基于系統(tǒng)模擬的縣域水資源承載力動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)及調(diào)控研究
——以廬江縣為例

朱文禮，張禮兵,2，伍露露，金菊良,2，吳成國(guó),2，周玉良,2

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院, 合肥 230009 ; 2. 合肥工業(yè)大學(xué)水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所, 合肥 230009)

0 引 言

“承載力(Carrying Capacity)”一詞首次出現(xiàn)在群落生態(tài)學(xué)中，即“在特定環(huán)境中可存在的最大生物數(shù)量”[1]。我國(guó)水資源承載力最先由新疆水資源軟科學(xué)課題研究組于1958年提出[2]，是承載力概念在水資源系統(tǒng)中的具體表現(xiàn)，隨后學(xué)界就水資源承載力的預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)、預(yù)警、調(diào)控等方面進(jìn)行研究并取得豐碩的研究成果。其中，水資源承載力的預(yù)測(cè)是通過預(yù)測(cè)模型確定區(qū)域未來某一時(shí)間段的水資源承載狀態(tài)，是對(duì)水資源承載力進(jìn)行調(diào)控的基礎(chǔ)。章恒全等[3]根據(jù)主成分回歸模型得出的影響江蘇省水資源承載力變化的3個(gè)驅(qū)動(dòng)力中的6個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因子，建立灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測(cè)出江蘇省 2012-2013年的年需水量。李娟芳等[4-7]構(gòu)建了洛陽市水質(zhì)-水量-水生態(tài)-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，計(jì)算結(jié)果表明在保障區(qū)域可持續(xù)發(fā)展條件下，全市以及各個(gè)區(qū)縣各水平年均滿足承載力需求。張青峰等[8-15]利用模糊綜合評(píng)價(jià)模型及二元對(duì)比和級(jí)別特征值方法，計(jì)算得到長(zhǎng)武縣北塬區(qū)、河川區(qū)和南塬區(qū)3個(gè)區(qū)域的水資源承載力級(jí)別，并將此方法推廣到其他縣域。馬涵玉[16,17]運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，構(gòu)建囊括水資源-經(jīng)濟(jì)-人口-生態(tài)4個(gè)子系統(tǒng)的高昌區(qū)地表水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，模擬預(yù)測(cè)了2015-2030年高昌區(qū)地表水資源承載力情況。就水資源承載力研究而言，省、市尺度雖然經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)保證程度高，但行政面積、人口規(guī)模較大，與流域自然水系空間適配性差，而縣域尺度由于自然水系和社會(huì)經(jīng)濟(jì)適中可以較好避免上述問題。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法是一種用以研究復(fù)雜系統(tǒng)問題的定量方法[18]，而水資源承載力系統(tǒng)是一個(gè)包含模糊性、隨機(jī)性、非線性等眾多因素的復(fù)雜問題[19]，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法用于水資源承載力的研究具有較好的理論應(yīng)用基礎(chǔ)，并已經(jīng)取得較豐富的研究成果。當(dāng)前，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法應(yīng)用在水資源承載力主要集中在水量承載力的評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)及多方案調(diào)控。多方案調(diào)控是指設(shè)定多種調(diào)控方案，選出最優(yōu)調(diào)控方案作為最終的調(diào)控結(jié)果，此調(diào)控方法的提出為研究水資源承載力調(diào)控提供了有效途徑，但同時(shí)存在不足之處，例如：調(diào)控方案的設(shè)定具有較大的主觀意愿，選出最優(yōu)調(diào)控方案的本質(zhì)是調(diào)控方案的優(yōu)選，較難反應(yīng)出水資源承載力調(diào)控的動(dòng)態(tài)性；較難做到調(diào)控指標(biāo)的定量調(diào)控，直觀反應(yīng)出調(diào)控效果。

本文將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法用于縣域水資源承載力預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合正交試驗(yàn)方法將分階段定量調(diào)控運(yùn)用于水資源承載力的水量要素和水質(zhì)要素，建立基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的水資源承載力預(yù)測(cè)及動(dòng)態(tài)調(diào)控模型(Prediction and Dynamic Regulation Model of Water Resources Carrying Capacity Based on System Dynamics，WCCPDR-SD)。該模型以期進(jìn)一步完善系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法在縣域水資源承載力量質(zhì)要素預(yù)測(cè)與定量調(diào)控問題上的應(yīng)用，為解決縣域水資源承載力預(yù)測(cè)與調(diào)控問題提供新的思路和方法，為使預(yù)測(cè)調(diào)控結(jié)果更加科學(xué)化、合理化提供理論依據(jù)。

1 水資源承載力量質(zhì)要素模擬預(yù)測(cè)及動(dòng)態(tài)調(diào)控模型的構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)模擬預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

水資源承載力主要包括人口、土地、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境及水資源狀況等要素，本文從作用方式、影響范圍與影響程度等方面分析各要素的作用機(jī)理，在機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，從水資源條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源開發(fā)利用及管理等方面分析水資源承載力量質(zhì)要素的影響因素，構(gòu)建影響因素基礎(chǔ)集。由于影響因素較多，模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故將系統(tǒng)劃分為4個(gè)子系統(tǒng)，分別為人口子系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)與水環(huán)境污染子系統(tǒng)，模型流程如圖1所示。各子系統(tǒng)相互影響、相互作用，共同影響縣域水資源承載力狀況。

(1)水資源子系統(tǒng)。水資源子系統(tǒng)最終需預(yù)測(cè)縣域可利用水量與縣域總用水量2個(gè)要素，從而得出縣域水量要素承載狀態(tài)值?？h域總用水量由3要素構(gòu)成：縣域生產(chǎn)用水、縣域居民生活用水以及縣域生態(tài)用水。圖1中部分變量的函數(shù)關(guān)系如下：

廬江縣水量要素承載狀態(tài)值=廬江縣總用水量/廬江縣可利用水量

廬江縣總用水量=廬江縣居民生活用水量+廬江縣生產(chǎn)用水量+廬江縣生態(tài)用水量

廬江縣生產(chǎn)用水量=廬江縣一產(chǎn)用水量+廬江縣二產(chǎn)用水量+廬江縣三產(chǎn)用水量

(2)水環(huán)境污染子系統(tǒng)。水環(huán)境的污染由點(diǎn)源污染與面源污染構(gòu)成，點(diǎn)源污染主要來源于工業(yè)廢水排放和城鎮(zhèn)生活污水排放，面源污染主要來源于農(nóng)田污染物排放和農(nóng)村生活污水排放。排放過程中產(chǎn)生的COD量和氨氮量直接影響水體中有機(jī)污染物濃度，直觀反映水體的污染程度。圖1中部分變量的函數(shù)關(guān)系如下：

廬江縣水功能區(qū)水質(zhì)(COD)承載程度=廬江縣COD入河量/廬江縣COD納污能力

口腔專業(yè)研究生規(guī)范化培訓(xùn)制度的健全是推動(dòng)臨床住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)的根本保證。只有健全的規(guī)范化培訓(xùn)制度，才能使政府部門、行業(yè)學(xué)會(huì)、高等院校、培訓(xùn)基地等機(jī)構(gòu)職責(zé)明確，互相協(xié)作，將口腔專業(yè)研究生從學(xué)員順利培訓(xùn)成為具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的臨床醫(yī)師。同時(shí)，口腔專業(yè)研究生規(guī)范化培訓(xùn)的各項(xiàng)制度法規(guī)進(jìn)一步完善，才能與醫(yī)師資格注冊(cè)、專業(yè)技術(shù)職稱晉升、臨床專業(yè)學(xué)位申請(qǐng)、提高規(guī)范化培訓(xùn)效率及繼續(xù)教育等進(jìn)行有序銜接，進(jìn)而形成系統(tǒng)的規(guī)范化口腔醫(yī)師培養(yǎng)體系。

廬江縣水功能區(qū)水質(zhì)(氨氮)承載程度=廬江縣氨氮入河量/廬江縣氨氮納污能力

廬江縣COD入河量=(廬江縣面源入河COD量+廬江縣點(diǎn)源入河COD量)×(1-河道衰減系數(shù))

1.2 系統(tǒng)調(diào)控模型構(gòu)建

(1)調(diào)控目標(biāo)。2035、2050年縣域水資源承載力量質(zhì)要素承載狀態(tài)達(dá)到臨界或可載。

(2)調(diào)控指標(biāo)篩選。按照診斷指標(biāo)對(duì)水資源承載力的敏感程度從預(yù)測(cè)模型中篩選出水量要素調(diào)控指標(biāo)有：農(nóng)田灌溉定額、二產(chǎn)投資比重、萬元工業(yè)增加值用水量；水質(zhì)要素調(diào)控指標(biāo)有：農(nóng)村居民人均COD排放量、城鎮(zhèn)居民人均COD排放量、農(nóng)村居民人均氨氮排放量、城鎮(zhèn)居民人均氨氮排放量、農(nóng)村污水處理率、城鎮(zhèn)污水處理率。

圖1 廬江縣水資源承載力量質(zhì)要素系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型Fig. 1 SD Model of Lujiang County subsystem

(3)調(diào)控依據(jù)。農(nóng)田灌溉定額、二產(chǎn)產(chǎn)值比重、萬元工業(yè)增加值用水量要素參考經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的省份的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為調(diào)控依據(jù)，對(duì)預(yù)測(cè)年份進(jìn)行分階段調(diào)控。根劇FAO數(shù)據(jù)，當(dāng)前世界單位耕地化肥施用量約120 kg/hm2[20]，以發(fā)達(dá)國(guó)家225 kg/hm2的安全上限作為單位農(nóng)田施肥量的調(diào)控依據(jù)。參考江蘇省沿江城市典型生活小區(qū)數(shù)據(jù)，城鎮(zhèn)人均產(chǎn)污系數(shù)約為：COD 60～100 g/(人·d)，氨氮4～8 g/(人·d)，以此作為人均COD、氨氮排放量的調(diào)控依據(jù)。農(nóng)村污水處理由于點(diǎn)源分散、成分復(fù)雜、排放不穩(wěn)定、缺少資金支持、技術(shù)體系不健全，處理率長(zhǎng)期大幅落后于城市，根據(jù)《2017-2022年中國(guó)污水處理市場(chǎng)深度分析與發(fā)展前景研究報(bào)告》，農(nóng)村污水處理率2020年將達(dá)33.6%，以此作為農(nóng)村污水處理率調(diào)控依據(jù)。

(4)調(diào)控方法?！罢辉囼?yàn)法”是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)與正交性原理進(jìn)行合理安排試驗(yàn)的一種科學(xué)方法[21]。按照大系統(tǒng)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理與方法以及調(diào)控依據(jù)，確定各調(diào)控指標(biāo)水平數(shù)，即自變量離散化；再根據(jù)調(diào)控指標(biāo)的個(gè)數(shù)，以及所選的水平，選擇合適的正交表來編制試驗(yàn)方案，結(jié)合水資源承載力模擬預(yù)測(cè)模型，獲得試驗(yàn)結(jié)果；最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果按照極差分析法并結(jié)合研究的實(shí)際問題，進(jìn)行分析處理，從而得出試驗(yàn)結(jié)論，確定最佳方案。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 系統(tǒng)邊界和模型基準(zhǔn)年的確定

本文研究對(duì)象是廬江縣的水資源承載力量質(zhì)要素，所確定的系統(tǒng)邊界為廬江縣全縣地理空間邊界。此系統(tǒng)邊界考慮了影響水資源承載力量質(zhì)要素的主要因素以及這些因素之間的相互作用和關(guān)系[22]。系統(tǒng)模型歷史基準(zhǔn)年為2005年，預(yù)測(cè)基準(zhǔn)年為2017年。歷史數(shù)據(jù)擬合時(shí)間段為2005-2016年，預(yù)測(cè)時(shí)間段為2017-2050年，模型設(shè)置模擬步長(zhǎng)為1 a。

2.2 系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)來源

2.3 系統(tǒng)模型有效性檢驗(yàn)

對(duì)水資源承載力系統(tǒng)模型檢驗(yàn)主要是指歷史性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)的時(shí)間段為2005-2016年，計(jì)算模型模擬值與歷史實(shí)際值之間的相對(duì)誤差，誤差小于20%認(rèn)為模型是有效的，可以預(yù)測(cè)廬江縣2017-2050年水資源承載力量質(zhì)要素承載狀況。本文構(gòu)建的模型變量眾多，從4個(gè)子系統(tǒng)模型中擬選取以下幾個(gè)變量檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合結(jié)果，擬合結(jié)果見表1。

由表1可知，總?cè)丝?、COD排放量及氨氮排放量3個(gè)表征指標(biāo)的模擬值與歷史實(shí)際值相對(duì)誤差都在10%以內(nèi)，擬合效果較好?？傆盟窟@個(gè)表征值的模擬值與歷史實(shí)際值誤差相對(duì)較大，但都在允許誤差范圍內(nèi)。綜上表明，基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的縣域水資源承載力模型(WCCPDR-SD)應(yīng)用于廬江縣水資源承載力量質(zhì)要素的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，其結(jié)果準(zhǔn)確可信。

2.4 系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)結(jié)果分析

通過對(duì)上述模型的運(yùn)行，得到預(yù)測(cè)年份廬江縣水資源承載力系統(tǒng)中主要指標(biāo)(總?cè)丝?、總用水量、COD入河量、氨氮入河量)的變化趨勢(shì)如圖2所示。

2.4.1 主要指標(biāo)變化趨勢(shì)

由圖2可知：廬江縣實(shí)際農(nóng)村人口在2015年突增，導(dǎo)致模型總?cè)丝谕辉觯⒊霈F(xiàn)峰值，其用水量、COD入河量和氨氮入河量也大幅增加并出現(xiàn)峰值；廬江縣人口呈增加趨勢(shì)，人口增長(zhǎng)幅度較為緩慢，達(dá)到廬江縣“十三五”規(guī)劃目標(biāo)；2017-2050年總用水量整體趨勢(shì)在增加，但增加幅度較?。凰|(zhì)方面所呈現(xiàn)的COD入河量為1 500～3 200 t，整體趨勢(shì)超過歷史年份均值2 051 t，呈上升趨勢(shì)，因?yàn)閺]江縣農(nóng)村人口較多，面源COD排放量占比較大，而氨氮入河量趨勢(shì)有所下降，這是由于隨著工業(yè)廢水處理技術(shù)的提高，工業(yè)氨氮排放量有明顯下降。

表1 2005-2016年廬江縣水資源承載力指標(biāo)擬合結(jié)果Tab.1 Fitting results of water resources carrying capacity index in Lujiang County from 2005 to 2016

注：H指歷史實(shí)際值，S指模擬值，E指相對(duì)誤差。

圖2 廬江縣水資源承載力量質(zhì)要素主要指標(biāo)預(yù)測(cè)Fig.2 Prediction of main indicators of quantity and quality factors of water resources carrying capacity in Lujiang County

2.4.2 水量、水質(zhì)要素承載狀態(tài)預(yù)測(cè)

根據(jù)2.4.1得到的廬江縣總用水量、COD入河量及氨氮入河量預(yù)測(cè)值，結(jié)合不同水平年可利用水量、COD及氨氮納污能力分別計(jì)算廬江縣量質(zhì)要素承載狀態(tài)值，根據(jù)水量、水質(zhì)要素各單指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，水量、水質(zhì)要素評(píng)價(jià)結(jié)果依據(jù)“短板法”得出，也就是取各單指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果中的最不利的評(píng)價(jià)結(jié)果，即選取評(píng)價(jià)指標(biāo)中最差的評(píng)價(jià)結(jié)果作為評(píng)價(jià)結(jié)果(如若一個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果為超載、另一個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果為嚴(yán)重超載，則評(píng)價(jià)結(jié)果判定為“嚴(yán)重超載”；若一個(gè)指標(biāo)為超載、另一個(gè)指標(biāo)為臨界超載，則評(píng)價(jià)結(jié)果判定為“超載”)。計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：水量要素承載狀態(tài)值小于0.9為可載，0.9～1.0為臨界，1.0～1.2為超載，大于1.2為嚴(yán)重超載；水質(zhì)要素承載狀態(tài)值小于1.1為可載，1.1～1.2為臨界，1.2～3為超載，大于3為嚴(yán)重超載[23]。水量、水質(zhì)要素承載狀態(tài)值如圖3所示。

圖3表明，水量、水質(zhì)要素均劃分為4個(gè)等級(jí)，但水質(zhì)要素超載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水量要素狀態(tài)。圖3(a)中，廬江縣預(yù)測(cè)年份水量要素多處于超載或臨界狀態(tài)，承載狀態(tài)值呈上升趨勢(shì)，但遠(yuǎn)沒有達(dá)到嚴(yán)重超載狀態(tài)，這是因?yàn)閺]江縣水資源充沛，且引調(diào)水能力較強(qiáng)；圖3(b)中，水質(zhì)要素多處于臨界或超載狀態(tài)，這是由于廬江縣是農(nóng)業(yè)大縣，農(nóng)業(yè)用水較多，農(nóng)田污染物排放較多，且廬江縣農(nóng)業(yè)人口占比很大，農(nóng)村污水處理率較低，導(dǎo)致水質(zhì)污染較為嚴(yán)重。同時(shí)可以看出，對(duì)于豐水年，水量要素承載狀態(tài)較好，水質(zhì)要素承載狀態(tài)較差，這是因?yàn)樨S水年降水多，隨著降雨模數(shù)的增大，面源污染物入河量增多，從而對(duì)水質(zhì)造成影響。

圖3 廬江縣水量、水質(zhì)要素承載狀態(tài)預(yù)測(cè)Fig.3 Prediction of carrying state of water quantity and water quality elements in Lujiang County

以上結(jié)果表明，廬江縣預(yù)測(cè)年份用水量處于增加趨勢(shì)，可利用水量波動(dòng)較為平穩(wěn)，水量要素承載狀態(tài)極易由臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)為超載狀態(tài)；水質(zhì)要素由于污染物入河量的降低在2035-2050年有改善趨勢(shì)，但水體污染仍較為嚴(yán)重，且在2017-2035年間尤為嚴(yán)重，故廬江縣水資源承載力量質(zhì)要素急需加以調(diào)控改善以滿足社會(huì)生活、生產(chǎn)要求。

2.5 系統(tǒng)模型調(diào)控結(jié)果分析

2.5.1 水量要素調(diào)控

由1.2節(jié)可知，水量要素調(diào)控指標(biāo)有3個(gè)，按照大系統(tǒng)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及調(diào)控依據(jù)，將3個(gè)調(diào)控因素分為5水平，農(nóng)田灌溉定額5個(gè)水平分別是(-35，-40，-45，-50，-55)，同理二產(chǎn)投資比重為(-0.01，-0.02，-0.03，-0.04，-0.05)，萬元工業(yè)增加值用水量為(-1，-2，-3，-4，-5)。根據(jù)L25(53)正交表編制試驗(yàn)方案，代入廬江縣水資源承載力模擬預(yù)測(cè)模型中，計(jì)算出各試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的2035年、2050年廬江縣水資源承載力水量要素承載狀態(tài)值與1差值的絕對(duì)值，從而找出最優(yōu)方案。由上文可知，廬江縣水資源承載力水量要素在預(yù)測(cè)年間呈上升趨勢(shì)并在2044年達(dá)到峰值，故只需計(jì)算2044年，具體分析如下。

對(duì)于廬江縣水資源承載力水量要素承載狀態(tài)值來講，最優(yōu)方案為(-55，-0.05，-4)，相應(yīng)的2035年、2050年廬江縣水量要素承載狀態(tài)值分別為0.731、0.939。廬江縣水資源承載力水量要素各調(diào)控指標(biāo)及承載狀態(tài)值調(diào)控前后對(duì)比如圖4所示。

圖4 廬江縣水量要素承載狀態(tài)調(diào)控Fig.4 Regulation and control of carrying state of water quantity elements in Lujiang County

圖4表明：通過提高節(jié)水灌溉技術(shù)(農(nóng)田灌溉定額)、工業(yè)用水效率(萬元工業(yè)增加值用水量)，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)(二產(chǎn)投資比重)，能有效降低廬江縣水量要素承載狀態(tài)值；圖4中，廬江縣農(nóng)田灌溉定額由4 500～4 860 m3/hm2調(diào)控至3 675～3 810 m3/hm2，二產(chǎn)投資比重由0.45～0.47調(diào)控至0.42～0.45，萬元工業(yè)增加值用水量由32～40 m3/萬元調(diào)控至27～36 m3/萬元；圖4(c)顯示萬元工業(yè)增加值用水量相比其他調(diào)控指標(biāo)調(diào)控幅度小得多，表明由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，萬元工業(yè)增加值用水量在現(xiàn)狀年份已經(jīng)得到極大改善，調(diào)控閾值空間較小，但對(duì)水量要素承載狀態(tài)值的影響卻是最明顯的；圖4(d)表明經(jīng)調(diào)控后，廬江縣預(yù)測(cè)年份水資源承載力水量要素承載狀態(tài)均達(dá)到臨界可載狀態(tài)，滿足廬江縣水量要素需求。通過正交試驗(yàn)優(yōu)化，在各調(diào)控因素閾值內(nèi)選取最佳方案使廬江縣2035年、2050年水量要素承載狀態(tài)分別達(dá)到了可載與臨界狀態(tài)。

2.5.2 水質(zhì)要素調(diào)控

由上文可知，水質(zhì)要素調(diào)控指標(biāo)有6個(gè)，其中，農(nóng)村污水處理率、城鎮(zhèn)污水處理率為COD與氨氮的共同調(diào)控指標(biāo)，由于COD超載更為嚴(yán)重，優(yōu)先調(diào)控COD承載狀態(tài)值。按照大系統(tǒng)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及調(diào)控依據(jù)，將COD的4個(gè)調(diào)控因素分為5水平，其中，城鎮(zhèn)污水處理率為(0.01，0.02，0.03，0.04，0.05)，農(nóng)村污水處理率為(0.02，0.06，0.12，0.16，0.18)，城鎮(zhèn)居民人均COD排放量為(-0.04，-0.06，-0.08，-0.1，-0.12)和農(nóng)村居民人均COD排放量為(-0.04，-0.06，-0.08，-0.1，-0.12)。對(duì)于廬江縣水資源承載力水質(zhì)(COD)要素承載狀態(tài)值來講，最優(yōu)方案為(0.05，0.18，-0.1，-0.08)，相應(yīng)的2035年、2050年廬江縣水質(zhì)(COD)要素承載狀態(tài)值分別為1.132、1.083。

在COD調(diào)控的基礎(chǔ)上，2032年氨氮承載狀態(tài)仍未達(dá)到臨界，需對(duì)氨氮進(jìn)一步調(diào)控。同理，將其分為5水平，農(nóng)村居民人均氨氮排放量為(-0.001，-0.002，-0.003，-0.004，-0.005)，城鎮(zhèn)居民人均氨氮排放量為(-0.001，-0.002，-0.003，-0.004，-0.005)。取方案(-0.004，-0.005)時(shí)，相應(yīng)的2035年、2050年廬江縣水質(zhì)(氨氮)要素承載狀態(tài)值分別為1.121、0.914，均達(dá)到臨界或可載狀態(tài)，即為最佳方案。

綜上所述，對(duì)于廬江縣水資源承載力水質(zhì)要素承載狀態(tài)值來講，最優(yōu)方案為(0.05，0.18，-0.1，-0.08，-0.004，-0.005)，相應(yīng)的2035年、2050年廬江縣水質(zhì)要素(COD、氨氮)承載狀態(tài)均達(dá)到臨界或可載狀態(tài)。

廬江縣水資源承載力水質(zhì)要素各調(diào)控指標(biāo)及承載狀態(tài)值調(diào)控前后對(duì)比如圖5所示。

圖5表明：通過提高農(nóng)村污水處理率、城鎮(zhèn)污水處理率，降低人均COD、氨氮排放量，可以極大改善廬江縣水質(zhì)要素承載狀態(tài)；圖5中，城鎮(zhèn)居民人均COD排放量由0.65 t/(d·萬人)調(diào)控至0.55 t/(d·萬人)，農(nóng)村居民人均COD排放量由0.394 t/(d·萬人)調(diào)控至0.334 t/(d·萬人)，城鎮(zhèn)污水處理率由85%調(diào)控至90%，農(nóng)村污水處理率由22%調(diào)控至40%，城鎮(zhèn)居民人均氨氮排放量由0.065 t/(d·萬人)調(diào)控至0.06 t/(d·萬人)，農(nóng)村居民人均氨氮排放量由0.03 t/(d·萬人)調(diào)控至0.026 t/(d·萬人)；圖5中水質(zhì)要素各調(diào)控指標(biāo)均依據(jù)廬江縣中長(zhǎng)期規(guī)劃采用分階段調(diào)控，調(diào)控跨度為10 a；通過正交試驗(yàn)優(yōu)化，在各調(diào)控因素閾值內(nèi)選取最佳方案使廬江縣2035年、2050年水質(zhì)要素承載狀態(tài)分別達(dá)到了臨界與可載狀態(tài)；圖5(g)、(h)表明經(jīng)調(diào)控后，廬江縣預(yù)測(cè)年份水資源承載力水質(zhì)要素承載狀態(tài)大都達(dá)到臨界或可載狀態(tài)，滿足廬江縣水質(zhì)要素需求，部分未達(dá)標(biāo)年份可以繼續(xù)進(jìn)行針對(duì)性調(diào)控。

圖5 廬江縣水質(zhì)要素承載狀態(tài)調(diào)控Fig.5 Regulation and control of carrying state of water quality elements in Lujiang County

3 結(jié) 論

(1)本文利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法應(yīng)用在復(fù)雜問題的預(yù)測(cè)與調(diào)控上的優(yōu)勢(shì)，建立基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的縣域水資源承載力量質(zhì)要素預(yù)測(cè)及定量調(diào)控模型(WCCPDR-SD)，構(gòu)建WCCPDR-SD模型下人口系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)、水環(huán)境污染系統(tǒng)的SD模型流圖。

(2)將WCCPDR-SD模型應(yīng)用在廬江縣2017-2050年總?cè)丝?、總用水量、COD排放量、氨氮排放量4個(gè)要素的預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果表明該模型用于影響縣域水資源承載力的相關(guān)要素預(yù)測(cè)結(jié)果較為精確。

(3)結(jié)合WCCPDR-SD模型，從診斷指標(biāo)中篩選出量質(zhì)要素的調(diào)控指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)進(jìn)行分階段定量調(diào)控，調(diào)控結(jié)果顯示2035年、2050年廬江縣水資源承載力量質(zhì)要素均達(dá)到臨界或可載狀態(tài)。

(4)本文構(gòu)建的WCCPDR-SD模型，對(duì)廬江縣規(guī)劃年(2017-2050年)的水資源承載力量質(zhì)要素進(jìn)行預(yù)測(cè)與定量調(diào)控，為廬江縣政府實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度、加強(qiáng)水資源管理、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局、提高水資源利用效率提供決策依據(jù)。