基于SD的區(qū)域水環(huán)境承載力分析與研究

鄭志國(guó) 張新明 楊豐云 楊會(huì)清 張忠科 譚 璐（山東省泰安水文水資源勘測(cè)局 泰安 271001）

基于SD的區(qū)域水環(huán)境承載力分析與研究

鄭志國(guó) 張新明 楊豐云 楊會(huì)清 張忠科 譚 璐（山東省泰安水文水資源勘測(cè)局 泰安 271001）

采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，建立了泰安市人口、經(jīng)濟(jì)、水資源、水環(huán)境間的動(dòng)態(tài)反饋與相互作用模型，模擬了泰安市未來(lái)20年水環(huán)境的演變趨勢(shì)，并對(duì)各種策略下的水環(huán)境承載力進(jìn)行仿真模擬，為地區(qū)水資源利用、水環(huán)境保護(hù)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

水環(huán)境 水環(huán)境承載力 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

1 引言

良好的區(qū)域水環(huán)境是人類賴以生存的基礎(chǔ)。但水體污染導(dǎo)致的水質(zhì)惡化使區(qū)域水環(huán)境逐步失去生態(tài)功能，嚴(yán)重制約著地區(qū)生存和健康發(fā)展。水環(huán)境承載力已經(jīng)成為一個(gè)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要研究課題。本文通過(guò)建立泰安市水環(huán)境演變的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，模擬了泰安市未來(lái)20年水環(huán)境的演變趨勢(shì)，并對(duì)各種策略下的水環(huán)境承載力進(jìn)行仿真模擬，為地區(qū)水資源利用、水環(huán)境保護(hù)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2 水環(huán)境承載力的研究方法

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（System Dynamics，簡(jiǎn)稱SD）是由美國(guó)麻省理工學(xué)院教授福雷斯特于1956年創(chuàng)立的一門分析和模擬動(dòng)態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)的學(xué)科，對(duì)于認(rèn)識(shí)和處理高階次、非線性、多重反饋的時(shí)變系統(tǒng)是一種極為有效的認(rèn)識(shí)工具和模擬方法。崔鳳軍運(yùn)用SD模型分析了不同策略下的城市水環(huán)境承載力，惠泱河采用SD模型模擬了陜西關(guān)中地區(qū)在自然—人工二元模式下的水資源承載力。

水環(huán)境承載力是指在一定的時(shí)期和水域內(nèi)，在一定生活水平和環(huán)境質(zhì)量要求下，在水環(huán)境功能不朝惡性方向轉(zhuǎn)變的條件下，水環(huán)境子系統(tǒng)所能容納的各種污染物以及可支撐的人口與相應(yīng)人類各種社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模的閾值。水環(huán)境承載力與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人口、資源、環(huán)境系統(tǒng)密不可分，這些系統(tǒng)之間聯(lián)系的紐帶就是人，人類通過(guò)消耗資源維持社會(huì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值，排放廢物于環(huán)境中，同時(shí)投資治理環(huán)境污染，維持環(huán)境功能。水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)關(guān)系見(jiàn)圖1。

水環(huán)境承載力系統(tǒng)由GDP子系統(tǒng)、人口子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)、水環(huán)境子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)流圖見(jiàn)圖2。

2.1 GDP子系統(tǒng)

GDP的增長(zhǎng)需要增加對(duì)水資源的需求，加劇了水資源的緊張程度，增加廢水的排放，造成水環(huán)境的污染，而同時(shí)GDP的增長(zhǎng)促進(jìn)了水資源的利用程度，提高了水資源的重復(fù)利用率，從而為GDP的增長(zhǎng)提供了源泉和動(dòng)力。

2.2 人口子系統(tǒng)

人口子系統(tǒng)對(duì)于水環(huán)境承載力的影響體現(xiàn)在人口的增長(zhǎng)，生活用水的增加以及生活污水排放的增加。

2.3 水資源子系統(tǒng)

水資源子系統(tǒng)包括可供水資源量和需水量，前者包括地下水資源量、地表水資源量以及中水回用量，需水量包括GDP用水量、生活用水量。

2.4 水環(huán)境子系統(tǒng)

水環(huán)境子系統(tǒng)包括污水排放量、處理量、污染物負(fù)荷、河流水環(huán)境容量等，本研究以CODcr為控制指標(biāo)計(jì)算水環(huán)境容量，在忽略河流降解能力的情況下，河流水環(huán)境容量=（入河污水量+天然徑流量）×水質(zhì)目標(biāo)，其中依據(jù)泰安市大汶河流域水功能區(qū)規(guī)劃，CODcr按地表水Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)值40mg/l計(jì)算，CODcr污染負(fù)荷=污水量×污染物CODcr濃度，該系統(tǒng)主要研究在各種條件下污染負(fù)荷與水環(huán)境容量的關(guān)系。

表1 2005年泰安市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表2 變量變化趨勢(shì)

圖3 各策略下的水環(huán)境承載力指數(shù)

本研究采用Vensim軟件進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模，Vensim仿真軟件是美國(guó)Ventana公司推出的基于Windows操作平臺(tái)軟件，主要用于科學(xué)、環(huán)境和社會(huì)系統(tǒng)的建模，主要應(yīng)用步驟為：①定義變量；②定義變量間的連接；③定義變量間的關(guān)系；④模型結(jié)構(gòu)和模型行為檢驗(yàn)；⑤運(yùn)行模擬。

3 建立水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1 指標(biāo)確定

水環(huán)境承載力的量化離不開指標(biāo)體系的確立，水環(huán)境承載力指標(biāo)體系包括以下7項(xiàng)：

（1）供水緊張程度：可用水資源量與需水量的比值，該值越大，說(shuō)明水環(huán)境承載力越大。

（2）河流水環(huán)境容/負(fù)比：等于水環(huán)境容量與COD污染負(fù)荷比值，該數(shù)值越大說(shuō)明水環(huán)境承載力越大。

（3）人均GDP：反映經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)。

（4）單位水資源GDP：用每立方米水資源消耗量產(chǎn)出的GDP表示，反映了生產(chǎn)對(duì)水環(huán)境索取強(qiáng)度，等于萬(wàn)元GDP用水的倒數(shù)。

（5）單位污水排放量的GDP：每立方米污水排放產(chǎn)出的GDP，等于GDP萬(wàn)元污水排放量的倒數(shù)。

（6）生活污水回用量：該數(shù)值越大，對(duì)水環(huán)境承載力的貢獻(xiàn)越明顯。

（7）生產(chǎn)污水回用量：該數(shù)值越大，對(duì)水環(huán)境承載力的貢獻(xiàn)越大。

3.2 水環(huán)境承載力的定量表述

4 應(yīng)用實(shí)例——泰安市水環(huán)境承載力分析與研究

4.1 泰安市水環(huán)境分析

泰安市多年平均天然水資源總量為19.22億m3，其中地表水徑流量13.48億m3。多年平均水資源可利用總量為17億m3，其中地表水可利用量為6.3億m3，地下水可開采量為10.7億m3。豐水年為25.38億m3，平水年為17.9億m3，枯水年為13.3億m3。由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，用水量急劇增加，部分集中開采區(qū)已形成地下水降落漏斗區(qū)。除了資源性缺水，全市地表水、地下水都受到不同程度的污染，無(wú)法起到生態(tài)環(huán)境調(diào)控功能，由污染造成的工農(nóng)業(yè)用水與生活用水供需矛盾日益突出。

4.2 模型建立

4.2 .1 確定模型初始狀態(tài)

在建立水環(huán)境承載力模型基礎(chǔ)上，以2005年泰安市的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為模型的初始狀態(tài)，模擬在不同策略下各指標(biāo)2005～2025年的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)主要參考《泰安市2005年統(tǒng)計(jì)年鑒》、《泰安市2005年水資源公報(bào)》、《泰安市水資源調(diào)查與評(píng)價(jià)》等。各項(xiàng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。4.2.2主要方程構(gòu)建

該模型包括變量和常量共63個(gè)，主要方程包括：

（1）工業(yè)總產(chǎn)值=INTEG（+工業(yè)產(chǎn)值年增長(zhǎng)量，工業(yè)產(chǎn)值現(xiàn)值） 單位：萬(wàn)元

（2）三產(chǎn)產(chǎn)值=INTEG（+三產(chǎn)產(chǎn)值年增長(zhǎng)量，三產(chǎn)現(xiàn)值）單位：萬(wàn)元

（3）人口=INTEG（+人口年增長(zhǎng)量，人口現(xiàn)值）單位：萬(wàn)人

（4）可供水資源量=可用地表水量+可用地下水量+生活污水回用量+生產(chǎn)污水回用量+外流域調(diào)水量 單位：m3

（5）需水量=工業(yè)用水量+三產(chǎn)用水量+農(nóng)業(yè)用水量+生活用水量 單位：m3

4.2 .3 模型驗(yàn)證

將2000年～2004年作為歷史回顧性檢驗(yàn)時(shí)間，把歷史參數(shù)輸入模型進(jìn)行仿真計(jì)算，然后與歷史實(shí)際發(fā)生的行為數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，模型行為與實(shí)際具有一致性。

4.2 .4 策略設(shè)計(jì)與仿真模擬

控制反饋回路中的決策變量，分別模擬現(xiàn)狀條件下、節(jié)水條件下、提高污水處理?xiàng)l件下、提高中水回用條件下和綜合策略下系統(tǒng)的發(fā)展變化過(guò)程。

（1）現(xiàn)狀條件下污水處理及中水回用均維持現(xiàn)狀，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人口增長(zhǎng)，到2025年對(duì)水資源的需求增加，缺水狀況越來(lái)越嚴(yán)重，水環(huán)境質(zhì)量變差。

（2）節(jié)約用水。在模型中，根據(jù)泰安市的節(jié)水潛力，逐步采取節(jié)水措施，以表函數(shù)的形式逐步減少生活、生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)灌溉用水，用水變化見(jiàn)表2。

（3）污水處理。提高污水處理率，以表函數(shù)形式在模型中逐步提高生活和生產(chǎn)污水的處理率，增加環(huán)境水資源量，污水處理率變化見(jiàn)表2。

（4）中水回用。中水主要是指生活及生產(chǎn)污水在經(jīng)過(guò)處理后達(dá)到一定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可在一定范圍內(nèi)重復(fù)使用的非飲用雜用水，該措施在改善水質(zhì)的同時(shí)，使中水成為重要的水資源來(lái)源，提高了水資源的有效使用，回用率變化見(jiàn)表2。

（5）綜合策略，綜合以上 2、3、4各策略。

4.3 仿真結(jié)果與方案對(duì)比

通過(guò)計(jì)算得出各種策略下的水環(huán)境承載力指數(shù)見(jiàn)圖3，通過(guò)分析可以看出，節(jié)水、提高污水處理率和現(xiàn)狀策略下的水環(huán)境承載力呈下降趨勢(shì)，對(duì)于水環(huán)境承載力的提高作用不明顯，不能滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)水環(huán)境的要求。綜合策略下的水環(huán)境承載力指數(shù)最大，其次是提高中水回用率，通過(guò)實(shí)現(xiàn)污水資源化，可以有效增大區(qū)域水環(huán)境承載力。

5 結(jié)論

從不同策略下泰安市水環(huán)境承載力的仿真結(jié)果看，如維持現(xiàn)狀，泰安市的水環(huán)境將持續(xù)惡化，只有采取綜合措施，通過(guò)節(jié)水、提高污水處理率和回用率等措施才能有效緩解泰安市水環(huán)境問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速可持續(xù)發(fā)展