基于費(fèi)效優(yōu)化模型的小清河流域入?？偟廴疚镏卫泶胧┏醪窖芯?

徐曉晨， 蘇 瑩,2， 李克強(qiáng)??， 梁生康， 王修林

(中國海洋大學(xué) 1.海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)化工學(xué)院，266100; 2.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

在地球上，海洋面積遼闊，生物種類繁多，是人類巨大的物質(zhì)能量來源，對人類的生存有著至關(guān)重要的意義。然而，隨著人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，海洋面臨著嚴(yán)重的污染問題，已嚴(yán)重破壞海洋生態(tài)。尤其自19世紀(jì)70年代以來，海洋環(huán)境問題越來越突出，水質(zhì)惡化程度和富營養(yǎng)化程度日益加重[1]。萊州灣處于渤海南部，是渤海三大海灣之一，營養(yǎng)鹽含量較高，總體上已呈現(xiàn)出富營養(yǎng)化狀態(tài)，其中西部調(diào)查海域無機(jī)氮污染嚴(yán)重，調(diào)查海域全部調(diào)查站位的無機(jī)氮含量超出《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的第二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[2]。為了緩解當(dāng)前水質(zhì)污染及水環(huán)境短缺的問題，需要采取一系列水質(zhì)改善措施和水體修復(fù)技術(shù)，制定合理可行的水污染綜合管理方案[3]。

眾所周知，水質(zhì)污染控制是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不同地區(qū)實(shí)施的不同措施會(huì)對目標(biāo)水體的污染物排放量產(chǎn)生不同的影響，不同流域的減排措施的費(fèi)用也是不盡相同的，這意味著任何一種統(tǒng)一的政策或相等比例的減排效率都是較低的[4]。因此，將技術(shù)手段與當(dāng)?shù)丨h(huán)境、經(jīng)濟(jì)條件整合在一起，建立管理措施的優(yōu)化方案，是我國流域環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾突出國情的基本要求。在環(huán)境、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)和諧發(fā)展的目標(biāo)下，合理污染控制措施的執(zhí)行，不僅僅要考慮水質(zhì)環(huán)境目標(biāo)，同時(shí)需關(guān)注經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)化與可行性[5]。

美國、歐盟十分重視工程措施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、效果評價(jià)和經(jīng)濟(jì)效益分析等方面，并展開了費(fèi)用—效益分析[6-8]。費(fèi)效分析從一般意義上講，是一種優(yōu)選可以達(dá)到某一既定目標(biāo)所需費(fèi)用最低的方案的技術(shù)，具體到污染物減排方案的優(yōu)選問題，費(fèi)效分析是用來在眾多備選減排措施或綜合減排方案中，根據(jù)其各自的相對費(fèi)用和環(huán)境效益對其進(jìn)行評估和排序的技術(shù)，是建立的低費(fèi)用-高環(huán)境效益的減排措施的核心技術(shù)。一般步驟包括：環(huán)境管理目標(biāo)的確定、污染源壓力解析、可行措施的建立、相關(guān)措施與環(huán)境目標(biāo)費(fèi)效關(guān)系的建立、各類措施/組合的優(yōu)化性排序、以及最終選定最優(yōu)方案。根據(jù)費(fèi)用、效益的表達(dá)方式以及二者的擇優(yōu)方式可分為：指數(shù)法[9]、層次分析法[10]、 擬合(如回歸模型)法[11]、不確定關(guān)系法[12]、數(shù)學(xué)規(guī)劃法[13-14]、模擬規(guī)劃法。例如江西省撫州市的水環(huán)境綜合整治決策過程中運(yùn)用層次分析法，指定去除率、水質(zhì)要求、處理設(shè)備控制容易程度、建設(shè)費(fèi)用等6個(gè)目標(biāo)進(jìn)行層次分析，在5套備選方案中尋找出最佳方案[15]；美國開發(fā)出一種利用遺傳算法的優(yōu)化方法，可以用比通常使用的成本份額與目標(biāo)策略方法更低的成本實(shí)現(xiàn)水質(zhì)目標(biāo)，該方法結(jié)合SWAT模型、最佳管理措施、經(jīng)濟(jì)因素，在遺傳算法的基礎(chǔ)上的空間隨機(jī)搜索措施組合[16]；2001年6月在弗蘭德政府建立了一種環(huán)境費(fèi)用模型(MKM)，采用環(huán)境成本法生成邊際成本曲線描述各種污染物減排措施的最有效的組合[17]。其中，數(shù)學(xué)規(guī)劃法最為常用。從環(huán)境效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、農(nóng)民或土地?fù)碛姓叩目山邮艹潭鹊确矫媪炕饔虼胧┑拈L遠(yuǎn)效益，已有研究對污染物減排的成本—效益進(jìn)行估算[18]。費(fèi)用—效益就是利用費(fèi)用函數(shù)和效益函數(shù)確定最佳治理水平，在此水平下，規(guī)劃方案的凈效益最大化。美國環(huán)保局用環(huán)境費(fèi)用—效益分析法對《清潔空氣法》實(shí)施的效果進(jìn)行了評估，結(jié)果表明《清潔空氣法》實(shí)施的成本是309億元,而由此產(chǎn)生的效益高達(dá)1 189億元,是成本的近4倍。然而目前的成本—效益分析幾乎都是對于備選的減排措施的一種次優(yōu)化篩選，缺少對于水質(zhì)污染控制管理費(fèi)用—效益的最優(yōu)化管理。

本文針對萊州灣底部污染問題，選取其污染物主要負(fù)荷來源的小清河流域，在分析研究區(qū)域的污染源特征基礎(chǔ)上，借鑒美國最佳管理措施[19-20]設(shè)計(jì)不同的治理措施，考慮資金投入與管理措施的關(guān)系，采用“費(fèi)效優(yōu)化評價(jià)法”(如數(shù)學(xué)規(guī)劃法)[21-22]，建立一個(gè)系統(tǒng)的框架和模型來估計(jì)小清河流域污染物減排措施的經(jīng)濟(jì)—效率解決方案，即水質(zhì)—經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型，優(yōu)選出工程投資最小，而且水質(zhì)改善程度最大的陸海全域環(huán)境綜合整治方案，使得方案實(shí)施后水質(zhì)達(dá)到功能區(qū)目標(biāo)要求，并且符合費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)性。

1 方法

1.1 研究區(qū)域

小清河是山東省境內(nèi)的一條重要河流，位于魯北平原南部，流域范圍包括濟(jì)南、濱州、淄博、東營和濰坊的5個(gè)市的18個(gè)縣(市區(qū))，干流全長約237 km，流域總面積約10 336 km2，主要支流包括杏花河、孝婦河和淄河，最終于壽光市羊口鎮(zhèn)注入渤海的萊州灣[23-24](見圖1)。萊州灣是渤海內(nèi)三大海灣之一，海岸線長約319 km，總面積6 966 km2左右，自西向東有虞河、黃河、彌河、小清河等眾多河流，是我國北方重要的海產(chǎn)品產(chǎn)生地，小清河雖徑流量小，但污染嚴(yán)重、水動(dòng)力交換弱。近年隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，陸源污染物排放和近岸養(yǎng)殖使萊州灣污染日益嚴(yán)重。灣內(nèi)各類污染物分布的高值區(qū)主要在南部及西南部河口區(qū)，主要是黃河口和小清河口附近[25]。小清河流域以耕地為主，占流域總面積約58.3%，其次是林地、建設(shè)用地(主要指城市和工業(yè)用地)和草地，分別約占14.9%、11.4%和10.7%，而水域和裸地最少，分別約占4.3%和0.4%。總氮污染物一方面來自農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物，另一方面來自工業(yè)廢水和生活污水的排放。根據(jù)小清河流域數(shù)字高程圖(1∶50 000，濟(jì)南市國土局)，將其劃分為154個(gè)源區(qū)計(jì)量單元。小清河流域面積占山東省的1/15，人口占1/9，經(jīng)濟(jì)總量占1/7。

圖1 小清河流域范圍[26]Fig.1 The scope of Xiaoqing River Basin[26]

1.2 費(fèi)效優(yōu)化模型

對近岸海域水環(huán)境TN污染物的綜合管理措施問題，資金問題是措施效果及可行性的最大障礙，因此在滿足TN污染物削減效果和功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)的要求下，如何優(yōu)化組合治理措施成為流域污染治理過程的關(guān)鍵問題。首先提出一個(gè)一般的通用模型，即經(jīng)濟(jì)—水質(zhì)模型，可以計(jì)算確定達(dá)到目標(biāo)納污海域水質(zhì)時(shí)一套最具成本—效益減排技術(shù)措施。該模型基于兩個(gè)模型的耦合，即水質(zhì)模型SWAT[27]和環(huán)境成本計(jì)算模型(簡稱ECM)[28]。模型建立的主要流程如下：

(1) 根據(jù)小清河流域陸源TN污染物的負(fù)荷情況及污染源類型，計(jì)算分析每個(gè)源區(qū)計(jì)量單元污染物產(chǎn)量及輸運(yùn)過程的污水處理工程減排量(簡稱“工減量”)和流域環(huán)境輸移減排量(簡稱“輸減量”)，確定具體治理措施。

(2) 確定具體治理措施的費(fèi)用核算方法及減排效率。

(3) 確定優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)、約束條件及相關(guān)參數(shù)，本文選用組合措施總費(fèi)用最小作為優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)，選擇流域所TN需減排量以及當(dāng)前環(huán)境經(jīng)濟(jì)投資作為優(yōu)化模型的約束條件。

(4) 利用MATLAB軟件編寫程序，運(yùn)行模型求解與分析。

在小清河流域，基于費(fèi)效最優(yōu)的措施組合優(yōu)化模型基本結(jié)構(gòu)：

a) 目標(biāo)函數(shù)

(1)

對于每種環(huán)境整治措施，其工程投資額是工程量的函數(shù)，即

INVWR(o)=f1(EQWR(o))。

(2)

所以，整治措施費(fèi)效評價(jià)的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)寫為：

(3)

其中：INV表示總投資費(fèi)用(萬元)；INVWR(o)表示陸源污染物差別化減排的投資費(fèi)用(萬元)；O分別表示措施的具體數(shù)量，上標(biāo)*表示措施的最小費(fèi)用。

“WR”(Waste Reduction)表示陸源TN污染物差別化減排措施，一般是通過等高線種植、作物殘茬覆蓋、合理輪作、測土配方施肥、畜禽集約化養(yǎng)殖模式、退耕還林[29]、污水處理廠新建和擴(kuò)建[30]、綠化、濕地修復(fù)、河流湖泊[31]治理等(非)工程措施，降低入海排污數(shù)量，但一般不能改變?nèi)牒Ｅ盼鄯峙淙萘俊?/p>

(4)

所以，對于入海排污口污染物排放量變化量可表示如下：

(5)

b) 總投資額的約束

INV*≤INVT。

(6)

其中：INVT表示小清河流域5個(gè)市的環(huán)境整治的總投資，單位為萬元。

c) 小清河流域?qū)嶋H減排量約束

ΔE(DL)≤ΔE≤ΔE(UL)。

(7)

ΔTL(DL)≤ΔTL≤ΔTL(UL)。

(8)

ΔTR(DL)≤ΔTR≤ΔTR(UL)。

(9)

ΔW(DL)≤ΔW≤ΔW(UL)。

(10)

對于陸源TN污染物入海排放超壓(即現(xiàn)狀入海排放量高于分配容量排放量30%)且需減排區(qū)塊，通過各種陸源減排技術(shù)措施產(chǎn)生的入海排放削減量合計(jì)是：

(11)

其中：W、T、E、F依次代表產(chǎn)污量、輸減量、工減量以及最終入海排放量；上標(biāo)#表示采取措施后各量；下標(biāo)P和NP分別代表點(diǎn)源和非點(diǎn)源，L、R分別表示土地與河流；Δ表示措施削減量，下標(biāo)“DL”和“UL”分別表示下限值和上限值。這里，

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(1) 對于污水處理工程減排需要增加量(簡稱“工減需增量”)上下限計(jì)算 上限值應(yīng)等于相應(yīng)后源頭治理(即產(chǎn)污數(shù)量保持現(xiàn)狀WP(k))時(shí)的工減增量：

(17)

(18)

其中：μ表示點(diǎn)源TN污染物綜合去除率；“*”表示分配容量下的數(shù)據(jù)。

(2) 對于土壤輸移減排需增量(簡稱“土壤輸減需增量”)上下限計(jì)算 上限值等于相應(yīng)源頭治理的土壤輸減增量：

(19)

其中：ψ表示點(diǎn)源截污率；WP_B(k)表示點(diǎn)源區(qū)塊(高密度土地)地表徑流產(chǎn)污數(shù)量；εL表示土壤輸減率。

下限值等于相應(yīng)先源頭治理的土壤輸減增量：

(20)

(3) 對于河流輸移減排需增量(簡稱“河流輸減需增量”)上下限計(jì)算 上限值等于相應(yīng)后源頭治理的河流輸減增量：

(21)

式中εR表示河流輸減率。

下限值等于相應(yīng)先源頭治理的河流輸減增量：

(22)

(23)

(24)

下限值應(yīng)等于后先源頭治理產(chǎn)污數(shù)量保持現(xiàn)狀和時(shí)的產(chǎn)污減量：

(25)

(26)

1.3 小清河流域水環(huán)境治理措施

流域環(huán)境整治與生態(tài)修復(fù)的前提是對入海污染物進(jìn)行削減，不僅要控制點(diǎn)源污染，同時(shí)必須重視非點(diǎn)源污染物的控制。對于非點(diǎn)源污染的控制主要從2個(gè)方面考慮，一是對于污染源頭的控制，將污染物的產(chǎn)生量控制較低水平；二是對污染物擴(kuò)散途徑的控制，通過研究非點(diǎn)源污染的擴(kuò)散機(jī)理，采取適當(dāng)措施，減少污染物排入地下或地表水體的數(shù)量[34]。水質(zhì)的污染既可能是污染物源頭產(chǎn)污超量、也可能是擴(kuò)散過程凈化不足，目前小清河流域污染原因，一方面在于小清河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源化肥引起的污染嚴(yán)重，化肥用量保持著較快增長的勢頭, 部分經(jīng)濟(jì)作物的施氮量甚至超過已經(jīng)超過350 kg/hm2，遠(yuǎn)超過國際上公認(rèn)的施氮量上限(225 kg/hm2)。另一方面在于小清河沿岸企業(yè)在生產(chǎn)過程中污水處理設(shè)備未配備齊全且有偷排現(xiàn)象的存在，造成污染物超標(biāo)排放。此外，水域的吸附解吸、轉(zhuǎn)化和生物降解等凈化作用也很重要。針對小清河流域污染的主要原因采取以下措施：

1.3.1 農(nóng)業(yè)面源的施肥量管理 近年來中國由于糧食安全的壓力, 一直強(qiáng)調(diào)增加化肥投入,但隨著化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施用量的增加，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量逐漸增加的同時(shí)，由于一些地區(qū)大量施用單一比例或單純的化肥，也造成了農(nóng)業(yè)成本增加、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降和環(huán)境污染加劇等一系列問題，可以說中國農(nóng)田化肥污染問題的程度和廣度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過發(fā)達(dá)國家?；释度胄纬傻南鯌B(tài)氮會(huì)隨徑流流失或隨水下滲，污染湖泊或海域及地下水源。農(nóng)田當(dāng)季未回收的氮素大部分進(jìn)入水體和大氣，成為水體富營養(yǎng)化的主要因素之一，尤其是對于封閉或半封閉的海域。因此，為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和水體的健康發(fā)展，同時(shí)考慮農(nóng)民化肥投入的收益成本，將污染控制與經(jīng)濟(jì)投入結(jié)合起來，提出化肥控制和施用管理的最佳管理措施[35-36]。本文對農(nóng)業(yè)面源考慮采取適量削減化肥使用量的措施以減少污染物的源頭產(chǎn)生量。

1.3.2 污水處理廠的改容擴(kuò)建 目前對于點(diǎn)源污染的治理，污水處理廠的新建是最主要、最常用的措施。然而，在迅速發(fā)展的城市依然存在現(xiàn)有的污水處理廠規(guī)模太小且排放標(biāo)準(zhǔn)不嚴(yán)格的現(xiàn)象，但是新建污水處理廠又面臨著用地難找等問題，因而當(dāng)前常用的解決方法就是對原有的污水處理廠進(jìn)行改容擴(kuò)建[37]。本文對于小清河流域的點(diǎn)源源區(qū)計(jì)量單元進(jìn)行污水處理廠擴(kuò)建措施。

1.3.3 生態(tài)濕地的修復(fù) 濕地是陸地和湖泊之間過渡的生態(tài)系統(tǒng)，兼有水域和陸地生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，是人類重要的生活環(huán)境之一。但是，近幾年來隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展加上濕地生態(tài)平衡本身十分脆弱，小清河流域的濕地資源已經(jīng)受到了嚴(yán)重的破壞，出現(xiàn)面積大幅度縮小、生物多樣性減少、生產(chǎn)力減弱、污染嚴(yán)重等現(xiàn)象。濱海濕地對污染物具有截留作用，一方面能夠減緩地表徑流的流速；另一方面能夠通過沉積、過濾、吸附及微生物之間的相互作用等，降低和控制入海污染物的濃度[38]。本文在小清河流域輸減短缺的源區(qū)計(jì)量單元考慮采取濕地修復(fù)措施。

1.4 小清河流域陸源污染物減排措施減排效果及費(fèi)用關(guān)系的建立

確定水環(huán)境管理措施的最佳費(fèi)效比則首先要建立各類減排措施工程量與其成本和減排能力的關(guān)系。但是在實(shí)際計(jì)算中由于數(shù)據(jù)的難以收集齊全，所以要精確計(jì)算非線性的費(fèi)用方程是比較困難的。本文根據(jù)前人的研究成果選取比較公認(rèn)的關(guān)系數(shù)學(xué)模型，利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)、模型設(shè)置情景進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果針對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合可獲得地域性費(fèi)效參數(shù)，構(gòu)建各類措施的費(fèi)效關(guān)系，用于下一步費(fèi)效優(yōu)化。

1.4.1 農(nóng)業(yè)面源的施肥量管理 在陸源TN污染物減排措施中，污染源產(chǎn)強(qiáng)環(huán)境準(zhǔn)入是源頭治理的有效方法[39-40]，因此，源頭治理主要是降低污染源產(chǎn)強(qiáng)系數(shù)，可減量是：

ΔWk=βW×QW_k。

(27)

其中：QW_k、ΔWk、βW分別表示污染源區(qū)k源頭治理工程量(單位：t/年)、措施后導(dǎo)致污染物最終入海量的削減量(單位：t/年)以及源頭治理削減系數(shù)(即削減單位產(chǎn)污量導(dǎo)致最終入海量削減量)，其數(shù)值采用SWAT模型模擬各源區(qū)所得，詳情請參見表1。

施肥量管理的費(fèi)用依據(jù)降低污染物產(chǎn)生量所造成的經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算，費(fèi)用方程如下：

CW_k=γW×ΔWk。

(28)

其中：CW_k、γW分別表示源區(qū)k采取源頭治理措施所造成的經(jīng)濟(jì)損失和源頭治理費(fèi)用系數(shù)(即源頭治理削減單位最終入海量所需的費(fèi)用)，其數(shù)值采用Kong等的研究結(jié)果[41-42]，詳情請參見表2。

1.4.2 污水處理廠改容擴(kuò)建 對于在污水工減系統(tǒng)建設(shè)，即可以采取擴(kuò)新建方式，也可以采取污水處理技術(shù)改造升級(jí)方式。污水工減系統(tǒng)擴(kuò)新建直接增加的工程減排量是：

ΔEk=βE×QE_k。

(29)

其中：QE_k、ΔEk、βE分別表示污染源區(qū)k工減建設(shè)工程量(單位：m3/年)、措施后導(dǎo)致污染物最終入海量削減量(單位：t/年)以及工減建設(shè)削減系數(shù)(即增加單位污水處理量導(dǎo)致最終入海量削減量)，其數(shù)值詳情請參見表2。

對于污水處理廠的費(fèi)用主要取決于污水處理廠的處理容量、建設(shè)投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。本文中污水處理廠的費(fèi)用參考文獻(xiàn)[43-44]中已有的相應(yīng)函數(shù)計(jì)算，但是由于該費(fèi)用函數(shù)是以1989年為基準(zhǔn)年建立，考慮到小清河流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀和物價(jià)上漲的因素，本文對其進(jìn)行修正計(jì)算得到2017年的費(fèi)用函數(shù)，如表1(假定物價(jià)上漲指數(shù)為0.20)。

表1 污水處理廠的費(fèi)用函數(shù)Table 1 The cost of sewage treatment plants function

注：C，CR，Q1，Q分別表示建設(shè)費(fèi)用、年運(yùn)行費(fèi)用、日處理污水量(m3/d)、年污水處理量(104m3/a)。

C，CR，Q1，Qexpressed construction costs、the annual operating costs daily sewage treatment(m3/d) 、annual sewage treatment(104m3/a).

1.4.3 流域的濕地修復(fù) 對于濕地修復(fù)導(dǎo)致的流域輸運(yùn)過程中污染物削減的增加量，需要應(yīng)用SWAT流域模型模擬計(jì)算：

ΔTk=βT×QT_k。

(30)

其中:QT_k、ΔTk、βT分別表示污染源區(qū)k濕地修復(fù)工程量(單位：m2)、措施后導(dǎo)致污染物最終入海量削減量(單位：t/年)以及濕地修復(fù)削減系數(shù)(即修復(fù)單位面積濕地導(dǎo)致最終入海量削減量)，其數(shù)值采用SWAT模型，通過改變每個(gè)污染源區(qū)的土地利用類型，模擬其造成的最終污染物排放量的減排情況，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得濕地修復(fù)減排效能關(guān)系，詳情請參見表1。

對于濕地修復(fù)費(fèi)用選取目前比較公認(rèn)的多項(xiàng)式表達(dá)[45-46]：

(31)

其中：CT_k、γT分別表示源區(qū)k采取濕地修復(fù)措施的費(fèi)用和費(fèi)用系數(shù)(即濕地修復(fù)削減單位最終入海量所需的費(fèi)用)，其數(shù)值采用Kong等的研究結(jié)果[41-42]，詳情請參見表2。

表2 各措施對相應(yīng)系數(shù)以及污染物數(shù)量的影響關(guān)系Table 2 Various measures to the corresponding coefficient and the influence of pollutants quantity relations

注：源頭治理t/年；濕地修復(fù)m2/年；污水處理廠m3/年。Source treatment ton / year; wetland restoration m2/year; sewage treatment plant m3/year.

2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)上面的分析，減排方案只針對超壓且需減排的源區(qū)計(jì)量單元，假定污水處理廠改容擴(kuò)建只適用于點(diǎn)源，利用上文建立的優(yōu)化模型求解。以總氮為研究物質(zhì)進(jìn)行削減，計(jì)算結(jié)果顯示，在小清河流域非點(diǎn)源需削減氮肥約2 900 t、點(diǎn)源需擴(kuò)建污水處理廠約6 300萬m3/年(見圖2)，所需的費(fèi)用最低約為15億元，占流域生產(chǎn)總值的1.5%左右，與現(xiàn)在大力完善污水處理設(shè)施建設(shè)的治理方案投資19億相比，可節(jié)約20%多。對應(yīng)的通過施肥控制措施可使TN污染物產(chǎn)生量減少2 916 t、通過污水處理廠擴(kuò)建措施可使TN污染物削減量增加697 t。

根據(jù)圖2顯示，其中淄博市的桓臺(tái)縣、濱州市的鄒平縣、東營的廣饒縣以及濰坊市的壽光市由于以種植業(yè)為主，應(yīng)該重點(diǎn)進(jìn)行農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源的施肥管理，例如肥料種類的選用方面，可以采用控釋或緩釋肥料和有機(jī)肥料；在施肥方式的改進(jìn)方面,施肥應(yīng)盡量考慮分次施肥、深施和平衡施,并結(jié)合當(dāng)?shù)氐奶攸c(diǎn)設(shè)計(jì)出有效的施肥方式機(jī)肥料。而濟(jì)南市的歷城區(qū)則應(yīng)該加強(qiáng)污水處理系統(tǒng)的建設(shè)，建全污水處理廠、污水管網(wǎng)和設(shè)施。

圖2 小清河流域減排措施分布。Fig.2 Distribution in xiaoqing river drainage by reduction measures

小清河流域減排措施優(yōu)化后對應(yīng)的小清河入?？诘奈廴疚锱欧帕繛?0 685 t，比減排之前降低3 613 t。應(yīng)用近海三維水動(dòng)力-生物地球化學(xué)耦合過程水質(zhì)模型模擬減排前后入?？谔幩|(zhì)，以措施實(shí)施后水質(zhì)濃度差作圖(見圖3)。結(jié)果顯示入海口處無機(jī)氮濃度變化梯度明顯。由圖可知，實(shí)施優(yōu)化方案后，萊州灣DIN濃度大大降低，水質(zhì)情況明顯好轉(zhuǎn)，灣底處DIN濃度變化尤為明顯。

3 結(jié)論與建議

(1) 通過小清河流域水環(huán)境管理方案費(fèi)效優(yōu)化模型計(jì)算可知：小清河流域中非點(diǎn)源需削減2 900 t、點(diǎn)源需擴(kuò)建污水處理廠6 300萬m3/d，且所需的費(fèi)用最低為15億元。實(shí)施優(yōu)化方案后，小清河入?？谔師o機(jī)氮濃度大大降低，水質(zhì)情況明顯好轉(zhuǎn)。

圖3 小清河流域減排優(yōu)化前后，萊州灣DIN濃度 變化分布(mg/L)Fig.3 Computed distribution of DIN in Laizhou Bay before and after optimization

(2) 本文以源區(qū)計(jì)量單元為研究對象，在分析了每個(gè)源區(qū)計(jì)量單元的類型及超壓情況的基礎(chǔ)上建立了以費(fèi)用最小化為目標(biāo)函數(shù)和水質(zhì)達(dá)標(biāo)為約束條件的水環(huán)境管理措施費(fèi)效優(yōu)化模型，并將其成功應(yīng)用于小清河流域。研究結(jié)果給小清河流域環(huán)境治理方案提供了支持，可以為其他海域的水環(huán)境污染控制管理方案提供參考價(jià)值。

(3) 由于費(fèi)用估算可能存在偏差，以后改進(jìn)費(fèi)用計(jì)算的準(zhǔn)確性可以進(jìn)一步提升在不同流域的計(jì)算可靠性。