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流域水污染物总量分配模型研究 薛佳徐明德阎正坤 太原理工大学环境科学与工程学院， 太原 030024 摘要 为了改善水环境质量， 从便于行政管理角度出发， 对流域水污染物总量分配主线和分配模型进行研究， 提出以流 域行政区污染源作为总量分配主线， 确定分配权重， 建立分配指标体系， 运用 Delphi- AHP、 基尼系数法和等比例 分配法， 建立流域行政区污染物最大允许排放量分配及调整模型， 行政区污染源现状削减量分配模型， 并以晋城 市丹河流域为案例， 对建立的总量分配模型进行实例研究。 关键词 流域污染物总量分配; 最大允许排放量; 现状削减量; Delphi- AHP 法; 基尼系数法; 等比例分配法 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201403030 ＲESEAＲCH ON TOTAL POLLUTANT LOAD ALLOCATION MODEL FOＲ ＲIVEＲ BASIN Xue JiaXu MingdeYan Zhengkun College of Environmental Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024， China AbstractIn order to improve the water environment quality and ease of administration，the total amount allocation mainline and allocation model of water pollutants in a watershed had been researched． Ｒiver district- administrative region- pollution source was put forward as total amount allocation mainline，the weight of allocation were determined，and index system of allocation was established． The of Delphi- AHP、 Gini Coefficient and Equod Proportion had been used to establish the allocation and adjustment model of the maximum permissible discharge of water pollutants in the river district- administrative region，and the model of current reduction distribution in the administrative region- pollution source． The total amount allocation model had been researched with the study object of Dan Ｒiver in Jincheng． Keywordstotal load allocation of the river;maximum permission emission;the current abatement amount;Delphi- AHP; Gini coefficient;equal proportion 收稿日期 2013 －05 －29 0引言 2011 年中国环境状况公报显示我国七大水系都 遭受到不同程度的污染。为遏制水质恶化和改善水 环境质量， 对江河流域实行水污染物总量控制具有现 实意义。实行总量控制的核心是将污染物允许排放 量合理分配到各控制单元［1- 2 ］。目前总量分配方法大 致有 费用最小分配、 等比例分配法、 按贡献率削减排 放量分配 ［3 ］， 这些方法存在一定的不公平性， 导致分 配结果与目标间存有差距［4- 5 ］， 且没有考虑到排污者 的满意度 ［6 ］。我国现行水污染监管体制是统一监督 管理与分级、 分部门监督管理相结合， 故水污染物总 量在行政区的分配至关重要。不同行政区在经济、 资 源、 环境和管理等方面具有差异［7- 8 ］且排污总量系统 具有不确定性 ［9 ］， 需要在选择计算方法时考虑各行 政区的独特因素 ［10 ］。本研究以丹河流域为例， 建立 基于 Delphi- AHP 法 ［11 ］和基尼系数法［12 ］的水污染物 总量分配及调整模型， 通过计算， 为流域水环境保护 管理提供参考依据。 1建立模型 1. 1确定总量分配主线 根据流域的自然特征、 行政管理类型和污染物排 放特点， 将子流域、 行政区和污染源作为总量分配的 控制单元。控制单元便于行政管理并具备完整的区 域信息， 故确定分配主线为 流域行政区污染源， 包含流域行政区、 行政区污染源两步。 1. 2计算总量目标 流域行政区和行政区污染源的总量目标分 621 环境工程 Environmental Engineering 别是污染物最大允许排放量和现状削减量。 最大允许排放量 WD 指区域内河段的实际水环 境容量与点源 工业污染源、 城镇生活污染源 平均 入河系数之比， 按式 1 计算 WD∑ n i 1 WＲi 珔 β i i 1， 2， ， n 1 式中 WＲ为研究河段实际水环境容量;珔 βi为第 i 河段 点源平均入河系数， 工业源取 0. 8， 城镇未处理生活 污水取 0. 6; n 为控制节点划分河段数量。 现状削减量 WP 指点源现状排放量超出最大允 许排放量的量。由污水处理厂处理后达标排放的污 水可不做削减， 按式 2 计算 WP QI Ncαcβc－ WMaxD 2 式中 QI为工业污染源的污染物入河量， t/a; Nc为控 制区内未接入城市污水管网的人口数， 人; βc为城市 生活污染物入河系数， 取值 0. 6 ～1. 0; αc为城镇生活 排污系数， g/ 人 d 。 1. 3流域行政区最大允许排放量分配模型 1. 3. 1建立分配指标体系 综合社会、 经济和水资源环境因素， 建立包括目 标层 A 、 准则层 B 、 指标层 C 和决策层 D 的层 次分析结构体系， 见图 1。 图 1层次结构示意 Fig． 1Schematic diagram of hierarchical structure 由于各指标单位、 量纲不同， 需对其进行归一化 处理， 根据准则层 B 与指标层 C 之间的关系， 确 定 18 项指标的正、 负效应， 负效指标有 C12、 C13、 C14、 C15和 C18， 其余指标为正效指标。 1. 3. 2基于 Delphi- AHP 的初次分配模型 1邀请 N 位专家回答问卷， 依照标准分别给判 断因素 Bi i 1、 2、 3、 4 对目标 A、 指标 Cj j 1、 2 18 对因素 Bi的影响程度打分， 用所得分数构造判断 矩阵 K A- B 和 K Bi- C 。 2对 K A- B 、 K Bi- C 一致性检验， 若不合格 则反馈回专家， 重新打分， 直到判断矩阵全部合格。 3设上步得各判断矩阵 Kr X r 1， 2， ， N; X∈{ A- B， Bi- C} ， krij为第 r 专家判断 i 相对于 j 的重 要程度值， 将每一项 krij按式 3 处理。 αij ∏ N r 1 kri j 1 N 3 式中 αij为专家确定的 i 元素相对于 j 元素重要程度 的几何平均值。 以 αij构造最终判断矩阵 A X aij N N， aij满 足 aij1/aji， aii1。 4求和法计算各判断矩阵的最大特征值 λmax及 对应特征向量 W; 按式 4 计算一致性比率。 C． Ｒ． C． I． /Ｒ． I． 4 式中 C． I． λmax－ N / N － 1 ， 为一致性指标 N 为矩阵阶数 ; Ｒ． I． 为平均随即一致性指标。 当 C． Ｒ． ＜0. 1， 满足要求; 反之， 调整判断矩阵， 直至 C． Ｒ． ＜0. 1 为止。 5令 W l －1 w1， w2， ， wN T的 l 层 M 因素 对l －1层 j 因素的单排序权重是 pj l p 1 j， p2 j， ， pMj T， 与 j 不相关因素的权重取零; 令 P l p1， p2， ， pN 为 l 层因素对 l －1 层因素的排序， l 层因素 的总排序为式 5 ， 对总排序结果进行一致性检验为 式 6 。 W l P lW l－1 p1， p2， ， pN W l－1 5 721 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment C． Ｒ． l C． I． l Ｒ． I． l C． I． 1 l， C． I． 2 l， ， C． I． N l W l－1 Ｒ． I． 1 l， Ｒ． I． 2 l， ， Ｒ． I． N l W l－1 6 当 C． Ｒ． l＜0. 1， 一致性可接受。 6 处理各行政区的统计资料， 归一化各项总量 分配指标计算见式 7 ; s 行政区总量初次分配权重 ηs计算见式 8 ， 最大允许排放量初次分配结果 WsMaxD计算见式 9 。 zsj rsj ∑ 18 j 1 rsj ， j 1， 2， ， 18; 7 ηs∑ 18 j 1 wjzsj 8 WsD WD η s 9 式中 zsj为 s 行政区 j 项分配指标的归一化结果; r sj为 s 行政区 j 项分配指标的原始值; wj为 j 项总量分配指 标的权重。 1. 3. 3基于基尼系数法的调整模型 1计算基尼系数。使用基尼系数法时需正视社 会经济现状 ［13 ］， 选取人口、 GDP、 地表水资源量作为 基尼系数的评判指标， 计算 WsD基尼系数。以人口为 例 ①计算 s 行政区人均污染物排放量 ζs， 将各行政 区按 ζs值从小到大排序; ②计算 s 行政区人口占总人 口数的百分比 μs， 以①中排序， 依次对 μs累计求和， 作为人口累计百分比， 记 X; ③计算 s 行政区分配的 允许排放量占总允许排放量的比值 θs， 以①中排序， 依次对 θs累计求和， 作为允许排放量累计百分比， 记 Y; ④分别以 X、 Y 为横、 纵轴， 绘制洛伦茨曲线 ［14 ］ ， 计 算环境基尼系数 Gn， 见式 10 。 Gnj 1 －∑ s n 1 Xsj－ X s－1 j Ysj Y s－1 j 10 式中 Xsj为 s 行政区第 j 项评判指标贡献率的累计百 分比; Ysj为基于第 j 项指标， s 行政区污染物排放量的 累计百分比。 2 调整初次分配。依照国际标准， 判定分配公 平的警戒值为 0. 4， 即 Gn≤0. 4， 分配公平; Gn ＞0. 4， 需调整分配权重， 调整遵循条件式 11 ， 调整步骤见 图 2。 调整后得到分配权重， 按式 9 计算最大允许排 放量， 即为总量分配第一步的最终结果。 0 ＜ Gna j ≤ 0． 4 max Gna j→0． 4 Gna j ≤ Gn0 j ηas＞ 0 ∑ n s 1 ηas          1 11 式中 Gna j为第 a 次调整后 j 评判指标的基尼系数 a 0， 1， 2， ; ηas为第 a 次调整后 s 政区总量分配 权重。 图 2总量初次分配的调整步骤 Fig．2Adjustment procedure of inital total load allocation 1. 4行政区污染源现状削减量分配模型 遵循公平性， 排污量越大， 其削减量也越多， 故选 择等比例法， 按各污染源的现状排污贡献率分配削减 目标。据 1. 3 中最终分配结果， 按式 2 计算 s 行政 区现状削减量 Ws P。 1各行政区点源的分配比例 ξk， 即分配权重 ξk mk ∑ M k－1 mk ， k 1， 2， ， M 12 式中 mk为第 k 个控制单元的现状排污量， t/a; M 为 控制单元的个数。 2各点源的现状削减量 Wk P， 即为总量分配第 二步的分配结果。 WkP WsP ξ k 13 2实例研究 2. 1流域概况 丹河属黄河水系， 全长约 121. 5 km， 是山西省晋 城市境内的第二大河， 在省内流经高平市、 晋城城区、 泽州县、 陵川县， 详见图 3。整理 2009 年晋城市相关 资料见表 1。 821 环境工程 Environmental Engineering 表 1丹河流域行政区相关资料 Table 1The related statistical data of administrative region in Dan Ｒiver Valley 行政区总人口农业人口 人均 GDP/元水资源总量/ 104m3 a－1地表水资源量/ 104m4 a－1 COD 排放量/ t a－1氨氮排放量/ t a－1 高平市49066226579227993915820203824. 623251. 591 城 区319246039098289245542328. 088233. 647 泽州县53472133767524719360595772397. 872280. 513 陵川县25997817733177601784511573592. 46532. 102 图 3丹河流域 Fig． 3Dan Ｒiver Valley 2. 2总量分配 1根据水文参数特征及执行水质标准， 选择水 质模型计算水环境容量［15 ］， 结果见表 2。 表 2水环境容量及最大允许排放量 Table 2The water environment capacity and the maximum permitted discharge amountt/a 控制指标理想水环境容量实际水环境容量最大允许排放量 COD3180. 793072. 274123. 66 氨氮152. 62135. 88182. 38 2按 1. 3. 2 节计算总量初次分配 归一化处理 各行政区分配指标原始值; 邀请 6 位专家打分， 判断 矩阵见表 3， 对各判断矩阵进行层次单排序和一致性 检验， 得归一化权重向量及检验结果见表 4; 对判断 矩阵 K A- D 进行层次总排序， 得行政区对目标层的 总权重及初次分配结果见表 5。 表 3各专家的判断矩阵 Table 3Ｒegulating judgment matrix 1 号专家 K1 A- B2 号专家 K2 A- B3 号专家 K3 A- B AB1B2B3B4AB1B2B3B4AB1B2B3B4 B111/3 1/7 1/5B111/5 1/7 1/3B111/3 1/7 1/5 B2311/5 1/3B2511/5 1/3B2311/5 1/3 B37513B37511/3B37511/3 B4531/31B43331B45331 4 号专家 K4 A- B5 号专家 K5 A- B6 号专家 K6 A- B AB1B2B3B4A B1B2B3B4AB1B2B3B4 B1111/3 1/5B111/5 1/3 1/5B111/3 1/7 1/5 B2111/3 1/3B25131/3B2311/7 1/5 B33311/3B33311/3B37713 B45331B45331B45531 表 4一致性检验结果 Table 4The results of the consistency test 判断矩阵最大特征值λmax归一化权重向量 W一致性指标 C． I．一致性比率 C． Ｒ． K A － B4. 109 0. 086， 0. 171， 0. 414， 0. 3290. 0360. 041 K B1－ C5. 150 0. 162， 0. 196， 0. 190， 0. 328， 0. 1250. 0380. 034 K B2－ C5. 168 0. 154， 0. 126， 0. 136， 0. 415， 0. 1680. 0420. 038 K B3－ C4. 104 0. 250， 0. 167， 0. 168， 0. 4150. 0350. 039 K B4－ C4. 088 0. 296， 0. 183， 0. 300， 0. 2210. 0290. 033 K A － C 0. 014， 0. 017， 0. 016， 0. 028， 0. 011， 0. 026， 0. 021， 0. 023， 0. 071， 0. 029， 0. 103， 0. 069， 0. 070， 0. 172， 0. 097， 0. 060， 0. 099， 0. 073 0. 0340. 036 表 5初次分配结果 Table 5The results of initial allocation 行政区总权重 初次分配结果/ t a －1 COD氨氮 高平市 D1 0. 217896. 2439. 64 陵川县 D2 0. 193794. 8635. 15 城 区 D3 0. 3111242. 1056. 70 泽州县 D4 0. 2791150. 4550. 88 3调整初次分配结果 ①计算各行政区基于评 判指标人口、 GDP、 地表水资源量的最大允许排放量 的累计百分比， 绘制洛伦茨曲线见图 4， 计算基尼系 数， 依次为 0. 167、 0. 220、 0. 454， 其中基于地表水资 源量的分配不公平。②按调整方式步骤， 分别以 0. 03 和 0. 01 作为微调量调整 2 次和 3 次， 共调整 5 次， 得到最终总量分配， 见表 6， 调整后基于评判指标 的基尼系数依次为 0. 055、 0. 153、 0. 399， 均符合公 平， 对应洛伦茨曲线见图 5。 921 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 图 4各评判指标初次分配的洛伦茨曲线 Fig．4The Lorenz curve of each coefficient index in initial allocation 图 5各评判指标修正分配后的洛伦茨曲线 Fig．5The Lorenz curve of each coefficient index in modified allocation 表 6行政区允许排放量的最终分配 Table 6The final allocation of the permissble discharge in regions 行政区最终分配权重COD/ t a －1 氨氮/ t a －1 高平市0. 2821162. 87351. 431 陵川县0. 143589. 68426. 080 城 区0. 234964. 93742. 677 泽州县0. 3411406. 16962. 192 4计算各行政区的现状削减量， 结果见表 7。 表 7行政区现状削减量及削减率 Table 7The current reduction amount and rate in regions 行政区 COD氨氮 削减率/削减量/ t a－1削减率/ 削减量/ t a －1 高平市69. 602661. 75079. 56200. 160 陵川县0. 472. 78118. 766. 022 城 区58. 551363. 15181. 73190. 970 泽州县41. 36991. 70377. 83218. 321 2. 3结果分析 高平市城镇人口较多， 故总量分配权重较大， 其 现有污水处理厂规模已无法满足城镇人口增长， 境内 水环境容量较小， 故排污削减要求高; 城区的生活污 水处理厂规模最大， 可基本满足城镇人口需求， 但境 区河段短， 水环境容量小， 污染源排污削减要求也较 高。泽州县的城镇人口略少于高平市但工业企业多， 故总量分配权重最大， 现有污水处理厂规模适中， 境 内河流众多， 水环境容量大， 故排污削减要求适中。 陵川县城镇人口最少， 新建生活污水处理厂规模适 中， 能满足需求， 境内水环境容量大， 故总量分配权重 和排污削减要求较小。高平市、 城区和泽州县经济技 术水平较高， 承担污染治理能力较强， 陵川县经济发 展较慢， 现有的污染治理技术水平低， 难以承担较大 的排污削减任务。 通过对丹河流域污染物总量分配结果分析， 可知 分配模型能满足公平和效益原则， 分配结果基本符合 各区县发展现状。 3结论 1针对流域水污染物总量分配问题， 选择流 域行政区污染源作为总量分配主线， 充分考虑各 地区的社会、 经济和自然等因素， 筛选确定具有代表 性、 涵盖性等特征因素， 构建了污染物总量分配指标 体系。 2采用 AHP 法建立流域行政区最大允许排 放量的初次分配模型; 基尼系数法建立总量初次分配 调整模型; 等比例分配法计算行政区污染源现状削 减量的分配结果， 最终实现在兼顾公平与效率原则下 污染物总量的合理分配。 3以晋城市丹河流域为案例， 对所建模型和方 法进行验证， 所得污染物总量分配与实际情况基本相 符， 验证了模型的正确性及可操作性。 参考文献 ［1］李如忠， 汪家权， 钱家忠． 区域水污染负荷分配 Delphi- AHP 法 ［J］． 哈尔滨工业大学学报， 2005， 37 1 84- 88． ［2］Cho J H，Ahn K H，Chung Wook Jin，et al． Waste load allocation for water quality management of a heavily polluted river using linear programming［J］． Water Science and Technology， 2003， 48 10 185- 190． ［3］王勤耕， 李宗恺， 陈志鹏， 等． 总量控制区域排污权的初始分配 方法［J］． 中国环境科学， 2000， 20 1 68- 72． ［4］张立建． 基尼系数的快速算法［J］． 中国统计， 2007 12 39- 40． ［5］陈奇志， 陈家鼎． 关于洛伦茨曲线和基尼系数的一点注记［J］． 北京大学学报． 自然科学版， 2006， 42 5 613- 618． ［6］林高松， 李适宇， 江峰． 基于公平区间的污染物允许排放量分配 方法［J］． 水利学报， 2006， 37 1 52- 57． 下转第 134 页 031 环境工程 Environmental Engineering 标称功率的 70。该工程 TD- LTE 基站设备为自耦 合系统， 采用电路合路， 不需合路器， 没有插入损耗。 因此， TD- LTE 基站运行时馈入天线端口的实际发射 功率分别为 24. 8 W 和 12. 4 W， 以中兴公司 ＲＲU 设 备为例， 其具体计算方法如下 中兴公司 ＲＲU 设备馈入天线端口的实际发射功 率 单通道发射功率 70 通道数 下行子帧 所占比例 特殊子帧所占比例 DwPTS 长度 特殊子帧长度 10 80 8 4 10 2 10 3 1424. 8 W。 采用远场轴向功率密度计算公式预测天线发射 高度轴线上的功率密度， 起始计算点 至天线的距 离 从 r ＞ 2D2/λ 处开始 D 为天线的最大长度， m; λ 为工作波长， m 。该工程使用的 4 列双极化智能天 线 MOBI 天线 长度为 1. 7 m， 则 TD- LTE 系统远场 轴向功率密度的起始计算点为 27. 65 m。 4. 3模拟计算结果 TD- LTE 基站发射机在实际发射功率情形下， 单 个天线轴向功率计算结果见表 3。 由表 3 可知 新建 TD- LTE 基站发射机在实际发 射功率下工作， 天线轴向 30 m 外的功率密度计算值 均小于 8 μW/cm2的环境管理目标值。 综合模拟计算和实测结果表明， TD- LTE 基站运 行过程中对周围环境电磁辐射影响较小， 天线轴向 30 m 外的电磁辐射功率密度值小于 8 μW/cm2的 环境管理目标值， 不会对周围环境造成电磁辐射 影响。 表 3TD- LTE 基站单个天线轴向功率密度计算结果 Table 3The axial power density of a single antenna of the TD- LTE base station 实际发射功率 不同轴向距离功率密度/ μW cm － 2 10 m20 m27. 65 m30 m40 m50 m60 m70 m80 m90 m100 m 14. 2 W31. 227. 814. 093. 471. 951. 250. 860. 640. 520. 380. 31 28. 3 W62. 4315. 618. 176. 943. 902. 501. 741. 270. 970. 770. 62 注 表中 10 m 和 20 m 处的功率密度值仍采用远场公式计算， 由于近场内电场和磁场的复杂性， 故计算结果为近似值， 仅供参照。 5结论与建议 北京市某公司建设的 TD- LTE 基站对周围环境 的电磁辐射功率密度贡献值随距天线距离的增加而 快速衰减， 天线轴向 30 m 外的电磁辐射功率密度值 可满足 8 μW/cm2的环境管理目标值。 根据 电磁辐射防护规定 中“可合理达到尽量 低” 的原则， 建设单位应合理安排基站发射天线的架 设方式、 位置、 高度、 下倾角等， 以确保基站的水平保 护距离和垂直保护距离。在电磁辐射环境值较高的 地点不得建设基站; 基站室外发射天线周围 30m 内 不得有高于发射天线的敏感建筑物; 对于架设在楼顶 的基站， 应加强通往该楼顶的通道管理， 并在天线处 悬挂警示牌。 参考文献 ［1］王映民． TD- LTE 技术原理与系统设计［M］． 北京 人民邮电出 版社， 2010． ［2］Holma H，Toskala A． et al． LTE for UMTS OFDMA and SC- FDMA Based Ｒadio Access［M］． John Wiley ＆ Sons， 2009． ［3］康剑锋， 廖德山， 刘竞秀， 等． TD- LTE 系统性能综述［J］． 电信 工程技术与标准化， 2010 11 54- 57． ［4］林海． TD- LTE 规模技术试验网现场优化案例浅析［J］． 移动 通信， 2011 9 5- 10． ［5］张水军． TD- LTE 制式 4G 移动通信网络应用研究［J］． 信息通 信， 2012 2 228． ［6］ 3GPP TS 36. 211Evolved Universal Terrestrial Ｒadio Access E- UTＲA ，Physical Channels and Modulation［S］． ［7］王月华， 袁玉明， 周白鸽． WCDMA 基站电磁辐射对周围环境 的影响分析［J］． 环境工程， 2012， 30 1 132- 134． 第一作者 李建萍 1976 － ， 女， 博士， 教授级高工， 主要从事建设项目 环境影响评价及相关科研工作。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 mccgeia126． com 上接第 130 页 ［7］张玉清． 河流功能区水污染物容量控制的原理和方法［M］． 北 京 中国环境科学出版社， 2001 2- 9． ［8］杨玉峰， 傅国伟． 区域差异与国家污染物排放总量分配［J］． 环 境科学学报， 2001 2 129- 133． ［9］杨玉峰． 污染物排放总量控制系统不确定性分析［D］． 北京 清 华大学， 1999． ［ 10］陈丁江， 吕军， 沈晔娜． 区域间水环境容量多目标公平分配的水 环境基尼系数法［ J］ ． 环境污染与防治， 2010， 32 1 88- 91． ［ 11］陈卫， 方廷健， 马永军， 等． 基于 Delphi 法和 AHP 法的群体决策 研究及应用［J］ ． 计算机工程， 2003， 29 5 18- 20． ［ 12］肖伟华， 秦大庸， 李玮， 等． 基于基尼系数的湖泊流域分区水污 染物总量分配［J］． 环境科学学报， 2009， 29 8 1765- 1771． ［ 13］樊华， 陈然． 基尼系数法在水污染物总量分配中的应用［J］． 安 徽农业科学， 2009， 37 24 11678- 11680． ［ 14］孙郅博． 水污染物总量分配方案的研究［D］． 长春 吉林农业大 学， 2008． ［ 15］熊风， 罗洁． 河流水环境容量计算模型分析［J］． 中国测试技 术， 2005， 31 1 116- 118． 第一作者 薛佳 1989 － ， 女， 硕士， 研究方向为水环境管理、 生态修复 和环境功能区划等。xuejia112 sina． cn 431 环境工程 Environmental Engineering