基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的巢湖流域水資源承載力動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與調(diào)控*

張禮兵,胡亞南,金菊良 ,吳成國(guó),周玉良,崔 毅

(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)

水資源承載力是評(píng)判水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)及生態(tài)環(huán)境之間是否協(xié)同發(fā)展的一項(xiàng)綜合指標(biāo)，研究水資源承載力對(duì)實(shí)現(xiàn)人水和諧具有重要意義，其內(nèi)涵深化和概念延伸得到學(xué)界持續(xù)重視[1-4]. 隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的日益增強(qiáng)，區(qū)域水資源承載狀態(tài)預(yù)測(cè)與控制已成為現(xiàn)代水資源系統(tǒng)管理研究的重要熱點(diǎn)之一[5]. 早期的水資源承載力研究側(cè)重于基于內(nèi)涵的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建、評(píng)價(jià)方法探討等，如夏軍等[6]基于水資源承載力定義和水資源承載力系統(tǒng)關(guān)系，擬定了水資源承載力的度量和計(jì)算方法，并對(duì)變化環(huán)境下的流域水循環(huán)模擬研究、生態(tài)需水等進(jìn)行重點(diǎn)討論. Wang等[7]利用投影尋蹤法將高維數(shù)據(jù)投影到低維空間，綜合水資源承載力指數(shù)的特征并應(yīng)用于流域水資源承載力的評(píng)價(jià). Yang等[8]應(yīng)用物元分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法和投影尋蹤綜合評(píng)價(jià)法分別評(píng)價(jià)瑪納斯河流域水資源承載力，并對(duì)3種方法進(jìn)行應(yīng)用比較. 段新光等[9]通過(guò)建立模糊綜合評(píng)判模型對(duì)新疆水資源承載力現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià). Naimi-Ait-Aoudia等[10]評(píng)估了阿爾及爾水資源在居民用水方面的承載能力. 李云玲等[11]從水資源承載負(fù)荷和承載能力兩個(gè)方向出發(fā)，構(gòu)建了水資源承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用實(shí)物量指標(biāo)對(duì)水資源承載能力各因素分別評(píng)價(jià)，采用“短板法”綜合考慮各要素評(píng)價(jià)結(jié)果，得到水資源承載能力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果. 隨著水資源管理實(shí)踐的演化和水資源承載力研究的深入，僅對(duì)現(xiàn)有水資源承載力系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)綜合評(píng)價(jià)已難以滿(mǎn)足現(xiàn)代水資源管理的需求，開(kāi)展承載力動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)預(yù)警并針對(duì)性調(diào)控漸漸成為新的研究方向，如韓俊麗等[12]應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型(SD模型)對(duì)包頭市水資源承載力進(jìn)行模擬，并根據(jù)包頭市現(xiàn)實(shí)狀況和未來(lái)發(fā)展規(guī)劃選擇發(fā)展方案，進(jìn)行仿真模擬來(lái)預(yù)測(cè)包頭市水資源承載力. 蘇志勇等[13]將水資源承載力的研究納入了生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的背景下進(jìn)行綜合集成研究，并根據(jù)模型的優(yōu)化分析結(jié)果預(yù)測(cè)了黑河流域張掖地區(qū)未來(lái)20 a的水資源承載力. 董濤等[14]提出從水資源支撐力、壓力、調(diào)控力3個(gè)子系統(tǒng)選擇指標(biāo)，建立基于承載過(guò)程的水資源承載主客體耦合評(píng)價(jià)模型，并對(duì)安徽省水資源承載力進(jìn)行了動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià). Hu等[15]利用指標(biāo)集方法對(duì)福建省流域水資源承載力進(jìn)行預(yù)測(cè)，為規(guī)劃部門(mén)決策提供輔助參考. 車(chē)越等[16]以不同引水量和不同水資源策略為幕景，運(yùn)用水資源承載力多幕景SD仿真模型，模擬預(yù)測(cè)崇明島水資源承載力. 趙筱青等[17]運(yùn)用SD模型針對(duì)現(xiàn)狀延續(xù)、提高水資源開(kāi)發(fā)利用、節(jié)水對(duì)策、綜合對(duì)策4種情景模擬預(yù)測(cè)2010-2020年昆明市水資源承載力. 趙春麗[18]建立了河津市水資源承載力SD模型，并通過(guò)改變決策變量值設(shè)計(jì)了3種模擬方案，根據(jù)各方案對(duì)應(yīng)的水資源承載力選取優(yōu)化調(diào)控方案.

上述研究采取不同方法在區(qū)域水資源承載力動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方面進(jìn)行了積極探索，但由于區(qū)域水資源承載力系統(tǒng)的高度復(fù)雜性，導(dǎo)致在優(yōu)化調(diào)控理論和技術(shù)方法方面尚存在明顯不足. 目前，國(guó)內(nèi)外水科學(xué)界對(duì)水資源承載的內(nèi)涵深化、概念延伸、系統(tǒng)評(píng)價(jià)及模擬預(yù)測(cè)等理論與方法研究還在持續(xù)發(fā)展中，尤其是水資源承載力系統(tǒng)調(diào)控尚處于初步探索階段. 針對(duì)我國(guó)水資源短缺的現(xiàn)狀，定性調(diào)控分析已經(jīng)不能滿(mǎn)足未來(lái)區(qū)域水資源承載力管理的需求. 根據(jù)研究地區(qū)的水資源條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等現(xiàn)狀及規(guī)劃條件，提出適用于區(qū)域水資源承載能力提升與負(fù)荷定量調(diào)控的方案具有重要意義. 需要指出的是，目前研究對(duì)象區(qū)域多偏向整體水系流域或省市行政區(qū)，往下細(xì)分到縣域的承載力研究較少. 筆者認(rèn)為，我國(guó)縣級(jí)行政區(qū)劃是最基本的行政單元，基本上所有的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等規(guī)劃、設(shè)計(jì)及政策管理等都是以縣(市)為基礎(chǔ)，因此可以考慮以縣域水資源承載力系統(tǒng)作為基本單元，逐級(jí)疊加、組合構(gòu)成上一層級(jí)區(qū)域(市、省、自治區(qū)等)的水資源承載力系統(tǒng)，這樣更能體現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的內(nèi)在關(guān)系. 目前對(duì)研究區(qū)域細(xì)分到縣級(jí)區(qū)劃作為單元的水資源承載力研究幾乎還是空白，因此本文以巢湖流域作為研究對(duì)象，以縣(市)為單元構(gòu)建縣域水資源承載力量質(zhì)要素系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)模擬與預(yù)測(cè)模型；再?gòu)目臻g上耦合為巢湖流域整體模型以預(yù)測(cè)流域水資源承載狀態(tài)；最后通過(guò)敏感性分析篩選量質(zhì)調(diào)控指標(biāo)，并采用正交試驗(yàn)方法確定優(yōu)化調(diào)控方案，進(jìn)行巢湖流域水資源承載力評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)及調(diào)控，為湖泊流域管理部門(mén)制定水資源管理政策提供理論參考.

1 區(qū)域概況

巢湖流域(31°25′28″～31°43′28″N，117°16′54″～117°51′46″E)位于江淮之間、安徽省中部、長(zhǎng)江中下游，總面積12938 km2，西北以江淮分水嶺為界，東瀕長(zhǎng)江，南與菜子湖、白蕩湖、陳瑤湖以及皖河流域毗鄰. 流域地貌多樣，西為大別山，沿江沿湖為平原圩區(qū)，其余是丘陵山地，西南高，東北低. 流域地處亞熱帶溫潤(rùn)型季風(fēng)氣候，平均氣溫15～16℃，年均降雨1215 mm，流域內(nèi)水系密布，水資源豐富，沿湖水系33條，主要支流杭埠河、豐樂(lè)河、派河、南淝河等自西向東注入[19]. 巢湖流域閘上區(qū)域行政區(qū)包括合肥、巢湖、肥東、肥西、長(zhǎng)豐、舒城、廬江兩市五縣，是巢湖流域主要集水區(qū)，同時(shí)也是流域內(nèi)人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響最劇烈的地區(qū)，水資源承載狀況復(fù)雜[19]，因此作為本文研究的重點(diǎn)區(qū)域.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)源

水資源承載力研究所需數(shù)據(jù)主要包含氣象水文地理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)兩方面，具體數(shù)據(jù)來(lái)源參考《合肥市統(tǒng)計(jì)年鑒(2005-2016)》、《六安市統(tǒng)計(jì)年鑒(2005-2016)》、《合肥市水資源公報(bào)(2005-2016)》、《六安市水資源公報(bào)(2005-2016)》、《第一次全國(guó)污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》、《全國(guó)第二次污染源普查生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》. 模型預(yù)測(cè)年份參數(shù)設(shè)置參考《合肥市城市總體規(guī)劃(2006-2020)》、《六安市城市總體規(guī)劃(2008-2030)》、《安徽省水資源綜合規(guī)劃報(bào)告(2010)》、《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃(2010-2030)》等規(guī)劃.

2.2 水資源承載力系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)方法

巢湖具有長(zhǎng)江下游典型平原湖泊水面廣、流速慢等特點(diǎn)，同時(shí)承擔(dān)著大型省會(huì)城市日益增長(zhǎng)的供水、排水任務(wù). 巢湖多年平均入湖徑流量為36.51億m3，但不同年份或不同季節(jié)差異明顯，其中最大年徑流量77.8億m3，最小年徑流量2.34億m3. 同時(shí)，由于1962年湖口建閘導(dǎo)致水體交換周期延長(zhǎng)也進(jìn)一步降低了湖泊水質(zhì)凈化能力，因此巢湖流域在水資源水量及水質(zhì)要素方面均存在較大壓力. 水資源承載力可作為評(píng)判水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)及生態(tài)環(huán)境之間是否協(xié)同發(fā)展的一項(xiàng)綜合指標(biāo)，因此通過(guò)水量來(lái)判斷水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)是否協(xié)同發(fā)發(fā)展；通過(guò)水質(zhì)判斷水資源與生態(tài)環(huán)境是否協(xié)同發(fā)展；二者結(jié)合，可較好地判斷巢湖流域水資源承載狀態(tài). 因此，本文選用水資源量質(zhì)要素承載狀態(tài)值作為水資源承載力表征指標(biāo)，其計(jì)算公式分別為：

SW1(j)=WU(j)/WA(j)

(1)

式中，SW1(j)表示縣(市)水量要素j年份承載狀態(tài)值；WU(j)表示縣(市)j年份用水總量；WA(j)表示縣(市)j年份可利用水量.

SQ1(j)=QU(j)/QA(j)

(2)

式中，SQ1(j)表示縣(市)水質(zhì)要素j年份承載狀態(tài)值；QU(j)表示縣(市)j年份氨氮入河量；QA(j)表示縣(市)j年份氨氮納污能力.

(3)

式中，SW2(j)表示流域水量要素j年份承載狀態(tài)值；n表示流域內(nèi)縣(市)個(gè)數(shù)；WUi(j)表示流域內(nèi)第i個(gè)縣(市)j年份用水總量；WAi(j)表示流域內(nèi)第i個(gè)縣(市)j年份可利用水量.

(4)

式中，SQ2(j)表示流域水質(zhì)要素j年份承載狀態(tài)值；n表示流域內(nèi)縣(市)個(gè)數(shù)；QUi(j)表示流域內(nèi)第i個(gè)縣(市)j年氨氮入河量；QAi(j)表示流域內(nèi)第i個(gè)縣(市)j年份氨氮納污能力.

流域整體及其內(nèi)部縣(市)的水量要素承載狀態(tài)值評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：<0.9為可載；0.9～1.0為臨界；>1.0為超載. 水質(zhì)要素承載狀態(tài)值評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：<1.1為可載；1.1～1.2為臨界；>1.2為超載[20]. 本文采用“短板法”評(píng)價(jià)區(qū)域水資源承載力，即采用水量、水質(zhì)要素承載狀態(tài)值中較差值作為水資源承載力的最終評(píng)價(jià)結(jié)果[11].

2.3 水資源承載力系統(tǒng)模擬預(yù)測(cè)方法

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)起于系統(tǒng)論，并吸收控制論、信息論的精髓，融結(jié)構(gòu)與功能、物質(zhì)與信息、科學(xué)與經(jīng)驗(yàn)于一體，溝通了自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)的橫向聯(lián)系[21]. 它通過(guò)分析系統(tǒng)內(nèi)部各變量間的反饋結(jié)構(gòu)關(guān)系來(lái)研究系統(tǒng)整體行為，認(rèn)為系統(tǒng)的行為是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定的，并指出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)反饋結(jié)構(gòu)從而可用控制論的方法來(lái)研究[22]. 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)最突出的優(yōu)點(diǎn)在于能處理高階次、非線(xiàn)性、多重反饋、復(fù)雜時(shí)變的系統(tǒng)問(wèn)題，而水資源承載力恰恰是一個(gè)包含模糊性、隨機(jī)性、非線(xiàn)性等眾多因素的復(fù)雜問(wèn)題，因此系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是較早應(yīng)用于區(qū)域水資源承載力動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)研究的重要方法[23-24]. 本文應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)構(gòu)建巢湖流域水資源承載力量質(zhì)要素系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，來(lái)評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)巢湖流域水資源承載力.

2.3.1 巢湖流域水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型 本文應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法構(gòu)建流域內(nèi)各縣(市)水資源承載力量質(zhì)要素承載狀態(tài)模擬模型，再利用整體建模技術(shù)，空間耦合各縣(市)模擬模型，構(gòu)建流域水資源承載力量質(zhì)要素承載狀態(tài)模擬模型.

縣域水資源承載力模擬模型由人口、經(jīng)濟(jì)、用水和水污染負(fù)荷排放4個(gè)子系統(tǒng)組成，可充分反映出縣域水資源與社會(huì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的變化情況. 構(gòu)建縣域水資源承載力模擬模型的關(guān)鍵在于建立4個(gè)子系統(tǒng)之間的聯(lián)系，從而建立各變量與水資源承載力量質(zhì)要素間的聯(lián)系，從機(jī)理上揭示量質(zhì)要素演變規(guī)律. 就子系統(tǒng)間的關(guān)系來(lái)看，人口、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)為用水、水污染負(fù)荷排放子系統(tǒng)分別提供用水和污染排放數(shù)據(jù). 縣域SD模型對(duì)量質(zhì)要素承載狀態(tài)值的模擬通過(guò)引入?yún)?shù)計(jì)算人口、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的用水量和污染物產(chǎn)生量，整合得到區(qū)域用水總量、氨氮入河量，再根據(jù)區(qū)域水資源條件計(jì)算可利用水量，并查閱區(qū)域氨氮納污能力，基于式(1)、(2)計(jì)算區(qū)域水資源量質(zhì)要素承載狀態(tài)值.

流域水資源承載力模擬模型就是采用整體建模技術(shù)，從人口、經(jīng)濟(jì)、用水和水污染負(fù)荷排放4個(gè)方面入手整合各縣(市)的水資源承載力模擬模型，將縣(市)域SD模型數(shù)據(jù)疊加得到流域的用水總量、可利用水量、氨氮入河量、氨氮納污能力，基于式(3)、(4)計(jì)算流域水資源量質(zhì)要素承載狀態(tài)值. 本文以巢湖流域作為研究對(duì)象，縣(市)子模型及流域整體模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1和圖2.

模型中量質(zhì)要素承載狀態(tài)值相關(guān)主要方程為：

縣域蓄水量=開(kāi)發(fā)利用系數(shù)×(縣域降水量×縣域降雨徑流系數(shù)×縣域集水面積/100000)

(5)

縣域可利用水量=縣域地下水源供水量+縣域蓄水量

(6)

縣域用水總量=縣域生態(tài)用水量+縣域生活用水量+縣域生產(chǎn)用水量

(7)

縣域點(diǎn)源氨氮入河量=縣域城鎮(zhèn)生活氨氮排放量+縣域工業(yè)氨氮排放量

(8)

縣域面源氨氮入河量=(農(nóng)田氨氮排放量+農(nóng)村生活氨氮排放量)×面源氨氮衰減系數(shù)×降雨模數(shù)

(9)

縣域氨氮入河量=(區(qū)域點(diǎn)源氨氮入河量+面源氨氮入河量)×(1-區(qū)域河道衰減系數(shù))

(10)

圖1 縣域水資源承載力量質(zhì)要素系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型Fig.1 System dynamics model of water resources carrying capacity quantity and quality elements in county

圖2 巢湖流域水資源承載力量質(zhì)要素系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型Fig.2 System dynamics model of water resources carrying capacity quantity and quality elements in Chaohu Basin

2.3.2 模型設(shè)置 本文以巢湖流域閘上區(qū)域行政區(qū)包括合肥、巢湖、肥東、肥西、長(zhǎng)豐、舒城、廬江等兩市五縣作為研究對(duì)象. 模型以2005-2016年的各區(qū)域人口、土地、水資源、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，確定模型參數(shù)和初始值，再對(duì)2017-2050年區(qū)域內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)以時(shí)間步長(zhǎng)1 a進(jìn)行模擬預(yù)測(cè). 模型的初始值和參數(shù)設(shè)置見(jiàn)附表1.

2.3.3 敏感性分析 敏感性分析是指從定量分析的角度研究有關(guān)因素發(fā)生某種變化對(duì)某關(guān)鍵指標(biāo)影響程度的一種不確定分析技術(shù). 這里采用單因素敏感分析法，通過(guò)逐一改變相關(guān)變量數(shù)值的方法來(lái)揭示關(guān)鍵指標(biāo)受這些因素變動(dòng)影響大小的規(guī)律，可用指標(biāo)的敏感性來(lái)衡量指標(biāo)對(duì)于評(píng)價(jià)目標(biāo)的重要性. 定義水資源承載力量質(zhì)要素調(diào)控指標(biāo)進(jìn)行單位幅度的變化對(duì)承載狀態(tài)值產(chǎn)生的影響稱(chēng)為指標(biāo)敏感性. 指標(biāo)敏感性的計(jì)算公式為：

Pwij=|Sw1(i,j)-Sw0(i,j)|

(11)

式中，Pwij表示第i個(gè)指標(biāo)對(duì)于j年份水量承載狀態(tài)的敏感性；Sw1(i,j)表示第i個(gè)指標(biāo)單位幅度變化后j年份水量要素承載狀態(tài)值；Sw0(i,j)表示第i個(gè)指標(biāo)未變化時(shí)j年份水量要素承載狀態(tài)值.

PQij=|SQ1(i,j)-SQ0(i,j)|

(12)

式中，PQij表示第i個(gè)指標(biāo)對(duì)于j年份水質(zhì)承載狀態(tài)的敏感性；SQ1(i,j)表示第i個(gè)指標(biāo)單位幅度變化后j年份水質(zhì)要素承載狀態(tài)值；SQ0(i,j)表示第i個(gè)指標(biāo)未變化時(shí)j年份水質(zhì)要素承載狀態(tài)值.

2.4 水資源承載力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控方法

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，它根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出了部分具有代表性的樣本進(jìn)行試驗(yàn)，是一種高效、經(jīng)濟(jì)、快速的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[25-26]. 本文采用正交試驗(yàn)法來(lái)選取量質(zhì)要素各調(diào)控指標(biāo)的最優(yōu)組合，以期滿(mǎn)足調(diào)控目標(biāo)的要求. 首先根據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)確定各調(diào)控指標(biāo)的調(diào)控依據(jù)，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)，將指標(biāo)離散化；再根據(jù)指標(biāo)個(gè)數(shù)以及指標(biāo)水平數(shù)，選取合適的正交表，按正交表的調(diào)控方案分別進(jìn)行調(diào)控，并計(jì)算各調(diào)控方案下量質(zhì)要素承載狀態(tài)值，最優(yōu)量質(zhì)要素承載狀態(tài)值對(duì)應(yīng)的調(diào)控方案為最優(yōu)方案. 限于篇幅，具體操作步驟及優(yōu)化過(guò)程見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[27-28].

3 結(jié)果與討論

3.1 巢湖流域水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬模型有效性分析

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型有效性檢驗(yàn)的目的在于判斷模型是否能夠準(zhǔn)確反映出系統(tǒng)的特征及變化規(guī)律[18]. 即利用水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型模擬2005-2016年的巢湖流域數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模型的有效性，當(dāng)誤差小于15%時(shí)可以認(rèn)為模型是有效的. 本文變量較多，故選取人口、總用水量、氨氮入河量作為檢驗(yàn)指標(biāo).

由表1可知，模型對(duì)于3個(gè)指標(biāo)的擬合誤差均在允許范圍內(nèi)，SD模型擬合效果較好.

表1 2005-2016年巢湖流系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型有效性檢驗(yàn)*

3.2 巢湖流域水資源承載力預(yù)測(cè)

通過(guò)系統(tǒng)模擬，預(yù)測(cè)2017-2050年巢湖流域以及流域內(nèi)各縣(市)量質(zhì)要素以及水資源承載力量質(zhì)要素承載狀態(tài)值. 鑒于巢湖流域目前粗放型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式尚未根本性轉(zhuǎn)變、城鎮(zhèn)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施滯后于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水生態(tài)系統(tǒng)日漸退化以及環(huán)境監(jiān)管能力不足，若不進(jìn)行有效調(diào)控，預(yù)計(jì)水資源承載狀態(tài)將進(jìn)一步惡化. 本文選取未來(lái)水平年2035、2050年來(lái)觀(guān)察各要素的變化情況，具體預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2.

由表2可知，2035、2050年巢湖流域量質(zhì)要素承載狀態(tài)均為超載. 且由于流域內(nèi)人口增加以及生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大與鎮(zhèn)化率的提高，致使用水總量與氨氮入河量數(shù)值較大且逐年呈上升趨勢(shì)，各縣(市)及整個(gè)流域水資源承載力多處于超載且呈上升趨勢(shì). 居巢區(qū)水量要素承載狀態(tài)值有明顯改善是由于2035年區(qū)域降雨量遠(yuǎn)小于2050年區(qū)域降雨量. 肥西縣水質(zhì)要素承載狀態(tài)有明顯改善是因?yàn)槠涔I(yè)氨氮排放量占總體比重較大，隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，萬(wàn)元工業(yè)增加值氨氮排放量降低.

3.3 巢湖流域水資源承載力調(diào)控模型構(gòu)建

3.3.1 調(diào)控目標(biāo) 2035、2050年巢湖流域水資源承載力量質(zhì)要素承載狀態(tài)均達(dá)到臨界. 由表2可知，巢湖流域水資源承載力急需調(diào)控，這里選取臨界值作為調(diào)控目標(biāo)，是因?yàn)榭蓾M(mǎn)足在對(duì)現(xiàn)有社會(huì)生產(chǎn)、生活狀況最小變動(dòng)的情況下保證流域水資源的合理使用.

表2 巢湖流域量質(zhì)要素承載狀態(tài)值預(yù)測(cè)

3.3.2 調(diào)控機(jī)理及調(diào)控指標(biāo)的初步確定 由公式(1)、(2)可知，水資源量質(zhì)要素承載狀態(tài)值主要與用水總量、可利用水量、氨氮入河量、氨氮納污能力等密切相關(guān)，根據(jù)圖1中SD模型選取與上述4個(gè)變量關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的指標(biāo)作為調(diào)控指標(biāo),可以從生活、生產(chǎn)兩方面入手，減小用水總量和氨氮入河量來(lái)改善區(qū)域水資源承載力. 首先，利用敏感性分析對(duì)調(diào)控指標(biāo)進(jìn)行篩選. 再以發(fā)展較好地區(qū)的各項(xiàng)指標(biāo)作為各個(gè)調(diào)控指標(biāo)的調(diào)控依據(jù)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行正交試驗(yàn)，選取最優(yōu)調(diào)控方案.

因以其他地區(qū)的指標(biāo)作為調(diào)控依據(jù)，考慮到地區(qū)人口、面積等方面存在差異，故盡可能選取與這些因素?zé)o關(guān)的指標(biāo)作為調(diào)控指標(biāo). 同時(shí)考慮到巢湖流域用水量大、水質(zhì)較差的特點(diǎn)，在水量要素調(diào)控方面選取農(nóng)田灌溉定額、二產(chǎn)產(chǎn)值比、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量、農(nóng)村居民人均用水量和城鎮(zhèn)居民人均用水量5個(gè)指標(biāo)；在水質(zhì)要素調(diào)控方面選取城鎮(zhèn)污水處理率、二產(chǎn)產(chǎn)值比、單位農(nóng)田施肥量、城鎮(zhèn)居民人均氨氮排放量、農(nóng)村居民人均氨氮排放量和農(nóng)村污水處理率6個(gè)指標(biāo).

3.3.3 篩選調(diào)控指標(biāo) 基于公式(11)、(12)計(jì)算各調(diào)控指標(biāo)對(duì)應(yīng)目標(biāo)年份的敏感性，為避免偶然因素對(duì)指標(biāo)敏感性的影響，以指標(biāo)±5%和±10% 4種情況下2035年和2050年承載狀態(tài)值變化幅度的均值來(lái)表征指標(biāo)的敏感性，結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 量質(zhì)要素調(diào)控變量敏感性分析*

選取敏感性較強(qiáng)(>1)的指標(biāo)作為最終的調(diào)控指標(biāo)，在水量要素方面選取畝均灌溉用水量、二產(chǎn)產(chǎn)值比、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量作為調(diào)控指標(biāo). 在水質(zhì)要素方面選取城鎮(zhèn)污水處理率、二產(chǎn)產(chǎn)值比、城鎮(zhèn)居民人均氨氮排放量、農(nóng)村居民人均氨氮排放量作為調(diào)控指標(biāo). 未來(lái)隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)灌溉方式的進(jìn)步，萬(wàn)元工業(yè)增加值以及畝均灌溉用水量將降低，污水處理效率必然得到提升；巢湖流域經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的根本任務(wù)是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，大力發(fā)展服務(wù)業(yè)勢(shì)在必行，二產(chǎn)產(chǎn)值比將呈下降趨勢(shì)；隨著國(guó)民素質(zhì)進(jìn)一步提升，養(yǎng)成良好生活用水習(xí)慣，會(huì)使得生活污水中的氨氮進(jìn)一步減少，分析可知上述6個(gè)指標(biāo)均具有較好的調(diào)控性. 調(diào)控的順序?yàn)橄日{(diào)控水量要素再調(diào)控水質(zhì)要素，二產(chǎn)產(chǎn)值比的調(diào)控在水量要素調(diào)控中進(jìn)行. 城鎮(zhèn)污水處理率敏感性指標(biāo)較大一是因?yàn)槲磥?lái)我國(guó)城鎮(zhèn)化率進(jìn)一步提升，導(dǎo)致城鎮(zhèn)人口增加、農(nóng)村人口減少；二是生產(chǎn)科技的進(jìn)步，使得萬(wàn)元工業(yè)增加值氨氮排放量不斷減小，因此城鎮(zhèn)居民氨氮排放量占排放總量的比重進(jìn)一步升高，城鎮(zhèn)污水處理率對(duì)于氨氮排放量的影響程度也隨之提升.

3.3.4 調(diào)控依據(jù) 巢湖流域3個(gè)水量要素調(diào)控指標(biāo)現(xiàn)狀值為：畝均灌溉用水量329 m3；二產(chǎn)產(chǎn)值比0.544；萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量43 m3. 水量要素調(diào)控指標(biāo)參照浙江省進(jìn)行調(diào)控：畝均灌溉用水量280 m3；二產(chǎn)產(chǎn)值比0.5；萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量35 m3. 巢湖流域3個(gè)水質(zhì)要素調(diào)控指標(biāo)現(xiàn)狀值為：城鎮(zhèn)居民人均氨氮排放量45 g/(人·d)；城鎮(zhèn)污水處理率86.5%；農(nóng)村居民人均氨氮排放量20 g/(人·d). 水質(zhì)要素調(diào)控指標(biāo)參考江蘇省沿江城市典型生活小區(qū)數(shù)據(jù)：城鎮(zhèn)居民人均氨氮排放量40 g/(人·d)；城鎮(zhèn)污水處理率93%；農(nóng)村居民人均氨氮排放量15 g/(人·d).

3.3.5 巢湖流域水資源承載力水量要素優(yōu)化調(diào)控方案 本文對(duì)巢湖流域進(jìn)行整體調(diào)控，即對(duì)研究區(qū)域內(nèi)7個(gè)縣(市)的各個(gè)量質(zhì)要素調(diào)控指標(biāo)進(jìn)行同倍比調(diào)控. 根據(jù)現(xiàn)狀條件下流域內(nèi)的指標(biāo)值及調(diào)控依據(jù)，按照大系統(tǒng)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法將水量要素的3個(gè)指標(biāo)分成5個(gè)水平，即將調(diào)控依據(jù)值和現(xiàn)狀指標(biāo)值差值比上現(xiàn)狀指標(biāo)值，再進(jìn)行五等分. 量質(zhì)要素調(diào)控指標(biāo)均進(jìn)行階段性調(diào)控，即在2020年與2030年分別進(jìn)行調(diào)控. 水量要素試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表4.

表4 巢湖流域水量要素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖3 巢湖流域水量要素調(diào)控Fig.3 Regulation of water quantity elements in Chaohu Basin

根據(jù)L25(53)正交表編制的25種方案進(jìn)行調(diào)控，由表2可知巢湖流域2050年水量要素承載狀態(tài)值較大，故將各個(gè)調(diào)控方案下2050年的流域水量要素承載狀態(tài)值與調(diào)控目標(biāo)作比較，選取最優(yōu)設(shè)計(jì)方案.

由附表Ⅱ可知，ABS最小值對(duì)應(yīng)的最優(yōu)調(diào)控方案為方案18，即畝均灌溉用水量削減12%；二產(chǎn)產(chǎn)值比削減4.5%；萬(wàn)元工業(yè)增加值需水量削減3%. 對(duì)應(yīng)調(diào)控措施下巢湖流域水量要素調(diào)控指標(biāo)變化情況見(jiàn)圖3.

觀(guān)察整體調(diào)控下，巢湖流域整體及流域內(nèi)各縣(市)水量要素承載狀態(tài)值的變化情況，見(jiàn)圖4.

由圖4可知，在優(yōu)化方案調(diào)控作用下，巢湖流域整體及各縣(市)水量要素承載狀態(tài)值得到明顯改善. 2035年和2050年巢湖流域水量要素承載狀態(tài)值分別為0.976和0.948，達(dá)到臨界或可載；肥東縣、肥西縣和舒城縣水量要素承載狀態(tài)均達(dá)到可載/臨界；其他縣(市)均處于超載狀態(tài). 圖中虛線(xiàn)與實(shí)線(xiàn)所夾面積大小可反映調(diào)控方案對(duì)該區(qū)域的影響. 合肥市區(qū)、居巢區(qū)調(diào)控效果不明顯是因?yàn)閰^(qū)域內(nèi)調(diào)控指標(biāo)數(shù)值較小，在同倍比調(diào)控下，調(diào)控方案產(chǎn)生的影響較小. 長(zhǎng)豐縣、廬江縣仍處于超載一方面是因?yàn)閰^(qū)域內(nèi)調(diào)控指標(biāo)數(shù)值相對(duì)較小，另一方面是因?yàn)轭A(yù)測(cè)年份降雨量較小.

圖4 巢湖流域水量要素承載狀態(tài)值變化情況Fig.4 Change of carrying state value of water quantity elements in Chaohu Basin

3.3.6 巢湖流域水資源承載力水質(zhì)要素優(yōu)化調(diào)控方案 根據(jù)現(xiàn)狀條件下流域內(nèi)的水質(zhì)要素調(diào)控指標(biāo)值以及調(diào)控依據(jù)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)將水質(zhì)要素的3個(gè)指標(biāo)分成5個(gè)水平，水質(zhì)要素試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表5.

表5 巢湖流域水質(zhì)要素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)L25(53)正交表編制試驗(yàn)方案進(jìn)行調(diào)控，計(jì)算各調(diào)控方案下2050年巢湖流域水質(zhì)承載狀態(tài)值并與調(diào)控目標(biāo)進(jìn)行比較選取最優(yōu)方案. 經(jīng)優(yōu)化可知巢湖流域水質(zhì)要素調(diào)控指標(biāo)最優(yōu)調(diào)控方案為：在水量要素調(diào)控的基礎(chǔ)上城鎮(zhèn)污水處理率提升8%；城鎮(zhèn)居民人均氨氮排放量削減20%；農(nóng)村居民人均氨氮排放量削減15%. 巢湖流域水質(zhì)要素調(diào)控指標(biāo)變化情況如圖5所示.

圖5 巢湖流域水量要素調(diào)控Fig.5 Regulation of water quality elements in Chaohu Basin

巢湖流域整體及流域內(nèi)各縣(市)的水質(zhì)要素承載狀態(tài)值在最優(yōu)調(diào)控方案下的變化情況見(jiàn)圖6.

由圖6可知，在水量調(diào)控措施的基礎(chǔ)上進(jìn)行水質(zhì)調(diào)控，可明顯改善巢湖流域水質(zhì)要素承載狀態(tài). 2035年和2050年巢湖流域水質(zhì)要素承載狀態(tài)值經(jīng)調(diào)控之后分別為1.0和1.1，達(dá)到臨界/可承載狀態(tài)；除舒城縣外其他縣(市)水質(zhì)要素承載狀態(tài)均達(dá)到臨界/可載. 舒城縣水質(zhì)要素承載狀態(tài)超載一是因?yàn)榘钡{污能力較弱；二是農(nóng)村生活氨氮排放量占比較大，同倍比調(diào)控情況下，不能得到有效控制.

綜上，在量質(zhì)要素整體優(yōu)化調(diào)控下，巢湖流域整體水資源承載狀態(tài)達(dá)到臨界/可載；合肥市區(qū)、居巢區(qū)、長(zhǎng)豐縣、廬江縣及舒城縣水資源承載力未達(dá)標(biāo)，需對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行二次調(diào)控.

圖6 巢湖流域水質(zhì)要素承載狀態(tài)值變化情況Fig.6 Change of carrying state value of water quality elements in Chaohu Basin

4 結(jié)論

鑒于巢湖流域在水資源水量及水質(zhì)方面存在較大壓力，本文基于縣(市)域系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建了巢湖流域量質(zhì)要素系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，預(yù)測(cè)了2017-2050年巢湖流域水資源承載力的變化趨勢(shì)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化了承載力調(diào)控方案，得到如下結(jié)果：

1)在無(wú)調(diào)控情況下，隨著巢湖流域未來(lái)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大以及城鎮(zhèn)化率的提升，2017-2050年巢湖流域水資源承載狀態(tài)值整體呈上升趨勢(shì)，并于2030年后長(zhǎng)期處于超載狀態(tài).

2)在優(yōu)化調(diào)控方案下，即畝均灌溉用水量削減12%；二產(chǎn)產(chǎn)值削減4.5%；萬(wàn)元工業(yè)增加值需水量削減3%；城鎮(zhèn)污水處理率提升8%；城鎮(zhèn)居民人均氨氮排放量削減20%；農(nóng)村居民人均氨氮排放量削減15%，2035年和2050年巢湖流域水資源承載狀態(tài)均處于臨界/可載.

需要指出的是，整體調(diào)控措施雖然能使流域?qū)用鏉M(mǎn)足調(diào)控目標(biāo)要求，但不能保證各縣(市)局部承載狀態(tài)均達(dá)標(biāo)，但可起到一定的改善作用. 巢湖流域水資源承載力具有明顯能力的隨機(jī)動(dòng)態(tài)性和壓力的長(zhǎng)期漸增性，在局部區(qū)域或時(shí)段內(nèi)當(dāng)承載壓力大于承載能力時(shí)，需要借助域內(nèi)或域外的水量調(diào)入才能緩解紓困，即需要構(gòu)建湖泊流域水資源承載力系統(tǒng)在時(shí)間和空間上應(yīng)急調(diào)控機(jī)制，以保障區(qū)域生活、生產(chǎn)以及生態(tài)方面的安全. 這樣由整體到局部、由上而下的調(diào)控方法可以減少調(diào)控的繁瑣程度，更快地滿(mǎn)足區(qū)域整體及局部承載狀態(tài)均可載的要求.

綜上，本文提出的巢湖流域水資源承載力動(dòng)態(tài)調(diào)控方案能促進(jìn)當(dāng)?shù)厮Y源的有效流轉(zhuǎn)與配置，提高其利用效率，降低由于水資源粗放式開(kāi)發(fā)利用引發(fā)污染治理的經(jīng)濟(jì)成本，減小由于水資源過(guò)度開(kāi)發(fā)帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境影響，有效改善當(dāng)?shù)氐馁Y源環(huán)境狀況.

5 附錄

附表Ⅰ、Ⅱ見(jiàn)電子版(DOI：10.18307/2021.0106.)