社河控制單元水環(huán)境承載力情景方案設(shè)計(jì)研究

朱悅 關(guān)倩

摘要 以撫順縣社河控制單元為例，基于水環(huán)境-水資源-水生態(tài)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)4個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)建指標(biāo)體系及水環(huán)境承載力評(píng)估預(yù)警動(dòng)態(tài)模型，并設(shè)計(jì)常規(guī)發(fā)展型、經(jīng)濟(jì)改善型、水環(huán)境改善型、水資源改善型、綜合改善型5種情景方案，預(yù)測(cè)2019—2025年不同發(fā)展方案下的水環(huán)境承載力。結(jié)果表明，社河控制單元水環(huán)境承載力均呈上升趨勢(shì)，各方法調(diào)節(jié)效果為綜合改善型（0.811 7）>水資源改善型（0.765 8）>經(jīng)濟(jì)改善型（0.711 7）>水環(huán)境改善型（0.682 4）>常規(guī)發(fā)展型（0.672 5）。常規(guī)發(fā)展型情景方案2025年達(dá)到臨界超載—藍(lán)色預(yù)警狀態(tài)，說(shuō)明按照現(xiàn)有狀態(tài)發(fā)展，社河控制單元不能夠承載目前的人口、經(jīng)濟(jì)規(guī)模;綜合改善型情景方案2025年達(dá)到綠色不超載狀態(tài)，說(shuō)明在此方案下，社河的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水環(huán)境、水資源、水生態(tài)能協(xié)調(diào)發(fā)展。

關(guān)鍵詞 水環(huán)境承載力;系統(tǒng)動(dòng)力學(xué);情景方案設(shè)計(jì);社河控制單元

中圖分類號(hào) X522? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2022）05-0072-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.05.018

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on Scenario Scheme Design of Water Environment Carrying Capacity in Shehe River Control Unit

ZHU Yue， GUAN Qian

（Liaoning Provincial Science and Technology Center for Ecological Environment Protection， Shenyang， Liaoning 110015）

Abstract Taking the Shehe River Control Unit in Fushun County as an example， based on the four subsystems of water environment-water resources-water ecology-social economy to construct an indicator system and a water environment carrying capacity evaluation and early warning dynamic model，and design five scenarios of conventional development， economic improvement， water environment improvement， water resource improvement and comprehensive improvement， to predict the water environment carrying capacity under different development plans from 2019 to 2025.The results showed that the water environment carrying capacity of the Shehe control unit was on the rise， and the adjustment effect of each method was comprehensive improvement type （0.811 7）> water resource improvement type （0.765 8）> economic improvement type （0.711 7）> water environment improvement type （0.682 4）> conventional development type （0.672 5）.The conventional development scenario plan will reach the critical overload-blue warning state in 2025， indicating that according to the current state of development， the Shehe River control unit cannot carry the current population and economic scale;the comprehensive improvement scenario plan will reach a green non-overload state in 2025， indicating that under this plan， the social economy， water environment， water resources， and water ecology of Shehe River can develop in a coordinated manner.

Key words Water environment carrying capacity;System dynamics;Scenario scheme design;Shehe control unit

基金項(xiàng)目 水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2018ZX07601-002）。

作者簡(jiǎn)介 朱悅（1981—），女，遼寧沈陽(yáng)人，高級(jí)工程師，碩士，從事流域水環(huán)境保護(hù)研究。

收稿日期 2021-06-08

由于經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展及部分地區(qū)水環(huán)境資源的不合理應(yīng)用，社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)水環(huán)境承載上限，由此引發(fā)了水資源開(kāi)發(fā)利用率過(guò)高、水環(huán)境污染負(fù)荷較大、水生態(tài)退化等一系列問(wèn)題。由此可見(jiàn)，水環(huán)境承載力的研究對(duì)保障水環(huán)境健康及社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展有重要的科學(xué)意義。

生態(tài)環(huán)境部召開(kāi)的重點(diǎn)流域水生態(tài)保護(hù)“十四五”規(guī)劃編制試點(diǎn)工作啟動(dòng)視頻會(huì)指出，要統(tǒng)籌水資源、水環(huán)境、水生態(tài)承載力，改善水環(huán)境質(zhì)量[1]。因此該研究根據(jù)要求在前期研究的基礎(chǔ)上[2-5]對(duì)水環(huán)境承載力定義進(jìn)行補(bǔ)充，即水體在同時(shí)滿足水資源承載力、水環(huán)境承載力和水生態(tài)承載力的條件下，能夠承載的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人口發(fā)展規(guī)模的閾值[6]。

水環(huán)境承載力的量化評(píng)價(jià)方法主要包括向量模法、加權(quán)平均法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法等。鄭博福等[7]構(gòu)建包括水環(huán)境、水資源、水生態(tài)、土地生態(tài)功能的水環(huán)境承載力指標(biāo)體系，并利用向量模法對(duì)典型河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。周洋等[8]建立了包含8個(gè)指標(biāo)的指標(biāo)體系，應(yīng)用加權(quán)平均法評(píng)估漢江地區(qū)水環(huán)境承載力現(xiàn)狀，并提出主要制約因素及改進(jìn)措施。曹若馨等[9]以COD、氨氮、總磷為研究對(duì)象，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法構(gòu)建水環(huán)境承載力預(yù)警模型，并從水環(huán)境全過(guò)程控制角度對(duì)環(huán)境污染治理方向進(jìn)行規(guī)劃。楊光明等[10]在對(duì)重慶工業(yè)現(xiàn)狀、人口規(guī)模和自然環(huán)境分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法構(gòu)建水資源承載力指標(biāo)體系及模型，設(shè)計(jì)情景方案對(duì)水資源承載的可持續(xù)發(fā)展能力進(jìn)行評(píng)估與預(yù)測(cè)。楊海燕等[11]針對(duì)泰安市水資源與水環(huán)境現(xiàn)狀，利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬泰安市納污能力、污染物排放量和缺水程度，設(shè)計(jì)情景方案改善未來(lái)年份城市的水環(huán)境與水資源供需平衡能力。通過(guò)文獻(xiàn)總結(jié)，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法能清晰明確地反映因素對(duì)結(jié)果的影響程度，并能夠反映系統(tǒng)長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)。因此該研究選用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法構(gòu)建水環(huán)境承載力評(píng)估預(yù)警模型。

社河是大伙房水庫(kù)3條主要入庫(kù)河流之一，屬于飲用水水源地保護(hù)區(qū)。如何在保證飲用水水源地保護(hù)區(qū)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的前提下提高水環(huán)境承載力是社河控制單元的重要任務(wù)。該研究以社河控制單元為研究對(duì)象，根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法構(gòu)建水環(huán)境承載力評(píng)估預(yù)警模型，設(shè)計(jì)5種情景方案對(duì)2019—2025年水環(huán)境承載力進(jìn)行調(diào)節(jié)，并完成以社河控制單元為例的飲用水源地保護(hù)區(qū)水環(huán)境承載力提升方案。

1 指標(biāo)體系的建立

根據(jù)社河控制單元水資源公報(bào)等文件及文獻(xiàn)，結(jié)合水環(huán)境、水資源、水生態(tài)3個(gè)子系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)可獲取性、全面性、科學(xué)性等原則構(gòu)建了遼河流域水環(huán)境承載力指標(biāo)體系，具體見(jiàn)圖1。

2 水環(huán)境承載力評(píng)估預(yù)警模型構(gòu)建

水環(huán)境承載力的研究對(duì)象主要包括以下4個(gè)模塊：①水環(huán)境模塊，主要包括點(diǎn)源污染物及非點(diǎn)源污染物，反映研究區(qū)的污染負(fù)荷和凈化污染物的能力，模型主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為總氮（TN）和總磷（TP）;②水資源模塊，主要包括水資源開(kāi)發(fā)利用率、水資源供水量、生活用水量、工業(yè)用水量等，主要反映研究區(qū)的供水能力及用水能力;③水生態(tài)模塊，包括河岸帶植被覆蓋率和林草植被覆蓋率，主要反映研究區(qū)的植被覆蓋情況;④社會(huì)經(jīng)濟(jì)模塊，包括經(jīng)濟(jì)及人口變化趨勢(shì)，主要反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)改善趨勢(shì)。根據(jù)上述分析構(gòu)建社河控制單元系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，具體見(jiàn)圖2。

2.1 模型邊界

系統(tǒng)模擬的空間邊界為社河控制單元，時(shí)間邊界為2013—2025年，基準(zhǔn)年為2018年，仿真時(shí)間步長(zhǎng)為1年，其中2013—2018年為評(píng)估年份，2019—2025年為預(yù)測(cè)年份。

2.2 相對(duì)誤差檢驗(yàn)

對(duì)歷史數(shù)值輸入模型進(jìn)行仿真模擬，將模擬數(shù)值與實(shí)際數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，若誤差（表1）在10%以內(nèi)則說(shuō)明模擬有效。因此歷史檢驗(yàn)所選擇的數(shù)據(jù)需要有多年連續(xù)數(shù)值。該研究選取農(nóng)業(yè)增加值、第三產(chǎn)業(yè)增加值、人口作為檢驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行歷史性檢驗(yàn)（表1），誤差在10%以內(nèi)，證明模型有效，可以利用該模型對(duì)社河控制單元水環(huán)境承載力進(jìn)行評(píng)估預(yù)警。

3 情景方案設(shè)計(jì)

結(jié)合社河控制單元發(fā)展現(xiàn)狀及“十四五”國(guó)家規(guī)劃等，對(duì)模型內(nèi)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，形成常規(guī)發(fā)展型、經(jīng)濟(jì)改善型、水環(huán)境改善型、水資源改善型、綜合改善型5種方案，設(shè)計(jì)說(shuō)明如表2所示。

4 水環(huán)境承載力評(píng)估分析

4.1 指標(biāo)變化分析

以水環(huán)境子系統(tǒng)為例，不同情景方案下水環(huán)境子系統(tǒng)變量如圖3所示。工業(yè)、農(nóng)業(yè)增加值排污強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明各方案能夠顯著減小環(huán)境壓力;水域納污率降低至100%以下，說(shuō)明情景方案能夠較好地減少污染物的產(chǎn)生與排放;5種方案下綜合改善調(diào)節(jié)方案調(diào)節(jié)效果最好。

4.2 水環(huán)境承載力比較分析

參照中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警長(zhǎng)效機(jī)制的若干意見(jiàn)》，將水環(huán)境承載力狀態(tài)分為3級(jí)5色，并根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)水環(huán)境承載力進(jìn)行量化，相應(yīng)承載區(qū)間及對(duì)應(yīng)級(jí)別顏色如表3所示。

根據(jù)綜合指數(shù)法計(jì)算得到社河控制單元2019—2025年水環(huán)境承載力變化情況，從圖4可以看出，情景方案中水環(huán)境承載力從大到小依次為綜合改善型（0.811 7）>水資源改善型（0.765 8）>經(jīng)濟(jì)改善型（0711 7）>水環(huán)境改善型（0.682 4）>常規(guī)發(fā)展型（0.672 5）。

各情景方案下，水環(huán)境承載力均呈逐年上升趨勢(shì)。常規(guī)發(fā)展趨勢(shì)因?yàn)?018年GDP變化率為正數(shù)，因此排污強(qiáng)度與萬(wàn)元GDP用水量逐年下降，水環(huán)境承載力呈上升趨勢(shì)。5種方案中常規(guī)發(fā)展型、經(jīng)濟(jì)改善型、水環(huán)境改善型、水資源改善型調(diào)節(jié)效果較差，2025年均為臨界超載—藍(lán)色預(yù)警狀態(tài)，說(shuō)明單一調(diào)節(jié)模式下，水環(huán)境承載力壓力較大，不能保障水體安全。而綜合改善型調(diào)節(jié)效果最優(yōu)，2025年達(dá)到綠色不超載狀態(tài)。分析其中原因，綜合改善型采取較高的經(jīng)濟(jì)增速、較強(qiáng)的節(jié)水能力，較少的用水量，可大幅提高水環(huán)境承載力，同時(shí)注重經(jīng)濟(jì)改善，調(diào)節(jié)水環(huán)境、水資源子系統(tǒng)存在的問(wèn)題，減少了污染物的排放以及水資源的開(kāi)發(fā)利用，有效促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

5 結(jié)論

以撫順縣社河控制單元為例，基于水環(huán)境-水資源-水生態(tài)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)4個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)建指標(biāo)體系及水環(huán)境承載力評(píng)估預(yù)警動(dòng)態(tài)模型，并設(shè)計(jì)常規(guī)發(fā)展型、經(jīng)濟(jì)改善型、水環(huán)境改善型、水資源改善型、綜合改善型5種情景方案，預(yù)測(cè)2019—2025年不同發(fā)展方案下的水環(huán)境承載力。結(jié)果表明，2019—2025年社河控制單元水環(huán)境承載力呈上升趨勢(shì)，綜合改善型（0.811 7）>水資源改善型（0.765 8）>經(jīng)濟(jì)改善型（0.711 7）>水環(huán)境改善型（0.682 4）>常規(guī)發(fā)展型（0.672 5）。

常規(guī)發(fā)展型情景方案2025年達(dá)到臨界超載—藍(lán)色預(yù)警狀態(tài)，說(shuō)明按照現(xiàn)有狀態(tài)發(fā)展，社河不能夠承載目前的人口、經(jīng)濟(jì)規(guī)模。綜合改善模式調(diào)節(jié)效果最好，2025年可以達(dá)到綠色不超載狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水環(huán)境、水資源、水生態(tài)的協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展。

社河控制單元作為飲用水源地保護(hù)區(qū)，在保證達(dá)到水質(zhì)要求的前提下仍然需要控制總氮、總磷等污染物排放量，以生態(tài)環(huán)保需求倒逼企業(yè)工藝升級(jí)，提升水資源利用效率，保證水生態(tài)健康程度，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 張波.重點(diǎn)流域水生態(tài)保護(hù)“十四五”規(guī)劃編制試點(diǎn)工作視頻會(huì)講話[EB/OL].（2020-04-09）[2020-05-10].http：//www.mee.gov.cn/ywdt/hjywnews/2020047t20200409_773738.shtml.

[2] 李勝雙.金塔盆地水資源承載力分析及其調(diào)控模式研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2017.

[3] 南楠.基于灰色關(guān)聯(lián)理論與SD模型的江蘇省水環(huán)境承載力研究[D].南京：南京大學(xué)，2012.

[4] 趙松源.基于 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的松遼流域水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2018.

[5] 柴淼瑞.基于SD模型的流域水生態(tài)承載力研究：以鐵嶺控制單元為例[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2014.

[6] 朱悅.基于“三水”內(nèi)涵的水環(huán)境承載力指標(biāo)體系構(gòu)建：以遼河流域?yàn)槔齕J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2020，10（6）：1029-1035.

[7] 鄭博福，范焰焰，任艷紅，等.典型河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境承載力評(píng)估：以長(zhǎng)興縣為例[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2020（7）：54-59.

[8] 周洋，周強(qiáng).漢江地區(qū)水環(huán)境承載力研究[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，39（3）：331-334.

[9] 曹若馨，張可欣，曾維華，等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境承載力預(yù)警研究：以北運(yùn)河為例[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2021，41（5）：2005-2017.

[10] 楊光明，時(shí)巖鈞，楊航，等.基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的水資源承載力可持續(xù)發(fā)展評(píng)估：以重慶市為例[J].人民長(zhǎng)江，2019，50（8）：6-13，51.

[11] 楊海燕，孫曉博，周廣宇，等.基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的泰安市水資源與水環(huán)境系統(tǒng)模擬分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（35）：348-355.

[12] 2021年撫順市政府工作報(bào)告[EB/OL].[2021-01-15].http：//www.fushun.gov.cn/fushun/infodetail/？infoid=06d8b782-2562-4ba1-afeb-daa3d1823a20&categoryNum=038020001.

[13] 撫順縣人民政府.撫順縣畜禽養(yǎng)殖環(huán)境保護(hù)管理規(guī)定（暫行）[EB/OL].（2018-11-06）[2021-01-11].http：//www.lnfsx.gov.cn/ins_wj.asp？s=56&i=5244.

[14] 國(guó)家發(fā)展改革委，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部.關(guān)于印發(fā)《“十三五”全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》的通知：發(fā)改環(huán)資〔2016〕2849號(hào)[EB/OL].（2016-12-31）[2021-01-11].https：//www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/201701/t20170122_962224.html.

[15] 國(guó)家發(fā)展改革委，科技部，工業(yè)和信息化部，等.關(guān)于推進(jìn)污水資源化利用的指導(dǎo)意見(jiàn)：發(fā)改環(huán)資〔2021〕13號(hào)[EB/OL].（2021-01-04）[2021-01-11].https：//www.ndrc.gov.cn/xwdt/tzgg/202101/t20210 111_1264795.html.