協同控制水污染基本原則探討

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闡述了這些原則在水污染協同控制中的含義和作用，為建立河流水污染協同控制的理論方法奠定了基本處理框架。摘要：本文以一維河流單種污染物的水污染協同控制理論模型為基礎，提出了對河流水污染進行協同控制的一般思想和原則。在達到國家水質標準的重要原則下，充分考慮了各個污染源的生態情況、經濟能力和競爭心理等諸多重要因素。把目前的總量控制思想、系統規劃原理、誰污染誰治理的政策方針、對重污染源實行重點控制的原則和有效治理污染等，均綜合地體現在水污染協同控制思想和基本原則之中。并詳細闡述了這些原則在水污染協同控制中的含義和作用，為建立河流水污染協同控制的理論方法奠定了基本處理框架。

關鍵詞：水污染協同控制集體合理性個體合理性

在“水污染協同控制”一文中(見文獻)，作者對一維河流單種污染物的水污染控制問題，建立了協同控制模型，這個模型是一個合作博弈模型。因此，可以借鑒合作博弈理論中的若干分析原則和方法來研究水污染協同控制問題。合作博弈是目前公認的研究效用公平合理分配的一般理論，本文的目的是在文獻的基礎上，提出河流水污染協同控制的思想和基本原則，詳細闡述這些原則在水污染控制中的含義和作用，為建立河流水污染協同控制的一般理論方法奠定基本處理框架。

如文獻所述，河流水污染的協同控制問題可以描述為下面形式：如何限制各個污染源的排污量和每一種污染物的排放濃度，才能在國家要求的河流監測點斷面上，使水質達到國家環保標準或用水標準；同時，這種排污限制對該河流段的每個污染源而言，都是公平合理的，且任何單個污染源和污染源聯盟(某一部分污染源結成的集體，如地方的區、縣、市等)都找不到明顯的理由進行反駁。因此，各污染源愿意協同控制水污染，從根本上改變水環境質量。

在文獻中所描述和建立的一維河流單污染物的水污染協同控制問題與理論模型，在這里可以簡單敘述如下。在一維河流段上只有一個監測點，且所有污染源都排放同一種污染物時，其河流段和污染源分布可以用圖1來表示。

在圖1所示的河流段上，只有一個監測點B，所有污染源都只排放一種污染物質，要求在B點這種污染物質的濃度不超過pB，在AB之間一共有n個污染源，假設點A處的污染物濃度≤pB.污染源i的排放量是Qi，排放濃度是ci(i=1,2,…,n)，首先，n個污染源的全體所組成的集合表示為N={1,2,…,n}，其中k個污染源組成的聯盟記為S，在AB之間只有污染源聯盟S排放污染物質時，監測點B處污染濃度記為c(S).定義ν(S)=max(c(S)-pB,0)，則ν(S)表示要求污染源聯盟S應該達到的對于監測點B處的最小濃度控制量，由定義知ν(S)≥0.在文獻中，稱ν(S)為污染源聯盟S對監測點B的超標濃度貢獻，或簡稱為濃度貢獻；并且證明了在穩態情形，一維河流的許多污染物的超標濃度貢獻ν(S)滿足下面的超可加性，因此，一維河流水污染協同控制的濃度貢獻控制量分配模型是一個n人合作博奕問題。

關于使用合作博奕模型分析和解決水污染問題的思想，可以追述到1960年或更早，Shapley,L.S.和Shubik,M.在1969年就用合作博奕理論討論過對稱湖泊的水污染治理經濟效益問題，分析了在一個對稱湖泊中，各污染源應該結成什么樣的聯盟，才能達到較好的經濟治污效果。1979年，MaschlerM.、B.Peleg和L.S.Shapley曾經就三家工廠共建污水處理廠的問題，建立了一個合作博奕模型，并使用合作博奕的若干解概念詳細討論了如何在三家工廠進行費用分攤。下面，作者將根據總量控制思想、系統規劃思想和合作博奕的思想與原理等，提出水污染協同控制的基本思想和基本原則。

一、河流水污染協同控制的基本思想和原則

河流水污染協同控制的基本思想是以各個污染源對環境容量的競爭和協作控制污染為基礎，對河流進行分段分時期的水質控制，以河流的分段監測點斷面水質達到當時當地的用水標準或國家要求的環保標準為目標，考慮在監測點上游和影響監測點斷面水質的污染源的現有排污狀況、治理污染的能力和地區經濟發展情況，建立以監測點斷面水質要求標準為總目標的，與各個污染源的排污量和排污濃度密切相關的各污染源排污總量和排污最大濃度分配模型和理論。也可以理解為，在現有的情況下和各種相關條件下，建立能滿足國家和地方水質標準的各污染源應減少的污水排放量和排放濃度分配理論和模型。由該理論和模型的解所確定的各污染源最大污水排放量和排放濃度，是充分考慮了各污染源對河流的自然降解能力的利用權利的，對所有的污染源和污染源聯盟都是公平合理的，任何污染源聯盟都找不到明顯的、有根據的理由要求其他污染源多控制排放量，而自己減少排放量控制。

1、水污染協同控制基本思想：在國家或地方要求的河流監測點斷面上，以使水質達到某種標準為總目標(如環保標準、用水標準等)，公平合理地確定有關各污染源的最大排污量和排放濃度，同時充分考慮各污染源和自然降解能力的合理利用權利。

從上述基本思想可以看出，河流水污染協同控制不是簡單地要求每個污染源按國際或國家環保標準進行達標排放；也不是象總量控制理論和方法那樣，給每個污染源分配一個水環境容量資源，要求它們的排污總量不超過所分配的容量標準；而是要求在該河流中的若干監測點斷面上(如圖1中的監測點斷面B)，使水質達到國際或國家要求的某種標準。由這種選定斷面上的水質標準，來合理地確定各個污染源的限定排污量和排污濃度。

因此，水污染協同控制與總量控制和系統規劃不是矛盾的和沖突的，而是總量控制和系統規劃的補充。水污染協同控制能有效地將水污染總量控制落實到各個污染源，公平合理地將水污染控制總量分配給應該進行污染控制的每一個污染源。所以，可以說水污染協同控制在宏觀的總量控制、系統規劃與微觀的各污染源具體控制量之間搭起了一座橋梁。由于水污染協同控制充分考慮了各污染源合理利用環境自然降解能力的權利，并且不要求每個污染源能達標排放，因為完全的達標排放，在現有的社會經濟發展階段是很難做到的，同時也不是經濟的。所以，從經濟角度看，水污染協同控制還是使河流監測點斷面水質達到國家標準的經濟有效的水污染控制理論和方法。

原則1(協同控制原則)：在各污染源都按照水污染協同控制理論和模型所確定的污水排放量和排放濃度控制污水排放時，河流的水質在國家或地方設定的監測點斷面上將達到國家與地方要求的相關標準(如用水要求或環保標準等).

原則2(個體合理性原則)：由水污染協同控制理論和模型所確定的各污染源應該控制的污水排放量和排放濃度，是根據各污染源對污染的貢獻和考慮了其對自然降解能力的合理利用權利來確定的。

原則3(重污染源重點控制原則)：由水污染協同控制理論和模型所確定的各污染源污水排放量和排放濃度，將保證重污染源得到重點控制。即超標濃度貢獻(排污量)大的污染源所要求控制的濃度貢獻量將不少于超標濃度貢獻(排污量)小的污染源所要求控制的濃度貢獻量，排放濃度高的污染源所要求控制的排污濃度不低于排放濃度較低的污染源所要求控制的排污濃度。

原則4(最大化原則)：由水污染協同控制理論和模型所確定的各污染源的污水排放總量和排放濃度，是各污染源合作控制水污染，保證河流水質達到國家相關標準的最大允許排放量和排放濃度。

原則5(最小化原則)：由水污染協同控制理論和模型所確定的各個污染源的污水排放量和排放濃度，對河流水質污染較輕或不對河流水質造成污染的輕污染源，有可能沒有減少排污控制量要求。

原則6(對等性原則)：如果兩個污染源在集體中對監測點斷面上的污染影響相當，則由水污染協同控制理論和模型所確定的各污染源污水排放量和排放濃度，對于這兩個污染源而言，要求控制的排污影響將是相同的。闡述了這些原則在水污染協同控制中的含義和作用，為建立河流水污染協同控制的理論方法奠定了基本處理框架。

原則7(經濟效益原則)：由水污染協同控制理論和模型所確定的污染源污水排放量和濃度，將要求排污時間較長、已通過污染而獲認大經濟效益的地區和污染源多控制污水排放量和排放濃度。

原則8(最優經濟治污原則)：水污染協同控制理論和模型所確定的治理水污染方案，將從合作治理水污染的角度，以各污染源之間的效用轉移為基礎，實現最經濟的治理水污染目標。

根據上述基本思想和原則建立的水污染協同控制理論和模型，將為河流水質按國家和地方以及環保要求，逐級分段達標，并將水污染的宏觀總量控制思想落實到具體的目標控制上，建立起一套公平合理的排污量控制分配機制。按照上述思想原則建立的水污染協同控制理論模型將具體地解決總量控制分配問題。

二、河流水污染協同控制基本原則的意義

在本節中，作者將對上面提出的8條水污染協同控制基本原則的意義予以詳細的解釋和說明，為此，需要下面的幾個概念。

定義1：設有污染源i和污染源j，稱污染源i(對河流監測點斷面)的超標濃度貢獻不低于污染源j的超標濃度貢獻，如果對任何污染源聯盟S，只要聯盟S不包含污染源i和j，則有

在定義1中，取聯盟S為空聯盟，得到ν({i})ν({j}).

定義2:在水污染協同控制理論中，稱一個污染源i的超標濃度貢獻為零，是指該污染源i加入到任何一個不包含i的聯盟S中時(包括空聯盟)，不增加聯盟的超標濃度貢獻。用數學形式可以表示為：ν(S∪{i})=ν(S),S不包含i.

當S為空聯盟φ時，即得ν({i})=0.

定義3:在水污染協同控制理論中，稱污染源i和j的超標濃度貢獻相同，是指對任何污染源聯盟S，只要聯盟S不包含污染源i和j，就有ν(S∪{i})=ν(S∪{j}).

在定義3中，取聯盟S為空聯盟，得到ν({i})=ν({j}).

使用這三個定義中的概念，可以對前面提出的水污染協同控制理論的8條基本原則及其含義解釋和說明如下。

原則1：稱為協同控制原則，是因為該原則對所有污染源的污染總效果進行了限制，保證了在國家要求的河流監測點斷面使水質達到國家制定的環保標準和某些用水標準，使環境保護政策和措施能夠得到落實。這是總量控制的一個替代形式，將排污總量用污染總效果來替代的結果。同時，原則1讓所有的有關排污戶明白，要獲得一個最低的總體排污控制量和良好的環境，必須靠大家的共同努力才行，任何一個污染源都不能單獨超規定容量排放污水。協同控制原則在博奕論中通常是以一個相似的原則來體現的，稱為集體合理性原則。

原則2：稱為個體合理性原則，是因為該原則充分考慮了各污染源對河流自然降解能力的公平競爭與合理利用權利，可以避免各污染源推卸污染責任和把治理污染的事推卸給其他的排污戶而尋找適當的理由。該原則要求每個污染源需要控制的污染濃度貢獻，至少是這個污染源單獨排放污染時的超標濃度貢獻，即每個污染源都有一個最低水平的不可推卸的污染控制量。

原則3：稱為重污染源重點控制原則，是因為該原則將保證重污染源將受到重點控制，從一定程度上消除了各污染源因排污量小反而要求多控制排污量，而覺得排污控制標準不公平不合理的抵觸心理和情緒。從水污染協同控制理論來看，重污染源重點控制原則一般不是以各污染源控制排污量為標準，而是以各污染源的超標濃度貢獻為標準；換句話說，該原則的具體含義是：如果污染源i的超標濃度貢獻大于污染源j的超標濃度貢獻，則水污染協同控制理論要求污染源i應該控制的超標濃度貢獻不會小于污染源j應該控制的超標濃度貢獻。因此，如果兩個污染源的地理位置不同，并且從環保角度來說在這兩個污染源到國家的河流監測點斷面之間又沒有什么要求的話，將污染源應該控制的超標濃度貢獻換算成排污控制量時，可能得到不同的結果。因此，這個原則也體現了各污染源對河流自然降解能力的公平競爭與合理利用權利。

原則4：稱為最大化原則，是因為該原則體現了合作治理污染的效益，它是在各污染源進行充分合作時，允許所有污染源排放的污染總量。因此，該原則以另一種形式體現了總量控制的思想。如果各污染源進行合作，那么，按照本文的理論和模型，將導出所有污染源允許排放的污染物總量，必然超過非合作時允許排放的污染物總量。因此最大化原則是以最有利的方式利用河流的自然降解能力和環境自然容量。

根據水污染協同控制理論，所考慮的全體污染源N應該控制的總超標濃度貢獻是ν(N)，而這個濃度貢獻ν(N)只有在全體污染源進行合作時才能達到；如果各個污染源之間不進行合作，設使河流監測點斷面使水質達到國家標準時，要求各個污染源應該控制的超標濃度貢獻之和為u(N)，那么，最大化原則指出，必有u(N)≥ν(N).

原則5：稱為最小化原則，是因為該原則體現了對輕污染排放和無污染排放的鼓勵，同時是對重污染源重點控制原則的一個有效補充。該原則的具體含義是：如果污染源i的超標濃度貢獻為零，則水污染協同控制理論不要求污染源i控制超標濃度貢獻，因而也不要求污染源i控制或減少排污量。

原則6：稱為對等性原則，是因為該原則表明在水污染協同控制理論和模型中，除了把所有污染源作為一個合作集體來考慮以外，還考慮了各污染源所在的地理位置和特殊的地理環境，體現了不同的污染源對河流自然降解能力的不同利用率。因此，對于處在河流不同地理位置的兩個污染源，盡管它們的排污量和濃度不同，但是，由于它們對國家設定的監測點斷面的影響相同，可能要求它們作等量的污染效果控制。因此，從對等性原則來看，水污染協同控制理論認為，如果兩個污染源對國家設定的河流監測點斷面的超標濃度貢獻相同，則要求這兩個污染源控制相同的濃度貢獻，但如果這兩個污染源處于河流的不同地理位置，那么，將這兩個污染源應該控制的超標濃度貢獻換算成排污控制量時，可能要求控制的排污量是不同的。

原則7：稱為經濟效益原則，是因為該原則體現了誰污染誰治理和有效治理污染的方針。由于一些地區和污染源長期進行非處理的污水排放，已經獲得了相當的經濟效益，因而有能力也該由他們首先治理污染。

原則8：稱為最優經濟治污原則，是因為該原則把所考慮的所有污染源看成一個整體，對總的超標濃度貢獻建立最優的經濟治污方案，根據水污染協同控制理論模型所確定的各污染源的超標濃度貢獻和排污控制量，公平合理地實現各污染源之間的效用轉移，通過這種效用轉移，從而實現合作形式的最佳經濟的治理水污染目標。

以上的八條原則，完全體現了在控制水污染和治理環境中各方面的利益與心理因素。作為最重要原則的“原則1”，把全人類(包括國家)利益放在了第一位，在達到國家水質標準的總體要求下，充分考慮了各個污染源的生態情況、經濟能力和競爭心理等諸多重要因素。把目前的總量控制思想、系統規劃原理、誰污染誰治理的政策方針、對重污染源實行重點控制的原則和有效治理污染等，均綜合地體現在了本文的水污染協同控制思想和基本原則之中。

需要注意的是，在本文的提出原則中，最小治污成本或治污費用的優化原則8，在一般情形下，如果不考慮各污染源之間的效用轉移，通常會與前面的七條公平性原則發生沖突。因此，本理論將以公平性原則為基礎，在所有公平合理的水污染控制方案中，再考慮如何優化治污費用或怎樣選取治污成本最小的方案問題，以及如何公平合理地實現各污染源之間的效用轉移問題。這是水污染協同控制理論中需要進一步研究的復雜問題，可能需要發展出新的合作博奕模型或深入研究水污染協同控制理論模型，才能實現治污費用的最優化。

由于水污染協同控制理論原則考慮了眾多要素，因此，不可能在一兩篇論文中建立起該理論的所有理論和一般通用模型。在本文中，作者提出了水污染協同控制的基本思想和基本原則，并討論和解釋了這些基本原則，作為這個新理論的一般框架。

3、結束語

本文以文獻中所建立的一維河流單污染物的水污染協同控制超標濃度貢獻分配模型為基礎，提出了全新的水污染協同控制基本思想和基本原則，并詳細討論水污染協同控制基本思想和基本原則的深刻含義，為水污染協同控制理論奠定了基本框架。要建立整個水污染協同控制理論，還需要作大量的研究工作，即使要完全解決一維水污染協同控制問題，也還有許多工作要做。由于河流水污染協同控制模型是一個合作博奕模型，因此在隨后的幾篇論文中，作者將逐步介紹合作博奕中的有關概念和一些重要的解，并詳細討論這些合作博奕中的概念和解在水污染協同控制問題中的意義。

參考文獻：

李嘉，張建高。水污染協同控制[J]。水利學報，2001，(12)：14-18