基于COD水环境剩余容量的流域生态补偿研究

谢晓敏 蹇兴超 冯庆革

(1.广西大学环境学院，广西 南宁 530004;2.广西壮族自治区环境保护厅，广西南宁 530028）

本文选取普遍认可的污染指标COD为主要计算因子，从上游经济发展受限的角度出发，核算水域的化学需氧量(COD，Chemical Oxygen Demand）水环境容量，估算了COD水环境容量的工业利用价值，确定了环境容量和流域生态补偿之间的关系，并结合当环境状况和地经济发展程度确定补偿系数，提出了一种基于COD水环境剩余容量的流域生态补偿标准计算方法，从而为流域生态补偿提出了一种新的补偿思路。

1 基于水环境容量的流域生态补偿分析方法

1.1 环境容量的计算方法

环境容量的测算各有特点，本文采用断面水质控制反向计算方法，所用的一维水环境容量模型适用于河宽小于200m的河道，通常先确定流域范围的功能区划设定的水质目标和一定保证率下的最枯月流量［1］，在忽略离散作用时，描述河流污染物一维稳态衰减规律的模型为:

式中，M为计算单元的理想水环境容量(t/a），Cs为上游断面控制浓度(mg/L），C为下游断面控制浓度(mg/L），Q为河道流量(m3/s），u为河段的设计流速(m/s），x为计算单元的长度(m），k为污染物综合降解系数(L/d），α为不均匀系数，βs为允许排污河长占总河长的比例，不超过40%。

按照模型(1）计算得到的水环境容量是与设定的条件相对应的一个确定的、理想的数值，理想的水环境容量容纳了点源污染源和非点源污染源两部分，非点源污染物不利于总量控制方案的实施［2］。在实际的河流水环境容量计算中，希望得到的是易于控制的、集中式排放的点源污染源的容量。因此，实际环境容量是式(1）的计算结果减去非点源污染源的入河量，如式(2）所示:

1.2 估算单位COD水环境容量的价值

式(3）中，C0为单位COD水环境容量的价值(万元/t），G为当年该地排污企业对工业废水处理的投资资金，E为当年该地工业COD排放总量(t/a）。式(3）的意义是根据当地COD排放总量以及当地经济状况的调查，计算排放每吨COD对应的投资金额C0(万元/t），估算每吨COD水环境容量的工业价值。

1.3 计算流域中COD水环境容量的工业利用价值

本文基于COD水环境容量作为生态补偿的参考基准，根据式(4）确定流域剩余COD水环境容量的工业利用价值。式中，C为流域剩余COD水环境容量的工业利用价值(万元），M为按功能区断面水质标准的类别计算的实际环境容量(t/a），Mi为按实际监测水质类别计算的实际环境容量(t/a），k为流域生态补偿系数，由补偿双方GDP的比值和工业废水的比重确定。计算结果若为正数，则说明上游COD剩余环境容量为正，下游需支付补偿费用;反之，说明上游COD剩余环境容量为负，需对下游支付治污补偿费用;若计算结果为零，则双方无需支付补偿。

2 实例研究

以左江崇左河段为例，其流域内水源的主要利用方式是饮用水源和景观用水(景观娱乐用水区、饮用水源保护区），崇左市处于南宁市取水口的上游，影响着南宁百万人民饮用水质量。从1991年以来，南宁市的自来水水质综合合格率均在99.45%以上，该河段达到《地面水环境质量标准》(GB3838－2002）Ⅱ类水质，排入该河段的主要污染源是点源污染源，包括城市生活污染源、工业污染源和规模化养殖污染源。

图1为南宁市和崇左市排污总量、人均GDP的比较，从图中可以看出，2003年至2010年的统计数据中，下游南宁市的污水排放总量比上游崇左市高30%左右，都在2006年前后达到“倒 U 型”曲线［3－5］的峰值，但崇左市的人均GDP比南宁市低25%以上，反映了经济增长与环境质量的量化关系［6］，从某种程度上来说，上游城市在水源保护中受到一定的经济发展限制［7］。因此，本文有必要以崇左市作为案例研究对象，考虑流域生态补偿的环境管理手段来缓和南宁市和崇左市经济发展的差异。

图1 南宁市和崇左市排污总量、人均GDP的比较(2003－2010）

2.1 COD水环境容量计算分析

2.1.1 COD 排放总量的估算

(1）点源污染量。根据表1污染普查数据显示，2007年崇左市排放工业废水总量为4 692.49万t，经处理排放的工业废水COD总量为3.61万t;城镇人口数量40.33万，城镇废水排放总量为2 767.52万t，COD排放量达0.97万t;折合规模化养殖猪共4.72万头，废水产生量共5.49 万 t，污水排放量1.10万 t，COD 排放量达 3 100t。综合以上工业污染源、城市生活污染源、规模化养殖污染源排放的COD总量作为点源污染源排放总量，合计崇左市点源COD排放量为4.89万t，南宁市为15.53万t。

(2）非点源污染量。非点源包括农村生活、农田径流、非规模化禽畜散养、城市径流、矿山径流［2，8－9］，合计崇左市非点源排放量为11.14万t，南宁市为19.54万t。

表1 崇左市、南宁市点源和非点源COD排放量统计

2.1.2 剩余COD水环境容量的计算

(1）功能区及计算单元的划分。明确功能区的划分，在计算前，对河道进行了一定的简化，左江崇左河段总共分为40个单元计算，每个单元的长度不超过20km。

(2）计算边界。污染源调查点上强调重点污染源，水环境功能区的划分，若出现上下游断面水质矛盾，按较高功能标准进行。水文统一按照90%最枯月流量计算，不考虑现状因素变化和优化。模型计算的前提是，污染物进入河流后，在一定范围内经过平流输移、纵向离散和横向混合后达到充分混合，或者根据水质管理的精度要求允许不考虑混合过程而假定在排污口断面瞬时完成均匀混合，按一维模型问题概化计算条件［2］。

(3）模型参数的确定。①Cs上游断面控制浓度和C下游断面控制浓度

根据功能区的划分，断面水质要求执行GB3838－2002《地表水环境质量标准》;②取90%保证率最枯月平均流量作为设计流量，确定相应的设计流速，考虑安全因素，设计流速取0.1m/s;④x计算单元的长度按不同功能区划分，基本划分为10km;⑤k污染物综合降解系数的取值，通过实验测定COD浓度并经过一级动力学反应模型确定。一般COD污染降解系数取0.2L/d;⑥α不均匀系数的取值，河宽0－50m取值为0.8－1，50－100取值为0.6－0.8，100 － 150 取值为 0.4 － 0.6［2］。龙州县河段40m，扶绥县河段80m，江州区河段110m，α分别取值1、0.8、0.6。⑦βs是允许排污河长占总河长的比例，β取值限制为40%。将以上参数带入反向计算模型，根据反向计算模型计算得到的即为理想水环境容量，必须扣除无组织排放的非点源COD入河量才能得到能进行总量控制的实际环境容量，如式5所示。非点源COD入河量为实际上非点源进入河道的总量，大部分为无组织排放源或天然排放源。

表2 崇左市左江各行政区段按Ⅱ、Ⅲ类水质的COD水环境容量汇总

(4）模型计算结果。根据以上的计算过程，得到2007年左江崇左河段环境容量的汇总表见表2。

图2 崇左市河段各计算单元按Ⅱ类、Ⅲ类水质标准计算的COD水环境容量比较

如表2所示，2007年崇左河段按Ⅲ类水质计算的COD理想水环境总容量为244 557.3t，非点源污染物总入河量为 4 086.5t，COD 水环境实际容量为 240 470.8t。按Ⅱ类水质计算的COD理想水环境总容量为183 417.9t，非点源污染物总入河量为4 086.5t，COD水环境容量为179 331.4t。

图2为崇左市河段各计算单元按Ⅱ类、Ⅲ类水质标准计算的COD水环境容量比较，图中列出了主要流域范围中龙州县、江州区、扶绥县的COD水环境容量情况。根据Ⅱ类、Ⅲ类水质计算的剩余COD水环境容量为61 139.4t。

2.2 单位水环境容量价值的研究

根据调查，2007年全市排污企业的废水处理总投资约为3.458亿元，排放工业废水COD总量为3.61万t，折合处理每吨COD需投资9 578.9元。

2.3 崇左市流域水环境COD水环境容量的工业利用价值

本文提出基于COD水环境容量的工业利用价值作为流域生态补偿的参考，根据式(4）可知:

本方法计算的剩余环境容量若全部用于工业生产，理论上可以多产生5.86亿元的产值，但由于生态系统服务功能的复杂性，其计算结果往往偏大，所以只能作为补偿的量化参考。水环境容量也不可能完全利用殆尽，因此生态补偿额度需根据两地环境和经济发展的差异确定补偿系数k，或由补偿双方协商确定。

2.4 流域生态补偿系数的计算

根据2003－2010年的污普数据显示，崇左市工业COD排放占总量的比重稳定在75% －85%之间，2007年崇左市工业COD排放占总量的比重为78.9%。南宁市和崇左市的GDP比值如表3所示，2007年两市该比值为0.216，最终确定流域生态补偿系数k为0.170，那么本方法计算关于南宁市和崇左市的流域生态补偿的额度为C=5.86k，即9 962 万元。

表3 南宁市和崇左市的GDP及补偿系数

3 结论

本文从COD水环境容量的角度出发，提出了基于剩余环境容量的流域生态补偿，构建了一个涉及环境和经济要素的流域生态保护补偿的模式，并以左江流域崇左市和南宁市为案例分析，测算了上游崇左市为保护下游南宁市水质所放弃的工业发展机会成本。结果表明COD水环境容量与流域生态补偿有直接关系，可以采用COD水环境容量的价值计算出流域生态补偿的额度，此额度可用于衡量上游崇左市水质保护效果高于功能区规划所付出的代价，具有较高的现实价值。这种方法有助于深化自然资源与环境承载力相协调的可持续发展原则，减轻上游发展过程中对流域生态环境投入的压力，在全流域资源整合的层面上促进水资源的可持续利用。

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