周玉芬，曾 劍，孫鵬程

（山西省環(huán)境規(guī)劃院，山西 太原 030002）

水污染的總量控制制度實施以來，其在推進企業(yè)污染治理、調整產業(yè)結構、促進經濟發(fā)展方式轉變、改善區(qū)域環(huán)境質量方面的作用有目共睹。山西作為我國重要的煤炭、電力、焦化、冶金和化工產業(yè)基地之一，在1985—2005年間，受產業(yè)結構不合理、環(huán)?；A設施落后等因素影響，省內水環(huán)境質量嚴重惡化。“十一五”期間，通過實施總量控制，山西省COD排放量逐年減少，2010年較2005年下降13.93%，超額完成減排目標。但是目前總量控制在實施過程中仍然存在一些問題，“十一五”期間簡單按照各地歷史排污量進行總量控制目標的確定與分配，給管理上帶來諸多困難，如各市總量控制目標與環(huán)境容量不協(xié)調、客觀上限制了某些經濟落后地區(qū)的發(fā)展等問題。結合山西省“十二五”時期水污染物總量分配的管理目標要求和污染物總量管理的戰(zhàn)略需求，以COD和氨氮為例，依據系統(tǒng)工程的信息論中常用的熵法，進行山西省各地市水污染物總量初步分配測算。

1 基于信息熵的水體污染物總量分配方法

1.1 信息熵簡介

熵的概念起源于熱力學。1908年，Shannon首先在信息論中引入了熵的概念，將其定義為信息熵。目前，信息熵已在工程技術、社會經濟等領域得到了較多的應用。信息熵的概念可以用來評價系統(tǒng)的均衡性，個體之間越是接近，差異越不顯著，信息熵就越大，系統(tǒng)越均衡。在決策方面，還可以利用信息熵的概念確定屬性的權重。根據信息熵理論，信息熵是信息不確定性的度量，熵值越小，所蘊含的信息量越大，若某個屬性下的熵值越小，則說明該屬性在決策時所起的作用越大，應賦予該屬性較大的權重。

1.2 信息熵應用于總量分配的思路

在全面了解各分配對象的自然屬性和社會經濟發(fā)展現狀的前提下，以污染物排放量、人口、GDP、水資源量等作為控制指標，運用信息熵法對各分配對象排放的污染物總量進行分配。分配過程中以各地市削減比例可行上下限作為約束條件優(yōu)化調整分配方案?；谛畔㈧氐奈廴疚锟偭糠峙浼夹g路線，如圖1所示。

圖1 基于信息熵的污染物總量分配技術路線

1.3 總量分配指標的確定

結合國內外關于污染物影響要素的分解研究和山西省COD、氨氮減排的要素管理需求分析，在綜合考慮系統(tǒng)內各區(qū)域間的客觀差異的情況下，秉承公平效率的原則，從經濟規(guī)模和結構、人口、科技、污染治理水平、水環(huán)境狀況、水資源稟賦六方面構建山西省水體污染物總量分配指標體系，如表1所示。同時，根據各指標代表的實際意義以及公平分配準則，確定了指標的削減規(guī)則。

1.4 基于信息熵的總量分配方法

根據表1確定的指標體系收集各地市數據為基礎指標（xij），列出判斷矩陣，如表2所示。

表1 山西省水體污染物總量分配指標體系

5城鎮(zhèn)生活污水COD（氨氮）去除率越大，說明處理邊際成本高，應該少削減 N城鎮(zhèn)生活污水COD（氨氮）去除率6單位國土面積排放強度水資源量越大，說明區(qū)域環(huán)境容量稟賦越好，可消納污染物越多，允許該區(qū)域多削減污染源以充分利用其納污能力單位國土面積排放強度越大，說明區(qū)域環(huán)境壓力越大，區(qū)域發(fā)生環(huán)境風險的概率越大，應多削減 p 7水資源量P 8Ⅴ-劣Ⅴ類比重Ⅴ-劣Ⅴ類比重越大，表明該地區(qū)環(huán)境質量較差，區(qū)域污染物應多削減，以降低區(qū)域水環(huán)境風險 P

表2 指標矩陣

分別計算系統(tǒng)內各區(qū)域主要控制指標所占該指標總量的比重，以及單位指標負荷污染物的量，計算公式為：

式中：Xij——指標矩陣中第i個區(qū)域第j項指標的單位負荷污染物量；

Wij——第i個區(qū)域內分配污染物排放量即決策變量；

xij——第i個區(qū)域內第j項指標的實際值；

Pij——第j項指標下第i個區(qū)域的值在此指標中所占的比重。

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計算每項控制指標的單位負荷污染物量的信息熵，當Pij=0時，Pij·lnPij=0,H（X）j=1，說明各個區(qū)域之間完全沒有差異。

總量分配指標j的信息熵效用與其熵值成反比關系。根據信息熵熵權權重模型確定各項總量分配指標的權重wj.

各區(qū)域相對削減水平ci.

各區(qū)域削減率ri，分配量wi.

式中：r——全省“十二五”COD（氨氮）目標削減率；

wi（0）——地區(qū)的COD（氨氮）現狀排放量。各區(qū)域基于現狀的削減比例約束。

1.5 基礎數據來源

2010年山西省統(tǒng)計年鑒、污染普查數據、環(huán)境質量監(jiān)測數據、減排核查數據等。

2 水污染物總量分配方案確定

根據《山西省“十二五”主要污染物總量削減目標責任書》，計劃到2015年，全省COD和氨氮排放量（工業(yè)、生活）分別比2010年減少10.6%、12.4%，農業(yè)源暫不分析。

2.1 數據處理及分配方案擬定

依據水污染物總量分配方法，對工業(yè)源、生活源水污染物進行初步分配，關鍵參數及分配方案如表3和表4所示。

表3 基于信息熵法的總量分配法的關鍵參數

表4 基于信息熵法的總量分配方案

綜合考慮各地市水污染物總量控制預定目標，即（減排量-新增量）/現狀排放量，并根據現狀排放情況，對分配方案進行優(yōu)化調整，優(yōu)化后的分配方案如圖2所示。

圖2 優(yōu)化調整的總量分配方案

2.2 結果分析

總量分配指標j的信息熵效用與其熵值成反比關系，指標的信息熵效用值越大，則表明該指標在總量分配中所起作用越大，最能突出分配對象之間的異質性特征；反之，則越小。由表3可知，影響COD和氨氮總量分配的指標主要有Ⅴ-劣Ⅴ類比重、單位工業(yè)增加值污染強度以及工業(yè)和生活污染物去除率。

由表4和圖2可知，通過信息熵法確定的重點削減區(qū)域為運城、臨汾、大同和太原等地區(qū)，COD和氨氮的削減比例分別為15.1%、11.64%、12%、11.2%和15.7%、13.2%、14%、13.8%，基本符合山西省各地市目前的水污染治理水平和削減潛力，表明該分配方案基本合理；運行SPSS軟件分析Wi（0）與ri的相關性，得R2COD、R2氨氮分別為0.669，0.779，相關性較強。結合圖2可知，Wi（0）和ri的大小之間并不是一一對應的關系，即最終優(yōu)化分配方案并非是只針對污染物排放量大的地市。

圖3 調整后的分配方案與“十一五”分配方案比較

將調整方案與“十一五”期間我省水污染物總量分配方案進行對比，由圖3可知，各地的削減量變化特征也有較大的差異，削減量大小與各地的削減率目標和COD總量基數有關，長治、晉城、朔州等地的削減量變化較小，而運城、大同、太原、忻州等地的削減量變化較大，有的地區(qū)是呈正向變化，如臨汾、呂梁，表明這些地區(qū)的減排需求相對較大；從削減量分配的總體格局來看，以運城、大同、臨汾、呂梁為主的格局仍未轉變過來，盡管這些地區(qū)的削減率總體下降。

3 結束語

本文綜合了現有的公平準則，嘗試采用信息熵的概念來度量單位人口、經濟和環(huán)境資源指標所負荷污染物區(qū)域差異的大小，以待分配區(qū)域的單位指標負荷污染物信息熵最大化作為評判水污染物總量區(qū)域分配公平的準則，客觀反映分配量和指標之間機理和邏輯上的定量聯系，減少污染物總量分配的主觀性。

采用信息熵原理對“十二五”山西省水污染物總量進行分配，結果顯示，該方法能較好地體現分配指標的相對重要性信息和山西省總量管理戰(zhàn)略需求，且運行過程簡單易操作、計算結果客觀。優(yōu)化后的各地市分配量與其人口、經濟和環(huán)境資源狀況匹配性提高，公平性增強，反映出區(qū)域差異對污染物總量分配方案的影響，分配結果可以為污染物總量控制工作提供決策依據。

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