王佳伟, 曾思育, 杜鹏飞, 陈吉宁, 徐一剑
(清华大学环境科学与工程系, 北京100084)
摘 要: 该文简要论述了水环境规划中集成化方法的思想, 并以温州市温瑞塘河为例, 探讨在水环境综合整治规划中如何运用集成化方法。集成化方法通过把一个非常复杂的事物的各个方面综合起来, 用以解决复杂系统的有关问题。温瑞塘河综合整治规划在编制过程中, 充分识别水环境系统内部要素之间关系、水系统与其它系统相互关系、系统与相关利益集团之间相互关系, 综合运用不确定性分析技术、GIS 技术、现代通讯技术, 从多个侧面多个层次上体现了集成化的规划策略。
关键词: 集成化; 水环境; 规划; 温瑞塘河
中图分类号: X321 文献标识码:A 文章编号: 1001- 2141(2003) 11- 0141- 04
收稿日期: 2003- 03- 08 作者简介: 王佳伟(1976- ) , 男, 浙江诸暨人, 2000 年毕业于上海同济大学, 获学士学位, 在读硕士研究生, 研究方向: 环境规划与管理。
水污染是人类面临的重大环境问题之一, 在某种程度上制约着社会、经济的发展。考虑到水环境综合治理规划具有多主体、多层次、多目标、多时段的特点, 需要对包括水、社会、经济在内的各个子系统进行综合考虑, 因此有必要采用集成化的思想, 在系统分析的基础上进行规划的综合集成, 从而使综合整治规划有更高的可行性和可靠性。
1 集成化方法及其在水环境规划中的发展
中国古代思维的特点之一就是整体思维, 即着重从整体上把握事物的特性和功能[1 ]。20 世纪90 年代初, 钱学森提出了用集成化方法来解决复杂巨系统的有关问题, 也就是说, 把一个非常复杂的事物的各个方面综合起来, 而且把人的思维, 思维的成果, 人的知识、智慧以及各种情报、资料、信息统统集成起来[2 ]。
水环境系统作为一个复杂系统, 其规划方法也不断向集成化方向发展。在20 世纪60、70 年代, 数学规划方法曾广泛应用于水环境规划中, 但由于优化模型本身的局限性, 已不再作为获得规划方案的唯一途径。20 世纪80 年代水环境规划进入了综合规划阶段, 在20 世纪90 年代综合规划得到了进一步的发展, 并提出了在充分协调各利益集团之间的矛盾和冲突, 综合考虑各子系统之间相互作用的基础上, 从利益集团的职能及子系统的功能两个方面把各系统的关键要素有机组织起来的集成化规划[3 ]。在此基础上, 进一步出现了综合法律、经济、行政、技术、信息传播、启发教育等多种形式的集成化水管理思想[4 ]。从而深化了集成化思想在水环境规划中的内涵, 同时也拓宽了集成化思想在水环境规划中的外延。
制定集成化水环境规划的目的在于运用系统分析和系统工程的理论和方法, 协调优化社会经济、水污染治理、水环境容量资源开发利用的关系, 保护水环境, 促进社会经济的发展。下文以温州市温瑞塘河为例, 探讨在水环境综合整治规划中如何运用集成化方法。
2 温瑞塘河流域水污染概况
温瑞塘河水系位于瓯江与飞云江之间的温瑞平原, 流域总面积约740km 2, 主河道全长33. 85km , 共有大小河道总长近1200km , 水面面积约22km 2。进入20 世纪80 年代以后, 随着温州市国民经济的迅猛发展, 温瑞塘河水系的污染问题变得越来越突出。老百姓当中普通流传着“20 世纪60 年代淘米洗菜, 20世纪70 年代洗衣灌溉, 20 世纪80 年代开始变坏, 20 世纪90年代鱼虾绝代”的说法, 形象地说明了温瑞塘河水质恶化的总体趋势。根据温州市环保局发布的数据, 最近4 年温瑞塘河干流水质情况如表1 所示。
3 集成化思想在温瑞塘河流域规划中的体现
温瑞塘河综合整治规划运用了集成化的策略, 在充分认识水环境的各个系统以及相关利益集团之间相互关系的基础上,对各种关系做出了相应的管理控制, 实现了水体功能目标的多样性、污染控制对象的广泛性、污染控制工程与管理措施的系统性、规划实施方案部署中的时空动态合理性、规划实施保障体系的全面性、整治和开发的一致性等多主体、多目标、多层次、多时段的目的。具体而言, 该规划的集成化思想可以从内涵和外延分别加以体现。
3. 1 集成化在水环境规划中的内涵
从系统论的角度, 集成化的水管理具有三个层次的内涵[4 ]。温瑞塘河流域水环境规划集成化的三个层次内涵体现在以下方面。
3. 1. 1 水环境系统内部各要素的集成
本规划包括总量估算、模型模拟、负荷分配、实施方案等内容, 因而是一个典型的以流域为基础、水污染控制系统内部各要素充分集成的总量控制规划。水环境内部要素的集成主要体现在以下两个方面:一是在系统模拟模型中, 把水资源的水质属性和水量属性相集成, 从而体现了总量控制的思想;二是规划制定过程中, 把对水环境质量与污染物排放总量之间响应关系的研究作为重要内容, 并进而将水质目标与污染控制目标相对应。
在以上两方面集成的基础上, 规划人员根据水体环境容量估算来确定水污染控制目标和控制方案, 从而使得规划方案更具针对性, 有利于强化规划实施效果。表2 列出了相互对应的近期和远期的水质目标和污染物排放总量控制目标。
3. 1. 2 水系统与其它资源系统的集成
这一层次的集成集中体现在污染控制对象的多样性和广泛性。本规划对来自水系统本身的点源污染, 来自土地系统的非点源污染进行了综合估算和评价。由于线污染源的主要形式——底泥污染, 是二次污染, 而且资料信息高度缺乏, 在该规划中只作了评价,但不作负荷估算。污染源的集成化评价分析是后续规划制定工作的重要基础之一。正是有了对污染源组成的系统分析, 才可能帮助决策者找到污染控制重点, 并制定出针对性强的污染控制方案。
首先, 流域内的污染源被划分为点源、线源和非点源三大类。为了估算污染负荷以及将来制定整治措施的方便, 塘河流域内的点污染源又被划分为企业点源和生活点源两大类, 六小类, 如表3 所示。根据表4 的点污染源调查和非点源模型计算的结果, 可见造成温瑞塘河有机型污染的主要原因是生活点源。
3. 1. 3 水环境系统、社会系统与经济系统的集成
温瑞塘河流域水环境综合整治规划把不同形式、详细具体的实施方案, 统一协调的组织机构, 多种渠道的投资计划, 相应的政策措施, 针对性的土地开发活动, 从水、社会、经济这一更广阔的层次进行了集成, 从而保证了规划的可行性, 实现了地区和城市的可持续发展。
根据水质超标项目和污染物构成分析, 得出目前的污染源应主要控制生活污水, 其次是畜禽养殖废水、直排公厕废水。此 外, 对间接改善水环境或有益于日后水环境管理的工程措施,例如固体废弃物处理处置工程、引水冲污、安装河道曝气复氧设施、河内处理技术、以建立在线监测系统为代表的能力建设项目等制定了系统的方案, 见表5。
由表5 可见, 除了常见的工程控制方案之外, 该规划还为规划的制定、实施、监督到最后的验收以及日常的监管, 制定了一套严密的管理程序。为了实现规划所规定的管理要求, 该规划建议由原温州市温瑞塘河整治工程指挥部作为一常设机构,组织规划的实施管理工作, 以及完成后和日常的监督管理工作。并由该机构协调水利、环保、市政、规划、城管、农业、工商、计划、物价、经贸、财政等各个部门配合完成规划的实施。
其次, 规划的实施需要强大的资金后盾, 完全靠政府投入是远远不够的, 也是不科学、不可能的。因此根据温州市的实际情况建立了一套投融资机制, 为规划的实施提供资金。该机制包括: (1) 政府投资、财政支持或外国政府贷款; (2) 政策性融资与专业开发银行贷款; (3) 融资租赁、特许权经营; (4) 资本市场融资运作; (5) 项目融资; (6) 建立排污收费机制等。
再次, 该规划为工程建设、规划目标的实现制定了一系列配套的政策措施, 包括: (1) 建立排污收费机制, 实现污水和垃圾处理产业化; (2) 完善监督监测体系, 建立预警系统; (3) 公众参与机制; (4) 规划的反馈、调整机制; (5) 宣传教育培训机制等。
最后, 该规划提出了以“一线两岸五区八段”为总体框架的温瑞塘河流域景观旅游规划。利用景观旅游规划中的旅游、土地开发等内容, 从生态、历史文化等方面全面提升环境质量, 维持环境整治的成果, 并进一步筹集资金。改变以前为整治而整治的所带来的弊端, 使水环境整治和土地、水资源开发利用结合起来。
3. 2 集成化在水环境规划中的外延
水管理的集成化在规划原理、技术、方法的外延上还有多种表现形式[4 ] , 温瑞塘河流域水环境规划的集成化外延体现在以下几个方面。
3. 2. 1 数据和信息的集成
通过全面的温瑞塘河水系污染源调查和监测工作, 掌握了温瑞塘河流域内的社会、经济、人口城市结构、各条河道污染物排放量等资料。通过GPS 对污染源及其排污口进行定位, 结合GIS 技术获得了污染源空间分布的相关属性, 其中重点污染源基本情况如图1 所示。通过搜集多年水质监测资料和集中进行监测所得的水质资料, 认识了温瑞塘河水系水质的变化情况和现状情况。图2 显示了2001 年5 月现状水质监测的评价结果,所有监测断面水质综合指数均为劣. 类, 污染非常严重。在以上资料和信息集成的基础上, 全面分析评价了温瑞塘河流域的污染情况。
3. 2. 2 模型集成
利用一维圣维南方程建立的水文子模型和借用CSTR 模型中水质动力学概念建立的水质子模型集成了用于描述平原河网水流、水质变化的数学模型, 基本方程3 如下:
利用该模型估算水质最不利条件下的环境容量, 分配水污染物负荷削减任务。以鹿城区河网为例, 利用模型可计算获得在满足水质目标前提下的鹿城区河网年环境容量。在此基础上, 结合在建和待建的水污染控制工程情况, 确定鹿城区在近期(2005 年) 和远期(2010 年) 的COD 最大允许排放量(即污染排放控制目标) 分别为2456t／a 和1596t／a。
3. 2. 2 技术和知识集成
不确定性分析方法、GIS 技术、情景分析方法、现代通讯技术等不同学科的技术和方法在本规划中的综合运用, 提高了规划的效率和可靠性。
首先, 模拟模型的开发基于不确定性分析的框架, 从参数输入形式的设计、水质参数的率定与验证, 到水环境容量的估算都贯穿着不确定性分析的思想, 与传统的确定性模型有着本质的不同。如, 参数率定采用HSY 算法[5 ] , 经10000 次MonteCarlo 模拟后, 获得341 组“可信”参数, 其中COD 降解速率区间分布参见图3。
其次, 为定量分析和考察温瑞塘河水环境改善的难易程度, 进一步明确温瑞塘河水质与污染负荷之间的相应关系, 利用情景分析方法定量化探讨了引水冲污方案。按照引水冲污水量和沿瓯江诸闸门的启闭情况共设计了9 个方案, 各方案计算结果见图2, 可见不同情景下引水冲污对于水质改善效果明显,但不尽相同。
再次, 利用GIS 技术实现了空间数据与属性数据之间的连接, 为水质模型中的大部分参数提供了空间分布, 如河流分布,排污口, 监测断面的位置等, 并且为功能区划、水质和污染源评价、成果表达、方案决策等提供了直观、生动的分析工具, 图1和图2 即为结合GIS 技术进行的成果可视化表达。
最后, 基于现代通讯技术而设计和建立的在线监测系统,一方面可以为温瑞塘河综合整治提供定量的科学数据以及准确适时的信息支持, 提高综合整治管理效率和决策科学性; 另一方面可以对水污染源的偷排、暗排起到一定的监督管理作用。该系统由8 个固定断面的水质监测子站(如图2)、一个移动监测站、计算机控制中心和管理中心组成, 实现对温瑞塘河8个固定监测断面的自动采样和7 个水质参数的在线监测, 以及对温瑞塘河全流域及其排污口的移动监测, 实时掌握流域水质状况及排污口排放情况, 实现监测数据自动传输。
4 结 论
集成化方法可以成功地应用于水环境规划之中, 为温瑞塘河流域的水环境综合整治提供了实用工具。因此, 结合以上分析可知温瑞塘河水环境综合整治规划是一个成功运用集成化方法的范例。
5 参考文献
1 成思危. 复杂科学、系统工程与管理. 许国志主编. 系统科学与工程研究. 上海: 上海科技教育出版社, 2000, 12～ 23.
2 钱学森. 关于大成智慧的谈话. 于景元, 涂元季编. 创建系统学. 太原: 山西科学技术出版社, 2001, 66～ 73.
3 张庆丰. 城市水环境系统集成规划方法学. 清华大学环境系, 1993.
4 曾思育. 集成化水管理模式运行机制研究. 清华大学环境系, 1999.
5 Beck M B. W ater Q uality Modeling: A Review of the A nalysis of Uncertainty. W ater Resources Research, 1987, 23 (8) , 1393～ 1442.
来源：资源与环境
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