基于污染物消減成本的核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算方法研究

胡 鑫

(云南省水文水資源局曲靖分局，云南 曲靖 655000)

在現(xiàn)階段研究中，中國未完全形成對核心流域生態(tài)補償?shù)亩x，核心流域生態(tài)補償在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域具有一定的激勵作用，不僅能夠充分協(xié)調(diào)生態(tài)環(huán)境保護領(lǐng)域與其他領(lǐng)域之間的利益關(guān)系，還可以適度調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)平衡[1]。核心流域生態(tài)補償可以良好地控制水土流失，實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)水土的循環(huán)利用及可持續(xù)發(fā)展。水土流失在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域中是一個非常重要的生態(tài)安全問題，預(yù)防水土流失現(xiàn)象，保護人們賴以生存的自然環(huán)境，是中國現(xiàn)階段需要解決的關(guān)鍵問題，因此研究核心流域生態(tài)補償具有一定的理論價值和實踐價值[2]。國內(nèi)已經(jīng)有很多學(xué)者開始深入研究核心流域的生態(tài)補償，取得了不同的研究成果[3]。核心流域聚集的人口眾多，所消耗的自然資源巨大，面臨嚴重的生態(tài)問題。為了平衡核心流域區(qū)域經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境的發(fā)展，協(xié)調(diào)與邊緣流域之間的發(fā)展，解決河流污染及生態(tài)破壞問題，研究核心流域生態(tài)補償?shù)挠嬎憔哂兄匾饬x。

針對核心流域的復(fù)雜性特點會導(dǎo)致水土流失頻繁發(fā)生，加大了對核心流域的生態(tài)補償定量進行計算的難度，魏巍賢等[4]以京津冀地區(qū)為研究對象，基于機會成本法治理大氣污染，建立CGE模型，根據(jù)北京、天津、河北地區(qū)的大氣污染控制生態(tài)補償標準，進行了定量研究，采用“先定上限，后定下限，再定額度”原則，構(gòu)建了一個完整的確定京津冀地區(qū)大氣污染治理生態(tài)補償標準的框架，以滿足京津冀地區(qū)大氣污染治理的內(nèi)生激勵需求。馬蒙越等[5]考慮到水文和水質(zhì)因素對分布式流域的影響，針對非點源污染特征，設(shè)計一種負荷核算方法，根據(jù)治理成本，在分布式流域內(nèi)計算了生態(tài)補償情況，以香溪河流域為研究對象進行了實例分析，結(jié)果顯示，2005—2015年這10年期間，獲得的生態(tài)補償值達到了1 207.14萬元。為了進一步提高核心流域生態(tài)補償計算的精確性，本文提出了一種基于污染物消減成本的核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算方法。消減成本的計算可以明確流域生態(tài)補償?shù)耐顿Y情況，生態(tài)補償?shù)挠嬎闶且灾卫沓杀咀钚榛A(chǔ)開展的。采用污染物消減成本計算法，評價了核心流域內(nèi)環(huán)境污染造成的損失和植被破壞造成的損失，結(jié)合水源涵養(yǎng)量的計算結(jié)果，完成了核心流域生態(tài)補償?shù)亩縿討B(tài)計算。

1 核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算方法設(shè)計

1.1 提取核心流域生態(tài)補償特征

核心流域是指城市聚集、經(jīng)濟較發(fā)達、人口密集的河流區(qū)域。在采集的核心流域圖像中，需要將生態(tài)補償特征提取出來，為核心流域生態(tài)補償特征的分類提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[6]。將灰度極小值的方法應(yīng)用到生態(tài)補償特征提取中，通過在核心流域圖像中計算像素點的灰度值變化，提取出最小灰度值，將其設(shè)置為生態(tài)補償特征提取的灰度衡量標準[7]。核心流域生態(tài)補償是在水環(huán)境污染及水污染糾紛發(fā)生情況下的一種補救方式，其補償特征是指在補救過程中涉及到的要素。假設(shè)在核心流域內(nèi)，分布最多的生態(tài)補償特征就是超過灰度衡量標準的特征，那么就可以將該點看成生態(tài)補償特征點。

根據(jù)以上特征提取理論，需要先在核心流域圖像中計算出生態(tài)補償特征的灰度導(dǎo)數(shù)，預(yù)測出生態(tài)補償特征的自相關(guān)矩陣，假設(shè)像素點在核心流域圖像中的灰度值比標準值大，那么就可以利用式(1)描述核心流域圖像中任何一個像素點的灰度參數(shù)，表示為：

(y,z)N(y,z)T

(1)

式(1)中的N可以通過式(2)計算：

(2)

式中y、z——像素點；J(y,z)——核心流域圖像中任何一個像素點的灰度值；N(y,z)——核心流域圖像的質(zhì)量；N(y,z)T——特征提取矩陣。

假設(shè)在不同生態(tài)補償特征的灰度值都很大，如果該像素點的灰度值發(fā)生改變，就說明該點就是生態(tài)補償特征點[8]。為消除核心流域圖像中的噪聲干擾，提高生態(tài)補償特征的質(zhì)量，需要對特征提取矩陣進行平滑處理，即：

N′=N×X

(3)

式中X——平滑處理的濾波函數(shù)，可以通過式(4)計算得到：

(4)

式中v——平滑處理參數(shù)。

利用式(5)可以描述生態(tài)補償特征提取方法：

D=detN-K(N)2

(5)

式中 K——特征提取常數(shù)。

在核心流域圖像中，如果像素點的灰度值比標準值大，說明該像素點就是生態(tài)補償特征點。在生態(tài)補償定量動態(tài)計算中，需要提取的生態(tài)補償特征量非常多，可以通過式(6)進行判斷：

(6)

如果標準值的設(shè)置比較高，就會減少生態(tài)補償特征點的數(shù)量，這樣容易出現(xiàn)漏檢的現(xiàn)象，相反，如果生態(tài)補償特征點數(shù)量比較多，就會出現(xiàn)誤檢的現(xiàn)象[9]。在生態(tài)補償特征提取的過程中，需要根據(jù)核心流域的實際情況進行調(diào)整，提取出核心流域的生態(tài)補償特征。

1.2 分類核心流域生態(tài)補償特征

核心流域生態(tài)補償特征主要包括流域污染物、污染范圍、污染類型等，根據(jù)提取的核心流域生態(tài)補償特征，對核心流域生態(tài)補償特征進行分類。按照核心流域生態(tài)補償特征的不同種類，進行核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算。在分類過程中，設(shè)置一個灰度閾值，即：

(7)

式中p——灰度閾值的上限；βj、βk——第j、k類生態(tài)補償特征的像素值；zj、zk——表示第j、k類生態(tài)補償特征的分類閾值。

式中的各項參數(shù)需要符合以下條件：

(8)

假設(shè)βj表示分類結(jié)果中的最理想像素點，計算最優(yōu)的生態(tài)補償特征在分類時的平面分量：

(9)

基于生態(tài)補償特征的平面分量，對生態(tài)補償特征進行分類決策，即：

(10)

式中 sgn(x)——符號函數(shù)；R(β)——生態(tài)補償特征的分類閾值。

在核心流域中生態(tài)補償特征數(shù)量多且復(fù)雜，結(jié)合非線性變換的方法[10]，得到生態(tài)補償特征在復(fù)雜條件下的分類閾值，即：

(11)

在復(fù)雜條件下，生態(tài)補償特征的分類決策公式為：

(12)

根據(jù)以上過程，利用式(13)對生態(tài)補償特征進行分類，即：

(13)

通過設(shè)置核心流域生態(tài)補償特征分類的灰度閾值，給出各項參數(shù)的使用條件，計算了最優(yōu)的生態(tài)補償特征在分類時的平面分量，采用分類決策的方式[11]，對生態(tài)補償特征進行了處理，結(jié)合生態(tài)補償特征的分類標準，分類了核心流域的生態(tài)補償特征。

1.3 構(gòu)建核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算模型

污染物消減成本計算法是從微觀的角度對核心流域生態(tài)補償進行定性分析，基于社會角度可以得出核心流域的宏觀補償應(yīng)該比微觀損失大，基于經(jīng)濟學(xué)角度的相關(guān)理論，生態(tài)補償?shù)拈L期效益比短期投資高[12]。在經(jīng)濟補償?shù)霓D(zhuǎn)移中，政府應(yīng)該時刻提醒經(jīng)濟利益相關(guān)者認識到核心流域生態(tài)補償會面臨經(jīng)濟損失(Sf)，從長遠角度出發(fā)，經(jīng)濟利益相關(guān)者也會從中受益(Sw)。如果存在Sw>Sf，那么說明利益相關(guān)者能夠在生態(tài)補償計算中達成協(xié)議，并給予經(jīng)濟補償。

為了準確計算出核心流域內(nèi)生態(tài)補償?shù)慕Y(jié)果，利用式(14)進行計算，并結(jié)合市場價值計算的方法[13]，對核心流域內(nèi)環(huán)境污染造成的損失和植被破壞造成的損失進行評價：

V1=Ps×S1

(14)

式中V1——核心流域內(nèi)通過減少耕地造成的經(jīng)濟損失情況，萬元；Ps——核心流域內(nèi)單位面積耕地產(chǎn)生的糧食產(chǎn)值，萬元/km2；S1——核心流域內(nèi)退耕還林的面積，km2。

在污染物消減成本計算法的基礎(chǔ)上[14]，對生態(tài)系統(tǒng)支持功能的影響指標進行評價，即：

V2=Vs×S2

(15)

式中V2——水土的保持價值總量，萬元；Vs——單位面積水土流失在治理過程中所需的經(jīng)濟成本，萬元；S2——水土流失的面積，km2。

核心流域內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量可以通過式(16)計算得到：

Wt=S3×h×1000

(16)

式中Wt——核心流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量，m3；S3——核心流域內(nèi)的森林面積，km2；h——核心流域內(nèi)水資源的平均徑流深度，mm。

在對核心流域生態(tài)補償進行定量動態(tài)計算時，水源涵養(yǎng)價值的計算是通過對雨水進行截流、修建蓄水池等措施實現(xiàn)的[4]。那么核心流域內(nèi)，根據(jù)水源的價格進行計算，見式(17)：

Wm=Wt×50%×1.36

(17)

式中Wm——涵養(yǎng)水源的價值量；Wt——水源涵養(yǎng)量。

在實際的核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算中，根據(jù)生態(tài)補償原則，綜合污染物消減成本的計算方法和生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值，對核心流域生態(tài)補償進行定量動態(tài)計算。綜上所述，通過提取核心流域生態(tài)補償特征，對核心流域生態(tài)補償特征進行了分類。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合市場價值計算方法評價核心流域內(nèi)環(huán)境污染造成的損失和植被破壞造成的損失，完成了污染物消減成本計算。動態(tài)計算生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)量，定量計算水源價格，完成了核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算模型的構(gòu)建，通過此模型可以進行核心流域生態(tài)補償?shù)亩縿討B(tài)計算。

2 試驗分析

為了驗證基于污染物消減成本的核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算方法在生態(tài)補償計算中的優(yōu)越性，進行一次試驗。試驗過程中，選擇Windows 2010系統(tǒng)作為試驗的操作系統(tǒng)，VC++語言用于系統(tǒng)的編程，在MATLAB平臺進行計算，試驗結(jié)果均由該平臺輸出。通過引入文獻[4]、[5]的核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算方法與其進行對比，從計算準確率和計算耗時2個方面進行測試。以某核心流域已經(jīng)完成治理的數(shù)據(jù)為樣本，試驗數(shù)據(jù)包括流域化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷等的生態(tài)補償治理成本數(shù)據(jù)。對比3種方法流域生態(tài)補償計算的結(jié)果，由試驗平臺統(tǒng)計所得數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)的準確率比值，同時記錄方法的計算時間，并輸出試驗結(jié)果。3種核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算方法的準確率測試結(jié)果見圖1。

圖1 核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算準確率測試結(jié)果

從圖1的結(jié)果可以看出，在生態(tài)補償定量動態(tài)計算準確率方面，基于污染物消減成本的核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算方法在對核心流域生態(tài)補償進行定量動態(tài)計算時的準確率達到了80%以上，而文獻[4]、[5]的核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算方法在60%～70%，原因是本文設(shè)計的計算方法首先提取了核心流域生態(tài)補償特征，可以準確地估計出提取核心流域生態(tài)補償特征的類別，對于生態(tài)補償?shù)挠嬎憧梢跃唧w精確到每個小類，提高了核心流域生態(tài)補償?shù)挠嬎銣蚀_性。準確的計算結(jié)果可以大大減少核心流域生態(tài)治理的成本，縮減了地區(qū)的經(jīng)濟用度，更好地平衡了經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護之間的關(guān)系。3種核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算方法的計算耗時測試結(jié)果見圖2。

a)基于污染物消減成本

從圖2的結(jié)果可以看出，采用基于污染物消減成本的核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算方法對核心流域生態(tài)補償進行定量動態(tài)計算時所用時間遠遠小于其他2種核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算方法所用的時間。原因是設(shè)計的方法在生態(tài)補償特征分類時，根據(jù)像素點計算了最優(yōu)的生態(tài)補償特征在分類時的平面分量，從而簡化了計算過程，縮短了計算生態(tài)補償所用的時間，提高了計算效率。流域生態(tài)補償?shù)亩縿討B(tài)計算的結(jié)果可以用于區(qū)域間生態(tài)資源的協(xié)調(diào)開發(fā)與利用，可以推廣到生態(tài)環(huán)境保護與治理中。

3 結(jié)語

為了改進傳統(tǒng)核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算方法的不足，通過提取核心流域生態(tài)補償特征，對核心流域生態(tài)補償特征進行了分類，采用污染物消減成本，構(gòu)建了核心流域生態(tài)補償定量動態(tài)計算模型，實現(xiàn)了核心流域生態(tài)補償?shù)亩縿討B(tài)計算。經(jīng)試驗驗證，本文方法的定量動態(tài)計算準確率高于80%，且計算耗時低于4 s。結(jié)果顯示，提出的計算方法在準確率和速度方面都具有很大優(yōu)勢，為核心流域生態(tài)補償定量的確定提供了科學(xué)依據(jù)。