松花江哈爾濱段水環(huán)境容量價值研究

孟憲林，李佳琪，姜曼曼

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，150090哈爾濱)

環(huán)境系統(tǒng)具有自凈能力，對進入環(huán)境的污染物可以通過物理作用、化學(xué)作用、生物作用逐漸凈化，使環(huán)境恢復(fù)到原有的狀態(tài)，這種作用效果來自于環(huán)境容量，因而，環(huán)境容量具有了環(huán)境價值.水環(huán)境容量是寶貴的資源，本身具有在調(diào)控限度內(nèi)能夠接納污染物、凈化污染物的功能，因此，水環(huán)境容量同樣具有環(huán)境價值.有的學(xué)者認為水環(huán)境容量價值包括水環(huán)境容量的天然價值、附加的人工價值和稀缺價值［1］，也有學(xué)者認為水環(huán)境容量價值包括產(chǎn)權(quán)價值、附加勞動價值和稀缺價值［2］.本文以松花江哈爾濱部分江段為研究對象，采用效益評價模型，結(jié)合水環(huán)境容量的研究結(jié)果［3－4］，進行水環(huán)境容量價值的研究，結(jié)果可為科學(xué)利用水環(huán)境容量資源提供依據(jù).

1 水環(huán)境容量價值研究方法簡述

1.1 影響水環(huán)境容量價值大小的主要因素

水資源的利用與開發(fā)很大程度上取決于水體功能，而水體功能以及水體功能當(dāng)前的狀況決定了水環(huán)境容量的大小，即影響水環(huán)境容量的因素主要有自然因素和社會因素.而水環(huán)境容量資源總量越大，其環(huán)境價值也越大.

1.1.1 自然因素對水環(huán)境容量的影響

自然因素對水環(huán)境容量的影響主要來自于水域特征和時間、空間等因素.

污染物的稀釋、擴散以及自凈能力在一定程度上取決于水域特性，因此，水域特性是確定水環(huán)境容量的基礎(chǔ)，對水環(huán)境容量的大小往往起著決定性的作用［5］.水資源量的大小對水環(huán)境容量價值影響最大.水資源量的大小隨時間變化的特點決定了水量的變化對水環(huán)境容量的大小能夠產(chǎn)生很大影響，即水資源量影響著水環(huán)境容量的價值.

1.1.2 社會因素對水環(huán)境容量的影響

社會因素對水環(huán)境容量價值的影響主要表現(xiàn)在水體水質(zhì)功能目標(biāo)、科學(xué)技術(shù)先進性和經(jīng)濟發(fā)展水平幾方面.

水環(huán)境容量價值體現(xiàn)在水體能否滿足用戶的某種需求，如果能夠滿足，則表明其具有了環(huán)境價值;否則，則不具備環(huán)境價值.而用途和功能與環(huán)境規(guī)劃中設(shè)定的水質(zhì)目標(biāo)有關(guān)，根據(jù)設(shè)定的水質(zhì)目標(biāo)以及水體中污染物的現(xiàn)有質(zhì)量濃度，便可確定出允許向水體排放的污染物量，允許排放污染物量的差異決定了水環(huán)境容量價值的不同.

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平體現(xiàn)于人工應(yīng)對水環(huán)境污染的處理能力.進入水體中污染物去除效果與科學(xué)技術(shù)水準(zhǔn)或者說與廢(污)水治理技術(shù)發(fā)展水平的成熟程度密切相關(guān).污水處理技術(shù)越高，處理能力越大，效果越好，則污水的處理成本就越低.這種情況下，污水處理對水環(huán)境容量資源的需求量就會越少，其結(jié)果就是水環(huán)境容量資源價值不明顯.

環(huán)境治理需要資金的投入，這種資金投入往往受經(jīng)濟發(fā)展水平的影響.環(huán)境容量價值的評估也會受到經(jīng)濟發(fā)展快慢的影響，不同地區(qū)對環(huán)境改善效益的評估值不同，相應(yīng)的水環(huán)境容量價值也就存在差異.

綜上分析可以得出，水環(huán)境容量價值與自然因素、科技先進性、經(jīng)濟發(fā)展水平等諸多變量存在如下的函數(shù)關(guān)系

式中:VWEC為水環(huán)境容量的價值;Xn、Xs、Xe、Xt分別為自然、社會、經(jīng)濟、科技因素變量;t為時間變量.

1.2 水環(huán)境容量價值研究對象與方法

1.2.1 評估模型的選擇與分析

以哈爾濱松花江段的水環(huán)境容量價值為研究對象，全長432 km.

有研究表明，在確定環(huán)境容量價值中采用影子價格模型、線性規(guī)劃對偶理論法存在著一定缺陷［6］，為此，采用效益評價模型法進行松花江哈爾濱段水環(huán)境容量價值的研究.

在一個有限的時間范圍內(nèi)，對于一個區(qū)域或流域的環(huán)境容量，如果經(jīng)濟狀況、環(huán)境特征以及科學(xué)技術(shù)水平變化不明顯，可以將水環(huán)境容量價值公式化簡為

式中:V為水環(huán)境容量價值;q為河流(水庫)的流量;s為水質(zhì)目標(biāo);x為除q，s以外的其他因素.此時，水環(huán)境容量價值與時間無關(guān).

對式(1)進行全微分得

其他因素x可視為常量，故

假設(shè)流量q不變，則式(1)可進一步簡化為

對式(2)進行積分可得

式(3)表示環(huán)境容量價值隨水質(zhì)目標(biāo)s變化的函數(shù)關(guān)系式.因此，當(dāng)因素q不發(fā)生變化，而只有水質(zhì)目標(biāo)(s)發(fā)生改變時，V=f(q，s，x)表示為V=f(s).

而當(dāng)水質(zhì)目標(biāo)s不變時，可得到水環(huán)境容量價值隨流量q變化的函數(shù)關(guān)系式

1.2.2 效益評價模型的應(yīng)用

效益評價模型進行水環(huán)境容量價值的分析與估算的方法主要是在模型中將水環(huán)境容量具有的各種效能所體現(xiàn)的社會勞動量的減少作為效益計量值，并以貨幣當(dāng)量的形式進行估算.在估算中忽視了在保護水環(huán)境過程中投入的人力和物力的費用.該模型按照污水處理費用、水環(huán)境自凈作用帶來的經(jīng)濟效益以及環(huán)境改善所帶來的生態(tài)效益3部分進行水環(huán)境容量價值的估算［4］，然后將3部分加和作為總的環(huán)境容量價值，即

式中:V

1

為污水處理費用，是由于利用了水環(huán)境容量的納污能力而使水質(zhì)達到一定水體目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)省的污水人工處理費用;V

2

為水環(huán)境由于物理、化學(xué)與生物等自凈作用帶來的經(jīng)濟效益，即由于水環(huán)境容量的凈化作用使水質(zhì)改善而增加的對人類及自然環(huán)境的效益

［7-8］

;V

3

為環(huán)境改善所帶來的生態(tài)效益，是水環(huán)境依靠自身特性而滿足一定水質(zhì)生態(tài)功能所帶來的效益.

由于生態(tài)價值往往巨大，無法納入經(jīng)濟體系中，因此，本文水環(huán)境容量價值的研究范圍確定在污水處理替代價值和環(huán)境容量帶來的經(jīng)濟效益兩方面.

1)水環(huán)境容量價值替代污水處理的費用分析.水環(huán)境容量替代污水處理廠而表現(xiàn)出的環(huán)境容量價值采用等標(biāo)負荷量法確定.COD是污水處理廠主要考量的指標(biāo)之一，目前，對于地表水體環(huán)境容量研究也主要體現(xiàn)在COD環(huán)境容量的指標(biāo)上，因此，本文環(huán)境容量的研究主要是COD的環(huán)境容量價值，故水環(huán)境容量替代污水處理廠建設(shè)與運行的價值以COD為主要污染物進行分析.根據(jù)有機廢水處理所需費用與污水量的函數(shù)關(guān)系式［2］可計算出替代污水處理的環(huán)境容量價值.

式中:C為污水處理達到排放標(biāo)準(zhǔn)所需費用，萬元;Q為污水處理廠建設(shè)規(guī)模，kt/d;S為處理過程削減的各種污染物負荷量，107m3/a或106m3/a;k1、k2、k3為常數(shù)，k1的單位為萬元/(kt× 107m3)或萬元 /(kt×106m3)，k2、k3為無量綱因子，均為常數(shù).

式(4)中的S可由下式計算

式中:Si為削減第i種污染物的等標(biāo)負荷量，m3;n為處理污染物的種類數(shù);qi為第i種污染物削減的折純量，t;ρoi為第i種污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，mg/L.

等標(biāo)負荷量是以各種污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的等效性為基礎(chǔ)的污染物“量”大小的一種計算，等標(biāo)負荷量的單位是“m3水”或“t水”［9］.

對于含有機污染物為特征的廢水通常采用生化處理，生化處理工藝不同，COD的去除率有很大不同，范圍為33.0% ～90.5%.費用函數(shù)中各系數(shù)的取值如下:

生化法處理有機廢水的基建費用函數(shù)表達式為

等標(biāo)負荷量法計算的結(jié)果是污水處理廠的基建費用，與運行費用(運行費用通常為基建費用的10% ～30%)之和便可得到總的污水處理費用.

2)環(huán)境容量資源帶來的經(jīng)濟效益分析.哈爾濱市區(qū)的經(jīng)濟效益主要來自于水資源、管理、原材料、土地、資本、人力這6個方面，為確定每個資源帶來經(jīng)濟效益的差異，采用九標(biāo)度的層次分析法進行權(quán)重的計算，層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)因能處理許多用傳統(tǒng)技術(shù)無法解決的實際問題而得到廣泛應(yīng)用［10］.

按照層次分析法，首先構(gòu)建判斷矩陣(見表1).

表1 兩兩比較判斷矩陣的構(gòu)成［4］

對判斷矩陣計算出各要素的權(quán)重值，過程如下:

對各行元素進行幾何平均值計算，可得各元素的權(quán)重，即

對各元素的權(quán)重進行歸一化，求得各要素的權(quán)重系數(shù)，即

各要素幾何平均值及權(quán)重值計算結(jié)果見圖1、2.

圖1 各要素幾何平均值

圖2 各要素的權(quán)重值

一致性檢驗結(jié)果表明:該判斷矩陣的λmax=6.152，CI=0.0304，小于0.10，可見所選取的判斷矩陣是合理的，即權(quán)重系數(shù)的取值是合理的.

2 結(jié)果與討論

2.1 替代污水處理廠的價值(V1)結(jié)果與討論

松花江(朱順屯—東江橋江段)目前COD水環(huán)境容量為6338t/a［4］，折算為17t/d.假設(shè)污水處理廠受納入水的COD質(zhì)量濃度為250mg/L，污水處理廠出水質(zhì)量濃度要求為60mg/L，COD削減質(zhì)量濃度為190mg/L.采用污水處理廠方式進行治理，則需要建造的污水處理廠規(guī)模為9萬t/d，為便于計算，取10萬t/d污水處理廠進行相關(guān)分析.

同理，東江橋—大頂子山江段COD的水環(huán)境容量為47409t/a［4］，換算為130t/d.進水假設(shè)COD仍為250mg/L，但由于該江段為Ⅳ類水體功能，出水COD質(zhì)量濃度要求為100mg/L，COD削減質(zhì)量濃度為150mg/L.需要建設(shè)污水處理廠的規(guī)模為87萬t/d，在此選取90萬t/d.

為換算成每年的費用，取社會折現(xiàn)率為12%，污水處理廠的運行年限設(shè)為40a，40a后的折舊費為零，根據(jù)A=P×［i(1+i)n/((1+i)n-1)］［2］進行折現(xiàn)率計算.兩個江段水環(huán)境容量的污水處理替代價值計算結(jié)果如表2所示.

表2 污水處理替代價值V1計算結(jié)果

朱順屯—東江橋江段污水處理費用為3385萬元，折現(xiàn)后每年基建的投資費用為411萬元.運行管理費用為基建費用的10%～30%［11］，按照10%進行估算的管理費用為339萬元，則這一江段環(huán)境容量所能節(jié)省的污水處理廠的費用為750萬元/a.同樣可以得到，東江橋—大頂子山江段水環(huán)境容量所節(jié)省的污水處理廠的費用為5979萬元/a.

東江橋—大頂子山江段水環(huán)境容量為47409t/a，大于朱順屯—東江橋江段的水環(huán)境容量，因此，前者接納、同化、凈化COD的能力大于后者，可替代需要建設(shè)污水處理廠的規(guī)模也大于后者.兩者水環(huán)境容量的比值為7.48，替代污水處理廠的環(huán)境價值之比為7.9.表明水環(huán)境容量資源總量越大，其價值也越大.

2.2 環(huán)境容量資源帶來的經(jīng)濟效益價值結(jié)果與分析

目前哈爾濱市用水總計48.05億m3，供水來源中31.4%取自地下水，而占總供水量68.6%的水資源來自于地表水.地表水主要供水河流為松花江，年平均流量為473 m3/s，其他支流的總流量為83.73m3/s.本文的研究范圍為松花江哈爾濱段，其他支流產(chǎn)生的效益不在計算范圍內(nèi).松花江取水量按其流量比例計算的結(jié)果為85%.因此，水環(huán)境容量產(chǎn)生的經(jīng)濟效益中，有85%是由松花江哈爾濱段干流的水環(huán)境容量帶來的.

根據(jù)2008年年鑒，2007年哈爾濱和市區(qū)的主要經(jīng)濟指標(biāo)如圖3所示.

由于建筑業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)對水資源的依賴性相對較少，僅從農(nóng)業(yè)、林牧漁業(yè)、工業(yè)以及居民收入4方面對水環(huán)境容量的經(jīng)濟效益進行分析.

松花江哈爾濱段的用水量占總用水量的85%，水資源權(quán)重為0.12，由此得到的各類水體環(huán)境容量價值如表3所示.各功能水體環(huán)境容量帶來經(jīng)濟效益的百分比情況見圖4.

圖3 哈爾濱市2007年主要經(jīng)濟指標(biāo)構(gòu)成分布圖

表3 哈爾濱段各水體經(jīng)濟效益V2的計算結(jié)果

圖4 各功能水體環(huán)境容量帶來經(jīng)濟效益的百分比

3 結(jié)論

由圖4可知，松花江哈爾濱段Ⅱ、Ⅲ類水體水環(huán)境容量帶來的經(jīng)濟效益為34.83和48.02億元，Ⅲ類水體帶來的環(huán)境容量價值最大，約占總經(jīng)濟價值的51%;Ⅳ類水體水環(huán)境容量帶來的經(jīng)濟效益為11.32億元.哈爾濱松花江段水環(huán)境容量所產(chǎn)生的經(jīng)濟價值為94.17億元/a.

1)松花江哈爾濱段的水環(huán)境容量價值為94.84億元/a.其中，污水處理代替價值占總價值的0.7%，水環(huán)境容量帶來的經(jīng)濟效益占總價值的99.3%.可見，哈爾濱段水環(huán)境容量價值以水環(huán)境容量帶來的經(jīng)濟效益為主.

2)東江橋—大頂子山江段水環(huán)境容量大于朱順屯—東江橋江段，前者接納、同化、凈化COD的能力大于后者，可替代需要建設(shè)污水處理廠的規(guī)模也大于后者，表明水環(huán)境容量資源總量越大，其價值也越大.

3)松花江哈爾濱段Ⅱ類、Ⅲ類與Ⅳ類水體水環(huán)境容量帶來的經(jīng)濟效益分別為34.83、48.02、11.32億元，Ⅲ類水體帶來的環(huán)境容量價值最大，約占總經(jīng)濟價值的51%.哈爾濱松花江段水環(huán)境容量所產(chǎn)生的經(jīng)濟價值為94.17億元/a.

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