呂寧磬，蘇婧*，席北斗，霍守亮，紀(jì)丹鳳，2，張蕊，3，陳奇

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

2.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875

3.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南 232001

基于優(yōu)化模型的撫仙湖營養(yǎng)物標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估方法

呂寧磬1，蘇婧1*，席北斗1，霍守亮1，紀(jì)丹鳳1，2，張蕊1，3，陳奇1

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

2.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875

3.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南 232001

在對美國水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)濟(jì)分析研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國環(huán)境管理的實際情況，構(gòu)建湖泊營養(yǎng)物標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估框架。計算標(biāo)準(zhǔn)建議值條件下的湖泊營養(yǎng)物容量及入量湖，得到削減量。通過不確定性優(yōu)化模型對削減量進(jìn)行分配，核算湖泊富營養(yǎng)化控制成本，并假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行后，對流域經(jīng)濟(jì)造成的影響進(jìn)行評估。將該方法應(yīng)用于撫仙湖營養(yǎng)物標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估系統(tǒng)，結(jié)果表明，通過優(yōu)化模型對削減量進(jìn)行分配的削減成本較原規(guī)劃低，通過構(gòu)建的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估框架對該成本進(jìn)行評估，標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行后，對流域經(jīng)濟(jì)影響適中。

湖泊營養(yǎng)物;水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);經(jīng)濟(jì)評估優(yōu)化模型

我國湖泊流域有大量含氮磷營養(yǎng)物的面源、點源污水排入，增加了湖泊營養(yǎng)物的負(fù)荷，這些人為因素的影響使湖泊、水庫水體的污染及富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重。湖泊富營養(yǎng)化控制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估是湖泊富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)可行的重要保證，歐美等發(fā)達(dá)國家的水質(zhì)指標(biāo)體系中都明確加入了經(jīng)濟(jì)分析的因素［1-3］，我國目前鮮有將技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估納入到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)制定體系中?？茖W(xué)核算湖泊富營養(yǎng)化控制成本是評估湖泊富營養(yǎng)化控制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估的基礎(chǔ)，但我國相關(guān)研究較少。筆者構(gòu)建了湖泊營養(yǎng)物標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估方法，考慮到經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不確定性，引入?yún)^(qū)間規(guī)劃概念，并建立了湖泊富營養(yǎng)化控制成本不確定性優(yōu)化模型。以撫仙湖為例，利用不確定性優(yōu)化模型對撫仙湖富營養(yǎng)化控制成本進(jìn)行估算，并對其進(jìn)行初級評估。

1 湖泊營養(yǎng)物控制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估方法概述

根據(jù)湖泊水質(zhì)目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)建議值確定削減量，以削減成本最小為目標(biāo)，建立優(yōu)化模型對削減量進(jìn)行合理分配，計算削減成本并就其對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的影響進(jìn)行評估。湖泊富營養(yǎng)化控制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估技術(shù)路線(圖1):計算標(biāo)準(zhǔn)建議值下的湖泊營養(yǎng)物容量及入湖量，得到削減量，通過不確定性優(yōu)化模型對削減量進(jìn)行分配，核算湖泊富營養(yǎng)化控制成本，并假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行后，對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的影響進(jìn)行評估。

圖1 湖泊富營養(yǎng)化控制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估路線Fig.1 Technology roadmap of lake nutrient economic analyses of water quality standards

1.1 湖泊削減量計算

以湖泊營養(yǎng)物標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，計算營養(yǎng)物容量，根據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)數(shù)據(jù)對其入湖量進(jìn)行核算，從而得出削減量。計算公式:湖泊營養(yǎng)物削減量=湖泊營養(yǎng)物入湖量-湖泊水環(huán)境容量。

湖泊水環(huán)境容量采用Dillon模型進(jìn)行計算［4］，模型表達(dá)式:

式中，L 為 TP、TN 單位允許負(fù)荷量，g/(m2·a);為平均水深，m;CS為 TP、TN的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，mg/L;Q入為年入湖量，m3/a;V為湖泊容水量，m3;R為氮、磷的滯留系數(shù)，a-1。

采用統(tǒng)計學(xué)方法，調(diào)查分析當(dāng)?shù)匚廴疚锱欧艁碓春腿牒禂?shù)，確定營養(yǎng)物入湖量。估算入湖量時考慮最高負(fù)荷和最低負(fù)荷兩種情景，確定入湖量區(qū)間［5］。

1.2 湖泊富營養(yǎng)化控制年成本計算

湖泊流域營養(yǎng)物削減措施多樣，包括工程削減、預(yù)防性措施、維護(hù)措施以及修復(fù)技術(shù)等，具有綜合性、開放性、技術(shù)差異性以及影響廣泛性，其削減成本估算方法也各不相同。湖泊流域營養(yǎng)物削減總投資巨大，大部分措施投入分若干年進(jìn)行，而經(jīng)濟(jì)分析則是評估年度治污成本對實體的經(jīng)濟(jì)壓力。如何對流域治理進(jìn)行技術(shù)的選擇和年度治污成本的科學(xué)估算是湖泊富營養(yǎng)化控制成本模型建立的重點［6-7］。

1.3 湖泊富營養(yǎng)化控制成本經(jīng)濟(jì)評估

通過對美國經(jīng)濟(jì)分析體系的研究，在對我國環(huán)境管理現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了我國湖泊富營養(yǎng)化控制的經(jīng)濟(jì)分析框架。初級評估主要針對個人支付和企業(yè)支付，評估其支付的湖泊富營養(yǎng)化控制成本是否對其生活和發(fā)展造成重大影響，如果結(jié)果為否，標(biāo)準(zhǔn)可行，無需進(jìn)行二級評估;如結(jié)果為是，則需進(jìn)行二級評估。二級評估對個人支付、企業(yè)支付和政府投資進(jìn)行綜合評估，評估其是否對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展造成重大影響，如果結(jié)果為否，湖泊富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)建議值可行;如結(jié)果為是，則湖泊富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)建議值不可行，需要進(jìn)行修訂。初級評估指標(biāo)［8-9］:

“十一五”期間，國家環(huán)境保護(hù)模范城市考核指標(biāo)中要求環(huán)保投資指數(shù)為1.5%～2.5%，認(rèn)為環(huán)境保護(hù)投資基本上起到了控制污染的作用。參考該考核指標(biāo)，若環(huán)保投資指數(shù)小于1.5%，表明標(biāo)準(zhǔn)實施對經(jīng)濟(jì)沒有重大影響，但是湖泊富營養(yǎng)化可能不會得到較好的控制成效，標(biāo)準(zhǔn)實施無法滿足湖泊保護(hù)的要求。指數(shù)為1.5%～2.5%時，表明標(biāo)準(zhǔn)實施對經(jīng)濟(jì)影響相對適中，對湖泊富營養(yǎng)化控制有較好的控制成效，可以執(zhí)行。當(dāng)該指數(shù)大于2.5%時，表示標(biāo)準(zhǔn)實施對湖泊富營養(yǎng)化控制有較好的控制成效，但對經(jīng)濟(jì)造成較為嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)，需要考慮標(biāo)準(zhǔn)是否過嚴(yán)。

2 湖泊富營養(yǎng)化控制成本模型

2.1 模型構(gòu)建依據(jù)

對湖泊流域營養(yǎng)物控制技術(shù)進(jìn)行分析，根據(jù)湖泊流域營養(yǎng)物削減特點以及模型目標(biāo)選擇適合的建模方法，同時進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的調(diào)查、研究、分析以及有關(guān)參數(shù)的確定，形成比較完整的湖泊流域營養(yǎng)物削減成本模型［10-11］。湖泊富營養(yǎng)化控制應(yīng)立足于流域?qū)用?，基于總量控制原則進(jìn)行湖泊富營養(yǎng)化控制［12］，根據(jù)《撫仙湖流域水環(huán)境保護(hù)與水污染防治規(guī)劃》提煉出我國湖泊富營養(yǎng)化控制的六大體系，即產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、污染源工程治理與控制、低污染水處理與凈化、清水產(chǎn)流機制修復(fù)、湖泊水體生境改善工程、流域系統(tǒng)管理與生態(tài)文明建設(shè)綜合控制。通過對比六種湖泊富營養(yǎng)化控制方法，根據(jù)模型目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)評估需要，選取產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、污染源工程治理與控制、低污染水處理與凈化、清水產(chǎn)流機制修復(fù)、湖泊水體生境改善工程五項湖泊富營養(yǎng)化控制措施構(gòu)建成本模型［13］。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

模型以湖泊富營養(yǎng)化控制成本最小為目標(biāo)，以湖泊營養(yǎng)物入湖量削減總量控制、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整控污減排總量控制、污染源工程治理與控制總量控制、低污染水處理與凈化總量控制、清水產(chǎn)流機制修復(fù)總量控制、湖泊水體生境改善工程控制總量控制、以及非負(fù)條件等為約束條件，引入?yún)^(qū)間規(guī)劃解決參數(shù)的不確定性，構(gòu)建不確定性優(yōu)化模型對削減量進(jìn)行合理分配，計算削減成本。模型估算成本中包括研究費用、基礎(chǔ)建設(shè)費用、設(shè)備購置和安裝費用、后期運行維護(hù)費用等。根據(jù)以上目標(biāo)和約束，建立湖泊富營養(yǎng)化控制成本模型函數(shù)表達(dá)式［14-16］:

式中，Z為湖泊富營養(yǎng)化控制成本，元/a;ISR為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整控污減排單位治理成本，元/t;Xisr為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整控污減排削減量，t/a;PSMi為污染源第i種工程治理與控制單位成本，元/t;Xpsmi為污染源第i種工程治理與控制削減量，t/a;LPWj為低污染水第j種處理與凈化單位控制成本，元/t;Xlpwj為低污染水第j種處理與凈化削減量，t/a;QAFn為第n條入湖河流清水產(chǎn)流機制修復(fù)單位成本，元/t;Xqafn為第n條入湖河流清水產(chǎn)流機制修復(fù)削減量，t/a;LHIm為湖泊水體生境第m種改善措施單位削減成本，元/t;Xlhim為湖泊水體生境第m種改善措施削減量，t/a。

2.3 約束條件

2.3.1 湖泊營養(yǎng)物入湖量削減總量控制約束

削減總量≥目標(biāo)削減量，即:削減總量為了滿足湖泊富營養(yǎng)化控制標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)大于或等于滿足湖泊富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)時營養(yǎng)物的削減量。

式中，Xt表示第t年達(dá)到湖泊富營養(yǎng)化控制標(biāo)準(zhǔn)所需削減營養(yǎng)物總量，t/a。

2.3.2 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整控污減排總量控制約束

第t年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整控污減排最低控制量≤產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整控污減排削減量≤第t年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整控污減排最高控制量，即:

式中，min Xisrt和max Xisrt為第t年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整控污減排最低和最高控制量，t/a。

2.3.3 污染源工程治理與控制總量約束

污染源工程治理與控制最低削減量≤污染源工程治理與控制削減量≤污染源工程治理與控制最高削減量，即:

式中，min Xpsmt和max Xpsmt分別為污染源工程治理與控制第t年最低和最高削減量，t/a。

2.3.4 低污染水處理與凈化總量控制約束

低污染水處理與凈化最低削減量≤低污染水處理與凈化削減量≤低污染水處理與凈化最高削減量，即:

式中，min Xlpwt和max Xlpwt為低污染水處理與凈化第t年最低和最高削減量，t/a。

2.3.5 清水產(chǎn)流機制修復(fù)總量控制約束

清水產(chǎn)流機制修復(fù)最低削減量≤清水產(chǎn)流機制修復(fù)削減量≤清水產(chǎn)流機制修復(fù)最高削減量，即:

式中，min Xqaft和max Xqaft為清水產(chǎn)流機制修復(fù)第t年最低和最高削減量，t/a。

2.3.6 湖泊水體生境改善工程控制總量控制約束

湖泊水體生境改善工程最低削減量≤湖泊水體生境改善工程削減量≤湖泊水體生境改善工程最高削減量，即:

式中，min Xlhit和max Xlhit為湖泊水體生境改善工程第t年最低和最高削減量，t/a。

2.3.7 非負(fù)條件約束

2.4 參數(shù)的確定

采取生產(chǎn)能力指數(shù)法，根據(jù)已完成的、性質(zhì)類似的項目投資和營養(yǎng)物削減總量比值對單位成本進(jìn)行估算［17］。生產(chǎn)能力指數(shù)法計算公式為:

式中，n為生產(chǎn)能力指數(shù)。n的取值根據(jù)目標(biāo)投資項目和已完成類似項目的比例確定，當(dāng)已完成項目規(guī)模和擬完成規(guī)模相差不大時，n的取值近似為1;當(dāng)已完成項目規(guī)模和擬完成規(guī)模相差不大于50倍時，n的取值為0.8～0.9;當(dāng)已完成項目規(guī)模和擬完成規(guī)模相差大于50倍時，n的取值為0.6～0.7。根據(jù)項目建設(shè)年限將總投資分別分配到各年，以及年度運行維護(hù)費用等，以求得年度單位成本。

3 案例研究

3.1 撫仙湖流域概況

以撫仙湖流域為例，撫仙湖地處云南省玉溪市境內(nèi)，流域面積674.69 km2(不含星云湖流域)。撫仙湖是我國的第二深水湖泊，當(dāng)湖面高程為1 722.5 m時，水域面積約216.6 km2，平均水深95.2 m，相應(yīng)容水量約為206.2億m3，居全國第二位［18］。

3.2 撫仙湖削減量計算

以2008年為基準(zhǔn)年，《玉溪統(tǒng)計年鑒(2008)》為依據(jù)［19］，根據(jù)相關(guān)研究確定的撫仙湖富營養(yǎng)化控制標(biāo)準(zhǔn)建議值(TN濃度不大于0.173 mg/L，TP濃度不大于0.006 mg/L)推算得到撫仙湖高程水位為1 722.5 m時，2012年削減量如表1所示。

3.3 撫仙湖削減成本計算

由于目前撫仙湖水質(zhì)仍能基本達(dá)到GB 3838—2002《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)，且撫仙湖屬于貧營養(yǎng)湖泊類型，撫仙湖流域營養(yǎng)物控制應(yīng)以流域污染源控制和強化管理、清水產(chǎn)流機制和湖泊水體養(yǎng)護(hù)為主，工程措施為輔助手段。撫仙湖流域重點污染源為農(nóng)業(yè)面源、磷礦污染和入湖河流污染，也是優(yōu)先控制目標(biāo)，根據(jù)以上優(yōu)先控制目標(biāo)進(jìn)行技術(shù)選擇，收集約束條件以及估算成本后，采用lingo軟件進(jìn)行計算，得出最優(yōu)化結(jié)果(表2)。

表1 削減量計算結(jié)果Table 1 Results of reduction amount

3.4 撫仙湖營養(yǎng)物控制成本經(jīng)濟(jì)評估

由模型計算結(jié)果(表2)可得，通過優(yōu)化模型對撫仙湖削減量進(jìn)行分配后，可以有效減排原有營養(yǎng)物的入湖量，且在技術(shù)方面可行。其中產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整控污減排和湖泊水體生境改善工程投資比例最大，分別占總投資的23.07%和26.88%，表明撫仙湖流域需要通過加強入湖管理、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和湖泊水體養(yǎng)護(hù)為主。撫仙湖流域營養(yǎng)物主要以磷為主，污染工程治理中磷礦區(qū)的治理和修復(fù)占總投資的6.06%，清水產(chǎn)流機制修復(fù)中磷企業(yè)集中的代村河流域投資明顯高于其他流域，達(dá)到7.29%。

根據(jù)《撫仙湖流域水污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》，2012年預(yù)計投資金額為74 936.54萬元，通過建立的不確定性優(yōu)化模型得到的總削減成本為［57 633.59，70 441.05］萬元，較原規(guī)劃低。撫仙湖營養(yǎng)物控制成本支付手段主要包括個人支付、企業(yè)支付和政府投資，其中個人支付主要是通過居民用水費用等收取，企業(yè)支付主要通過對企業(yè)收取排污費和企業(yè)用水費用等收取。

根據(jù)計算，初級評估營養(yǎng)物削減費用個人和企業(yè)支付為［14 029.10，17 146.67］萬元。根據(jù)撫仙湖流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，估算2012年國民生產(chǎn)總值(GDP)為617 450.16萬元。湖泊營養(yǎng)物控制成本指數(shù)為2.27%～2.78%。結(jié)果表明，在低負(fù)荷情景下標(biāo)準(zhǔn)對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的影響適中，標(biāo)準(zhǔn)可行;高負(fù)荷情景下標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行存在風(fēng)險，需要進(jìn)行二級評估。

表2 優(yōu)化結(jié)果Table 2 Optimization results

4 結(jié)論

構(gòu)建了湖泊富營養(yǎng)化控制標(biāo)準(zhǔn)評估方法，建立了湖泊富營養(yǎng)化控制成本模型。運用湖泊富營養(yǎng)化控制成本模型對撫仙湖流域營養(yǎng)物成本控制進(jìn)行計算，優(yōu)化結(jié)果為［57 633.59，70 441.05］萬元，與原規(guī)劃方案相比較低。采用建立的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估方法對湖泊富營養(yǎng)化控制評估，結(jié)果表明，2012年實行該標(biāo)準(zhǔn)在低負(fù)荷情景下對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的影響適中，標(biāo)準(zhǔn)可行;高負(fù)荷情景下標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行存在風(fēng)險，需要進(jìn)行二級評估。然而湖泊富營養(yǎng)化控制標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)濟(jì)評估體系建立尚不完善，建立完善的初級篩選和二級評估方法對標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)制定有著非常重要的意義。

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［18］中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所.撫仙湖［M］.北京:海洋出版社，1990.

［19］玉溪市統(tǒng)計局.玉溪統(tǒng)計年鑒［M］.玉溪:玉溪市統(tǒng)計局，2008.

Optimization Model Based Technical-economic Evaluation Methodology of Nutrient Standards in the Lake of Fuxian

Lü Ning-qing1，SU Jing1，XI Bei-dou1，HUO Shou-liang1，JI Dan-feng1，2，ZHANG Rui1，3，CHEN Qi1
1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
2.School of Environment，Beijing Normal University，Beijing 100875，China
3.College of Earth and Environment，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China

A technical-economic evaluation framework of lake nutrient standards was built based on a survey of economic analysis of water quality standards in the USA and the current environmental management system in China.Reduction quantity was obtained after calculating lake nutrient capacity and the input to the lake under the condition of suggested standard values.The reduction quantity was distributed by an uncertainty optimization model，and the control cost of eutrophication was accounted.The effects of the standard implementation on the lake basin economic development were evaluated.This evaluation method was applied to the technical-economic evaluation system of Fuxian Lake.The results demonstrated that the reduction cost of the schemes based on the optimized model was lower than that of the original planning of Fuxian Lake.The reduction cost was evaluated through the technical-economic evaluation framework，and the results showed that the impact on the lake basin economy was moderate if the standard was implemented.

lake nutrient;water quality standard;economic assessment and optimization model

X524

A

10.3969/j.issn.1674-991X.2012.03.034

1674-991X(2012)03-0223-06

2012-01-05

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2009ZX07106-001);國家自然科學(xué)基金項目(71103166)

呂寧磬(1986—)，男，碩士研究生，主要從事湖泊富營養(yǎng)化控制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估研究，jy02459975@163.com

*責(zé)任作者:蘇婧(1981—)，女，助理研究員，博士，主要從事環(huán)境管理研究工作，sujing169@163.com