基于情景分析的城市湖泊流域社會經(jīng)濟(jì)優(yōu)化發(fā)展研究

徐建新，張巧利，雷宏軍，馬喜堂，夏訓(xùn)峰，席北斗*

1.華北水利水電學(xué)院水利學(xué)院，河南 鄭州 450011 2.聊城市水利局，山東 聊城 252061 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

基于情景分析的城市湖泊流域社會經(jīng)濟(jì)優(yōu)化發(fā)展研究

徐建新1，張巧利1，雷宏軍1，馬喜堂2，夏訓(xùn)峰3，席北斗3*

1.華北水利水電學(xué)院水利學(xué)院，河南 鄭州 450011 2.聊城市水利局，山東 聊城 252061 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

以山東省東昌湖流域?yàn)槔陨a(chǎn)、生活、生態(tài)用水指標(biāo)為切入點(diǎn)，從社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境綜合效益最大化角度建立流域社會-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的模糊機(jī)會約束多目標(biāo)優(yōu)化模型，在慣性方案及規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上擬定了三種不同的發(fā)展情景(資源環(huán)境約束型、社會經(jīng)濟(jì)約束型和協(xié)調(diào)發(fā)展型)，采用模糊多目標(biāo)規(guī)劃權(quán)衡各目標(biāo)函數(shù)間的權(quán)重，引入污水處理規(guī)模機(jī)會約束分析，分析規(guī)劃水平年各方案優(yōu)化結(jié)果指標(biāo)，結(jié)合流域現(xiàn)狀及規(guī)劃要求，優(yōu)選最佳社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式及污染物控制措施，提出了流域未來年(2008—2030年)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展模式及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整方向。

湖泊流域；社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展；多目標(biāo)優(yōu)化；水環(huán)境承載力

城市湖泊流域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展可看作是流域“人工-自然”二元系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的結(jié)果，牽涉社會、經(jīng)濟(jì)、陸地生態(tài)、湖泊水、污染物及湖泊水生物等六個(gè)子系統(tǒng)[1]。生態(tài)環(huán)境是人類生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和制約因素[2]，流域可持續(xù)發(fā)展問題的關(guān)鍵在于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人類活動的干擾不能超過環(huán)境的承載能力[3-5]。水資源不僅是流域可持續(xù)發(fā)展最主要的限制因子，而且是聯(lián)系生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的紐帶[6]。水資源短缺已成為地區(qū)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會發(fā)展過程中諸多矛盾的焦點(diǎn)[7]，水量型和工程型缺水問題可通過節(jié)水、工程和管理措施進(jìn)行緩解，而由水環(huán)境污染造成的水質(zhì)型缺水問題則較難以控制[8]，因此，優(yōu)化社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展應(yīng)在流域水質(zhì)水量控制的條件下進(jìn)行。同時(shí)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整可有效促進(jìn)用水結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，減少水污染產(chǎn)生量，緩解生態(tài)環(huán)境壓力，因此對流域進(jìn)行水資源合理配置有助于緩解流域生態(tài)安全問題。

關(guān)于社會經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展協(xié)調(diào)規(guī)劃的研究，有以下進(jìn)程：1)對水資源的研究，集中在水資源調(diào)配規(guī)劃與管理，常用的模型有模擬、優(yōu)化及優(yōu)化與模擬相結(jié)合三種類型，時(shí)段的劃分由全時(shí)段轉(zhuǎn)為逐時(shí)段[9]，模擬多情景，引入模糊化[10]、概率分布[11]及區(qū)間數(shù)表示不確定性[12]，以區(qū)間形式給出結(jié)果[13]；2)對水污染物控制研究，經(jīng)歷了濃度控制、目標(biāo)總量控制、容量總量控制的階段[14]，主要兼顧公平、效率、可行的原則，總量分配方法有等比例分配、費(fèi)用最小法分配、分區(qū)加權(quán)分配、排污指標(biāo)有償分配、基尼系數(shù)法分配、優(yōu)化分配等，目前技術(shù)較為成熟且較可行的為優(yōu)化分配，兼顧了經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的承載能力；3)針對以往規(guī)劃與建設(shè)中水資源規(guī)劃與水污染控制相分離的特點(diǎn)，出現(xiàn)了結(jié)合水資源與污染物控制的研究[15]，以滿足水資源和水環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展；4)隨著社會-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展理論的提出和完善，為環(huán)境可持續(xù)發(fā)展下的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了理論支持，如環(huán)境承載力下的經(jīng)濟(jì)發(fā)展不確定性多目標(biāo)優(yōu)化研究[16]。目前在流域可持續(xù)發(fā)展中的不確定性及對優(yōu)化方案的整體性和系統(tǒng)性評價(jià)方面仍存在不足，需加大考慮不確定性和障礙分析、土地利用變化的影響以及生態(tài)子系統(tǒng)與社會子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)[17]，社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需在節(jié)約資源和環(huán)境友好的約束下進(jìn)行[18]。

筆者試圖建立流域社會-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)發(fā)展多目標(biāo)優(yōu)化模型，模擬五種不同發(fā)展程度的社會情景，結(jié)合流域污染物總量控制、水資源優(yōu)化配置及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，在人口、水量、土地及污染物處理措施的約束下，研究流域可承載的人口規(guī)模和經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度，采用模糊機(jī)會約束多目標(biāo)優(yōu)化，考慮流域現(xiàn)狀及規(guī)劃要求，確定最優(yōu)發(fā)展模式，以期為流域未來年的發(fā)展提供導(dǎo)向。

1 研究背景

北方城市湖泊面臨著水資源短缺和水質(zhì)惡化兩大問題。山東省東昌湖是我國長江以北最大的城市人工湖泊，東昌湖及周邊水系水質(zhì)改善對周邊地區(qū)及下游(渤海)污染治理和生態(tài)改善具有重要意義。當(dāng)前，黃河補(bǔ)水是東昌湖最主要的補(bǔ)水水源；然而未來年黃河來水呈減少趨勢，亟需轉(zhuǎn)變單一依賴黃河“應(yīng)急補(bǔ)水”為本地水與黃河水相配合的“常態(tài)補(bǔ)水”模式。趙王河是位于聊城市境內(nèi)徒駭河的支流，便于流域管理，因此擬定開發(fā)趙王河水資源以補(bǔ)給東昌湖。因受沿途工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢水及生活污水排放的影響，趙王河水質(zhì)污染嚴(yán)重。根據(jù)2004—2009年的水質(zhì)監(jiān)測分析，水體CODCr、氨氮及總磷濃度分別為80.18、3.16和0.12 mgL，為劣Ⅴ類水質(zhì)。如將其直接作為東昌湖的生態(tài)補(bǔ)水水源將對東昌湖水質(zhì)造成不良影響。因此，從流域的角度控制污染物入河總量，優(yōu)化流域社會經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。

趙王河流域跨越陽谷縣和東昌府兩個(gè)縣區(qū)，總面積692.5 km2，其中，陽谷縣流域面積627.5 km2，東昌府區(qū)流域面積65.0 km2，分別占東昌府區(qū)和陽谷縣面積的5.18％和58.92％。當(dāng)前，流域面臨的社會經(jīng)濟(jì)及環(huán)境發(fā)展問題主要有：粗放型經(jīng)濟(jì)增長模式；生活和工業(yè)為主要污染源；高能耗、高污染、高投入行業(yè)占據(jù)工業(yè)的主導(dǎo)地位；流域供水量逐年下降；農(nóng)業(yè)多年平均用水量超過總供水量的80％。

2 原理與方法

2.1 模糊機(jī)會約束多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建

2.1.1 模糊多目標(biāo)優(yōu)化

多目標(biāo)線性規(guī)劃(MOP)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的目標(biāo)函數(shù)，且目標(biāo)函數(shù)和約束條件均為線性函數(shù)。為求解多目標(biāo)模型，可以將目標(biāo)函數(shù)模糊化，轉(zhuǎn)化隸屬度函數(shù)，求最大滿意度[10]。構(gòu)建模糊多目標(biāo)規(guī)劃(FMOP)如下：

maxλ

S.t.ChX≤(1-λ)fh, max+λfh, minh=1,2,…,m

CkX≥λfk, max+(1-λ)fk, mink=m+1,m+2,…,n

(1)

0≤λ≤1

AX≤B

X≥0

其中，fh和fk為不同的目標(biāo)函數(shù)；fh,min和fh,max為fh的理想最小值和理想最大值；fk,min和fk,max為fk的理想最小值和理想最大值。定義λ為μ(fh)和μ(fk)的滿意度，λ=min{μ(fh),μ(fk)}。A∈{R}p×n，B∈{R}p×l，C∈{R}l×n，X∈{R}n×l，R表示實(shí)數(shù)集合；h，k，m，n和p表示實(shí)整數(shù)。

2.1.2 機(jī)會約束規(guī)劃

用模糊數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)求解多目標(biāo)問題，不能解決優(yōu)化模型右邊項(xiàng)的隨機(jī)不確定性問題，考慮約束條件中B系數(shù)具有隨機(jī)特征并表征為概率分布，引入機(jī)會約束規(guī)劃(CCP)[11]。AX≤B可轉(zhuǎn)換為：

Ai(t)X≤bi(t)pii=1,2,…,m

(2)

A(t)，B(t)和C(t)為概率空間(Ω,F,Ρ)上的隨機(jī)數(shù)集合，t∈(Ω,F,Ρ)。pi為第i個(gè)約束條件某一確定的概率水平，pi∈[0,1]；Pr{[t|Ai(t)X≤bi(t)]}≥1-pi，Ai(t)∈A(t)，bi(t)∈B(t)，i=1,2,…,m；bi(t)pi=Fi-1(bi)，F(xiàn)i(bi)為bi的累積概率分布函數(shù)，并且第i個(gè)約束違規(guī)概率為pi。

2.1.3 模糊機(jī)會約束多目標(biāo)規(guī)劃

將CCP與FMOP相結(jié)合，從而構(gòu)建模糊機(jī)會約束多目標(biāo)規(guī)劃模型(FCMOP)：

maxλ

S.t.ChX≤(1-λ)fh, max+λfh, minh=1,2,…,m

CkX≥λfk, max+(1-λ)fk, mink=m+1,m+2,…,n

(3)

0≤λ≤1

Ai(t)X≤bi(t)pii=1,2,…,m

AX≤Bi=m+1,m+2,…,n

X≥0

2.2 流域多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建

趙王河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要依靠三個(gè)產(chǎn)業(yè)：第一產(chǎn)業(yè)為農(nóng)林牧漁；第二產(chǎn)業(yè)為工業(yè)；第三產(chǎn)業(yè)為旅游業(yè)。社會人口系統(tǒng)主要為城鎮(zhèn)人口、農(nóng)村人口及城鎮(zhèn)化率。環(huán)境系統(tǒng)主要為COD和氨氮的排放量。保障機(jī)制主要為污水處理廠和沼氣化工程。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

(1)階段社會總效益產(chǎn)值最大

LkXAHk±Sk±BHk±+LkXDFk±BDk±+LkXFIk±BCk±+

(4)

(2)階段經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

XAHk±Sk±BHk±+LkXDFk±BDk±+LkXFIk±BCk±]+

(5)

(3)COD進(jìn)入環(huán)境量最少

LkXAHk±EHk±HCODk±[(1-DHk±)+DHk±(1-

DIjk±(1-RCIjk±)]+LkXRPk±PRk±RCODk±[(1-

MEk±)+MEk±(1-RCRk±)]+

LkXDFk±PFk±FCODk±[(1-MEk±)+MEk±(1-

RCRk±)]+LkXCPk±PCk±CCODk±[(1-

DCk±)+DCk±(1-RCIk±)]

(6)

(4)氨氮進(jìn)入環(huán)境量最少

IAik±(1-RIik±)]RN±+LkXAHk±EHk±HNk±[(1-

DIjk±)+DIjk±(1-RNIjk±)]+LkXRPk±PRk±RNk±[(1-

MEk±)+MEk±(1-RNRk±)]+LkXDFk±PFk±FNk±[(1-

MEk±)+MEk±(1-RNRk±)]+LkXCPk±PCk±CNk±[(1-

DCk±)+DCk±(1-RNIk±)]

(7)

(5)城鎮(zhèn)化率最高

(8)

2.2.2 約束條件

總面積約束：

LAk±≤XAGik±+XFOk±+XFIk±≤LAk±,k

(9)

農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)：

LAGik±≤XAGik±≤UAGik±,i,k

(10)

林業(yè)子系統(tǒng)：

(11)

畜牧業(yè)子系統(tǒng)：

LAHk±≤XAHi±≤UAHk±,k

(12)

畜牧業(yè)排泄物處理能力約束：

XAHk±EHk±DHk±≤OAH±+

(13)

漁業(yè)子系統(tǒng)：

LFIk±≤XFIk±≤UFIk±,k

(14)

工業(yè)子系統(tǒng)：

(15)

旅游業(yè)子系統(tǒng)：

LTOk±≤XTOk±≤UTOk±,k

(16)

農(nóng)村子系統(tǒng)：

LRPk±≤XRPk±≤URPk±,k

(17)

城市子系統(tǒng)：

LCPk±≤XCPk±≤UCPk±,k

(18)

水資源量約束：

LkXTOk±CTk±+Lk(XRPk±CRk±+XDFk±CDk±)+

LkXCPk±CPk±+(ECWk±+MAWk±)≤AWRk±,k

(19)

污水處理廠處理能力約束：

(20)

沼氣處理能力約束：

(XRPk±PRk±+XDFk±PFk±)MEk±≤ORP±+

(21)

COD總量控制：

DHk±)+DHk±(1-RCHk±)]+

RCIjk±)]+XRPk±PRk±RCODk±[(1-MEk±)+

MEk±(1-RCRk±)]+XDFk±PFk±FCODk±[(1-

MEk±)+MEk±(1-RCRk±)]+

XCPk±PCk±CCODk±[(1-DCk±)+DCk±(1-

RCIk±)]≤TCODk±,k

(22)

氨氮總量控制：

RIik±)]RN±+XAHk±EHk±HNk±[(1-DHk±)+

DIjk±)+DIjk±(1-RNIjk±)]+

XRPk±PRk±RNk±[(1-MEk±)+MEk±(1-

RNRk±)]+XDFk±PFk±FNk±[(1-MEk±)+

MEk±(1-RNRk±)]+XCPk±PCk±CNk±[(1-

DCk±)+DCk±(1-RNIk±)]≤TNk±,k

(23)

資金投資約束：

LkXAHk±EHk±DHk±HCk±≤TCH±，

LkXCPk±PCk±DCk±CCk±≤TIC±，

(24)

式(4)～式(24)中主要參數(shù)如表1所示。

率定參數(shù)時(shí)的參考依據(jù)：1)流域(黃淮海)和地區(qū)“十二五”規(guī)劃及以往實(shí)施情況；2)參考流域所在省份其他城市的發(fā)展情況、某特定部門及整體發(fā)展情況較發(fā)達(dá)地區(qū)和較落后地區(qū)；3)針對流域節(jié)水、減排問題，首先在流域可行性論證基礎(chǔ)上，提出改善幅度，進(jìn)行模型計(jì)算，通過不斷調(diào)試，得到在滿足流域污染物總量控制目標(biāo)的基礎(chǔ)上盡可能在可行性范圍內(nèi)的改變幅度。

表1 模型主要決策變量參數(shù)

2.3 污染物總量控制

采取“分類、分區(qū)、分級、分期”的環(huán)境治理思路[19]，分析評價(jià)歷年湖泊及流域水系水質(zhì)，確定湖泊主要污染物[20-21]。如圖1所示，以流域水環(huán)境容量為污染物總量控制的目標(biāo)，建立流域結(jié)合社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水資源配置及污染物治理措施優(yōu)選模型，對流域未來年的發(fā)展方案進(jìn)行設(shè)計(jì)、比較和分析，在污染物總量控制下選擇流域發(fā)展模式。

圖1 污染物總量控制示意Fig.1 Schematic diagram of the pollutant control

2.4 社會-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化

在生態(tài)環(huán)境制約下，優(yōu)化流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，合理分配有限的水資源，能夠減少污水及污染物的排放量，同時(shí)保證社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，是該模型需要解決的問題。模型以經(jīng)濟(jì)效益最大、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)合理、城鎮(zhèn)化率最高及COD和氨氮的排放量最少為目標(biāo)函數(shù)，以土地、人口、水量及水環(huán)境為約束條件，以水資源(水質(zhì)、水量)和土地為結(jié)合點(diǎn)連接環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，采用萬元產(chǎn)值用水量及用水定額將產(chǎn)業(yè)和人口統(tǒng)一起來，通過行業(yè)產(chǎn)污系數(shù)關(guān)聯(lián)水環(huán)境問題。

如圖2所示，水資源和土地系統(tǒng)為流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供支撐作用，社會經(jīng)濟(jì)對水資源和土地提出資源需求；社會經(jīng)濟(jì)為污染物保障機(jī)制提供資金投入，保障機(jī)制則為社會經(jīng)濟(jì)提供保障措施；水資源為污染物提供水環(huán)境容量來容納，污染物影響了水資源的承載力；污染物對保障機(jī)制提出保障需求，保障機(jī)制為污染物提供減排措施；水資源、污染物、社會經(jīng)濟(jì)及保障機(jī)制共同構(gòu)成了流域的可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)，相互支撐并依賴。

對流域發(fā)展情景進(jìn)行研究時(shí)，需權(quán)衡經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會的各因素及其時(shí)空變化，考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等復(fù)雜系統(tǒng)的不確定因素，對現(xiàn)狀污水處理規(guī)模進(jìn)行了機(jī)會規(guī)模分析，引入不確定因素的機(jī)會約束規(guī)劃(CCP)；對經(jīng)濟(jì)-社會-環(huán)境多目標(biāo)函數(shù)引入模糊多目標(biāo)規(guī)劃(FMOP)，通過隸屬度函數(shù)，盡可能達(dá)到最大滿意度；通過二者結(jié)合，構(gòu)成模糊機(jī)會約束多目標(biāo)規(guī)劃(FCMOP)，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各目標(biāo)，有效地處理行業(yè)擴(kuò)展、污水處理廠擴(kuò)建等動態(tài)問題。

圖2 流域系統(tǒng)優(yōu)化示意Fig.2 Schematic diagram of watershed’s water environmental system optimization

2.5 方案設(shè)計(jì)

分析流域歷史發(fā)展情景及流域規(guī)劃要求發(fā)現(xiàn)，目前流域水環(huán)境污染嚴(yán)重，規(guī)劃情景側(cè)重于水資源強(qiáng)力約束下經(jīng)濟(jì)、人口(及城鎮(zhèn)化率)的快速發(fā)展，對水污染總量控制考慮不夠，因此需從水資源(水量和水質(zhì))、社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及二者協(xié)調(diào)發(fā)展的角度來進(jìn)行改善，即設(shè)定三個(gè)改善型方案(資源環(huán)境約束型、社會經(jīng)濟(jì)約束型和協(xié)調(diào)發(fā)展型)，以期實(shí)現(xiàn)流域的可持續(xù)發(fā)展。1)慣性方案：沒有擬實(shí)施規(guī)劃情景下的流域發(fā)展，作為對規(guī)劃情景的參考；2)規(guī)劃方案依據(jù)總體規(guī)劃設(shè)定；3)改善型方案：在對上述情景分析的基礎(chǔ)上，設(shè)定資源環(huán)境約束方案、社會經(jīng)濟(jì)約束方案及協(xié)調(diào)發(fā)展方案，根據(jù)側(cè)重點(diǎn)不同做出調(diào)整改善。對不同方案下農(nóng)業(yè)、工業(yè)、旅游業(yè)、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、污染物治理等各指標(biāo)參數(shù)化，參照歷史和規(guī)劃狀況經(jīng)可行論證后，進(jìn)行可行范圍內(nèi)的改變。污染物總量控制持續(xù)到2030年，劃分為2008—2015年、2016—2020年和2021—2030年三個(gè)實(shí)施階段。不同年份之間方案耦合如下：在現(xiàn)狀年基礎(chǔ)情景上設(shè)置2015年五類發(fā)展方案，經(jīng)過優(yōu)選得到最優(yōu)方案后，作為2020年的慣性發(fā)展方案，經(jīng)過參數(shù)改善得到2020年三個(gè)改善型方案，然后在這四個(gè)方案中優(yōu)選得到2020年的最優(yōu)方案，類推至2030年，即得到2030年的最優(yōu)發(fā)展方案。

2.6 機(jī)會約束因子

由于污水處理廠進(jìn)水量變幅較大，調(diào)查現(xiàn)狀年流域污水處理能力，對其進(jìn)行機(jī)會約束計(jì)算。經(jīng)調(diào)查分析，目前污水處理廠處理規(guī)模進(jìn)水量難以保證[22]，且不能確保流域所在地區(qū)的污水流向問題，現(xiàn)狀年流域污水處理廠處理規(guī)模約為769.97萬m3，施加機(jī)會約束，引入概率分布。運(yùn)用matlab編程，按正態(tài)分布計(jì)算CCP。污水處理廠規(guī)模分布函數(shù)服從于X～N(707.57，432.64)，對優(yōu)化模型求CCP時(shí)，設(shè)置低置信區(qū)間下的污水處理規(guī)模，以避免最不利情況(流域污水均排向河流，而非已有污水處理廠)；同樣，設(shè)置最優(yōu)狀態(tài)(接近1的置信區(qū)間)，即對概率為0.01、0.5和0.99的規(guī)模值進(jìn)行規(guī)劃求解，模擬污水處理廠進(jìn)水量的高、中、低三個(gè)狀態(tài)，對每個(gè)方案下的三組結(jié)果取最大值和最小值，求其均值如表2所示。

表2 不同方案下相關(guān)指標(biāo)

注：由于機(jī)會約束的存在，優(yōu)化結(jié)果均存在上下限，表中數(shù)據(jù)均為優(yōu)化結(jié)果區(qū)間均值。

3 結(jié)果與分析

模糊機(jī)會多目標(biāo)優(yōu)化模型求解過程中設(shè)置以下假設(shè)條件。1)模型設(shè)置：在可行性研究基礎(chǔ)上，設(shè)定五個(gè)發(fā)展情景(慣性發(fā)展、規(guī)劃方案及三個(gè)不同側(cè)重方向的改善型方案)，以研究不同改善力度下的社會承載程度；2)方案實(shí)現(xiàn)期限擬定：根據(jù)水資源納污紅線要求及流域和地方“十二五”規(guī)劃要求，確定污染物總量控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)期限至2030年，從現(xiàn)狀年階段劃分為2008—2015年、2016—2020年、2021—2030年；3)機(jī)會約束因子假設(shè)：模擬已有污水處理廠進(jìn)水量的高、中、低三個(gè)狀態(tài)，為污水處理措施的投建規(guī)模做概率分析。

3.1 方案結(jié)果

以2015年為例，通過模糊機(jī)會多目標(biāo)優(yōu)化對慣性方案、規(guī)劃方案及三種改善型方案計(jì)算，得到不同方案下可支撐的社會規(guī)模及污染物排放狀況(表2)。

由表2分析，在流域現(xiàn)狀慣性發(fā)展下，流域正常發(fā)展下技術(shù)進(jìn)步帶來萬元產(chǎn)值排污系數(shù)較現(xiàn)狀年保持不變，2015年人口較2008年呈負(fù)增長，產(chǎn)值逐年增長率僅為1.47％。流域第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之比為16.17∶41.45∶42.39，無法滿足未來年經(jīng)濟(jì)和人口的發(fā)展要求。

規(guī)劃方案：流域正常發(fā)展下技術(shù)進(jìn)步帶來萬元產(chǎn)值排污系數(shù)及用水定額較現(xiàn)狀年減少10％，城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用水定額為41.110和23.725 m3(人·a)，城鎮(zhèn)化率為23.26％，流域總產(chǎn)值增長率為8.18％，流域第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比為10.76∶61.03∶28.21。

資源環(huán)境約束型方案：嚴(yán)格控制行業(yè)排污，技術(shù)進(jìn)步帶來萬元產(chǎn)值排污系數(shù)減少15％，城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用水定額為40.28和23.75 m3(人·a)，城鎮(zhèn)化率為22.66％，流域總產(chǎn)值增長率為4.33％，流域第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之比為13.99∶49.37∶36.64。

社會經(jīng)濟(jì)約束型方案：流域正常發(fā)展下技術(shù)進(jìn)步帶來萬元產(chǎn)值排污系數(shù)減少10％，城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用水定額為41.94和24.20 m3(人·a)，城鎮(zhèn)化率為23.27％，流域總產(chǎn)值增長率為8.77％，流域第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之比為10.94∶60.39∶28.67。

協(xié)調(diào)發(fā)展型方案：協(xié)調(diào)行業(yè)排污和社會發(fā)展，技術(shù)進(jìn)步帶來萬元產(chǎn)值排污系數(shù)在規(guī)劃方案基礎(chǔ)上減少12％，城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用水定額為41.110和23.725 m3(人·a)，城鎮(zhèn)化率為23.31％，流域總產(chǎn)值增長率為10.39％，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之比為9.68∶64.94∶25.38。

3.2 方案優(yōu)選

(1)產(chǎn)值：協(xié)調(diào)發(fā)展方案下，流域產(chǎn)值最大，逐年增長率為10.39％；資源環(huán)境約束方案產(chǎn)值最小，逐年增長率為4.33％。

(2)人口：四種方案可支撐人口均為52.74萬人，逐年增長率為2.65‰；四種方案下城鎮(zhèn)化率分別為23.26％、22.66％、23.27％和23.31％。

(3)污染物處理措施投資：現(xiàn)狀年流域污染物排放量與趙王河水環(huán)境容量相比，需削減92.87％和98.18％，需要加大污染物控制力度(表3)。由表3可知，COD削減較易實(shí)現(xiàn)，氨氮較難以控制。原因在于污染物處理時(shí)，氨氮的削減率低于COD；氨氮排放系數(shù)較大。因此，在控制時(shí)，需加強(qiáng)氨氮的治理。

表3 不同方案下污染物排放量較現(xiàn)狀年削減比例

(4)用水及工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整：現(xiàn)狀年及五個(gè)方案下十個(gè)工業(yè)子行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D3所示，各用水部門用水結(jié)構(gòu)如圖4所示。由圖3和圖4可見，流域在資源環(huán)境約束和協(xié)調(diào)發(fā)展方案下，環(huán)境均可得到良好改善，但資源環(huán)境約束方案下，流域總產(chǎn)值年增長率為4.33％，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)之比為13.99∶49.37∶36.64，工業(yè)產(chǎn)值年增長率為6.03％，城鎮(zhèn)化率為22.66％，發(fā)展速度較慢；協(xié)調(diào)發(fā)展方案下，流域總產(chǎn)值年增長率為10.39％，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為9.68∶64.94∶25.38，工業(yè)產(chǎn)值年增長率為13.40％，城鎮(zhèn)化率為23.31％，發(fā)展速度較快，滿足流域發(fā)展需求。因此，推薦協(xié)調(diào)發(fā)展方案作為流域最優(yōu)發(fā)展方案，該方案下加大污染物處理投資(6 324萬元，占當(dāng)年GDP的0.37％)，可達(dá)到階段COD和氨氮減排45.83％和21.48％。

圖3 流域工業(yè)子行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案Fig.3 Adjustment of industrial structure

圖4 流域各用水部門用水結(jié)構(gòu)調(diào)整方案Fig.4 Adjustment of water utilization structure

3.3 調(diào)整及控制措施

3.3.1 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整

有色金屬、運(yùn)輸設(shè)備及其他行業(yè)的規(guī)模均在現(xiàn)狀年基礎(chǔ)上增加10％；能源電力帶來產(chǎn)值較大，且用水重復(fù)率高，因此對其可擴(kuò)大5.22％的行業(yè)規(guī)模，以帶動經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；食品和化工化學(xué)行業(yè)污染相對嚴(yán)重，且現(xiàn)狀年占比例較大(25.55％)，因此，未來年逐步削減10％來改善流域污染狀況?；A(chǔ)化工、輕紡醫(yī)藥、造紙業(yè)和皮革毛皮業(yè)是流域的高污染行業(yè)，未來年為0，表明這四個(gè)行業(yè)需要進(jìn)行關(guān)閉或徹底清潔整頓后再進(jìn)行發(fā)展。

3.3.2 用水結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變

用水比例從現(xiàn)狀的農(nóng)業(yè)∶工業(yè)∶旅游業(yè)∶生活∶生態(tài)為85.71∶4.38∶0.70∶8.46∶0.75轉(zhuǎn)變?yōu)?6.95∶11.15∶0.93∶9.06∶ 11.91，工業(yè)、生態(tài)和生活用水比例加大，農(nóng)業(yè)用水比例減少，逐步趨于生態(tài)合理的結(jié)構(gòu)。

3.3.3 污染物容量總量控制

工業(yè)污水集中處理率為90％，城鎮(zhèn)生活污水集中處理率為80％，增加污染物處理投資6 324.28萬元，占當(dāng)年GDP的0.37％，經(jīng)處理后，COD排放量為[4 042.13，4 055.59] t，氨氮排放量為[786.66，786.94] t，較現(xiàn)狀年減少[45.92％，45.74％]和[21.50％，21.47％]。按此趨勢削減，對2016—2020年及2021—2030年方案分析：在2015年推薦方案——協(xié)調(diào)發(fā)展方案的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展，與2008年發(fā)展至2015年相似，2016—2020年氨氮需加大2倍削減比例，2021—2030年再加大削減20％的氨氮。三個(gè)階段末的發(fā)展情景如表4所示?？紤]入河系數(shù)的影響，至2030年可達(dá)到流域水環(huán)境容量目標(biāo)要求，滿足國家對水資源管理納污紅線的要求，使流域水環(huán)境徹底得到改善，完全可作為東昌湖水體補(bǔ)充水源。

表4 不同規(guī)劃水平年方案結(jié)果

注：表中數(shù)據(jù)均為方案下區(qū)間值的均值。

4 結(jié)論

(1)流域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃應(yīng)結(jié)合污染物及水資源規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)長期規(guī)劃(2008—2030年)，以水環(huán)境容量作為流域最終污染物總量控制目標(biāo)，設(shè)定階段削減目標(biāo)(2008—2015年、2016—2020年和2021—2030年三個(gè)階段)，配套處理措施及投資(約占當(dāng)年GDP的0.5％)，2030年可從根本上改善流域水環(huán)境。

(2)通過加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和污染物控制措施的實(shí)施：2015年較2008年削減COD為45.83％，氨氮為21.48％；2020年削減63.56％的COD和45.57％的氨氮；2030年削減87.42％的COD和87.16％的氨氮?？紤]入河系數(shù)的影響，當(dāng)綜合入河系數(shù)CODlt;0.566，氨氮lt;0.141時(shí)，可完全滿足水環(huán)境要求。流域氨氮現(xiàn)狀排放嚴(yán)重超標(biāo)，在規(guī)劃期內(nèi)應(yīng)加大氨氮的削減比例；同時(shí)，由于氨氮較難控制，要改進(jìn)污水處理措施，使氨氮與COD同時(shí)得到良好控制。

(3)實(shí)施流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及用水結(jié)構(gòu)調(diào)整，可有效促進(jìn)流域社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，對高污染行業(yè)削減生產(chǎn)規(guī)模，改進(jìn)清潔生產(chǎn)，嚴(yán)重者可進(jìn)行停業(yè)整頓，如基礎(chǔ)化工、輕紡醫(yī)藥、造紙業(yè)和皮革毛皮業(yè)等行業(yè)。采取節(jié)水措施，提高農(nóng)業(yè)用水效率，減少用水量，使水資源配置得到更高效益。

(4)對污水現(xiàn)狀處理規(guī)模機(jī)會約束，使結(jié)果具有更大的決策空間，更易于流域可持續(xù)發(fā)展政策的實(shí)施，具有實(shí)際可行的意義。

(5)流域社會經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)改善后，2015年承載人口52.75萬人，城鎮(zhèn)化率為23.32％；2020年承載人口55.42萬人，城鎮(zhèn)化率為31.58％，2030年承載人口68.78萬人，城鎮(zhèn)化率可達(dá)到51.56％。城鎮(zhèn)化率加快，能夠滿足社會發(fā)展要求。

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ResearchonScenarioAnalysisBasedMulti-objectiveProgrammingforSocio-economicDevelopmentinUrbanLakeBasins

XU Jian-xin1, ZHANG Qiao-li1, LEI Hong-jun1, MA Xi-tang2, XIA Xun-feng3, XI Bei-dou3

1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, China 2.Liaocheng Water Conservancy Bureau, Liaocheng 252061, China 3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Taking Dongchang Lake Basin in Shandong Province as an example, selecting the water indicators of production, living and ecology as key points of entry, the society-economy-environment coordination fuzzy chance constrained multi-objective programming model was established to maximize the benefits of the society, economy and ecological environment. Three different development scenarios, i.e. resources and environment constrained scheme, socio-economic development constrained scheme and coordination development scheme, were set on the bases of inertia scenario and planning scenario with the fuzzy weights of objective function and the chance constrained analysis of sewage scale. Optimized results of all the schemes in the planning year were analyzed and, combined with current situation and planning requirements for the river basin, the best socio-economic development mode and pollution control countermeasures of given. Finally, the socio-economic development mode and adjustment direction of industrial structure in the lake basin in 2008-2030 were suggested.

lake basin; socio-economic development; multi-objective programming; water environmental carrying capacity

1674-991X(2013)02-0138-09

2012-09-25

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2009ZX07106-03-01)

徐建新(1954—)，男，教授，博士，主要從事區(qū)域水資源高效利用研究，xujianxin@ncwu.edu.cn

*通訊作者:席北斗(1969—)，男，研究員，博士，主要研究水環(huán)境污染控制與治理，xibeidou@263.net

X524

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.02.023