尼系数

5 结 论

a.滦河承德段的主要污染物从上游到下游包括COD、TP和NH3-N，滦河水质整体较优，能够满足地表水Ⅲ类要求。

b.基于水质控制目标，得到滦河承德段COD、NH3-N、TP的环境容量分别为5 203.61 t/a、505.71 t/a、72.92 t/a。

c.通过综合赋权法改变指标权重得到的4种分配方案均满足分配相对公平要求，其中方案c更为合理；该分配方式的指标选取综合考虑了各区域在社会、经济方面的差异，又兼顾了环境效益和区域公平。