一种沿海城市不同行业污染物允许排海量的优化计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种沿海城市不同行业污染物允许排海 量的优化计算方法。 技术背景
[0002] 渤海是我国唯一的半封闭内海，面积77,284km2,具有独特的资源优势和地源优 势，是环渤海经济圈的重要支持系统。但是随着沿海城市工业化、信息化、城市化进程的不 断加快，近岸海域水质不断恶化、赤潮灾害频发、海洋生态系统失衡、渔业资源衰退等海洋 生态环境问题也日趋严重。自20世纪70年代末，渤海海洋环境质量总体上呈恶化趋势，尤 其是在90年代中后期。根据多年的监测和评价结果，渤海近岸海域的污染范围呈扩大趋 势。1992年渤海遭受污染的面积约20%，而到了 1998年，渤海受污染的面积约40%。经过 近几年的治理，2006年，渤海未达到清洁海域水质标准的面积约2. 0万平方公里，占渤海总 面积的26%，共发生赤潮11次，累计发生面积达到2980平方公里。污染形势依然严峻，污 染海域主要集中在辽东湾近岸、渤海湾和莱州湾等近岸海域，主要污染物为无机氮、活性磷 酸盐和石油类等。工业废水、生活污水、工业和生活垃圾、农药、化肥等陆源污染物大量超标 超量排放入海成为当前渤海环境状况恶化未能得到遏制的根本原因。由于渤海海洋生态环 境问题已成为环渤海地区社会经济可持续发展的重大制约因素，自20世纪90年代后期，国 家环保总局和国家海洋局先后分别制定了《渤海碧海行动计划》和《渤海综合整治规划》，着 重开展包括主要化学污染物排海总量控制在内的渤海海洋生态环境质量预防、控制和治 理等。
[0003] 当前，在科学发展观指导下，建设资源节约型、环境友好形社会，特别是促进经济 发展与人口、资源、环境相协调已成为各地区实施"十一五"社会经济发展规划所遵循的共 同原则。污染物排海总量控制研究不仅是我国海洋生态环境保护，海洋资源的可持续开发 以及实现我国"十一五"社会和经济可持续发展国家目标所必需，同时也是"十一五"中国 海洋科学和环境科学基础研究的优先发展领域（冯士笮和王辉，2001)。对于像环渤海这样 经济发展迅速的沿海地区，尽快科学合理地实施污染物排海总量控制就成为促进经济、环 境持续健康发展最重要的迫切举措。同时，国家海洋局在本世纪初开始在重点海湾及河口 实施碧海行动计划，迫切需要总量控制理论和计算方法的进一步完善；而我国的污染物排 海总量控制研究尚在研究探索阶段，难以满足污染物排海总量控制的实际需求。
[0004] 而在研究方法和研究手段上，我国总量控制的数学模型日臻完善，系统工程方法 已得到普遍应用，主要有系统模拟法、数学规划法、投入产出法、系统动力学、大系统分解 法、多目标规划法、随机规划和模糊系统理论规划法等等。近年来，随着计算机技术广泛用 于环境规划中，各种环境管理信息系统（EMIS)和水资源规划管理决策支持系统（DSS)及 地理信息系统（GIS)大量用于总量控制决策系统中。这些现代化手段和各种数学模型相结 合，为系统综合的分析、评价和预测环境质量的变化，客观地掌握环境中污染物的迀移转化 规律、确定总量控制的措施提供了有力的支持。
[0005] 因此，在渤海开展总量控制研究具有重要的理论意义和现实意义，并且对于中国 近海海域污染物排海总量控制的实施具有重要的参考意义。本项发明综合了多目标函数模 型与非线性规划模型的优点，将为沿海地区环保部门和海洋监管部门制定强制性污染物 排海总量削减方案，并为实现由目标总量管理向容量总量管理转轨提供科学依据；同时还 为有关部门制定区域经济规划、调整产业结构、合理配置工业布局等提供必要的理论依据 和技术支持。
【发明内容】
[0006] 本发明的基于多目标函数非线性规划模型的污染物产业/行业允许排放容量计 算方法是基于公平性原则、经济效益原则、经济与环境及资源利用可持续原则、以海定陆， 河海统筹原则、行政区划分原则。排污负荷分配到源是污染物排放总量控制的最终目的，合 理地、公平的确定各个污染源的允许排放量也是陆源污染物排放总量控制的关键之一。目 前，确定各个污染源的允许排放容量有多种方法，但各有优缺点。其中，数学规划方法是从 系统观点出发，根据污染源的空间格局和排放强度，以及污染治理的技术经济水平，求出整 个优化的具有环境经济效益的排污负荷分配方案。
[0007] 本发明通过将污染物排放容量问题看做一个数学优化问题，利用数学优化方法计 算允许排放容量，一般以陆源污染物排放量最大（或削减总量最小）为目标函数，最大限度 的利用海洋的净化能力，在保证海域环境质量达标的前提下，求出各陆源污染源（也可以 包括虚拟污染源）的整体优化的允许排放量。
[0008] 如在一定约束条件下对一个或多个目标函数进行最小化，通常用下式表示：
[0010] 式中的fi，i = 1，2，···,m是一标量目标函数，该目标函数将向量变量X影射到目 标空间中。X为η维决策向量，受约束条件限制分布于可行域D中。在可行域的说明中，包 含上述优化问题的约束条件。一般可行域由J个不等式约束条件或K个等式约束条件或二 者同时构成，如下所示：
[0011] D = {x:g.j(x)彡 0, hk(x) = 0, j = 1，2,…，J，k = 1，2,…，Κ} (2)
[0012] 目标函数和约束条件既可以是线性函数也可以是非线性函数，当两者至少有一个 非线性函数时，则称之为非线性规划。
[0013] 方法包括以下步骤：
[0014] 首先是目标函数的设定，目标函数模型应在满足经济、环境和社会三者协调发展 的前提下将水环境容量分配至行政区域内以及区域内各行业，并计算出污染排放单元的最 大允许排放容量；经济指标包括地区生产总值（GDP)和水环境治理费用，环境指标包括行 政区划或行业废水和污染物的排放数量以及排放水平；社会指标主要是要满足人口与环境 的协调发展；然后是约束条件的设定，约束条件应基于经济效益原则、公平原则、最低生活 水平保障原则，并在满足经济、环境和社会三者协调发展的前提下将水环境容量分配至各 行政区划或区域内各行业，约束条件包括经济、环境保护、社会三方面进行，其中经济方面 包括各城市地区生产总值、环境保护的投资费用，环境方面包括各城市所在流域的分配容 量、污水及污染物排放数量和排放水平，而社会方面为人口的发展水平。
[0015] 所述的目标函数设立是要求在环境与经济平衡发展的前提下，计算求出四大流域 各城市（单元）的污染物最大允许排放容量。目标函数包括目标海域（渤海）海洋环境容 量、各流域（单元）的分配容量以及环渤海13个城市（单元）的允许排放容量三个变量。
[0016] 所述的约束条件函数中的经济效益约束是依据经济效益增长的原则；所述的约束 条件函数中的污染物排放强度约束是按照公平和效益的原则，根据城市污染物的现状排放 量、一定国家海水水质标准下的流域分配容量以及污染物的排放水平来进行污染物排放强 度的约束；所述的约束条件函数中的人口约束应在各地区"十一五"规划所规定的目标范 围内；所述的约束条件函数中的环境投资约束应根据现状污染物排放强度，所在流域分配 容量，以及基准年环境投资的比例确定；所述的约束条件函数中的非负约束条件是由于模 型在数学上可以得到允许排放容量的极大值，在现实情况中却不可能出现。
[0017] -种沿海城市不同行业污染物允许排海量的优化计算方法，对环渤海13城市主 要化学污染物排海总量控制进行计算，整个渤海分为辽东湾、莱州湾、渤海湾和中央盆地四 个水域，大连，营口，盘锦，锦州，萌芦岛，秦皇岛，唐山，天津，沧州，滨州，东营，潍坊，烟台13 个城市按顺序前1到5分给辽东湾，6到7分给莱州湾，8到10分给渤海湾，11到13分给中 央盆地；具体建模步骤如下：
[0018] (1)目标函数模型建立：
[0024] i为污染物排放单元，以沿海城市分别作为污染物允许排放容量分配的单元；^为 沿海城市的污染物允许排放容量；
[0025] (2)约束条件函数模型建立
[0026] (2. 1)经济效益约束模型
[0027] 依据经济效益增长的原则，各城市单元最大允许排放量的确定同时要保证经济的 持续增长，因而上式中GDP要满足一定的增长，即：
[0028] ⑶Pt彡⑶P。·（l+rg)~t (4)
[0029] 式中⑶P。为i城市的基准年地区生产总值，⑶P t为第t年的地区生产总值，本文 指规划年的地区生产总值，单位均为IO4元/a。r g为⑶P年均增长率，％;
[0030] (2. 2)污染物排放强度约束模型
[0031] 按照公平和效益的原则，根据城市污染物的现状排放量、一定国家海水水质标准 下的流域分配容量以及污染物的排放水平来进行污染物排放强度的约束。若流域内城市污 染物的现状排放总量超过一定国家海水水质标准下的流域分配容量，则必须对污染物为排 放强度进行约束。如果城市污染物排放强度，即万元产值排放强度小于环渤海地区万元产 值排放强度的平均值，则规划年的污染物排放强度不能超过其基准年的排放水平；如果城 市万元产值排放强度大于环渤海地区的平均值，则规划年的污染物排放强度不能超过环渤 海地区基准年的平均排放水平，以促进各城市污染技术处理水平的提高。即：
[0034] α 1(]、％为基准年i城市的万元产值排放强度和环渤海地区万元产值排放强度的 平均值，单位均为t/?ο 4元。
[0035] 假设经济的增长与污染物的排放存在一定的关系：
[0036] Q1=X1Z^DP1 (6)
[0037] 式中i城市的污染物允许排放容量，单位为10 4t/a ;GDP$ i城市的地区生 产总值，IO4元/a ; α为i城市的污染物万元产值排放强度，单位为t/10 4元。通常情况下， 随着各经济与环境的发展，万元产值排放强度α也会发生变化。
[0038] (2. 3)人口约束模型
[0039] 污染物允许排放容量分配要保障人口数量增长的需要，而人口数量的增长，不能 超过各地区"十一五"规划所规定的目标。
[0040] Pt^ P0 · (l+rp)'t (7)
[0041] P。为i城市的基准年常住人□数量，P t为规划年的人□数量，单位均为10 4人/a。 rp为人口机械增长率，％。；同时人口与生活污水中污染物的排放存在定量关系：
[0042] Pi=Whi7^Pi (8)
[0043] 式中：β $ i城市的人均污染物排放强度，Kg/人;W Hl为生活污水中污染物的排 放量，l〇4t/a，P1为人□数量，10 4人/a。
[0044] (2. 4)环境投资约束模型
[0045] R10^ R1^ R1' (9)
[0046] 式中民为i城市环境治理投资占地区生产总值的比例，R1。为基准年环境治理投资 占地区生产总值的比例，R 1'为最大环境治理投资比例，单位均为％。R1'则根据现状污染物 排放强度，所在流域分配容量，以及基准年环境投资