区域水环境经济系统优化模型及其应用.pdf
1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/文章编号:100624710(1999)0420080206区域水环境经济系统优化模型及其应用王西琴,周孝德(西安理工大学水利水电学院,陕西 西安710048)摘要:基于改进的经济、环境、资源、污染治理投入产出模型,建立了区域水环境经济多目标优化规划模型。该模型以宏观经济子模型及其它子模型为基础,以多目标优化规划模型为核心,并在多目标分析模型中集系统要素为一体,具有预测、模拟、优化及决策分析等功能。以关中地区为例讨论了其应用,结果表明该模型能较好地协调经济与环境的关系,为水环境与经济的可持续发展提供了一种可操作的方法。关键词:水环境;经济;投入产出模型;工业结构优化中图分类号:X21;TV 213.4文献标识码:AThe Regional Opti m izationM odel of Water Environment-Economy Systemand ItsApplicationWAN G Xi2qin,ZHOU Xiao2de(Xian U niversity of Technology,Xian 710048,China)Abstract:Based upon the i mproved Input2Output model of environment2economy2resources2pollution control,the regional multiple2objective opti m ization model of water environment2economy is established.Based on the macro2econom ic sub2model and other sub2models,thismodel embodies the system elements into one body in themulti2objective analysismodel so thatit has such functions as the prediction,si mulation,opti m ization and decision analysis,etc.Itsapplication is also discussed w ith Guanzhong as an example.The results indicate that thismodel can better coordinate the relationships between economy and environment,wherebyproviding an operable method for the sustainable development of water environment andeconomy.Key words:water environment;economy;Input2Output model;industrial structure opti m ization水环境污染问题是一个涉及到生态、资源、社会、经济等系统的复杂问题。因此,过去那种单纯的就水污染研究污染控制的方法,只考虑水污染末端控制,而忽视水环境与经济协调发展的研究思路,显示出明显的不足,并由此受到了大自然或多或少的惩罚。随着水环境污染问题的日益严重,人们逐渐认识到对水资源的利用不仅要遵循自然规律,而且要遵循生态经济规律;对水环境的改善不仅需要把水污染防治与水资源的开发利用相结合,而且要把水污染防治与社会经济发展相联系,以寻求污染源的减少和治理资金的支持,从根本上解决水污染问题。本文从社会经济发展角度出发,对水环境经济系统进行宏观研究,目的是探寻区域在经济发展过程中,如何兼顾经济发展和水环境保护及可持续水资源开发利用的模型和方法。收稿日期:1999203226责任编辑韩星明王卫勋基金项目:国家“九五”重点科技攻关项目(962912205203)部分研究成果。作者简介:王西琴(19682),女,西安理工大学博士研究生。08西安理工大学学报Journalof Xian U niversity of Technology(1999)Vol.15 No.4 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/1环境经济系统优化模型1.1环境经济系统模型的组成和结构宏观经济模型及其它子模型是系统的基础模型,在这些模型中建立现状及其预测状态下的经济指标、需水量、废水量、污染物量、废水治理费用等因素之间的相互关系。宏观经济模型的主体是投入产出模型,该模型建立各经济部门的产出、经济结构、投资等,其它子模型建立经济对水资源的需求关系、经济与废水及污染物的排放关系、治理投资与经济的关系。1.1.1改进的环境经济投入产出模型投入产出法作为研究大系统结构的方法,自70年代以来,开始用于研究环境污染控制和资源的合理开发利用等问题。目前在水资源系统分析中主要有3种类型的应用模型。即70年代由Heridinks提出的水量平衡投入产出模型,80年代由Binhop等提出的水量优化平衡模型,以及扩展性投入产出模型2。水量平衡投入产出模型是以水量为单位,用以表示水资源系统的主要范围、基本结构及用水者之间的相互关系。它的研究仅限于水资源系统本身的水量关系,未涉及水质的影响。水量优化平衡模型是一个分配问题的优化模型,它虽然反映了经济、水量和水质三方面的信息,但它反映的经济内容仅是处理、输送水所需的费用,并不是社会的经济结构。扩展性投入产出模型是以反映经济结构为主,兼顾反映资源、环境影响的模型,把一个地区的经济活动、资源开发及环境保护作为一个有机整体来考察,但由于涉及到的因素较多,在实际应用中不便于操作。本文提出的改进的投入产出分析方法见表1,是在原投入产出表3上增加了2个象限,右上方第?象限为增加的资源、治理、废物产出量,左下方第 象限为增加的资源、治理、废物投入量。表1经济2环境投入产出投入产出中间需求最终需求总产出(一)污水处理费用总产出水回用量废水排放量污染物排放量中间投入XijYX最初投入V总投入(一)X污水处理资金投入G总投入用水量TK废水产生量L污染物产生量PHSBQR?文中投入产出模型所使用的数学方法和矩阵的数学标记、模型说明和计算,均遵循经典的投入产出模型理论和方法3。主要的平衡关系有4:nj=1xij+Yi=Xi(i=1,n);Xi+Hi=Si;Xj+Gj=Tj;Tj=Si式中 2nj=1xij为第i部门提供的供各部门使用的中间产出;Hi为第i个部门处理污水所用资金;Si为第i部门在扣除污水处理费用后提供的总产出;Xj为第j部门的总投入;Gj为第j生产部门污水处理资金投入;Tj为第j部门在增加污水处理资金后的总投入。除直接消耗系数 ij和完全消耗系数bij外,本文还引入了污水处理费用系数hi、废水排放量系数qi、污染物排放量系数rij、污水治理投资费用系数gi、废水产生系数lj、污染物产生系数pij。其中hi是经污水处理费用函数计算所得的i部门处理废水运行费用系数;gj是经废水处理费用函数计算所得治理投资费用系数,qi=Qi?Xi,rij=Rij?Xi,rij是第i部门单位产值在经过处理后所排放的第j种污染物的量;lj=Lj?Xj,pij=Pij?Xj,(i=1,2,m;j=1,2,n)。18王西琴等:区域水环境经济系统优化模型及其应用 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/1.1.2模型设计本模型采用模块化设计思想1,主要模块有投入产出分析模块、扩大再生产模块、宏观调控模块、水资源需求模块、水环境污染与控制模块和多目标分析模块。投入产出分析模块主要描述国民经济各行业年内间的技术经济联系,其主要表现为经济各行业间的投入产出关系。主要约束方程有:投入产出平衡基本式,消费和投资的结构、地区间的调入调出关系等。扩大再生产模块主要描述经济活动年际间的关系,即描述扩大再生产过程。其主要约束方程包括:固定资产投资来源方程、固定资产形成方程、生产函数方程等。宏观调控模块经济发展与外部经济环境和宏观调控政策关系密切,该模块主要用于反映这种关系。水资源需求模块主要描述宏观经济对水资源的需求关系。其又包括生活需水子模型、工业需水子模型和农业需水子模型。生活需水预测主要考虑人口、生活水平、城镇化、公共事业等因素,并通过建立相关方程进行预测。工业需水子模型主要根据工业产值与需水量之间的关系,进行分行业研究,考虑用水管理及技术进步等因素,采用万元产值取用水定额建立相关方程进行预测。水环境污染与控制模块主要从水环境容量、污水排放、污染物质产生与排放及污染控制的角度,计算和预测水环境最大允许容量,废污水产生量、排放量,污染物质产生量、排放量,治理去除量,以及处理废水所需投资等。通过建立相关方程,来描述国民经济发展与水污染的关系,包括国民经济发展与废水投资的关系,经济行业用水和废水的关系,水资源需求与供给关系等。其中废水及污染物排放量采用系数法进行预测,以现状年各行业万元产值产废水(物)系数为依据,并考虑工业结构、科技进步、旧工艺及设备的技术改造、工业废水处理率等影响因素。各工业行业废水处理费用函数以文献5为依据,包括投资费用、运行费用、电耗费用等,同时考虑折现率。多目标分析模块从整体角度协调社会、经济、环境各目标在经济发展、水资源利用、环境改善、治理投资等方面的相互矛盾。通过模型求解与决策分析过程,决策者可以分析不同的治理投资和管理措施对各目标的影响,从而最终确定环境与经济协调发展的优化方案。1.2系统优化模型的建立在宏观经济、环境、资源、污染治理投入产出模型的基础上,建立宏观环境经济工业结构优化模型。目标函数、约束条件及其有关参数的确定是在上述基础上确定的。对目标的分析优化技术采用约束法进行,即在各个目标函数中选择1个作为新的单一目标问题的目标函数,而令其它目标转化为约束条件,然后对这一问题求解。1.2.1目标函数1)目标函数要求在环境、经济平衡前提下,在满足经济发展速度前提下,CODM n排放量最小:m inJ=ni=1bixi式中,b1,b2,bn为对应各行业的CODM n排污系数(t?百万元);2)在满足渭河CODM n环境容量要求前提下GDP最大:maxX=ni=1Xi3)根据需要建立其它目标函数。1.2.2约束条件1)国内生产总值GDP约束:ni=1XiR1式中R1为某一水平年的工业生产总值的要求(百万元?a)。28西安理工大学学报(1999)第15卷第4期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/2)工业供水量约束:ni=1aixiR2式中ai为第i行业万元产值需水系数;R2为工业用水可供量。3)COD排放总量约束(COD容量约束):ni=1bixiR3式中bi为第i行业万元产值COD排污系数;R3为总COD环境容量(集中处理后的量)与城市生活污水中COD排放量的差值。4)污水治理费用约束ni=1cixiR4式中ci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。5)废水产生量约束:ni=1dixiR5式中di为第i行业的废水产生系数(t?百万元);R5为废水产生总量。6)COD产生总量约束:ni=1eixiR6式中ei为第i行业的COD产生系数(t?百万元);R6为COD产生总量(行业分散处理后的量)。7)正值及其它约束。1.2.3模型求解社会、经济、环境协调发展的决策支持系统是一个非常复杂的大系统,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),使之协调发展的目的。模型和模型结果计算都在EXCEL 97上进行。2实例应用2.1区域背景陕西省关中地区水环境中的水污染问题十分突出,区域内最大的干流渭河及其支流都受到严重污染。据1995年渭河水质监测资料分析,13个断面的不同水期及年均值除林家村断面外,都超过 类,即河长502 km的渭河均超过GB3838288的 类标准,22%的河段为?类水,78%的河段劣于 类水。主要支流入渭口断面也均严重超标。根据1995年环境统计资料,全区域工业废水排放总量330百万m3,主要工业行业产值、用水、废水、COD排放量及处理率列于表2中。表2工业各行业用水及产出污水污物情况行业采掘食品纺织服装造纸电力石油化学建材冶金机械其它工业产值?百万元232788825031386437734278390708142548062378962270工业产值比重?%2.6410.085.714.394.284.860.448.044.839.1543.012.58万元产值用水量?m3?万元105801355541060060110801706548工业用水比重?%3.242.226.22-11.51 32.890.0310.922.227.8117.850.69废水产生量比重?%1.825.286.721.2317.86 19.050.175.142.8112.44 26.411.08污水处理率?%351818301732473818442212产污水系数0.450.450.620.350.710.450.450.40.50.550.650.56COD产生量比重?%0.122.3217.120.3171.265.80.061.170.170.171.240.27注:1.资料来源于陕西省统计年鉴、陕西省环境统计资料、陕西省环境质量报告书等;2.表中12个工业行业由环境统计的19个行业合并而得。38王西琴等:区域水环境经济系统优化模型及其应用 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/由此可知,造纸、纺织、机械、电力、化学工业为主要的污染行业,而造纸、纺织工业为重中之重,两者产值仅占总产值的10%,但废水、COD却分别占25%和88%,产污水系数达0.62、0.71,在各行业中也居最高。这说明现有的工业结构存在着许多不合理的地方,不利于水资源的合理利用和水污染的有效控制。2.2优化计算2.2.1数据及依据所有环境经济投入产出模型中使用的基本数据是从陕西省及关中各市的有关部门得到,一些是公开出版的,一些是没有出版的,但有很高的可靠性。预测基本依据为“陕西省 九五 计划和2010年远景目标发展纲要”及有关各市政府计划与发展目标。本研究将国民经济行业分成17个经济部门,工业行业分为12个部门,分类的原则为:与现行的国民经济统计口径吻合;与环境统计口径吻合;与投入产出表的分类相匹配。2.2.2有关参数的确定应用上述模型,首先对关中地区2010年的工业产值、需水量、废水、污染物及治理费用进行预测。在此基础上,计算出高、中、低3种治理投资下的约束值R(见表3)及各项指标的系数值(见表4),最后应用线性规划进行工业结构调整。各约束值R的确定原则见1.1.2节。表32010年约束值R的确定结果R2010备注国内生产总值R1?百万元441713各工业行业产值合计预测值供水总量R2?百万m3a-12312.52各工业行业需水合计预测值COD排放总量(集中处理后)R3?ta-165008环境容量取75%保证率下低投资方案184275.21按计算结果的COD值中投资方案133548.24按计算结果的COD值高投资方案121538.87按计算结果的COD值污水处理费用R4?百万元低投资方案3215.1工业分散处理投资费用、运行中投资方案4341.4费用与工业集中处理投资费用高投资方案5586.9之和废水排放总量R5?百万m3a-1881.1工业废水排放总量预测结果COD排放总量(行业分散处理后)R6?t263250.3预测结果未经过集中处理 注:COD排放总量R3的约束值来源于国家“九五”科技攻关项目:关中地区水污染控制与生态环境保护研究.表42010年有关系数的确定结果行业序号123456789101112行业名称采掘食品纺织服装造纸电力石油化学建材冶金机械其它用水系数ai?百万m3?百万元0.0045 0.0034 0.0065 0.00220.0160.0260.0028 0.00480.0030.0070.0029 0.0019COD排放系数bi?t?百万元0.0470.1159 1.2139 0.0523 6.8681 0.65660.0220.1802 0.0154 0.0166 0.0449 0.4172费用系数ci低方案0.0213 0.0052 0.0117 0.0105 0.0169 0.0165 0.10620.0070.0080.0055 0.00320.017中方案0.0062 0.0071 0.0135 0.0044 0.0313 0.0504 0.0057 0.0111 0.00540.0140.0066 0.0034高方案0.0074 0.0083 0.0159 0.0052 0.0365 0.0592 0.00670.0130.0064 0.0165 0.00770.004废水产生系数di?百万m3?百万元0.0014 0.0013 0.0026 0.0008 0.0064 0.00920.0010.00190.0010.0028 0.0011 0.0007COD产生系数ei?t?百万元0.0671 0.1655 1.7341 0.0747 9.81160.9380.0314 0.25740.0220.0236 0.0222 0.064148西安理工大学学报(1999)第15卷第4期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/2.2.3工业结构优化方案根据治理费用的不同,优化分3种情况进行,即低投资方案、中投资方案和高投资方案。优化方案如表5所示。表52010年关中工业结构优化方案比较方案工业产值?百万元用水量?百万m3COD集中处理后排放量?ta-1治理费用?百万元废水排放量?百万m3分散处理后COD排放量?ta-1目标函数延续发展44171323121103842650881263250规划目标低投资557673231261126321586687283maxGDP中投资441713206345172425376990335m inCOD高投资441713206337934498976990335m inCOD从以上优化结果可以明显看出,在工业结构不进行调整的情况下,COD的排放量为11万t,远超过环境容量6.5万t,而经过优化后3种方案均可达到环境容量的要求。低投资方案追求GDP最大,投资32亿元(占工业总产值0.73%),造纸、纺织、建材、其它等4个工业行业维持1995年水平,其余行业按照2010年水平发展,优化后结果可以增加1千多亿工业总产值,能满足环境容量及其它约束条件。中投资方案追求COD排放最小,需投资43亿元(占工业总产值的0.98%),在保证总产值的前提下,除纺织和造纸业维持1995年水平外,其它行业均按照预测值发展,调整后结果可减少工业用水2.4亿m3,减少废水排放1亿m3,COD排放量低于环境容量近1.6万t,水污染可以得到控制,水环境有明显改善。高投资方案追求COD排放最小,需投资55亿元(占工业总产值的1.2%),在保证总产值前提下,除造纸和纺织业外,其它均以规划的速度发展,COD排放3.8 t,水环境可得到很大改善。经过工业结构调整后,三种投资方案的优化结果均较为满意,若考虑各行业的均衡发展和区域废水治理投资能力等因素,认为中投资方案为最佳方案。3结语以上研究了水环境经济系统优化模型及其应用问题。如何定量描述供水与经济发展之间的关系、水污染与经济发展之间的关系、水污染治理投资与经济发展之间的关系,是水环境经济分析中的重要课题。本文建立的宏观经济、环境、资源、污染治理大系统投入产出模型及其在此基础上建立的工业结构优化模型,为环境2经济分析提供了一个较合理的框架和实用的方法,因而具有一定的理论意义和实践意义。所提出的模型,已经在国家“九五”重点科技攻关项目“关中地区水污染控制与生态环境保护研究”中应用。随着经济快速发展、人口不断增加,水资源和水污染问题将会日趋尖锐,人们的认识也会逐步提高。相信在以后的实践中会使这些研究不断验证和完善。参考文献:1蔡喜明,翁文斌,史慧斌1 基于宏观经济的区域水资源多目标集成系统J 1 水科学进展,1995,6(2):139144.2李嘉正,左玉辉1投入产出分析在污染物发生系统研究中的应用J 1 城市环境与城市生态,1990,3(4):1521.3钟契夫1 投入产出分析M.北京:中国财政经济出版社,1987.427608.4汪党献1 投入产出分析方法在水资源规划中的应用A.水资源大系统优化规划与优化调度经验汇编C.北京:中国科学技术出版社,1995.6271.5王富康.工业废水和城市污水处理技术处理手册M.北京:清华大学出版社,1992.2356.58王西琴等:区域水环境经济系统优化模型及其应用
