基于系統協調度的入河排污布設分區理論及應用

尹煒 李建 辛小康

摘要：我國河湖等地表水體仍存在入河排污口布局不合理，取水口、排水口犬牙交錯和相互影響等問題。而如何科學劃定排污分區，協調水資源保護與利用之間的關系，尚缺乏科學理論方面的指導，因此迫切需要建立入河排污布設分區理論。基于系統協調論基本思想，從目標、關系、規則、行為等方面構建了入河排污布設分區理論體系，提出了基于系統協調度函數的排污布設分區模型，并選擇漢江干流漢川段進行了典型案例分析。研究結果表明：基于系統協調度的入河排污布設分區理論可以從系統角度統籌考慮保護與發展、區域與區域、部門與部門、當前與長遠4個維度的協調關系。基于協調度函數的排污布設分區模型具有計算方便、結果準確等優點，可為入河排污口科學布局提供理論和方法指導。

關 鍵 詞：入河排污口; 布設分區; 系統協調度; 理論與應用

系統論是研究系統的結構、特點、行為、動態、原則、規律以及系統間的聯系，并對其功能進行數學描述的學科，最早由美籍奧地利理論生物學家貝塔朗菲在1932年提出，其基本思想是把研究和處理的對象看作一個整體系統來對待[1]。20世紀70年代，德國物理學家赫爾曼·哈肯教授在系統論基礎上發展了系統協調理論，提出系統相變過程是通過內部自組織來實現的，系統走向何種秩序和結構取決于系統在臨界區域時內部變量的協同作用，這種協同作用可以用協調度進行量度[2]。目前系統協調論被廣泛應用于社會-經濟，社會-環境，環境-經濟等發展模式的定量評價和預測工作中[3]。

系統協調論的思想在入河排污布局工作中具有很好的指導意義。入河排污布局問題實際上是一個流域整體性、關聯性、層次性和動態性都很強的多目標優化問題[4-7]，只有把系統論思維作為頂層設計的方法論，才能協調好保護與發展、區域與區域、部門與部門、當前與長遠之間的復雜關系。

入河排污布局是指科學劃分禁止排污、限制排污的水域，使取水、排污、漁業、生態保護等水體使用功能互相協調、互不影響，從而達到人水和諧。禁止排污和限制排污的概念是在國內水資源保護工作實踐中長期積累和發展形成的。2010年，長江水資源保護科學研究所編制的《三峽庫區水資源保護規劃》中最早提出了排污分區的概念，并對不同區域新設排污口提出了設置原則和要求[8]。2011年SL532-2011《入河排污口管理技術導則》中規定入河排污口管理單位應按照水功能區水質管理目標及限制排污總量控制要求，對區域入河排污口布局進行統一規劃，提出禁止、限制設置入河排污口的水域范圍。2011年，長江水資源保護科學研究所編制的《長江流域重點水功能區入河排污口布設規劃——金沙江攀枝花江段入河排污口布設規劃》中，在禁止排污區和限制排污區的基礎上，進一步將限制排污區劃分為嚴格限制排污區和一般限制排污區。隨后，禁止排污區、嚴格限制排污區和一般限制排污區的概念被納入《全國水資源保護規劃（2015～2030）》。2016年，水利部印發《長江經濟帶沿江取水口、排污口和應急水源布局規劃》，進一步細化了禁止排污區、嚴格限制排污區和一般限制排污區的分區方法。

目前，我國河湖等地表水體仍存在入河排污口布局不合理，取水口、排水口犬牙交錯和相互影響等問題[9-10]。入河排污口作為控制污染物入河的最后一道關口，在流域水資源保護管理工作中具有重要地位。如何科學劃定排污分區，協調水資源保護與利用之間的關系，尚缺乏科學理論方面的指導[11-12]，迫切需要建立入河排污布局分區理論。本研究將這套方法應用于入河排污布設分區研究工作中，使排污布局規劃具備了定量化分區手段。

1 基于系統協調度的入河排污布設分區理論

在系統思維的基礎上，統籌考慮多方面影響因素之間的協調關系，從目標、關系、規則、行為等方面構建了入河排污布設分區的系統協調理論架構（圖1）。

1.1 理論的思想內涵

基于系統協調度的入河排污布設分區理論的具體內涵可以描述為：以系統協調論為基本思想，以排污與水環境保護相協調為目標，從保護與發展、區域與區域、部門與部門、當前與長遠4個維度，綜合反映：① 現狀入河量與限排總量之間的污染負荷協調度;② 上下游左右岸出境斷面污染物現狀濃度與目標濃度之間的水質濃度協調度;③ 各類保護區等敏感水域的保護優先級協調度;④ 水功能區現狀水質達標率與限制納污紅線之間的協調度，按照判斷協調度優劣的規則，實現以水功能區為基本河段單元，以禁止排污區、一般限制排污區和嚴格限制排污區為主要組成的入河排污布局分區。

1.2 理論的結構組成

（1） 目標。入河排污布設分區的總體目標是實現排污與水環境保護相協調，具體可分解為保障水功能區水質達標、保障流域（區域）人民身體健康和生態環境，促進社會經濟和生態的可持續發展。

（2） 關系。入河排污布設分區理論的核心是分別從系統的整體性、相關性、層次性和動態性角度，協調保護與發展、區域與區域、部門與部門、當前與長遠4個維度的關系。其中，保護與發展的協調關系表現為現狀入河量與水功能區限排總量指標之間的約束關系，區域與區域的協調關系表現為上下游左右岸斷面水質現狀濃度和目標濃度指標之間的約束關系，部門與部門的協調關系表現為各部門管理下各類水體保護層級之間的約束關系，當前與長遠的協調關系表現為河段單元與區域水體整體水質不同階段達標率指標之間的約束關系。

（3） 規則。入河排污布設分區理論的規則是通過判斷協調關系中各維度要素之間的協調度優劣，進行入河排污布設分區。針對4個維度要素的約束指標與對應要素現狀值的關系，構建協調度曲線和系統協調函數，根據系統協調函數值確定入河排污布設分區。

（4） 行為。入河排污布設分區理論的行為是完成禁止排污區、嚴格限制排污區和一般限制排污區的劃分，這也是最終的協調結果。

2 基于協調度函數的排污布設分區模型

2.1 排污影響因素協調度曲線

根據入河排污布設分區理論框架，入河排污口的分區布局需要統籌考慮保護與發展統籌、區域與區域協調、部門與部門協同、當前與長遠平衡4個評價維度。結合目前我國水資源保護已有的工作基礎，選取確定了每個維度的量化評價指標（表1）。

2.1.1 污染負荷協調度曲線

對某一確定的水域而言，當污染物現狀入河量（Qp）小于水域納污能力（Qm）范圍時，水環境容量處于可承受的范圍，水域不會因容納污染物而出現質量嚴重下降的情況，仍可以新設入河排污口排放污染物以滿足社會經濟發展的需要，該水域排污協調度越高，其污染負荷協調度U（e1）接近1。當現狀入河量Qp大于等于水域納污能力Qm時，該水域已經不適合新增入河排污口，社會經濟要進一步發展，只能采取增產不增污，以新帶老等方式置換，該水域的污染負荷協調度小于0.37（即1/e）。可見，污染負荷協調度U（e1）隨Qp/Qm的增加而減小。若考慮多個水質指標，偏安全的角度而言，應選擇污染負荷協調度的最小值參與綜合協調度計算。入河排污口布設分區的污染負荷協調度曲線如圖2（a）所示。

2.1.2 污染物濃度協調度曲線

對于某一確定的水域而言，當出境斷面某污染物的現狀濃度C小于等于目標濃度Cs時，說明該水域的排污量小，水質狀況良好，未來可以新增排污口以滿足本區域經濟社會發展，污染物濃度協調度U（e2）較大。當出境斷面濃度大于目標濃度時，說明本水域已不適合新增排污口，需要適當關停排污口以減少排污量，此時U（e2）<0.5。若考慮多個水質指標，偏安全的角度而言，應選擇污染物濃度協調度最小值參與綜合協調度計算。入河排污口布設分區的污染物濃度協調度曲線如圖2（b）所示。

2.1.3 水域保護層級協調度曲線

我國水資源的不同屬性歸屬于不同部門管轄，因此針對同一水域往往會出現多種管理辦法。當同一水域面臨多種使用功能需求時，就需要考慮水域的保護層級。水域保護層級根據其保護立法效力來確定。法律對應的保護層級為最高級（第1級）、國務院行政法規對應的保護層級為第2級、部委規章和省級法規對應的保護層級為第3級、設區的地市州法規為第4級、設區的地市州規章為第5級、規范性文件和標準為第6級。法律法規及規范性文件明確指出不能設置入河排污口的水域，按照規定應視法律的效力等級確定水域的保護層級協調度。法律明確規定不能設置排污口的，其保護層級為第1級的，U（e3）=0;法律及規范性文件未明確規定不能排污的，U（e3）=1;其余根據法律條文的表述類推確定，一般情況下U（e3）=P/10，P為保護層級，各類型水域保護層級協調度可按表2進行量化區分。入河排污口布設分區的污染物濃度協調度曲線如圖2（c）所示。

2.1.4 納污紅線協調度曲線

以水功能區為基本評價單元，以地市級行政區（有條件的可細化至縣級行政區）為統計單位，對比區域水功能區水質達標率現狀和規劃年水功能區水質達標率之間的關系，評判該水域當前水質現狀與長遠水質保護的關系，從而達到當前與長遠的平衡。

對于某一確定的區域而言，當區域水功能區水質達標率E低于50%時，說明該區域水環境狀況特別差，不符合水環境保護的總體要求，該區域不應再增加入河排污口，此時納污紅線協調度U（e4）=0;當區域水功能區達標率E為50%至紅線目標值E0時，U（e4）線性增加，當區域水功能區達標率E為紅線目標值E0至100%時，U（e4）=1。入河排污口布設分區的納污紅線協調度曲線如圖2（d）所示。

3 漢江干流漢川段排污布設分區案例

3.1 研究區域概況

漢江干流漢川段自漢川市萬福閘至武漢市新溝鎮，河長79 km。根據《全國重要江河湖泊水功能區劃（2011～2030年）》，漢江干流漢川段的一級水功能區劃包括漢江仙桃、漢川保留區（54 km），漢江漢川開發利用區（25km）;其中，漢江漢川開發利用區又分為2個二級水功能區，即漢江漢川飲用水源、工業用水區（5 km）和漢江漢川工業用水、飲用水源區（20 km）。

本研究以2016年作為基準年，對漢江干流漢川段進行入河排污布設分區。研究江段的水質和污染物入河情況見表3。

根據調查，漢江干流漢川段COD現狀入河量為2 221.0 t/a，氨氮入河量為612.8 t/a，對應的水域納污能力COD為3 581.1 t/a，氨氮為298.5 t/a。

研究區域內，重要水環境敏感區有集中式飲用水水源地3處，分別為漢川市城區第二飲用水源地保護區、漢川市城區三水廠飲用水源地保護區、孝感市城區三水廠飲用水源地保護區;水產種質資源保護區1處，為漢江漢川國家級水產種質資源保護區。

3.2 入河排污布設分區結果

根據排污布設系統協調度函數計算結果，漢江干流漢川段共計劃分了5個禁止排污區，河長24.6 km;1個嚴格限制排污區，河長5 km;1個一般限制排污區43.5 km（見表4）。其中，漢江漢川段國家級水產種質資源保護區核心區江段以及3個集中式飲用水源保護區被劃為禁止排污區;漢江漢川工業用水、飲用水源區水質現狀不達標，氨氮超標，除去部分水域為禁止排污區以外，剩余5 km為嚴格限制排污區水域;其余江段被劃為一般限制排污區。

4 結 論

本研究基于系統協調論，提出了入河排污布設分區理論，并構建了排污布設分區模型，以漢江干流漢川段為典型區域，進行了案例分析，主要結論如下。

（1） 基于系統協調度的入河排污布設分區理論，從目標、關系、規則、行為等方面形成了一套完整的理論體系，該理論統籌考慮了保護與發展、區域與區域、部門與部門、當前與長遠4個維度的協調關系，為科學布局入河排污口提供了理論指導。

（2） 基于協調度函數的排污布設分區模型，利用排污影響因素協調度曲線，耦合了污染負荷協調度、污染物濃度協調度、水域保護層級協調度和納污紅線協調度，從方法論方面為排污布設分區理論提供了量化計算方法。

（3） 選取漢江干流漢川段，利用排污布設分區模型進行了系統協調度計算。根據計算結果，將漢江干流漢川段計劃分為5個禁止排污區、 1個嚴格限制排污區和1個一般限制排污區。從劃分結果來看，構建的排污布設系統協調度函數能夠較好地體現入河排污布設分區理論基本思想，同時能夠更方便更準確地完成入河排污布局。

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（編輯：黃文晉）