基于污染物消减成本的核心流域生态补偿定量动态计算方法研究

胡 鑫

(云南省水文水资源局曲靖分局，云南 曲靖 655000)

在现阶段研究中，中国未完全形成对核心流域生态补偿的定义，核心流域生态补偿在生态环境领域具有一定的激励作用，不仅能够充分协调生态环境保护领域与其他领域之间的利益关系，还可以适度调节生态系统平衡[1]。核心流域生态补偿可以良好地控制水土流失，实现生态系统内水土的循环利用及可持续发展。水土流失在生态环境领域中是一个非常重要的生态安全问题，预防水土流失现象，保护人们赖以生存的自然环境，是中国现阶段需要解决的关键问题，因此研究核心流域生态补偿具有一定的理论价值和实践价值[2]。国内已经有很多学者开始深入研究核心流域的生态补偿，取得了不同的研究成果[3]。核心流域聚集的人口众多，所消耗的自然资源巨大，面临严重的生态问题。为了平衡核心流域区域经济与生态环境的发展，协调与边缘流域之间的发展，解决河流污染及生态破坏问题，研究核心流域生态补偿的计算具有重要意义。

针对核心流域的复杂性特点会导致水土流失频繁发生，加大了对核心流域的生态补偿定量进行计算的难度，魏巍贤等[4]以京津冀地区为研究对象，基于机会成本法治理大气污染，建立CGE模型，根据北京、天津、河北地区的大气污染控制生态补偿标准，进行了定量研究，采用“先定上限，后定下限，再定额度”原则，构建了一个完整的确定京津冀地区大气污染治理生态补偿标准的框架，以满足京津冀地区大气污染治理的内生激励需求。马蒙越等[5]考虑到水文和水质因素对分布式流域的影响，针对非点源污染特征，设计一种负荷核算方法，根据治理成本，在分布式流域内计算了生态补偿情况，以香溪河流域为研究对象进行了实例分析，结果显示，2005—2015年这10年期间，获得的生态补偿值达到了1 207.14万元。为了进一步提高核心流域生态补偿计算的精确性，本文提出了一种基于污染物消减成本的核心流域生态补偿定量动态计算方法。消减成本的计算可以明确流域生态补偿的投资情况，生态补偿的计算是以治理成本最小为基础开展的。采用污染物消减成本计算法，评价了核心流域内环境污染造成的损失和植被破坏造成的损失，结合水源涵养量的计算结果，完成了核心流域生态补偿的定量动态计算。

1 核心流域生态补偿定量动态计算方法设计

1.1 提取核心流域生态补偿特征

核心流域是指城市聚集、经济较发达、人口密集的河流区域。在采集的核心流域图像中，需要将生态补偿特征提取出来，为核心流域生态补偿特征的分类提供数据基础[6]。将灰度极小值的方法应用到生态补偿特征提取中，通过在核心流域图像中计算像素点的灰度值变化，提取出最小灰度值，将其设置为生态补偿特征提取的灰度衡量标准[7]。核心流域生态补偿是在水环境污染及水污染纠纷发生情况下的一种补救方式，其补偿特征是指在补救过程中涉及到的要素。假设在核心流域内，分布最多的生态补偿特征就是超过灰度衡量标准的特征，那么就可以将该点看成生态补偿特征点。

根据以上特征提取理论，需要先在核心流域图像中计算出生态补偿特征的灰度导数，预测出生态补偿特征的自相关矩阵，假设像素点在核心流域图像中的灰度值比标准值大，那么就可以利用式(1)描述核心流域图像中任何一个像素点的灰度参数，表示为：

(y,z)N(y,z)T

(1)

式(1)中的N可以通过式(2)计算：

(2)

式中y、z——像素点；J(y,z)——核心流域图像中任何一个像素点的灰度值；N(y,z)——核心流域图像的质量；N(y,z)T——特征提取矩阵。

假设在不同生态补偿特征的灰度值都很大，如果该像素点的灰度值发生改变，就说明该点就是生态补偿特征点[8]。为消除核心流域图像中的噪声干扰，提高生态补偿特征的质量，需要对特征提取矩阵进行平滑处理，即：

N′=N×X

(3)

式中X——平滑处理的滤波函数，可以通过式(4)计算得到：

(4)

式中v——平滑处理参数。

利用式(5)可以描述生态补偿特征提取方法：

D=detN-K(N)2

(5)

式中 K——特征提取常数。

在核心流域图像中，如果像素点的灰度值比标准值大，说明该像素点就是生态补偿特征点。在生态补偿定量动态计算中，需要提取的生态补偿特征量非常多，可以通过式(6)进行判断：

(6)

如果标准值的设置比较高，就会减少生态补偿特征点的数量，这样容易出现漏检的现象，相反，如果生态补偿特征点数量比较多，就会出现误检的现象[9]。在生态补偿特征提取的过程中，需要根据核心流域的实际情况进行调整，提取出核心流域的生态补偿特征。

1.2 分类核心流域生态补偿特征

核心流域生态补偿特征主要包括流域污染物、污染范围、污染类型等，根据提取的核心流域生态补偿特征，对核心流域生态补偿特征进行分类。按照核心流域生态补偿特征的不同种类，进行核心流域生态补偿定量动态计算。在分类过程中，设置一个灰度阈值，即：

(7)

式中p——灰度阈值的上限；βj、βk——第j、k类生态补偿特征的像素值；zj、zk——表示第j、k类生态补偿特征的分类阈值。

式中的各项参数需要符合以下条件：

(8)

假设βj表示分类结果中的最理想像素点，计算最优的生态补偿特征在分类时的平面分量：

(9)

基于生态补偿特征的平面分量，对生态补偿特征进行分类决策，即：

(10)

式中 sgn(x)——符号函数；R(β)——生态补偿特征的分类阈值。

在核心流域中生态补偿特征数量多且复杂，结合非线性变换的方法[10]，得到生态补偿特征在复杂条件下的分类阈值，即：

(11)

在复杂条件下，生态补偿特征的分类决策公式为：

(12)

根据以上过程，利用式(13)对生态补偿特征进行分类，即：

(13)

通过设置核心流域生态补偿特征分类的灰度阈值，给出各项参数的使用条件，计算了最优的生态补偿特征在分类时的平面分量，采用分类决策的方式[11]，对生态补偿特征进行了处理，结合生态补偿特征的分类标准，分类了核心流域的生态补偿特征。

1.3 构建核心流域生态补偿定量动态计算模型

污染物消减成本计算法是从微观的角度对核心流域生态补偿进行定性分析，基于社会角度可以得出核心流域的宏观补偿应该比微观损失大，基于经济学角度的相关理论，生态补偿的长期效益比短期投资高[12]。在经济补偿的转移中，政府应该时刻提醒经济利益相关者认识到核心流域生态补偿会面临经济损失(Sf)，从长远角度出发，经济利益相关者也会从中受益(Sw)。如果存在Sw>Sf，那么说明利益相关者能够在生态补偿计算中达成协议，并给予经济补偿。

为了准确计算出核心流域内生态补偿的结果，利用式(14)进行计算，并结合市场价值计算的方法[13]，对核心流域内环境污染造成的损失和植被破坏造成的损失进行评价：

V1=Ps×S1

(14)

式中V1——核心流域内通过减少耕地造成的经济损失情况，万元；Ps——核心流域内单位面积耕地产生的粮食产值，万元/km2；S1——核心流域内退耕还林的面积，km2。

在污染物消减成本计算法的基础上[14]，对生态系统支持功能的影响指标进行评价，即：

V2=Vs×S2

(15)

式中V2——水土的保持价值总量，万元；Vs——单位面积水土流失在治理过程中所需的经济成本，万元；S2——水土流失的面积，km2。

核心流域内，生态系统的水源涵养量可以通过式(16)计算得到：

Wt=S3×h×1000

(16)

式中Wt——核心流域内生态系统的水源涵养量，m3；S3——核心流域内的森林面积，km2；h——核心流域内水资源的平均径流深度，mm。

在对核心流域生态补偿进行定量动态计算时，水源涵养价值的计算是通过对雨水进行截流、修建蓄水池等措施实现的[4]。那么核心流域内，根据水源的价格进行计算，见式(17)：

Wm=Wt×50%×1.36

(17)

式中Wm——涵养水源的价值量；Wt——水源涵养量。

在实际的核心流域生态补偿定量动态计算中，根据生态补偿原则，综合污染物消减成本的计算方法和生态系统的服务价值，对核心流域生态补偿进行定量动态计算。综上所述，通过提取核心流域生态补偿特征，对核心流域生态补偿特征进行了分类。在此基础上，结合市场价值计算方法评价核心流域内环境污染造成的损失和植被破坏造成的损失，完成了污染物消减成本计算。动态计算生态系统的水源涵养量，定量计算水源价格，完成了核心流域生态补偿定量动态计算模型的构建，通过此模型可以进行核心流域生态补偿的定量动态计算。

2 试验分析

为了验证基于污染物消减成本的核心流域生态补偿定量动态计算方法在生态补偿计算中的优越性，进行一次试验。试验过程中，选择Windows 2010系统作为试验的操作系统，VC++语言用于系统的编程，在MATLAB平台进行计算，试验结果均由该平台输出。通过引入文献[4]、[5]的核心流域生态补偿定量动态计算方法与其进行对比，从计算准确率和计算耗时2个方面进行测试。以某核心流域已经完成治理的数据为样本，试验数据包括流域化学需氧量、氨氮、总氮、总磷等的生态补偿治理成本数据。对比3种方法流域生态补偿计算的结果，由试验平台统计所得数据与原数据的准确率比值，同时记录方法的计算时间，并输出试验结果。3种核心流域生态补偿定量动态计算方法的准确率测试结果见图1。

图1 核心流域生态补偿定量动态计算准确率测试结果

从图1的结果可以看出，在生态补偿定量动态计算准确率方面，基于污染物消减成本的核心流域生态补偿定量动态计算方法在对核心流域生态补偿进行定量动态计算时的准确率达到了80%以上，而文献[4]、[5]的核心流域生态补偿定量动态计算方法在60%～70%，原因是本文设计的计算方法首先提取了核心流域生态补偿特征，可以准确地估计出提取核心流域生态补偿特征的类别，对于生态补偿的计算可以具体精确到每个小类，提高了核心流域生态补偿的计算准确性。准确的计算结果可以大大减少核心流域生态治理的成本，缩减了地区的经济用度，更好地平衡了经济发展与环境保护之间的关系。3种核心流域生态补偿定量动态计算方法的计算耗时测试结果见图2。

a)基于污染物消减成本

从图2的结果可以看出，采用基于污染物消减成本的核心流域生态补偿定量动态计算方法对核心流域生态补偿进行定量动态计算时所用时间远远小于其他2种核心流域生态补偿定量动态计算方法所用的时间。原因是设计的方法在生态补偿特征分类时，根据像素点计算了最优的生态补偿特征在分类时的平面分量，从而简化了计算过程，缩短了计算生态补偿所用的时间，提高了计算效率。流域生态补偿的定量动态计算的结果可以用于区域间生态资源的协调开发与利用，可以推广到生态环境保护与治理中。

3 结语

为了改进传统核心流域生态补偿定量动态计算方法的不足，通过提取核心流域生态补偿特征，对核心流域生态补偿特征进行了分类，采用污染物消减成本，构建了核心流域生态补偿定量动态计算模型，实现了核心流域生态补偿的定量动态计算。经试验验证，本文方法的定量动态计算准确率高于80%，且计算耗时低于4 s。结果显示，提出的计算方法在准确率和速度方面都具有很大优势，为核心流域生态补偿定量的确定提供了科学依据。