湖泊水資源量質(zhì)耦合態(tài)下宏觀用水優(yōu)化
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2016-08-16 05:56:19劉鋼,陳蘭,王圣

水利經(jīng)濟(jì)訂閱 2016年4期 收藏

關(guān)鍵詞：決策樹(shù)

劉　鋼,陳　蘭,王　圣

(1.河海大學(xué)管理科學(xué)研究所,江蘇 南京　211100; 2.江蘇沿海開(kāi)發(fā)與保護(hù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京　210098；3.國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院,江蘇 南京　210031)

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湖泊水資源量質(zhì)耦合態(tài)下宏觀用水優(yōu)化
——以太湖流域?yàn)槔?/p>

劉鋼1,2,陳蘭1,王圣3

(1.河海大學(xué)管理科學(xué)研究所,江蘇 南京211100; 2.江蘇沿海開(kāi)發(fā)與保護(hù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京210098；3.國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院,江蘇 南京210031)

摘要：針對(duì)湖泊水資源配置管理中量質(zhì)耦合現(xiàn)象,從水資源量質(zhì)耦合狀態(tài)分析入手,引入聯(lián)合分布概率理論,構(gòu)建基于水質(zhì)與水量的Copula函數(shù)模型,揭示流域水資源“量”與“質(zhì)”的內(nèi)在耦合態(tài),并在此基礎(chǔ)上,基于IPCC提出未來(lái)情境仿真框架,以決策樹(shù)理論從宏觀角度開(kāi)展太湖流域用水結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略研究,提出逐步關(guān)停淘汰企業(yè),建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的工業(yè)用水優(yōu)化策略;通過(guò)采取新型種養(yǎng)殖模式提高農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格推動(dòng)科學(xué)生產(chǎn)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)有機(jī)農(nóng)業(yè)的農(nóng)業(yè)用水策略;從低碳生活入手,做到一水多用,逐步改變生活方式的生活用水策略。

關(guān)鍵詞：水量水質(zhì)耦合;Copula函數(shù);決策樹(shù);宏觀用水策略

隨著世界人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,水資源供需矛盾將進(jìn)一步激化,水資源危機(jī)不斷加劇。地球表面70%以上被水覆蓋,而淡水資源占比為2.52%,其中,易于開(kāi)發(fā)利用的水體僅占淡水總儲(chǔ)量的0.34%,不到全球總儲(chǔ)量的萬(wàn)分之一。世界上約有80多個(gè)國(guó)家40%的人口面臨缺水問(wèn)題。水資源總量匱乏已經(jīng)成為制約人類生存發(fā)展的核心瓶頸。

中國(guó)是世界上嚴(yán)重缺水的國(guó)家之一,總?cè)彼考s530億m3/a, 人均水資源量呈下降趨勢(shì)。同時(shí),水資源的時(shí)空分布不均,總體呈“南多北少”分布,約有80%分布在長(zhǎng)江流域及其以南地區(qū);由于季風(fēng)氣候的強(qiáng)烈影響,我國(guó)降水和徑流的年內(nèi)分配很不均勻,夏秋多,冬春少，且年際變化大,少水年和多水年持續(xù)出現(xiàn),旱澇災(zāi)害頻繁;另一方面,在人類生產(chǎn)生活過(guò)程中,用水效率低下、水污染事件頻發(fā)進(jìn)一步加劇了水資源稀缺狀況[1]。太湖流域是長(zhǎng)江三角洲的核心區(qū)域,其中江蘇省占流域的53%,但是江蘇省水生態(tài)問(wèn)題不容樂(lè)觀,存在嚴(yán)重的水質(zhì)型與水量型缺水。江蘇省年平均本地水資源量320億m3,人均432 m3,僅為世界人均占有量(12 900 m3)的3.35%,全省近三分之二的水體劣于Ⅲ類水;重點(diǎn)水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率僅為50%左右,同時(shí)南水北調(diào)工程也對(duì)江蘇省的水生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境影響巨大。

所以,進(jìn)行水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度,合理利用水資源,緩解地區(qū)供水矛盾,提高水資源和水環(huán)境的承載能力,改善生態(tài)環(huán)境,維持社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展,已是一個(gè)刻不容緩的問(wèn)題[2]。近年來(lái),雖然國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)此作了大量的研究,但大多數(shù)是將水資源的“質(zhì)”屬性和“量”屬性隔離開(kāi)進(jìn)行分析,罕見(jiàn)基于耦合狀態(tài)的實(shí)例[3]。筆者從太湖流域水資源量質(zhì)耦合態(tài)分析入手,提出將水質(zhì)與水量同時(shí)考慮的聯(lián)合分布概率的概念,引入Copula理論,構(gòu)建了水質(zhì)水量的聯(lián)合分布函數(shù),揭示流域水資源的“量”與“質(zhì)”的內(nèi)在耦合態(tài),并在此基礎(chǔ)上,以水質(zhì)水量的聯(lián)合分布概率函數(shù)為核心要素,基于《IPCC排放情境特別報(bào)告(SRES)》(以下簡(jiǎn)稱IPCC)情境框架,通過(guò)決策樹(shù)模型對(duì)宏觀狀態(tài)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用水策略結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,構(gòu)建基于水量水質(zhì)耦合態(tài)的宏觀用水優(yōu)化策略。

1　太湖流域水資源量質(zhì)耦合態(tài)分析

1.1湖泊水資源量質(zhì)循環(huán)結(jié)構(gòu)分析

流域水資源管理是對(duì)流域水資源供給與需求關(guān)系的協(xié)調(diào)過(guò)程, 是以追求可利用水資源的最大效益, 實(shí)現(xiàn)流域人水和諧、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和諧發(fā)展為最終目標(biāo)的水資源統(tǒng)一調(diào)控和協(xié)調(diào)管理[4]。實(shí)際上,流域水資源的管理及分配是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題,不僅涉及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與利用,更涉及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政治等諸多方面的穩(wěn)定。只有重視水循環(huán)過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié), 充分考慮水循環(huán)的每一個(gè)過(guò)程:大氣過(guò)程、地表過(guò)程、土壤過(guò)程等的消耗轉(zhuǎn)化,通過(guò)探究水量與水質(zhì)的互動(dòng)關(guān)系,明確水資源量質(zhì)耦合機(jī)理,才可提升流域水資源管理可行性。筆者以太湖流域?yàn)槔?研究水資源量質(zhì)循環(huán)結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1　太湖流域水資源量質(zhì)循環(huán)結(jié)構(gòu)

圖1所示,湖泊水量主要來(lái)源于大氣降水以及上游水體,在自身內(nèi)部循環(huán)后,用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)等以及必要的蒸發(fā)和滲透。蒸發(fā)的同時(shí)也將水中的污染物蒸發(fā)到空氣中;水滲透進(jìn)入土壤,一部分用于土壤的調(diào)蓄,另一部分進(jìn)入地下水循環(huán)中。在整個(gè)水量循環(huán)過(guò)程中,每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)伴隨著污染物的產(chǎn)生,集中體現(xiàn)在:①在大氣降水過(guò)程中不可避免地會(huì)將空氣中的污染物質(zhì)隨著雨水帶到湖泊中,如酸雨等雨水污染源。②水流會(huì)將湖泊上游的污染物質(zhì)帶到湖泊中,且上游水質(zhì)很難預(yù)測(cè)及控制,如上游來(lái)水污染源。③在湖泊內(nèi)循環(huán)過(guò)程中,隨著魚蝦等生物的生存,呼吸、排泄、死亡等生存過(guò)程中產(chǎn)生廢棄物,雖然湖泊本身也具有分解某些污染物質(zhì)的能力,但其內(nèi)源污染也是湖泊重要的污染來(lái)源。④水源用于居民的日常生活中時(shí),居民排水主要是廚衛(wèi)污水,以COD、氨氮、總磷含量高為特點(diǎn),經(jīng)城市污水處理廠處理達(dá)標(biāo)后排放,然而城市污染一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)中大部分污染物質(zhì)量仍高于地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅴ類水體要求,即對(duì)湖泊而言,生活污水處理后排放仍是污水。⑤農(nóng)業(yè)用水一般較少進(jìn)行污水綜合處理,通過(guò)河渠網(wǎng)絡(luò)直接排入河湖,污水中主要含有牲畜糞便、化肥、農(nóng)藥等污染物質(zhì),污染物中COD、氨氮、總磷含量較高。⑥工業(yè)生產(chǎn)排放的污水經(jīng)統(tǒng)一處理達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)后外排。然而,伴隨著成本考核、監(jiān)管漏洞、政府縱容等問(wèn)題,工業(yè)企業(yè)始終存在著偷排漏排行為,尾水未達(dá)標(biāo)甚至未處理直接排放,污染嚴(yán)重。⑦生態(tài)用水主要供自然生態(tài)系統(tǒng)生存發(fā)展使用,是生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的保障資源,一般忽略其污染物產(chǎn)生情況。

綜上所述,湖泊水資源量質(zhì)循環(huán)過(guò)程中不僅包括湖泊調(diào)蓄,而且包括地下水調(diào)蓄、土壤調(diào)蓄等,在水量循環(huán)過(guò)程中始終伴隨水質(zhì)變化。水量水質(zhì)產(chǎn)生變化的原因與人類生產(chǎn)生活的方式密切相關(guān),可以歸為直接原因和間接原因:直接原因有工業(yè)面源污水、農(nóng)業(yè)點(diǎn)源污水、生活尾水的排放,湖泊水使用后將產(chǎn)生的污水排入湖泊中,不僅使水量減少,而且使水質(zhì)明顯下降;間接原因包括上游污染物質(zhì)、雨水污染以及湖泊本身內(nèi)部循環(huán)產(chǎn)生的污染,上游污染水以及雨水流入湖泊在水量增大的同時(shí)也降低了水質(zhì),而污染水以及酸雨等雨水的形成很大一部分與人類的行為有關(guān),湖泊水污染程度越嚴(yán)重,人類為凈化水所做的工作越多,可用水量越少,影響著人們的生產(chǎn)生活方式。所以,湖泊水污染的產(chǎn)生受到人類生產(chǎn)生活方式的影響,同時(shí),水質(zhì)水量的關(guān)系也影響著人類的生產(chǎn)生活方式。因此,針對(duì)湖泊水資源量質(zhì)循環(huán)過(guò)程中的耦合關(guān)系,有必要從聯(lián)合分布的視角考慮水量與水質(zhì)互動(dòng)關(guān)系的耦合狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

1.2模型構(gòu)建

針對(duì)上述問(wèn)題,從聯(lián)合分布的視角考慮水量與水質(zhì)互動(dòng)關(guān)系的耦合狀態(tài)問(wèn)題,近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者取得了較為廣泛的研究成果,其中,關(guān)于Copula函數(shù)研究進(jìn)展顯著[5-8],其在水文多變量分析計(jì)算中具有良好的應(yīng)用前景。因此,筆者將Copula函數(shù)應(yīng)用于太湖流域水資源量質(zhì)耦合分析過(guò)程,通過(guò)構(gòu)建水質(zhì)水量的聯(lián)合分布概率函數(shù),明確太湖流域人水互動(dòng)關(guān)系以及水資源量質(zhì)耦合結(jié)構(gòu)之后,建立相關(guān)耦合模型，為太湖流域水質(zhì)管理、水量配置問(wèn)題提供可靠的依據(jù)。

1.2.1構(gòu)建湖泊水資源量質(zhì)耦合態(tài)Copula經(jīng)驗(yàn)公式

Copula函數(shù)是定義域在[0,1]均勻分布的水質(zhì)與水量的聯(lián)合分布函數(shù),將水質(zhì)x、水量y的邊際分布連接起來(lái)構(gòu)造聯(lián)合分布:

(1)

式中:C()為Copula函數(shù);F1,F2為水質(zhì)與水量的邊際分布;r為Copula參數(shù)。

由Sklar定理[9]可知,令H(*,*)為具有邊緣分布F(*)和G(*)的聯(lián)合分布函數(shù),即有Copula函數(shù)C(*,*),滿足以下等式:

(2)

其中,若F(*),G(*)連續(xù),則C(*,*)唯一且確定;反之,若F(*),G(*)為一元分布函數(shù),則C(*,*)為相應(yīng)的Copula函數(shù),那么式(2)中H(*,*)是具有F(*),G(*)邊緣分布的聯(lián)合分布函數(shù)。

由以上Copula定義可以采用以下公式計(jì)算邊緣分布的經(jīng)驗(yàn)頻率。

(3)

式中:P為X≤xm的經(jīng)驗(yàn)頻率;m為xm的序號(hào);N為樣本容量。

1.2.2湖泊水資源量質(zhì)耦合態(tài)Copula聯(lián)合分布函數(shù)構(gòu)建

在水資源計(jì)算中,采用最多的是阿基米德Copula函數(shù),根據(jù)不同的Copula函數(shù)對(duì)相關(guān)性的適應(yīng)范圍[8],筆者選擇通用性較好的Clayton函數(shù)來(lái)構(gòu)造聯(lián)合分布函數(shù)。

(4)

式中:xi為水質(zhì)參數(shù)；yi是水量參數(shù)；θ為表征水質(zhì)與水量2個(gè)變量之間關(guān)系的耦合態(tài)系數(shù)；i為湖泊水循環(huán)中每類污染產(chǎn)生過(guò)程對(duì)應(yīng)的第i種情境。

2　實(shí)例分析

太湖流域地跨蘇、浙、皖、滬三省一市,總面積36 895 km2。歷來(lái)是我國(guó)人口密度最大、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值和人均收入增長(zhǎng)幅度最快的地區(qū)。據(jù)2013年統(tǒng)計(jì)資料,太湖流域總?cè)丝谡既珖?guó)總?cè)丝诘?.4%,GDP占全國(guó)GDP的 10.2%,人均GDP是全國(guó)人均GDP的2.3倍，其中江蘇省太湖流域人口占全省總?cè)丝诘?2.6%,太湖流域在江蘇省發(fā)展大局中的地位舉足輕重。

自20世紀(jì)90年代以來(lái),江蘇省經(jīng)濟(jì)化社會(huì)發(fā)展迅速,污染物排放量不斷增加,水環(huán)境持續(xù)惡化,導(dǎo)致江蘇省出現(xiàn)水質(zhì)型缺水與水量型缺水并存的水生態(tài)危機(jī)。

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

選擇太湖流域2012年6月到2015年5月共計(jì)35個(gè)月的水量和水質(zhì)(采用氨氮指標(biāo))數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來(lái)源于《太湖流域省界水體水資源質(zhì)量狀況通報(bào)》與《水情月報(bào)》。

2.2分析與討論

2.2.1參數(shù)估計(jì)

太湖流域的水量和水質(zhì)(采用氨氮指標(biāo))月總量分布以及概率密度情況,如圖2、圖3所示。

圖2　太湖流域月水量直方分布及其概率密度

圖3　太湖流域月氨氮總量直方分布及其概率密度

如圖2、3所示,各邊緣分布的擬合曲線能夠反映出邊緣分布的頻率直方圖,因此,可以用此分布以及參數(shù)來(lái)表示水量與水質(zhì)的邊緣分布,其參數(shù)選擇是合理的。

2.2.2擬合優(yōu)度檢驗(yàn)

目前,在水文分析計(jì)算中,一般假設(shè)水文變量服從皮爾遜Ⅲ型分布。把水質(zhì)和水量分別用x和y來(lái)描述,在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中,把(x1,x2，…，xn)和(y1,y2，…，yn)按照系列x的升序排列,挑選排好次序數(shù)據(jù)中的xi≤xj,yi≤yj(i

(5)

對(duì)于兩變量單參數(shù)阿基米德Copula函數(shù)的參數(shù)估計(jì),常采用Genest等提出的非參數(shù)估計(jì)方法[11],結(jié)合式(4),將太湖的水量和氨氮指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)頻率和理論聯(lián)合分布頻率值繪于圖4中。

圖4　水量與水質(zhì)聯(lián)合觀測(cè)點(diǎn)的理論分布和經(jīng)驗(yàn)分布的比較

如圖4所示,F(x,y)為理論聯(lián)合分布,Femp(x,y)為經(jīng)驗(yàn)聯(lián)合分布函數(shù)。對(duì)其進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn),得到R2=0.989 7, 證明筆者所選取的Copula函數(shù)是合理的,可用來(lái)分析湖泊水資源量質(zhì)耦合態(tài)問(wèn)題。

2.3湖泊水資源量質(zhì)耦合態(tài)情境仿真分析

考慮到人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展變化情況,引入IPCC中的未來(lái)發(fā)展情境框架,通過(guò)對(duì)比分析可知,更為符合現(xiàn)狀人類生存環(huán)境的社會(huì)狀況是情境族B2。B2情景族描述了這樣一個(gè)世界:強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的局地解決方案。在這個(gè)世界中,全球人口數(shù)量持續(xù)增加,但增長(zhǎng)率減緩,經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于中等水平,技術(shù)變化速度較快且更加多樣化,同時(shí)也致力于環(huán)境保護(hù)和社會(huì)公平。總體來(lái)看,在B2情境下,排放量減少，環(huán)境更穩(wěn)定,能源更清潔,水環(huán)境承載能力以及水環(huán)境容量都有顯著提升,即水質(zhì)逐步好轉(zhuǎn)，水量增長(zhǎng)放緩。

因此,按照B2情境設(shè)計(jì),分別對(duì)式(4)中的水量y,水質(zhì)x進(jìn)行偏導(dǎo)分析,以分析該情境下水質(zhì)水量耦合關(guān)系的變化。

(6)

(7)

如式(6)、式(7)所示,按照B2情境設(shè)計(jì),太湖流域水質(zhì)水量的耦合態(tài)系數(shù)θ=0.57,通過(guò)分析可知:①當(dāng)水質(zhì)x不變,水量y增大時(shí),y-θ減小,(x-θ+y-θ-1)減小,函數(shù)值增大;同理,水量y不變,水質(zhì)x增大時(shí),函數(shù)值增大。這說(shuō)明水質(zhì)與水量對(duì)聯(lián)合分布函數(shù)造成同向變化,選擇的函數(shù)符合預(yù)期假設(shè)。②當(dāng)式(6)或式(7)等于0時(shí),x=0(y=0)或者x-θ+y-θ=1,因?yàn)樗|(zhì)或水量不可能等于0,當(dāng)且僅當(dāng)水質(zhì)與水量滿足x-θ+y-θ=1時(shí),此時(shí)水質(zhì)與水量耦合態(tài)達(dá)到最佳效果?？梢园l(fā)現(xiàn),面對(duì)B2情境下的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,當(dāng)降低水質(zhì)污染水平時(shí),變相提高了可用水量,因此,節(jié)能減排政策仍然具有顯著的效力。

在此基礎(chǔ)上,基于太湖流域水質(zhì)與水量耦合態(tài),以IPCC設(shè)定的B2情境為框架,分別對(duì)太湖流域工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生活中的產(chǎn)污行為進(jìn)行決策樹(shù)評(píng)估,選擇水量與水質(zhì)耦合態(tài)下的水資源管理策略的優(yōu)化對(duì)策。

3　湖泊水資源量質(zhì)耦合態(tài)的宏觀用水策略優(yōu)化

就我國(guó)現(xiàn)行水資源量質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)而言,城市污染一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)中大部分污染物質(zhì)量仍高于地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅴ類水體要求,如我國(guó)地表水排放標(biāo)準(zhǔn)為GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》,該標(biāo)準(zhǔn)適用于中華人民共和國(guó)領(lǐng)域內(nèi)江河、湖泊等具有使用功能的地表水水域,以氨氮指標(biāo)而言,GB18918—2002給出的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)為5(8) mg/L,然而GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅴ類水體氨氮指標(biāo)為2.0 mg/L,而Ⅴ類水體主要適用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域,已不適用于人類生產(chǎn)生活。

因此,污水達(dá)標(biāo)排放也已成為不可用水資源。有必要系統(tǒng)思辨人類生產(chǎn)生活與水資源量質(zhì)耦合關(guān)系,從宏觀層面辨析更適于生態(tài)文明建設(shè)理念的人水關(guān)系,從而從根源上提高水資源管理水平,促進(jìn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。筆者將通過(guò)決策樹(shù)分析模型,系統(tǒng)分析工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活三方面用水結(jié)構(gòu),基于湖泊水資源量質(zhì)耦合態(tài),從宏觀角度提出具有可操作性的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用水優(yōu)化策略。筆者主要采用決策樹(shù)的方法對(duì)每個(gè)領(lǐng)域的解決方法進(jìn)行評(píng)估,采用數(shù)值仿真的方法計(jì)算每一個(gè)情況出現(xiàn)的可能性以及帶來(lái)的效益值。

3.1工業(yè)用水策略優(yōu)化數(shù)值仿真

人類生產(chǎn)活動(dòng)造成的水體污染中,工業(yè)引起的水體污染最嚴(yán)重,如工業(yè)廢水,它含污染物多,成分復(fù)雜,不僅在水中不易凈化,而且處理也比較困難。根據(jù)工業(yè)污染以及國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀,從生態(tài)環(huán)境以及環(huán)保意識(shí)2個(gè)方面提出解決方法,采用數(shù)值仿真方法計(jì)算得出每一種方法對(duì)應(yīng)的效益值以及出現(xiàn)的可能性,如表1所示,并進(jìn)行決策樹(shù)評(píng)估,如圖5所示。

表1　工業(yè)用水決策樹(shù)數(shù)值仿真

圖5　工業(yè)用水策略決策樹(shù)優(yōu)化模型

如圖5所示,根據(jù)最新出臺(tái)的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(以下簡(jiǎn)稱“水十條”)規(guī)定,以取締“十小”企業(yè),整治“十大”行業(yè)為綱領(lǐng),以保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展,改善城市環(huán)境為原則,采取突出重點(diǎn),分步實(shí)施,依次推進(jìn),限期淘汰,逾期關(guān)閉的方式,首先從污染最嚴(yán)重的企業(yè)、最落后的工藝開(kāi)始,每年淘汰關(guān)閉一批,實(shí)施環(huán)境污染末位淘汰,以此關(guān)停淘汰企業(yè),擴(kuò)大非污染企業(yè),改變城鎮(zhèn)企業(yè)結(jié)構(gòu),改善環(huán)境,進(jìn)一步建立循環(huán)經(jīng)濟(jì),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。關(guān)停部分淘汰企業(yè)以及污染嚴(yán)重的企業(yè),不僅節(jié)約了水量,而且污染物質(zhì)減少,提高了水質(zhì),通過(guò)式(5)與式(6)的分析可知,水質(zhì)提高,水量增大的情況下,水質(zhì)與水量的耦合關(guān)系更符合IPCC中的未來(lái)發(fā)展情境B2,且相對(duì)于其他措施,更具可行性。因此,通過(guò)分析工業(yè)用水策略決策樹(shù)的優(yōu)化模型可以發(fā)現(xiàn):在工業(yè)用水過(guò)程中,逐步關(guān)停淘汰企業(yè),建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)是一項(xiàng)明智之舉。

3.2農(nóng)業(yè)用水策略優(yōu)化數(shù)值仿真

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,逐漸增加的化肥使用量以及養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的糞便不僅使?fàn)I養(yǎng)流失,而且導(dǎo)致水體N、P等物質(zhì)的不均衡,出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化等現(xiàn)象,污染水源。農(nóng)業(yè)污染是重要的污染源之一,如何使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的污染物達(dá)到最少,對(duì)水體的污染程度減小,是刻不容緩的問(wèn)題。筆者從有機(jī)農(nóng)業(yè)、環(huán)保觀念以及生態(tài)治理3個(gè)方面進(jìn)行決策樹(shù)優(yōu)化策略的選擇,采用數(shù)值仿真方法計(jì)算得出每一種方法對(duì)應(yīng)的效益值以及出現(xiàn)的可能性,如表2所示,并進(jìn)行決策樹(shù)評(píng)估,如圖6所示。

如圖6所示,根據(jù)周澤江[12]提出的健康原則、生態(tài)原則、公平原則和關(guān)愛(ài)原則四大原則,從控制農(nóng)

表2　農(nóng)業(yè)用水決策樹(shù)數(shù)值仿真

業(yè)污染源出發(fā),合理灌溉,科學(xué)使用農(nóng)藥，減少農(nóng)藥殘留物流向湖泊,平衡使用農(nóng)家肥與化肥,控制減少含有氮磷化肥的總量,并且通過(guò)檢測(cè)土壤各元素濃度鑒別農(nóng)產(chǎn)品是否合格,提高合格農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)格，推動(dòng)科學(xué)的生產(chǎn)過(guò)程。更重要的是采取新型種養(yǎng)殖模式(種植—養(yǎng)豬—沼氣),用種植業(yè)帶動(dòng)養(yǎng)殖業(yè),養(yǎng)殖業(yè)推動(dòng)沼氣工程的進(jìn)行,打破傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)模式,使物質(zhì)得到重復(fù)利用,減少污染,實(shí)現(xiàn)物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)化,全面減少污染物。眾所周知,今天的生態(tài)農(nóng)業(yè),不是光講安全農(nóng)業(yè),十八大提出了生態(tài)文明,并寫進(jìn)黨章,所以有機(jī)農(nóng)業(yè)是一個(gè)必然的趨勢(shì),而且在節(jié)約水量的同時(shí)提高了水質(zhì)。通過(guò)分析農(nóng)業(yè)用水策略決策樹(shù)的優(yōu)化模型可以發(fā)現(xiàn):采取新型種養(yǎng)殖模式、提高農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格推動(dòng)科學(xué)生產(chǎn)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)有機(jī)農(nóng)業(yè),更符合水質(zhì)與水量耦合關(guān)系的要求,同時(shí)也很好地適應(yīng)了現(xiàn)代社會(huì)的需求。

3.3生活用水策略優(yōu)化數(shù)值仿真

圖6　農(nóng)業(yè)用水策略決策樹(shù)優(yōu)化模型

生活用水對(duì)水體的污染是由城市生活污水、垃圾和廢氣造成的,集中的城市人口加劇了城市的污染,同時(shí)造成了污染物處理的不便。城市污染源對(duì)水體的污染主要是生活污水,它是人們?nèi)粘Ｉ钪挟a(chǎn)生的各種污水的混合液,其中包括廚房、洗滌房、浴室和廁所排出的污水。筆者從人類自身生活方式的轉(zhuǎn)變以及環(huán)保意識(shí)出發(fā),采用數(shù)值仿真方法計(jì)算得出每一種方法對(duì)應(yīng)的效益值以及出現(xiàn)的可能性,如表3所示,并進(jìn)行決策樹(shù)評(píng)估,如圖7所示。

表3　生活用水決策樹(shù)數(shù)值仿真

圖7　生活用水策略決策樹(shù)優(yōu)化模型

如圖7所示,相對(duì)于完全依靠人們的環(huán)保觀念以及政府罰款,做到低碳生活顯得更為高效,日常生活中要強(qiáng)調(diào)節(jié)水減污,把再生水以及水的重復(fù)利用提高到較高位置,引導(dǎo)居民節(jié)約利用水資源,做到低碳生活,一水多用,節(jié)約用水,加強(qiáng)垃圾回收,對(duì)于污水排放前進(jìn)行一定程度的過(guò)濾、吸附等簡(jiǎn)單操作,減少油性物質(zhì)等的排放。通過(guò)分析生活用水策略決策樹(shù)的優(yōu)化模型可以發(fā)現(xiàn):低碳生活的方式不僅可操作性強(qiáng),有利于培養(yǎng)環(huán)保意識(shí)，更重要的是可以做到持續(xù)的節(jié)約水資源,減小污水處理的壓力,做到了水量增加,水質(zhì)提高,所以低碳生活的生活方式更符合水質(zhì)與水量的耦合態(tài)以及人類生存發(fā)展的要求。

4　結(jié)　語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加, 水污染引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,但在經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)程中,水資源發(fā)揮著不可忽視的作用,涉及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境等眾多問(wèn)題。筆者圍繞湖泊水環(huán)境容量小、水資源承載能力差的問(wèn)題,以太湖流域?yàn)槔?敘述了湖泊水循環(huán)過(guò)程中水質(zhì)與水量的耦合態(tài)問(wèn)題,引入聯(lián)合分布概率理論,建立了水質(zhì)與水量雙維度的Copula函數(shù),通過(guò)算例分析表明,筆者構(gòu)建的模型具有實(shí)用性和高效性。最后在IPCC情境B2的框架下,運(yùn)用決策樹(shù)分析方法分別對(duì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用水等行為提出水資源管理策略優(yōu)化方案。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金青年項(xiàng)目(14CGL030);教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(新教師類)(20130094120022);河海大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(2013B04714)

作者簡(jiǎn)介：劉鋼(1981—),男,山西太原人,講師,博士，主要從事生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究。E-mail: lglhm@msn.com

DOI：10.3880/j.issn.1003-9511.2016.04.013

中圖分類號(hào)：TV213.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-9511(2016)04-0051-06

(收稿日期：2015-11-15編輯：方宇彤)

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