城市工业COD总量优化分配研究


　　摘要 总量控制是控制污染源发展趋势、改善环境质量、实现经济社会可持续发展的重要途径,如何在适度公平的基础上寻求环境、经济、技术、资源等整体最优是环境科学领域的研究课题。本文以工业城市苏州市为例,研究其工业化学需氧量的排放特征,以基尼系数法分行业对其工业化学需氧量排放量的公平性进行评价,并将总量控制与资源、社会和经济相联系,以行业经济效益最大化和增加治理投资费用最小化为目标,利用多目标行业总量优化分配模型对苏州市的工业化学需氧量排放总量进行优化分配。研究结果表明,纺织业、化学原料及化学制品制造业、能源和水的生产与供应业、造纸及木材加工、医药制造业等行业是苏州市的化学需氧量重点排放行业,经优化分配后,COD排放总量削减了10%,新鲜用水量减少了41.81%,行业年总产值增幅达到214.69%,资源和水环境容量在满足一定的经济增长速度的条件下实现优化配置,总量控制制度在市场经济体制下发挥出尽可能大的环境效益和经济效益。
　　关键词 化学需氧量(COD);公平性;基尼系数;优化分配
　　中图分类号 X321 文献标识码 A 文章编号 1002-2104(2010)03-0124-06 doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2010.03.023
　　
　　总量控制是控制污染源发展趋势、改善环境质量、实现经济社会可持续发展的重要途径,各个排污单位或污染源之间如何科学、合理地分配排放污染物的量,使其在市场经济体制下发挥出尽可能大的环境效益和经济效益,是总量控制的核心问题[1]。水污染物排放总量分配涉及到经济、社会、技术和环境等多种因素, 在每种因素中往往又包含了若干种定性和定量因子[2]。国外优化分配的研究自20世纪60年代起步,80年代后各种分配模型的应用得到很大改善,如开发了随机动态规划费用最小模型[3]、利用模糊多目标优化方法等[4-5],国内也有一些总量控制公平性方面的研究,如最小处理费用公平协调方法[6]、水污染物允许排放量公平分配方法[7-9]、多目标行业总量优化分配模型[10-11],但就我国目前国情而言,如何在适度公平的基础上,寻求环境、经济、技术、资源等整体最优仍是一个重要的研究课题。
　　本文以苏州市为例,将总量控制与资源、社会和经济相联系,研究该市工业化学需氧量(COD)的排放特征,以基尼系数法分行业对其工业COD排放量的公平性进行评价,同时考虑水资源量、水环境容量、社会行业优化调整等多方面的约束,以行业经济效益最大化和增加治理投资费用最小化为目标,参考利用多目标行业总量优化分配模型[10-11]对苏州市的工业COD排放总量进行优化分配,力求实现尽可能大的环境效益和经济效益。
　　1 研究对象概况
　　苏州市位于长江三角洲中部,江苏省南部,东邻上海,南接浙江,西傍无锡,北依长江。苏州水系受沪宁铁路的分割,分为南北两大水系。北部地区由于地势相对较高,水系主要以河网为主。而南部地区由于地势低洼,水系以湖荡为主。苏州属典型的江南水网化平原地区,全市水面约3 609 km2,约占总面积的42.5%。苏州拥有大小湖泊321个,湖泊率约为8 %,是全国湖泊率的10倍。
　　2006年苏州市三次产业比例为1.9∶65.4∶32.7,电子、纺织、交通设备、冶金、电气、化工是支柱产业,水污染点源以钢铁行业、纺织行业、化工行业、造纸业、印染行业等为主。工业企业废水COD排放总量按行业分类统计,全市排在前三位的行业为纺织业、化学原料及化学制品制造业和造纸及纸制品业。
　　2 研究基本原理
　　2.1 基尼系数
　　基尼系数的定义是在洛伦兹曲线的基础上提出的,洛伦兹曲线如图1。
　　用横轴代表人口累积百分比,用纵横代表收入累积百分比,实际收入分配曲线和收入分配绝对平等曲线之间的面积为A,实际收入分配曲线右下方面积为B,则基尼系数的定义式为:
　　G=SAS(A+B)(1)
　　
　　图1 洛伦兹曲线
　　Fig.1 Lorenz Curve
　　杨占红等:城市工业COD总量优化分配研究中国人口•资源与环境 2010年 第3期基尼系数有多种计算方法,如直接计算法、回归曲线法、人口等分法、城乡分解法[12],叶礼奇提出了三角形面积法、弓形面积法[13],本文采用比较普遍使用的梯形面积法,将洛伦茨曲线下方的面积近似为若干梯形进行计算,其公式如下:
　　Gini=1-∑ni=1(Xi-Xi-1)(Yi+Yi+1)(2)
　　式中,Xi为评估指标的累计比例,%;Yi为污染物的累计比例,%;i为分配对象数量。当i=1时,(Xi-1,Yi-1)视为(0,0)。
　　2.2 多目标行业总量优化分配模型[10-11]
　　2.2.1 行业水环境经济综合指数(R)
　　某行业的R可以用式描述:
　　R=F(ec,en,r)(3)
　　式中:ec表示该行业经济方面的特征,en表示该行业环境方面的特征,r表示该行业资源方面的特征,F表示一组复杂的函数关系。
　　假定共选择m项指标作为R的影响因子,先将每项因子的实际值与区域社会平均值相除,得到单因子社会发展度,再运用数学方法调整m项因子对R的影响权重,综合计算得到R值。在行业总量优化分配模型中将R作为调整行业结构这一关键约束条件来加以使用。
　　2.2.2 模型结构
　　(1)目标函数
　　1)行业年总产值总和S(104元•a-1)最大:
　　MaxS=∑ni=1XiK1i(4)
　　式中:Xi—行业i控制污染物优化排放量,t;
　　K1i—行业i万元产值排放控制污染物量系数,t/万元;
　　i—总量控制区域内行业类别。
　　2)行业新增处理污染物费用总和G最小:本模型中假定生产规模保持不变,当行业控制污染物现状排放量Ci高于Xi时,G为正;当Ci低于Xi时,G为负。本模型只考虑限制污染物排放量变化所产生的影响。
　　MinG=∑Ni=1(Ci-Xi)PiK2i(5)
　　式中:Pi—行业i废水中控制污染物平均浓度指标,t/万t;
　　K2i—行业i处理单位体积废水费用系数,万元/万t。
　　(2)约束条件
　　1)水环境质量约束:为保证区域水环境质量,各行业每年所排放控制污染物总量应不大于本区域控制污染物的环境容量QR(t)。
　　∑Ni=1Xi≤QR(6)2)水资源合理利用约束:为保证当地水资源可持续利用,各行业每年所用新鲜水量总和应不大于当年本区域可供给行业生产的新鲜水资源量QG(万t)。
　　∑Ni=1XiK1iK3i≤QG(7)
　　式中:K3i—行业i万元产值新鲜用水量系数,万吨/万元。
　　3)行业优化调整约束:为保证区域行业布局结构科学合理,水环境容量、水资源得到优化配置,行业间的容量配额比应与水环境经济综合指数Ri其比例相近,相适应程度通过上下限两个调整系数控制。Kmin•Ri∑Ni=1Ri≤Xi∑Ni=1Xi≤Kmax•Ri∑Ni=1Ri(8)
　　式中:Kmin—行业优化调整下限系数;
　　Kmax—行业优化调整上限系数。
　　4)行业分配容量非负约束:即:Xi> 0
　　(3)模型求解
　　为求解方便,本规划将目标函数由多目标转化为单目标,将非线性约束转化为线性约束,转化后模型形式如下: