路徑分析法在滇池流域水污染防治規(guī)劃中的應(yīng)用*

鄧義祥，鄭一新，富 國，雷 坤，劉瑞志，張林波，李子成

(1:中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012)

(2:昆明市環(huán)境科學(xué)研究院，昆明650031)

路徑分析法在滇池流域水污染防治規(guī)劃中的應(yīng)用*

鄧義祥1，鄭一新2，富 國1，雷 坤1，劉瑞志1，張林波1，李子成1

(1:中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012)

(2:昆明市環(huán)境科學(xué)研究院，昆明650031)

在基于負(fù)荷總量的水污染防治規(guī)劃中，通常需要在特定的水質(zhì)目標(biāo)條件下，核定污染物的最大允許排放量和削減量，并采取工程措施完成削減目標(biāo).路徑分析法將正向算法中的污染控制參數(shù)由連續(xù)變量進(jìn)行離散化，既對(duì)優(yōu)化問題進(jìn)行了簡化，也提高了優(yōu)化方案的針對(duì)性和可行性.以滇池流域水污染防治規(guī)劃為例，采用路徑分析方法，將滇池流域水污染控制六大措施的參數(shù)離散化，尋找不同目標(biāo)方案條件下滇池流域污染治理的最佳方案.在此基礎(chǔ)上，結(jié)合滇池流域水污染治理的實(shí)際，推薦中方案為“十二五”規(guī)劃的目標(biāo)，并提出了對(duì)應(yīng)的污染物總量削減措施.

路徑分析;滇池流域;水污染防治規(guī)劃;“十二五”規(guī)劃

水污染防治規(guī)劃是進(jìn)行水污染治理的重要依據(jù)，在我國水環(huán)境管理中具有越來越重要的地位.工程措施的目標(biāo)可達(dá)性是制訂水污染防治規(guī)劃的重要內(nèi)容.在核定的污染物削減目標(biāo)條件下，確定水環(huán)境治理的任務(wù)和措施，實(shí)際上是一個(gè)具有約束條件的優(yōu)化問題，也就是說，以工程措施的各項(xiàng)參數(shù)為優(yōu)化變量，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的削減總量為目標(biāo)，尋求治理成本最低的污染控制方案［1］.傳統(tǒng)的污染物總量分配根據(jù)等比例分配、最小處理費(fèi)用、按污染程度削減排放量以及考慮公平性的基尼系數(shù)分配等原則方法，采用反算的方式，確定各污染源的分配總量和削減量［2-4］.但如果忽略控制區(qū)域的具體條件和可行性因素，僅僅采用各種數(shù)學(xué)方法進(jìn)行控制參數(shù)優(yōu)化而得到一套污染控制方案，將有可能面臨可行性不足的問題.

規(guī)劃實(shí)踐表明，水污染控制措施的情景往往是有限的.例如污水處理廠出水濃度的約束，往往有“保持現(xiàn)狀、達(dá)到一級(jí)B標(biāo)、達(dá)到一級(jí)A標(biāo)、達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)、達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)”等預(yù)期目標(biāo)，這時(shí)過分強(qiáng)調(diào)污水濃度值變化的連續(xù)性意義往往不大.同樣其它的工程措施能得到人們普遍理解和認(rèn)同往往也是有限的幾種情景.因此，基于正向計(jì)算的思路，分析各類污染源可能的削減途徑，尋求污染物總量達(dá)標(biāo)的方案，將最大限度地體現(xiàn)管理者的污染控制思路.采用路徑分析方法，將正向算法中工程措施參數(shù)的連續(xù)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為離散優(yōu)化問題，尋找到能夠完成規(guī)劃目標(biāo)可能的路徑，再通過協(xié)商和綜合分析，確定最后的推薦方案，不僅使優(yōu)化問題的復(fù)雜性大大降低，也增加了規(guī)劃方案的可操作性.本文以滇池流域水污染防治規(guī)劃為例，采用路徑分析方法，提出滇池水污染治理的推薦方案.

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)域

滇池流域是云南省政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心和交通樞紐，是昆明市人口最密集、人類活動(dòng)最頻繁、經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū).“十一五”期間，滇池流域人口繼續(xù)保持穩(wěn)定增長，常住人口2008年底達(dá)到340.7×104人，其中非農(nóng)業(yè)人口264.0×104人，農(nóng)業(yè)人口76.7×104人.滇池流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，綜合實(shí)力不斷增強(qiáng).2008年滇池流域國內(nèi)生產(chǎn)總值達(dá)到1280×108元，約占昆明市的 80%，第一、二、三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為2.6∶43.7∶53.7，人均GDP為3.76×104元，相當(dāng)于我國中等發(fā)達(dá)地區(qū)的水平.

滇池是高原淺水型湖泊，是我國第六大淡水湖.滇池流域面積2920km2，總庫容12.9×108m3，水面面積309.5km2.草海部分庫容較小，是目前昆明市主城區(qū)生活污水的主要受納水體，每年平均換水4-5次;而外海面積廣闊，庫容較大，由于滇池流域集水面積相對(duì)較小，同時(shí)一部分污水經(jīng)由草海的西園遂道外排，因此水量交換時(shí)間較長，換水時(shí)間約為2-5a［5］.一般情況下，滇池草海和外海水體互不交換.

2004年以來，滇池草海始終保持劣Ⅴ類水質(zhì)，主要污染因子為總氮(TN)、總磷(TP)，氨氮(NH3-N)濃度也居高不下.2006年后，外海水質(zhì)也退化為劣Ⅴ類，主要污染因子為TN、TP.從水質(zhì)來看，滇池草海和外海水質(zhì)仍呈持續(xù)惡化的趨勢(shì).從富營養(yǎng)化指數(shù)來看，草海和外海的富營養(yǎng)化程度在6年間變化不大，草海始終維持在重度富營養(yǎng)化水平，外海處于中度富營養(yǎng)化水平［6］.

表1 滇池污染物降解系數(shù)Tab.1 Degradation coefficients of the pollutants in Lake Dianchi

1.2 研究方法

采用水質(zhì)模型和路徑分析相結(jié)合的方法，研究滇池流域“十二五”期間的污染控制措施.首先采用水質(zhì)模型建立污染負(fù)荷與水質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)滇池水質(zhì)目標(biāo)，計(jì)算滇池流域污染物的最大允許排放量和削減量;然后采用路徑分析方法，設(shè)計(jì)不同的污染物削減路徑，獲取能滿足污染物削減目標(biāo)的路徑組合方案;最后，綜合考慮滇池流域污染治理的可行性和經(jīng)濟(jì)性等因素，確定最終的污染控制方案.

由于滇池草海和外海水體混合相對(duì)比較均勻，因此采用零維模型進(jìn)行容量核算，其表達(dá)式為［7］:

式中，C為湖體的污染物平均濃度(mg/L);Q為入湖水量(m3/s);C0為入湖污染物濃度(mg/L);q為出湖水量(m3/s);k為污染物降解系數(shù)(L/s);V為庫容(m3);t為時(shí)間(s).

穩(wěn)態(tài)條件下，污染物的濃度保持不變，因此:

從而有:

以2008年滇池草海和外海的污染物入湖量和湖體污染物平均濃度進(jìn)行模型校驗(yàn)，可得到草海和外海的污染物降解系數(shù)(表1).

2 總量削減方案和目標(biāo)

2.1 總量計(jì)算設(shè)計(jì)條件

根據(jù)昆明市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院《利用西園隧洞優(yōu)化調(diào)度滇池棄水改善滇池水質(zhì)方案研究》中40年長系列計(jì)算成果和昆明市水環(huán)境容量測(cè)算的研究成果，滇池草海和外海所采用的設(shè)計(jì)水文條件為80%保證率(枯水年)水量平衡條件(表2).牛欄江—滇池補(bǔ)水工程是滇池流域“十一五”水污染防治規(guī)劃的重點(diǎn)工程，工程項(xiàng)目于2008年啟動(dòng)，預(yù)計(jì)2012年建成.工程建設(shè)的目標(biāo)是引水6×108m3，調(diào)水水質(zhì)規(guī)劃為湖庫Ⅲ類.

表2 滇池容量計(jì)算的設(shè)計(jì)水文條件(×104m3)*Tab.2 Hydrological design condition of Lake Dianchi for environment capacity calculation

*Q進(jìn)為來水量，Q交為交換水量，即由外海進(jìn)入草海的水量，Q蒸為湖面蒸發(fā)量，Q工為工業(yè)耗水量，Q農(nóng)為農(nóng)業(yè)耗水量，Q出為出湖水量，DV為蓄變量.

2.2 污染防治方案設(shè)計(jì)

預(yù)期水質(zhì)目標(biāo)包括三個(gè)方案，即高方案、中方案和低方案(表3).高方案為草海達(dá)到Ⅴ類水，外海達(dá)到Ⅳ類水;低方案為滇池水質(zhì)惡化的趨勢(shì)得以遏制，并在2008年基礎(chǔ)上略有改進(jìn)，草海和外海TN和TP的濃度較2008年下降約10%;中方案則是滇池水質(zhì)在2008年基礎(chǔ)上有明顯改善，是高方案和低方案的折中方案，也就是說確保實(shí)現(xiàn)2015年的階段目標(biāo)，以最終實(shí)現(xiàn)2020年草海達(dá)到Ⅴ類水、外海達(dá)到Ⅳ類水的目標(biāo).

表3 滇池水質(zhì)目標(biāo)方案設(shè)計(jì)(mg/L)Tab.3 Scenarios of water quality objectives in Lake Dianchi(mg/L)

表4 扣除牛欄江—滇池補(bǔ)水工程引水負(fù)荷后的最大允許排放量(t/a)Tab.4 Total allowable discharge load excludingNiulanjiang-Dianchi Water Transfer Project input(t/a)

2.3 污染物最大允許排放量

對(duì)應(yīng)不同的水質(zhì)目標(biāo)方案，滇池流域的最大允許排放量具有明顯差異(表4).因此，為達(dá)到保護(hù)滇池水質(zhì)的目標(biāo)，應(yīng)以總量控制為手段，嚴(yán)格控制入湖污染負(fù)荷.查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)比本研究滇池流域最大允許排放量與其它文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各次最大允許排放量計(jì)算的水質(zhì)目標(biāo)之間均有一定的差異(表5).根據(jù)不同方案條件下滇池最大允許排放量的要求，以及2015年污染物入湖量不得超過2008年基準(zhǔn)年的要求，確定滇池污染物負(fù)荷削減目標(biāo)(表6).

表5 “十二五規(guī)劃”最大允許排放量與其它研究成果的對(duì)比*Tab.5 Comparison of the total allowable load with other research results

表6 滇池流域污染物負(fù)荷削減目標(biāo)(t/a)Tab.6 Waste Load cut task in Lake Dianchi Catchment(t/a)

3 削減備選路徑及評(píng)估

3.1 備選路徑及參數(shù)

根據(jù)草海和外海不同的區(qū)域特點(diǎn)，提出污染物的備選削減路徑.以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的削減量目標(biāo)，進(jìn)行路徑優(yōu)選，并最終確定流域污染治理路徑.

草海和外海區(qū)域進(jìn)行污染源削減的主要措施包括提高牛欄江—滇池補(bǔ)水工程的入湖水質(zhì)、提高城鎮(zhèn)污水收集和處理率、進(jìn)行污水處理廠深度處理、污水處理廠出水排放到滇池流域外或用于澆灌、農(nóng)業(yè)面源治理和濕地處理(表7).

表7 滇池流域主要削減措施Tab.7 List of the primary treatment countermeasures in Lake Dianchi Catchment

3.2 路徑優(yōu)選與評(píng)估

路徑優(yōu)選主要遵循以下幾個(gè)原則:首先，優(yōu)選的路徑必須能夠滿足削減目標(biāo)的要求;其次，判斷路徑是否帕累托非劣解，也就是說，如果兩個(gè)路徑都能夠滿足削減量的要求，而另一個(gè)路徑在各方面的削減強(qiáng)度都要大于前一個(gè)路徑，則該路徑不是帕累托非劣解，應(yīng)予排除［10］;最后，結(jié)合路徑的可行性最終確定最佳路徑.

高方案草海共有30個(gè)路徑組合能夠滿足削減目標(biāo)，其中帕累托非劣解為7個(gè).考慮到現(xiàn)狀出水濃度與地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)和Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的差異比較大，因此只考慮污水處理廠出水濃度一級(jí)A標(biāo)的路徑.考慮到技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，推薦路徑組合A1+B3+C1+D6+E3為最佳路徑.外海共有56個(gè)路徑組合能夠滿足高方案的削減目標(biāo)，其中帕累托非劣解為7個(gè).只考慮污水處理廠出水一級(jí)A標(biāo)的路徑，推薦路徑組A1+B2+C1+D6+E3+F1為最佳路徑.

中方案草海共有410個(gè)路徑組合能夠滿足削減目標(biāo)，其中帕累托非劣解為7個(gè).只考慮污水處理廠出水濃度一級(jí)A標(biāo)的路徑，推薦路徑組合A1+B2+C1+D2+E1為最佳路徑.外海共有91個(gè)路徑組合能夠滿足高路徑的削減目標(biāo)，其中帕累托非劣解為7個(gè).只考慮污水處理廠出水一級(jí)A標(biāo)的路徑，推薦路徑組A1+B2+C1+D6+E2+F1為最佳路徑.

低方案草海共有415個(gè)路徑組合能夠滿足削減目標(biāo)，其中帕累托非劣解為3個(gè).只考慮污水處理廠出水濃度一級(jí)A標(biāo)的路徑，推薦路徑組合A1+B2+C1+D1+E1為最佳路徑.外海共有115個(gè)路徑組合能夠滿足高方案的削減目標(biāo)，其中帕累托非劣解為3個(gè).只考慮污水處理廠出水一級(jí)A標(biāo)的路徑，推薦路徑組合A1+B2+C1+D5+E1+F1為最佳路徑.根據(jù)高、中、低三種方案最佳路徑評(píng)估結(jié)果，三種方案的削減路徑比較見圖1和圖2.

圖1 草海不同水質(zhì)目標(biāo)方案條件下的最佳削減路徑比較Fig.1 The best cut routes under different water quality scenarios in Caohai Catchment

4 方案建議

考慮到高方案要求草海流域城鎮(zhèn)生活污水收集率達(dá)到95%，污水處理廠出水100%外排或澆灌，外海流域農(nóng)業(yè)面源削減相對(duì)比較困難等因素，同時(shí)吸取“九五”、“十五”和“十一五”期間因水質(zhì)目標(biāo)訂得過高而都未能實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)的教訓(xùn)，因此不推薦高方案.中方案在低方案的基礎(chǔ)上，僅提高污水處理廠出水外排率就能達(dá)到，因此推薦中方案為“十二五”期末的水質(zhì)目標(biāo)方案.

因此，草海CODMn、NH3-N、TN和TP的水質(zhì)目標(biāo)分別為12、6、9、0.6mg/L，在2008年的基礎(chǔ)上分別下降11%、49%、45%和52%.相應(yīng)的推薦治理措施為:牛欄江—滇池補(bǔ)水工程入湖水質(zhì)達(dá)到湖庫Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，城市污水收集率達(dá)到90%，污水處理廠出水達(dá)一級(jí)A標(biāo)，第一、第三和第九污水處理廠尾水共1.3×108m3排放到滇池流域外或進(jìn)行澆灌等可去除污染物的中水回用.外海CODMn、NH3-N、TN和TP的水質(zhì)目標(biāo)分別為10、0.3、2、0.11mg/L，在2008 年的基礎(chǔ)上分別下降 21%、0%、18%和 12%.相應(yīng)的推薦治理措施為:牛欄江—滇池補(bǔ)水工程入湖水質(zhì)達(dá)到湖庫Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，城市污水收集率達(dá)到90%，污水處理廠出水達(dá)一級(jí)A標(biāo)，第七、第八污水處理廠尾水共1.1×108m3排放到滇池流域外或進(jìn)行澆灌等可去除污染物的中水回用，并且農(nóng)業(yè)面源去除率達(dá)到10%.

圖2 外海不同水質(zhì)目標(biāo)方案條件下的最佳削減路徑比較Fig.2 The best cut routes under different water quality scenarios in Waihai Catchment

為克服水質(zhì)對(duì)污染負(fù)荷削減響應(yīng)的遲滯效應(yīng)，草海和外海的污染控制方案應(yīng)提前1-2年完成，才能確保“十二五”末實(shí)現(xiàn)規(guī)劃的水質(zhì)目標(biāo).

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Application of route analysis method in the water pollution control planning in Lake Dianchi Catchment

DENG Yixiang1，ZHENG Yixin2，F(xiàn)U Guo1，LEI Kun1，LIU Ruizhi1，ZHANG Linbo1＆ LI Zicheng1
(1:Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，P.R.China)
(2:Kunming Institute of Environmental Sciences，Kunming 650031，P.R.China)

In water pollution control planning based on total waste load，it is usually necessary to check the total maximum allowable load and choose proper countermeasures to finish the load cut task under specified water quality objectives.With the route analysis method，the continuous control variables in the direct algorithm are discretized，so not only the optimization problem is simplified，but also the result is more practicable and pertinent.Take the Lake Dianchi Catchment as an example，the 6 water pollution control measures were discretized by parameters and the most suitable pollution control schemes were selected under different water quality scenarios with route analysis method.Afterwards，based on the historical and present treatment situation in the study area，the medium-scenario and corresponding countermeasures were suggested for the 12thFive-Year Water Pollution Control Planning in the Dianchi Cactchment.

Route analysis;Lake Dianchi Catchment;water pollution control planning;12thFive-Year Plan

* 滇池流域水污染防治“十二五”規(guī)劃項(xiàng)目資助.2010-09-28收稿;2010-12-21收修改稿.鄧義祥，男，1974年生，博士，副研究員;E-mail:dengyixiang@gmail.com.