协同控制水污染基本原则探讨

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阐述了这些原则在水污染协同控制中的含义和作用，为建立河流水污染协同控制的理论方法奠定了基本处理框架。摘要：本文以一维河流单种污染物的水污染协同控制理论模型为基础，提出了对河流水污染进行协同控制的一般思想和原则。在达到国家水质标准的重要原则下，充分考虑了各个污染源的生态情况、经济能力和竞争心理等诸多重要因素。把目前的总量控制思想、系统规划原理、谁污染谁治理的政策方针、对重污染源实行重点控制的原则和有效治理污染等，均综合地体现在水污染协同控制思想和基本原则之中。并详细阐述了这些原则在水污染协同控制中的含义和作用，为建立河流水污染协同控制的理论方法奠定了基本处理框架。

关键词：水污染协同控制集体合理性个体合理性

在“水污染协同控制”一文中(见文献)，作者对一维河流单种污染物的水污染控制问题，建立了协同控制模型，这个模型是一个合作博弈模型。因此，可以借鉴合作博弈理论中的若干分析原则和方法来研究水污染协同控制问题。合作博弈是目前公认的研究效用公平合理分配的一般理论，本文的目的是在文献的基础上，提出河流水污染协同控制的思想和基本原则，详细阐述这些原则在水污染控制中的含义和作用，为建立河流水污染协同控制的一般理论方法奠定基本处理框架。

如文献所述，河流水污染的协同控制问题可以描述为下面形式：如何限制各个污染源的排污量和每一种污染物的排放浓度，才能在国家要求的河流监测点断面上，使水质达到国家环保标准或用水标准；同时，这种排污限制对该河流段的每个污染源而言，都是公平合理的，且任何单个污染源和污染源联盟(某一部分污染源结成的集体，如地方的区、县、市等)都找不到明显的理由进行反驳。因此，各污染源愿意协同控制水污染，从根本上改变水环境质量。

在文献中所描述和建立的一维河流单污染物的水污染协同控制问题与理论模型，在这里可以简单叙述如下。在一维河流段上只有一个监测点，且所有污染源都排放同一种污染物时，其河流段和污染源分布可以用图1来表示。

在图1所示的河流段上，只有一个监测点B，所有污染源都只排放一种污染物质，要求在B点这种污染物质的浓度不超过pB，在AB之间一共有n个污染源，假设点A处的污染物浓度≤pB.污染源i的排放量是Qi，排放浓度是ci(i=1,2,…,n)，首先，n个污染源的全体所组成的集合表示为N={1,2,…,n}，其中k个污染源组成的联盟记为S，在AB之间只有污染源联盟S排放污染物质时，监测点B处污染浓度记为c(S).定义ν(S)=max(c(S)-pB,0)，则ν(S)表示要求污染源联盟S应该达到的对于监测点B处的最小浓度控制量，由定义知ν(S)≥0.在文献中，称ν(S)为污染源联盟S对监测点B的超标浓度贡献，或简称为浓度贡献；并且证明了在稳态情形，一维河流的许多污染物的超标浓度贡献ν(S)满足下面的超可加性，因此，一维河流水污染协同控制的浓度贡献控制量分配模型是一个n人合作博奕问题。

关于使用合作博奕模型分析和解决水污染问题的思想，可以追述到1960年或更早，Shapley,L.S.和Shubik,M.在1969年就用合作博奕理论讨论过对称湖泊的水污染治理经济效益问题，分析了在一个对称湖泊中，各污染源应该结成什么样的联盟，才能达到较好的经济治污效果。1979年，MaschlerM.、B.Peleg和L.S.Shapley曾经就三家工厂共建污水处理厂的问题，建立了一个合作博奕模型，并使用合作博奕的若干解概念详细讨论了如何在三家工厂进行费用分摊。下面，作者将根据总量控制思想、系统规划思想和合作博奕的思想与原理等，提出水污染协同控制的基本思想和基本原则。

一、河流水污染协同控制的基本思想和原则

河流水污染协同控制的基本思想是以各个污染源对环境容量的竞争和协作控制污染为基础，对河流进行分段分时期的水质控制，以河流的分段监测点断面水质达到当时当地的用水标准或国家要求的环保标准为目标，考虑在监测点上游和影响监测点断面水质的污染源的现有排污状况、治理污染的能力和地区经济发展情况，建立以监测点断面水质要求标准为总目标的，与各个污染源的排污量和排污浓度密切相关的各污染源排污总量和排污最大浓度分配模型和理论。也可以理解为，在现有的情况下和各种相关条件下，建立能满足国家和地方水质标准的各污染源应减少的污水排放量和排放浓度分配理论和模型。由该理论和模型的解所确定的各污染源最大污水排放量和排放浓度，是充分考虑了各污染源对河流的自然降解能力的利用权利的，对所有的污染源和污染源联盟都是公平合理的，任何污染源联盟都找不到明显的、有根据的理由要求其他污染源多控制排放量，而自己减少排放量控制。

1、水污染协同控制基本思想：在国家或地方要求的河流监测点断面上，以使水质达到某种标准为总目标(如环保标准、用水标准等)，公平合理地确定有关各污染源的最大排污量和排放浓度，同时充分考虑各污染源和自然降解能力的合理利用权利。

从上述基本思想可以看出，河流水污染协同控制不是简单地要求每个污染源按国际或国家环保标准进行达标排放；也不是象总量控制理论和方法那样，给每个污染源分配一个水环境容量资源，要求它们的排污总量不超过所分配的容量标准；而是要求在该河流中的若干监测点断面上(如图1中的监测点断面B)，使水质达到国际或国家要求的某种标准。由这种选定断面上的水质标准，来合理地确定各个污染源的限定排污量和排污浓度。

因此，水污染协同控制与总量控制和系统规划不是矛盾的和冲突的，而是总量控制和系统规划的补充。水污染协同控制能有效地将水污染总量控制落实到各个污染源，公平合理地将水污染控制总量分配给应该进行污染控制的每一个污染源。所以，可以说水污染协同控制在宏观的总量控制、系统规划与微观的各污染源具体控制量之间搭起了一座桥梁。由于水污染协同控制充分考虑了各污染源合理利用环境自然降解能力的权利，并且不要求每个污染源能达标排放，因为完全的达标排放，在现有的社会经济发展阶段是很难做到的，同时也不是经济的。所以，从经济角度看，水污染协同控制还是使河流监测点断面水质达到国家标准的经济有效的水污染控制理论和方法。

原则1(协同控制原则)：在各污染源都按照水污染协同控制理论和模型所确定的污水排放量和排放浓度控制污水排放时，河流的水质在国家或地方设定的监测点断面上将达到国家与地方要求的相关标准(如用水要求或环保标准等).

原则2(个体合理性原则)：由水污染协同控制理论和模型所确定的各污染源应该控制的污水排放量和排放浓度，是根据各污染源对污染的贡献和考虑了其对自然降解能力的合理利用权利来确定的。

原则3(重污染源重点控制原则)：由水污染协同控制理论和模型所确定的各污染源污水排放量和排放浓度，将保证重污染源得到重点控制。即超标浓度贡献(排污量)大的污染源所要求控制的浓度贡献量将不少于超标浓度贡献(排污量)小的污染源所要求控制的浓度贡献量，排放浓度高的污染源所要求控制的排污浓度不低于排放浓度较低的污染源所要求控制的排污浓度。

原则4(最大化原则)：由水污染协同控制理论和模型所确定的各污染源的污水排放总量和排放浓度，是各污染源合作控制水污染，保证河流水质达到国家相关标准的最大允许排放量和排放浓度。

原则5(最小化原则)：由水污染协同控制理论和模型所确定的各个污染源的污水排放量和排放浓度，对河流水质污染较轻或不对河流水质造成污染的轻污染源，有可能没有减少排污控制量要求。

原则6(对等性原则)：如果两个污染源在集体中对监测点断面上的污染影响相当，则由水污染协同控制理论和模型所确定的各污染源污水排放量和排放浓度，对于这两个污染源而言，要求控制的排污影响将是相同的。阐述了这些原则在水污染协同控制中的含义和作用，为建立河流水污染协同控制的理论方法奠定了基本处理框架。

原则7(经济效益原则)：由水污染协同控制理论和模型所确定的污染源污水排放量和浓度，将要求排污时间较长、已通过污染而获认大经济效益的地区和污染源多控制污水排放量和排放浓度。

原则8(最优经济治污原则)：水污染协同控制理论和模型所确定的治理水污染方案，将从合作治理水污染的角度，以各污染源之间的效用转移为基础，实现最经济的治理水污染目标。

根据上述基本思想和原则建立的水污染协同控制理论和模型，将为河流水质按国家和地方以及环保要求，逐级分段达标，并将水污染的宏观总量控制思想落实到具体的目标控制上，建立起一套公平合理的排污量控制分配机制。按照上述思想原则建立的水污染协同控制理论模型将具体地解决总量控制分配问题。

二、河流水污染协同控制基本原则的意义

在本节中，作者将对上面提出的8条水污染协同控制基本原则的意义予以详细的解释和说明，为此，需要下面的几个概念。

定义1：设有污染源i和污染源j，称污染源i(对河流监测点断面)的超标浓度贡献不低于污染源j的超标浓度贡献，如果对任何污染源联盟S，只要联盟S不包含污染源i和j，则有

在定义1中，取联盟S为空联盟，得到ν({i})ν({j}).

定义2:在水污染协同控制理论中，称一个污染源i的超标浓度贡献为零，是指该污染源i加入到任何一个不包含i的联盟S中时(包括空联盟)，不增加联盟的超标浓度贡献。用数学形式可以表示为：ν(S∪{i})=ν(S),S不包含i.

当S为空联盟φ时，即得ν({i})=0.

定义3:在水污染协同控制理论中，称污染源i和j的超标浓度贡献相同，是指对任何污染源联盟S，只要联盟S不包含污染源i和j，就有ν(S∪{i})=ν(S∪{j}).

在定义3中，取联盟S为空联盟，得到ν({i})=ν({j}).

使用这三个定义中的概念，可以对前面提出的水污染协同控制理论的8条基本原则及其含义解释和说明如下。

原则1：称为协同控制原则，是因为该原则对所有污染源的污染总效果进行了限制，保证了在国家要求的河流监测点断面使水质达到国家制定的环保标准和某些用水标准，使环境保护政策和措施能够得到落实。这是总量控制的一个替代形式，将排污总量用污染总效果来替代的结果。同时，原则1让所有的有关排污户明白，要获得一个最低的总体排污控制量和良好的环境，必须靠大家的共同努力才行，任何一个污染源都不能单独超规定容量排放污水。协同控制原则在博奕论中通常是以一个相似的原则来体现的，称为集体合理性原则。

原则2：称为个体合理性原则，是因为该原则充分考虑了各污染源对河流自然降解能力的公平竞争与合理利用权利，可以避免各污染源推卸污染责任和把治理污染的事推卸给其他的排污户而寻找适当的理由。该原则要求每个污染源需要控制的污染浓度贡献，至少是这个污染源单独排放污染时的超标浓度贡献，即每个污染源都有一个最低水平的不可推卸的污染控制量。

原则3：称为重污染源重点控制原则，是因为该原则将保证重污染源将受到重点控制，从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，而觉得排污控制标准不公平不合理的抵触心理和情绪。从水污染协同控制理论来看，重污染源重点控制原则一般不是以各污染源控制排污量为标准，而是以各污染源的超标浓度贡献为标准；换句话说，该原则的具体含义是：如果污染源i的超标浓度贡献大于污染源j的超标浓度贡献，则水污染协同控制理论要求污染源i应该控制的超标浓度贡献不会小于污染源j应该控制的超标浓度贡献。因此，如果两个污染源的地理位置不同，并且从环保角度来说在这两个污染源到国家的河流监测点断面之间又没有什么要求的话，将污染源应该控制的超标浓度贡献换算成排污控制量时，可能得到不同的结果。因此，这个原则也体现了各污染源对河流自然降解能力的公平竞争与合理利用权利。

原则4：称为最大化原则，是因为该原则体现了合作治理污染的效益，它是在各污染源进行充分合作时，允许所有污染源排放的污染总量。因此，该原则以另一种形式体现了总量控制的思想。如果各污染源进行合作，那么，按照本文的理论和模型，将导出所有污染源允许排放的污染物总量，必然超过非合作时允许排放的污染物总量。因此最大化原则是以最有利的方式利用河流的自然降解能力和环境自然容量。

根据水污染协同控制理论，所考虑的全体污染源N应该控制的总超标浓度贡献是ν(N)，而这个浓度贡献ν(N)只有在全体污染源进行合作时才能达到；如果各个污染源之间不进行合作，设使河流监测点断面使水质达到国家标准时，要求各个污染源应该控制的超标浓度贡献之和为u(N)，那么，最大化原则指出，必有u(N)≥ν(N).

原则5：称为最小化原则，是因为该原则体现了对轻污染排放和无污染排放的鼓励，同时是对重污染源重点控制原则的一个有效补充。该原则的具体含义是：如果污染源i的超标浓度贡献为零，则水污染协同控制理论不要求污染源i控制超标浓度贡献，因而也不要求污染源i控制或减少排污量。

原则6：称为对等性原则，是因为该原则表明在水污染协同控制理论和模型中，除了把所有污染源作为一个合作集体来考虑以外，还考虑了各污染源所在的地理位置和特殊的地理环境，体现了不同的污染源对河流自然降解能力的不同利用率。因此，对于处在河流不同地理位置的两个污染源，尽管它们的排污量和浓度不同，但是，由于它们对国家设定的监测点断面的影响相同，可能要求它们作等量的污染效果控制。因此，从对等性原则来看，水污染协同控制理论认为，如果两个污染源对国家设定的河流监测点断面的超标浓度贡献相同，则要求这两个污染源控制相同的浓度贡献，但如果这两个污染源处于河流的不同地理位置，那么，将这两个污染源应该控制的超标浓度贡献换算成排污控制量时，可能要求控制的排污量是不同的。

原则7：称为经济效益原则，是因为该原则体现了谁污染谁治理和有效治理污染的方针。由于一些地区和污染源长期进行非处理的污水排放，已经获得了相当的经济效益，因而有能力也该由他们首先治理污染。

原则8：称为最优经济治污原则，是因为该原则把所考虑的所有污染源看成一个整体，对总的超标浓度贡献建立最优的经济治污方案，根据水污染协同控制理论模型所确定的各污染源的超标浓度贡献和排污控制量，公平合理地实现各污染源之间的效用转移，通过这种效用转移，从而实现合作形式的最佳经济的治理水污染目标。

以上的八条原则，完全体现了在控制水污染和治理环境中各方面的利益与心理因素。作为最重要原则的“原则1”，把全人类(包括国家)利益放在了第一位，在达到国家水质标准的总体要求下，充分考虑了各个污染源的生态情况、经济能力和竞争心理等诸多重要因素。把目前的总量控制思想、系统规划原理、谁污染谁治理的政策方针、对重污染源实行重点控制的原则和有效治理污染等，均综合地体现在了本文的水污染协同控制思想和基本原则之中。

需要注意的是，在本文的提出原则中，最小治污成本或治污费用的优化原则8，在一般情形下，如果不考虑各污染源之间的效用转移，通常会与前面的七条公平性原则发生冲突。因此，本理论将以公平性原则为基础，在所有公平合理的水污染控制方案中，再考虑如何优化治污费用或怎样选取治污成本最小的方案问题，以及如何公平合理地实现各污染源之间的效用转移问题。这是水污染协同控制理论中需要进一步研究的复杂问题，可能需要发展出新的合作博奕模型或深入研究水污染协同控制理论模型，才能实现治污费用的最优化。

由于水污染协同控制理论原则考虑了众多要素，因此，不可能在一两篇论文中建立起该理论的所有理论和一般通用模型。在本文中，作者提出了水污染协同控制的基本思想和基本原则，并讨论和解释了这些基本原则，作为这个新理论的一般框架。

3、结束语

本文以文献中所建立的一维河流单污染物的水污染协同控制超标浓度贡献分配模型为基础，提出了全新的水污染协同控制基本思想和基本原则，并详细讨论水污染协同控制基本思想和基本原则的深刻含义，为水污染协同控制理论奠定了基本框架。要建立整个水污染协同控制理论，还需要作大量的研究工作，即使要完全解决一维水污染协同控制问题，也还有许多工作要做。由于河流水污染协同控制模型是一个合作博奕模型，因此在随后的几篇论文中，作者将逐步介绍合作博奕中的有关概念和一些重要的解，并详细讨论这些合作博奕中的概念和解在水污染协同控制问题中的意义。

参考文献：

李嘉，张建高。水污染协同控制[J]。水利学报，2001，(12)：14-18