不確定性條件下融合型和調整型規(guī)劃方案優(yōu)化方法研究

不確定性條件下融合型和調整型規(guī)劃方案優(yōu)化方法研究

1我國景觀規(guī)劃評定模式作為戰(zhàn)略環(huán)境評估的一種，規(guī)劃環(huán)境評估（以下簡稱“規(guī)劃評估”）是指對計劃及其替代方案的周圍環(huán)境進行綜合評估的過程，這意味著環(huán)境資源的負荷和環(huán)境容量受到限制（潘岳，2005）。從本質上講，規(guī)劃評估與規(guī)劃具有相同的任務（霍雷拉，2007）。評估的目的不是通過引入措施來最大限度地減少對規(guī)劃實施的環(huán)境，而在規(guī)劃實施之前，科學有效地設計環(huán)境。其次，規(guī)劃評估的研究和實踐始于20世紀90年代（吳涇等人，2006），包括計劃環(huán)境評估的納入。根據(jù)計劃的不同階段的替代方案，評估科學有效的最佳規(guī)劃（李明光，2003；嚴國等人，2004；嚴國等人，2007），將規(guī)劃自身可能產生的環(huán)境影響最小化，屬于戰(zhàn)略層面。其次，規(guī)劃評估的研究和實踐始于20世紀90年代（吳涇等人，2006）。對于規(guī)劃環(huán)境評估（舒廷飛等人，2006；沈清基，2004；劉毅等人，2008）、土地利用規(guī)劃評估（于淑霞等，2004；蔡玉梅等，2005；唐玉等，2007）、開發(fā)區(qū)和港口規(guī)劃評估方法（楊乃克，2000；毛曉嶺等，2007；王景等，2007；曹德友等，2006；朱軍等，2006；王立偉等，2007）；該計劃的環(huán)境評估方法是：根據(jù)布局環(huán)境評估，包括該計劃的成本效益和成本評估，包括該計劃的成本評估和再評價。該計劃的成本評估方法（王繼華等，2007）；然而，除了管理方面的原因外，計劃評估方法（hj-thj-2003）和城市評估方法不受重視。然而，除了行政因素外，王繼華等人（2004）在制定計劃環(huán)境評估時必須采取明確的計劃環(huán)境評估方法。然而，在方法上，王繼華等人（2004）在制定計劃環(huán)境評估時不太可能確定方案的適應性。從全球框架來看，noble（2000）和hara（2007）率先將景觀規(guī)劃評估方法引入計劃評估領域，但計劃評估的環(huán)境是不確定的。因此，應無法消除計劃評估的缺點。該系統(tǒng)的優(yōu)化理念和評價方法。從全球角度來看，n（。鑒于此,本文擬通過構建新的不確定性條件下區(qū)域規(guī)劃環(huán)評方案優(yōu)化方法框架,旨在解決以往規(guī)劃環(huán)評存在的兩個缺陷.其中,該方法框架將對當前通用的規(guī)劃環(huán)評方法框架進行改進,實現(xiàn)融合性規(guī)劃環(huán)評的操作程序,并基于Zhou等(2009)提出的強化區(qū)間優(yōu)化模型(EILP)開發(fā)不確定性條件下規(guī)劃方案和補救措施的雙層優(yōu)化方法,最后以鄭州市土地利用總體規(guī)劃(1997~2010年)為例驗證該方法框架的合理性、科學性,以期為規(guī)劃環(huán)評實現(xiàn)科學決策、源頭防治的戰(zhàn)略思想提供技術支持.2方法方法2.1形成了合型和調整型兩種不同的規(guī)劃考評方法框架在現(xiàn)有的規(guī)劃環(huán)評方法框架基礎上,本文提出了融合型和調整型兩類規(guī)劃環(huán)評的新方法框架(圖1),旨在消除規(guī)劃方案本身的缺陷,實現(xiàn)規(guī)劃方案和環(huán)境保護補救措施的系統(tǒng)優(yōu)化與不確定性風險決策.2.2.1基于eilp模型的風險決策方法融合型規(guī)劃環(huán)評與傳統(tǒng)規(guī)劃環(huán)評的區(qū)別在于兩點:①規(guī)劃與規(guī)劃環(huán)評在編制時間尺度上同步,規(guī)劃將環(huán)境目標直接納入規(guī)劃目標體系,生成的規(guī)劃方案直接體現(xiàn)了環(huán)境約束性;②在規(guī)劃方案和環(huán)境保護補救措施的制定方面體現(xiàn)了系統(tǒng)優(yōu)化與不確定性風險決策過程.具體方法框架及步驟見圖1:①在規(guī)劃方案編制之時,以EILP模型為計算平臺,以擬制定的規(guī)劃方案的環(huán)境影響最小化為目標,社會經濟發(fā)展目標為約束,形成實現(xiàn)預期的經濟社會利益最大化且環(huán)境影響最小化的規(guī)劃方案,提前消除規(guī)劃方案本身的潛在環(huán)境影響;②對規(guī)劃方案進行方案實施后的環(huán)境影響預測、分析和評價,量化各環(huán)境要素的潛在環(huán)境影響程度;③在潛在環(huán)境影響達標的前提下,再次以EILP模型為計算平臺,以環(huán)境保護補救措施費用最小化或經濟效益最大化為目標,環(huán)境、資源指標達標為約束,形成規(guī)劃方案的環(huán)境保護補救措施及其風險決策方案.④結論與建議:通過綜合評價規(guī)劃方案、環(huán)境保護補救措施及其風險決策方案,確定最終的規(guī)劃環(huán)評方案;⑤監(jiān)測與跟蹤評價.2.2.2推薦方案的確定調整型規(guī)劃環(huán)評與傳統(tǒng)規(guī)劃環(huán)評的區(qū)別在于增加了規(guī)劃方案和環(huán)境保護補救措施的系統(tǒng)優(yōu)化與不確定性風險決策過程,而調整型與融合型規(guī)劃環(huán)評的不同之處就是前者的研究對象為編制完成的現(xiàn)有規(guī)劃.具體方法框架及步驟見圖1:①以現(xiàn)有的規(guī)劃為評價對象,對規(guī)劃中滿足經濟社會發(fā)展目標的各種備選方案進行初評,評價的3個關鍵因子為污染物排放總量、方案布局和環(huán)境保護目標,初步確定一個環(huán)境可行且較優(yōu)的規(guī)劃方案作為準方案;②以EILP模型為計算平臺,以準方案的環(huán)境影響最小化為目標,社會經濟發(fā)展目標為約束,形成準方案的優(yōu)化方案,即推薦方案;③對準方案和推薦方案進行方案實施后的環(huán)境影響預測、分析和評價,并進行對比分析,檢驗在消除方案本身的潛在不利環(huán)境影響的有效性;④再次以EILP模型為計算平臺,以環(huán)境保護補救措施費用最小化或經濟效益最大化為目標,以環(huán)境、資源指標達標為約束,形成準方案和推薦方案的環(huán)境保護補救措施及其風險決策方案.⑤結論與建議:通過綜合評價準方案和推薦方案、兩者的環(huán)境保護補救措施及其風險決策方案,確定最終的規(guī)劃環(huán)評方案;⑥監(jiān)測與跟蹤評價.2.2.3方法框架規(guī)劃和規(guī)劃環(huán)評不確定性主要表現(xiàn)在以下幾個方面:規(guī)劃本身的不確定性如實現(xiàn)規(guī)劃目標的多方案性、每個方案的宏觀性以及受多種因素影響方案實施過程的不確定性和以上因素導致的規(guī)劃環(huán)評中環(huán)境預測的不確定性.解決不確定性問題的主要思路為采用科學合理的方法將不確定性問題相對確定.對于多方案問題,在2.2.1節(jié)方法框架中通過步驟①將規(guī)劃目標和資源環(huán)境約束或目標相互融合、同步規(guī)劃并進行系統(tǒng)優(yōu)化,獲得資源環(huán)境約束條件下的最優(yōu)規(guī)劃方案予以解決;在2.2.2節(jié)方法框架中通過步驟①初選削減方案數(shù)量,并利用等同于2.2.1節(jié)方法框架中步驟①的步驟②來解決,勿需對每一個方案進行環(huán)境影響預測、分析和評價,減少工作量和縮短評價時間;對于方案的宏觀性和由此導致的環(huán)境影響預測的不確定性在模型中采用強化區(qū)間法解決;對于受多種因素影響方案實施過程的不確定性在方法框架中明確采取適應性管理即跟蹤監(jiān)測和評價,適時調整規(guī)劃方案的方法解決.限于文章篇幅和數(shù)據(jù)收集的有限性,本文案例中的不確定性僅局限在經濟發(fā)展預測模型、模型參數(shù).從圖1可知,本文提出的融合型規(guī)劃環(huán)評方案優(yōu)化方法框架解決了規(guī)劃和規(guī)劃環(huán)評的同步問題,實現(xiàn)了系統(tǒng)優(yōu)化和不確定性下的風險評估,即不確定性下規(guī)劃方案的環(huán)境可行性和方案費用最優(yōu)性,是規(guī)劃環(huán)評的理想方法框架.但由于我國立法、部門協(xié)調、管理體制等方面的原因,在一定時期內大多數(shù)規(guī)劃環(huán)評仍然也只能在規(guī)劃草案制定后審批前進行.因此,調整型規(guī)劃環(huán)評方案優(yōu)化方法框架是針對當前乃至今后一個時期內更為實際的程序,也是實現(xiàn)融合型規(guī)劃環(huán)評的過渡方法框架.它通過步驟②實現(xiàn)融合型規(guī)劃環(huán)評方案優(yōu)化方法框架中的步驟①,取得相對同步的效果,消除方案本身潛在的環(huán)境影響;另外,規(guī)劃環(huán)境影響最小化是通過雙層不確定性優(yōu)化得以實現(xiàn):在規(guī)劃方案制定層面,通過規(guī)劃和規(guī)劃環(huán)評的有機融合,消除規(guī)劃方案本身潛在的環(huán)境影響;在環(huán)境保護補救措施制定層面,利用EILP模型,實現(xiàn)了補救措施的費用或經濟效益最優(yōu)化.這兩點也正是本文提出的不確定性下規(guī)劃環(huán)評方案優(yōu)化方法框架區(qū)別于傳統(tǒng)的規(guī)劃環(huán)評方法的特點.除以上方法框架中解決規(guī)劃和規(guī)劃環(huán)評的不同步外,根本性的措施在于通過立法、建立相應的制度、在規(guī)劃和規(guī)劃環(huán)評管理程序方面規(guī)定把兩者同步進行作為審批的必要條件并通過必要的管理體制改革等措施推進規(guī)劃和規(guī)劃環(huán)評的融合.2.2eilp模型不確定性下不確定性下規(guī)劃制定的風險決策為了實現(xiàn)規(guī)劃方案和環(huán)境保護補救措施的系統(tǒng)優(yōu)化與不確定性風險決策,本文將基于EILP理論(Zhouetal.,2009),構建規(guī)劃方案和環(huán)境保護補救措施的普適性優(yōu)化模型.{Μax/ΜinAΙ±=Ζ+Ζ±2s.tA±X±≤B±X±≥0(1)式中,Z±為原目標函數(shù),區(qū)間參數(shù)矩陣A±={a±=[a-ij,a+ij]|?i,j}∈{R±}m×n,B±={b±=[b-ij,b+ij]|?i,j}∈{R±}m×1,C±={c±=[c-ij,c+ij]|?i,j}∈{R±}1×n,{R±}表示區(qū)間數(shù)的實數(shù)集合.Ζ→=k∑j=1c-jx+j+n∑j=k+1c-jx-j,Ζ+=k∑j=1c+jx-j+n∑j=k+1c+jx+j,Ζ-=k∑j=1c-jx-j+n∑j=k+1c-jx+j,X±為上下限已知但概率密度函數(shù)(PDF)未知的強化區(qū)間矩陣,且其期望值E[·]位于區(qū)間內,隨后,按照Zhou等(2009)的引理1和2、定理2,可以將式(1)分解成兩個子模型得以求解.為了保障EILP的最優(yōu)解X±opt解空間絕對處于可行域,在求解第二個子模型的過程中需增加如下δ個額外約束,即:k∑j=k-p+1-(|a±δj|+x-j-|a±δj|-x+jopt)+n∑j=n-q+1(|a±δj|-x+j-|a±δj|+x-jopt)≤0,?δ(2)式中,δ是滿足k∑j=1|a±δj|-Sign(a±δj)x+jopt+n∑j=k+1|a±δj|+Sign(a±δj)x-jopt=b+δ、a±δj≤0(j=k-p+1)和a±δj≥0(j=k-q+1,…,n)的約束條件.相應地,式(1)的強化區(qū)間最優(yōu)解定義為:{AΙ±opt=[(Ζ←+Ζ-2)opt,(Ζ→+Ζ+2)opt]X±opt={x±opt=[x+jopt,x+jopt]|?j=1,2,?,n}E[Ζ±]opt=0.5((Ζ←+Ζ-2)opt+(Ζ→+Ζ+2)opt)(3)式中,AI±opt和E[Z±]分別為強化區(qū)間目標函數(shù)定義的適宜區(qū)間和期望值,X±opt為EILP模型的最優(yōu)決策空間.針對不確定性下規(guī)劃環(huán)評方案優(yōu)化問題,則按照式(1)編寫了EILP模型,分解成2個子模型之后,利用Lingo程序分別計算得到式(3).考慮到EILP模型中參數(shù)A±、B±和C±的不確定性,需要進一步開展不確定性下規(guī)劃環(huán)評方案優(yōu)化的風險決策,具體分析方法見周豐(2009),形成了如下7個風險決策方案,以目標函數(shù)最大化為例,即:①所有參數(shù)不確定性處于高風險水平下的極端決策X1={xj|xΜΙLΡ+joptforj=1,2,?,k;xΜΙLΡ-joptforj=k+1,?,n},對應的目標函數(shù)值為Z+opt,其中,xΜΙLΡ+jopt和xΜΙLΡ-jopt分別是當EILP模型不考慮適宜區(qū)間時的計算結果的決策空間上下限;②所有參數(shù)不確定性處于低風險水平下的極端決策X2={xj|xΜΙLΡ-joptforj=1,2,…,k;xΜΙLΡ+joptforj=k+1,…,n},對應的目標函數(shù)值為Z-opt;③A±、B±為高風險水平和C±為中等風險水平下的極端決策X3={xj|x+joptforj=1,2,…,k;x-joptforj=k+1,…,n},對應的目標函數(shù)值為AI+;④A±、B±為低風險水平和C±為中等風險水平下的極端決策X4={xj|x-joptforj=1,2,…,k;x+joptforj=k+1,…,n},對應的目標函數(shù)值為AI-;⑤中等風險水平下的非極端決策X5={x±j|C+X=E[Z±]opt,C-X=E[Z±]opt},對應的目標函數(shù)值為E[Z±]opt;⑥A±、B±為中高風險水平和C±為中等風險水平下的非極端決策X6={x±opt=[x-jopt,x+jopt],C-X±>E[Z±]opt|?j=1,2,…,n},對應的目標函數(shù)值界于E[Z±]opt和AI+;⑦A±、B±為中低風險水平和C±為中等風險水平下的非極端決策X7={x±opt=[x-jopt,x+jopt],C+X±<E[Z±]opt|?j=1,2,…,n},對應的目標函數(shù)值界于E[Z±]opt和AI-.3應用案例例子3.1國土地利用規(guī)劃鄭州市土地總面積為7532.56km2,1996年全市總人口607.56萬人,其中,城鎮(zhèn)人口255.36萬人(城鎮(zhèn)化水平42%),全市GDP為504.5億元.2008年全市人口達到743.6萬人,全市GDP為3004億元.本文選取《鄭州市土地利用總體規(guī)劃(1997~2010年)》(以下簡稱《規(guī)劃》)為規(guī)劃環(huán)評對象,該《規(guī)劃》由鄭州市國土資源部門制定,并于1999年10月由鄭州市人民政府批準實施,相應的鄭州市土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)見表1,其中,耕地和建設用地仍是2010年鄭州市主要的土地利用類型,增加速度最快的是林地和園地,減少速度最快的是未利用地和建設用地.3.2土地利用規(guī)劃評價模型由于此規(guī)劃環(huán)評早期沒有介入《規(guī)劃》編制過程,因此,屬于調整性規(guī)劃環(huán)評.針對土地利用總體規(guī)劃的特點,規(guī)劃環(huán)評多采用生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值核算評估土地利用規(guī)劃(于書霞等,2004;唐弢等,2007),同樣,本文以生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的最大化為目標,以鄭州市土地資源、經濟發(fā)展(GDP)和環(huán)境指標(土地承載COD排放總量)為約束條件,建立基于EILP的鄭州市不確定性下土地利用規(guī)劃環(huán)評方案優(yōu)化模型.由于土地利用總體規(guī)劃的特點,生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的最大化同時滿足規(guī)劃方案和環(huán)境保護對策措施最優(yōu)化.首先,對《規(guī)劃》進行初步篩選,評估其環(huán)境達標可行性.按照唐弢等(2007)的計算方法,得到鄭州市土地利用結構調整前后方案的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值(表2).結果表明,2010年的規(guī)劃方案土地生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值總額比規(guī)劃基準年1996年的增加了3.51億元,增加幅度為7.23%.其中,林地所增加生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值最多,為89.81%;耕地所減少的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值最大,達到4.89億元.總體而言,可以認為方案基本可行.其次,針對該規(guī)劃方案,基于EILP建立鄭州市不確定性下土地利用規(guī)劃環(huán)評方案優(yōu)化模型,即:ΜaxESV±=6∑i=1S±iX±i;s.t6∑i=1X±i≤ΤL-10∑i=7Xi(土地面積約束);X±1≥AL(耕地最小面積約束);X±2≥OL(園地最小面積控制在2007年水平約束);X±3≥FL(林地最小面積約束);X±6≥UL(未利用土地最小面積控制在2007年水平約束);5∑i=1B±iX±i≥GDΡ(2010年GDP目標約束);(X±5+X7)×Q-11≤LQ(城鎮(zhèn)/工礦/交通/農村居民點的COD排放量約束)式中,X±1~X±6是決策變量,分別為2010年的耕地、園地、林地、水面、城鎮(zhèn)、工礦和交通、未利用地面積(hm2);X7~X10為農村居民點、水利設施建設、牧草地和其他用地面積,分別為49140、9702.4、847.8和2171.7hm2;TL為土地總面積,為753256.3hm2;AL為規(guī)劃中2010年基本農田面積,為283900hm2;OL為園地最小保留面積,設定為2007年水平,為16658.2hm2;FL為《鄭州市林業(yè)發(fā)展“十一五”規(guī)劃》的林地面積目標,為140000hm2;UL為未利用地最小保留面積,設定為2007年水平,為124839.07hm2;GDP為2010年的規(guī)劃目標,為3835.8億元;Q1為鄭州市2010年COD排放總量的預測值,為4.88×104t;LQ為年單位COD排放總量(t)所需土地承載面積(hm2·t-1),LQ=(maxX±5+X±7)/Q2,其中,X±5包括城鎮(zhèn)、工礦和交通用地面積,X7為農村居民點用地面積,X±5最大值為120543.81hm2,為鄭州市國土資源管理部門對其的最大約束,X7=49140.0hm2,采用2010年規(guī)劃值,Q2為鄭州市“十一五”環(huán)保規(guī)劃中2010年COD排放總量目標值(5.21×104t),計算得到2010年LQ為3.26hm2·t-1(以COD計);B±i為第i種土地利用方式單位面積年GDP(104元·hm-2),該數(shù)據(jù)是利用鄭州市國土資源局《鄭州市1997~2007年土地利用二級類面積統(tǒng)計表》、鄭州市統(tǒng)計局統(tǒng)計年鑒(1996~2007年)、鄭州市人民政府關于加快發(fā)展水產業(yè)的意見(鄭政9號)等資料,采用線性回歸和冪指數(shù)回歸等方法得到(置信水平為95%),其中,B±1~B±5分別為[2.12,2.46]×104、[4.10,4.48]×104、[1.65,2.0]×104、[14.8,17.2]×104和[700,832]×104元·hm-2;S±i為第i種土地利用方式生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值系數(shù),為確定數(shù),S±1~S±6分別為6114.3、6406.5、19334.0、40676.4、0和0元·hm-2(Costanzaetal.,1997;唐弢等,2007).4在確定環(huán)境方案過程中,eilp能強化并強化并落實到環(huán)境風險決策的計算利用Lingov10.0編程計算,得到最優(yōu)的土地利用配置方案,即X±1=[283900,283900]hm2、X±2=[16658.2,16658.2]hm2、X±3=[140000,140000]hm2、X±4=[74053.06,82872.65]hm2、X±5=[43124.48,51944.07]hm2、X±6=[124839.1,124839.1]hm2.相應的,在滿足2010年GDP目標(3835.8×109元)之外,生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的最大值區(qū)間和期望值分別為[7561.5,7920.3]×106元和7740.9×106元,顯然,不管是上限還是下限,優(yōu)化后的規(guī)劃方案的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值皆高于原規(guī)劃方案,約為原規(guī)劃方案的1.45~1.52倍.結果表明,按照本文的不確定性土地利用規(guī)劃環(huán)評方案優(yōu)化,不僅可以進一步提高環(huán)境目標可達性,而且還能實現(xiàn)社會經濟目標;因此,系統(tǒng)優(yōu)化將對規(guī)劃環(huán)評方案具有顯著影響,有必要在未來融合型或調整型規(guī)劃環(huán)評融入系統(tǒng)優(yōu)化思想.當然,如果有足夠數(shù)據(jù)支撐建立鄭州市土地利用與COD排放污染源之間的響應關系,則可以進一步評估優(yōu)化后的規(guī)劃方案的環(huán)境影響程度,然后依據(jù)本文方法框架的第二次優(yōu)化實現(xiàn)環(huán)境保護補救措施最優(yōu)化.從方法學來看,EILP能充分反映參數(shù)不確定性且能開展環(huán)境風險決策分析.比如,當不考慮B±i的不確定性時,假設取上述區(qū)間值的中間值,則傳統(tǒng)優(yōu)化方法得到的最優(yōu)的土地利用配置方案為X1~X6分別為283900、16658.2、140000、78843.86、47153.27、124839.1hm2,相應地,生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的最大值為7756.4×106元.顯然此結果比較單一,不僅無法表征不確定性水平下的生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值,也無法為決策者提供可供選擇的不同風險水平下的決策方案.比如,本文采用的EILP所得到結果,可以提供5個決策方案(本文案例中C±,即S±i為確定值):①當單位面積年GDP為下限,即參數(shù)B±i為高風險水平下,相應的極端決策X1={xj|x+1opt=283900,x+2opt=16658.2,x+3opt=140000,x+4opt=82872.65,x+5opt=51944.07,x+6opt=124839.1},相應的目標函數(shù)值為7920.3×106元;②參數(shù)B±i為低風險水平下的極端決策X2={xj|x+1opt=283900,x+2opt=16658.2,x+3opt=140000,x+4opt=74053.06,x+5opt=43124.48,x+6opt=124839.1},相應的目標函數(shù)值為7561.5×106元;③參數(shù)B±i為中等風險水平下的非極端決策X3={