沈珍瑤，?，撔?，賈 超，陳 磊

基于動(dòng)態(tài)模擬遞推算法和向量模法的水環(huán)境承載力計(jì)算方法

沈珍瑤1，2，?，撔?，2，賈 超1，2，陳 磊1，2

(1.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100875；2.北京師范大學(xué)水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875)

為了定量分析流域內(nèi)多種因素對(duì)水環(huán)境的綜合影響,發(fā)展并完善了基于動(dòng)態(tài)模擬遞推算法和向量模法的水環(huán)境承載力計(jì)算方法,并將其應(yīng)用于漢江流域中下游干流供水區(qū)水環(huán)境承載力分析。分析結(jié)果表明,該方法對(duì)于水環(huán)境承載力的論述更為合理,得到的結(jié)果也更為直觀、全面；僅從水資源供給的角度,漢江流域中下游干流供水區(qū)水環(huán)境承載力在2040年存在難以承載社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn),但從綜合角度看,水環(huán)境承載力呈現(xiàn)出改善的趨勢(shì)。

水環(huán)境承載力；水資源量；水環(huán)境容量；動(dòng)態(tài)模擬遞推算法；向量模法；漢江流域中下游

當(dāng)前,水資源短缺和水環(huán)境惡化已經(jīng)成為全球性問(wèn)題[1]。我國(guó)水資源緊缺,水環(huán)境普遍受到較為嚴(yán)重的污染,水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的矛盾日益尖銳。水環(huán)境承載力的大小是決定人類(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模和速度的重要因素,對(duì)其進(jìn)行理論和實(shí)踐的深入研究具有重要的意義。目前,水環(huán)境承載力的概念在學(xué)術(shù)界尚無(wú)明確定義[2]。筆者結(jié)合前人研究結(jié)果,認(rèn)為水環(huán)境承載力是指某一水域在一定歷史時(shí)段上,以可預(yù)見(jiàn)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平為依據(jù),以可持續(xù)發(fā)展為前提,在維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的基礎(chǔ)上,其水環(huán)境可支撐的社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)模和具有一定生活水平的人口數(shù)量。但水環(huán)境承載力研究涉及范圍廣、內(nèi)容復(fù)雜,目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一和成熟的水環(huán)境承載力研究方法,水環(huán)境承載力量化方法呈現(xiàn)多元化發(fā)展的特征[3-4]。近年來(lái),漢江中下游生態(tài)環(huán)境破壞日益嚴(yán)重,南水北調(diào)中線工程實(shí)施后,漢江中下游水量減少,水環(huán)境容量下降,流域內(nèi)水環(huán)境對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的可持續(xù)承載問(wèn)題已經(jīng)成為制約流域發(fā)展的重要因素[5-6]。本文發(fā)展并完善了基于動(dòng)態(tài)模擬遞推算法和向量模法的水環(huán)境承載力計(jì)算方法,并以漢江流域中下游干流供水區(qū)為例進(jìn)行了驗(yàn)證,對(duì)該區(qū)水環(huán)境承載力進(jìn)行了綜合分析,可為該流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃和水資源可持續(xù)利用等提供科學(xué)的依據(jù)。

1 流域水環(huán)境承載力計(jì)算方法體系

目前用于水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)的方法主要有向量模法、模糊綜合評(píng)判方法、密切值法、主成分分析法、多目標(biāo)決策分析法及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法等[1,7-9],評(píng)價(jià)方法雖然多樣,但尚無(wú)統(tǒng)一認(rèn)識(shí),沒(méi)有具體的判斷原則。針對(duì)已有評(píng)價(jià)方法存在片面性等缺陷,本文擬采用一種新方法,即采用動(dòng)態(tài)模擬遞推算法對(duì)水資源利用系統(tǒng)和水環(huán)境污染系統(tǒng)進(jìn)行分析,同時(shí)由于動(dòng)態(tài)模擬遞推算法注重一些關(guān)鍵要素的平衡和滿足,考慮因素略為單一,而向量模法側(cè)重于描述水環(huán)境綜合承載力的情況,結(jié)合兩種算法進(jìn)行水環(huán)境承載力的綜合評(píng)價(jià)。這種研究方法對(duì)于開(kāi)展有時(shí)間跨度且區(qū)域面積較大的地區(qū)水環(huán)境承載力研究,具有其他方法無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn),既注重關(guān)鍵要素的滿足,同時(shí)也考慮了綜合因素,可以直觀反映地區(qū)水環(huán)境承載力及承載力變化過(guò)程、變化趨勢(shì),簡(jiǎn)單實(shí)用,研究結(jié)果較為直觀。

1.1 動(dòng)態(tài)模擬遞推算法

動(dòng)態(tài)模擬遞推算法[10]主要是通過(guò)水的動(dòng)態(tài)供需平衡計(jì)算,來(lái)顯示水資源承載力的狀況和支持人口與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的規(guī)模。其優(yōu)點(diǎn)在于以年(或規(guī)劃期)為時(shí)段,逐年地遞推計(jì)算下去,并將不同年份的水環(huán)境承載力與實(shí)際值或預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較,以判斷水環(huán)境對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的承載狀況。

動(dòng)態(tài)模擬遞推算法在水環(huán)境承載力計(jì)算中具有廣泛的適用性,水環(huán)境承載力分析主要包括水資源利用系統(tǒng)分析和水環(huán)境污染系統(tǒng)分析。動(dòng)態(tài)模擬遞推算法也是從這兩個(gè)角度進(jìn)行分析和演算,沒(méi)有復(fù)雜的模擬過(guò)程,簡(jiǎn)單易用。由于水環(huán)境承載系統(tǒng)非常復(fù)雜,而算法考慮的因素是衡量承載力的主要指標(biāo),對(duì)承載力的綜合性和承載潛力考慮較少,所以在實(shí)際運(yùn)用時(shí),為了能夠更為準(zhǔn)確客觀地說(shuō)明問(wèn)題,采用向量模法從綜合評(píng)價(jià)的角度進(jìn)行對(duì)照和比較。

1.1.1 分區(qū)水資源評(píng)價(jià)

水資源評(píng)價(jià)是對(duì)分區(qū)水資源情況的基礎(chǔ)調(diào)查和分析工作。對(duì)一個(gè)具體的區(qū)域來(lái)說(shuō),核心是研究計(jì)算大氣降水、地表水、地下水、污水及過(guò)境或外調(diào)水等5塊水,調(diào)查分析工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、生活用水、環(huán)境用水和生態(tài)用水等5種需求。

1.1.2 水資源供需平衡分析

a.需水量預(yù)測(cè)。需水量預(yù)測(cè)公式為

式中:Qt為地區(qū)第t年需水總量,億m3；Qat、Qmt分別為農(nóng)業(yè)、工業(yè)第t年的總需水預(yù)測(cè)值,億m3；Qpt為居民第t年生活日常用水量,億m3；Qot為第t年其他產(chǎn)業(yè)總用水量,億m3；Aarj為第j區(qū)第r種農(nóng)業(yè)產(chǎn)品種植面積,hm2；qarj為第j區(qū)第r種農(nóng)產(chǎn)品的用水定額, m3/hm2；yt、yt-1分別為預(yù)測(cè)第t年、t-1年的第j區(qū)第r種工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)值,億元；mt為第t年工業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)率,%；n為起算年至預(yù)測(cè)終止年的年數(shù)；ηt為第j區(qū)第r產(chǎn)業(yè)第t年的工業(yè)用水重復(fù)利用率,%；qt為第j區(qū)第r產(chǎn)業(yè)第t年的萬(wàn)元產(chǎn)值用水量,m3/萬(wàn)元；Pt為第t年人口總數(shù),萬(wàn)人；Pt-1為前一年的人口數(shù),萬(wàn)人；qpt為人口綜合增長(zhǎng)率,%；αt為第t(或水平)年人均日需水量(指標(biāo)或定額),L/d。

b.地區(qū)可供水量預(yù)測(cè)。可供水量預(yù)測(cè)是在地區(qū)水資源評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上,以范圍內(nèi)基準(zhǔn)年所有供水工程的實(shí)際可供水量為依據(jù),預(yù)測(cè)未來(lái)可供水量情況,以保證地區(qū)水資源平衡和新增水源工程的規(guī)劃與建設(shè)?；鶞?zhǔn)年的全區(qū)可供水量,包括已建和在建水源工程可供應(yīng)的地表水、地下水、污水處理回用水等,通常以多年平均可供水量或不同供水保證率來(lái)表示。

c.水資源供需平衡。地區(qū)逐年的水量供需平衡方程式為

式中:ΔZt為第t年水量供需平衡值,億m3；Qst、Qdt和Qs(t-1)、Qd(t-1)分別為第t年和t-1年可供與需要水量,億m3。

d.水資源供給承載力計(jì)算。通過(guò)可用水資源量、可供水量同需水量的比較,確定出水資源供給承載力的主要約束因素(可用水資源量或可供水量)。選取不同規(guī)劃年人均綜合用水定額(需水量與預(yù)期人口數(shù)量之比)和單位GDP需水量(需水量與預(yù)期GDP之比)作為推算因子,計(jì)算水資源供給能力的可承載人口和可承載GDP,具體計(jì)算公式為

式中:Pct為第t年水資源供給能力的可承載人口,萬(wàn)人；Dct為第t年水資源供給能力的可承載GDP,億元；St為第t年水資源供給承載力的主要約束因素,億m3；αdt為第t年人均綜合用水定額,萬(wàn)m3；βdt為第t年單位GDP需水量,m3/元。

1.1.3 水環(huán)境污染承納分析

a.水環(huán)境容量分析。水環(huán)境容量是指在一定的水質(zhì)或環(huán)境目標(biāo)下,某水域能夠允許承納的污染物的最大數(shù)量[11]。污染源及污染物調(diào)查具體方法為:①工業(yè)廢水。按基準(zhǔn)年調(diào)查統(tǒng)計(jì)主要水污染型企業(yè)的類(lèi)別和數(shù)量、該年工業(yè)廢水排放總量、各分區(qū)工業(yè)廢水排入水體的份額及不同工業(yè)門(mén)類(lèi)廢水中主要含有的污染物。①生活廢水。計(jì)算公式為

式中:Qpf為地區(qū)生活污水年排放總量,萬(wàn)t；Qpj為j區(qū)日生活用水量,萬(wàn)t；θ為生活污水的排放系數(shù),其值為生活用水減去蒸發(fā)、滴漏等因素?fù)p失后的排污系數(shù)；Wpf為生活污染物年排放量,萬(wàn)t；G為人均日排放污染物數(shù)量,kg。③非點(diǎn)源污染。將不同土地類(lèi)型單位面積上的含量(如農(nóng)藥、化肥等)乘以該類(lèi)土地單位面積污染物輸出速率,即可得出非點(diǎn)源污染物的數(shù)量,而后進(jìn)行匯總得出整個(gè)流域或地區(qū)主要河流或水體的污染量。河流水環(huán)境容量依下式計(jì)算:

式中:Ei為河段水環(huán)境容量,t/a；CNi為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn), mg/L；Co1,i為上游來(lái)水的污染物濃度,mg/L；Co2,i為污水中污染物濃度,mg/L；Qpi為上游來(lái)水的流量, m3/s；qi為污水濃度；Ki為河段水污染物降解系數(shù)；xi為河段長(zhǎng)度,m；ui為河流平均流速,m/s。流域各段水環(huán)境容量總和為

b.污染物排放量的預(yù)測(cè)。水環(huán)境污染預(yù)測(cè)以地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)及其需水量為依據(jù),分門(mén)別類(lèi)和匯總地區(qū)總污染濃度、污染物數(shù)量等,具體計(jì)算公式為

式中:Wftk為第t年第k類(lèi)污染物排放總量,萬(wàn)t；Wmtk為第t年各區(qū)工業(yè)廢水含有的第k類(lèi)污染物排放總量,萬(wàn)t；Wptk為第t年各區(qū)生活污水含有的第k類(lèi)污染物總量,萬(wàn)t；Ntk為第t年非點(diǎn)源污染第k類(lèi)污染物輸出總量,萬(wàn)t；Qmtj為第t年第j區(qū)工業(yè)廢水排放總量,萬(wàn)m3；Ctjk為第t年第j區(qū)工業(yè)廢水(污水密度假定為水的密度)含有的第k類(lèi)污染物排放濃度, mg/L；Ptjk為第t年第j區(qū)人口數(shù)量,萬(wàn)人；φtjk為第t年第j區(qū)第k類(lèi)污染物的人均日排放量,主要為COD,mg；Ah為第h種土地類(lèi)型面積,hm2；σthk為第t年第h種土地類(lèi)型第k類(lèi)污染物的輸出率,萬(wàn)t/hm2；Qdtj為第t年第j區(qū)工業(yè)需水總量,萬(wàn)m3；ψtj為廢水排放系數(shù)。

c.水環(huán)境污染承納平衡分析。將水環(huán)境容量分析結(jié)果和規(guī)劃年污染物排放量預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。

d.水環(huán)境污染承納承載力計(jì)算及分析。水環(huán)境污染承納承載力的主要約束因素為水環(huán)境容量。選取不同規(guī)劃年人均COD排放量(COD排放量與預(yù)期人口數(shù)量之比)和單位GDP的COD排放量(COD排放量與預(yù)期GDP之比)作為推算因子,根據(jù)COD水環(huán)境容量可以計(jì)算出水環(huán)境納污能力的可承載人口和可承載GDP,具體方法為

式中:Pwt為第t年水環(huán)境污染承納能力的可承載人口,萬(wàn)人；Et為第t年水環(huán)境容量,萬(wàn)t；WCODt為第t年人均COD排放量,t；Dwt為第t年水環(huán)境污染承納能力的可承載GDP,億元；WCODgt為第t年單位GDP的COD排放量,t/萬(wàn)元。

1.1.4 水環(huán)境承載力判定與分析

綜合分析不同規(guī)劃年流域或分區(qū)的水資源供給和水環(huán)境納污能力,可以求得水環(huán)境的綜合承載力。承載力大小的限制因素為水資源供給和水環(huán)境納污能力中的較小值,二者值相同時(shí),由二者共同決定。

承載力大小確定后,將承載力同實(shí)測(cè)或預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較,可以反映水環(huán)境對(duì)人類(lèi)社會(huì)的承載狀況。將多個(gè)規(guī)劃年計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,可以看出水環(huán)境承載力的變化趨勢(shì)。

1.2 向量模法

向量模法是一種采用統(tǒng)計(jì)方法,選擇單項(xiàng)或多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析,以反映地區(qū)水環(huán)境承載力現(xiàn)狀和閾值的方法[12]。該方法將評(píng)價(jià)因子分為正影響因子和負(fù)影響因子,它們對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響分別為正面和負(fù)面影響,這個(gè)特征符合水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)中各評(píng)價(jià)因子與水環(huán)境承載力之間的關(guān)系。因向量模法數(shù)學(xué)理論扎實(shí)、形式簡(jiǎn)單直觀、運(yùn)算易行、結(jié)果客觀合理等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用極為廣泛[13],常用于橫向(不同地區(qū)同一時(shí)間)和縱向(同一地區(qū)不同時(shí)間)承載力的綜合比較,可以反映不同地區(qū)發(fā)展水平的相對(duì)高低或者同一地區(qū)在不同時(shí)間上的發(fā)展變化趨勢(shì)。

圖1 研究區(qū)范圍示意圖

由于動(dòng)態(tài)模擬遞推算法具有自身的局限性,在針對(duì)具體流域的實(shí)例研究中,為了使評(píng)價(jià)結(jié)論更為客觀可靠,有必要作一些補(bǔ)充和輔助研究。向量模法從綜合評(píng)價(jià)的角度對(duì)水環(huán)境承載力的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析,可以彌補(bǔ)動(dòng)態(tài)模擬遞推算法的不足。

建立科學(xué)合理的指標(biāo)體系是向量模法研究的基礎(chǔ),關(guān)系到流域水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性與合理性,本文選擇的具體指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 流域水環(huán)境承載力向量模法指標(biāo)體系

對(duì)于一個(gè)地區(qū)而言,假設(shè)有m個(gè)不同的水平年；或者對(duì)于同一水平年而言,假設(shè)有m個(gè)不同的分區(qū),這兩種情況都會(huì)有m個(gè)水環(huán)境承載力,不妨設(shè)此m個(gè)水環(huán)境承載力為Ej(j=1,2,…,m),再設(shè)每個(gè)水環(huán)境承載力由n個(gè)具體指標(biāo)確定的分量組成[14],即有:

這樣,第j個(gè)水環(huán)境承載力的大小可以用歸一化后的矢量模來(lái)表示,即:

這里,視每一分量的權(quán)重是一樣的,若考慮各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重,則:

式中,Wij為第j個(gè)水環(huán)境承載力的第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

2 漢江流域中下游干流供水區(qū)水環(huán)境承載力分析

2.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?yàn)橐詽h江及其分支東荊河為主要水源及補(bǔ)充水源的供水范圍,如圖1所示。包括襄陽(yáng)市、荊門(mén)市、荊州市、孝感市和武漢市的部分范圍,以及天門(mén)市、潛江市、仙桃市3個(gè)直管市。其中襄陽(yáng)市包括老河口、谷城縣、宜城市及城區(qū)的全部或部分范圍；荊門(mén)市包括沙洋縣、京山縣及鐘祥市的全部或部分范圍；荊州市包括洪湖市、監(jiān)利縣的全部或部分范圍；孝感市包括漢川市、云夢(mèng)縣、孝南區(qū)、應(yīng)城市的全部或部分范圍；武漢市包括蔡甸區(qū)、東西湖區(qū)、漢南區(qū)及中心城區(qū)的全部或部分范圍。

漢江中下游地表水資源量多年平均約為178億m3[15],中線工程未調(diào)水時(shí)丹江口水庫(kù)多年平均下泄水量為361.53億m3[16],水資源豐富,但是,漢江中下游人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),排入漢江的廢水總量逐年遞增,這些廢水基本上不經(jīng)處理就直接排江,導(dǎo)致漢江中下游水質(zhì)近年來(lái)明顯呈現(xiàn)惡化趨勢(shì)[17]。2014年南水北調(diào)中線一期工程實(shí)施后,漢江中下游凈流量減少、水環(huán)境容量下降,若不采取措施,水資源的緊缺及水環(huán)境惡化將嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)丶昂恿飨掠蔚貐^(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[6]。2030年擬調(diào)水130～140億m3,水資源又一次減少,會(huì)使水環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾更為突出。

2.1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《湖北省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年計(jì)劃綱要》《湖北省統(tǒng)計(jì)年鑒》《南水北調(diào)中線規(guī)劃總報(bào)告》《湖北省城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃(2011—2015年)》《2010年湖北省水資源公報(bào)》及各市州統(tǒng)計(jì)年鑒,以2010年為基準(zhǔn)年,所有產(chǎn)值均為2010年可比價(jià)計(jì)算,部分?jǐn)?shù)據(jù)是整理計(jì)算后的結(jié)果。

2.2 研究區(qū)主要經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展指標(biāo)預(yù)測(cè)

根據(jù)2010年相關(guān)數(shù)據(jù)及不同年份的各項(xiàng)指標(biāo)增長(zhǎng)率可預(yù)測(cè)不同年份的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展指標(biāo),具體預(yù)測(cè)值見(jiàn)表2。

表2 漢江流域中下游干流供水區(qū)主要經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展指標(biāo)預(yù)測(cè)值

2.3 研究區(qū)水環(huán)境承載力動(dòng)態(tài)遞推模擬

2.3.1 水資源供需平衡分析

a.水資源基本情況。漢江中下游河流生態(tài)環(huán)境需水量為184.51億m3[18],由此可以計(jì)算出干流供水區(qū)的可用水資源量如表3所示。

表3 研究區(qū)水資源量(多年平均)億m3

b.可供水量分析。對(duì)漢江中下游干流沿岸水廠、灌溉閘站、大中型水庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),對(duì)各小區(qū)分片分時(shí)段進(jìn)行需水量和當(dāng)?shù)乜晒┧康墓┬鑼?duì)口分析,結(jié)合漢江干流引水供水能力,可計(jì)算出總可供水量約為179.2億m3,考慮到一般情況下供水能力變化不大,所有規(guī)劃年均采用該數(shù)值。

c.需水量分析。各指標(biāo)用水定額或用水增長(zhǎng)率如下:①農(nóng)業(yè)。根據(jù)全國(guó)灌區(qū)節(jié)水改造規(guī)劃和實(shí)施情況,2010—2030年各灌區(qū)渠系水利用系數(shù)為0.50～0.95,2030年后提高到0.62～0.95,自2000年以來(lái),全省農(nóng)田灌溉單位面積平均用水量趨勢(shì)變化不明顯。①工業(yè)?？紤]科技進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)水水平的提高,結(jié)合工業(yè)用水重復(fù)利用率的變化趨勢(shì),預(yù)測(cè)不同規(guī)劃年(2010年、2015年、2020年、2025年、2030年、2035年、2040年)的工業(yè)用水定額分別為85 m3/萬(wàn)元、80m3/萬(wàn)元、70 m3/萬(wàn)元、60m3/萬(wàn)元、50m3/萬(wàn)元、45m3/萬(wàn)元和40m3/萬(wàn)元。③生活。城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活人均日用水量分別為172.1 L和67.4 L。④其他。主要指牲畜需水。大牲畜用水按50 L/(頭·d)計(jì),小牲畜按30 L/(頭·d)計(jì)。結(jié)合表2中相關(guān)數(shù)據(jù),可以計(jì)算出不同規(guī)劃年各部分需水量,見(jiàn)表4。

表4 研究區(qū)不同規(guī)劃年需水量預(yù)測(cè)億m3

d.水資源供需平衡分析。根據(jù)前面計(jì)算結(jié)果,可得研究區(qū)水資源供需平衡分析結(jié)果如表5所示。由表5可知,2010—2035年,可用水資源量、供水能力基本滿足需水要求,但隨著研究區(qū)人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,供水壓力逐漸增大,2040年出現(xiàn)了水資源供需的失衡,需要加強(qiáng)供水工程的建設(shè)。

e.水資源供給承載力分析。以可供水量為約束因素計(jì)算水資源供給能力對(duì)人口數(shù)量和GDP規(guī)模的承載力,結(jié)果見(jiàn)表6?？梢钥闯?2010—2035年,水資源供給承載力大于預(yù)期人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模,但承載力逐漸變小,2040年出現(xiàn)了不可承載的狀況,需要加強(qiáng)供水工程的建設(shè),并通過(guò)提高用水效率及重復(fù)利用率、改進(jìn)工藝、減少浪費(fèi)等途徑,努力推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)。

表5 水資源供需平衡分析(多年平均)

表6 水資源供給承載力與社會(huì)經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)結(jié)果

2.3.2 水環(huán)境污染承納平衡分析

漢江流域干流水質(zhì)好于支流,從上游至下游污染狀況逐漸上升,主要污染物為COD、NH3-N等,污染特征為有機(jī)污染型[19-20],因此將COD作為代表污染物進(jìn)行水環(huán)境污染承納預(yù)測(cè)分析。

a.水環(huán)境容量。調(diào)水前,漢江中下游多年平均COD容量為46.7萬(wàn)t/a,由于資料缺乏等原因,為簡(jiǎn)化計(jì)算,現(xiàn)假設(shè)南水北調(diào)工程實(shí)施后,除水量、流速等外,其余水文條件不改變。根據(jù)計(jì)算,調(diào)水95億m3使?jié)h江流域中下游水環(huán)境容量減少23%,調(diào)水130億m3將減少29%,即2015年和2030年水環(huán)境容量分別為35.95萬(wàn)t和33.15萬(wàn)t。

b.污染物排放預(yù)測(cè)與水環(huán)境污染承納平衡分析?？紤]到污染物總量控制要求的壓力、先進(jìn)生產(chǎn)工藝的實(shí)施及污水處理程度的不斷提高,工業(yè)COD排放彈性系數(shù)在2010—2020年間取0.20,在2020—2040年間取0.10,生活污水排放系數(shù)取0.9,城鎮(zhèn)污水處理率2010年取70%,2015年及2020年取90%,2030年及之后取95%,COD去除率取85%,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知,調(diào)水后,COD水環(huán)境容量大幅減少；同時(shí)隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展, COD排放量仍在增加。應(yīng)該通過(guò)實(shí)施污染治理規(guī)劃,加強(qiáng)水污染物排放的總量控制,深化COD的處理,加大工業(yè)污染治理力度,淘汰落后工藝和產(chǎn)品,推行清潔生產(chǎn)等措施以保證水質(zhì)。

表7 漢江中下游COD排放量預(yù)測(cè)結(jié)果與水環(huán)境污染承納平衡分析

c.水環(huán)境污染承納承載力分析。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可算出水環(huán)境納污能力對(duì)人口數(shù)量和GDP規(guī)模的承載力,結(jié)果見(jiàn)表8?？煽闯?調(diào)水后水環(huán)境容量明顯減小,承載壓力增大,但水環(huán)境污染承納承載力始終大于人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模。

表8 水環(huán)境污染承納承載力與社會(huì)經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)結(jié)果

2.3.3 水環(huán)境承載力分析

綜合水資源供給和水環(huán)境納污能力后的水環(huán)境承載力變化狀況見(jiàn)表9?？梢钥闯?2010—2035間,研究區(qū)水環(huán)境承載力大于預(yù)期人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)規(guī)模。2014年調(diào)水95億m3后,水環(huán)境承載力開(kāi)始下降。2030年調(diào)水130億m3后,水環(huán)境承載力將再次下降,2040年研究區(qū)水環(huán)境欠載人口將達(dá)到140.9萬(wàn),欠載GDP達(dá)到2823.4億元,承載力上限的主要約束因素為可供水量。

由于動(dòng)態(tài)模擬遞推算法是從水資源利用系統(tǒng)和水環(huán)境污染系統(tǒng)進(jìn)行分析,對(duì)承載力的綜合性和承載潛力考慮較少,為了能夠更為準(zhǔn)確客觀地說(shuō)明問(wèn)題,現(xiàn)選擇向量模法對(duì)研究區(qū)水環(huán)境承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.4 研究區(qū)水環(huán)境承載力向量模法分析

選取人均可用水資源量、可供水量/需水量、萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值用水量、萬(wàn)元農(nóng)業(yè)產(chǎn)值用水量、人均GDP、單位COD排放量的工業(yè)產(chǎn)值以及人均COD排放量7個(gè)指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水環(huán)境承載力進(jìn)行向量模法分析。

根據(jù)前文預(yù)測(cè)結(jié)果,經(jīng)計(jì)算可得7個(gè)指標(biāo)值,經(jīng)歸一化后如表10所示,其中負(fù)影響因子取其倒數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

表9 水環(huán)境承載力與社會(huì)經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)結(jié)果

表10 指標(biāo)值歸一化結(jié)果及水環(huán)境承載力計(jì)算結(jié)果

可以看出,2010—2015年間,研究區(qū)水環(huán)境承載力呈現(xiàn)遞減趨勢(shì),這主要是由于人口增長(zhǎng)、2014年調(diào)水95m3、水量不足、水環(huán)境容量下降等造成的,在2015年達(dá)到極小值0.044；2015—2040年間,隨著社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、治污能力的增強(qiáng),水環(huán)境的綜合承載力有逐漸上升的趨勢(shì),到2040年達(dá)到了0.147。說(shuō)明研究區(qū)經(jīng)過(guò)一段“過(guò)渡期”后,水環(huán)境有改善的趨勢(shì)。

上述兩種算法從不同角度對(duì)研究區(qū)的水環(huán)境承載力進(jìn)行了分析,動(dòng)態(tài)模擬遞推算法注重于一些要素的平衡和滿足,對(duì)水環(huán)境的自身潛力等綜合因素考慮較少,而向量模法側(cè)重于描述水環(huán)境的綜合承載力,因此兩種算法在結(jié)果上出現(xiàn)差異,在有足夠數(shù)據(jù)支持等條件的情況下,完善這兩種算法,理論上可以得出相似的結(jié)論。本文運(yùn)用兩種算法,使之互為補(bǔ)充,使用這種綜合的研究方法更客觀地說(shuō)明了南水北調(diào)中線工程對(duì)研究區(qū)的水環(huán)境承載力的影響。

由于研究區(qū)域范圍大,數(shù)據(jù)缺乏,漢江流域上下游水質(zhì)關(guān)聯(lián)的考慮比較粗略,沒(méi)有充分考慮水環(huán)境功能區(qū)劃,也沒(méi)有具體討論水資源供給與水環(huán)境污染的相關(guān)關(guān)系,計(jì)算中不可避免地存在一定的不確定性。本文暫時(shí)未考慮其他工程可能帶來(lái)的影響,如南水北調(diào)中線配套工程“引江濟(jì)漢”的可能影響,該工程年平均輸水37億m3,其中補(bǔ)漢江水量31億m3,補(bǔ)東荊河水量6億m3。該工程的實(shí)施,會(huì)增加漢江中下游地區(qū)的水資源量,可在一定程度上緩解該地區(qū)的用水矛盾,水環(huán)境承載力也會(huì)得到大幅提高。

3 結(jié) 語(yǔ)

水環(huán)境承載力是協(xié)調(diào)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要依據(jù),本文發(fā)展完善了基于動(dòng)態(tài)模擬遞推算法和向量模法的水環(huán)境承載力計(jì)算方法,避免了傳統(tǒng)方法存在的片面性等缺陷,既注重了關(guān)鍵要素的平衡也考慮了綜合因素,可以直觀反映地區(qū)水環(huán)境承載力及承載力變化過(guò)程及趨勢(shì),簡(jiǎn)單實(shí)用,結(jié)果較為直觀。將此研究方法用于漢江流域中下游干流供水區(qū)的水環(huán)境承載力分析,重點(diǎn)考慮了南水北調(diào)中線工程的運(yùn)營(yíng)對(duì)該地區(qū)的影響。漢江流域中下游干流供水區(qū)在2014年調(diào)水95億m3和2030年調(diào)水130億m3后,水資源量減少,水環(huán)境容量下降,從水資源供給能力角度,在2040年,該地區(qū)水環(huán)境承載力將不能承載其社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模；但從綜合角度看,水環(huán)境有改善的趨勢(shì)。

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Calculation method of water environment carrying capacity based on
dynam ic sim ulation-recursion algorithm and vector norm m ethod

SHEN Zhenyao1,2,ZHU Yingxin1,2,JIA Chao1,2,CHEN Lei1,2
(1.School of Environment,Beijing Normal University,Beijing 100875,China；2.State Key Laboratory ofWater Environment Simulation,Beijing Normal University,Beijing 100875,China)

To quantify the comprehensive effect of multiple factors on the water environment,the calculation method ofwater environment carrying capacity(WECC)based on dynamic simulation and recursion algorithm and vector norm method is developed and completed.The WECC of the middle-lower of Hanjiang River Basin is analyzed based on thismethod.The results show that themethod ismore reasonable in discussing WECC and the results aremore explicitand overall.From the point ofwater supply,there is a risk thatWECC ofmiddle-lower of Hanjiang River Basinmightnot support the local economic development.However,from the pointof comprehensive evaluation,the WECC has the tendency of improving gradually.

water environment carrying capacity(WECC)；water resources quantity；water environment capacity；dynamic simulation and recursion algorithm；vector norm method；middle-lower of Hanjiang River Basin

X143

：A

：1004 6933(2015)06 0032 08

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.005

2015 08 10 編輯:熊水斌)

金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51579011)

沈珍瑤(1967—),男,教授,博士,主要從事流域非點(diǎn)源污染模擬與控制、流域水質(zhì)模擬與水環(huán)境效應(yīng)、流域水環(huán)境管理、環(huán)境影響評(píng)價(jià)等研究。E-mail:zyshen@tsinghua.org.cn