（安全技术及工程专业论文）总量控制中二维资源离散规划的计算方法研究.pdf

查! ! 垄芏堑主兰堡垒墨 垒! ! ! 璺竺 s t u d y o n d i s p e r s ep r o g r a m c a l c u l a t i o nm e t h o do ft w o d i m e n s i o n sr e s o u r c ei nt o t a l q u a n t i t y c o n t r o l a b s t r a c t d u r i n gt h e c o u r s eo fd i s p o s i n ge n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n dc a r r y i n go u tt o t a l q u a n t i t yc o n t r o l ，w h e np o l l u t i o n s o u r c e sa r eu pt oe l i m i n a t i o ns t a n d a r do fc o n c e n t r a t i o n c o n t r o la n da c c e p t e db o d i e s ( e g a t m o s p h e r e ，w a t e r ) c a n n o ta c h i e v ee n v i r o n m e n t a l s t a n d a r d ，i ti sn e e d e dt oo p t i m i z ee m i s s i o nf o re a c hp o l l u t i o ns o u r c e ，o nb a s eo ft h e a c c e p t e db o d i e s q u a l i t y c r i t e r i o n t h ee s s e n t i a lc o n t e n t so f o p t i m i z a t i o n a r e e n v i r o n m e n t a lq u a l i t yc r i t e r i o na n dt h et e c h n o l o g ym e a s u r e sa n de c o n o m i ci n v e s t m e n t f o ra m e l i o r a t i n ga c c e p t e db o d i e s e n v i r o n m e n t d o m e s t i ca n df o r e i g na p p r o a c hf o rt h i s k i n do f p r o b l e mi st oe s t a b l i s h c o s tf u n c t i o n ，a n du s el i n e a rp r o g r a m m i n ga n dt h eo t h e r o p t i m i z a t i o n c a l c u l a t i o nm e t h o d h o w e v e r , i ti sd e t e r m i n e db yt h ed i v e r s i t y o f p o l l u t i o n s o u r c et y p e sa n dd i s p o s i n gt e c h n o l o g i e st h a tt h e r ei sn oc o n t i n u o u sf u n c t i o nc o n n e c t i o n ( o rt h ec o n n e c t i o ni sb a d ) b e t w e e nt h ep o l l u t i o ne l i m i n a t i o nf a c t o ra n dt h ec o s t ，a n d t h e r ei so n l yc o r r e s p o n d i n gc o n n e c t i o no n eb yo n e d i s p e r s ep r o g r a m m i n g p r o b l e mi s t ol o o ka f t e rt e c h n o l o g ym e a s u r e sc o m b i n e dp r o j e c t si nm a n y t e c h n o l o g ym e a s u r e sa n d c o r r e s p o n d i n g i n v e s t m e n tf o re a c h p o l l u t i o ns o u r c et h a ta c h i e v e se n v i r o n m e n t a lq u a l i t y s t a n d a r do r a c c e p t e db o d i e s q u a l i t yd e m a n da n d r e a l i z e si n v e s t m e n tm i n i m i z a t i o n h o w e v e r , n o wc a l c u l a t i o nm e t h o d sa b o u t d i s p e r s ep r o g r a mp r o b l e mo n l y i m p l e m e n to p t i m i z a t i o no fak i n do fr e s o u r c e ，a n da c t u a ld i s p e r s ep r o g r a mp r o b l e m m a y b e m o r ec o m p l i c a t e d ，f o re x a m p l e ，d i s p e r s ep r o g r a m o f m a n yd i m e n s i o n sr e s o u r c e t 1 1 i sp a p e rs t u d i e sd i s p e r s ep r o g r a mc a l c u l a t i o nm e t h o do ft w od i m e n s i o n sr e s o u r c et o s o l v et h ep r o b l e m o f d i s p e r s ep r o g r a m a b o u t m a n y d i m e n s i o n sr e s o u r c e o nt h eb a s eo fs t u d y i n go nd i s p e r s ep r o g r a mp r o b l e mi no n ek i n do fr e s o u r c e ， f i r s t l y , t h ep a p e re s t a b l i s h e sm a t h e m a t i c sm o d e lo fd i s p e r s ep r o g r a mp r o b l e mi nt o t a l q u a n t i t yc o n t r o l ，a n dc o n f i r m so b j e c t i v ef u n c t i o na n dr e s t r i c t e dc o n d i t i o n s s e c o n d l y , s t u d yo nd i s p e r s ep r o g r a mc a l c u l a t i o nm e t h o do ft w od i m e n s i o n sr e s o u r c ei nt o t a l q u a n t i t yc o n t r o l ，t h e na n a l y z e a n dd e m o n s t r a t e r a t i o n a l i t y a n d f e a s i b i l i t y o ft h e c a l c u l a t i o na p p r o a c h a n dt h e nt e s ta n dv a l i d a t et h ec a l c u l a t i o nm e t h o dw i t ht h em e a n s o fi n t e g e rp r o g r a m m i n g f i n a l l y , e x a m p l ea st h e p o l l u t a n ts o u r c e sp r o g r a m m i n go f d a q i n gp e t r o l e u mm a n a g e m e n tb u r e a u ，a n di m p l e m e n tt o t a lq u a n t i t yc o n t r o lw i t h i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t d i s p e r s ep r o g r a m c a l c u l a t i o nm e t h o do f t w od i m e n s i o n sr e s o u r c e k e y w o r d st o t a lq u a n t i t yc o n t r o l ，d i s p e r s ep r o g r a m ，e n v i r o n m e n t p o l l u t i o n ，c a l c u l a t i o n m e t h o d ，r e s o u r c e i v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 本人签名：伶 乔 日期：d 彻y 、 东北大学硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 环境是人类生存和发展的基础，然而伴随着人类文明的轨迹，环境污染问题 也出现在人们面前。2 0 世纪后半期以来，地球温暖化、臭氧层破坏、大气污染与 酸雨、土地退化与沙漠化、森林资源退化、陆地水域和海洋污染、生物多样性破 坏、发展中国家的公害等环境问题直接威胁到人类的生存与发展。 人类在解决环境问题，治理环境污染的过程中，一直都在寻求最佳的污染治 理方案，希望实现环境效益、社会效益和经济效益的和谐统一。因此环境规划发 展成为环境科学领域的一门新的学科。环境规划按照其内涵大小可分为狭义和广 义两大类。狭义的环境规划主要是指污染控制规划( 污染综合防治规划) ，它是用 数学模型来描述环境系统，反映出系统内外的定性与定量的关系，然后通过优选 确定理想的规划方案。广义的环境规划除了污染综合防治规划之外，还包括生态 规划与自然资源保护规划。 优化设计方案是环境规划的核心。根据环境系统的特性采用不同的最优化方 法，对于线性系统采用线性规划、整数规划、目标规划：对于多级串联系统采用 动态规划；对于离散系统采用离散规划；对于连续系统采用最大值规划；对于非 线性系统采用集合规划。 在总量控制中广泛应用的一种规划方法是离散规划。离散规划也称为组合规 划，是污染物排放分配的优化方法之一。它处理问题的优点在于各点源不同方案 的最优选择以及区域中污染源削减量的最优分配。换句话说，离散规划问题就是 在具有各污染源的若干项技术措施及对应投资的情况下，寻求满足受纳体环境质 量标准或受纳体功能区质量要求的、投资最小的各个污染源的技术措施组合方案。 自从2 0 世纪8 0 年代初在北京市大气环境质量标准制定中首次提出运用离散 规划问题以来，在国家“六五”和“七五”规划水环境容量攻关中进行了大 量的应用和实践。离散规划的快速排除解法适用于单约束的总量控制离散规划问 题，但是它不仅在计算方法上存在较严重的缺陷，而且也无法解决多个控制点或 面同时约束的区域环境规划问题。离散规划问题的最速下降搜索解法则成功地解 决了离散规划问题中的多约束条件的难题，而且使其求最优解的能力更强，计算 速度和计算规模也得到极大的提高。但是，目前的离散规划问题的解法只是较好 地解决了一维资源离散规划的最优化问题，如环境中的水质规划或大气污染整治 规划。然而，实际离散规划问题可能会提出更多的要求，使数学模型更加复杂， 求解方法也趋于复杂化，如多项要素的离散规划问题的计算方法。本论文是以研 究二维资源( 环境中的水、气综合规划) 的离散规划的计算方法为切入点，以解 东北大学顽士学位论文第一章引言 决多项要素的离散规划问题。 本项课题的研究具有重要的现实意义： 为实现区域中的环境质量综合规划提供切实可行的技术支持。 本研究是针对在实际应用中遇到的问题而提出的。研究的成果将使原来的水 质或大气质量的独立规划变为区域中的水、气综合规划，有利于环境综合治理， 同时为决策部门做出更合理、更全面、更经济可行的治理方案提供技术保证。因 此，本研究具有重要的实用意义。 发展并完善了环境科学领域的离散规划问题。 本研究是在现有的环境科学领域的总量控制中的离散规划问题的研究及成果 的基础上，作进一步的探索与尝试。它将有助于离散规划问题在环壤科学领域的 发展与完善。 一1 一 东北大学硕士学位论文第二章总量控制中的离散规划的理论基础 第二章总量控制中的离散规划的理论基础 2 1 运筹学理论概述 运筹学的早期研究历史可追溯到1 9 1 4 年，军事运筹学中的兰彻斯特 ( l a n c h e s t e r ) 战斗方程是在1 9 1 4 年提出的，排队纶的先驱者丹麦工程师爱尔朗 ( e r l a n g ) 1 9 1 7 年在哥本哈根电话公司研究电话通讯系统时，提出排队论的一些著 名公式，存贮论的最优批量公式是在2 0 世纪2 0 年代初提出的。值得一提的是， 丹捷格认为线性规划模型的提出是受到了列昂捷夫的投入产出模型( 1 9 3 2 年) 的 影响，关于线性规划的理论是受到了冯诺意曼( v o n n e u m a u n ) 的帮助。冯诺 意曼和摩根斯坦( 0 m o r g e n s t e m ) 合著的对策论与经济行为( 1 9 4 4 年) 是对策 论的奠基作。 运筹学作为科学名词是出现在2 0 世纪3 0 年代末。当时英美对付德国的空袭， 雷达作为防空系统的一部分，从技术上是可行的，但实际运用时却并不好用。为 此，一些科学家就如何合理运用雷达开始进行一类新问题的研究。因为它与技术 研究不同，就称之为“运用研究”( o p e r a t i o n a lr e s e a s r c h ) 。早在1 9 3 9 年苏联学者 康托洛维奇( _ i b k a h t o p o b h q ) 在解决工业生产组织和经济管理时，已提出了类似 线性规划的模型，并给出了“解乘数法”的求解方法，第二次世界大战期间，由 于军事运输的需要，提出了线性规划问题的解法。1 9 4 7 年丹捷格( g b d a n t z i g ) 提出的单纯方法就是这方面最杰出的算法。1 9 6 0 年糜托洛维奇再次发表了最佳 资源利用的经济计算一书后，才受到国内外的重视，为此康托洛维奇获得了诺 贝尔奖。到5 0 年代初，h w k u h n 和a w t u c k e r 提出了非线性规划的基本定理， 为这方面的发展奠定了理论基础，此后，其应用也涉及到各个领域。k b e l l m a n 提 出了动态规划的最优化原则，创立了动态规划这一重要分支。 随着运筹学应用的不断扩大，运筹数学也得到了飞速的发展，并形成了运筹 学的许多分支。如数学规划( 线性规划、非线性规划、整数规划、目标规划、动 态规划、随机规划等) 、图论与网络、排队论( 随机服务系统理论) 、存贮论、对 策论、维修更新理论、搜索论、可靠性和质量管理等。 运筹学是一门应用科学，至今还没有统而确切的定义。莫斯( e m m o r s e ) 和金博尔( g e k i m b a l l ) 曾对运筹学作出的定义是：“为决策机构在对其控制下业 务活动进行决策时，提供以数量化为基础的科学方法。”这一定义强调的是科学方 法，这含义不单是某种研究方法的分散和偶然的应用，而是可用于整个一类问题 上，又强调以量化为基础，必然要用数学。但任何决策都包含定量和定性两方面， 3 一 东北大学硕士学住论文第二章总量控制中的离散规划的理论基础 而定性方面又不能简单的用数学表示，如政治、社会等因素，只有综合多种因素 的决策才是全面的。运筹学的另一定义是：“运筹学是门应用科学，广泛应用现 有的科学技术知识和数学方法，解决实际中提出的专门问题，为决策者选择最优 决策提供定量依据川”。这定义表明运筹学具有多学科交叉的特点。运筹学是强调 最优决策，“最”是过分理想了，在实际生活中往往用次优、满意等概念代替最优。 因此，运筹学的又定义是：“运筹学是一种给出问题坏的答案的艺术，否则问题 的结果会更坏”。 为了有效的应用运筹学，前英国运筹学学会会长托姆林森提出6 条原则：( 1 ) 合伙原则，是指运筹学工作者要和各方面人，尤其是同实际部门工作者合作；( 2 ) 催化原则，在多学科共同解决某问题时，要引导人们改变一些常规的看法； p ( ，t ( ，) )( 3 1 ) 百 约束条件 砒j ) b ( j ，七( 朋d s ( i ) ( 3 2 ) ；l 且i = 1 , 2 ，m ；j = 1 , 2 ，；膏( 力 1 , 2 ，( _ ，) ；d s ( j ) 0 式中： p ( j ，后( 朋表示第个源采用第k ( j ) 个技术措施的投资额： a ( i ，) 表示第j 个源对第i 个控制点或面的影响系数； b ( j ，膏( ) ) 表示第j 个源采用第k ( j ) 个技术措施时的排放量： d s ( i ) 表示第i 个控制点或面的环境质量控制指标值； l ( j ) 表示第，个源的方案数： 肘表示控制点或面的个数： 表示污染源的个数； k ( j ) 表示第，个源被采纳的方案号； l = m a x l ( j ) l j = 1 , 2 ，) 表示本规划问题中的最大方案数。 从上述离散规划的数学模型可以发现，要求解离散规划的最优解其关键是如 何确定k ( j ) ，也即每一个源被优化的方案号。同时，为了求解离散规划，对模型 一1 2 东北大学硕士学位论文第三章一雏资源离散规划 数据有如下的约定：同一污染源其排放量与投资额是一一对应的反序满单映射的 关系。简单的说是排放量按从小到大排列，投资额则按从大到小排列。 3 2 离散规划的解法 3 2 1 快速捧除解法 适用于快速排除解法的离散规划数学模型如下 目标函数：m i n p = y p j ，= 1 约束条件 nj x i s d ，；l ( 3 3 ) ( 3 4 ) 式中： 口，第，个点源对环境目标的影响系数： ，第_ ，个点源的源强( 其取值为m 个离散值) ； d 环境目标； p j 第个点源的治理投资( 其取值为与z ，对应的m 个离散值) 。 离散规划模型依据以下两条原则变化和整理： 根据技术方案，将污染源排放量由小到大排布的源强表，见表3 1 。 与源强表一一对应，并成反序关系的治理方案投资表，见表3 2 。 表3 1 源强表 t a b l e3 1e m i s s i o n q u a n t i t yo f p o l l u t a n ts o u i c e s 刀 口( 1 ，n ) q ( 2 ，o 备注 由 小 到 q ( 1 ，1 ) q ( 2 ，1 ) q ( 1 ，2 ) 9 ( 2 ，2 ) g ( 】，3 ) 0 ( 2 ，3 ) l ! ：竺鱼连 1 j d ( 1 ，1 )尸( 1 ，2 ) p ( 1 ，3 ) j d ( 1 ，h )由 2 j d ( 2 ，1 ) p ( 2 ，2 ) p ( 2 ，3 )p ( 2 ，h )大 到 竺一丛竺：生 5 竺：型! l 竺：1 2： ! 竺：尘尘 快速排除解法适用于单约束的总量控制离散规划问题。在大多数情况下可获 东北大学硕士学位论文第三章一维资源离散规划 得最优解，至少可获得可接受解。其方法步骤如下： ( 1 ) 验证措施组合【m ，脚，m 是否满足约束方程。沏，聊，m 】是指n 个污染 源均选措施m 。若满足，则陋，晰，m 】为最优解：若不满足，转步骤( 2 ) 。 ( 2 ) 验证措施组合 1 ，i ，1 是否满足约束方程，若满足约束方程，转步骤( 3 ) ； 若不满足，则无解。表明各污染源最佳治理措施尚不能达到控制目标。 ( 3 ) 试探步。试探能否通过迭代计算求出更满意的解。即由x ( 0 ) ( 选择方案 1 ，1 ，1 ) 出发，向投资减少的方案前进一步，寻找接近目标的排放源和措施 ( ，。，j ) 。 计算公式为： a ，= 疗，x j k ，+ l 卜q z ，【足，】 ( 3 。5 ) a = m i n a j ( 3 6 ) ，= 1 , 2 ，- ，月；i l = k 。+ 1 ，州 式中，为排放源号，i 为措施号。依计算公式求a ，求出对控制目标影响最 小的排放源和措施( 凡i 。) 。 验证前进一步后的措施组合x ( 1 ) 是否满足约束方程。若满足转入步骤( 4 ) 继 续计算；若不满足约束方程，则表明影响最小的一步亦无法前进，最优解为 x ( o ) = 【1 ，l ，l 】，不必迭代。 ( 4 ) 求相应初始措施组合，即排污总量增加单位值，投资减少最大的排污源 和措施号，并引入费用浓度比，一次最大速率记为矿。，。 矿，：墨幽二墨鸳 ( 3 7 ) 。 口j x ) 一口j x ，【五，】 _ “：= m a x ， ( 3 8 ) i = k + l ，k j + 2 ，一，m ；j = 1 , 2 ， 根据上述公式可得速率y 表，得到该措施组合k 是否满足约束方程。若满 足，转入步骤( 5 ) ；若不满足，选次大点。 ( 5 ) 求相应初始措施组合，一次减少费用最大的排放源和措施( ，i ，) 。 彬，。= p ，( f ) 一e 足， ( 3 9 ) = m a x ， ( 3 1 0 ) f = k j + l ，k ，十2 ，m ；j = 1 , 2 ， 验证措施组合x o ) 是否满足约束方程。若满足，将上一个循环中的x o ) 作为 下一个循环的x ( o ) ，重复( 3 ) ( 5 ) ，便可得到满意的措施组合；若不满足，选 次大点进行验证。 离散规划的快速排除解法自从成功的应用到沱江水质规划后，逐渐在全国得 一1 4 东北大学硕士学位论文 第三章一维资源离散规划 到推广，尤其在“七五”期间，随着总量控制的理论、政策、技术的深入研究， 使其应用更上一层楼。但是，与此同时发现快速排除解法在计算方法上存在严重 的缺陷，而且已经不适合于环境规划中日益提出的要求，如多个控制点或面同时 约束的区域环境规划。 3 2 2 最速下降搜索解法 离散规划问题的最速下降搜索解法是目前能真正解决多约束容量总量控制离 散规划问题的解法。该解法的基本原理是：通过两种特殊组合方案，可以判定有 解还是无解，是最优解还是可行解，通过试探法确定当前解是否可进一步向最优 解逼近：在试探法成功的基础上，进一步求出最速下降搜索解法求得的组合方案 和目标函数减少最大的组合方案，前者作为下次搜索的初始组合方案，后者留待 备用。 离散规划问题最速下降搜索解法具有以下优点： ( 1 ) 寻求最优解的能力更强； ( 2 ) 可以实现多个控制点或面的同时优化； ( 3 ) 计算规模、计算速度大大提高； ( 4 ) 更适合于环境标准的科学制定和合理投资的科学决策。 在许多情况下，我们经常能发现一系列的数据并不是绝对升序或降序，存在 相等的两个或多个数据，有时这种等值数据不只一组。在这种情况下，无论是最 大值法，还是最小值法，都有可能同时出现与最大值或最小值相等的数据。这样， 利用最速下降搜索解法就可能丢失合适的方案组合，使求得的组合方案与最优解 的组合方案之间发生波动。针对这种情况，提出了两种可能改进最速下降搜索解 法的计算方法，即分枝堆栈解法和多级下降搜索解法。 分枝堆栈解法主要消除了最速下降搜索解法可能出现的与污染源排列次序有 关的缺陷；其求解的过程更加复杂，计算次数也将增加，尤其在计算机软件开发 中用到更多的方法和技巧。多级下降搜索解法的目的在于克服单一搜索方向可能 导致对最优解达到路径掩盖的缺陷，通过多个搜索方向使达到最优解路径获得几 率更高。 1 5 东北大学硕士学位论文 第四章污染物经济当量 第四章污染物经济当量 4 1 环境经济学 环境经济学是以经济学为理论基础的一门经济学科，是研究经济发展和环境 保护之间的相互关系，探索合理调节人类经济活动和环境之间的物质交换的基本 规律，其目的是使经济活动能取得最佳的经济效益和环境效益 1 4 】。环境经济学的 基本理论是；环境是资源，是劳动对象，是生产力的要素之一。首先，作为人类 的生存环境来说，空气、水等自然环境为人类提供了赖以生存的物质资源。其次， 作为社会再生产条件来说，环境为人类提供了获得生活资料的物质资源。它是社 会的自然资源，生产的劳动对象。 4 1 1 环境经济学的研究内容 环境经济学的研究内容主要有如下几个方面： ( 1 ) 研究环境经济学的基本理论。探讨环境与经济的内在联系和相互作用的 关系，揭示发展经济与保护环境必须协调发展的客观规律，从理论与实践阐明社 会主义经济规律、价值规律等在环境保护领域中如何发挥作用，为制定我国的环 境保护方针、技术经济政策、环境规划提供理论根据。 ( 2 ) 研究生产力的合理组织与环境保护的关系。环境污染和生态失调，从根 本上讲是对自然资源不合理开发和利用，生产力组织不合理，生产计划不周所造 成的。因此，合理的利用自然资源。改革不合理经济体制与结构，调整生产力的 布局，是保护环境最根本、最有效的措施。 ( 3 ) 研究防治污染、保护环境措施的经济效果，为制定最佳的防治污染方案 提供依据。 ( 4 ) 研究运用经济手段和方法进行环境管理。经济方法在环境管理中是与行 政的、法律的、教育的方法相互配合使用的一种方法。它通过税收、财政、信贷 等经济杠杆，调节经济活动与环境保护之间关系，污染者与受污染者之间关系。 通常采用征收资源税、排污收费、事故性排污罚款以及实行奖励废弃物综合利用 与提供贷款等优惠政策。 4 1 2 环境经济学的特点 环境经济学是环境科学的重要分支，是一门新兴的经济学科。按其性质属于 应用经济学范畴。它具有如下特点： 一1 6 东北大学颇士学住论文 第四章污染物经济当量 ( 1 ) 综合性。环境经济学与其他经济学区别的显著特点，在于它研究任何经 济问题时，不仅研究其社会经济效果，同时还着重研究经济的发展变化对环境质 量的影响，以及环境变化的后果对经济进一步发展的反作用。 ( 2 ) 区域性。我国幅员辽阔，各地区的自然环境和人口密度有菪明显的差异， 沿海和内地、城市和乡村经济结构和发展水平相差悬殊。因此，研究我国环境经 济问题，不仅要考虑我国特点，还要坚持从各地区的实际出发，充分注意各地区 的差异性，制订各种政策、措施和标准。 ( 3 ) 阶段性。无论是环境污染的程度、污染的性质、治理污染的经济实力， 以及防治污染的主要措施都具有阶段性的特点。因此环境经济问题的解决不可能 是一劳永逸的，研究环境经济问题既要从空间上注意它的区域性，内容上的综合 性，又要从时间上注意它的阶段性。 4 , 2 环境资源价值 长期以来，环境资源直被看作是“取之不尽、用之不竭”的自然物，被错 误地认为是没有价值的，从而被不加限制地随意取用，造成了环境资源的浪费和 枯竭，严重威胁了生态系统的平衡，影响了人类本身的生活质量。因此，正确认 识环境、环境资源及环境资源的价值，对人类的生存与可持续发展起着非常重要 的作用。 4 2 1 环境资源价值的含义 环境是指以入类为中心或主体的、与人类生存发展及享受有关的、一切外界 有机或无机的物质、能量及其功能的总体。环境是自然资源静与动的统一体。 从静的角度看，环境是一定时空范围内自然界形成的一切能为人类所利用的物质 和能量的总体，即有形的物质性资源实体；从动的角度看，环境是由一定数量、 结构、层次并能相似相容的物质和能量所构成的物质循环与能量流动的统一体 即无形的舒适性的生态功能。 资源是资本的来源，即指有一定存量或可以持续利用且对人类社会和经济发 展有用的东嚣。由于环境可以提供人类活动的原材料、人类及在地球上生物的生 存场所和景观服务：还由于环境自身的稀释、扩散和自净能力，其本身又是排放 污染物的场所，所以，“环境也是一种资源”的认识正在普遍地为人们所接受。 人类对环境资源价值的认识是逐渐深化的。劳动价值论认为没有劳动参与的 东西没有价值，或者认为不能交易的东西没有价值。因此，在相当长的历史时期 内，都认为处于自然状态下的环境资源没有价值。由于这种传统观念的影响，在 现实生活中出现了“资源无价、原料低价、产品高价”的“高消耗、高产出、商 1 7 一 东北大学硕士学位论文 第四章污染物经济当量 污染”生产方式及相应的“多占用、高消费”的消费方式。这种资源无价的观念 及其在理论和政策上的表现，导致了资源的无偿占有、掠夺性开发和浪费使用， 造成资源损毁、生态破坏和环境恶化，成为经济社会持续稳定发展的制约因素。 但事实上，在对环境资源开发、利用和保护的过程中时刻凝聚着人类的劳动， 同时，环境资源是人类生产和生活不可缺少的，对人类具有巨大的效用。2 0 世纪 6 0 年代以来，经济学家将劳动价值论、效用价值论和存在价值论相结合，对环境 资源价值进行了分析。由此确立的环境资源的价值，相当于劳动价值论中的使用 价值、效用价值论中的效用价值及存在价值论中的能满足人类精神文化和道德需 求等的非使用价值。 4 2 2 环境资源价值的分类 环境资源在未被开发利用时，不能用于交换，不具有商品性质：一旦开发成 为资源产品，由于可以用来进行交换而成为商品。这种特殊性决定了环境资源产 品作为特殊的商品，除了具有显而易见的经济价值外，环境资源的功能和用途决 定了环境资源还具有生态价值和社会价值。因此，环境资源价值存在三种表现形 式：一是可直接作为商品在市场上进行交换的环境资源产品，体现为直接使用价 值( 经济价值) ，例如森林提供的木材和各种林副产品及其合成品：二是由于环境 资源所具有的调节功能、载体功能和信息功能而形成潜在价值的资源，体现为间 接使用价值，例如森林所提供的防护、减灾、净化、涵养水源等生态价值；三是 能满足人类精神文化和道德要求的资源价值，体现为存在价值和文化价值( 社会 价值) ，例如自然景观、珍稀物种、自然遗产等的价值及其提供休闲和娱乐服务的 价值。自然资源的经济价值、生态价值和社会价值是统一的，不可分割的，取走 任何一种价值的同时必然造成其它价值的流失和毁灭。 简言之，环境资源价值可划分为两部分：一部分是比较实的有形的物质性“商 品价值”，即经济价值；一部分是比较虚的、无形的、舒适性的“服务价值”，即 生态价值、社会价值。这就是理论界对环境资源价值的二分型分类方法【1 4 l 。最早 定义环境经济价值的环境与资源经济学奠基人美国未来资源研究所的经济学 家克鲁梯拉( j o h nk r u t i l l a ) 在1 9 6 7 年发表的“自然保护的再认识”论文和自然 资源保护的再思考专著中提出了“舒适性资源的经济价值理论”，并在与费舍尔 ( a n t h o n ycf i s h e r ) 合著的自然环境经济学：商品性和舒适性资源价值研究 中将环境资源划分为商品性资源和舒适性资源，着重论述了舒适性资源的价值及 评估问题，使环境资源的价值理论更趋完善。 1 8 一 东北大学硕士学位论文 第四章污染物经济当量 4 2 3 环境资源价值的计量 环境资源的特殊性决定了其在捌有商品价值的同时还拥有服务价值，而目前 对服务价值的计量还没有一种统一的科学方法。同时，影响环境资源价值的因素 中有很多难以确定，因此，对环境资源价值进行全面而准确的计量存在着很大的 难度。 随着环境经济学近半个世纪的发展，经济学家们从不同的角度运用不同的 经济理论和方法探讨形成了很多环境资源价值评估和计量方法，如租金或预期收 益资本化法、边际机会成本法、总经济价值法、调查评价法、旅行费用法、人力 资本法、恢复和防护费用法等。 4 3 污染物经济当量 4 3 1 污染物经济当量的含义 根据环境资源的有价性及污染当量的概念，在本论文中提出了污染物经济当 量的概念。 污染物经济当量是某项治理措施下各种污染要素的污染负荷与其经济当量系 数的乘积之和，它反映了某项治理措旋下的各种污染要素的综合治理费用。 污染物经济当量系数是指在某一区域在现有的技术、经济水平下，对各个污 染源进行综合规划治理，在实现环境控制目标的基础上。削减单位污染负荷所需 的最小的资金投入额。污染物经济当量系数的大小可直接反映该地区此种污染物 的治理难易程度。经济当量系数值大，表明削减此类污染物所需的资金投入大， 治理难度大：经济当量系数值小，表明削减此类污染物所需的资金投入小，治理 难度较小。 在考虑两项环境要素污染问题的规划中，将各项要素分割开来单独考虑的做 法很难实现各种环境要素的最优规划和资源的最优分配。若要进行两项环境要素 的综合分析，就必须在这两项环境要素之间建立一个联系的纽带。由于离散规划 的最终目的是要确定满足环境质量要求的，且治理投资最小的方案组合，换句话 说，即是找到环境效益与经济效益的最佳融合点。所以用经济当量作为环境与经 济之间的联结点是最合适不过的了。 4 3 2 污染物经济当量的计算方法 对各项环境要素( 本论文中是水和气) 分别进行离散规划计算，求出其实现 单一一种资源最优解时的总的污染物削减量和投资额。 一1 9 东北大学硕士学位论文 第四章污染物经济 - 3 量 p ( j ，f ) 出( ，f ) ( 4 1 ) 式中： 口第，种污染要素的经济当量系数，即削减一个单位，种污染物排放 量所需的最小投资额； p ( j ，r ) 第f 种污染要素实现最优规划时所需的总投资额； j = 1 曰( ，f ) 第，种污染要素实现最优规划时的总的污染物削减量。 j z l 7 污染物经济当量：d = y 口，口， ( 4 2 ) f = l 式中： d l 污染物经济当量； b 第f 种污染物排放量： 口，第t 种污染要素的经济当量系数。 4 3 3 污染物经济当量的意义 污染物经济当量的提出具有两个方面的重要意义： 首先，污染物经济当量为二维资源转化为一维资源提供了一种有效的途径， 使离散规划的降维解法可能实现。 由于经济当量系数可以反映出某种污染物治理的难易程度，因此，依据经济当 量系数计算所得的污染物经济当量能综合反映出在某种治理措施下各种污染物的 治理情况。二维资源的离散规划问题涉及两种污染要素，而这两种污染要素的污 染负荷之间没有必然的联系，也没有规律可循。然而，污染物经济当量从经济的 角度找到二者之间的关联性。从而为降维解法提供了一种可行的方法。 其次，污染物经济当量实现了污染物负荷到经济指标的转化，将环境指标直 接与经济指标联系起来。 离散规划的最终目的是要实现最佳的环境效益和经济效益的统一。污染物经济 当量利用污染物经济当量系数将污染物负荷直接转化为经济指标，更为直观地反 映了污染负荷与经济指标的关系，将环境效益经济化。 2 0 东北大学硕士学位论文 第五章二维资溽离散规划问题 第五章二维资源离散规划问题 5 1 环境综合规划的优越性 环境综合规划不应该是水、气、渣等的规划的简单迭加，而是它们的有机耦 合，把水、气、渣等环境要素有机耦合起来进行的规划具有较大的实用经济意义。 美国未来资源研究所w a t l e ro s p o f f o r d 等人1 9 7 5 年完成了下特拉华河谷 ( l o w e r d e l a w a r e v a l l e y ) 的环境综合整治最低费用规划。他们的计算结果表明： 水污染控制费用与大气污染控制费用之间存在着密切的相关关系。换言之，为达 到同一水环境质量所需的污染控制费用，随着对大气环境质量要求的提高而增加。 中国环境科学研究院环境管理研究所对我国某市城市环境综合整治最低费用规划 工作的研究成果，不仅证实了上述各环境要素控制费用之间的相关性，而且进一 步表明：根据该城市的实际数据，该市水、气环境综合规划所需的污染治理费用， 比该城市水、气环境分别规划所需的污染治理费用之和要少4 4 4 ，证实了环境综 合整治规划的重要性和优越性。 与单环境要素规划相比，环境综合规划的优越性在于至少可以解决以下九个 方面的问题。 ( 1 ) 废水、废气的同步性 对于大多数重点工业污染源来说，它既产生废水、又产生废气。工厂的产量 变化往往造成废水量、废气量的同步改变，而当工厂采用某种技术改造措旌，或 者搬迁时，废水量和废气量也都同步改变，这种改变的同步性是单一环境要素规 划很难表示清楚的。 ( 2 ) 对有限共用资源的竞争性 对于一个城市或区域来说，它可以利用的资源，例如水、电、煤、油、劳动 力等等总是有限的。由于工业污染源之间废水和废气分布的千差万别，它们的治 理往往需投入共用的资源这些共用资源如何分配才能使环境治理费用达到最低 面又能保证一定的经济发展是单一环境要素规划所无法解决的。 ( 3 ) 对经济发展的共同贡献性 经济发展的一个很重要表现就是工业产值的提高。一般说来，在技术条件不 变的情况下，产值的增加与污染物的增加是成正比的。这些新增加的产值在各企 业( 大部分是工业污染源) 或工业行业中如何分配才能使环境综合治理费用达到 最低? 由于不同工业污染源的废水、废气的治理费用存在着差别，这个问题由单 一环境要素规划是无法回答的。 2 l 东北大学硕士学位论文第五章二雏资源离散规划问题 当然，经济发展是由很多因素决定的，国家政策、原材料市场的变化、产品 市场的变化等等对它都有很大的影响，但是，环境政策作为它的一个影响因素在 其他条件相对稳定的情况下是不能不加以考虑的。 ( 4 ) 环境容量的不一致性 由于环境容量的不一致性，很可能存在着这样一种情况：在某一地区水容量 研究表明可以允许有污染的企业发展，而大气容量研究则得出相反的结论，这个 矛盾在各自为政的单一环境要素规划中是难以协调的。 ( 5 ) 废物的可综合利用性 对于某些污染物的治理，可以综合利用不同环境要素污染物，利用它们本身 的一些特性进行处理以降低治理费用。例如用酸性气体来治理碱性废水等等。这 种综合利用情况因涉及不同的环境要素污染物的治理，用单一环境要素规划是难 以模拟的。 ( 6 ) 二次污染 由于某一环境要素中污染物的治理可能导致另一环境要素中污染物的增加， 例如洗煤脱硫可以减少燃煤烟气中的二氧化硫含量，但却造成水体污染；湿法除 尘改善了大气环境，却增加了水体负担等等，这样的二次污染从单一环境要素的 规划中是无法预计的， ( 7 ) 污染物在不同环境要素之间的迁移转化 ( 8 ) 环境经济效益的差异性 水环境和大气环境等等的治理效益可能是不同的，这种环境效益的不一致性 只有环境综合规划才能有效的反映出来。例如，同一工厂万元产值的废水、废气 的治理费用可能差别很大。由于环境经济效益差异性的客观存在，环境要素规划 的结果可能相互矛盾。例如，一个工厂废水的排放量小且处理费用低，废气的排 放量大且处理费用高，此时，水环境规划的结果将增加该厂生产，而大气规划结 果则降低该厂生产。 ( 9 ) 大系统的投资最小化 一般说来，系统越大，也就是说规划的空间越大，它所考虑的问题越全面， 越能找到接近实际的最优解。水环境规划和大气环境规划只能解决各环境要素的 污染治理投资最小化问题，而环境综合规划空间比这两者都要大得多甚至比这 两者之和还要大，所以可以解决大系统的投资最小化问题。 与传统的将单个的或少数几个的污染源作为一个规划空间的做法相比，水环 境规划或大气环境规划将规划空间扩大到一个流域或一个城市，将许多个( 上千 个、上万个甚至更多) 过去不可能进行比较、选择的方案进行比较和选择，从中 确定最优的方案，因而大大的节省了投资。环境综合规划则更进一步扩展规划空 一 东北大学硕士学位论文第五章二维资源离散规划问题 间，在更多的方案中进行比较和选择，因而具有更大的经济效益。 5 2 数学模型 在一维资源离散规划的计算方法基础上，增加一个变量t 来区分二维资源离散 规划问题中的各项要素，如环境中的水、气。当变量仅取一个值，即只有一项要 素时，二维资源的离散规划问题转变为一维资源的离散规划问题。 二维资源离散规划问题的数学模型可表达如下： 目标函数： m i n p = p ( j ，七( 埘 ( 5 1 ) ，：i 约束条件： a ( i ，j ，) b ( j ，女( ) ，) d s ( i ，f ) ( 5 2 ) j = l 且i = 1 , 2 ，m ；j = 1 , 2 ，n ；k ( j ) 1 , 2 ，上( ，) ) ；r = 1 , 2 ；d s ( i ，) 0 式中： p ( j ，七( 埘表示第_ ，个源采用第k ( j ) 个技术措施的投资额； a ( i ，j ，t ) 表示第，个源对第i 的控制点或面的，要素的影响系数； b ( j ，i ( ) ，f ) 表示