常艦，俞潔，王飛兒*，鄭思遠(yuǎn)

（1.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州310058；2.浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，杭州310012）

流域非點(diǎn)源污染的最佳管理措施成本效益分析研究進(jìn)展

常艦1，俞潔2，王飛兒1*，鄭思遠(yuǎn)1

（1.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州310058；2.浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，杭州310012）

非點(diǎn)源污染是當(dāng)前流域水質(zhì)惡化的主要原因之一，最佳管理措施（best management practices,BMPs）作為一種將工程類措施和非工程類措施相結(jié)合的綜合污染防控體系，已成為非點(diǎn)源污染治理最為有效的手段。而經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)則是各類最佳管理措施篩選中的重要評(píng)價(jià)因子。該文從BMPs成本效益分析的概念界定、分析方法以及相關(guān)應(yīng)用3個(gè)方面，闡述了在非點(diǎn)源污染控制中BMPs經(jīng)濟(jì)評(píng)估方法及實(shí)踐，并對(duì)未來研究提出了一些建議和展望。

非點(diǎn)源污染；最佳管理措施；成本效益分析

SummaryNon-point source(NPS)pollution has been the major influential factor for degradation of water bodies.Best management practices(BMPs),as an integrated system for pollution prevention and control,which combines both structural and non-structural measures,have been considered as one of the most effective solution for non-point source pollution.However, economic cost has been an important factor for screening the best management practice.Taking economic feasibility into consideration,the implementation of BMPs would be more practical and resource-saving,which can effectively alleviate the contradiction between economic development and environmental protection in basin management.Since few studies on research progress of BMPs cost-effectiveness analysis have been reported in China,methods of cost-effectiveness analysis were illustrated in this paper,to provide the foundation for the further research.

Recently,relevant researchers have used empirical calculation methods and economic models to estimate costs of BMPs,and non-point source pollution model was developed to evaluate environmental benefits.According to the accounting results,two optimization criteria,namely cost minimization and benefit maximization,were employed to screen for the most cost effective measures.Application of cost-effectiveness analysis method included three categories,coupling NPS model with empirical calculation methods,coupling NPS model with economic model and cost-effectiveness analysis based on optimization algorithm.Besides,the limitations were discussed based on differences of time and space scale in coupling models and uncertainty issues.

In the future,as the cost-effectiveness analysis of BMPs is related to various aspects of environmental,economic and social factors,on the one hand,more comprehensive agricultural economic database and water quality database should be builtand fully validated,to reduce the uncertainty in the process of simulation.On the other hand,continuous development of computer technology could be expected,to improve efficiency and accuracy of cost-effectiveness analysis,and to strengthen the coupling of different types of model,eventually improving the feasibility in application of cost-effectiveness analysis method.

In this paper,three aspects on application of BMPs economical assessment method in non-point source pollution control were illustrated,including concept definition,analysis methods and relevant applications.Suggestions and prospects on trend of further research were also deeply analyzed and summarized.

近年來，非點(diǎn)源污染已不同程度地影響到全球30%～50%的地表水[1]。我國非點(diǎn)源污染也已成為水體污染的主要貢獻(xiàn)者[2]。氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的大量流失進(jìn)一步加快了受納水體富營養(yǎng)化進(jìn)程，嚴(yán)重破壞水生態(tài)平衡。因此，控制非點(diǎn)源污染對(duì)于改善水環(huán)境具有重要意義。相對(duì)于點(diǎn)源污染而言，非點(diǎn)源污染具有時(shí)空分散性、隨機(jī)性、隱蔽性等特點(diǎn)[3]，因而，非點(diǎn)源污染防治具有一定的復(fù)雜性和困難性。最佳管理措施（best management practices，BMPs）是一種將工程類和非工程類措施相結(jié)合的綜合污染防控體系，它通過改變或影響流域水文、土壤侵蝕、生態(tài)及養(yǎng)分循環(huán)等過程來達(dá)到控制非點(diǎn)源污染的目的，已成為非點(diǎn)源污染治理的最為有效的手段之一[4]。工程措施主要通過改變或切斷污染物的遷移途徑來減少污染物的流失，主要措施包括植被過濾帶、人工濕地、植物籬、植草河道等；非工程措施即管理措施，大多是從源頭控制非點(diǎn)源污染流失，包括耕作管理措施、綜合肥力管理措施、景觀管理措施等。

非點(diǎn)源污染控制措施種類繁多，如何篩選出最佳管理措施是制定非點(diǎn)源污染綜合控制方案的關(guān)鍵。在滿足環(huán)境治理要求的前提下，經(jīng)濟(jì)成本成為非點(diǎn)源污染控制措施篩選的重要因子。成本效益分析作為傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)手段，是一種有效的BMPs優(yōu)選方法。它基于措施的成本和效益對(duì)各類BMPs進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)措施布置效果排序，選出適合特定區(qū)域的BMPs優(yōu)化組合。BMPs的成本效益分析一般包括4個(gè)步驟：1）分析流域污染來源和污染現(xiàn)狀，因地制宜地選擇合理有效的措施；2）估算BMPs成本；3）預(yù)測(cè)BMPs的污染削減效果；4)完成BMPs成本效益分析，并優(yōu)選出成本效益高的BMPs組合。

本文主要從BMPs成本效益分析的概念界定、研究方法和相關(guān)應(yīng)用3個(gè)方面對(duì)BMPs的成本效益分析研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和分析，并對(duì)BMPs主要應(yīng)用瓶頸進(jìn)行討論，以期為流域非點(diǎn)源污染BMPs篩選提供參考。

1 BMPs成本效益分析概念界定

成本效益分析是一種常用的BMPs評(píng)價(jià)手段，旨在滿足水質(zhì)指標(biāo)條件下獲得成本最低的措施組合（即在成本限制條件下最大程度提高水質(zhì)）。在流域非點(diǎn)源污染控制中存在大量潛在有效的BMPs方案，通過成本效益分析評(píng)價(jià)不同措施的成本和效益，從而優(yōu)選出成本效益高的方案。在成本效益分析中，“效益”特指環(huán)境效益，即污染物的削減和水質(zhì)的提升，采用物理單位進(jìn)行換算。BMPs的“成本”主要包括研究成本、布置成本和后期維護(hù)成本，采用貨幣單位衡量的方法。由于BMPs成本效益分析中的“效益”是指環(huán)境效益，應(yīng)當(dāng)將措施布置的經(jīng)濟(jì)收益作為機(jī)會(huì)成本納入成本核算中[5]。

1.1 成本組成

非點(diǎn)源污染控制措施的成本一般分為顯性成本和隱性成本2個(gè)方面[6]。顯性成本是看得見的成本，例如工程建造、維護(hù)成本和人工費(fèi)用等。相對(duì)于顯性成本，隱性成本具有來源復(fù)雜、難以量化和隱蔽性等特點(diǎn)，它主要是一些宣傳、科研、行政和信息獲取等費(fèi)用。不同區(qū)域中的隱性成本相差很大，例如，農(nóng)民學(xué)習(xí)一種新的技術(shù)措施所耗費(fèi)的成本，由于受到農(nóng)民自身的年齡、教育程度、當(dāng)?shù)厥挛锏膮⑴c程度等多方面因素的制約而難以衡量。當(dāng)前的主要解決方法是借助統(tǒng)計(jì)模型將專家觀點(diǎn)和農(nóng)民偏好納入到成本考慮范疇，通過打分法確定各因素比重，從而有效衡量措施的隱性成本。REIMER等[7]通過對(duì)印第安納流域45個(gè)農(nóng)民進(jìn)行深度訪談，了解農(nóng)民對(duì)不同控制措施的偏好及其原因，發(fā)現(xiàn)省時(shí)省力性、措施與農(nóng)民需求的一致性以及利益的可感知性是影響農(nóng)民選擇BMPs的最主要因素，也就是隱性成本核算的主要影響因素。

不同類型的BMPs的成本組成不同。工程類措施的成本主要包括工程建設(shè)費(fèi)用和后期維護(hù)費(fèi)用。通常，工程建設(shè)費(fèi)用遠(yuǎn)超過維護(hù)費(fèi)用，但TOSAKANA等[8]對(duì)美國西北部1 500名農(nóng)民的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，農(nóng)民認(rèn)為措施的維護(hù)成本與建設(shè)成本同等重要。實(shí)際上，許多措施的非點(diǎn)源污染削減效果不斷下降的原因正是后期維護(hù)的匱乏。因此，在成本效益分析中應(yīng)當(dāng)充分考慮維護(hù)成本的重要性。非工程類措施與工程類措施的成本組成差別較大，由于前者無須工程建設(shè)，成本的主要來源不是建設(shè)費(fèi)用，而多是人工費(fèi)用和科研費(fèi)用。

1.2 效益界定

在成本效益分析中BMPs的效益特指環(huán)境效益，即在BMPs布置后，相對(duì)于基準(zhǔn)情景特定污染物的削減或水質(zhì)的提升。其中，基準(zhǔn)情景即為未布置BMPs的情景，它是一系列自然環(huán)境條件的集合，涉及土地利用情況、氣候條件、土壤類型分布、地形地貌和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況等多方面的因素；能否準(zhǔn)確衡量基準(zhǔn)情景下非點(diǎn)源污染負(fù)荷是影響效益評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。不同研究者采用不同的“效益”衡量方式：SHESHUKOV等[9]將BMPs布置前后污染負(fù)荷的改變量與基準(zhǔn)情景下污染負(fù)荷量的比值作為草地措施的效益，以此評(píng)估不同措施的適用性；MAHARJAN等[10]通過研究BMPs對(duì)子流域污染物削減和流域出口水質(zhì)提升的影響，從而綜合評(píng)估措施的環(huán)境效益。為確定子流域污染物削減效果與流域出口水質(zhì)提升的相關(guān)關(guān)系，GIRI等[11]構(gòu)建了多種統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，試圖采用簡單實(shí)用的方法來衡量BMPs的環(huán)境效益，以此指導(dǎo)BMPs的布置位置。

目前，BMPs效益評(píng)估的難點(diǎn)在于：一方面相關(guān)資料難以搜集且價(jià)格高昂，模型的效益評(píng)價(jià)過程需要翔實(shí)的多年氣象數(shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和措施特征相關(guān)數(shù)據(jù)，因此，數(shù)據(jù)搜集的完備性在很大程度上取決于該流域是否具有完善的流域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫；另一方面則是水質(zhì)響應(yīng)延滯性[12-13]導(dǎo)致的措施效果評(píng)價(jià)的誤差，這是由于BMPs對(duì)氮磷等污染物的削減效果并不能迅速在污染物受納水體中體現(xiàn)出來，在污染物削減和水質(zhì)提升之間存在一個(gè)“延遲時(shí)間”，可能是幾天到數(shù)十年。

2 BMPs成本效益分析方法

2.1 成本效益核算方法

2.1.1 成本核算方法

成本核算方法主要有經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法和模型計(jì)算法2種。

經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法通過文獻(xiàn)查閱、現(xiàn)場調(diào)查和資料收集來確定措施成本。PANAGOPOULOS等[14]采用機(jī)會(huì)成本法，根據(jù)相關(guān)經(jīng)濟(jì)研究和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)確定苜蓿草地耕種、綿羊養(yǎng)殖和植被過濾帶的成本。張雅帆[15]將工程類BMPs成本細(xì)化至投資費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用；其中，投資費(fèi)用包括建筑工程、臨時(shí)工程、其他工程和預(yù)備費(fèi)用，根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行BMPs成本計(jì)算。

經(jīng)濟(jì)模型是BMPs在篩選過程中進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析的主要工具，它實(shí)質(zhì)上是通過研究BMPs成本與收益之間的數(shù)量關(guān)系，確定在一定水質(zhì)目標(biāo)下成本最低的措施組合。目前，大多數(shù)經(jīng)濟(jì)模型是基于簡單的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化算法，通過分析措施布置對(duì)經(jīng)濟(jì)因素的影響，確定在經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)過程中固定的輸入輸出參數(shù)，建立成本和經(jīng)濟(jì)收益的相關(guān)函數(shù)，進(jìn)而模擬農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)過程中資源和商品的供需平衡，得到價(jià)格變化和作物產(chǎn)量變化的相關(guān)數(shù)據(jù)。經(jīng)常采用的經(jīng)濟(jì)模型主要是環(huán)境成本模型（environmental cost model,ECM）、農(nóng)業(yè)部門模型（agricultural sector model,ASM）和農(nóng)田尺度經(jīng)濟(jì)模型（farm-level economic model,FEM）等。例如，ATTWOOD等[16]所采用的ASM就是一種廣泛應(yīng)用的可以模擬農(nóng)產(chǎn)品市場供需平衡的經(jīng)濟(jì)模型。

國外普遍采用模型計(jì)算法核算成本，主要得益于其完備的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和較為成熟的BMPs相關(guān)經(jīng)濟(jì)模型。但國內(nèi)由于缺乏相關(guān)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫和經(jīng)濟(jì)模型，主要采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法。例如，由于畜禽養(yǎng)殖在我國許多流域是非點(diǎn)源污染的主要來源[17-18]，通過減少畜禽養(yǎng)殖量可有效減少流域非點(diǎn)源污染流失，該措施的成本可通過計(jì)算畜禽削減所導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失來代替。

2.1.2 效益評(píng)價(jià)方法

流域非點(diǎn)源污染模型是BMPs效益評(píng)價(jià)的主要途徑。該模型是對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染在自然生態(tài)系統(tǒng)中一系列復(fù)雜的物理、生物、化學(xué)等過程的數(shù)學(xué)定量描述。根據(jù)模型建立途徑和模擬過程原理的不同，可將流域非點(diǎn)源污染模型劃分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ汀７屈c(diǎn)源污染模型在BMPs效益評(píng)價(jià)中的特征見表1。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ统Ｓ玫闹饕禽敵鱿禂?shù)模型（export coefficient model，ECM）[19]和磷指數(shù)法（phosphorus index，PI）[20]。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒簧婕胺屈c(diǎn)源污染遷移轉(zhuǎn)化的具體過程，其構(gòu)建主要基于現(xiàn)場監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)提取數(shù)據(jù)，通過污染物輸入和輸出關(guān)系的量化來進(jìn)行模擬。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥鳛橐环N“黑箱模型”，由于不涉及非點(diǎn)源污染遷移轉(zhuǎn)化的具體過程，主要通過改變模型的輸入數(shù)據(jù)來完成BMPs效益評(píng)價(jià)，往往局限于管理類措施[21-23]，如化肥削減和畜禽養(yǎng)殖數(shù)量削減等，難以對(duì)工程類BMPs的空間布置和效益評(píng)估提供較為合理的模擬。

隨著對(duì)非點(diǎn)源污染遷移轉(zhuǎn)化過程的深入研究，物理模型逐漸替代經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停蔀榉屈c(diǎn)源污染負(fù)荷模擬和最佳管理措施評(píng)價(jià)的主要工具。從模型結(jié)構(gòu)來看，常用的物理模型有集總式和分布式2類。集總式模型將整個(gè)流域作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，未能考慮水文要素的空間分布，難以反映由于不斷增強(qiáng)的人類活動(dòng)導(dǎo)致的較大的下墊面空間差異；該類模型常用的有農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的化學(xué)污染物、徑流與侵蝕模型（chemicals,runoff and erosion from agricultural management systems,CREAMS）[24]和農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)地下水負(fù)荷影響模型（groundwater loading effects on agricultural management systems, GLEAMS）[25]等。而分布式非點(diǎn)源污染模型將流域劃分為較小的空間單元，每一個(gè)空間單元都具有相似的水文和地理特征，能夠有效地模擬下墊面差異較大的流域；因此，分布式模型應(yīng)用更為廣泛，相關(guān)模型開發(fā)也較多。常見的分布式BMPs評(píng)估模型包括區(qū)域非點(diǎn)源污染流域環(huán)境響應(yīng)模型（area non-point source watershed environment response simulation,ANSWERS）[26]、水文模擬模型（hydrological simulation program in FORTRAN,HSPF）[27]、農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染模型（agricultural non-point source pollution model,AGNPS）[28]和水土評(píng)估工具（soil and water assessment tool,SWAT）[29]，其中以SWAT模型應(yīng)用最為廣泛。相關(guān)研究[30-32]表明，物理型非點(diǎn)源污染模型是工程類和非工程類BMPs效益評(píng)價(jià)的有效工具，它根據(jù)不同的管理措施情景方案，調(diào)整模型內(nèi)置參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)相對(duì)于基準(zhǔn)情景下的非點(diǎn)源污染削減量，進(jìn)而完成BMPs在模型中的模擬。由于模型的輸出在不同流域?qū)Ω鱾€(gè)參數(shù)具有不同程度的敏感性，在措施布置前應(yīng)當(dāng)對(duì)模型進(jìn)行充分的率定和驗(yàn)證，以降低模型模擬的誤差。

表1 BMPs評(píng)價(jià)模型特征Table 1 Characteristics of BMPs assessment models

2.2 成本效益優(yōu)化方法

成本效益分析是用于識(shí)別和度量BMPs空間布置效益和費(fèi)用的系統(tǒng)方法，其基本任務(wù)就是分析計(jì)算措施在布置過程中的成本和效益，通過比較評(píng)價(jià)，選擇凈效益最大的方案以供決策；成本效益分析框架見圖1。成本效益優(yōu)化條件主要包括2個(gè)：1）成本最小化，以將流域出口水質(zhì)目標(biāo)作為約束條件，將措施成本最小化作為目標(biāo)函數(shù)；2）效益最大化，對(duì)于給定的措施成本，存在一種BMPs組合使污染物削減量最大。

流域管理項(xiàng)目一般是基于水質(zhì)提升或污染物削減來開展的，因此，成本效益分析相關(guān)研究主要集中在給定的水質(zhì)目標(biāo)或污染物削減量下的BMPs成本最小化研究；也有少部分研究會(huì)以給定的成本作為約束條件，例如，ANCEV等[33]和AZZAINO等[34]考慮到用于植被過濾帶布置的資金來源是有限的，通過優(yōu)化植被過濾帶的布置位置和寬度，提高措施的污染削減效率。成本效益分析作為一種單目標(biāo)決策分析方法，廣泛應(yīng)用于流域非點(diǎn)源污染管控措施的篩選，但相較于多目標(biāo)的決策分析方法，其局限性也非常明顯：成本效益分析形成的優(yōu)選結(jié)果單一，難以提供多種統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益的BMPs優(yōu)化組合。

圖1 BMPs成本效益分析研究框架Fig.1 Research framework of cost-effectiveness analysis for BMPs

2.3 BMPs成本效益分析的應(yīng)用

目前，BMPs成本效益分析研究主要集中在3種類型：基于非點(diǎn)源污染模型與成本經(jīng)驗(yàn)算法的成本效益分析，基于非點(diǎn)源污染模型與經(jīng)濟(jì)模型耦合的成本效益分析和基于優(yōu)化算法的成本效益分析。

2.3.1 基于非點(diǎn)源污染模型與成本經(jīng)驗(yàn)算法的成本效益分析

非點(diǎn)源污染模型作為非點(diǎn)源污染核算的有效工具，廣泛應(yīng)用于BMPs效益的評(píng)估。一些研究借助經(jīng)驗(yàn)算法和非點(diǎn)源污染模型，分別核算措施成本和污染物削減量。PANAGOPOULOS等[35]將BMPs施用前后污染負(fù)荷的差值作為污染物去除效率，用措施成本與去除效率的比值來計(jì)算成本效益，發(fā)現(xiàn)不同措施在不同的作物種植區(qū)域具有不同的成本效益。在國內(nèi)，LIU等[36]通過經(jīng)驗(yàn)公式和SWAT模型，分別計(jì)算措施的機(jī)會(huì)成本和污染削減率，比較不同措施的成本效益，最終選擇退耕還林（園）、免耕和化肥削減20%的措施組合作為研究區(qū)域的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染控制方案；王曉燕等[37]基于對(duì)BMPs經(jīng)濟(jì)成本和價(jià)值的估算，綜合考察各項(xiàng)措施的成本-效益關(guān)系，對(duì)不同BMPs的費(fèi)用效益比、內(nèi)部收益率、投資回收期、經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，將耕地變?yōu)楣麍@和河岸植被緩沖帶2項(xiàng)措施可以較低成本有效控制非點(diǎn)源污染。

該方法的主要問題在于成本計(jì)算結(jié)果的不確定性和計(jì)算過程的復(fù)雜性，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫的日益完備和模型技術(shù)的不斷發(fā)展，經(jīng)濟(jì)模型的引入較好地解決了這一問題。

2.3.2 基于非點(diǎn)源污染模型與經(jīng)濟(jì)模型耦合的成本效益分析

在BMPs效益評(píng)估過程中，非點(diǎn)源污染模型與經(jīng)濟(jì)模型的耦合一般采用模塊化耦合方法，2種模型的運(yùn)行相對(duì)獨(dú)立，通過將一個(gè)模型的輸出作為另一個(gè)模型的輸入，建立2種模型的相互聯(lián)系。

COOLS等[38]將SWAT模型與經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型ECM相結(jié)合，將SWAT模型模擬出的污染物削減量和措施成本輸入ECM，該模型可計(jì)算出措施組合總成本，并通過成本效益分析給不同措施排序，從而在一定的水質(zhì)目標(biāo)下優(yōu)選出成本效益最高的措施組合。STRAUSS等[39]采用由全農(nóng)田模型（whole farm model,WFM）、GLEAMS和歐洲土壤流失模型（European soil erosion model,EUROSEM）構(gòu)成的綜合模型框架，對(duì)關(guān)鍵源區(qū)進(jìn)行措施布置，分析比較不同措施的環(huán)境效益、成本和成本效益值。LESCOT等[40]采用SWAT模型評(píng)估BMPs的污染物削減效率，采用通用代數(shù)建模系統(tǒng)（general algebraic modeling system,GAMS）模型核算措施成本，基于成本效益值對(duì)各類措施進(jìn)行排序。RIBAUDO等[41]采用美國農(nóng)業(yè)部門數(shù)學(xué)規(guī)劃模型（United States agricultural sector mathematical programming,USMP）和土壤侵蝕與生產(chǎn)力影響估算模型(erosionproductivity impact calculator,EPIC)對(duì)密西西比這一超大型流域進(jìn)行措施成本效益核算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)南鳒p量為125萬t時(shí)，2種措施的成本相同，低于這一數(shù)值時(shí)肥料削減措施成本更低，高于這一數(shù)值時(shí)則人工濕地的成本更低。

2.3.3 基于優(yōu)化算法的成本效益分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，研究者將優(yōu)化算法引入成本效益分析，綜合考慮BMPs類型、規(guī)模和位置等多方面因素，大大提高了措施優(yōu)選的效率和準(zhǔn)確性。優(yōu)化算法在成本效益分析中的應(yīng)用一般是基于隨機(jī)搜索算法，根據(jù)經(jīng)濟(jì)模型和非點(diǎn)源污染模型的評(píng)價(jià)結(jié)果，通過設(shè)定一個(gè)目標(biāo)函數(shù)（成本最小或污染削減量最大）來引導(dǎo)算法的搜索方向，獲得成本效益最優(yōu)的措施組合。優(yōu)化算法主要包括遺傳算法和線性規(guī)劃法[42]。

遺傳算法是成本效益分析中最常用的優(yōu)化算法，它將BMPs的性質(zhì)作為演化中的“基因”，BMPs的組合作為演化中的“染色體”，以污染物削減效率或措施成本為目標(biāo)方程，進(jìn)行不同BMPs隨機(jī)組合，具有優(yōu)秀“基因”的組合保留下來，實(shí)現(xiàn)BMPs的不斷演化，進(jìn)而獲得最佳世代所代表的BMPs在各個(gè)區(qū)域的配置組合。KAINI等[43]將遺傳算法應(yīng)用于工程性措施上，以營養(yǎng)物和泥沙量的削減量為約束條件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在營養(yǎng)物和泥沙削減量分別為20%和40%時(shí)，遺傳算法主要優(yōu)選出植被過濾帶和植草河道2種措施；而當(dāng)削減量達(dá)到60%時(shí)，該算法則將梯田和沉淀池措施也納入流域非點(diǎn)源污染控制體系。GITAU等[44]以60%的磷削減量為限制條件，根據(jù)SWAT模型和遺傳算法的模擬結(jié)果，輪作、等高線種植和植被緩沖帶是較為優(yōu)化的方案，其中，成本效益最高的措施情景將每千克磷的削減費(fèi)用從34美元降低到了24美元。

線性規(guī)劃是將環(huán)境規(guī)劃決策問題概化成在預(yù)定的目標(biāo)函數(shù)和約束條件下，對(duì)若干BMPs方案進(jìn)行優(yōu)化選擇的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型。楊育紅等[45]設(shè)計(jì)了21種措施組合方案，以措施的費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，以總磷濃度和措施布置面積為約束條件，建立小流域出口水質(zhì)優(yōu)化管理模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，化肥減施和梯田建設(shè)面積是影響方案選擇的主要因素。劉建昌等[46]首先對(duì)AGNPS模型進(jìn)行敏感參數(shù)分析，提出控制敏感參數(shù)的管理措施，然后通過“區(qū)間數(shù)不確定性系統(tǒng)規(guī)劃”模型進(jìn)行環(huán)境經(jīng)濟(jì)效果的優(yōu)化，結(jié)果表明，線性規(guī)劃方法的引入所形成的最佳管理方案，可以確保在有效控制非點(diǎn)源污染的基礎(chǔ)上經(jīng)濟(jì)投入最小。

2.4 BMPs成本效益分析的主要瓶頸

2.4.1 耦合模型時(shí)空尺度的差異性

耦合模型是成本效益分析中成本核算、效益評(píng)估和措施優(yōu)化的有效途徑。環(huán)境模型與經(jīng)濟(jì)模型的耦合已經(jīng)比較成熟，但仍存在一些問題。1）評(píng)價(jià)空間尺度不一致：非點(diǎn)源污染模型是基于地理匯水單元進(jìn)行評(píng)價(jià)，而經(jīng)濟(jì)模型多是基于行政區(qū)劃單元；2）評(píng)價(jià)時(shí)間尺度不一致：非點(diǎn)源污染模型的模擬時(shí)間尺度多是基于日、月或季節(jié)，而經(jīng)濟(jì)模型的時(shí)間尺度一般是基于年。2種模型評(píng)價(jià)空間尺度的不一致意味著BMPs在模型中的布置位置和流域中的實(shí)際布置位置存在差異，時(shí)間尺度不一致則會(huì)增加數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的困難性，進(jìn)而導(dǎo)致成本核算和措施效益評(píng)價(jià)的誤差[47]。

2.4.2 不確定性問題

在成本效益評(píng)價(jià)中，成本核算所涉及的措施布置的位置和時(shí)間、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、技術(shù)水平和農(nóng)民對(duì)措施的認(rèn)可度等各類因素都存在一定的不確定性；同時(shí)，環(huán)境評(píng)價(jià)過程也會(huì)受到流域自然過程的不可預(yù)測(cè)性和空間高度異質(zhì)性等因素的影響。BROUWER等[48]基于對(duì)成本效益分析不確定性研究的回顧，指出不確定性問題主要有3大來源：環(huán)境目標(biāo)和參數(shù)的不確定性、污染源的不確定性、措施成本和效益評(píng)估的不確定性。LACROIX等[49]認(rèn)為，經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)和環(huán)境系統(tǒng)復(fù)雜的相互作用導(dǎo)致成本效益研究中較高的不確定性，有必要將不確定性納入到研究中，以期為決策者提供較為真實(shí)有效的措施方案。為減少不確定性對(duì)分析結(jié)果的影響，ELOFSSON[50]在對(duì)波羅的海流域非點(diǎn)源污染削減方案的成本效益研究中納入不確定性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沒有納入不確定分析的結(jié)果會(huì)將總成本低估20%以上。

3 結(jié)語

BMPs作為非點(diǎn)源污染控制的有效途徑，在污染物的源頭削減、過程攔蓄以及生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)方面均起到至關(guān)重要的作用，但BMPs的選擇需要綜合考慮措施實(shí)施的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)成本。成本效益分析作為一種綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境效益的BMPs優(yōu)化方法，將經(jīng)濟(jì)可行性納入到BMPs的選擇中，使BMPs的布置更加符合流域?qū)嶋H情況，可有效解決流域綜合管理中經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的矛盾。本文對(duì)成本核算、效益評(píng)價(jià)和成本效益分析的方法進(jìn)行了闡述，對(duì)成本效益分析在BMPs中的優(yōu)選應(yīng)用進(jìn)行了回顧，分析討論了該方法在應(yīng)用中所存在的時(shí)空尺度差異性和模擬不確定性問題等限制因子?？紤]到BMPs的成本效益分析涉及環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等多方面綜合因素，在未來的研究中，一方面應(yīng)當(dāng)建立和健全更加實(shí)時(shí)有效的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫和水文水質(zhì)數(shù)據(jù)庫，借助豐富的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)水質(zhì)模型進(jìn)行充分驗(yàn)證，減少模擬過程中的不確定性；另一方面要依靠不斷發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)來提高BMPs的成本效益分析和優(yōu)化的效率和準(zhǔn)確性，加強(qiáng)不同類型模型的耦合，提升成本效益分析方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

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non-point source pollution;best management practices(BMPs);cost-effectiveness analysis

X 506；X 522

A

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國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2014ZX07101-012）。

王飛兒（http://orcid.org/0000-0003-0411-3494），Tel:+86-571-88982360，E-mail:wangfeier@zju.edu.cn

（First author）：常艦（http://orcid.org/0000-0002-8663-202X），E-mail:870616481@qq.com

2016-04-21；接受日期(Accepted):2016-06-30