基于多目标控制的苕溪流域农业产业结构调整

叶真男，王飞儿*，嵇灵烨，俞洁

（1.浙江大学环境与资源学院，杭州 310058；2.浙江省环境监测中心，杭州 310012）

粗放型农业生产模式是导致农业面源污染加剧的主要因素之一。农业产业结构优化调整是进行农业面源污染控制的重要途径之一[1-2]。由于我国不同地区的区位条件、资源配置、经济发展水平存在差异，农业产业结构也存在较大的差别，因而导致不同区域影响农业面源污染的主要因素和影响程度也有所不同。如何在同时保证流域农业生产水平不降低、农产品保障不受影响的条件下推进流域面源污染排放负荷最低，已成为流域面源污染控制的一个重要目标[3-5]。苕溪流域作为我国农业经济高速发展、农业人口高度集中的地区之一，近年来该流域农业面源污染严重，已成为影响流域农业经济健康、可持续发展的重大瓶颈。为从源头上削减面源污染负荷，本研究拟通过多目标产业结构优化模型，探讨流域农业产业结构调整对策。

1 材料与方法

1.1 苕溪流域概况

苕溪位于太湖流域南部，是太湖重要的入湖支流。苕溪流域由东苕溪流域、西苕溪流域及长兴平原河网组成，流域面积5 918 km2，地跨杭州、湖州2市，流经临安、余杭、德清、吴兴、安吉和长兴6个县市区，如图1所示。流域内农业经济发达，2014年农作物播种面积达1.92×105hm2；畜禽养殖规模较大，其中生猪年养殖量达83.5万头，家禽年养殖量达2 859.75万羽；水产养殖类型主要以四大家鱼，各类虾蟹、贝类为主，年产量达11.9万t。苕溪流域总体水质良好，但是局部区域、局部时间段存在超标现象，特别是氮磷浓度超标现象较为严重，水体富营养化态势突显[6-7]。调查发现，2014年由农业面源排放至河流中的化学需氧量（chemical oxygen demand,CODcr）、总氮、总磷分别高达 27 340、8 174、1 254 t，已成为该流域内最大的污染来源，直接影响到流域水环境保护与水资源的可持续利用[8-9]。

图1 苕溪流域范围图Fig.1 Scope of Tiaoxi watershed

1.2 多目标产业结构优化模型

农业产业结构调整的目的是在保障农产品供应安全的前提下实现农业面源污染削减，即在不影响农业产业发展、种养比例、区域农产品供给保障的前提下，实现流域农业面源污染排放负荷量最低。

一般最优化模型基本形式包括目标函数和约束条件：式中：Zk为目标函数；xj为决策变量；akj为目标函数系数矩阵；cij为约束方程系数矩阵；bi为约束向量。

根据流域农业面源控制要求，基于LINGO软件进行模型构建，将农业面源污染负荷排放量最小化作为目标函数，将产业发展目标、种养比例、农业生产资源保障等作为约束条件，寻找流域各类农业产业结构的调整优化方案。具体建模过程如下：1）目标函数

将流域农业面源污染产生的等标污染排放量最小化作为模型的目标函数。各类农业面源等标污染排放量采用输出系数法进行计算。

式中：T为污染物等标排放量，106m3；Aij为流域第i分区内第j类种植业的面积，103hm2；Aik为流域第i分区内第k种畜禽的年养殖量，万头；Aif为流域第i分区内淡水养殖面积，103hm2；aj、ak、af是各类污染源的等标排放系数，103m3/hm2或106m3/万头。2）约束条件

①生产资源约束

为保证土地利用类型变化能控制在合理范围内，将粮食作物和经济作物的种植面积作为优化模型的约束条件之一：

式中：Aij为流域第i分区内第j类粮食作物和经济作物的种植面积，103hm2；AiJ为第i分区内现有耕地保有量，103hm2。

②经济产值约束

为实现环境与经济的协调发展，在控制面源污染的同时，保证经济总产值在一定范围内波动。

经济总产值：

各县市区经济产值：

畜禽养殖产值：

水产养殖产值：

式中：aij为第i分区各类种植业的单位产值，万元/hm2；bik为第i分区各类畜禽养殖业的单位产值，万元/万头；cif为第i分区各类水产养殖业的单位产值，万元/hm2；α0为流域农业总产值调控系数；V0、Vi分别为2014年全流域和各分区的农业生产总值，万元。

③农产品保障约束

农业产业结构的调整必须满足当地居民对农产品的需求，根据《杭州市现代农业发展“十二五”规划》和《关于推进杭州市“十二五”期间“菜篮子”工程建设的实施意见》，本研究设计了以下约束条件。

粮食保障：

蔬菜保障：

水果保障：

畜禽保障：

水产保障：

式中：Ci1、Ci2、Ci3分别是第i分区水稻单位面积产量、蔬菜单位面积产量和水果单位面积产量，t/hm2；Cik是第i分区单位畜禽养殖量的肉类供应量，t/万头；Cif是第i分区单位面积水产产量，t/hm2；Piu、Pir分别指第i分区的城镇居民和农村居民数量；m1、m2、m3、mk、mf分别指城市居民粮食、蔬菜、水果、肉类、水产的人均需求量，t/（人·a）；n1、n2、n3、nk、nf分别指农村居民粮食、蔬菜、水果、肉类、水产的人均需求量，t/（人·a）。

④产业结构比例约束

在产业结构调整的过程中，必须遵循各产业的比例约束。本研究将土地消纳能力作为种养比例的一个控制指标，同时根据各地农业发展规划，将种植业结构变化范围、畜禽养殖量调整范围纳入到约束条件之中。

土地污染消纳能力：

式中dk为第k类畜禽的平均可还田粪尿排泄系数，t/万头。

旱地占比：

稻田面积：

蔬菜用地：

式中：Ai1、Ai4分别为第i分区水稻田和旱地的面积，103hm2；Ai1（2014）为第i分区 2014 年实际水稻田面积，103hm2；Acaidi（i）为第i分区2014年实际蔬菜用地面积总量，103hm2；Aild、Aiss分别表示第i分区露天蔬菜面积和设施蔬菜面积，103hm2。

畜禽养殖结构：

式中：Cip、Cic、Cib、Cis分别是第i分区单位猪、禽、牛、羊养殖量的肉类供应量，万 t/万头，Cik包括Cip、Cic、Cib、Cis；Aip、Aic、Aib、Ais分别是第i分区猪、禽、牛、羊的养殖量，万头；Aip（2014）、Aib（2014）分别表示第i分区 2014年生猪、牛的养殖量，万头。

1.3 水质预测模型

采用水质模拟分析软件（water quality analysis simulation program,WASP）验证多目标优化方案对水质的影响。选取东苕溪的汪家埠断面、奉口断面和东升断面，西苕溪的荆湾断面、小梅口断面和长兴的下莘桥断面作为水质预测断面（图1）。分别采用流域内鲍山、柴潭埠等断面2013年和2014年的实测水质数据对模型参数进行率定和验证，得到率定期相关系数为0.96～0.98，验证期相关系数为0.85～0.92，率定期一致性指数为0.89～0.97，验证期一致性指数为0.81～0.90，率定期和验证期的模拟值与实测值均表现出较好的吻合性，基本满足模型运行要求。

1.4 数据来源

多目标优化模型的各类参数主要来自于实地调研、现场访谈、苕溪流域2014年各县市区统计年鉴、《中国农业统计年鉴2015》《全国主要农产品成本收益资料汇编2015》《中国食物与营养发展纲要（2014—2020年）》《中国粮食与食物发展“十二五”阶段性目标》，以及政府各部门提供的相关规划与统计资料。各产业等标污染排放系数来自于“十二五”水专项“苕溪流域农村污染治理技术集成与规模化工程示范”课题组提供的参数及相关文献[10-22]（表1）。WASP模型运行参数通过本课题组在苕溪流域前期研究成果确定[23]，各监测断面2013年、2014年的水质数据均由浙江省环境监测中心提供。

表1 苕溪流域农业面源等标污染排放系数［10-22］Table 1 Equal standard pollution discharge coefficient of agricultural non-point source(NPS)pollution in the Tiaoxi watershed[10-22]

2 结果与讨论

通过改变苕溪流域农业总产值调控系数α0，可以得到不同经济目标下的农业面源污染等标排放量的最优解。本研究对农业生产总值按减产、保产、增产3种类型设置相关的约束条件，通过农业产业结构优化，得到相应的农业结构调整方案。

2.1 农业产值变化

3种优化方案的农业总产值相对于2014年流域农业总产值分别设置了增产型、保产型和减产型，模型运行后的结果相比于2014年现状，其总的变化幅度分别为3.17%、0%、－5.01%。在这3种方案下，不同农业产业的类型在产值变化上也显示出不同，其中：种植业产值都有不同程度的增长；畜禽养殖业的产值总体下降幅度在20%左右；水产养殖业的产值在增产型方案中出现了5%左右的增长，而减产型和保产型方案却分别降低了4.98%和4.39%（表2）。

表2 3种优化方案的各类农业产业经济产值比较Table 2 Comparison of agricultural economic output in three optimization schemes

2.2 结构调整变化

虽然在流域农业产业总值上按不同波动进行设置，3种优化方案在产业调整的趋势上基本保持一致，而产业结构变动较大的主要出现在种植业中水稻种植、设施蔬菜、园地，畜禽养殖中羊的养殖规模控制及淡水养殖的调整（表3）。

减产型方案除了设施蔬菜的规模有所增加外，其余产业都有不同程度的压缩，种植业中露天蔬菜的压缩比例最高，达到20.14%；畜禽养殖业中牛的养殖压缩比例最高，达到33.25%；水产养殖业也在现状的基础上压缩规模4.98%。保产型方案建议压缩稻田、露天蔬菜、旱地的种植面积，削减猪、牛、家禽的养殖数量，并且缩小水产养殖的规模，但设施蔬菜、桑茶果园的种植规模及羊的养殖规模都得到了扩大，增幅分别达到147.33%、5.03%、18.03%。增产型方案的产业结构调整策略与保产型方案非常相似，而在稻田种植规模和水产养殖规模的调整策略上却有较大的差别，保产型方案建议压缩其规模，但在增产型方案下不减反增，增幅分别达到2.09%和5.01%，其目的是为了在约束条件允许的范围内通过扩大种养规模来满足整体经济增长的目标。

单位面积排污强度较高的露天蔬菜在3种优化方案中都进行了大幅度的压缩，相反设施蔬菜地能有效减少污染物对地表水体的径流排放，而在优化模型中得到较大比例的增长。稻田面积在减产型和保产型方案中分别减少2.99%和3.00%，从污染负荷排放来看，稻田的单位面积排污强度不比其他土地利用类型大，但相比于经济作物，粮食的经济效益相对较低，因此在能够保障粮食安全的前提条件下，可适度降低水稻种植面积，并向更高效益的经济作物转型。畜禽养殖污染产生量大，排放强度高，是造成流域水质恶化的主要因素之一，因此3种优化方案都对畜禽养殖的数量进行了大规模的削减，然而在增产型和保产型方案下，排污量较少的羊养殖规模都得到了18.03%的增长。

2.3 污染减排变化

从全流域污染物削减效果（表4）来看，3种方案的等标污染排放量削减率从大到小依次为减产型＞保产型＞增产型，相对于现状排放量，农业面源等标污染负荷分别削减了10.15%、8.59%、5.43%；3种方案下CODcr削减率分别为10.34%、9.34%、7.04%；总氮削减率分别为8.68%、7.54%、3.62%；总磷削减率分别为12.76%、11.53%、8.84%；氨氮削减率分别为8.88%、7.59%、3.73%。增产型方案的污染减排效果明显小于减产型和保产型方案，而减产型与保产型方案的污染减排效果非常接近。

从各县市区的等标污染排放量（图2）来看，临安区、安吉县、长兴县、德清县的等标污染排放量从大到小依次为现状＞增产型＞保产型＞减产型，与流域减排趋势保持一致。而余杭区则表现为现状＞保产型＞增产型＞减产型，主要是因为保产型方案为了满足全流域总体经济产出要求，选择在农业经济较发达的余杭区降低生猪、家禽、水产养殖规模的削减力度，从而导致该区保产型方案的等标污染排放量偏高。吴兴区等标污染排放量从大到小依次为现状＞增产型＞减产型＞保产型，各农业产业在减产型方案和保产型方案下的调整幅度极为相近，二者等标污染排放量分别为1.658×109m3和1.657×109m3，主要原因在于吴兴区的资源限制要求较高，大多数产业在不同方案下的调整变化并不明显。

表3 笤溪流域农业结构优化方案Table 3 Optimization scheme of agricultural structure in the Tiaoxi watershed

表4 3种优化方案的污染削减比例Table 4 Pollution load reduction rate of three optimization schemes%

图2 在优化方案下各县市区等标污染排放量Fig.2 Discharge of equal standard pollutant in each county under the optimization schemes

2.4 水质预测比较

采用WASP模型对各方案下的面源污染排放进行水质预测。相对于流域总的入河污染负荷，不同方案下的面源污染负荷削减总量不大，水质相对于现状值整体变化幅度也不明显（图3）。各断面在3种优化方案下水质提升程度依次表现为减产型＞保产型＞增产型＞现状。减产型与保产型方案的水质优化效果较为接近，但由于个别地区在不同方案下污染负荷削减程度不一，导致个别监测断面在保产型方案下的水质反而优于减产型方案。增产型方案通过产业结构调整，在保持经济增长的同时也适度降低了流域面源污染负荷，因此相比现状水质略有提升，但水质改善效果弱于减产型和保产型方案。

图3 在各调整方案下流域主要监测断面氨氮月均值变化Fig.3 Monthly NH3-N concentration of key monitoring sections in adjustment schemes

3 结论

结合苕溪流域实际情况和规划目标，运用多目标控制农业产业结构优化模型，以面源污染负荷排放量最小为目标对流域农业结构进行优化设计，提出减产型、保产型、增产型3种优化方案。在3种不同方案下等标污染减排效益呈逐步下降的趋势，但从流域面源污染控制需求、农业经济产出与水环境质量提升效果方面进行比较，保产型方案更加符合当前流域农业经济发展与环境保护的目的。

本研究结果同时表明，在保证农业经济水平和保障农产品安全的前提下，通过农业结构的科学调整，合理配置流域种养产业比例，大力发展设施农业，严格控制畜禽养殖规模，优化发展水产生态养殖，有助于农业面源污染的减排和水环境质量的提升。

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