基于AHP-PSO的滇池流域生态补偿标准评估*

伍籼融 徐冰峰 徐悦 周亚霖 山丕斌 郭宗敏

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

随着城镇化进程推进和工农业经济增长，湖泊生态环境恶化已成为制约经济社会发展的瓶颈，国内外学者陆续开展了湖泊生态补偿标准的评估研究。LARSON J S等[1]围绕湖泊生态环境、经济效益和社会效益提出湖泊湿地价值的快速评价模型。COSTANZA R等[2]选择直接使用价值、间接使用价值和非使用价值3个维度的17个基层指标，建立了全球生态系统服务价值的评估指标体系。SEIDL A F等[3]基于COSTANZA R构建的指标体系，对巴西潘塔纳尔湿地的生态系统服务价值进行了评估。

国内学者熊鹰等[4]选取直接使用价值、间接使用价值和非使用价值3个维度的8个评估指标，得到洞庭湖湿地生态补偿标准为10.729 1亿元/a；倪才英等[5]围绕生态服务区位商、生态服务效益增值、农户经济损失3个维度的6个基层指标，估算出鄱阳湖双退区湿地生态补偿标准为27 000元/(a·hm2)；韩艳莉等[6]选取生态系统服务价值和区域景观价值2个维度的6个评估指标，估算出青海湖的生态补偿标准上限值为84.2亿元/a，下限值为25.1亿元/a。

本文以滇池为例开展高原湖泊生态补偿标准评估的实证研究，以期促进资源开发和环境保护。利用主体针对其损害或消耗环境资源的行为，可按照统一的标准进行付费，确保因资源开发或保护生态环境而牺牲发展机会的主体能获得统一标准的补偿。

1 评估指标体系构建

遵照科学性、全面性、隶属性、独立性、普适性原则[7-10]，采用德尔菲专家咨询法，就选取指标的合理性问题向相关领域的专家进行咨询，应用AHP构建湖泊生态补偿标准的评估指标体系。本指标体系包含1个决策目标层、1个规则因素层及1个评估方案层。其中，决策目标层即为生态补偿标准评估目标；规则因素层包含湖泊环境、社会因素及经济因素3个评估维度的25个基层指标；评估方案层包括生态系统服务价值理论和污染治理费用法两种研究方法。指标体系的构建情况如图1所示，各项评估指标的确定方法如表1所示。

图1 湖泊生态补偿标准评估指标体系

表1 湖泊生态补偿标准评估指标体系的确定方法

2 评估方案权重计算

采用AHP将同一层次内的任意两项指标相对于上级指标的重要性，构造初始判断矩阵，选用由SAATY T L等[17]提出并得到广泛应用的九级标度评分法对各项指标的重要性进行评分。回收整理专家评分数据时，采用MATLAB数学编程软件求解各初始评分矩阵经归一化处理后的特征向量(即权重分配)，并对求解结果进行一致性检验[18]。

Pω=λmax·ω

(1)

(2)

(3)

式中，CR为判断矩阵的一致性比例；CI为判断矩阵的一般一致性指标；RI为判断矩阵的平均随机一致性指标。各阶判断矩阵的RI如表2所示。

表2 各阶判断矩阵的平均随机一致性指标

当初始评分矩阵的CR<0.1或当λmax=n、CI=0时，则认为该矩阵符合一致性要求，否则需对初始评分矩阵中的元素进行修正。针对不满足一致性要求的初始评分矩阵，采用PSO对其中元素进行迭代修正，重新求解以优化层次分析结果[19]。

Vi=Vi+C1×rand(0～1)×(pbesti-Xi)+C2×rand(0～1)×(gbesti-Xi)

(4)

Xi=Xi+Vi

(5)

式中，i为群体中粒子总数；Vi为粒子速度；rand(0～1)为介于0～1之间的随机数；Xi为粒子当前位置；C1、C2为学习因子，通常取C1=C2=2；pbesti为个体最优值；gbesti为全局最优值。

经MATLAB软件及PSO优化求解，评估方案的权重计算结果为：生态系统服务价值理论占比38.16%，污染治理费用法占比61.84%。

3 实例应用

本文采用生态系统服务价值理论和污染治理费用法两种研究方法，以滇池为主体进行高原湖泊生态补偿标准评估的实证研究。

3.1 生态系统服务价值理论

生态足迹EFi、生态承载力BCi和生态系统服务价值总量ESi是生态系统服务价值理论的3个关键性参数。引入均衡因子和产量因子[20]，参考研究区各类用地情况[21]，得到滇池流域的实际人均生态足迹与生态承载力，如表3所示。采用市场价值法[11]、成果参照法[2]及影子工程法[12]确定湖泊地区的生态系统服务价值总量，评估结果如表4所示。

表3 滇池流域人均生态足迹与生态承载力

表4 滇池流域生态系统服务价值总量

采用生态系统服务价值理论确定研究区生态补偿标准的计算式[22]为

(6)

(7)

式中，ECi为研究区生态补偿标准总额，亿元/a；Iec为生态赤字或生态盈余量，hm2；Ri为补偿系数；ESi为研究区生态系统服务价值总量，亿元/a；Ai为研究区内经均衡因子和产量因子修正后的实际各类用地面积，hm2；Li为补偿比例系数；t为恩格尔系数；GDPi为研究区国民生产总值，亿元/a；GDP为研究区上一级国民生产总值，亿元/a。

参考研究区各类用地情况[21]、社会人口[23]及经济现状[24]，计算得到滇池流域生态补偿标准总额为36.662 3亿元/a。

3.2 污染治理费用法

湖泊水环境容量、入湖污染负荷、污染物削减量及治污成本是污染治理费用法的重要参数。通过Vollenweider模型核算湖泊TP、TN环境容量[13]，根据完全混合模型核算湖泊有机污染物环境容量[14]。Vollenweider模型及完全混合模型分别为式(8)、式(9)：

(8)

式中，W为湖泊水环境容量限值，t/a；S为既定的地表水环境质量水质标准限值，mg/L；A为湖泊水域面积，km2；Z为湖泊平均深度，m；σ为营养盐沉降系数，a-1；Q为湖泊出水体积，m3；V为湖泊容积，m3。

W=CS×(Q+K·V)

(9)

式中，W为湖泊水环境容量限值，t/a；CS为既定的地表水环境质量水质标准限值，mg/L；Q为湖泊出水体积，m3；K为有机物衰减系数，a-1；V为湖泊容积，m3。

昆明市自印发《城镇污水处理厂主要水污染物排放限值》(DB 5301/T 43—2002)以来，位于滇池流域生态环境敏感区的城镇污水处理厂严格执行地表水环境质量III类水质标准，参考湖泊基本水文特征[13]，计算得到滇池水环境容量如表5所示。

表5 滇池水环境容量核算结果

将湖泊水环境污染源分为城镇点源、城市面源、农村面源、湖泊内源及水土流失，根据相关部门公布的污染负荷基础数据，计算入湖污染负荷。根据湖泊水环境容量的核算结果与入湖污染负荷的计算结果，确定各类污染物的削减量。参考各项污染指标的单位处理成本[25]，核算出治理超过滇池水环境容量限值的污染费用，即生态补偿标准为30.142 1亿元/a。

3.3 湖泊生态补偿标准评估

根据上述两种生态补偿方案的研究结果，经加权计算，最终确定滇池流域生态补偿标准总额为32.630 2亿元/a。参考研究区各类用地情况[21]，沿用均衡因子和产量因子以弱化因不同类型用地生物生产能力差异造成的补偿标准缺陷，计算得滇池流域单位面积的生态补偿标准如表6所示。

表6 滇池流域单位面积的生态补偿标准

本文中生态补偿标准总额的研究结果与龚相澔[26]开展的滇池流域生态资产评估研究中生态补偿额度评估结果的上限值(36.61亿元/a)较为接近，流域内单位面积的生态补偿标准研究结果与张落成等[27]对于天目湖流域的生态补偿标准评估结果(5 430元/(a·hm2))具有良好的一致性。

4 结论

本文通过AHP建立了一套具有普适性的湖泊生态补偿标准评估指标体系；采用PSO优化得到生态系统服务价值理论与污染治理费用法，两种生态补偿方案的权重分别为38.16%、61.84%；选用生态系统服务价值理论和污染治理费用法，确定出滇池流域生态补偿标准总额为32.630 2亿元/a；引入均衡因子和产量因子，弱化因各类用地生物生产能力差异造成的补偿缺陷，进一步确定出流域内单位面积的生态补偿标准为5 207元/(a·hm2)。