周敬宣 周業(yè)晶

(華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

生態(tài)環(huán)境規(guī)劃編制中多目標(biāo)規(guī)劃模型與環(huán)境容量的研究

周敬宣 周業(yè)晶

(華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

當(dāng)前在區(qū)域環(huán)境或生態(tài)規(guī)劃編制中對經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的相互關(guān)系、對環(huán)境容量和環(huán)境承載力等諸多問題缺乏深入研究，導(dǎo)致規(guī)劃文本的科學(xué)性不足。武漢市“經(jīng)濟(jì)-能源-大氣環(huán)境”的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型能同步測算以GDP-PM2.5達(dá)標(biāo)為約束的大氣環(huán)境容量與經(jīng)濟(jì)、能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，滿足多目標(biāo)規(guī)劃的要求，相比其他模型與方法，具有簡明的優(yōu)點(diǎn)。

多目標(biāo)規(guī)劃；GDP；PM2.5；大氣環(huán)境容量；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；武漢

1 引 言

西方發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)50年代就逐步制定、實(shí)施各種生態(tài)-環(huán)境規(guī)劃，取得良好的生態(tài)環(huán)境效果。2000 年至今，我國也實(shí)施了一系列推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重大戰(zhàn)略部署，近年頒發(fā)了《關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見》、《國家生態(tài)文明建設(shè)示范縣、市指標(biāo) (試行)》、《十三五生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》等重要文件。全國各地都高度重視生態(tài)文明建設(shè)的工作。例如，國家環(huán)保部 2013 年將湖北納入全國生態(tài)省建設(shè)試點(diǎn)，根據(jù)《湖北生態(tài)省建設(shè)規(guī)劃綱要(2014-2030)》的要求，在 2030 年之前全省 80%以上的地市必須建成國家級生態(tài)市，其中武漢市建成國家級生態(tài)文明建設(shè)示范市的達(dá)標(biāo)年份為2025年。編制科學(xué)的生態(tài)-環(huán)境規(guī)劃是從源頭控制污染、保護(hù)生態(tài)的重要措施。

2 生態(tài)環(huán)境規(guī)劃編制需提高科學(xué)性

當(dāng)前全國多地在編制生態(tài)文明建設(shè)示范市、縣的規(guī)劃，以適應(yīng)各省創(chuàng)建生態(tài)省的形勢與要求。從編制情況看，規(guī)劃文本質(zhì)量有好有差，需要解決若干問題，提升文本編制的科學(xué)性。

2.1 環(huán)境規(guī)劃需認(rèn)真貫徹上位文件

《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》 “大氣十條”、“水十條”、“土十條”等已發(fā)布，這些是編制生態(tài)環(huán)境規(guī)劃的重要依據(jù)，而且要認(rèn)真執(zhí)行這些文件要求，才能保證規(guī)劃地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)，要將上述文件提出的具體定量指標(biāo)充實(shí)到規(guī)劃地區(qū)的環(huán)境、生態(tài)指標(biāo)體系中，作為要達(dá)到的目標(biāo)，而不是模糊目標(biāo)要求。例如，新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)早已公布，PM2.5是重點(diǎn)考察對象，但依然很多規(guī)劃沒有進(jìn)行其分析和預(yù)測，這必須納入各地空氣質(zhì)量指標(biāo)體系統(tǒng)計(jì)之中。

2.2 環(huán)境規(guī)劃需做好功能區(qū)劃分

對規(guī)劃地區(qū)的國土空間開發(fā)格局、功能區(qū)的劃定需要充分論證。這是后續(xù)規(guī)劃內(nèi)容展開的平臺(tái)。開發(fā)格局、功能區(qū)的劃定須兼顧自然地理環(huán)境形勢、經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局與行政區(qū)劃現(xiàn)狀。若自然地理形勢、經(jīng)濟(jì)發(fā)展載體能夠統(tǒng)一在一個(gè)行政區(qū)內(nèi)，將有利于對排污總量的控制與管理；若分屬于幾個(gè)行政區(qū)，則必須考慮環(huán)境生態(tài)有效管理的問題。

2.3 環(huán)境規(guī)劃需科學(xué)測算環(huán)境容量

環(huán)境容量的測算是一個(gè)復(fù)雜、繁瑣的過程，需要借助于大量-連續(xù)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)與科學(xué)-合理的測算模型，才能初步確定不同條件下的環(huán)境容量值。容量測算雖然復(fù)雜，但不能回避，這是后續(xù)減排工作的基礎(chǔ)。但當(dāng)前全國多地，例如湖北省，不僅武漢市，很多地級市灰霾也比較嚴(yán)重，而各地編制的規(guī)劃對控霾著墨不多。今后至少應(yīng)對地市級以上的城市要加強(qiáng)對PM2.5為約束的大氣污染的治理，包括監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集，開展源清單、源解析工作，對當(dāng)?shù)氐拇髿猸h(huán)境容量(主要包括SO2、NOx、VOCs、NH3、一次性PM2.5的容量)進(jìn)行預(yù)測，與實(shí)際排放量進(jìn)行比較，提出具體可行的減排目標(biāo)與措施，納入規(guī)劃，明確達(dá)標(biāo)年限。

2.4 環(huán)境規(guī)劃需建立環(huán)境-經(jīng)濟(jì)的多目標(biāo)規(guī)劃模型

環(huán)境規(guī)劃的本質(zhì)是協(xié)調(diào)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，研究對象復(fù)雜、多目標(biāo)且非線性，故建立合理的環(huán)境-經(jīng)濟(jì)多目標(biāo)規(guī)劃模型，對各種發(fā)展模式展開討論，協(xié)調(diào)、優(yōu)化環(huán)境-經(jīng)濟(jì)關(guān)系非常必要。僅將一些設(shè)想、建議、項(xiàng)目按照一定的邏輯順序堆放在“指標(biāo)”之下是不夠的，它們之間的關(guān)系、相互的作用需要經(jīng)過系統(tǒng)的估算，否則這種規(guī)劃缺乏科學(xué)性、系統(tǒng)性與可行性。只有兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)，才能確定合理的規(guī)劃目標(biāo)及允許排污量，由此制定最有效的環(huán)境-生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目庫，這對提高減排、治污能力，節(jié)約資金，意義重大。政府基金、生態(tài)補(bǔ)償資金有限，要加強(qiáng)對重大項(xiàng)目的可行性論證。

3 環(huán)境容量測算及多目標(biāo)規(guī)劃建模困難原因分析

3.1 環(huán)境容量難測算

比如現(xiàn)在計(jì)算大氣環(huán)境容量(Atmospheric Environmental Capacity，AEC)，一方面，存在有關(guān)的環(huán)境統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測數(shù)據(jù)難以獲取，部分歷史數(shù)據(jù)不完備的問題；另一方面，由于傳統(tǒng)理化方法不適合計(jì)算以PM2.5為特征的復(fù)合型空氣污染的AEC。例如A-P值法，被廣泛用于計(jì)算某種污染物的大氣環(huán)境容量，但它只適合計(jì)算燃煤燃燒排放的單一污染物容量，不適合于復(fù)合型污染物[1]。后來出現(xiàn)的第三代空氣質(zhì)量模型，廣泛地被氣象部門用于空氣質(zhì)量的預(yù)警預(yù)報(bào)，以及短時(shí)PM2.5的大氣容量預(yù)測。但它不適合長期預(yù)測，其需要基于海量的排放數(shù)據(jù)、排放源、氣象數(shù)據(jù)等等，并經(jīng)過大量的計(jì)算才能實(shí)現(xiàn)，工作成本很高[2-4]。這些都導(dǎo)致AEC分析困難。

3.2 多目標(biāo)規(guī)劃模型復(fù)雜

環(huán)境-生態(tài)多目標(biāo)規(guī)劃模型旨在兼顧環(huán)境與經(jīng)濟(jì)，通常這是一個(gè)復(fù)雜的人工和生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)，它的規(guī)劃決策問題涉及環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、技術(shù)等多種因素[5]，求解較困難。

如果在規(guī)劃模型中，目標(biāo)函數(shù)和約束條件表達(dá)式中存在至少一個(gè)關(guān)于決策變量的非線性關(guān)系式，這種數(shù)學(xué)規(guī)劃問題稱為非線性規(guī)劃問題。非線性規(guī)劃問題的一般數(shù)學(xué)模型常表示為如下形式：

(1)

式中，x=(x1，x2，…，xn)T代表一組決策變量；g(x)為決策向量x的函數(shù)且其中存在決策變量x的非線性關(guān)系。

一般地，非線性關(guān)系復(fù)雜多樣，使得其求解比線性規(guī)劃問題求解要困難得多。因而，不像線性規(guī)劃那樣存在一普遍適用的求解算法。目前，除在特殊條件下通過解析法進(jìn)行非線性規(guī)劃求解外，絕大部分非線性規(guī)劃采用數(shù)值法(如梯度法，拉格朗日乘子法)求解。數(shù)值法求解非線性規(guī)劃的算法大體分為兩類：一是采用逐步線性逼近的思想，即通過一系列非線性函數(shù)線性化的過程，利用線性規(guī)劃方法獲得非線性規(guī)劃的近似最優(yōu)解；二是采用直接搜索的思想，即根據(jù)非線性規(guī)劃的部分可行解或非線性函數(shù)在局部范圍內(nèi)的某些特性，確定迭代程序，通過不斷改進(jìn)目標(biāo)值的搜索計(jì)算，獲得最優(yōu)或滿足需要的局部最優(yōu)解。

所謂“動(dòng)態(tài)規(guī)劃”是指對由一系列相互聯(lián)系的階段活動(dòng)構(gòu)成的過程。

多階段決策過程最優(yōu)化目標(biāo)是要達(dá)到活動(dòng)過程的總體效果最優(yōu)。各階段有機(jī)聯(lián)系，本階段決策的執(zhí)行會(huì)影響下一階段的決策，以致影響總體。決策者不僅考慮本階段最優(yōu)，還應(yīng)考慮全局最優(yōu)。貝爾曼將最優(yōu)化原理表述如下：“作為整個(gè)過程的最優(yōu)策略具有這樣的性質(zhì)，即無論過去的狀態(tài)和決策如何，對前面的決策所形成的狀態(tài)而言，余下的諸決策必須構(gòu)成最優(yōu)策略”。根據(jù)這一基本原理，可以把多階段決策問題分解成許多相互聯(lián)系的小問題，從而把一個(gè)大的決策過程分解成一系列前后有序的子決策過程，分階段實(shí)現(xiàn)決策的“最優(yōu)化”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“總體最優(yōu)化”方案。為使最后決策方案獲得最優(yōu)決策效果，動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解可用下列遞推關(guān)系式表示：

(2)

式中：k——階段數(shù)，k=n-1，…，3，2，1；xk——第k階段的狀態(tài)變量；uk(xk)——第k階段的決策變量；fk(xk)——第k階段為xk時(shí)的最優(yōu)值；fk+1[uk(xk)]——第k+1階段的最優(yōu)值；dk[xk，uk(xk)]——第k階段當(dāng)狀態(tài)為xk，決策變量為uk(xk)時(shí)的函數(shù)值。其中opt根據(jù)具體問題要求最小或最大。

環(huán)境問題涉及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等方面，是一個(gè)多目標(biāo)問題。多目標(biāo)決策分析與傳統(tǒng)單目標(biāo)優(yōu)化的最大區(qū)別在于其決策問題中具有多個(gè)互相沖突的目標(biāo)。通常多目標(biāo)決策問題中，一組意義明確的多個(gè)沖突目標(biāo)可表達(dá)為一遞解結(jié)構(gòu)，或稱目標(biāo)體系。鑒于上述概念，運(yùn)用種種數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，來處理以下兩個(gè)問題：根據(jù)所建立的多個(gè)目標(biāo)，找出全部或部分非劣解；設(shè)計(jì)一些程序識別決策者對目標(biāo)函數(shù)的意愿偏好，從非劣解集中選擇合適的“非劣解”。

面對困難，涌現(xiàn)了許多新思路與好案例。

4 環(huán)境容量測算及多目標(biāo)規(guī)劃的案例

面對以PM2.5為特征的復(fù)合型空氣污染，以武漢為例，建立了“經(jīng)濟(jì)-能源-大氣環(huán)境”多目標(biāo)規(guī)劃的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型：實(shí)現(xiàn)了以GDP-PM2.5達(dá)標(biāo)為約束的環(huán)境容量與環(huán)境-經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢的同步測算，與其他多目標(biāo)規(guī)劃模型相比，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)具有簡明的優(yōu)勢[6-8]。

4.1 有關(guān)定義

(1)大氣環(huán)境容量AEC(atmospheric environmental capacity)

當(dāng)PM2.5年均濃度為35μg/m3時(shí)，6大污染物(SO2、NOx、VOC、NH3、一次PM2.5、一次PM10)允許排放量[9]。

(2)大氣環(huán)境壓力AES(atmospheric environmental presures)

以武漢2015年各種大氣污染物排放量為基準(zhǔn)，假定經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、環(huán)保水平基本不變，保持一定的GDP增速，6大污染物的預(yù)測產(chǎn)生量。

(3)大氣環(huán)境承載力AECC(atmospheric environmental carrying capacity)

AECC包括兩部分，顯性和隱性指標(biāo)。隱性部分是維持環(huán)境質(zhì)量當(dāng)前狀況的實(shí)際能力，如經(jīng)濟(jì)狀況、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、技術(shù)水平、自然資源、地理氣候條件、環(huán)保投入等因素[10-11]。顯性部分是隱性部分的綜合外在表現(xiàn)，是抵消一部分環(huán)境壓力的累計(jì)削減量(累計(jì)削減量定義為存量+增量，見圖1)，即不僅要削減因以后經(jīng)濟(jì)增長而多排放的量(增量)，還要削減原來相對于容量而多余的量(存量)。本文AECC的具體指標(biāo)包含，隱性8項(xiàng)：GDP和一產(chǎn)、二產(chǎn)、三產(chǎn)產(chǎn)值，煤炭、石油、天然氣和新能源消費(fèi)量，是承載力社會(huì)支持力的表現(xiàn)[12-13]；顯性6項(xiàng)，即6大污染物累積減排量，包括SO2，NOx，VOC，NH3，一次PM2.5，一次PM10。

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)對改善環(huán)境意義重大，這是政府十分關(guān)心的內(nèi)容。本案例設(shè)定的8項(xiàng)隱性指標(biāo)反映了這一變化。實(shí)際上，隱性指標(biāo)還可以有多種，不可能一一列舉，比如涉及人口等。不同的研究者還可以根據(jù)需要設(shè)置其他的“隱性”指標(biāo)。第二，模型設(shè)置的變量越多，模型也就越復(fù)雜，所以設(shè)置的變量要能夠與GDP、PM2.5等核心變量建立能夠量化的動(dòng)態(tài)關(guān)系。

圖1 大氣環(huán)境承載力顯性部分圖示說明

AEC、AES、AECC彼此之間是相互作用、相互影響、隨時(shí)間變化的。動(dòng)態(tài)關(guān)系有：①在以消耗化石能源為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)GDP增長模式下，AECC始終小于AES，大氣污染量(復(fù)合曲線)超過AEC，環(huán)境質(zhì)量變壞(圖1a)；②新常態(tài)下，當(dāng)AECC逐漸超越AES，大氣污染量(復(fù)合曲線)逐漸收斂于AEC內(nèi)，環(huán)境質(zhì)量得到改善(圖1b)。

圖2中的復(fù)合曲線既是環(huán)境壓力與環(huán)境承載力“顯性”部分合成的結(jié)果，也是現(xiàn)實(shí)中PM2.5濃度的監(jiān)測數(shù)據(jù)就是一種綜合狀態(tài)，是六種污染物(包括四種前驅(qū)物SO2、NOx、VOC、NH3和一次PM10、一次PM2.5)化合與混合的客觀反映。通過源解析，可以得到上述各污染物在PM2.5中的化學(xué)組成比例，由此可測算對應(yīng)的6種污染物的存在量，得到與時(shí)間對應(yīng)的6條污染物的發(fā)生曲線。當(dāng)PM2.5濃度曲線隨時(shí)間逐步下降，與大氣環(huán)境容量規(guī)定值(年均濃度35μg/m3，圖中用水平虛線表示)相交時(shí)該時(shí)刻即為達(dá)標(biāo)時(shí)點(diǎn)，對應(yīng)的六種污染物的生產(chǎn)量即為各污染物允許的排放量，即環(huán)境容量，(可見具體測算圖3)。

圖2 兩種情況下的AES、AEC、AECC辯證關(guān)系圖

由于PM2.5濃度曲線就代表了大氣環(huán)境壓力和環(huán)境承載力的復(fù)合結(jié)果，故可通過收集、編輯經(jīng)濟(jì)、氣象、能源、源解析、排放清單等數(shù)據(jù)，確定模型參數(shù)，編寫PM2.5與GDP(包括第1、2、3產(chǎn)業(yè)的GDP)、能源(包括石油、煤炭、天然氣、新能源)消費(fèi)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式；當(dāng)PM2.5濃度曲線隨時(shí)間逐步下降，其達(dá)標(biāo)時(shí)點(diǎn)對應(yīng)的GDP(包括第1、2、3產(chǎn)業(yè)的GDP)與能源(包括石油、煤炭、天然氣、新能源)消費(fèi)的值即環(huán)境承載力的隱性部分(具體測算圖從略)；6大污染物累積減排量可以通過源清單等測算得到初始值，再按設(shè)置的減排率按圖1概念逐一計(jì)算得到。

(4)技術(shù)路線

1) 明確研究目標(biāo)，包括AEC、AECC；2) 確定考察對象的指標(biāo)；3) 劃定SD模型邊界；4)描述SD模型系統(tǒng)的因果關(guān)系；5)建立SD模型流圖，初步測試模型可用性；6)帶入建模所需的經(jīng)濟(jì)、氣象、能源、源解析、排放清單等數(shù)據(jù)；7)確定模型參數(shù)，編寫模型方程；8)模型檢驗(yàn)和真實(shí)性檢驗(yàn)；9)設(shè)置3種情景，S1基本型、S2適度型、S3強(qiáng)化型。三種情景的指標(biāo)設(shè)定是依據(jù)武漢市環(huán)科院最新下達(dá)的要求，并逐一調(diào)整。10)預(yù)測三種情景下武漢市的GDP、年均PM2.5、PM10濃度和6種污染物排放量；11)預(yù)測當(dāng)PM2.5年均濃度達(dá)標(biāo)時(shí)，AEC、AECC閾值。

4.2 運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建立的多目標(biāo)規(guī)劃模型

SD模型包含3個(gè)子系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境，分別包含一系列變量，在流圖中體現(xiàn)(從略)。從變量功能類型來看，它們分5類：狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量、常量、調(diào)控變量(常量和調(diào)控變量也屬于輔助變量，由于在模型中所起的作用不同，獨(dú)立分類)。

SD流圖描述了某一個(gè)時(shí)刻系統(tǒng)內(nèi)部的因果關(guān)系，構(gòu)成了系統(tǒng)某時(shí)刻的一個(gè)狀態(tài)。構(gòu)建好模型系統(tǒng)，確定好各變量初值和調(diào)控參數(shù)后，就可按某一趨勢進(jìn)行預(yù)測。除了調(diào)控變量和常量，其他變量均隨模型推演的進(jìn)行，不斷反饋、動(dòng)態(tài)變化的。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖是編寫模型方程的基礎(chǔ)，用Vensim軟件實(shí)現(xiàn)[14-15]。

模型運(yùn)行基本過程：GDP按照一定增長率增長，通過億元GDP排放量(比例系數(shù))的作用，引起污染物排放量增長，污染物增量通過衡量污染物排放量和PM2.5總量之間的關(guān)系系數(shù)(轉(zhuǎn)化率)的作用，引起PM2.5濃度的增長。為了減少排放，提高環(huán)境質(zhì)量，在模型中通過3種控制措施來體現(xiàn)。①通過調(diào)整一產(chǎn)、二產(chǎn)、三產(chǎn)GDP的增長率，來調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，改變產(chǎn)污GDP的比重；②通過調(diào)整各能源增長率，來調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，減少單位GDP的污染增量；③通過設(shè)定減排因子，進(jìn)行末端治理。

4.3 研究結(jié)果

(1)案例背景

2015年武漢市地區(qū)生產(chǎn)總值為10906億元，PM2.5濃度為70μg/m3，PM10濃度104μg/m3。一方面，武漢市環(huán)保局提出的環(huán)保目標(biāo)是2020年市PM2.5年均濃度需降至49μg/m3；另一方面，武漢市又處在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵期，強(qiáng)調(diào)“十三五”期間經(jīng)濟(jì)增速需保8.5%。這是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

根據(jù)50多年來的氣象數(shù)據(jù)顯示，武漢市氣象要素穩(wěn)定[16-17]。因此，假設(shè)未來15年中武漢市地區(qū)氣象變化如年均氣溫、雨量、風(fēng)頻、風(fēng)速、邊界層高度、PM2.5內(nèi)外源比例、PM2.5和PM10化學(xué)組成比例等平均統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定。在以上假設(shè)前提下，建立SD模型。模型模擬的地域邊界為武漢市全區(qū)域，以2015年的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值，模擬時(shí)間范圍2016—2030年。我們設(shè)置了三種發(fā)展情景。每種情景的減排力度不同，從弱到強(qiáng)分別為：基礎(chǔ)型、適度型、強(qiáng)化型，以供分析決策，并測算大氣環(huán)境容量和環(huán)境承載力。

(2)SD模型檢驗(yàn)

對SD進(jìn)行了真實(shí)性檢驗(yàn)與敏感性分析，均順利通過(限于篇幅，過程從略)。

(3)輸入數(shù)據(jù)

預(yù)測結(jié)果取決于各種變量的取值，所有變量的取值及依據(jù)(包括狀態(tài)變量初值、各調(diào)控變量、輔助變量和常量)均以2015年的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)測，其中也有少量因子值由于沒有數(shù)據(jù)而進(jìn)行了假設(shè)。

(4)預(yù)測結(jié)果

到2020年，三種情景的年均PM2.5濃度分別是58、53和48μg/m3，到2030年分別是43、33和25μg/m3。三種情景中，只有S3強(qiáng)化型的PM2.5年均濃度的預(yù)測結(jié)果能滿足武漢市最新環(huán)保規(guī)劃要求，達(dá)標(biāo)時(shí)間節(jié)點(diǎn)是2023.75。

1)大氣環(huán)境容量結(jié)果

情景S3下模擬計(jì)算出的以GDP-PM2.5達(dá)標(biāo)為約束前提下的SO2、NOx、VOC、一次PM10、一次PM2.5、NH3的大氣環(huán)境容量分別為：23083、82773、89678、78984、32580和12226噸。

若用采用A值法對武漢市域8494km2范圍SO2、NOx、PM10進(jìn)行估算，武漢市城鎮(zhèn)主要開發(fā)區(qū)占市域面積58%，為4926.5km2(二類區(qū))，生態(tài)涵養(yǎng)限制開發(fā)區(qū)面積42%，為3567.5km2(一類區(qū))。湖北地區(qū)A值范圍3.6～4.9，取上限和下限值分別計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，結(jié)果是：SO2的容量范圍143329～195069t；NOx的容量范圍132696～180614t；PM10的容量范圍190422～259185t。A值法計(jì)算出的污染物容量明顯高于SD法的結(jié)果。SO2容量，A值法的測算結(jié)果是SD法的6.2～8.4倍；NOx容量，前者是后者的1.4～1.9倍；PM10容量，前者是后者的2.4～3.2倍。VOC、NH3等尚無法用A值法進(jìn)行計(jì)算。這說明以GDP-PM2.5達(dá)標(biāo)為約束的容量預(yù)測結(jié)果要比單污染物容量計(jì)算的結(jié)果更加嚴(yán)格。說明A值法面對復(fù)合型污染時(shí)具有較大局限性。

2)大氣環(huán)境承載力閾值

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括GDP、一產(chǎn)GDP、二產(chǎn)GDP、三產(chǎn)GDP。在情景S3下，當(dāng)PM2.5達(dá)標(biāo)時(shí)，經(jīng)濟(jì)承載力指標(biāo)閾值分別為：22116、470、7006和14640億元。

能源指標(biāo)包括煤炭消費(fèi)量、石油消費(fèi)量、天然氣消費(fèi)量、新能源消費(fèi)量。在情景S3下，當(dāng)PM2.5達(dá)標(biāo)時(shí)，能源承載力指標(biāo)閾值分別是：1938、1443、1043和1497萬噸標(biāo)煤。

以2015年為基準(zhǔn)，保持現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)、能源結(jié)構(gòu)和環(huán)保力度不變，SO2、NOx、VOC、一次PM10、一次PM2.5、NH3到2025.75年排放量分別為183005、335695、421067、346840、154027和36770噸。與環(huán)境容量相減之后，得到累計(jì)削減量閾值，分別為：159922、242922、331389、267856、121447和24544噸；即需在2015年水平上平均每年削減(既減增量，又減存量)分別為：15992、24292、33138、26785、12144和2454噸。

本預(yù)測結(jié)果已被武漢市相關(guān)部門采納。

5 結(jié)論與展望

(1)案例表明，在強(qiáng)化型情景下，預(yù)測武漢市PM2.5年均濃度在2025年達(dá)標(biāo)。利用該方法可以測算出對應(yīng)的SO2、NOx、VOCs、一次PM10、一次PM2.5、NH3容量值、環(huán)境承載力的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)隱性閾值和顯性閾值。

(2)以PM2.5為特征的復(fù)合型污染，是多種污染物共同造成的，只要彼此間的所占比例基本穩(wěn)定，面對不同減排情景、減排力度，在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)達(dá)到環(huán)境容量，但環(huán)境容量結(jié)果基本一致，這為政府采取環(huán)保措施、實(shí)施環(huán)境管理確定了明確的方向。

(3)相較于理化方法，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型可不去探究復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部的理化過程，只要有效地利用年均統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，從事物的外在表現(xiàn)出發(fā)，來探究復(fù)雜對象的內(nèi)在邏輯聯(lián)系，就能同步測算以GDP-PM2.5達(dá)標(biāo)為約束的大氣環(huán)境容量與經(jīng)濟(jì)、能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢，完成多目標(biāo)規(guī)劃的基本內(nèi)容，相比其他模型與方法，具有簡明的優(yōu)點(diǎn)。

(4)編制“創(chuàng)建國家生態(tài)文明建設(shè)示范市、縣規(guī)劃”，其核心內(nèi)容是環(huán)境與生態(tài)規(guī)劃，因此既要加強(qiáng)其核心內(nèi)容的編制，提高定量分析的數(shù)量與質(zhì)量，又要兼顧生態(tài)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)制度、生態(tài)文化多方面的考慮，其難度較高，要提高編制門檻，凈化、規(guī)范規(guī)劃編制的市場。

(5)對于水和土壤的環(huán)境容量和承載力分析，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，有望避免復(fù)雜的理化模擬，類似大氣環(huán)境容量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的測算，從宏觀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)角度出發(fā)，建立新的模型，展開系統(tǒng)化研究，改善傳統(tǒng)測算方法，既簡化計(jì)算過程，又能提高測算的可靠性。

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Modelling for Multi-Objective Planning and Environmental Capacity in Ecological and Environmental Planning

ZHOU Jingxuan ZHOU Yejing

(School of Environmental Science &Engineering，Huazhong University of Science and Technology (HUST)，Wuhan，China)

In current regional environmental or ecological planning，it has been short of an in-depth study on the relationship between economic development and environmental protection，and the environmental capacity and its carry capacity. This results in a situation that the planning has been lacking of scientific argumentation and rigorous logic. The ‘economy-energy- atmospheric environment’ model by System Dynamics (SD) realizes calculating the atmospheric environmental capacity and the developing trend of environment and economy constrained by GDP and PM2.5simultaneously in Wuhan city. The SD model can achieve the demands of the multi-objective planning，and retains the advantage of simplicity in resolving complex problems compared with other multi-objective planning methods.

Multi-objective planning；GDP；PM2.5；Atmospheric environmental capacity；System Dynamics；Wuhan city

項(xiàng)目資助：國家自然科學(xué)基金(No.71171089)；武漢市主要環(huán)境問題和對策建議項(xiàng)目

周敬宣，教授，博導(dǎo)，長期從事環(huán)境規(guī)劃與管理等有關(guān)研究；周業(yè)晶，博士研究生，主要研究方向是環(huán)境規(guī)劃與系統(tǒng)建模

致 謝：感謝武漢市環(huán)境科學(xué)研究院對本項(xiàng)目的重視，并提供了相關(guān)研究經(jīng)費(fèi)的支持；感謝華中科技大學(xué)肖人彬教授的國家自然科學(xué)基金支持

X21

A

1673-288X(2017)02-0041-05

引用文獻(xiàn)格式：周敬宣 等.生態(tài)環(huán)境規(guī)劃編制中多目標(biāo)規(guī)劃模型與環(huán)境容量的研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(2)：41-45.