申请/专利权人：珠江水利委员会珠江水利科学研究院;广东工业大学

申请日：2024-01-16

公开（公告）日：2024-04-26

公开（公告）号：CN117575178B

主分类号：G06Q10/063

分类号：G06Q10/063;G06Q50/26;G06F18/27

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.26#授权;2024.03.08#实质审查的生效;2024.02.20#公开

摘要：本发明涉及减污降碳技术领域，尤其涉及一种基于STIRPAT模型的水环境治理与碳减排协同度评估方法。所述方法包括以下步骤：对流域水环境区域进行灰水足迹集成计算和碳排放估算，得到区域污染灰水足迹总量和区域碳排放总量；对流域水环境区域进行环境驱动影响分析，以得到区域人类活动环境驱动因子；对区域污染灰水足迹总量和区域碳排放总量以及区域人类活动环境驱动因子进行模型构建，以构建得到基于STIRPAT模型的区域灰水足迹模拟模型和区域碳排放量模拟模型；利用岭回归方法进行模型参数确定岭回归方程并进行协同度评估计算，以得到区域水环境治理与碳减排协同度。本发明能够科学评估水环境治理与碳减排协同度。

主权项：1.一种基于STIRPAT模型的水环境治理与碳减排协同度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：获取流域水环境区域的城市历年统计年鉴资料数据及关键断面水质长序列监测数据；对流域水环境区域进行水质评估计算，以得到流域水环境综合水质标识指数；根据流域水环境综合水质标识指数对流域水环境区域内不同的污染物进行水质级别分析，得到影响流域水环境质量的关键污染物类型；其中，步骤S1包括以下步骤：步骤S11：获取流域水环境区域的城市历年统计年鉴资料数据及关键断面水质长序列监测数据；步骤S12：利用综合水质标识指数评估计算公式对流域水环境区域进行水质评估计算，以得到流域水环境综合水质标识指数；其中，综合水质标识指数评估计算公式具体为： ；式中，为流域水环境综合水质标识指数，为流域水环境区域内河流的综合水质类别，为流域水环境区域内综合水质在类水质变化区间中所处位置，为流域水环境区域内参与水质评价的水质指标中劣于水环境功能区目标的单项指标个数，为流域水环境区域内综合水质类别与水环境功能区目标的比较结果；其中，所述综合水质标识指数评估计算公式中的相应参数的分析过程，包括以下步骤：基于单因子评价法对流域水环境区域进行水质评价分析，以得到区域水质因子；基于区域水质因子通过区域水质监测值与地表水环境质量标准对参数进行比较确定；其中，包括以下步骤：基于区域水质因子通过以下计算公式对参数进行计算： ；式中，为流域水环境区域内河流的综合水质类别，为流域水环境区域内综合水质在类水质变化区间中所处位置，为参与水质评价的区域水质因子个数，为区域水质因子个数度量参数，为第个区域水质因子的单项指数；根据地表水环境质量标准对第个区域水质因子的单项指数进行分析确定，以得到溶解氧指数水质指标以及非溶解氧指数水质指标；当流域水环境区域内河流的水质介于Ⅰ类水和Ⅴ类水之间时，则根据区域水质监测值与地表水环境质量标准进行比较确定参数，如果根据比较结果将流域水环境区域内河流的水质判别为Ⅰ类水，则；如果根据比较结果将流域水环境区域内河流的水质判别为Ⅱ类水，则，以此类推；根据第个区域水质因子的单项指数对参数进行评估计算；其中，根据第个区域水质因子的单项指数对参数进行评估计算，包括：确定第个区域水质因子的单项指数为非溶解氧指数水质指标时，根据以下计算公式并按照四舍五入原则取一位整数对参数进行评估计算： ；式中，为流域水环境区域内综合水质在类水质变化区间中所处位置，为处于Ⅰ类水和Ⅴ类水之间第项非溶解氧指数水质指标的实测质量浓度，为处于Ⅰ类水和Ⅴ类水之间非溶解氧指数水质指标的项次度量参数，为处于Ⅰ类水和Ⅴ类水之间第项非溶解氧指数水质指标的第类水质浓度下限值，为处于Ⅰ类水和Ⅴ类水之间第项非溶解氧指数水质指标的第类水质浓度上限值；确定第个区域水质因子的单项指数为溶解氧指数水质指标时，根据以下计算公式并按照四舍五入原则取一位整数对参数进行评估计算： ；式中，为流域水环境区域内综合水质在类水质变化区间中所处位置，为溶解氧指数水质指标的实测质量浓度，为溶解氧指数水质指标参数，为处于Ⅰ类水和Ⅴ类水之间溶解氧指数水质指标的第类水质浓度下限值，为处于Ⅰ类水和Ⅴ类水之间溶解氧指数水质指标的第类水质浓度上限值；当流域水环境区域内河流的水质劣于或等于Ⅴ类水上限时，根据第个区域水质因子的单项指数对参数进行评估计算；其中，包括以下步骤：确定第个区域水质因子的单项指数为非溶解氧指数水质指标时，根据以下计算公式并按照四舍五入原则取小数点后一位对参数进行评估计算： ；式中，为流域水环境区域内河流的综合水质类别，为流域水环境区域内综合水质在类水质变化区间中所处位置，为处于劣于或等于Ⅴ类水上限时第项非溶解氧指数水质指标的实测质量浓度，为处于劣于或等于Ⅴ类水上限时非溶解氧指数水质指标的项次度量参数，为处于劣于或等于Ⅴ类水上限时第项非溶解氧指数水质指标的第Ⅴ类水质浓度上限值；确定第个区域水质因子的单项指数为溶解氧指数水质指标时，根据以下计算公式并按照四舍五入原则取小数点后一位对参数进行评估计算： ；式中，为流域水环境区域内河流的综合水质类别，为流域水环境区域内综合水质在类水质变化区间中所处位置，为溶解氧指数水质指标的实测质量浓度，为溶解氧指数水质指标参数，为处于劣于或等于Ⅴ类水上限时溶解氧指数水质指标的第Ⅴ类水质浓度下限值，为计算公式修正系数；对参数进行判断分析，如果，则说明流域水环境区域内参与水质评价的水质指标中均优于或达到水环境功能区目标；如果，则说明流域水环境区域内参与水质评价的水质指标中有一项指标劣于水环境功能区目标，以此类推；根据参数与水环境功能区目标对参数进行判断分析，如果综合水质类别好于或达到水环境功能区目标，则；如果综合水质类别差于水环境功能区目标且参数不为0，则，其中，为水环境功能区目标；如果综合水质类别差于水环境功能区目标且参数为0，则；步骤S13：根据流域水环境综合水质标识指数的整数位和小数点后第一位对流域水环境区域内不同的污染物进行水质级别分析，得到影响流域水环境质量的关键污染物类型；步骤S2：对流域水环境区域内影响流域水环境质量的关键污染物类型进行灰水足迹划分计算，以得到点源污染灰水足迹量以及非点源污染灰水足迹量；对点源污染灰水足迹量以及非点源污染灰水足迹量进行集成计算，得到区域污染灰水足迹总量；其中，步骤S2包括以下步骤：步骤S21：利用灰水足迹计算公式对流域水环境区域内影响流域水环境质量的关键污染物类型进行污染物灰水足迹计算，以得到污染物灰水足迹量；其中，灰水足迹计算公式如下所示： ； ；式中，为污染物灰水足迹量，为流域水环境区域内污染物负荷经陆面输移消减后进入水体的负荷量，为达到河流水质标准情况下的污染物最高浓度，为自然条件下区域污染物背景浓度，为入河损失系数，为污染物排放量；步骤S22：通过区域产排污调研并系统梳理形成区域污染源排放清单，根据区域污染源排放清单对流域水环境区域内不同的污染物进行污染源划分分析，以得到流域水环境区域点源污染物负荷以及流域水环境区域非点源污染物负荷；步骤S23：基于污染物灰水足迹量利用点源污染灰水足迹计算公式对流域水环境区域点源污染物负荷进行点源计算，以得到点源污染灰水足迹量；其中，点源污染灰水足迹计算公式如下所示： ；式中，为点源污染灰水足迹量，、、以及分别为工业、第三产业、城镇生活以及规模化畜禽养殖点源所产生的点源灰水足迹量；其中，工业、第三产业、城镇生活以及规模化畜禽养殖点源所产生的点源灰水足迹量根据以下计算公式进行确定： ； ； ； ；式中，、、、分别为工业点源、第三产业点源、城镇生活点源、规模化畜禽养殖点源的入河损失系数，、、、分别为工业点源、第三产业点源、城镇生活点源、规模化畜禽养殖点源的污染物排放量，为达到河流水质标准情况下的污染物最高浓度，为自然条件下区域污染物背景浓度；步骤S24：基于污染物灰水足迹量利用非点源污染灰水足迹计算公式对流域水环境区域非点源污染物负荷进行非点源计算，以得到非点源污染灰水足迹量；其中，非点源污染灰水足迹计算公式如下所示： ；式中，为非点源污染灰水足迹量，、、以及分别为农村生活、种植业、水产养殖以及农村散养畜禽养殖非点源所产生的非点源灰水足迹量；其中，农村生活、种植业、水产养殖以及农村散养畜禽养殖非点源所产生的非点源灰水足迹量根据以下计算公式进行确定： ； ； ； ；式中，、、、分别为农村生活、种植业、水产养殖以及农村散养畜禽养殖非点源污染的入河损失系数，、、、分别为农村生活、种植业、水产养殖以及农村散养畜禽养殖非点源污染的污染物排放量，为达到河流水质标准情况下的污染物最高浓度，为自然条件下区域污染物背景浓度；步骤S25：利用区域灰水足迹集成计算公式对点源污染灰水足迹量以及非点源污染灰水足迹量进行集成计算，得到区域污染灰水足迹总量；其中，区域灰水足迹集成计算公式如下所示： ；式中，为区域污染灰水足迹总量，为点源污染灰水足迹量，为非点源污染灰水足迹量；步骤S3：对流域水环境区域进行环境驱动影响分析，以得到区域人类活动环境驱动因子，其中区域人类活动环境驱动因子包括人口规模驱动因子、经济发展驱动因子以及技术水平驱动因子；对区域污染灰水足迹总量以及区域人类活动环境驱动因子进行模型构建，以构建得到基于STIRPAT模型的区域灰水足迹模拟模型；通过城市历年统计年鉴资料数据利用岭回归方法对基于STIRPAT模型的区域灰水足迹模拟模型进行模型参数确定，以得到区域灰水足迹模型参数；根据区域灰水足迹模型参数建立灰水足迹模型参数岭回归方程；其中，步骤S3包括以下步骤：步骤S31：对流域水环境区域进行环境驱动影响分析，以得到区域人类活动环境驱动因子，其中区域人类活动环境驱动因子包括人口规模驱动因子、经济发展驱动因子以及技术水平驱动因子；步骤S32：通过以下STIRPAT模型表达式对区域污染灰水足迹总量以及区域人类活动环境驱动因子进行模型构建，以构建得到基于STIRPAT模型的区域灰水足迹模拟模型； ；式中，为区域污染灰水足迹总量，为人口规模驱动因子，为经济发展驱动因子，为技术水平驱动因子，为区域灰水足迹模拟模型调整系数，为区域灰水足迹模拟模型的人口规模弹性系数，为区域灰水足迹模拟模型的经济发展弹性系数，为区域灰水足迹模拟模型的技术水平弹性系数，为区域灰水足迹模拟模型误差参数；步骤S33：通过对区域灰水足迹模拟模型的STIRPAT模型表达式等号两边进行对数化处理，以得到灰水足迹模型对数表达式： ；步骤S34：根据灰水足迹模型对数表达式的对数特性对区域人类活动环境驱动因子进行分解处理，以得到区域环境驱动因子分解参数，其中区域环境驱动因子分解参数包括人口规模驱动因子分解得到的城市户籍人口总数以及非农业人口所占比重，经济发展驱动因子分解得到的人均GDP、城镇居民消费占比以及城乡消费水平对比指数，技术水平驱动因子分解得到的第二产业GDP占比值、第三产业GDP占比值以及单位GDP能耗值；步骤S35：通过区域环境驱动因子分解参数对区域灰水足迹模拟模型的STIRPAT模型表达式进行模型扩展，以得到区域灰水足迹模拟扩展模型；其中，经过模型扩展并进行对数化处理后的STIRPAT模型表达式分别为： ； ；式中，为区域污染灰水足迹总量，为区域灰水足迹模拟模型调整系数，为城市户籍人口总数，为区域灰水足迹模拟扩展模型的城市户籍人口总数弹性系数，为非农业人口所占比重，为区域灰水足迹模拟扩展模型的非农业人口所占比重弹性系数，为人均GDP，为区域灰水足迹模拟扩展模型的人均GDP弹性系数，为城镇居民消费占比，为区域灰水足迹模拟扩展模型的城镇居民消费占比弹性系数，为城乡消费水平对比指数，为区域灰水足迹模拟扩展模型的城乡消费水平对比指数弹性系数，为第二产业GDP占比值，为区域灰水足迹模拟扩展模型的第二产业GDP占比值弹性系数，为第三产业GDP占比值，为区域灰水足迹模拟扩展模型的第三产业GDP占比值弹性系数，为单位GDP能耗值，为区域灰水足迹模拟扩展模型的单位GDP能耗值弹性系数，为区域灰水足迹模拟模型误差参数；步骤S36：通过城市历年统计年鉴资料数据利用岭回归方法对区域灰水足迹模拟扩展模型进行模型参数确定，以得到区域灰水足迹模型参数；根据区域灰水足迹模型参数建立灰水足迹模型参数岭回归方程；步骤S4：基于IPCC温室气体排放清单指南方法对流域水环境区域内的碳排放量进行估算，以得到区域碳排放总量；其中，通过以下碳排放计算公式对流域水环境区域内的碳排放量进行估算： ；式中，为区域碳排放总量，为流域水环境区域内能源类型的数量，为流域水环境区域内第类能源的终端消费量，为流域水环境区域内第类能源的碳排放系数；步骤S5：对区域碳排放总量以及区域人类活动环境驱动因子进行模型构建，以构建得到基于STIRPAT模型的区域碳排放量模拟模型；通过城市历年统计年鉴资料数据利用岭回归方法对基于STIRPAT模型的区域碳排放量模拟模型进行模型参数确定，以得到区域碳排放量模型参数；根据区域碳排放量模型参数建立碳排放模型参数岭回归方程；其中，步骤S5包括以下步骤：步骤S51：通过以下STIRPAT模型表达式对区域碳排放总量以及区域人类活动环境驱动因子进行模型构建，以构建得到基于STIRPAT模型的区域碳排放量模拟模型； ；式中，为区域碳排放总量，为人口规模驱动因子，为经济发展驱动因子，为技术水平驱动因子，为区域碳排放量模拟模型调整系数，为区域碳排放量模拟模型的人口规模弹性系数，为区域碳排放量模拟模型的经济发展弹性系数，为区域碳排放量模拟模型的技术水平弹性系数，为区域碳排放量模拟模型误差参数；步骤S52：通过对区域碳排放量模拟模型的STIRPAT模型表达式等号两边进行对数化处理，以得到碳排放量模型对数表达式： ；步骤S53：根据碳排放量模型对数表达式的对数特性对区域人类活动环境驱动因子进行分解处理，以得到区域环境驱动因子分解参数，其中区域环境驱动因子分解参数包括人口规模驱动因子分解得到的城市户籍人口总数以及非农业人口所占比重，经济发展驱动因子分解得到的人均GDP、城镇居民消费占比以及城乡消费水平对比指数，技术水平驱动因子分解得到的第二产业GDP占比值、第三产业GDP占比值以及单位GDP能耗值；步骤S54：通过区域环境驱动因子分解参数对区域碳排放量模拟模型的STIRPAT模型表达式进行模型扩展，以得到区域碳排放量模拟扩展模型；其中，经过模型扩展并进行对数化处理后的STIRPAT模型表达式分别为： ； ；式中，为区域碳排放总量，为区域碳排放量模拟模型调整系数，为城市户籍人口总数，为区域碳排放量模拟扩展模型的城市户籍人口总数弹性系数，为非农业人口所占比重，为区域碳排放量模拟扩展模型的非农业人口所占比重弹性系数，为人均GDP，为区域碳排放量模拟扩展模型的人均GDP弹性系数，为城镇居民消费占比，为区域碳排放量模拟扩展模型的城镇居民消费占比弹性系数，为城乡消费水平对比指数，为区域碳排放量模拟扩展模型的城乡消费水平对比指数弹性系数，为第二产业GDP占比值，为区域碳排放量模拟扩展模型的第二产业GDP占比值弹性系数，为第三产业GDP占比值，为区域碳排放量模拟扩展模型的第三产业GDP占比值弹性系数，为单位GDP能耗值，为区域碳排放量模拟扩展模型的单位GDP能耗值弹性系数，为区域碳排放量模拟模型误差参数；步骤S55：通过城市历年统计年鉴资料数据利用岭回归方法对区域碳排放量模拟扩展模型进行模型参数确定，以得到区域碳排放量模型参数；根据区域碳排放量模型参数建立碳排放模型参数岭回归方程；步骤S6：基于灰水足迹模型参数岭回归方程以及碳排放模型参数岭回归方程对区域污染灰水足迹总量以及区域碳排放总量进行协同度评估计算，以得到区域水环境治理与碳减排协同度；其中，步骤S6包括以下步骤：步骤S61：通过预设的城市户籍人口总数控制措施对区域污染灰水足迹总量以及区域碳排放总量进行协同控制，以得到区域水环境治理与碳减排协同控制结果；步骤S62：基于灰水足迹模型参数岭回归方程以及碳排放模型参数岭回归方程利用协同度评估计算公式对区域水环境治理与碳减排协同控制结果进行协同度评估计算，以得到区域水环境治理与碳减排协同度；其中，协同度评估计算公式如下所示： ；式中，为区域水环境治理与碳减排协同度，为微分符号，为区域污染灰水足迹总量，为区域碳排放总量，为流域水环境区域的基准年灰水足迹量，为流域水环境区域的基准年碳排放量，为城市户籍人口总数；其中，协同度评估计算公式中的和可根据灰水足迹模型参数岭回归方程以及碳排放模型参数岭回归方程进行确定： ； 。

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