2019年美國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽(MCM/ICM) E題解題思路

這次我們選擇的問題是E題，以下是我們解題時候的一些思路。很多不易體現(xiàn)的項目產(chǎn)生對環(huán)境造成影響的指標(biāo)可以由一些等同類型的指標(biāo)來代替，如土地、森林植被被破環(huán)，可以根據(jù)生產(chǎn)率變動方法和置換成本法進行核算，大氣污染可以用疾病成本法等來體現(xiàn)。

題目

經(jīng)濟理論經(jīng)常忽視其決策對生物圈的影響,或者為其需求承擔(dān)無限的資源或能力。這種觀點存在缺陷,現(xiàn)在環(huán)境面臨著后果。生物圈提供了許多自然過程來維持健康和可持續(xù)的人類生活環(huán)境,這被稱為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。例子包括將廢物變成食物,水過濾,種植食物,授粉植物,以及將二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣。然而,每當(dāng)人類改變生態(tài)系統(tǒng)時,我們可能會限制或消除生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。當(dāng)?shù)匦∫?guī)模土地利用變化的影響,例如建設(shè)一些道路,下水道,橋梁,房屋或工廠,可能看起來微不足道。加入這些小型項目,大型項目,如建設(shè)或搬遷大型公司總部,在全國范圍內(nèi)建設(shè)管道,或擴大或改變水道以擴展商業(yè)用途?，F(xiàn)在考慮一下這個地區(qū),國家和世界上許多這些項目的影響。雖然這些活動可能看似單獨對生物圈運作潛力的總體能力無關(guān)緊要,它們直接影響生物多樣性并導(dǎo)致環(huán)境退化。傳統(tǒng)上,大多數(shù)土地利用項目都沒有考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響或考慮到變化。減輕土地利用變化負面結(jié)果的經(jīng)濟成本:污染的河流,空氣質(zhì)量差,危險廢物場所,處理不當(dāng)?shù)膹U水,氣候變化等,往往不包括在計劃中。是否有可能對土地利用開發(fā)項目的環(huán)境成本進行評估?如何在這些項目成本中考慮環(huán)境退化?一旦將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)計入項目的成本效益比,就可以確定和評估項目的真實和全面估值。

您的 ICM 團隊已被聘請創(chuàng)建生態(tài)服務(wù)評估模型,以了解考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時土地利用項目的真實經(jīng)濟成本。使用您的模型對不同規(guī)模的土地利用開發(fā)項目進行成本效益分析,從小型社區(qū)項目到大型國家項目。根據(jù)您的分析和模型設(shè)計評估模型的有效性。您的建模對土地使用項目規(guī)劃人員和管理人員有何影響?您的模型如何隨時間變化?

解題思路

這次比賽題目有點不友好，首先在求解問題的劃分上相對于以往幾年來講不明確，我們大概從上面這段話中，我們自己總結(jié)歸納了以下五個任務(wù)。

• 任務(wù)一：建立評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的模型，并再考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時分析土地利用項目的經(jīng)濟成本。
• 任務(wù)二：將我們的模型應(yīng)用于不同類型的土地利用開發(fā)項目，并量化土地利用項目的成本效益。
• 任務(wù)三：基于模型設(shè)計和模型分析，評估模型的有效性。
• 任務(wù)四：分析我們的模型對土地使用項目規(guī)劃者和管理者的影響。
• 任務(wù)五：隨著時間的推移，對我們的模型做一些合理的調(diào)整。

我們可以知道，本題需建立一個生態(tài)服務(wù)評估模型，根據(jù)不同規(guī)模的土地使用開發(fā)項目對其進行成本效益分析,以此來得到真實的經(jīng)濟成本。

注：土地開發(fā)項目考慮了生態(tài)環(huán)境成本,于是項目真實經(jīng)濟成本就包括土地成本、建設(shè)成本、環(huán)境成本及其它成本。模型隨著時間推移而變化就是考慮環(huán)境成本的時間性和空間性特征。

首先，需根據(jù)各開發(fā)項目，識別其各種可能對環(huán)境產(chǎn)生影響的活動，從中辨識并篩選出對環(huán)境有較大影響的活動作為重點進行研究，確定環(huán)境成本的對象，對象的選擇可以根據(jù)參考提供文獻中 INVEST 模型中所提供的相關(guān)指標(biāo)，然后對該項目的開發(fā)環(huán)境成本進行估算，可以通過查閱相關(guān)資料及題目中所提供的網(wǎng)站查閱相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)其影響的各種環(huán)境要素及其質(zhì)量參數(shù)的特點，選取合適的估算方法和模型，估算出具體開發(fā)項目的環(huán)境成本，如主成分分析法、熵權(quán)法等。而我們團隊運用層次分析法找出了五個顯著影響的方面，為了量化抽象現(xiàn)實情況，我們結(jié)合 MA 的報告呈現(xiàn)，考慮隨著時間變化的一些因素，如氣候，土質(zhì)等等，重新建立了 INVEST 模型，將影響因子計入項目的成本效益比，因此評估結(jié)果得以可視化表達。

擬定降低開發(fā)環(huán)境成本的可行方案，識別出各種因素的負面影響或逆影響，盡量降低環(huán)境成本。其中環(huán)境成本計量方法可采用直接市場評價法、替代市場評價法、非市場評價方法等。我們把模型運用于市區(qū)以及不同國家不同地區(qū)的場景中使用，它的使用評價以及改進方法也隨之而出。

通過上述指標(biāo)(大氣、水、土壤等)的選取及相關(guān)數(shù)據(jù)的估算，最終可以建立一個生態(tài)服務(wù)評估模型，對其項目的環(huán)境成本進行計量。如若開發(fā)一個住宅項目，可以選取其施工過程中存在的噪聲污染、大氣污染、水污染、垃圾污染等對生態(tài)環(huán)境造成的經(jīng)濟損失進行估算，具體估算方法可以參考提供文獻中所用到的計算方法，然后對這些損失通過一定的彌補措施來讓其生態(tài)環(huán)境不受到太大的破壞。由此就要投入一定的環(huán)境成本來緩解這些現(xiàn)象，如垃圾處理設(shè)施所需的成本、消除噪聲裝置所需的成本等等。其他項目也是一樣運用類似思路可以計算其環(huán)境成本。我們在估測實際項目的成本時，通過可采集的數(shù)據(jù)，繪制出了 ROC 曲線，ROC 可用于預(yù)測診斷有效性，而 ROC 曲線下的面積 AUC 被用于作為評價標(biāo)準(zhǔn)來反應(yīng)其成本效益比。而實際項目的復(fù)雜性除了模型結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)問題的限制外，還包括人類決策的影響。對此，我們可以利用基于貝葉斯機器學(xué)習(xí)的 NUTS 生態(tài)模型參數(shù)優(yōu)化方法，提高模型模擬精度，增強模型的實際運用價值。