基于系统协调度的入河排污布设分区理论及应用

尹炜 李建 辛小康

摘要：我国河湖等地表水体仍存在入河排污口布局不合理，取水口、排水口犬牙交错和相互影响等问题。而如何科学划定排污分区，协调水资源保护与利用之间的关系，尚缺乏科学理论方面的指导，因此迫切需要建立入河排污布设分区理论。基于系统协调论基本思想，从目标、关系、规则、行为等方面构建了入河排污布设分区理论体系，提出了基于系统协调度函数的排污布设分区模型，并选择汉江干流汉川段进行了典型案例分析。研究结果表明：基于系统协调度的入河排污布设分区理论可以从系统角度统筹考虑保护与发展、区域与区域、部门与部门、当前与长远4个维度的协调关系。基于协调度函数的排污布设分区模型具有计算方便、结果准确等优点，可为入河排污口科学布局提供理论和方法指导。

关 键 词：入河排污口; 布设分区; 系统协调度; 理论与应用

系统论是研究系统的结构、特点、行为、动态、原则、规律以及系统间的联系，并对其功能进行数学描述的学科，最早由美籍奥地利理论生物学家贝塔朗菲在1932年提出，其基本思想是把研究和处理的对象看作一个整体系统来对待[1]。20世纪70年代，德国物理学家赫尔曼·哈肯教授在系统论基础上发展了系统协调理论，提出系统相变过程是通过内部自组织来实现的，系统走向何种秩序和结构取决于系统在临界区域时内部变量的协同作用，这种协同作用可以用协调度进行量度[2]。目前系统协调論被广泛应用于社会-经济，社会-环境，环境-经济等发展模式的定量评价和预测工作中[3]。

系统协调论的思想在入河排污布局工作中具有很好的指导意义。入河排污布局问题实际上是一个流域整体性、关联性、层次性和动态性都很强的多目标优化问题[4-7]，只有把系统论思维作为顶层设计的方法论，才能协调好保护与发展、区域与区域、部门与部门、当前与长远之间的复杂关系。

入河排污布局是指科学划分禁止排污、限制排污的水域，使取水、排污、渔业、生态保护等水体使用功能互相协调、互不影响，从而达到人水和谐。禁止排污和限制排污的概念是在国内水资源保护工作实践中长期积累和发展形成的。2010年，长江水资源保护科学研究所编制的《三峡库区水资源保护规划》中最早提出了排污分区的概念，并对不同区域新设排污口提出了设置原则和要求[8]。2011年SL532-2011《入河排污口管理技术导则》中规定入河排污口管理单位应按照水功能区水质管理目标及限制排污总量控制要求，对区域入河排污口布局进行统一规划，提出禁止、限制设置入河排污口的水域范围。2011年，长江水资源保护科学研究所编制的《长江流域重点水功能区入河排污口布设规划——金沙江攀枝花江段入河排污口布设规划》中，在禁止排污区和限制排污区的基础上，进一步将限制排污区划分为严格限制排污区和一般限制排污区。随后，禁止排污区、严格限制排污区和一般限制排污区的概念被纳入《全国水资源保护规划（2015～2030）》。2016年，水利部印发《长江经济带沿江取水口、排污口和应急水源布局规划》，进一步细化了禁止排污区、严格限制排污区和一般限制排污区的分区方法。

目前，我国河湖等地表水体仍存在入河排污口布局不合理，取水口、排水口犬牙交错和相互影响等问题[9-10]。入河排污口作为控制污染物入河的最后一道关口，在流域水资源保护管理工作中具有重要地位。如何科学划定排污分区，协调水资源保护与利用之间的关系，尚缺乏科学理论方面的指导[11-12]，迫切需要建立入河排污布局分区理论。本研究将这套方法应用于入河排污布设分区研究工作中，使排污布局规划具备了定量化分区手段。

1 基于系统协调度的入河排污布设分区理论

在系统思维的基础上，统筹考虑多方面影响因素之间的协调关系，从目标、关系、规则、行为等方面构建了入河排污布设分区的系统协调理论架构（图1）。

1.1 理论的思想内涵

基于系统协调度的入河排污布设分区理论的具体内涵可以描述为：以系统协调论为基本思想，以排污与水环境保护相协调为目标，从保护与发展、区域与区域、部门与部门、当前与长远4个维度，综合反映：① 现状入河量与限排总量之间的污染负荷协调度;② 上下游左右岸出境断面污染物现状浓度与目标浓度之间的水质浓度协调度;③ 各类保护区等敏感水域的保护优先级协调度;④ 水功能区现状水质达标率与限制纳污红线之间的协调度，按照判断协调度优劣的规则，实现以水功能区为基本河段单元，以禁止排污区、一般限制排污区和严格限制排污区为主要组成的入河排污布局分区。

1.2 理论的结构组成

（1） 目标。入河排污布设分区的总体目标是实现排污与水环境保护相协调，具体可分解为保障水功能区水质达标、保障流域（区域）人民身体健康和生态环境，促进社会经济和生态的可持续发展。

（2） 关系。入河排污布设分区理论的核心是分别从系统的整体性、相关性、层次性和动态性角度，协调保护与发展、区域与区域、部门与部门、当前与长远4个维度的关系。其中，保护与发展的协调关系表现为现状入河量与水功能区限排总量指标之间的约束关系，区域与区域的协调关系表现为上下游左右岸断面水质现状浓度和目标浓度指标之间的约束关系，部门与部门的协调关系表现为各部门管理下各类水体保护层级之间的约束关系，当前与长远的协调关系表现为河段单元与区域水体整体水质不同阶段达标率指标之间的约束关系。

（3） 规则。入河排污布设分区理论的规则是通过判断协调关系中各维度要素之间的协调度优劣，进行入河排污布设分区。针对4个维度要素的约束指标与对应要素现状值的关系，构建协调度曲线和系统协调函数，根据系统协调函数值确定入河排污布设分区。

（4） 行为。入河排污布设分区理论的行为是完成禁止排污区、严格限制排污区和一般限制排污区的划分，这也是最终的协调结果。

2 基于协调度函数的排污布设分区模型

2.1 排污影响因素协调度曲线

根据入河排污布设分区理论框架，入河排污口的分区布局需要统筹考虑保护与发展统筹、区域与区域协调、部门与部门协同、当前与长远平衡4个评价维度。结合目前我国水资源保护已有的工作基础，选取确定了每个维度的量化评价指标（表1）。

2.1.1 污染负荷协调度曲线

对某一确定的水域而言，当污染物现状入河量（Qp）小于水域纳污能力（Qm）范围时，水环境容量处于可承受的范围，水域不会因容纳污染物而出现质量严重下降的情况，仍可以新设入河排污口排放污染物以满足社会经济发展的需要，该水域排污协调度越高，其污染负荷协调度U（e1）接近1。当现状入河量Qp大于等于水域纳污能力Qm时，该水域已经不适合新增入河排污口，社会经济要进一步发展，只能采取增产不增污，以新带老等方式置换，该水域的污染负荷协调度小于0.37（即1/e）。可见，污染负荷协调度U（e1）随Qp/Qm的增加而减小。若考虑多个水质指标，偏安全的角度而言，应选择污染负荷协调度的最小值参与综合协调度计算。入河排污口布设分区的污染负荷协调度曲线如图2（a）所示。

2.1.2 污染物浓度协调度曲线

对于某一确定的水域而言，当出境断面某污染物的现状浓度C小于等于目标浓度Cs时，说明该水域的排污量小，水质状况良好，未来可以新增排污口以满足本区域经济社会发展，污染物浓度协调度U（e2）较大。当出境断面浓度大于目标浓度时，说明本水域已不适合新增排污口，需要适当关停排污口以减少排污量，此时U（e2）<0.5。若考虑多个水质指标，偏安全的角度而言，应选择污染物浓度协调度最小值参与综合协调度计算。入河排污口布设分区的污染物浓度协调度曲线如图2（b）所示。

2.1.3 水域保护层级协调度曲线

我国水资源的不同属性归属于不同部门管辖，因此针对同一水域往往会出现多种管理办法。当同一水域面临多种使用功能需求时，就需要考虑水域的保护层级。水域保护层级根据其保护立法效力来确定。法律对应的保护层级为最高级（第1级）、国务院行政法规对应的保护层级为第2级、部委规章和省级法规对应的保护层级为第3级、设区的地市州法规为第4级、设区的地市州规章为第5级、规范性文件和标准为第6级。法律法规及规范性文件明确指出不能设置入河排污口的水域，按照规定应视法律的效力等级确定水域的保护层级协调度。法律明确规定不能设置排污口的，其保护层级为第1级的，U（e3）=0;法律及规范性文件未明确规定不能排污的，U（e3）=1;其余根据法律条文的表述类推确定，一般情况下U（e3）=P/10，P为保护层级，各类型水域保护层级协调度可按表2进行量化区分。入河排污口布设分区的污染物浓度协调度曲线如图2（c）所示。

2.1.4 纳污红线协调度曲线

以水功能区为基本评价单元，以地市级行政区（有条件的可细化至县级行政区）为统计单位，对比区域水功能区水质达标率现状和规划年水功能区水质达标率之间的关系，评判该水域当前水质现状与长远水质保护的关系，从而达到当前与长远的平衡。

对于某一确定的区域而言，当区域水功能区水质达标率E低于50%时，说明该区域水环境状况特别差，不符合水环境保护的总体要求，该区域不应再增加入河排污口，此时纳污红线协调度U（e4）=0;当区域水功能区达标率E为50%至红线目标值E0时，U（e4）线性增加，当区域水功能区达标率E为红线目标值E0至100%时，U（e4）=1。入河排污口布設分区的纳污红线协调度曲线如图2（d）所示。

3 汉江干流汉川段排污布设分区案例

3.1 研究区域概况

汉江干流汉川段自汉川市万福闸至武汉市新沟镇，河长79 km。根据《全国重要江河湖泊水功能区划（2011～2030年）》，汉江干流汉川段的一级水功能区划包括汉江仙桃、汉川保留区（54 km），汉江汉川开发利用区（25km）;其中，汉江汉川开发利用区又分为2个二级水功能区，即汉江汉川饮用水源、工业用水区（5 km）和汉江汉川工业用水、饮用水源区（20 km）。

本研究以2016年作为基准年，对汉江干流汉川段进行入河排污布设分区。研究江段的水质和污染物入河情况见表3。

根据调查，汉江干流汉川段COD现状入河量为2 221.0 t/a，氨氮入河量为612.8 t/a，对应的水域纳污能力COD为3 581.1 t/a，氨氮为298.5 t/a。

研究区域内，重要水环境敏感区有集中式饮用水水源地3处，分别为汉川市城区第二饮用水源地保护区、汉川市城区三水厂饮用水源地保护区、孝感市城区三水厂饮用水源地保护区;水产种质资源保护区1处，为汉江汉川国家级水产种质资源保护区。

3.2 入河排污布设分区结果

根据排污布设系统协调度函数计算结果，汉江干流汉川段共计划分了5个禁止排污区，河长24.6 km;1个严格限制排污区，河长5 km;1个一般限制排污区43.5 km（见表4）。其中，汉江汉川段国家级水产种质资源保护区核心区江段以及3个集中式饮用水源保护区被划为禁止排污区;汉江汉川工业用水、饮用水源区水质现状不达标，氨氮超标，除去部分水域为禁止排污区以外，剩余5 km为严格限制排污区水域;其余江段被划为一般限制排污区。

4 结 论

本研究基于系统协调论，提出了入河排污布设分区理论，并构建了排污布设分区模型，以汉江干流汉川段为典型区域，进行了案例分析，主要结论如下。

（1） 基于系统协调度的入河排污布设分区理论，从目标、关系、规则、行为等方面形成了一套完整的理论体系，该理论统筹考虑了保护与发展、区域与区域、部门与部门、当前与长远4个维度的协调关系，为科学布局入河排污口提供了理论指导。

（2） 基于协调度函数的排污布设分区模型，利用排污影响因素协调度曲线，耦合了污染负荷协调度、污染物浓度协调度、水域保护层级协调度和纳污红线协调度，从方法论方面为排污布设分区理论提供了量化计算方法。

（3） 选取汉江干流汉川段，利用排污布设分区模型进行了系统协调度计算。根据计算结果，将汉江干流汉川段计划分为5个禁止排污区、 1个严格限制排污区和1个一般限制排污区。从划分结果来看，构建的排污布设系统协调度函数能够较好地体现入河排污布设分区理论基本思想，同时能够更方便更准确地完成入河排污布局。

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（编辑：黄文晋）