CN104750971A - 一种流域跨界区水质水量生态补偿核算方法 - Google Patents

Abstract

本发明是基于污染物通量的跨界流域水质水量生态补偿核算方法，根据跨界断面污染物的通量，基于污染治理成本开展跨界污染损失评估和生态补偿核算。首先，根据跨界断面或区域的主要污染物流量及浓度的实时监测和模式模拟，计算跨界流域内污染物通量；其次，综合考虑流域内各省、市在污染排放、水环境责任、环境治理成本方面的差异，主要运用参考现有补偿标准、多方协商、基于成本核算模型与线性规划模型等方法，确定跨界流域断面各污染因子的生态补偿标准；最后，结合跨界断面污染物通量和补偿标准，构建跨界生态补偿核算系统。核算生态补偿金额。该方法有助于填补国内跨省流域生态补偿核算方面的空白。

Description

一种流域跨界区水质水量生态补偿核算方法

技术领域

本发明是一种基于跨界污染物通量核查技术体系和跨界污染因子的最优生态补偿标准，采用治理成本法进行污染损失评估，进行跨界流域水质水量生态补偿核算的方法。该方法特别适用于较大流域跨界水污染生态补偿金额的核算。

背景技术

由于我国环境管理体制和运行机制尚未健全，我国流域跨界水污染纠纷一直未得到妥善解决。鉴于我国特别是沿海地区经济发展迅速，河网水系发达，流域跨界区污染因子来源复杂，敏感性生态影响因子多样，如太湖流域跨界区内设有多个集中式生活饮用水地表水源地和生态保护区，如何规避跨界流域的水环境风险是保障经济协调发展和人民生产生活的关键性问题。由于行政管理部门忽视流域内各区域自然水文条件的差异性，导致跨界区域生态功能区划不合理，同时上下游行政管理单元执行的水环境质量标准和水污染排放标准可能存在不统一的现象，且环境信息沟通渠道不畅通，水系左右岸对跨界区的水资源利用竞争激烈，导致各地利益分配不均，跨区域水污染突发事件发生率呈现逐年上升的趋势，牵涉的利益相关方广泛，存在地方保护主义和消极抵制，因此此类事件的协调和解决成为当前水环境管理的难点。

“十一五”以来，生态补偿得到了全社会的高度关注，部分省份已经试点建立流域生态补偿机制，如江苏省太湖流域、河北省子牙河流域、辽宁省辽河流域、河南省沙颍河流域等。目前主要采用监测断面水质超标倍数或断面污染物排放通量两种形式，综合考虑污染物平均处理成本、平均排放损失成本，结合流域的经济发展水平及财政能力，来确定生态补偿金额。然而在实际操作中，补偿标准缺少科学的技术方法支撑，往往由领导经过部门讨论后直接确定，不是上下游政府经过反复商议后形成的协议补偿；补偿方式存在不合理性，只从流域行政断面水质目标考核出发，而未考虑丰、枯水期的不同影响。从考核指标来看，一些流域主要考虑化学需氧量，对氨氮、总磷以及特征性污染物尚未有考虑，这与流域污染的实际情况有所不符。从考核范围来看，目前流域断面水质目标考核的范围主要针对干流和一级支流，小支流没有纳入考核范围，这可能造成考核结果 存在一定的误差。

本发明将各污染指标因子均纳入核算范围，在计算流域跨界区域污染物通量时运用实时校核技术反映丰、枯水期的差异，全面考虑流域内典型河道，并从削减排污量和污染治理成本的角度综合利用既有标准、多方协商、生态补偿成本函数等方法来量化生态补偿标准，提出一种合理的跨界生态补偿核算技术方案，能够体现对各地方利益差异性的高度重视和积极统筹兼顾，为跨区域水污染治理达到预期效果提供了政策支撑和技术保障，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明构建一种流域跨界区生态补偿机制的核算技术体系，根据跨界断面污染物的通量，基于污染治理成本开展跨界污染损失评估和生态补偿金额的确定。

本发明的技术方案如下。

1、计算流域内断面的污染物通量。作为生态补偿机制建立的基础，根据污染物通量计算原理，建立跨界断面污染物通量计算模型，并利用实测资料对模型的计算结果进行校正；根据流域已建立的跨界污染物通量监测站，基于模型及实测资料，采用实时校核技术，建立跨界断面的污染物通量计算体系。

进一步地，根据区域内设置监测断面的河道，模型计算结果与实测结果计算出监测周期内区域通量实时校核系数α_i，其中校核系数计算公式如下。

α＝∑_iα_iQ_ic/∑_iQ_is。

α_i＝C_icQ_ic/(C_isQ_is)

其中，α为跨界区域通量校核系数，n为跨界区域内具有通量监测站点的断面数量，α_i为跨界区域内监测断面i的通量校核系数；C_ic为i断面水质计算浓度，Q_ic为i断面计算流量；C_is为i断面水质实测浓度，Q_ic为i断面实测流量。

跨界断面污染通量计算公式。

W＝∑_iC_iQ_iα_i。

其中，W为跨界断面污染物通量；i为计算天数；C_i为跨界断面水质浓度；Q_i为跨界断面流量；α_i为该跨界断面通量校核系数，即采用实时校核技术，利用跨界断面实测通量指标与模型计算结果进行实时校正，所得校核系数用以校核断面监测空白时间段的通量计算结果。

基于上述跨界断面通量，跨界区域水体污染物通量计算公式。

W＝∑_j∑_iC_ijQ_ijα_i(k1k2…)

其中，W为跨界区域出入境污染物通量；i为计算天数，j为计算区域内河道数量；C_ij为跨界区域内各河道跨界断面水质浓度；Q_ij为跨界区域内各河道跨界断面流量；α_i为该区域通量校核系数，k1 k2为区域内各监测点位。将区域内所有河道实时计算通量值叠加，以期计算一定时间内区域内污染物通量值。

2、确定生态补偿标准。根据流域自然和经济社会发展状况，确定流域水环境中主要污染物评价因子如COD、NH₃-N、TN、TP等。

进一步地，以污染治理成本的高低反映生态补偿标准的高低，基于成本核算模型与线性规划模型，计算和确定跨界污染因子的最优生态补偿标准。

1)初步确定流域的补偿基准。

对于跨界流域内已经开展生态补偿试点的行政单元开展深入调研和分析，借鉴和参考现有补偿标准，初步确定跨界流域内所应实施的补偿标准。

2)根据不同跨界断面具体情况通过多方协商确定各个断面的补偿标准。

在补偿基准的基础上，通过不同行政区之间的协商，对各个不同断面的补偿标准适当予以调整，以反映当地的实际情况。

3)基于成本函数分析的生态补偿标准核算方法。

以跨界区各行政单元各污染因子环境总成本最小化为目标条件，建立生态补偿标准核算方法，确定流域跨界生态补偿标准，具体步骤如下，首先，进行成本函数核算模型的基本假定。

1)水环境容量为流域各地区的一种稀缺经济资源，而非可以无限量获取、无价格使用的公共财产资源。

2)流域各地区具有独立的决策机构及独立污染物消减成本函数。

3)流域中的污染物可以作分离处理。

4)各地区污染物处理量具有一定弹性。

5)认为整个流域没有环境损害，污染物排放量都达到相关标准。

其次，建立生态补偿成本函数如下所示。

1)污染物消减成本函数。

AC＝f(Q,η,k)AC_i＝k₁Q^k2η_i ^k3

η_i＝(E-I)/S

AC_i—表示工业(或城市生活)污水污染物i消减成本。

Q—污水处理量。

η_i—污染物i处理效率。 

E—工业污水污染物i进口浓度。 

I—工业污水污染物i出口浓度。 

k—为常量(区域因素等)。

S—排放标准浓度值。

2)流域污染物消减总成本。

Π_t＝∑_j∑_m(AC_jmP_jm)。

Πt—流域污染物消减总成本。

AC_jm—流域内j区域m类(工业g和城市c)污水消减成本。

P_jm—流域内j区域m类污水消减量。

3)流域内j区域环境成本。

Π_j(P_jg,P_jc,t_t)＝AC_jg(P_jg)+AC_jc(P_jc)+∑_n(W_jn-W_nj)t_t。

Π_j(P_jg,P_jc,t_t)—流域内j区域环境总成本。

W_jn—流域内j区域向n区域的污染物通量。

t_t—生态补偿标准。

用以下条件作为上述成本函数的约束集。

①补偿标准，t_t≥0。

②各地区水质均达到国家标准，即整个流域污染物转移量的和为零)。

③污水处理设施的处理能力弹性约束(即，各地区工业或城市生活污水处理设施的年处理量应在污染物年产生量的α和β之间，具有一定的弹性约束，此处α和β为污水处理设施的年处理能力上下限系数)，公式中j表示流域中的区域，g表示工业污水，c表示城市污水，C表示污染物产生量，P表示污染物处理量。

α_jgC_jg≤P_jg≤β_jgC_jg。

α_jcC_jc≤P_jc≤β_jcC_jc。

④工业污水处理设施处理总量限制，为保证消减成本函数不发生较大变 化，设处理率低于90％，即各地区工业污水处理设施的污染物消减率不超过本地区工业污染物产生量的90％。

P_jg≤0.9C_jg。

最后，基于上述约束条件，可采用广义距离极小化方法，通过理想点求解构造评价函数，以环境成本最小和来确定流域内各区域最优消减量和各污染因子的补偿标准，其中Π_j*是不考虑其他区域目标时的最优值。

φ＝√[Σ_j(Π_j-Π_j*)²]。

3、依据流域内各区域断面各污染因子的污染物净通量(入省通量和出省通量的差值)，根据污染补偿标准来测算生态补偿金额。计算方法为，单因子补偿额(元/年)＝单因子污染物通量(吨/年)×单因子补偿标准(元/吨)。

补偿计算公式如下。

E＝Wt。

E—表示生态补偿金额(万元)。

W—表示污染物通量(万吨)。

t—生态补偿标准，即单位污染物通量的补偿金额(元/吨)。

本发明的有益效果。

1本发明的成果从技术层面进一步深入研究跨界区生态补偿机制、建立流域跨界生态补偿系统，通过系统，可以确定各地区之间的生态补偿标准，在跨界水污染通量核算系统的支持下，基于跨省界污染通量核算的结果，快速测算流域内各行政区域单元之间的生态补偿金额，填补了跨界区域水污染生态补偿在方法学上的短板，为流域跨界水环境综合管理提供技术支持。

2以流域跨界区污染物通量和生态补偿标准两个参数来衡量生态补偿金额，可以解析影响跨界区生态补偿机制的关键因素，为拟定具有针对性和科学性的跨界区生态补偿方案提供数据参考。

附图说明

图1——本发明的程序流程框图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明提供一种基于污染物通量的跨界流域水质水量生态补偿核算方 法，步骤如下。

(1)根据污染物通量计算原理，主要的计算参数包括跨界断面污染物浓度、跨界断面污染物流量，并利用实测资料对模型的计算结果进行校正，得到对污染物通量的校正系数，建立跨界断面污染物通量计算模型。若是考虑跨界区域的污染物通量，则还需要跨界区域内的河道数量和计算天数，从而推算区域污染物流量。

其中各断面的校核系数用以下公式计算。

α_i＝C_icQ_ic/(C_isQ_is)

其中，α_i为跨界区域内监测断面i的通量校核系数；C_ic为i断面水质计算浓度，Q_ic为i断面计算流量；C_is为i断面水质实测浓度，Q_ic为i断面实测流量。

各断面的污染物通量用以下公式计算。

W＝∑C_iQ_iα_i。

其中：W为跨界断面污染物通量；i为计算天数；C_i为跨界断面水质浓度；Q_i为跨界断面流量。

以某流域跨界区域污染断面为例，基于跨界断面污染物通量计算体系，利用套网格水环境数学计算模型及跨界区域通量(水量、水质)实测资料，得到2011年跨界断面污染物通量计算结果，如下表1所示。

表1跨界断面污染物通量计算结果表(2011年)。

(2)以污染治理成本的高低反映生态补偿标准的高低，基于成本核算模型与线性规划模型，计算和确定跨界污染因子的最优生态补偿标准，计算公式如下。

AC＝Q*e。

AC—污染物处理成本(单位：万元)。

Q—污染物处理量(单位：万吨)。

e—污染物单位处理成本(单位：元/吨)。

Q＝(C1-C2)*W。

W—污水处理量(单位：万吨)。

C1—污染物排入浓度(单位：mg/L)。

C2—污染物排出浓度(单位：mg/L)。

生态补偿标准(t)＝各污水处理厂单位处理成本均值(e)。

通过组织对该流域内8个城市污水处理厂污染物(包括COD、NH₃-N、TP)单位处理成本进行调查，根据计算公式，得到太湖流域COD、NH₃-N、TN、TP 处理成本均值分别为COD每吨900元；氨氮每吨2万元；总磷每吨5万元。

(3)跨界流域水质水量生态补偿基于污染损失评估，采用治理成本法，评估为治理水环境污染所支付的成本，衡量减少污染达到给定标准所需的费用。总体思路为：单因子补偿额(元/年)＝单因子污染物通量(吨/年)×单因子补偿标准(元/吨)。根据上述方法得到某流域跨界污染断面生态补偿金额，如下表2所示。

表2跨界断面生态补偿金额。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可以利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于污染物通量的跨界流域水质水量生态补偿核算方法，其特征在于：

(1)根据污染物通量计算原理，建立跨界断面污染物通量计算模型，并利用实测资料对模型的计算结果进行校正；根据流域已建立的跨界污染物通量监测站，基于模型及实测资料，采用实时校核及区域叠加技术，建立跨界断面的污染物通量计算体系；

(2)根据流域自然和经济社会发展状况，确定流域水环境中主要污染物评价因子如COD、NH₃-N、TN、TP；参考现有补偿标准初步确定流域的补偿基准，分析不同跨界断面的具体情况通过多方协商确定各个断面的补偿标准，基于成本函数分析和线性回归模型，以跨界区各行政单元各污染因子环境总成本最小化为约束条件，建立生态补偿标准核算方法，确定流域跨界生态补偿标准；

(3)以流域跨界区各断面各污染物生态补偿标准为权重，将其与污染物通量对应相乘并求和，确定跨界区内生态补偿总额。

2.根据权利要求1中所述的一种基于污染物通量的跨界流域水质水量生态补偿核算方法，其特征在于构建基于实时校核及区域叠加技术的跨界断面污染物通量核查技术体系；基于跨界断面污染物通量计算公式，利用流域水环境数学模型及跨界污染物通量监测实测资料，建立跨界区域各行政区间的污染物通量计算体系，根据区域内设置监测断面的河道，模型计算结果与实测结果计算出监测周期内区域通量实时校核系数α，其中校核系数计算公式如下：

其中，α为跨界区域通量校核系数，n为跨界区域内具有通量监测站点的断面数量，α_i为跨界区域内监测断面i的通量校核系数；C_ic为i断面水质计算浓度，Q_ic为i断面计算流量；C_is为i断面水质实测浓度，Q_is为i断面实测流量，

跨界断面污染通量计算公式：

其中：W为跨界断面污染物通量；i为计算天数；C_i为跨界断面水质浓度；Q_i为跨界断面流量；α_i为该跨界断面通量校核系数，即采用实时校核技术，利用跨界断面实测通量指标与模型计算结果进行实时校正，所得校核系数用以校核断面监测空白时间段的通量计算结果，

基于上述跨界断面通量，跨界区域水体污染物通量计算公式：

其中：W为跨界区域出入境污染物通量；i为计算天数，j为计算区域内河道数量；C_ij为跨界区域内各河道跨界断面水质浓度；Q_ij为跨界区域内各河道跨界断面流量；α_i为该区域通量校核系数，k1k2为区域内各监测点位，将区域内所有河道实时计算通量值叠加，计算一段时间区域内污染物通量值。

3.根据权利要求1中所述的一种基于污染物通量的跨界流域水质水量生态补偿核算方法，其特征在于以污染治理成本的高低反映生态补偿标准的高低，基于成本核算模型与线性规划模型，计算和确定跨界污染因子的最优生态补偿标准

(1) 初步确定流域的补偿基准

对于跨界流域内已经开展生态补偿试点的行政单元开展深入调研和分析，借鉴和参考现有补偿标准，初步确定跨界流域内所应实施的补偿标准；

(2) 根据不同跨界断面的具体情况通过多方协商确定各个断面的补偿标准

在补偿基准的基础上，通过不同行政区之间的协商，对各个不同断面的补偿标准适当予以调整，以反映当地的实际情况；

(3) 基于成本函数分析的生态补偿标准核算方法

具体方法如下：

首先，进行成本函数核算模型的基本假定：

①水环境容量为流域各地区的一种稀缺经济资源，而非可以无限量获取、无价格使用的公共财产资源；

②流域各地区具有独立的决策机构及独立污染物消减成本函数；

③流域中的污染物可以作分离处理；

④各地区污染物处理量具有一定弹性；

⑤认为整个流域没有环境损害，污染物排放量都达到相关标准

其次，建立生态补偿成本函数如下所示：

1）污染物消减成本函数

AC=f(Q,η,k)AC_i= k₁Q^k2η_i ^k3

η_i=(E-I)/S

AC_i—表示工业（或城市生活）污水污染物i消减成本；

Q—污水处理量；

η_i—污染物i处理效率；

E—工业污水污染物i进口浓度；

I—工业污水污染物i出口浓度；

k—为常量（区域因素等）；

S—排放标准浓度值

2）流域污染物消减总成本

Π_t=∑_j∑_m(AC_jmP_jm)

Πt—流域污染物消减总成本

AC_jm—流域内j区域m类（工业g和城市c）污水消减成本

P_jm—流域内j区域m类污水消减量

3）流域内j区域环境成本

Π_j(P_jg,P_jc,t_t)=AC_jg(P_jg)+AC_jc(P_jc)+∑_n(W_jn-W_nj)t_t

Π_j(P_jg,P_jc,t_t) —流域内j区域环境总成本

W_jn—流域内j区域向n区域的污染物通量

t_t—生态补偿标准

用以下条件作为上述成本函数的约束集：

补偿标准：t_t ≥0

②各地区水质均达到国家标准，即整个流域污染物转移量的和为零）

③污水处理设施的处理能力弹性约束（即：各地区工业或城市生活污水处理设施的年处理量应在污染物年产生量的α和β之间，具有一定的弹性约束，此处α和β为污水处理设施的年处理能力上下限系数），公式中j表示流域中的区域，g表示工业污水，c表示城市污水，C表示污染物产生量，P表示污染物处理量，

α_jgC_jg≤P_jg≤β_jgC_jg

α_jcC_jc≤P_jc≤β_jcC_jc

④工业污水处理设施处理总量限制，为保证消减成本函数不发生较大变化，设处理率低于90%，即各地区工业污水处理设施的污染物消减率不超过本地区工业污染物产生量的90%

P_jg≤0.9C_jg

最后，采用广义距离极小化方法，通过理想点求解构造评价函数，以环境成本最小和来确定流域内各区域最优消减量和各污染因子的补偿标准，其中Π_j*是不考虑其他区域目标时的最优值：

φ=[Σ_j(Π_j-Π_j*)²]^0.5。

4.根据权利要求1中所述的一种基于污染物通量的跨界流域水质水量生态补偿核算方法，其特征在于依据流域内各区域断面各污染因子的污染物净通量（入省通量和出省通量的差值），根据污染补偿标准来测算生态补偿金额，计算方法是：单因子补偿额（元/年）=单因子污染物通量（吨/年）×单因子补偿标准（元/吨）

补偿计算公式如下：

E=Wt

E —表示生态补偿金额（万元）

W—表示污染物通量（万吨）

t—生态补偿标准，即单位污染物通量的补偿金额（元/吨）。