第三节 战略环境评价的内容与方法

一、相关技术要求

自2003年《中华人民共和国环境影响评价法》正式实施以来，环境影响评价已成为我国最重要的预防性环境管理制度和手段。随着战略环评地位的逐步提升，我国出台了多项相关的法律法规、技术导则和管理文件等，对战略环评及规划环评的定位、适用范围、主要内容、技术方法等提出了要求（见图1-5）。

1．法律法规

1）《中华人民共和国环境影响评价法》

《中华人民共和国环境影响评价法》（以下简称《环评法》）规定，“国务院有关部门、设区的市级以上地方人民政府及其有关部门，对其组织编制的土地利用的有关规划，区域、流域、海域的建设、开发利用规划，应当在规划编制过程中组织进行环境影响评价，编写该规划有关环境影响的篇章或者说明。规划有关环境影响的篇章或者说明，应当对规划实施后可能造成的环境影响做出分析、预测和评估，提出预防或者减轻不良环境影响的对策和措施，作为规划草案的组成部分一并报送规划审批机关。”《环评法》还规定：“国务院有关部门、设区的市级以上地方人民政府及其有关部门，对其组织编制的工业、农业、畜牧业、林业、能源、水利、交通、城市建设、旅游、自然资源开发的有关专项规划，应当在该专项规划草案上报审批前，组织进行环境影响评价，并向审批该专项规划的机关提出环境影响报告书”“专项规划的环境影响报告书应当包括以下内容：（一）实施该规划对环境可能造成影响的分析、预测和评估；（二）预防或者减轻不良环境影响的对策和措施；（三）环境影响评价的结论。”

2）《规划环境影响评价条例》

《规划环境影响评价条例》（以下简称《条例》）规定，“对规划进行环境影响评价，应当分析、预测和评估以下内容：（一）规划实施可能对相关区域、流域、海域生态系统产生的整体影响；（二）规划实施可能对环境和人群健康产生的长远影响；（三）规划实施的经济效益、社会效益与环境效益之间，以及当前利益与长远利益之间的关系。”《条例》还规定，“编制综合性规划，应当根据规划实施后可能对环境造成的影响，编写环境影响篇章或者说明。”其中，“环境影响篇章或者说明应当包括下列内容：（一）规划实施对环境可能造成影响的分析、预测和评估，主要包括资源环境承载能力分析、不良环境影响的分析和预测及与相关规划的环境协调性分析；（二）预防或者减轻不良环境影响的对策和措施，主要包括预防或者减轻不良环境影响的政策、管理或者技术等措施。环境影响报告书除包括上述内容外，还应当包括环境影响评价结论，主要包括规划草案的环境合理性和可行性，预防或者减轻不良环境影响的对策和措施的合理性和有效性，以及规划草案的调整建议。”

2．技术导则——《规划环境影响评价技术导则 总纲》（HJ 130—2014）

《规划环境影响评价技术导则 总纲》（HJ130—2014）对规划环境影响评价的一般性原则、内容、工作程序、方法和要求做出相关规定。规划环评的目的是通过评价提供规划决策所需的资源与环境信息，识别制约规划实施的主要资源（如土地资源、水资源、能源、矿产资源、旅游资源、生物资源、景观资源、海洋资源等）和环境要素（如水环境、大气环境、土壤环境、海洋环境、声环境、生态环境等），确定环境目标，构建环境影响评价指标体系，分析、预测与评价规划实施可能对区域、流域、海域生态系统产生的整体影响，对环境和人群健康产生的长远影响，论证规划方案的环境合理性和对可持续发展的影响，论证规划实施后环境目标和指标的可达性，形成规划优化调整建议，提出环境保护对策、措施和跟踪评价方案，协调规划实施的经济效益、社会效益与环境效益，以及当前利益与长远利益的关系，为规划和环境管理提供决策依据。

规划环境评价的主要内容应包括规划分析、现状调查与评价、环境影响识别与评价指标体系构建、环境影响预测与评价、规划方案综合论证和优化调整建议、环境影响减缓对策和措施、环境影响跟踪评价、公众参与和评价结论。

3．管理文件

1）《关于以改善环境质量为核心加强环境影响评价管理的通知》

《关于以改善环境质量为核心加强环境影响评价管理的通知》（以下简称《通知》）发布的目的是适应以改善环境质量为核心的环境管理要求，切实加强环境影响评价管理，落实“生态保护红线、环境质量底线、资源利用上线和环境准入负面清单”约束，建立项目环评审批与规划环评、现有项目环境管理、区域环境质量联动机制，更好地发挥环评制度从源头防范环境污染和生态破坏的作用，加快推进改善环境质量。《通知》提出，“规划环评要探索清单式管理，在结论和审查意见中明确‘三线一单’相关管控要求，并推动将管控要求纳入规划。”《通知》重点强化“三线一单”的约束作用。

（1）生态保护红线是生态空间范围内具有特殊、重要生态功能必须实施强制性严格保护的区域。

相关规划环评应将生态空间管控作为重要内容，规划区域涉及生态保护红线的，在规划环评结论和审查意见中应落实生态保护红线的管理要求，提出相应对策措施。除受自然条件限制、确实无法避让的铁路、公路、航道、防洪管道、干渠、通信线路、输变电站等重要基础设施项目外，在生态保护红线范围内，应严控各类开发建设活动，依法不予审批新建工业项目和矿产开发项目的环评文件。

（2）环境质量底线是国家和地方设置的大气、水和土壤环境质量目标，也是改善环境质量的基准线。

有关规划环评应落实区域环境质量目标管理要求，提出区域或行业污染物排放总量管控建议，以及优化区域或行业发展布局、结构和规模的对策措施。项目环评应对照区域环境质量目标，深入分析预测项目建设对环境质量的影响，强化污染防治措施和污染物排放控制要求。

（3）资源是环境的载体，资源利用上线是各地区能源、水、土地等资源消耗不得突破的“天花板”。

相关规划环评应依据有关资源利用上线，对规划实施及规划内项目的资源开发利用，区分不同行业，从能源、资源开发等量或减量替代、开采方式和规模控制、利用效率和保护措施等方面提出建议，为规划编制和审批决策提供重要依据。

（4）环境准入负面清单是基于生态保护红线、环境质量底线和资源利用上线，以清单方式列出的禁止、限制等差别化环境准入条件和要求。

要在规划环评清单式管理试点的基础上，从布局选址、资源利用效率、资源配置方式等方面入手，制定环境准入负面清单，充分发挥环境准入负面清单对产业发展和项目准入的指导和约束作用。

2）《“十三五”环境影响评价改革实施方案》

根据《“十三五”环境影响评价改革实施方案》, “十三五”环境影响评价工作的总体思路应以改善环境质量为核心，以全面提高环境影响评价有效性为主线，以创新体制机制为动力，以“三线一单”为手段，强化空间、总量、准入环境管理，划框子、定规则、查落实、强基础，不断改进和完善依法、科学、公开、廉洁、高效的环境影响评价管理体系。

要明确战略环境评价、规划环境影响评价、项目环境影响评价的定位、功能、相互关系和工作机制。战略环境评价重在协调区域或跨区域发展环境问题，划定红线，为“多规合一”和规划环境影响评价提供基础。规划环境影响评价重在优化行业布局、规模、结构，拟定负面清单，指导项目环境准入。项目环境影响评价重在落实环境质量目标管理要求，优化环保措施，强化环境风险防控，做好与排污许可的衔接。

（1）推进战略环境评价。

深入开展战略环境评价工作，制定落实“三线一单”的技术规范。强化战略环境评价应用，健全成果应用落实机制，将生态保护红线作为空间管制要求，将环境质量底线和资源利用上线作为容量管控和环境准入要求，各级环境保护部门在编制有关区域和流域生态环境保护规划时，应充分吸收战略环境评价成果，强化生态空间保护，优化产业布局、规模、结构。开展政策环境评价试点，完成新型城镇化、发展转型等重大政策环境评价试点研究，初步建立以政策制定机关为主体、有关方面和专家充分参与的政策环境评价机制及技术框架体系。

（2）强化规划环境影响评价。

强化规划环境影响评价的约束和指导作用，不断强化“三线一单”在优布局、控规模、调结构、促转型中的作用，以及对项目环境准入的强制约束作用。健全与国家发展改革委、工业和信息化部、自然资源部、住房和城乡建设部、交通运输部、水利部等部门协同推进规划环境影响评价机制。推行规划环境影响评价清单式管理，根据改善环境质量目标，制定空间开发规划的生态空间清单和限制开发区域的用途管制清单，制定产业开发规划的产业、工艺环境准入清单，实现重点产业园区规划环境影响评价全覆盖，强化清单式管理。

3）《关于规划环境影响评价加强空间管制、总量管控和环境准入的指导意见（试行）》

《关于规划环境影响评价加强空间管制、总量管控和环境准入的指导意见（试行）》要求，规划环境影响评价应充分发挥规划环境影响评价优化空间开发布局、推进区域（流域）环境质量改善及推动产业转型升级的作用，并在执行相关技术导则和技术规范的基础上，将空间管制、总量管控和环境准入作为规划环境影响评价成果的重要内容；加强空间、总量、环境准入管控，并将空间管制、总量管控和环境准入管控成果充分融入规划编制、决策和实施的全过程，切实发挥优化规划目标定位、功能分区、产业布局、开发规模和结构的作用，推进区域（流域）环境质量改善，维护生态安全。

（1）强化空间管制，优化空间开发格局。

规划环境影响评价应结合区域特征，从维护生态系统完整性的角度，识别并确定需要严格保护的生态空间，作为区域空间开发的底线，并据此优化相关生产空间和生活空间布局，强化开发边界管制。当生产空间、生活空间与生态空间发生冲突时，按照“优先保障生态空间，合理安排生活空间，集约利用生产空间”的原则，对规划空间布局提出优化调整意见，以保障生态空间性质不转换、面积不减少、功能不降低。

应在生态空间明确的基础上，结合环境质量目标及环境风险防范要求，对规划提出的生产空间、生活空间布局的环境合理性进行论证；基于环境影响的范围和程度，对生产空间和生活空间布局提出优化调整建议，避免或减缓生产活动对人居环境和人群健康的不利影响。

应在全面分析区域生态重要性和生态敏感性空间分布规律的基础上，结合区域经济发展规划、土地利用规划、城乡规划、生态环境保护规划等综合确定生态空间，并与全国和省级主体功能区规划、生态功能区规划、水生态环境功能区规划、生物多样性保护优先区域保护规划、自然保护区发展规划等相协调。生态空间应包括重点生态功能区、生态敏感区、生态脆弱区、生物多样性保护优先区和自然保护区等法定禁止的开发区域，以及其他对于维持生态系统结构和功能具有重要意义的区域。

已经划定生态保护红线的规划区域，应将生态保护红线区作为生态空间的核心部分。同时，应根据规划特点、区域生态敏感性和环境保护要求，将其他需要重点保护的区域一并纳入生态空间。尚未划定生态保护红线的规划区域，要提出禁止开发和重点保护的生态空间，为划定生态保护红线提供参考依据。

规划环境影响评价的空间管制成果应包括：生态空间分布图和优化后的生活空间、生产空间分布图，生产空间、生活空间、生态空间及其组成区块开发管制总图，其他必要的支撑性图件。有关图件应配套编制空间区块说明表，详细说明各空间区块的地理位置、面积、现状、保护对象、准入要求和管制措施等。

（2）严格总量管控，推进环境质量改善。

根据规划区域及其上下游、下风向等周边地区的环境质量现状和目标，考虑气象条件、水文条件等相关因素，按照最不利条件分析并预留一定的安全余量，提出区域（流域）污染物排放总量控制上限建议，作为区域（流域）污染物排放总量管控限值。综合分析环境质量改善目标、排放现状、减排成本和技术可行性，确定区域（流域）污染物排放总量削减的阶段性目标。

根据国家、地方环境质量改善目标及相关行业污染控制要求，结合目前环境污染特征和突出环境问题，确定纳入排放总量管控的主要污染物。主要污染物一般应包括：化学需氧量、氨氮、总磷/磷酸盐等水污染因子，二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机物、烟粉尘等大气污染因子，以及其他与区域突出环境问题密切相关的主要特征污染因子。

针对重点控制污染物，逐一估算每个区域（流域）控制单元内各项污染物的总量管控限值。根据流域特征、水文情势、水质监测和断面设置等划定适当的水体控制单元；水体控制单元应与已有水（环境）功能区、水生态环境功能区相衔接。根据区域大气传输扩散条件、自然地形、土地利用和地表覆盖等划定适当的大气污染控制单元。估算污染物排放总量管控限值，应综合考虑污染源排放强度和特征、最不利排放位置、污染治理设施运行状况，以及环境监测水平、污染物排放监管能力等；还应选择较小的时间尺度开展估算，有条件的可以天为单位提出污染物排放总量管控限值。

综合考虑污染物排放量、排放强度、特征污染物及规划主导产业等，确定区域内纳入总量管控的重点行业。基于行业生产工艺水平、污染控制技术水平及技术进步、污染控制成本等，筛选最佳适用技术（BAT），分析和测算重点行业的减排潜力。根据重点行业污染物排放基数、减排潜力和技术水平等因素，提出该行业的污染物排放总量管控要求。

当区域环境质量现状超标或重点行业污染物排放量已超过总量管控要求时，应根据环境质量改善目标，提出区域或者行业污染物减排任务，推动制定污染物减排方案，以及加快淘汰落后产能、促进产业结构调整、提升技术工艺、加强节能节水控污等措施。必要时，可提出暂缓区域内新增相关污染物排放项目建设等建议，控制行业发展规模，推动环境质量改善。

对于区域（流域）内的产业发展，在满足环境质量目标的前提下，可以赋予地方在具体建设项目污染物排放总量分配上的主动权。在提高产业技术水平、清洁生产水平、区域污染治理水平的背景下，产业发展规模可以在污染物排放总量不突破规定标准的条件下适当扩大。

当规划区域环境目标、产业结构和生产力布局及水文、气象条件等发生重大变化时，应动态调整区域行业污染物总量管控要求，结合规划和规划环境影响评价的修编或者跟踪评价，对区域能够承载的污染物排放总量重新进行估算，不断完善相关总量管控要求。

（3）明确环境准入，推动产业转型升级。

在综合考虑规划空间管制要求、环境质量现状和目标等因素的基础上，论证区域产业发展定位的环境合理性，提出环境准入负面清单和差别化环境准入条件，发挥对规划编制、产业发展和建设项目环境准入的指导作用。

根据区域资源承载力和生态环境保护要求，选取单位面积（单位产值）的水耗、能耗、污染物排放量、环境风险等一项或多项指标，作为制定规划区域行业环境准入负面清单的否定性指标并确定其限值。如果规划拟发展的行业不满足上述指标要求，应将其直接列入环境准入负面清单，禁止规划建设。

建立包括环境影响、资源消耗强度、土地利用效率、经济社会贡献等指标在内的评价指标体系，对重点行业进行综合评价。对于规划区域内资源环境影响突出、经济社会贡献偏小的行业，原则上应列入禁止准入类。限制准入类行业应进一步结合区域环境保护目标和要求、资源环境承载能力、产业现状等确定。

根据环境保护政策规划、总量管控要求、清洁生产标准等，明确应限制或禁止的生产工艺或产品清单。通过列表的方式，提出规划范围内禁止准入及限制准入的行业清单、工艺清单、产品清单等环境准入负面清单，并说明清单制定的主要依据、标准和参考指标。

当区域（流域）环境质量现状超标时，应在推动落实污染物减排方案的同时，根据环境质量改善目标，针对超标因子涉及的行业、工艺、产品等，提出更加严格的环境准入要求。

二、主要工作内容

战略环评通过系统梳理评价区域内社会经济与生态环境发展的功能定位和战略目标，研究分析两者之间的适宜性；深入分析区域内社会经济、主要产业和城镇化发展特征，辨识生态环境演变趋势及其与社会经济发展的相关性；客观分析潜在的经济增长空间，以及生态资源开发和环境容量利用的潜力，研究比较其总量、时序及空间格局的一致性；在充分考虑战略性资源优势转化、生产力布局现实条件和地方发展意愿的基础上，深入论证资源利用、环境可承载的社会经济发展路径，着力推进绿色发展、循环发展、低碳发展；研究提出资源节约、环境友好的新型发展方向及发展调控对策，形成节约资源和保护环境的国土空间开发格局、产业结构和生产方式，为促进区域发展方式的根本性转变提供决策支撑（见图1-6）。

1．战略分析

战略分析就是对战略本身进行系统剖析，分析的焦点是可持续发展问题、产业政策符合性问题、资源利用与环境承载力问题、与上层次和同层次战略/规划的协调性问题。战略分析是实现SEA主要目标的基础性工作。应明确战略制定的背景和定位，梳理战略的近期、中期、远期目标及发展布局、规模、结构等可能对环境造成影响的内容。战略分析应包括概述、协调性分析和不确定性分析等，从战略内容、战略过程和战略组织三个维度进行分析。

2．确定发展目标与路径

战略环评目标的确定可以从两个方面考虑：一是以本底为导向确定，即根据环境本底与识别的环境问题确定战略环评目标，主要目的是解决当前的环境问题；二是以目标为导向确定，首先制定战略行为的可持续性目标，然后确定各类目标以测试各种替代方案是否能实现战略目标，这种方法重点着眼于未来。确定战略环评目标是一个复杂的过程，不应只注重成果，还应注重过程对环境产生的影响。战略环评目标应具有合适的尺度，应与其他战略/规划相协调，并且合理可行。两种确定战略环评目标方法的优缺点如表1-2所示。

在确定战略定位与目标的基础上，设计能够实现发展战略的不同路径，考虑从多种发展方向进行战略分析与战略评价。在设计发展路径时应避免过高或过低地估计未来变化及其影响，应基于对系统重要变化提出的关键假设，对未来变化进行严密推理，同时需要将决策者的意图和愿望作为重要考虑内容。此外，应明确决策焦点，识别关键因素，分析政治、经济、社会、技术等外在驱动力，选择不确定性的轴向，构建合理的发展路径，并对不同发展路径进行描述。构建的发展路径应具有一致性、多样性、不相容性、可行性等特点。

3．环境现状调查与评价

环境现状调查与评价一般包括自然地理状况、社会经济概况、资源禀赋与利用状况、环境质量和生态状况等内容。其过程应充分收集和利用已有的历史数据和现状资料，当已有资料不能满足环境影响评价要求时，应进行补充调查和现状监测。自然地理状况调查主要包括：地形地貌，河流、湖泊（水库）、海湾的水文状况，环境水文地质状况，气候与气象特征等。社会经济概况调查一般包括：评价范围内的人口规模、分布、结构和增长状况，经济规模与增长率，区域的产业结构、主导产业及其布局等。资源禀赋与利用状况调查一般包括土地利用、水资源、能源、矿产资源、生物资源等的分布、总量和利用状况等。环境质量和生态状况调查一般包括水（海洋）、大气、声、土壤等环境要求的功能区规划、保护目标和质量情况。环境现状调查与评价应保证全面性、针对性、可行性与效用性相结合的原则。

4．环境影响识别

根据环境效应强度及发生背景，系统分析战略实施全过程对可能受影响的所有资源、环境要素的影响类型和影响途径。环境影响识别主要包括影响因子识别、影响范围识别两个方面。

影响因子识别应对战略所引发的环境因子的改变及其影响程度进行分析，同时应分析受环境效应的作用而造成的经济增长、人类健康、生态系统稳定性等的改变及相应程度。影响因子包括经济效应因子、社会效应因子、环境效应因子等。

不同层次、不同等级的战略所引发的环境影响范围也不同，可将战略环境影响因子分成全球可持续性因子、自然资源与区域环境因子、地方性环境因子三个不同尺度。战略环境评价影响范围分析应以区域范围内的环境影响为主，兼顾和区域相关的尺度较大或较小的影响（见表1-3）。

5．环境影响预测与评价

环境影响预测主要针对不同的发展路径和发展阶段，分析环境影响的范围、强度、持续时间和变化趋势等。环境影响预测与评价的主要内容包括水资源与水环境、大气环境、声环境、土壤环境、生态环境等方面，还包括不同发展情景对自然保护区、饮用水水源保护区、风景名胜区、基本农田保护区等环境敏感区、重点生态功能区和重点环境保护目标的影响，评价其是否符合相应的环境保护要求。

环境影响预测与评价应评估资源（水资源、土地资源、能源、矿产等）与环境承载能力的现状及利用水平，在充分考虑累积环境影响的情况下，动态分析在不同发展路径和发展时段下可供利用的资源量、环境容量及总量控制指标，重点判定区域资源与环境对战略实施的支撑能力，分析战略实施是否会导致生态系统主导功能发生显著不良变化，甚至主导功能丧失，提出资源利用与环境可承载的建议发展路径。

6．环境保护综合调控方案

根据环境影响预测与评价结果，提出资源节约、环境友好的新型发展方向及发展调控对策，为促进区域发展方式的根本性转变提供决策支撑。针对战略实施可能造成的不利环境影响，提出避免、降低、修复或补偿的措施。常用的措施包括：避免措施，即消除战略中对环境有害的要素；最小化措施，通过限制和调整布局、规模和结构，尽可能地使环境影响最小化；减量化措施，通过采取行政措施、经济手段、技术设备等强制性控制措施，减轻战略对环境的影响；修复补救措施，对于已经造成影响的环境进行修复或补救；重建措施，对于无法修复的环境影响，通过重建的方式代替原有的环境。

三、关键技术方法

1．社会经济模拟方法

1）空间随机采样方法

空间随机采样方法是在一定空间范围内采用特定的采样规则对社会经济单元（如土地、人口等）进行分配的方法，其基础是蒙特卡罗（Monte Carlo）方法。该方法是继机理分析法和直接相似法之后又一种重要的建模方法，其基本原理是当试验次数（N）充分多时，某一事物出现的频率近似等于该事件发生的概率。当利用蒙特卡罗方法求解问题时，首先，建立概率模型，把需要求解的问题与概率模型联系起来；然后，通过随机抽样试验得到某些统计特征量作为待求问题的近似解。该方法普遍适用于很难建立数学模型的复杂随机系统，具有简便、建模周期短等特点。

蒙特卡罗方法的收敛速度与样本数相关，要使结构随机模拟结果的精度提高1位需要增加100倍的模拟计算工作量，因此采用蒙特卡罗方法求解问题往往需要巨大的模拟计算量。在提高确定性结构非线性分析精度基础上，高效地进行随机变量抽样、建立正确的随机结构样本及合适、稳定的反应量统计估计是提高模拟效率与精度的重要途径。为提高蒙特卡罗方法的效率，科研人员开展了大量对随机采样过程进行改进的研究，其中比较常用的是拉丁超立方采样法。拉丁超立方采样法是由McKay等人于1979年首先提出的，其基本原理是依据各输入参数的统计特征（分布形态及定义域范围），利用等概率分层的采样方法产生各参数的随机样本，即将参数的定义域划分为若干连续的区域，而每个区域参数取值的累积概率都是相同的。利用该采样方法能够有效减少输入参数组合的数量，当参数取值范围广、参数个数较多时，该方法更有利于提高计算效率。

2）基于元胞自动机的建模方法

20世纪40年代，美国数学家John Von Neumann在考虑自我复制机的可能性基础上创造的第一个二维的元胞自动机（Cellular Automata, CA）。20世纪80年代，诺依曼（Wolfram）提出了元胞自动机理论并创建了著名的FHP模型。近年来，基于元胞自动机的建模方法与相关建模技术不断发展，已被广泛应用于构造生长、复制、竞争与演化等现象的研究。基于元胞自动机的建模方法是一种在时间、空间、状态三个维度上高度离散化的模型，其空间相互作用和时间因果关系都基于空间网络的微观动力学，因此对于复杂系统的时空演化具有较强的模拟能力，通常用于自组织系统演变过程的研究。

复杂系统一般是由很多子系统或基本单元组成的。子系统或基本单元之间的相互作用产生了并非叠加效果的系统整体特性。基于这种思想，在建模时元胞自动机将模型空间以某种网格形式划分为许多单元（也被称为基元、格位、网格或元胞），每个元胞的状态以离散值表示，在简单情况下可取0或1，在复杂情况下可取多值。按照马尔科夫链理论，元胞状态的更新由其自身及其相邻元胞的前一时刻的状态共同决定，不同的网格形式、状态集和操作规则将构成不同的元胞自动机。

基于元胞自动机的建模方法具有如下技术特点：元胞自动机是一种离散的动态系统，其时间、空间和状态都是离散的，而物理参量只取有限数值集；元胞自动机作为动力学系统的理想化模型，其基本结构用数学中的图表示，由若干节点和连接节点的边构成，在描述复杂系统结构和过程时，上述节点一般表示一个子系统，节点元素都可以看作一个自动机；每个元胞都是完全相同的有限自动机，故具有“以多取胜”而不是“以复杂取胜”的优势；元胞自动机是一个生命自我复制程序和自动网格模型，其演化规则是局部的、确定的。

托布勒（Tobler）在1979年首次提出将基于元胞自动机的模型应用于空间模拟，进而出现了第一批基于元胞自动机思想对于城市扩张进行模拟的模型。20世纪90年代开始，CA模型开始应用于对真实城市的模拟。应用于城市用地模拟的元胞自动机历史、主要方法和应用等具体见Batty和Inés Santé等的文章。

3）基于主体的建模方法

基于主体的建模方法（Agent Based Modeling, ABM）兴起于20世纪70年代的计算机人工智能领域。自20世纪90年代以来，Agent已成为计算机和人工智能领域研究的重要前沿，许多领域（如社会科学、经济系统、生物科学、工程技术、仿真科学等）都开展了相关研究。基于主体的建模方法在ABM的基础上拓展到对社会、经济问题的研究，体现了社会科学、计算机模拟和基于主体的计算技术三个领域研究的有机结合。它能够有效地模拟、刻画系统参与主体决策的行为特征，以及参与主体之间、参与主体与环境之间的相互作用关系，以自底向上的方式解释复杂适应系统的动态变化特征。

基于主体的建模方法是一种基于智能技术的新方法，对复杂适应系统建模有着普遍的、重要的作用。该方法具有以下优势：与传统方法相比，Agent技术不仅可提供建模方法，而且可给出问题的解，还可以演示系统演化的全部动力学特征，这是传统分析方法或数值方法无法实现的；对于无法求解或没有合适方法求解或许多参数无法计算的系统和问题，采用Agent技术可详尽地研究系统的多种特征，并对问题进行求解；对于无法形象描述或无法进行数学计算的问题，可以通过Agent交互来解决，而这类问题广泛存在于经济系统、社会系统和环境系统中；已有基于Agent的建模和开发工具成功应用于复杂系统的问题求解研究。

基于Agent的模型可以反映每个微观主体的决策影响，对于系统的自适应性及个体差异性进行重点考虑。这种方法在政策效应模拟、资源需求预测、区域发展预测等方面都得到了非常广泛的应用。但是，当基于Agent的模型应用于空间模拟过程时，其对数据的要求较高，容易受到数据不足和可靠性的制约，并且不同主体之间的行为规则及约束通常难以识别。

4）微观模拟方法

20世纪60年代，随着计算机技术的迅速发展，经济数学模型研究提出了微观分析模拟模型（Microanalysis Simulation Model，以下简称微观模拟模型）。半个世纪以来，随着微观模拟模型的建模技术的不断发展和完善，以及政府统计部门微观数据资源的日益丰富，微观模拟模型得到日益广泛的应用，已经成为分析和制定经济政策的有效工具。

微观模拟方法源自微观计量经济方法，微观模拟系统往往比基于主体的模拟系统在结构上更为清晰、简洁。以离散选择模型为例，起初大多数文献是从实证研究的角度来研究能否利用离散选择模型来描述、解释某些地区历史上的企业、居民等个体实际的选择行为；后来微观模拟系统将企业投资的随机生成模块与离散选择模型结合，再考虑到企业的迁移行为，就得到用于模拟未来区域产业布局的系统。

微观模拟模型是在微观计量经济方法基础上发展而来的，微观模拟系统主要是由能够通过历史数据实证检验的微观计量经济模型模块构成的。其通过自下而上地将对微观个体的模拟进行加总，广泛应用于在政策影响下的区域社会人口、产业发展特征的研究。相对于基于Agent的模型，微观模拟模型简化了对不同经济主体之间相互作用的考虑，微观模拟模型的参数通常能够通过历史数据实证检验。

微观经济学模型在应用过程中需要解决的主要技术问题包括：①与宏观经济学模型明确的经济学假设相比，微观经济学模型在定义微观主体行为的过程中往往缺少理论及经验基础，需要使用者做出更多的行为假设，而这些行为假设在不同研究中可能存在较大差异；②微观经济学模型在描述微观主体行为变化方面存在不足，模型描述主体行为方程的参数往往是与时间无关的常数，无法反映主体行为的时间动态性；③微观经济学模型需要大量的、高质量的微观经济数据，现有的宏观经济数据通常无法直接应用于微观经济学模型，因此在区域工业布局模拟过程中获取有效的基础数据存在一定难度；④微观经济学模型的应用过程计算量较大，计算效率受限，对计算平台有一定的要求。

2．环境压力模拟方法

1）污染物排放强度分析法

污染物排放强度是指单位生产单元（企业、行业、经济产出、劳动力、区域、国家等）的污染物排放，是测算模拟区域社会经济发展造成的污染物排放及环境风险的重要方法。目前，污染物排放强度指标主要基于产值或增加值计算，按照污染与经济活动的整合方式可以划分为两类：污染物排放外生计算方法和污染物排放内生计算方法。

污染物排放外生计算方法是在应用经济模型模拟经济活动的基础上，通过外生的污染物排放系数直接折算出污染物排放量。该方法采用完全独立、外生的污染物排放强度信息，污染物排放对于经济主体的行为不产生任何影响。例如，日本国立研究所将SO2、NOx排放因子引入其开发的综合模型AIM/CGE中；Xu和Masui在该模型基础上研究中国硫税收、SO2总量控制、能源效率提升等控制SO2的政策对SO2及温室气体减排的作用，研究的时间范围为1997—2020年；Faehn和Holmoy在挪威建立多部门分析模型，分析贸易自由化政策对大气、固体废弃物排放处置的影响，采用的外生排放系数包括了六种温室气体及固体废弃物处置量。

污染物排放内生计算方法将污染物排放的计算过程与经济模型进行内部整合，通常可以分为两种类型：一种类型是在经济系统中增加独立的污染治理部门，以治理部门为负责削减污染物的经济主体；另一种类型是不在经济系统中设立独立的污染治理部门，通过对企业的生产函数进行改造，将污染物削减投入、污染物排放嵌入生产函数中，测算企业个体的污染物排放水平规律。第一种类型如Xie和Saltzman提出的具有拓展性环境账户的中国环境—社会核算矩阵及CGE模型，该模型分别设立了废水、固体废弃物、粉尘对应的污染治理部门，计算三种污染物的污染排放。第二种类型如Fare等将污染物排放作为经济生产的副产物，采用线性函数研究美国火电行业污染物减排行为和传统生产率提升的相关性，研究时间范围为1985—1995年。

基于经济价值的污染物排放强度分析法受市场价格波动影响较大，并且不能表征一定用地空间范围内的污染特征，与基于土地的区域发展情景无法结合。东阳等通过典型城市案例调研，收集了不同行业企业用地及其环境污染物排放数据信息，建立了单位用地面积的工业行业污染物排放强度指标，分析了该市19个主要工业行业的污染物排放特征，并将其与产值污染物排放强度进行对比，分析了两者之间的差异；另外，提出选用单位用地污染物排放强度，这在一定程度上避免了重点污染行业识别偏差的问题，并且该指标能很好地与规划结合，识别结果可以给区域空间规划和环境评估提供一定的基础支持。

2）承载力评价方法

承载力的概念最早可以追溯到19世纪，其在生态学领域用于衡量某个区域内在某一环境条件下可维持某种物种个体的最大数量。自20世纪中叶以来，承载力研究在人口、土地资源、森林资源、水资源、能源、环境管理、畜牧业、种植业、旅游、生态、城市规划等领域都得到了广泛应用和研究。承载力也发展为某个区域资源环境所能支撑的经济规模、容纳污染物能力、资源供给能力、生态服务供给能力等，并成为衡量区域可持续发展能力的重要指标之一。在研究中，通常以污染物排放量（资源消耗量）与可容纳污染物能力（资源供给能力）的比值作为衡量的标准。

区域综合承载力研究起源于20世纪60年代末。Meadows等学者利用系统动力学模型深入分析了世界范围内人口增长、工业化发展与资源过度消耗、环境恶化和粮食生产的关系，构建了世界模型，并预测到21世纪中叶全球经济增长将达到极限。Slesser提出采用ECCO（Enhancement of Carrying Capacity Option）模型，把世界看作闭合系统，在“一切都是能量”的假设前提下，综合考虑人口—资源—环境—发展之间的相互关系，以能量为折算标准，建立系统动力学模型，模拟在不同发展策略下人口与资源环境承载力之间的弹性关系，从而确定以长远发展为目标的区域发展优选方案。

国内学者20世纪90年代开始关注资源承载力和环境承载力的相关研究，并在区域综合承载力研究上开展尝试。曾维华等人将环境容量与资源供给进行综合考虑，选择五个指标计算综合承载力指数，以此为依据判断各区域发展的优劣点；王学军等提出了地理—环境—人口承载潜力，采用二级模糊综合评价方法，通过构建评估指标体系，并采用层次分析法求得指标的权重，从自然、社会、经济三个层面就中国省级区域的地理环境承载力进行了评判；余丹林、毛汉英、高群等结合状态空间法与系统动力学模型测算了由三类27个指标构成的环渤海地区区域承载力，并对其历史及未来变化趋势进行了分析和预测；孙莉等选取土地、水资源、交通和环境要素4类12个指标，采用层次分析法确定各指标权重，评价了我国主要城市群承载力综合得分及其短板要素。

现有资源环境承载力的研究以实证为主，其中大部分文献是基于调研、文献综述、数据统计、模拟等的研究方法，以某个国家或某个区域为研究对象，对资源环境承载力进行单因素或多因素的综合评价。资源环境承载力评价方法包括生态足迹法、AHP层次分析法、聚类分析法、模糊综合评价法、系统动力学方法等，常用模型包括神经网络模型、灰色系统模型、多元回归模型、动力学模型等。目前综合承载力的评价多采用构建指标体系的思路，其中，对指标的选择受到数据可得性的约束，通常利用现有数据如统计指标或简单计算可获得的指标值进行环境承载力的评价，在指标选择、单要素指标量化、综合指标量化方面尚存在诸多需要进一步研究的问题。

资源环境承载力评估的方式和方法主要有情景分析法、类比分析法、供需平衡分析法、系统动力学分析法、生态学分析法等。

3）环境数学模型法

环境数学模型法是指用数学形式定量地表示环境系统或环境要素的时空变化过程和变化规律。环境数学模型是对自然系统（如气候、生态系统、流域、大气）或其中一部分（如大气污染、土壤侵蚀）的简化和模拟。环境数学模型包括大气扩散模型、水文与水动力模型、水质模型、土壤侵蚀模型、沉积物迁移模型、物种栖息地模型等。

环境数学模型法能够较好地定量描述多个环境因子和环境影响的相互作用及其因果关系，充分反映了环境扰动的空间位置和密度，可以分析空间累积效应及时间累积效应，具有较大的灵活性（适用于多种空间范围，可用来分析单个扰动及多个扰动的累积影响，以及物理、化学、生物等各方面的影响）。环境数学模型法一般对基础数据要求较高，只能应用于人们了解比较充分的环境系统，并应用于建模所限定的条件范围内，费用较高；另外，环境数学模型法通常只能分析单个环境要素的影响。

（1）水环境数值模拟。

水质模型（Water Quality Model）根据物质守恒原理，采用计算机语言描述水体中各种水质组分间随时间和空间变化而发生的物理、化学、生物及各种生态变化，是反映水体中内在污染物迁移转化规律和相互关系的一种数学模型。水质模型可提供河流水质和河流污染物的定量关系，可按照空间维数、时间相关性、数学方程的特征，以及所描述的对象和现象进行命名和分类。根据研究水体水质的空间维数，可将水质模型划分为零维水质模型、一维水质模型、二维水质模型和三维水质模型。零维水质模型通常将计算单元看作一个均匀的整体，可用于水库和湖泊的水体水质模拟计算，也可用于计算其他维度模型的初始值和估算值。一维水质模型和二维水质模型主要根据河流的横向尺度和纵向尺度的比值来选择：当河流的横向尺度远远小于其纵向尺度时，就选择一维水质模型；二维水质模型常用于宽浅式河流中。水质模型分类与选择如表1-4所示。

根据不同尺度、地形特征和研究对象，选择相应的适用模型。模型数据库主要包括属性数据库和空间数据库。属性数据库主要包括气象数据、水文水质数据、土壤属性数据、水库、点源污染等；空间数据库主要包括遥感影像数据、土地利用图、植被覆盖度图、流域水系图、行政区划图、土壤类型图、DEM等。

（2）大气环境数值模拟。

大气质量模型基于人类对大气物理、化学过程的科学认识，运用气象学原理及数学方法，从水平方向和垂直方向在大尺度范围内对空气质量进行仿真模拟，再现污染物在大气中输送、反应、清除等过程。大气质量模型是分析大气污染时空演变规律、内在机理、成因来源、建立“污染减排”与“质量改善”间定量关系，以及推进我国环境规划和管理向定量化、精细化过渡的重要技术方法。

自1970年至今，大气质量模型的发展大概分为三代。第一代大气质量模型：20世纪70—80年代，EPA推出了第一代大气质量模型，包括ISC、AERMOD、ADMS、OZIP/EKMA、CALPUFF等。这些大气质量模型又分为箱式模型、高斯扩散模型和拉格朗日轨迹模型，并均采用简单的、参数化的线性机制描述复杂的大气物理过程，适用于模拟惰性污染物的长期平均浓度。第二代大气质量模型：随着对大气边界层湍流特征的研究，人们逐渐开发了第二代大气质量模型，主要包括UAM、ROM、RADM等。这些大气质量模型均属于欧拉数值大气质量模型，加入了比较复杂的气象模式和非线性反应机制，并将被模拟区域分成许多三维网格单元，模拟每个网格单元大气层中的化学变化过程、云雾过程。另外，第二代大气质量模型仅考虑了单一污染物的大气污染问题。第三代大气质量模型：20世纪90年代后出现的第三代大气质量模型，即以CMAQ、CAMx、WRF-Chem、NAQPMS等为代表的综合大气质量模型。这些大气质量模型综合考虑了在实际大气中各污染物间的相互转化和相互影响。根据应用尺度、研究对象等，可以进行大气质量模型的选择。大气质量模型的分类与选择如表1-5所示。

3．不确定性分析方法

由于环境系统的复杂性和不可预见性、观测数据的不足及系统表现描述的局限性等，环境系统建模存在很大的不确定性。不确定性分析通俗地讲就是误差分析，分析由于系统外部输入的不确定性及环境机理认识的不确定性导致的模型结构的不确定性、参数识别的不确定性和预测未来的不确定性。

事实上，不确定性更多地体现了人类对复杂环境系统认识能力的不足。1973年，O'Neill等首次在生态系统研究中提出了不确定性和误差分析的概念。此后，不确定性分析逐渐受到重视。20世纪80年代初提出的HSY方法应用方便，不需要太多的假设条件，不需要对模型进行修改，在模型不确定性分析中得到了广泛的应用。与此同时，其他的不确定性分析方法也被引入水环境分析中，如最大似然方法（Maximum Likelihood, ML）、广义的卡尔曼滤波方法（Extended Kalman Filter, EKF）等。1987年，Beck发表的文章对数学模型不确定性产生的原因、不确定性的传播、参数识别及如何进行试验设计以减小不确定性进行了系统分析和阐述。GIUE法将似然度分析引入不确定性分析领域，认为与实测值最接近的模拟值所对应的参数应具有最高的可信度，离实测值越远，可信度越低，似然度越小。目前，不确定性分析已经成为模型应用不可缺少的一部分，其基本框架如图1-7所示。

数学模型的不确定性分为三类：环境系统的随机性和不可预见性；数据的不确定性，包括数据缺失和失真；模型的不确定性，包括模型结构和参数两个方面。对参数识别过程而言，主要的不确定性有数据的不确定性、模型结构的不确定性和参数估值方法带来的不确定性。

不确定性的表达方式反映了人们认识不确定性的方法。目前广泛使用的不确定性分析方法有随机采样方法，如HSY法、GLUE法、灵敏度分析、一阶误差分析、二阶误差分析、卡尔曼滤波法等。模型结构的不确定性是模型不确定性的根本来源，并直接导致了模型参数的不确定性。由于直接研究模型结构的不确定性非常困难，因此在实际研究中通常从参数的不确定性开始。

参数的不确定性分析方法可分为三类，即参数不确定性分析发展的三个阶段：传统一阶估算法、贝叶斯推理法、马尔科夫链蒙特卡罗法（Markov Chain Monte Carlo, MCMC）。

假设模型系统为f，模型输入为η，模型输出为y，则给定模型参数θ和模型输入η，模型输出可表示为

y=f（η, θ）+ε

式中，ε 为均值为0、方差为δ2的独立误差。

假设残差η相互独立，符合高斯分布且方差恒定，在t时刻状态变量的观测值为，在模拟值为y（t）的情况下，参数θ 的似然度计算公式为

式中，n为观测样本数；δ 2为样本方差。

1）传统一阶估算法

传统的参数后验分布一阶估算法是在全局最优解θopt处一阶泰勒展开计算的。当模型为线性或接近于线性时，方程估算的参数后验分布能较好地反映参数的真实不确定性。然而，对于非线性模型（大多数环境模型），该方法的适用性较差。

2）贝叶斯推理法

贝叶斯推理法可充分利用先验信息，获得参数后验分布，不再是一组单一的最优参数，从而在一定程度上避免了由于“最优”参数失真而带来的决策风险。然而，它的数值解法并非总是容易的、直接的，因此在实际应用中需要进行随机变量的离散化。贝叶斯推理方法应用的主要障碍在计算方面，即使采用高性能计算机进行模拟，也面临着计算复杂性的问题。

在实际应用中，在贝叶斯推理法基础上发展的HSY法得到了较为广泛的应用。其基本思想是：将目标函数寻优变为可信参数集搜索，即针对目标函数值设定可接受条件，在参数空间内通过随机采样搜索那些使得目标函数值满足可接收条件的参数，把这些参数记录下来构成可信参数集，并在获得可信参数集的基础上，研究输入数据的不确定性和参数的不确定性向模拟结果的传递。主要步骤如下：①确定参数可能取值的采样空间，即确定参数取值的上限、下限及空间统计分布特征；②设计目标函数，根据已测数据，为目标函数值设定可接受的条件，该条件将被用来把模拟结果及其对应的参数取值划分为可接受和不可接受两种类型；③参数在采样空间随机采样，用采样的参数进行系统模拟；④根据参数模拟的结果对参数进行归类，分别对应于两种划分类型；⑤重复步骤③和步骤④，直至找到要求数量的可以接受的参数为止。

3）MCMC法

自1907年俄国数学家Markov提出马尔科夫链（Markov Chain）的概念以来，经过世界各国几代科学家的相继努力，目前马尔科夫链已成为内容十分丰富、理论相当完整的数学分支。马尔科夫链有严格的数学定义，其直观意义可理解为：在随机系统中下一个将要达到的状态仅依赖于目前所处的状态，与以往所经历的状态无关。

用马尔科夫链的样本对不变分布、Gibbs分布、Gibbs场、高维分布或样本空间非常大的离散分布等进行采样，并用于随机模拟的方法，统称为马尔科夫链蒙特卡罗法（Markov Chain Monte Carlo, MCMC），这是动态的Monte Carlo方法。这种方法的问世，使随机模拟在很多领域的计算中显示了巨大的优越性。相对于Monte Carlo方法，MCMC法可大大降低计算量。