杭州灣海域污染物減排量計算＊

楊耀芳，蔣曉山，劉 蓮，蔡燕紅，王曉波

（1.國家海洋局寧波海洋環境監測中心站 寧波 315040；2.同濟大學環境科學與工程學院 上海200092；3.國家海洋局東海分局 上海200137）

杭州灣海域污染物減排量計算＊

楊耀芳1，2，蔣曉山3，劉 蓮1，蔡燕紅1，王曉波1

（1.國家海洋局寧波海洋環境監測中心站 寧波 315040；2.同濟大學環境科學與工程學院 上海200092；3.國家海洋局東海分局 上海200137）

文章根據杭州灣的特點，設計了3個污染物減排方案，以2008年入杭州灣的總磷源強為基礎數據，采用層次分析方法對杭州灣總磷污染物進行權重計算，根據磷酸鹽和總磷的換算因子，換算成磷酸鹽的分配權重，對磷酸鹽減排削減量進行分配，最后通過數值模擬，比選最優的磷酸鹽減排方案。結果表明：方案1為最優方案，根據最優方案計算杭州灣近期磷酸鹽的減排削減量總共為298.45t／a。

磷酸鹽；層次分析法；權重；分配

我國于20世紀70年代后期引入環境容量的概念，并開始了水環境容量的研究［1］。水環境容量的估算及其在各污染源或區域之間的分配是水污染總量控制的基礎和核心［2］。我國正處于由目標總量控制向容量總量控制的過渡時期。該時期的顯著特征之一是現有排污量大于環境容量，因此環境容量的配置過程實質上是在現有排污基礎上確定排污量削減方案的過程，其核心任務是確定各個區域排污量削減的比例［3］，這過程就涉及削減量分配的問題。

在分配中應尊重公平和效益的原則，充分反映水環境容量分配的社會性、經濟性和歷史性，以保證實際的可操作性［4］。層次分析法就是基于公平和效益原則的一種方法，由美國運籌學家T.L.Saaty于20世紀80年代提出，他是一種定性與定量分析相結合的多目標分析方法，它將決策者對復雜對象的決策思維過程系統化、模型化和數學化，可將決策者就不同環境行為水平對實現分目標的重要性判斷通過判斷矩陣進行量化，從而得出不同的環境行為水平對于削減目標的組合權重［1］。層次分析法在國內也有研究，如李如忠等［5］利用層次分析法進行合肥市區域水污染物排放總量的分配，馮普林等［6］利用層次分析法對陜西省黃河流域許可水量進行分配，王小軍等［7］利用層次分析法對石羊河流域初始水權進行分配研究。本研究建立了層次結構模型并對總容量削減分配進行計算。

磷屬于親生物元素，是構成海洋初級生產力的基礎物質之一。在許多沿海海域，由于水體中的氮磷原子比高于生物最適生長的Redfield比值，而使磷同時又成為該海域初級生產力乃至于赤潮發生的限制因子［8］。因此，選取磷酸鹽作為研究的減排對象，對保護杭州灣生態具有現實意義。

杭州灣海域活性磷酸鹽污染十分嚴重，灣內各處活性磷酸鹽濃度基本都在0.05mg／L以上，個別高濃度區域甚至超過0.08mg／L，這導致我們在使用線性規劃方法并按照最大剩余容量原則進行估算時，無法得到最優解，所以現狀情況下杭州灣海域的磷酸鹽水環境容量已經沒有了。要使水質得到改善，必須大幅削減污染物排放源強。當然，污染物削減得越多越好，但實際操作中，削減100%不具可操作性，所以按各縣（市、區）組合權重分配容量結合近期目標，用層次分析模型分析總磷總量削減源強10%的減排技術進行論述，并對設計的方案進行比較，得出最優的減排方案。通過減排使得杭州灣海域污染物排放得到有效的管理和控制，海洋生態環境的惡化趨勢得到初步遏制和改善，生態系統得到一定程度的恢復，海洋開發活動逐步規范，產業結構逐步優化，基本實現杭州灣海洋生態環境的有效保護和社會經濟的可持續發展。

1 研究材料和方法

1.1 研究區域和數據采集

杭州灣海域位于浙江省北部、上海南部，東臨舟山群島，西有錢塘江、曹娥江等注入。杭州灣地跨浙江、上海兩省市，呈V形分布，沿岸主要包括上海、嘉興、杭州、紹興、寧波等地區，其北岸主要有上海的南匯區、奉賢區、金山區和嘉興的平湖市、海鹽縣、海寧市，南岸主要有杭州的蕭山區、紹興市的紹興縣、上虞市和寧波的余姚、慈溪、鎮海等。

以2008年為基準年，統計杭州灣海域沿岸各縣（市、區）現有的總磷污染物排放量、自然資源、經濟發展和社會發展資料。對2008年杭州灣沿岸各污染源進行估算，污染物排放總量約為319 765.4t／a。其中，工業污染源貢獻率最大，約占總量的35.58%；其次為畜禽養殖，約占總量的26.94%；第三為農業面源和生活污染，分別占19.72%和18.11%；漁業養殖最小，約占總量的1.64%。其中總磷的排放量為3 995.68t／a［9］。

1.2 污染物減排方案

污染物減排方案設計總體思路是：進行杭州灣沿岸縣（市、區）劃分，從環境、資源、經濟、社會和污染物排放濃度響應程度等指標考慮設計分配方案，計算出各方案杭州灣縣（市、區）的總磷分配權重，根據磷酸鹽和總磷的換算因子，換算成磷酸鹽的分配權重，計算分配結果，再通過數學模型檢驗該方案的污染物濃度分布特征，進而確定最終分配方案。

層次分析法的關鍵點在于層次結構和指標的建立。在指標的選擇上，參考樂清灣［10］考慮環境、資源、經濟、社會等4個指標，同時把環境自然凈化指標的影響考慮進來，因此本研究設計3個方案。

方案1：層次分析體系設計兩層結構，未納入污染物排放濃度響應程度（既污染衰減系數）。第一層指標為現有的污染物總排放量、自然資源、經濟發展和社會發展等4個方面。第二層指標為縣（市、區）的各個指標，具體見圖1。

圖1 方案1污染物分配指標體系框架

方案2：層次分析體系設計3層結構，納入污染物排放濃度響應程度（既污染衰減系數）。在方案1的基礎上，將污染衰減系數和社會指標系數作為第一層指標；第二層的指標為污染物排放濃度響應程度倒數、現有的總磷污染物排放量、自然資源、經濟發展和社會發展；第三層次為縣（市、區）的各個指標，具體可見圖2。

圖2 方案2污染物分配指標體系框架

方案3：層次分析體系設計二層結構，納入污染衰減系數。

第一層為污染衰減系數、污染物總排放量、自然資源、經濟發展和社會發展等5個方面，第二層為各縣（市、區）的各個指標，具體見圖3。

圖3 方案3污染物分配指標體系框架

1.3 計算方法

（1）層次分析法（The analytic hierarchyprocess，AHP）是一種定性與定量相結合的多目標決策分析技術，其基本原理是將待評價或識別的復雜問題分解成若干層次，由專家或決策者對所列指標通過重要程度的兩兩比較逐層進行判斷評分，利用計算判斷矩陣的特征向量確定下層指標對上層指標的貢獻程度或權重，從而得到最基層指標對于總體目標的重要性權重排序。層次分析以其系統性、靈活性、實用性等特點特別適合于多目標、多層次、多因素和多方案的復雜系統的分析決策。

層次分析法首先建立層次結構和指標。以方案1為例，以縣（市、區）減排分配量為目標層A，環境、資源、經濟、社會指標分別為準則層N的指標Ni（i＝1－4），工業、農業、生活、海水養殖排污分別為子準則層P的子指標P1，P2，P3，P4，從屬于N1；鄉鎮面積、海岸線長度分別為子準則層P的子指標P5，P6，從屬于N2；工業、農業、服務業產值分別為子準則層P的子指標P7，P8，P9，從屬于N3；人口、排污效益、勞動生產率別為子準則層P的子指標P10，P11，P12，從屬于N4。

（2）基于專家賦權的AHP法。根據對專家的問卷調查，確定同層指標權重，由此可以確定子準則層的所有子指標相對于總目標層的權重，并根據各縣（市、區）的各指標信息，可以計算其對不同指標的貢獻率，從而可以確定各個縣（市、區）的排污分配權重。

（3）基于平均權重的AHP法。考慮到某些指標與同層的指標有相同重要的作用，考慮將同層的各個指標權重平均化的一種方法。

2 結果與討論

2.1 權重的確定

2.1.1 方案1

本方案層次分析體系設計兩層結構：第一層通過專家咨詢確定各層次各指標的權重；第二層利用層次分析法計算權重，確定杭州灣沿海各縣（市、區）總磷減排削減量分配指標權重（表1）。

表1 杭州灣沿海各縣（市、區）總磷減排削減量分配指標權重

方案1杭州灣沿海各縣（市、區）總磷減排削減量分配組合權重計算結果見表2。

表2 杭州灣沿海各縣（市、區）總磷減排削減量分配組合權重分配

續表

2.1.2 方案2

該方案層次分析體系設計三層結構：第一層采用平均權重法分配第一層次權重；第二層仍通過專家咨詢確定各層次各指標的權重；第三層次通過層次分析計算該層權重，杭州灣沿海各縣（市、區）總磷減排削減量分配指標權重見表3。

表3 杭州灣沿海各縣（市、區）總磷減排削減量分配指標權重

方案2杭州灣沿海各縣（市、區）總磷減排削減量分配組合權重計算結果見表4。

表4 杭州灣沿海各縣（市、區）總磷減排削減量分配組合權重分配

續表

2.1.3 方案3

本方案層次分析體系設計二層結構：第一層采用平均權重法來計算權重；第二層利用平均權重法計算權重。

杭州灣沿海各縣（市、區）總磷減排削減量分配指標權重見表5。

表5 杭州灣沿海各縣（市、區）總磷減排削減量分配指標權重

方案3杭州灣沿海各縣（市、區）總磷減排削減量分配組合權重計算結果見表6。

表6 杭州灣沿海各縣（市、區）總磷減排削減量分配組合權重分配

續表

2.2 源強減排削減量分配

本研究前半部分污染源強的估算是針對總磷的，通過分析計算已得出總磷的權重，若能確定總磷和活性磷酸鹽間的換算系數，就能得到磷酸鹽的權重。但在排放的污染源中，活性磷酸鹽占總磷的比例受各種因素的影響而變化，因此難以確定。在海水中，磷類營養鹽的存在形式與物質過程十分復雜，海水中磷類營養鹽的各種形式占總磷的比例一直沒有令人信服的研究成果。黃自強等在長江口的研究認為水體中無機磷約占總磷的20%［11］，但杭州灣與長江口的條件不一樣，不能直接引用。

對于杭州灣總磷和活性磷酸鹽之間的換算系數，可通過2006年和2007年杭州灣生態專項監數據，統計得到總磷和活性磷酸鹽在水體中的濃度的比值，綜合統計得到磷酸鹽與總磷的源強及水體中濃度值的比值取0.747［9］，根據此換算系數可得到磷酸鹽的權重。

通過計算杭州灣磷酸鹽已無容量。污染源需要削減，當然污染物削減的越多越好，但實際操作中，削減100%不具可操作性，所以本研究按各縣（市、區）組合權重分配容量結合近期目標，計算磷酸鹽總量削減10%時的容量分配結果。各方案各縣（市、區）磷酸鹽源強削減量分配見表7。

表7 磷酸鹽源強削減量分配t／a

2.3 削減分配方案的比較

將各縣（市、區）的磷酸鹽原有統計源強減去表7中的磷酸鹽源強削減量后，進行磷酸鹽濃度分布數值模擬計算，磷酸鹽各方案濃度超標面積及百分比見表8，從濃度超標面積及百分比來看，3個方案差別不是很大。

表8 磷酸鹽各方案濃度超標面積及百分比（總面積：5 396.71km）

由表8可以看出，3個方案的計算結果，杭州灣內所有海域磷酸鹽濃度均超過0.030mg／L，3個方案計算結果相近，方案2和方案3超過0.045mg／L的海域面積為全杭州灣海域的86.82%和86.81%，超過0.060mg／L的海域面積為全杭州灣海域的22.34%和22.36%，方案1略顯優勢，超過0.045mg／L的海域面積為全杭州灣海域的86.75%，超過0.060mg／L的海域面積為全杭州灣海域的22.31%。表8顯示結果亦同表7相同，各個方案控制點磷酸鹽計算濃度全潮平均值都十分接近，各方案中控制點全潮平均計算濃度均嚴重超標，與控制點標準濃度百分比都超過100%。綜合考慮容量分配及各方案分配計算結果，確定方案1為最優分配方案，見表7中方案1。杭州灣近期磷酸鹽的減排削減量總共為298.45t／a。

3 結論

①對杭州灣沿岸縣（市、區）劃分，從環境、資源、經濟、社會和污染物排放濃度響應程度等指標考慮設計了3個分配方案：方案1未考慮污染物排放濃度響應程度，層次分析體系設計兩層結構；方案2考慮污染物排放濃度響應程度，層次分析體系設計3層結構；方案3考慮污染物排放濃度響應程度，層次分析體系設計兩層結構。②對3個方案的權重計算和減排削減量的分配，各個縣（市、區）在3個方案中除去慈溪市外其他縣（市、區）分配量變化比較小。③將各縣（市、區）的磷酸鹽原有統計源強減去表7中的磷酸鹽源強削減量后，進行磷酸鹽濃度分布數值模擬計算，得到其濃度超標面積及百分比計算的結果。表明杭州灣內所有海域磷酸鹽濃度均超過0.030mg／L，3個方案計算結果相近，方案1、方案2和方案3超過0.045mg／L的海域面積為全杭州灣海域的86.75%、86.82%和86.81%，超過0.060mg／L的海域面積為全杭州灣海域的22.31%、22.34%和22.36%，確定方案1為最優方案。④總量削減10%時，最優分配方案為方案1，表明污染物排放濃度響應程度（既污染衰減系數）在縣（市、區）消減量分配中影響不明顯。⑤根據最優方案計算杭州灣確定了近期磷酸鹽的減排削減量總共為298.45t／a，慈溪市削減減排分配量最少為9.24t／a，慈溪市削減減排分配量最多為50.39t／a。

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入海污染物總量控制和減排技術集成和示范（200805065）；象山港海域海洋環境質量綜合評價方法研究［DOMEP（MEA）－03－02］；寧波市專項資金項目——象山港污染物總量控制及減排試點示范.