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SWAT模型及其在水环境非点源污染研究中的应用引言水环境的非点源污染是全球范围内环境污染的重要问题之一。
由于非点源污染的随机性和分散性，对其进行精确的监测和预测是一项具有挑战性的任务。
SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是一种被广泛应用于水资源管理和环境保护领域的模型，其在水环境非点源污染研究中发挥着重要作用。
本文将就SWAT模型的原理及其在水环境非点源污染研究中的应用进行探讨，并结合实际案例分析SWAT模型的实际效用。
一、SWAT模型原理SWAT模型是美国农业部开发的一种集成水文和生态模型，主要用于评估土地利用变化对流域水文水质的影响。
SWAT模型基于物理机理和经验关系，能够模拟流域内地表径流、土壤水分含量、植被生长、氮磷输移和含沙量等过程，是一种集成了气候、土壤、植被、地形、水文和管理措施等多种因素相互作用的水文生态过程模拟工具。
SWAT模型的核心是将流域划分为大小不等的子集，然后对每个子集进行水文过程的模拟。
模型输入主要包括气象数据、土地利用数据、土地管理措施、地形数据等。
模型输出主要包括流域内径流量、水质、土壤侵蚀、植被生长等信息。
SWAT模型采用了土地利用-土壤分类系统（LULC）和土地利用管理措施（LUM）来描述土地利用的分布和管理措施的变化。
模型还能够考虑降雨、蒸发蒸腾、径流、土壤湿度、植被生长、土壤侵蚀、氮磷输移等多种水文生态过程。
二、SWAT模型在水环境非点源污染研究中的应用1. 地表径流和非点源污染模拟地表径流是流域水文循环的一个重要组成部分，也是非点源污染的主要扩散途径。
SWAT模型利用流域内不同土地利用类型和土壤类型的特性参数，能够准确地模拟地表径流过程，并结合水质模块对流域水体中的污染物扩散进行模拟。
通过SWAT模型的模拟可以评估不同土地利用和管理方式对地表径流和非点源污染的影响，为流域水资源保护和管理提供支持。
2. 氮磷输移模拟氮磷是农业生产中常见的污染物，对水环境造成严重的影响。
数学建模学号：姓名：诸震亚班级：数学11211级数学《数学建模与数学实验(实践)》任务书一、设计目的通过《数学建模与数学实验(实践)》实践环节，掌握本门课程的众多数学建模方法和原理，并通过编写C语言或matlab程序，掌握各种基本算法在计算机中的具体表达方法，并逐一了解它们的优劣、稳定性以及收敛性。
在熟练掌握C语言或matlab语言编程的基础上，编写算法和稳定性均佳、通用性强、可读性好，输入输出方便的程序，以解决实际中的一些科学计算问题。
二、设计教学内容1线性规划（掌握线性规划的模型、算法以及Matlab 实现）。
整数线性规划（掌握整数线性规划形式和解法）。
2微分方程建模（掌握根据规律建立微分方程模型及解法；微分方程模型的Matlab实现）。
3最短路问题（掌握最短路问题及算法，了解利用最短路问题解决实际问题）。
行遍性问题（了解行遍性问题，掌握其TSP算法）。
4回归分析（掌握一元线性回归和多元线性回归，掌握回归的Matlab实现）。
5计算机模拟（掌握Monte-carlo方法、了解随机数的产生；能够用Monte-carlo解决实际问题）。
6插值与拟合（了解数据拟合基本原理，掌握用利用Matlab工具箱解决曲线拟合问题）。
2摘要本文针对水库突发性事故排污问题，首先通过建立二维水质污染物浓度模型，给出了单个水库对干流造成大面积污染的可能性；然后建立两水库排污模型，分析了在另一水库有连续点源污染物排放及水流相互影响的情况下，两水库对干流造成大面积污染的可能性大小；并进一步针对第三种情况的发生，给出在短时间内控制污染的有效措施；且讨论了若污染物具有挥发性，上述各情况造成干流发生大面积污染的可能性大小，为水库事故性排污问题提供了有价值的理论依据。
关键词：水库排污；污染物浓度；流量；水流速度34一、问题的提出近年来水库污染问题日益严重，某条江流上有2条支流，每条支流上都兴建了规模相当的水库。
由于正处在雨水多发季节，因此两个水库都以一定规模的流量进行泄洪。
swat模型水质模块的改进及其在海河流域中的应用下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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一、单选题（共2题，6分）1、循环经济原则中的首要原则是（）。
A、减量化B、早规划C、再利用D、资源化正确答案：A2、美国垃圾资源回收的高峰是在以下哪个时期？（）A、 1910sB、 1920sC、 1930sD、 1940s正确答案：B二、判断题（共1题，2分）1、未来循环经济的走向是从销售产品到销售服务。
（）正确答案：正确一、单选题（共3题，9分）1、以下不属于中等收入国家的是（）。
A、墨西哥B、马来西亚C、以色列D、中国正确答案：C2、走出中等收入陷阱的关键是（）。
A、人力资本积累B、技术进步C、劳动生产率提高D、以上都是正确答案：D3、调入“中等收入陷阱”国家的特征是（）。
A、经济增长回落B、贫富分化C、就业困难D、以上都有正确答案：D二、判断题（共2题，4分）1、提升产业结构，构造经济增长新动力有助于跨越中等收入陷阱。
（）正确答案：正确2、中国没有陷入“中等收入陷阱"的风险。
（）正确答案：错误一、单选题（共3题，9分）1、我国人口红利期临近尾声的表现不包括（）。
A、老龄化程度不断提高B、劳动人口平均年龄增长C、新生代劳动者对就业要求提高D、劳动人口增多正确答案：D2、内需拉动的经济发展应以（）为发展的主阵地。
A、城乡结合部B、乡镇C、城市D、农村正确答案：C3、抵抗人口老龄化的基本路径是（）。
A、福利结构调整B、城镇化发展C、国家收入增长D、教育水平提高正确答案：B二、判断题（共2题，4分）1、改革开放以后，我国经济迅猛增长的因素之一是人口红利。
（）正确答案：正确2、内需拉动的经济发展是以科技化为核心的，规模空前浩大的发展过程。
（）正确答案：错误一、单选题（共2题，6分）1、导致农村空心化的主要原因是（）。
A、农村基础设施的落后B、教育水平的提高C、户籍制度变革D、青壮劳动力流向城市正确答案：D2、以下不属于农村空心化带来的后果的是（）oA、城镇化导致的农村人口减少B、青壮年迁出导致的老龄化C、从事农业的人口年龄不断减小D、非农劳动力比重的提高正确答案：C二、判断题（共2题，4分）1、秸秆焚烧和农药化肥的滥施会对农村生态环境带来损害。
第17卷第5期 2008年10月系统管理学报
JournalofSystems&ManagementVol.17No.5
Oct.2008
文章编号:1005-2542(2008)05-0531-05
基于制度变量的流域排污权交易系统模型
孙 卫, 袁林洁, 唐树岚(西安交通大学管理学院,西安710049)
【摘要】根据交易比率系统(TRS)模型,引入污水处理厂和基于排污总量控制的区域负荷标准2个制度变量,建立了新的成本有效流域排污权交易系统模型,并进行了仿真。结果表明,新模型使排污交易系统总削污成本明显小于TRS模型总削污成本,而且,随着区域负荷标准的下降,每个排污源的削污量逐渐增加,委托污水处理厂的处理量逐渐上升,排污权的交易量逐渐减少,流域总的排污量逐渐下降。关键词:排污权交易;制度安排;模型;仿真中图分类号:F205 文献标识码:A
OnWatershed-basedPermit-tradingSystemModelwithInstitutionalVariables
SUNWei, YUANLin-jie, TANGShu-lan(SchoolofManagement,Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710049,China)
【Abstract】Toestablishacost-effectivemodelofwatershed-basedpermit-tradingsystemsuitableforChi-na,twoinstitutionalvariables,whichweresewagetreatmentplantsandregionalwaterpollutantloadsbasedontotalemissioncontrolwerebroughtinMing-FengHungandDaigeeShaw'strading-ratiosystem.Aftersimulating,theresultsshowedthatthenewmodelcouldachievelesstotalabatementcostthanthemodel'sofMing-FengHungandDaigeeShaw.Moreoverwithdecreaseofregionalloads,everypointsourceswouldhavemorevolumeofabatementbythemselves,whichledtothetreatmentvolumeofsewagetreatmentplantsincreasingandtradingvolumeofpermitdecreasing.Asaresult,totalvolumeofemissionwoulddecrease.Keywords:permit-trading;institutionalpolicies;model;simulation
收稿日期:2007-11-12 修订日期:2008-05-07基金项目:国家自然科学基金资助项目(70573073)作者简介:孙 卫(1967-),男,博士,副教授。研究方向为技术投资与研发管理,可持续发展与排污权交易。E-mail:sunwei@mail.xjtu.edu.cn
排污权是指排污单位或个人向环境排放污染物的一种行政许可资格,其实质是一种经济权利,一种稀有资源。20世纪70年代,戴尔斯首次提出排污权交易的概念[1]。排污权交易是一种基于市场的环境管理手段,通常以排放许可证作为交易的对象。随着排污权交易在国际大气污染和流域水污染控制等方面的研究与实践,它已成为世界各国关注的实现环境总量控制的有效手段。30年来,国外排污权交易系统领域的研究已取得较为丰富的研究成果。目前,以区域排污权交易为研究对象的非均衡污染物排污权交易系统研究,已成为排污权交易的重点领域。其中,最为典型的是由Hung等提出的交易比率系统(Trading-RatioSystem,TRS)[2]。他们的研究表明,当交易比率等
于区域间外生污染传递系数(区域间的转移因子)时,排污权可以依据交易比率在排污源之间自由交易,使交易成本大大减少;在没有交易成本并追求成本最小化的前提下,排污源之间无论是采用同时交易还是序列双边交易(有时间先后,两两交易)都可以使排污权交易系统达到成本有效。而成本有效[3]是指在满足环境质量(污染物的浓度或总量)的前提下,排污权交易的结果使整个系统中所有排污源的总削污成本达到最小,它是评判排污权交易系统有效性的重要指标。还有学者提出了环境许可系统(Ambient-PermitSystem,APS)[4]、排污抵消系统(Pollution-OffsetSystem,POS)[5]、兑换率排污交易系统(Exchange-RateEmissionTradingSystem,ERS)[6]。Timothy等指出,储存暂时不用的排污权
可以缓和由于污染排放控制不完善所带来的价格波动[7]。还有学者对流域点源和非点源排污源之间排
污权交易进行了研究,并检验了其对交易均衡和交易比率的影响[8]。
值得注意的是,TRS避免了APS中为建立排污权的投资组合而带来的高额交易成本,避免了POS中的搭车问题,以及交易之前进行交易仿真结果检验所带来的高交易成本,也降低了ERS中,排污权交易之后违背环境质量标准的可能性。因此,TRS是一个在最小总削污成本条件下,满足预先设定的环境质量标准,实现成本有效的水污染最优控制模型。我国关于排污权交易理论的研究始于20世纪90年代初期。随着我国环保力度的加大和排污权交易的试点及推广,排污权交易的探讨逐渐成为我国污染控制领域的热点问题。已由综述国外排污权交易理论,总结我国排污权交易试点城市的经验,拓展到国外实践的借鉴、排污权的初始分配与交易机制设计、立法及制度研究等方面。特别是进入21世纪后,面对水污染日益严重的现实,学者们开始了对流域排污权交易系统的研究。王书国等应用区域经济学和流域管理学等相关理论,初步探讨了流域排污权交易理论模型[9]。尹云松等探讨了流域排污权
初始分配问题[10]。赵来军以淮河流域为例,研究了
我国跨流域水污染纠纷协调机制,建立了排污权交易调控模型,并计算出了排污权交易价格和削减额[11]。但是,与国外相比,我国流域排污权交易的
理论研究仅仅处于起步阶段,还存在着污水处理资金短缺,治理成果反复等问题。因此,如何通过市场机制弥补污水处理所需资金,如何通过排污权交易可持续地治理流域水污染,已成为亟待解决的问题。为此,本文在Hung等[2,4]的基础上,引入污水处理厂和基于排污总量控制的目标区域负荷标准2个制度变量,建立新的成本有效流域排污权交易系统模型,并进行仿真。1 模型的建立1.1 制度调整与研究假设鉴于我国流域水污染治理现状,本文引入2个制度变量:①由社会资本投资的污水处理厂。它们拥有并使用排污权,但不参与排污权交易;②基于排污总量控制,每年流域中目标区域负荷标准将下降一定比例,直到区域负荷量达到理想的目标。前者旨在通过市场调节,弥补污水处理巨大的资金缺口;后者旨在通过市场调节,促进排污源之间“优胜劣汰”,实现可持续的水流域污染控制。由于河流具有单向流动的特点,上游(i区域)污染物对下游(j区域)污染物的转移因子tij>0,下游污染物对上游污染物几乎没有影响,则tji=0。为了研究方便,假设:(1)一份排污权代表一单位的排污量,且所有的区域划分、流域总负荷标准、流域可排放总量及区域负荷标准都已知;(2)环境管理部门把流域划分为n个区域,并对区域从上游到下游进行排序并编号,最上游区域为1,最下游区域为n。为了模型简化,假设每个区域只有一个排污源和一个污水处理厂,每个排污源及污水处理厂的编号与其所在区域的相同。每个区域只有一个排污源,所以,排污源i和k之间的排污权交易量Tik相当于区域之间的交易量;(3)所有排污源和污水处理厂都是理性投资者。上游区域排污源的排污权只会卖给下游区域的排污源;理性的排污源和污水处理厂会以利益最大化、成本最小化为目的买卖和使用排污权;(4)排污权交易中不存在交易成本,流域各区域内的排污源只能委托本区域内的污水处理厂进行污水处理。1.2 模型的建立基于TRS模型,本文新建的成本有效的排污权交易系统模型只考虑所有排污源的削污成本。排污源i的总削污成本如下:ci(e0i-ei-di)+dipi+∑i-1k=1Pi(tkiTki)-∑nk=i+1PiTik(1)式中:e0i为排污源削污前最初的排污量;ei为排污源i的排污量;di为委托污水处理厂i处理的污水量;ci为排污源i的单位削污成本;pi为污水处理厂i处理污水的价格;Pi为区域i中排污权的交易价格;tki为上游区域k对下游区域i的污染物转移因
532系 统 管 理 学 报第17卷 子;Tki为排污源k和i之间的排污权交易量;∑i-1k=1Pi(tkiTki)表示排污源i购买排污权的购买成本;∑nk=i+1PiTik表示排污源i出售排污权的收入。将n个排污源的总削污成本加总,所有买方付出的排污权的购买成本与卖方出售排污权的收入相抵,因此,n个排污源的总削污成本为∑ni=1[ci(e0i-ei-di)+dipi](2)包括了所有排污源自身的削污成本和委托污水处理厂处理的成本。因此,在达到环境标准的前提下,实现成本有效的排污权交易系统的表达式为:minei,di,Tki,Tik∑ni=1[ci(e0i-ei-di)+dipi](3)s.t.∑ni=1tij(ei+diβ)≤Ej(4) ei≤ Ti+(1-β)di+∑i-1k=1tkiTki-∑nk=i+1Tik(5) ei∈[0,e0i];Tki≥0,Tik≥0;di≥0;Ej≥0(6)式中:i,j=1,2,…,n;β为排污源i转让其排污权给污水处理厂i的转让比例; Ti为排污源i初始状态所拥有的排污权;diβ表示污水处理厂i所拥有的排污权;(1-β)di表示排污源i通过委托污水处理厂处理而节约下来的排污权。式(4)表示区域j所有的污染物排放量必须≤区域j的区域负荷标准。式(5)表示排污源i的当前排放量必须≤其当前拥有的排污权所对应的排污量。2 模型仿真与结果分析2.1 模型仿真为便于与TRS模型的仿真结果[2]进行比较,本文采用Matlab7.0,选取与TRS一致的仿真背景与仿真基础数据。2.1.1 模型仿真背景 如图1所示,假设整个水流图1 流域及其区域示意图域有4个区域,编号分别为1～4。每个区域只有一个排污源,编号与其所在区域号相同。TRS模型计算出区域间的转移因子(交易比率)如表1所示。模型仿真所需相关基础数据如表2所示。
