河流跨界水污染雙向補償定量化研究

朱 琪， 羅軍剛， 張 璇

(西安理工大學 西北旱區生態水利國家重點實驗室， 陜西 西安 710048)

河流作為水源的載體，它在為居民生活提供便利的同時，也支撐著工業生產，這就意味著排泄物和廢水會隨著生活和生產進入到水體中，污染物跨界傳遞給兩岸居民的正常生產生活帶來了不良影響，不利于區域經濟協調發展，嚴重影響著流域內區域之間的平衡穩定發展[1]。

隨著各地區的經濟發展、人口的逐年增加、跨市界水污染事件的頻繁發生，過度耗水和排污所引發的水環境問題愈發嚴重[2]。跨界斷面水質難以持續性達標，跨界水污染已經嚴重影響到生態環境的恢復和地區經濟的發展[3]。面對難以協調的跨界水污染糾紛，充分落實最嚴格水資源管理制度“三條紅線”的保障需求、積極響應流域區域之間橫向生態補償機制的實施、開展流域跨界水污染補償研究是十分必要的，而跨界斷面水質目標的責任經濟化則是水污染行政主體之間進行水污染補償的重要手段[4]。

流域的跨界水污染補償問題可看作一個相關行政主體利益關系的調整問題，補償行為是雙向的，應遵循“公平性原則”。跨界水污染補償分為水污染損失賠償和斷面水質達標受益性補償，前者是指超標斷面上游地區對下游地區進行賠償，后者是指達標斷面所在行政區對上游提供的優質水源進行反向補償，但是反向補償在實踐中總是被忽視[5]。當前，對于跨界水污染補償金的核算，國內較普遍的做法是通過斷面水質超標倍數或污染物通量估算方法來計算，兩種方法均未體現出上游相關區域的河道水體污染物對下游河道斷面水質的貢獻率，而河流上游污染物跨界傳遞會對下游造成不同程度的影響(此處的上游不僅僅是考核斷面的前一個河道水體，還包括從背景斷面至考核斷面的多個河道水體單元)；此外，斷面流量產生的影響和“雙向補償”的“公平性原則”也沒有被綜合考慮。若不將河道斷面流量納入補償考核條件，則會造成水質情況相似而流量不同的河道其補償金額一樣，這與實際情況出入較大、不夠嚴謹。水污染補償核算存在的諸多問題使得其應用難以落實，為了合理劃分和量化跨界水污染賠償責任，強化相關地區政府對水環境的保護職責，促進水質目標的實現，對水污染補償核算方法進行優化完善是當前亟待解決的問題。

針對傳統跨界水污染補償核算中存在的問題，本文先對河流污染物跨界傳遞影響程度進行量化，采用基于斷面污染物通量的成本處理方法[6,7](即綜合考慮河道斷面水質和流量因素的影響)，以渭河干流市界斷面水質是否達到水功能區要求為基準，基于水質模型建立河流污染物跨界傳遞影響的量化補償模型，通過計算得出某市區水體污染物對該斷面的水質超標/達標貢獻率，并量化相關區域對跨界斷面所在區域的水質的影響程度，結合貢獻率和水污染補償標準，計算出相關市區應該承擔/獲得的賠償量/補償量，從而落實跨界水污染補償責任，研究結果將對流域跨界水污染管控意義重大[8-10]。

1 河流污染物跨界傳遞影響量化補償的體系框架

從問題提出、定量理論和定量核算三個方面著手，進行體系框架的搭建。本文致力于為跨界水污染補償金的核算提供一種科學合理、易求解的方法，基于水污染損益核算所需的水質、水量等參數資料，結合研究流域水環境和水資源管理現狀，選擇合適的流域污染特征因子，建立標準化、條理化和實用化的河流污染物跨界傳遞影響的量化補償模型，其基本框架體系如圖1所示。

圖1 河流污染物跨界傳遞影響的量化補償基本框架體系圖Fig.1 Basic framework system diagram of quantitative compensation for transboundary transmission of river pollutants

1) 從水污染問題引發的利益沖突入手，地區利益沖突實則體現了行政主體權責不夠明晰，需要通過補償的方式加以調整，而補償難以落實主要是因為核算方法還不夠完善。

2) 理論基礎：主要包括基本概念的明確、補償核算方法的優化和模擬仿真三個方面。基本概念：跨界水污染補償分為水污染損失賠償和斷面水質達標受益性補償。雙向補償是指補償行為是雙向的，應遵循“公平性原則”，考慮到上游為水環境保護所作出的利益犧牲，應對上游進行補償[11]。補償核算方法優化：傳統的水污染補償核算沒有體現出上游水體污染物對下游河道斷面水質的貢獻率，且總是偏向水質因素帶來的影響。本文對河流污染物傳遞影響進行量化，得到相關行政區河道水體污染物對跨界斷面水質產生影響的不同程度；以河流干流跨界斷面是否達到水質目標為基準，納入斷面流量后，以斷面污染物通量是否超標為出發點，若上游水體污染物經過傳遞后造成出境斷面污染物通量超標，則以上游區域為補償主體；當上游區域完成污染物通量控制，使得出境斷面水質達標，則其為受償對象[4,9]。模擬仿真：通過數值模擬和實例仿真進行水污染補償金的核算。

3) 定量核算：主要包括建立控制方程，劃分研究流域的計算單元，選擇補償因子和計算時段，確定模型參數等；以渭河干流為例，驗證量化補償模型。

2 河流污染物跨界傳遞影響的量化補償模型

2.1 控制方程

本文通過水質模型來計算水污染跨界傳遞影響程度，模型僅考慮河流干流上污染物傳遞的沿程變化，并假定污染物在研究河段充分混合，且污染物總體呈現衰減趨勢(本文只針對中小型河流，即污染物能夠很快混合均勻并達到整個斷面)，故可用一維河流水質模型的基本方程作為控制方程[12]：

(1)

式中：C0為河段上斷面污染物濃度，mg/L；Cx為河段下斷面污染物濃度，mg/L；x為上、下斷面間的距離，km；u為設計流量下的河段平均流速，m/s；k為污染物衰減系數，1/d。

以跨界斷面水質目標為標準來判斷水質是否達標，將出境斷面所在年份的月平均濃度與水質目標Cg的差值作為變量，代入一維水質模型，進而得到傳遞影響情況，如下三角增廣矩陣B所示，其中某一列的各項指標代表上游某行政單元水體年內月水質超標量/達標量對下游斷面的影響程度和規模，而某一行上的各項指標則為某斷面水體污染物受上游和本行政單元水質超標量/達標量的影響大小。

(2)

每一行中，某行政單元的水體污染物對該河道斷面水質的貢獻率為：

(3)

(4)

跨界水污染補償的主要原理為：當出境斷面的污染物實測濃度超過目標濃度時，或者說跨界斷面的污染物通量超過標準限值通量時，結合流量、污染因子執行標準及跨界斷面水質超標/達標貢獻率等，確定超標補償金額，故跨界水污染補償模型，即單因子水污染補償金的計算方法為[4]：

BO=WcgijMO=[(Cy-Cg)QO]gijMO

(5)

式中：BO為行政單元水污染月補償金，元；Wc為行政單元水污染因子當月的污染物通量與標準通量的差值，mg/s，當其為正值時，表示上游行政單元出境斷面實測水質超過目標水質的污染物排放量，則該行政單元向下游行政單元進行賠償；當其為負值時，表示上游行政單元為水質保護作出了貢獻，那么斷面所在行政單元向上游進行補償；Cy為行政單元出境斷面所在年份的實測月濃度，mg/L；Cg為行政單元出境斷面的目標濃度，mg/L；QO為行政單元出境斷面的月總徑流量，m3；MO為行政單元污染因子補償標準(以單位污染物處理成本為依據)，元/mg；gij表示上游相關行政單元的水體污染物對下游河道斷面水質的超標/達標貢獻率，%。

該補償公式引入了水質超標/達標貢獻率，充分考慮了水污染傳遞影響程度，體現了上游河道污染物對下游斷面的水污染貢獻占比，使得責權劃分更加細致。如需考核多因子指標，則可將所有單因子計算結果進行匯總，即可得到每個斷面所在行政單元或上游行政單元的最終水污染補償金。本文的資金補償以縱向財政轉移支付為主，即補償主體向上級行政部門上繳補償金，具體方式為各水污染補償考核行政區政府將補償資金繳扣給上一級財政部門，并由其進行資金的下一步分配轉移[13]。

2.2 計算單元劃分

河流控制斷面的選取對水污染傳遞影響研究十分重要，考慮到污染物的衰減程度(要盡量利用河流自凈能力)以及方便控制河流水質，合理地選擇河段長度。計算單元的劃分需充分考慮市區的重要工業區、生活區和用水取水區的位置分布，以及控制斷面是否具有代表性、水文資料易獲取性等。

2.3 補償因子和時段選擇

由于河流污染因子較多，實際研究中可根據主要特征選擇污染因子，選取的污染因子應最能體現研究河流的污染程度，能較好地代表河流的水環境質量。在我國，水文站對流量的測量間隔最小為日，但水質監測站一般是月多次測量取平均，而資金補償一般是以年為限，故本文對跨界水污染補償金的核算以月為時段，最后匯總到年。

2.4 模型參數確定

1) 背景濃度和下斷面濃度的確定

若初始斷面受上游居民生活和生產的影響較小，年內濃度變化非常小，則可將其實測污染物濃度年平均值當作起始背景濃度，根據上一個河道單元運算出的斷面水質濃度來確定下一個計算單元的背景水質濃度，即將上一個河道單元的水質濃度帶入一維水質模型計算出衰減后的濃度，并結合下一個河道單元的實際月平均濃度進行確定[9]。

2) 污染物衰減系數k的確定

污染物衰減系數k能夠體現污染物在水中經物理、化學、生物反應后降解速率的大小，目前常用的方法有實測資料推算法、水團示蹤法、最小二乘模擬法和分析借用法，實際使用中可將幾種方法相結合，從而更加全面地確定最終值[14-16]。

3) 設計流量和流速的確定

在河流污染物跨界傳遞影響模擬計算中，設計流量和設計流速的確定至關重要。選擇能代表流域區間水域特征且資料較為完整的水文站(某些缺少水文資料的斷面可參考鄰近水文測站的流速)，收集所需年份的流量、流速實測資料，建立流量～流速關系曲線，并擬合得到經驗公式，計算分析設計流量下的斷面平均流速[17]。

流量～流速關系式為[18]：

u=aQb

(6)

式中：u表示斷面平均流速，m/s；Q代表流量值，m3/s；a、b是待定系數。

3 實例應用

本文以渭河關中段為例進行模擬驗算，通過計算2017年渭河干流市界斷面的超標量/達標量的傳遞值，結合補償標準，從而得到水污染補償金，可為水污染補償資金的核算提供一種具體方法。目前，生態補償標準的測算還沒有統一的規范，需要綜合考慮各流域地區的實際水源、環境和經濟等各種因素，本文以單位污染物處理成本為補償標準。

3.1 計算單元劃分

本文以渭河干流污染物跨市界傳遞為例進行實例驗證。研究區域為關中地區，河流途經寶雞市、楊凌區、咸陽市、西安市和渭南市，研究河段總長度為388.1km，寶雞市與楊凌區的交界斷面有湯峪入渭，該斷面受上游居民生活和生產的影響較小，故將該斷面作為計算背景斷面。本次研究采用節點劃分法，以渭河干流市界斷面為節點，斷面區間作為計算單元，一直到入黃口斷面，共計4個計算單元。該劃分方式能更好地進行跨市區污染程度和范圍的定量研究以及多市區跨界污染責任的劃分，從而能以“補償”的方式調節相關地區的利益關系。單元劃分情況如表1和圖2所示。

表1 河道計算單元劃分表Tab.1 Division table of river calculation unit

圖2 水質研究斷面位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the location of the water quality research section

3.2 補償因子選擇與各水文站濃度

由渭河干流多年來的水質評價結果可知，其特征污染因子是COD和NH3-N，這兩種污染因子最能體現渭河的污染程度，故本次研究選擇COD和NH3-N作為補償因子。搜集整理2017年渭河干流各水文測站各月的COD、NH3-N平均濃度，如表2所示。

表2 2017年渭河干流各水文站COD、NH3-N月平均濃度Tab.2 Monthly average concentration of COD and NH3-N in hydrological stations on the main stream of the Weihe River in 2017

3.3 模型參數的確定

1) 背景濃度的確定

由于渭河干流寶雞市出境斷面(湯峪河入口)受上游居民生活和生產的影響較小，補償因子年內濃度變化非常小，故可將其實測污染物濃度年平均值當作起始背景濃度。

2) 污染物衰減系數k的確定

文獻[19]分枯水期、豐水期和平水期對渭河干流污染物衰減系數進行了計算，各期計算結果相差很微小。本文結合渭河流域的實際情況，并考慮到此次水污染傳遞影響計算是以月為尺度進行研究，故借鑒文獻[19]的研究成果，得到污染物衰減系數k的取值，如表3所示[19]。

表3 2017年渭河干流各水文站月污染物衰減系數Tab.3 Monthly pollutant attenuation coefficients of hydrological stations on the main stream of the Weihe River in 2017 單位：d-1

3) 設計流量和流速的確定

此次研究在渭河流域上、中、下游分別選取林家村、咸陽和華縣三個水文測站作為研究對象，魏家堡水文測站參考上游的林家村測站，臨潼測站參考咸陽測站。為了減小河道演變帶來的影響，選擇2015年3日一測的流量、流速實測資料，根據式(6)得到流量(Q)～流速(V)關系式，如表4所示。

表4 流量流速函數關系式Tab.4 Flow velocity function relation

搜集整理2017年渭河干流各水文測站各月平均流量，將其作為設計流量代入經驗公式，從而得到各月平均流速，如表5和表6所示。

表5 2017年渭河干流各水文站月平均流量

表6 2017年渭河干流各水文站月平均流速Tab.6 Average monthly flow velocity of hydrological stations on the main stream of the Weihe River in 2017 單位：m·s-1

3.4 計算結果展示與分析

查閱《中國城鎮污水處理廠匯編》等相關資料，根據渭河流域的實際情況，以單因子水污染補償金來計算，COD或NH3-N的補償執行標準分別為3 500元/t、4 375元/t[8]，而水污染補償金為各單因子補償資金之和[7]。

由于水質監測站一般是每月多次測量取平均，故本文先計算各月的水污染補償金，再匯總到全年。

以跨界斷面水質目標為標準來判斷水質是否達標，將出境斷面所在年份的月濃度與水質目標Cg的差值作為變量，代入式(1)，進而得到2017年1月的COD傳遞情況，如表7所示。

表7 2017年1月渭河干流市界斷面COD傳遞情況Tab.7 COD transmission in the city boundary section of the Weihe River in January 2017 單位：mg·L-1

繼續代入式(3)，可得相關行政單元的超量/達標排放對斷面的水質超標/達標貢獻率，如表8所示。

表8 2017年1月渭河干流市界斷面COD超標/達標貢獻占比情況Tab.8 Proportion of COD exceeding/reaching the standard in the city boundary section of the Weihe River in January 2017

根據式(5)，可繼續算出2017年1月的COD跨界水污染補償金，由此可匯總算出全年的COD補償金。受篇幅所限，本文只展示兩因子全年的匯總結果。表9和表10分別是水污染因子COD和NH3-N一整年的跨界水污染補償金計算結果，表11為全年污染物跨界水污染補償金。

表10 2017年渭河干流市界斷面NH3-N補償金Tab.10 NH3-N compensation for the city boundary section of the Weihe River in 2017 單位：萬元

表11 2017年渭河干流市界斷面跨界水污染補償金Tab.11 Compensation for cross-border water pollution in the boundary section of the Weihe River in 2017 單位：萬元

水污染損失賠償是指超標斷面上游區域應繳納的水污染補償金額(正值)，水質達標受益補償是指達標斷面所在市區因該斷面上游提供優良水質而給予的補償(負值)，也就是說，由于上游提供了優良水質，使得下游有更多的水環境容量，故下游對上游進行補償，補償金通過省財政廳進行轉移分配。如表11第三行，漆水河口是西安市的斷面，相當于西安市要給寶雞市補償3 130.41萬元，楊凌區要給西安市和咸陽市(湯峪入渭-漆水河口段涉及這兩個市區，按左右岸比例劃分賠償量)賠償258.28萬元，西安市和咸陽市自己承擔1 052.15萬元；第四行咸陽鐵路橋斷面在咸陽市和西安市交界處，則咸陽市和西安市應給寶雞市補償6 111.55萬元，按排污比例進行分配，楊凌區對咸陽市和西安市(湯峪入渭-漆水河口段涉及這兩個市區，按左右岸比例劃分賠償量)賠償585.56萬元，咸陽市和西安市(湯峪入渭-漆水河口段涉及這兩個市區，按左右岸比例劃分賠償量)按左右岸排污比共同承擔2 385.39萬元；第五行零河入口在西安市和渭南市的交界處，西安市對寶雞市和咸陽市分別補償8 223.37萬元、12 302.10萬元，楊凌區對西安市賠償842.19萬元，咸陽市和西安市(湯峪入渭-漆水河口)自己承擔3 430.84萬元；第六行入黃口斷面在渭南市，則渭南市應對寶雞市補償5 637.31萬元，對咸陽市和西安市共補償8 230.68+853.61+2 994.34萬元，楊凌區、西安市和咸陽市(漆水河口-咸陽鐵路橋、咸陽鐵路橋-零河入口涉及這兩個市區，按左右岸比例劃分賠償量)分別對渭南市賠償482.45、1 965.34萬元。

4 結 語

本文從河流污染物跨界傳遞影響的量化補償需求出發，遵循“公平性原則”，綜合考慮了河道斷面水質和流量兩種因素，并將河流上游污染物跨界傳遞對下游造成不同程度的影響納入補償考核條件，提出了河流污染物跨界傳遞影響的量化補償方法及體系框架，以渭河干流為例進行量化補償模型的驗證，通過計算得到了上游相關市區的水體污染物對下游河道斷面水質的貢獻率，客觀地界定和量化了補償主體對受償對象的水污染賠償責任，即核算出了相關市區應獲得/承擔的補償量/賠償量。實例檢驗結果表明，所核算的補償金基本能反映流域水環境質量特征，且可同時核算多種污染物，對污染型河流污染物跨界傳遞影響的量化補償核算有較強的適應性，為流域跨界水污染補償的損益核算提供了一種科學嚴謹、實踐性強和公平合理的方法，對流域跨界水污染補償的落實具有重要參考作用。