基于污染物消減成本的核心流域生態補償定量動態計算方法研究

胡 鑫

(云南省水文水資源局曲靖分局，云南 曲靖 655000)

在現階段研究中，中國未完全形成對核心流域生態補償的定義，核心流域生態補償在生態環境領域具有一定的激勵作用，不僅能夠充分協調生態環境保護領域與其他領域之間的利益關系，還可以適度調節生態系統平衡[1]。核心流域生態補償可以良好地控制水土流失，實現生態系統內水土的循環利用及可持續發展。水土流失在生態環境領域中是一個非常重要的生態安全問題，預防水土流失現象，保護人們賴以生存的自然環境，是中國現階段需要解決的關鍵問題，因此研究核心流域生態補償具有一定的理論價值和實踐價值[2]。國內已經有很多學者開始深入研究核心流域的生態補償，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，面臨嚴重的生態問題。為了平衡核心流域區域經濟與生態環境的發展，協調與邊緣流域之間的發展，解決河流污染及生態破壞問題，研究核心流域生態補償的計算具有重要意義。

針對核心流域的復雜性特點會導致水土流失頻繁發生，加大了對核心流域的生態補償定量進行計算的難度，魏巍賢等[4]以京津冀地區為研究對象，基于機會成本法治理大氣污染，建立CGE模型，根據北京、天津、河北地區的大氣污染控制生態補償標準，進行了定量研究，采用“先定上限，后定下限，再定額度”原則，構建了一個完整的確定京津冀地區大氣污染治理生態補償標準的框架，以滿足京津冀地區大氣污染治理的內生激勵需求。馬蒙越等[5]考慮到水文和水質因素對分布式流域的影響，針對非點源污染特征，設計一種負荷核算方法，根據治理成本，在分布式流域內計算了生態補償情況，以香溪河流域為研究對象進行了實例分析，結果顯示，2005—2015年這10年期間，獲得的生態補償值達到了1 207.14萬元。為了進一步提高核心流域生態補償計算的精確性，本文提出了一種基于污染物消減成本的核心流域生態補償定量動態計算方法。消減成本的計算可以明確流域生態補償的投資情況，生態補償的計算是以治理成本最小為基礎開展的。采用污染物消減成本計算法，評價了核心流域內環境污染造成的損失和植被破壞造成的損失，結合水源涵養量的計算結果，完成了核心流域生態補償的定量動態計算。

1 核心流域生態補償定量動態計算方法設計

1.1 提取核心流域生態補償特征

核心流域是指城市聚集、經濟較發達、人口密集的河流區域。在采集的核心流域圖像中，需要將生態補償特征提取出來，為核心流域生態補償特征的分類提供數據基礎[6]。將灰度極小值的方法應用到生態補償特征提取中，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，將其設置為生態補償特征提取的灰度衡量標準[7]。核心流域生態補償是在水環境污染及水污染糾紛發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。假設在核心流域內，分布最多的生態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補償特征點。

根據以上特征提取理論，需要先在核心流域圖像中計算出生態補償特征的灰度導數，預測出生態補償特征的自相關矩陣，假設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，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)——核心流域圖像的質量；N(y,z)T——特征提取矩陣。

假設在不同生態補償特征的灰度值都很大，如果該像素點的灰度值發生改變，就說明該點就是生態補償特征點[8]。為消除核心流域圖像中的噪聲干擾，提高生態補償特征的質量，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，可以通過式(4)計算得到：

(4)

式中v——平滑處理參數。

利用式(5)可以描述生態補償特征提取方法：

D=detN-K(N)2

(5)

式中 K——特征提取常數。

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補償特征點。在生態補償定量動態計算中，需要提取的生態補償特征量非常多，可以通過式(6)進行判斷：

(6)

如果標準值的設置比較高，就會減少生態補償特征點的數量，這樣容易出現漏檢的現象，相反，如果生態補償特征點數量比較多，就會出現誤檢的現象[9]。在生態補償特征提取的過程中，需要根據核心流域的實際情況進行調整，提取出核心流域的生態補償特征。

1.2 分類核心流域生態補償特征

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

(7)

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

式中的各項參數需要符合以下條件：

(8)

假設βj表示分類結果中的最理想像素點，計算最優的生態補償特征在分類時的平面分量：

(9)

基于生態補償特征的平面分量，對生態補償特征進行分類決策，即：

(10)

式中 sgn(x)——符號函數；R(β)——生態補償特征的分類閾值。

在核心流域中生態補償特征數量多且復雜，結合非線性變換的方法[10]，得到生態補償特征在復雜條件下的分類閾值，即：

(11)

在復雜條件下，生態補償特征的分類決策公式為：

(12)

根據以上過程，利用式(13)對生態補償特征進行分類，即：

(13)

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

1.3 構建核心流域生態補償定量動態計算模型

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該比微觀損失大，基于經濟學角度的相關理論，生態補償的長期效益比短期投資高[12]。在經濟補償的轉移中，政府應該時刻提醒經濟利益相關者認識到核心流域生態補償會面臨經濟損失(Sf)，從長遠角度出發，經濟利益相關者也會從中受益(Sw)。如果存在Sw>Sf，那么說明利益相關者能夠在生態補償計算中達成協議，并給予經濟補償。

為了準確計算出核心流域內生態補償的結果，利用式(14)進行計算，并結合市場價值計算的方法[13]，對核心流域內環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——核心流域內通過減少耕地造成的經濟損失情況，萬元；Ps——核心流域內單位面積耕地產生的糧食產值，萬元/km2；S1——核心流域內退耕還林的面積，km2。

在污染物消減成本計算法的基礎上[14]，對生態系統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濟成本，萬元；S2——水土流失的面積，km2。

核心流域內，生態系統的水源涵養量可以通過式(16)計算得到：

Wt=S3×h×1000

(16)

式中Wt——核心流域內生態系統的水源涵養量，m3；S3——核心流域內的森林面積，km2；h——核心流域內水資源的平均徑流深度，mm。

在對核心流域生態補償進行定量動態計算時，水源涵養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的[4]。那么核心流域內，根據水源的價格進行計算，見式(17)：

Wm=Wt×50%×1.36

(17)

式中Wm——涵養水源的價值量；Wt——水源涵養量。

在實際的核心流域生態補償定量動態計算中，根據生態補償原則，綜合污染物消減成本的計算方法和生態系統的服務價值，對核心流域生態補償進行定量動態計算。綜上所述，通過提取核心流域生態補償特征，對核心流域生態補償特征進行了分類。在此基礎上，結合市場價值計算方法評價核心流域內環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。動態計算生態系統的水源涵養量，定量計算水源價格，完成了核心流域生態補償定量動態計算模型的構建，通過此模型可以進行核心流域生態補償的定量動態計算。

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補償定量動態計算方法在生態補償計算中的優越性，進行一次試驗。試驗過程中，選擇Windows 2010系統作為試驗的操作系統，VC++語言用于系統的編程，在MATLAB平臺進行計算，試驗結果均由該平臺輸出。通過引入文獻[4]、[5]的核心流域生態補償定量動態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。以某核心流域已經完成治理的數據為樣本，試驗數據包括流域化學需氧量、氨氮、總氮、總磷等的生態補償治理成本數據。對比3種方法流域生態補償計算的結果，由試驗平臺統計所得數據與原數據的準確率比值，同時記錄方法的計算時間，并輸出試驗結果。3種核心流域生態補償定量動態計算方法的準確率測試結果見圖1。

圖1 核心流域生態補償定量動態計算準確率測試結果

從圖1的結果可以看出，在生態補償定量動態計算準確率方面，基于污染物消減成本的核心流域生態補償定量動態計算方法在對核心流域生態補償進行定量動態計算時的準確率達到了80%以上，而文獻[4]、[5]的核心流域生態補償定量動態計算方法在60%～70%，原因是本文設計的計算方法首先提取了核心流域生態補償特征，可以準確地估計出提取核心流域生態補償特征的類別，對于生態補償的計算可以具體精確到每個小類，提高了核心流域生態補償的計算準確性。準確的計算結果可以大大減少核心流域生態治理的成本，縮減了地區的經濟用度，更好地平衡了經濟發展與環境保護之間的關系。3種核心流域生態補償定量動態計算方法的計算耗時測試結果見圖2。

a)基于污染物消減成本

從圖2的結果可以看出，采用基于污染物消減成本的核心流域生態補償定量動態計算方法對核心流域生態補償進行定量動態計算時所用時間遠遠小于其他2種核心流域生態補償定量動態計算方法所用的時間。原因是設計的方法在生態補償特征分類時，根據像素點計算了最優的生態補償特征在分類時的平面分量，從而簡化了計算過程，縮短了計算生態補償所用的時間，提高了計算效率。流域生態補償的定量動態計算的結果可以用于區域間生態資源的協調開發與利用，可以推廣到生態環境保護與治理中。

3 結語

為了改進傳統核心流域生態補償定量動態計算方法的不足，通過提取核心流域生態補償特征，對核心流域生態補償特征進行了分類，采用污染物消減成本，構建了核心流域生態補償定量動態計算模型，實現了核心流域生態補償的定量動態計算。經試驗驗證，本文方法的定量動態計算準確率高于80%，且計算耗時低于4 s。結果顯示，提出的計算方法在準確率和速度方面都具有很大優勢，為核心流域生態補償定量的確定提供了科學依據。