摘要：采用模块化设计思想，构建了水环境保护与经济发展的决策模型，主要模型有水资源需求模型、水环境容量模型、宏观经济模型、水污染控制模型、经济结构优化模型等。通过对多级模型的求解，获得既符合经济发展目标，又满足环境保护要求的合理的经济结构和合适的发展速度。从而为水资源保护与经济发展的研究提供可借鉴的思路和方法。

关键词：水；环境；保护；经济；发展；模型

中图分类号：TV213；F421

文献标识码：A

文章编号：1000－3037(2001)03－0269－06

1 建模思路

　　本文以改善与保护水环境为着眼点，以经济发展与水环境保护相协调为目标，研究目前我国水环境中最突出的污染问题。以环境经济学思想为基础，按照物质平衡、最优污染发展水平的观点^[1、2]，在公平性和持续性的基础上，对区域中的水资源进行科学配置，考虑为保护和改善环境质量所需的环境用水量^[3]，保证地表水不因其被开发利用而造成来水情况逐渐衰竭甚至枯竭。考虑因用水量的增加而带来废污水排放量的增加，为保护水源而相应增加污水处理能力以保证水源的可持续利用^[4]。在统筹兼顾和综合发展的基础上，注重最优决策与满意决策辨证的应用，不一味追求最优目标，而是兼顾经济发展与环境污染最优，考虑研究区的经济发展阶段，寻求有利于水环境改善的合适的经济结构和经济增长速度。研究框架包括以下 9 个方面的内容：①收集水文、水资源资料，按照国家对具有重要环境生态功能的资源，如土地、森林、水等，必须按照使用功能分类保护的原则，建立区域地表水（河流）资源量生态环境需水的计算原则和方法，为水环境容量计算创造条件；②收集各经济部门水资源利用资料，建立部门水资源投入产出子表；③收集水质污染资料，确定主要污染物，计算主要污染物水环境容量，为确定水污染控制目标提供依据，收集废水排放资料，建立各部门废水、污染物产生、排放投入产出子表；④收集区域经济统计资料、投入产出表，建立各部门经济投入产出子表；⑤收集各经济部门、工业行业、生活废水治理投资情况，建立各部门废水治理资金投入产出子表；⑥以投入产出宏观经济模型^[5]为基本出发点，加入水环境、水资源需求及废污水治理模块，并建立经济、水资源、水环境、水污染治理综合投入产出表，及其经济、环境、资源、治理费用的综合投入产出平衡关系^[6]。进行经济指标、产业结构、用水量、废水排放量、污染物排放量、废水治理费用等预测；⑦建立宏观环境—经济产业结构优化模型，按照第一、第二、第三产业分类统计用水量、排水量、产污量、排污量、污水处理量、处理费用以及 GDP 量，对产业结构进行一级优化，为工业内部行业优化创造条件；⑧建立环境—经济工业结构优化模型，按照工业行业分类统计用水量、排水量、产污量、排污量、污水处理量、处理费用以及 GDP 量，对工业结构进行优化计算；⑨制定符合经济发展规划目标、水资源合理利用和水环境保护目标的产业结构、工业结构优化方案及其它宏观战略对策建议。具体过程详见图 1。

图 1 水环境保护与经济发展研究框架
Fig.1 Study frame of water environmental protection and economic development

2 决策模型

　　本文采用模块化的设计思想^[7]构建模型，主要模块有：宏观经济模型、水资源需求模型、水环境容量模型、水污染控制模型、环境经济优化模型等。

2.1 宏观经济模型

　　宏观经济模型为投入产出模型，描述宏观经济内部运转机制。通过投入产出平衡关系、消费和投资、地区间的调入调出关系、经济发展与外部经济环境和宏观调控政策关系等，确定经济系统的发展模式，如经济规模、经济结构等。宏观经济模型主要用于国民经济发展速度、产业结构等宏观经济发展预测，本文扩展为同时进行国民经济需水预测、废水量预测、污染物预测、废水治理费用预测等。同时对环境经济优化结果进行宏观经济、环境方面的模拟检验。

　　本文提出的改进的投入产出分析模型^[6]（表 1）是在原始投入产出表^[5]上增加了两个象限。其中第Ⅳ象限为增加的资源、治理资金产出量和废水、废物排放量，第Ⅴ象限为增加的资源、治理资金投入量和废水、废物产生量。

表 1 经济－环境投入产出表
Table 1 Input-output table of economy and environment

投入	产出					水回 用量	废水排 放量	污染物 排放量
	中间需求	最终需求	总产出（一）	污水处理费用	总产出
中间投入	Xij	Y	X	H	S	B	Q	R
最初投入	V
总投入（一）	X					IV
污水处理资金投入	G
总投入	T
用水量	K		V
废水产生量	L
污染物产生量	P

主要的平衡关系有

式中，为 i 部门提供的供各部门使用的中间产出，Hi 为第个 i 部门处理污水所用资金；S_i 为第 i 部门在扣除污水处理费用后提供的总产出；X_j 为第 j 部门的总投入；G_j 为第 j 个生产部门污水处理资金投入；T_j 为第 j 部门在增加污水处理资金后的总投入。

2.2 需水模型

　　包括生态环境需水模型、工业需水模型、农业需水模型、生活需水模型。工业需水模型根据工业发展水平，确定工业各部门的用水定额，以及相应的总需水量。农业需水模型根据灌溉用水定额、粮食产量及农村社会发展水平确定总用水量。生活需水模型根据城市发展水平、农村发展水平确定城市、农村生活用水定额及相应的生活需水量。生态环境需水模型从生态环境角度计算生态环境需水量，其结果反映水资源的一、二级分配问题。

　　对于生态环境需水量，目前还没有统一的定义^[8、9]和成熟的计算方法^[10]。鉴于我国水环境污染十分严重，本文提出以稀释和自净为主要功能的河道最小环境需水的计算方法。

　　首先根据河流（河段）的特点和实际需要，选择环境需水量设计断面，将河流（河段）划分为若干小段，先对各小段进行计算，最后求出整个河段的最小环境需水量。

　　对于任一功能小段 (i)，河道最小环境需水量 (Q_v) 必须同时满足下列方程

其中，Q_vi 为 i 小段河道最小环境需水量，q_gi 为 i 小段河道上游来的地下水，q_(bg)i 为支流进入 i 小段的地下水，Q_gi 为河段本身进入河道的地下水，Q_mi 表示除河道基流外，为满足一定的河道环境功能要求所必须具有的水量。q_gi＋q_(bg)i±Q_gi 为河段的地下水来水总量，也就是该河段河道的基（础）流量；λ为河流稀释系数，Q_wi 为 i 小段合理的污水排放总量。Q_ni(p) 为设定水文年（多年平均，枯水年，平水年）指定保证率（如 p₀=90%，p₀=85% 等）下 i 小段的河道流量。计算出所有断面的 Q_vi(i=1,2,…，n，i 为断面数 ) 后，即可确定整个河流（河段）的最小环境需水量。由于在确定每个断面的 Q_vi 时，将每一小段看作一个闭合汇水区，因此，对其求和即可得到整个河流（河段）的最小环境需水量。

2.3 水环境容量模型

　　以有机质污染为主的河流，其有机质水环境容量包括稀释容量和自净容量^[11]。对于有多个排污口的河段，其总容量是各排污口分段容量之和。本文采用断面控制的方法^[12]计算水环境容量，限于篇幅，仅介绍段首控制法。所谓段首中的“段”是指任何两个排污口 ( 包括支流 ) 或排污口与控制断面间的部分，“段首”则是指两个排口中靠近上游的一个。段首控制就是让各“段首”的水质达到功能区段的要求，由于河流的自净作用，必将使功能区段其它部分水质高于标准。段首控制严格控制了功能区段的水质不超标。具体计算如下：功能区段段首容量值 (E₀) 为：

E₀=(C_s－C₀)Q₀ (4)

式中，Q₀，C₀，C_s 分别为来水水量（m³/s）、来水浓度（mg/L）及该功能区段的水质标准（mg/L）。则第 i 个排污口处的环境容量为：

E_i=C(1＋f(x_i－x_i－1))Q_i＋1－Q_iC_s (5)

式中，Q_i＋1=Q_i＋q_i，Q_i 为第 i 个断面河流干流中水量，q_i 为第 i 个断面河流中污水量，C 为混合浓度 (mg/L)，f(x) 为一函数^[13]，对于有机物污染的河流，一般选用 COD 和 BOD₅ 作为综合指标，f(x) 可以通过其降解模型 S－P 模型或其修正模型，或采用 Thomas 模型^[13]求出不同的表达式。C_s 为本功能区段的水质标准。由此可以求出该功能区段的总环境容量 (E)

式中，Q 为河流来水水量与污水量之和，Q_s 为符合该河流一定功能并达到其水质标准的河流总水量。

2.4 水污染控制模型

　　包括水环境预测模型和水污染控制模型。前者主要预测经济发展及人口增长对水环境状态的影响，后者主要计算废水治理投资费用，同时由前者得出的结果，经优化计算得出水污染控制方案，并对经济发展起反馈作用。

　　工业废水总量由 q_n=Q_n×f_n 计算，式中，Q_n 为预测年度 n 子行业用水量，q_n 为预测年度 n 子行业污水排放量，f_n 为预测年度 n 子行业污水产生系数。单一污染物产生量的预测采用系数法，即用各工业行业的万元产值排污量进行预测。预测时考虑科技进步、工业废水处理率等因素。生活污水产生量的预测同样采用污水系数法。考虑到不同水平年用水的差异，污水产生系数在不同水平年取不同值。

　　废水治理资金分两种情况计算，首先是工业行业内部处理费用，其费用函数的选择以《工业废水和城市污水处理技术经济手册》^[14]为依据，并按照不同水平年、同一水平年废水处理率的不同设定不同的方案；其次是工业和生活废污水集中处理投资，污水处理厂的规模按一般规模计算（如日处理能力 10万t/d）。据此计算出工业各行业废水处理费用和工业、生活污水处理年投资费用。

2.5 环境—经济优化模型

2.5.1 产业结构优化模型

　　目标函数一般表达式为：

式中，j 为研究区分区；i 为产业结构；Q 为用水量（10⁸m³/a）；q 为亿元产出需水量（10⁴m³/10⁸ 元）；p 为亿元产出废水量（10⁴m³/10⁸ 元）；c 为废水处理费用（10⁸ 元／10⁴m³）。在不考虑分区和面源污染的情况下，其表达式为：

maxZ=(Q₂/q₂)(1－p₂×c₂)＋(Q₃/q₃)(1－p₃×c₃) (8)

式中，Q₂ 为工业总用水量，q₂ 为工业亿元产出需水量，p₂ 为工业亿元产出废水量，c₂ 为工业废水处理费用；Q₃ 为第三产业总用水量，q₃ 为第三产业亿元产出需水量，p₃ 为第三产业亿元产出废水量，c₃ 为第三产业废水处理费用。

约束条件为：

　　(1) 资源约束（总用水量约束）：①Q₂＋Q₃≤R₁;②R₁=Q_t－(Q₁＋Q_d) (9)

式中，Q_t 为总供水量（10⁸m³/a）；Q₁ 为农业总用水量；Q_d 为生活总用水量。

式中，GDP₁ 为第一产值，P 为总人口，F_P 为人均粮食，F_c 为粮食单价，O_f 为粮食产值，O_a 为农业总产值。

2.5.2 工业结构优化模型

　　式中，x_i 为工业第 i 行业的产值（10⁶ 元），i=1,2,3,…，n 为工业行业（n 个），b₁，b₂，…，b_n 为对应各行业的 COD 排污系数（t/10⁶ 元）。

　　约束条件：

式中，R1 为某一水平年的工业生产总值 (10⁶ 元 ) 的要求。

式中，ai 为第 i 行业需水系数 (m³/10⁶ 元 )，R₂ 为工业用水可供量 (10⁶m³)。

式中：b_i 为第 i 行业 COD 排污系数 (t/10⁶ 元 )，R₃ 为工业 COD 环境容量 (t)，即工业水污染控制目标。

式中，c_i 为第 i 行业用于治理废水的资金占其年产值的比例系数，R₄ 为工业废水量治理费用限额 (10⁶ 元 )。

式中，d_i 为第 i 行业废水产生系数 (m3/106 元 )，R₅ 为废水产生总量 (10⁶m³)。

　　(6) 工业正值、行业均衡发展及投入产出平衡约束

3 模型求解

　　上述模型的组合不是简单的连接，而是按照一定的逻辑关系连接起来的（图 2）。本研究通过多级模型联用，并利用分类讨论、联立求解的数学思想，把大系统简化，从而达到兼顾社会、经济、环境要求（约束），并达到协调发展的目的。在具体计算时，采用多目标分析优化技术中的约束法进行求解。

图 2 模型关系和结构图
Fig.2 The structure diagram of module's connections

　　本文介绍的水环境保护与经济发展模型，已在国家“九五”重点攻关项目《区域水污染控制与生态环境保护研究》^[12]中应用，并将在国家重点基础研究发展规划 (973) 项目中得到进一步的完善。

参考文献

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