崔 丹,陳 馨,曾維華

?

水環(huán)境承載力中長期預(yù)警研究-以昆明市為例

崔 丹,陳 馨,曾維華*

(北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100875)

基于系統(tǒng)動力學(xué)動態(tài)模擬仿真方法,構(gòu)建水環(huán)境承載力預(yù)警方法體系,并以昆明市為研究對象,對其水環(huán)境承載力超載狀態(tài)進行預(yù)警.研究結(jié)果顯示:在目前發(fā)展情景(BAU)下, 2015~2025年10a間,昆明市水環(huán)境承載力超載狀態(tài)綜合指數(shù)從1.78逐漸增大到2.22,水環(huán)境超載狀態(tài)不斷惡化;昆明市系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度一直處于0.5~0.8之間,且社會總功效大于水環(huán)境總功效,社會經(jīng)濟子系統(tǒng)與水環(huán)境子系統(tǒng)互相拮抗;警度自中警轉(zhuǎn)為巨警,信號燈由橙燈轉(zhuǎn)化為紅燈,昆明市未來面臨著嚴(yán)峻的水環(huán)境承載力超載問題.

預(yù)警；水環(huán)境承載力；系統(tǒng)動力學(xué)；昆明市

近年來,隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程的加快,流域水污染負(fù)荷急劇增加,多種污染物的排放量超過水環(huán)境承載能力,引發(fā)了流域水質(zhì)惡化及生態(tài)系統(tǒng)功能退化等一系列水環(huán)境問題[1].“十二五”規(guī)劃實施以來,中央和地方政府將科學(xué)認(rèn)知資源環(huán)境承載能力視為制定區(qū)域發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略的基礎(chǔ)性工作[2].黨的十八屆三中全會公報、最新修訂的《環(huán)境保護法》以及《水污染防治行動計劃》均明確提出應(yīng)建立完善的環(huán)境承載力監(jiān)測預(yù)警機制,以促進水環(huán)境保護和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[3-4].開展水環(huán)境承載力預(yù)警研究,不僅能夠準(zhǔn)確預(yù)報水環(huán)境可能出現(xiàn)的超載情況、預(yù)判水環(huán)境與社會經(jīng)濟發(fā)展的協(xié)調(diào)程度,而且能夠提前預(yù)知水環(huán)境承載制約因素,從而為決策部門及時采取排警決策提供科學(xué)依據(jù)[5-7].因此,構(gòu)建科學(xué)有效的水環(huán)境承載力預(yù)警體系對于我國水環(huán)境保護和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要.

目前國外多關(guān)注于環(huán)境預(yù)警理論和方法的研究,形成了諸如ECCO模型[8]、概率模型[9]、故障樹分析應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)[10]等多種技術(shù)方法,但針對水環(huán)境承載力預(yù)警方法的研究較少.國內(nèi)對于水環(huán)境承載力預(yù)警的研究,大多通過建立指標(biāo)體系對環(huán)境質(zhì)量或資源供需關(guān)系進行預(yù)警.在預(yù)警指標(biāo)構(gòu)建上,主要包括三類:一是基于PSR理論,從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三方面建立指標(biāo)體系[11-12];二是基于“自然—社會—經(jīng)濟”復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論從自然、社會、經(jīng)濟三方面建立指標(biāo)體系[13-14];三是參考經(jīng)濟預(yù)警系統(tǒng),從警情、警源、警兆三方面構(gòu)建指標(biāo)體系[15-16].在研究方法上,一些學(xué)者應(yīng)用層次分析法[17]、水質(zhì)模型[18]、水環(huán)境容量模型[19]、多指標(biāo)綜合評價模型、供需平衡與多目標(biāo)分析模型[20]對水環(huán)境承載力進行預(yù)警研究.

總的來說,目前國內(nèi)外對于水環(huán)境承載力預(yù)警的研究思路和方法多沿用評價手段,沒能對未來的水環(huán)境超載狀態(tài)進行評判,不能真正體現(xiàn)預(yù)警的內(nèi)涵.同時,在警義界定上,多直接定義水環(huán)境容量超載、水資源量供不應(yīng)求為警情,不能全面反應(yīng)水環(huán)境的超載狀態(tài);在警度量化上,因?qū)λh(huán)境承載力概念界定不清,難以對警情指標(biāo)采取合適的評判方法,評判時往往只考慮承載率這一指標(biāo),沒有考慮系統(tǒng)動態(tài)發(fā)展和協(xié)調(diào)情況;在確定警限、劃分警區(qū)上面,往往通過文獻調(diào)研和專家經(jīng)驗來確定,沒有結(jié)合研究區(qū)域具體規(guī)劃情況.

為此,本研究以水環(huán)境承載力理論為依據(jù),在國內(nèi)外水環(huán)境承載力評價與預(yù)警研究的基礎(chǔ)上,科學(xué)的對水環(huán)境承載力進行概念厘定;并借鑒經(jīng)濟預(yù)警和環(huán)境預(yù)警的成功經(jīng)驗,將水環(huán)境承載力預(yù)警體系劃分為以下階段:明確警義、識別警源、預(yù)測警情、分析警兆、評判警情、界定警度、排除警情.同時,在警情預(yù)測上,運用系統(tǒng)動力學(xué)動態(tài)仿真的方法,以動態(tài)的跟蹤警兆、警情的發(fā)展;在警情評判上,引入水環(huán)境承載力超載狀態(tài)綜合指數(shù)和社會經(jīng)濟與水環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度,以全面的反映水環(huán)境的超載狀態(tài),這為水環(huán)境承載力預(yù)警理論方法體系的完善做了有益探索,對今后開展相關(guān)研究具有重要意義.

1 水環(huán)境承載力的概念及表征

1.1 水環(huán)境承載力概念

目前,學(xué)術(shù)界對水環(huán)境承載力的概念尚未有統(tǒng)一的定義,較為科學(xué)的環(huán)境承載力概念為:“在某一時期,某種狀態(tài)或條件下,某地區(qū)的環(huán)境所能承受人類活動作用的閾值”[21].但在具體研究中,水環(huán)境承載力的概念極易與水環(huán)境容量、水資源承載力、水生態(tài)承載力等概念交叉混淆[22-23],這直接導(dǎo)致選取指標(biāo)體系時沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),進而難以形成公認(rèn)的水環(huán)境承載力量化方法,嚴(yán)重限制了水環(huán)境承載力預(yù)警的研究.因此,如何科學(xué)準(zhǔn)確的定義水環(huán)境承載力,避免概念上的混淆,對于預(yù)警體系的構(gòu)建至關(guān)重要.

水環(huán)境承載力強調(diào)自身的綜合屬性,而水環(huán)境容量、水資源承載力和水生態(tài)承載力在概念內(nèi)涵上都有各自不同的側(cè)重點:水環(huán)境容量側(cè)重的是水環(huán)境消納污染物的能力,即“水質(zhì)”方面的承載能力[24];水資源承載力指水環(huán)境供給水資源的能力或人類在生產(chǎn)生活中可利用水資源的能力,即“水量”方面的承載能力[25];水生態(tài)承載力強調(diào)的是水體在維持自身生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展條件下,支撐人類活動的能力,即“水生態(tài)”方面的承載能力[26].因此,水質(zhì)、水量、水生態(tài)代表了水環(huán)境的3個方面,3者之間既有區(qū)別,又存在相互聯(lián)系,都是組成水環(huán)境承載力這一整體概念必不可少的一部分.

綜上,本研究將水環(huán)境承載力的定義表述為:全面考察了水質(zhì)、水量和水生態(tài)以及與之相應(yīng)的對人類活動的綜合承載能力.該定義是對水環(huán)境容量、水資源承載力、水生態(tài)承載力3者的綜合,既強調(diào)水環(huán)境消納污染物的能力和水環(huán)境供給水資源的能力,還強調(diào)水環(huán)境支撐水生態(tài)系統(tǒng)的能力,并將水環(huán)境與人類活動有機聯(lián)系在一起.

1.2 水環(huán)境承載力的表征

水環(huán)境承載力可用發(fā)展和限制這兩種變量的聯(lián)系來表征.依據(jù)所厘定的定義,本研究將水環(huán)境承載力表征為:一定時空范圍內(nèi),水環(huán)境系統(tǒng)在能保證一定的納污功能、水資源供給功能和生態(tài)功能的前提下,所能承載的人口經(jīng)濟閾值.其中,限制變量即為水環(huán)境承載力的3個分量,3個分量的超載將會限制人口和經(jīng)濟的增速.發(fā)展變量即為系統(tǒng)在分量限制下的總?cè)丝凇⒌貐^(qū)生產(chǎn)總值、污染物排放量、水資源需求量和生態(tài)需水量等因素.

水環(huán)境承載力的3個分量表征和量化方法如表1所示.本研究采用水體污染物的環(huán)境容量和水資源可利用量來表征水環(huán)境容量和水資源承載力;對于水生態(tài)承載力,主要從保障水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能即生態(tài)供水滿足相應(yīng)生態(tài)需水的角度進行界定.因此,本文進一步選擇生態(tài)需水保障率作為度量水生態(tài)承載力超載狀態(tài)的量化指標(biāo).

表1 水環(huán)境承載力各分量表征方法表

2 預(yù)警方法

水環(huán)境承載力超載狀態(tài)預(yù)警是指對水環(huán)境承載的未來狀態(tài)進行測度,以預(yù)報不正常狀態(tài)的時空范圍和危害程度并提出防范措施.在水環(huán)境承載力理論的基礎(chǔ)上,本研究借鑒經(jīng)濟預(yù)警和環(huán)境預(yù)警的成功經(jīng)驗[27],將流域/區(qū)域水環(huán)境承載力預(yù)警研究劃分為以下階段:明確警義、識別警源、預(yù)測警情、分析警兆、評判警情、界定警度、排除警情.

2.1 明確警義及警源識別

圖1 系統(tǒng)因果反饋回路圖

警義即警情的含義,明確警義,實際上是對超載狀態(tài)進行最基本的定性判別,解決的是“何種狀態(tài)需要報警”的問題,本研究的警義為水環(huán)境超載狀態(tài).警源即警情產(chǎn)生的來源,是警情預(yù)測的基礎(chǔ),能夠為后續(xù)的排警提供幫助.區(qū)域社會經(jīng)濟和水環(huán)境在相互影響和相互作用下形成了一個非線性、高階次的復(fù)雜系統(tǒng)[28],因此,本研究對于警源的識別采用系統(tǒng)分析法,即通過調(diào)查收集昆明市水系統(tǒng)背景資料,在明確考察昆明市未來社會經(jīng)濟發(fā)展對水環(huán)境影響這一目標(biāo)的基礎(chǔ)上,將昆明市行政區(qū)范圍劃定為系統(tǒng)邊界,進而通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析,劃分為人口-經(jīng)濟-水資源-水環(huán)境四個子系統(tǒng),同時,綜合考慮子系統(tǒng)組成要素之間的聯(lián)系,形成系統(tǒng)因果反饋回路圖(如圖1所示).

由回路圖可知,影響水環(huán)境容量的警源可追溯到居民生活污染排放和產(chǎn)業(yè)污染排放;影響水資源承載力的警源可追溯到居民生活用水、各產(chǎn)業(yè)用水和城市環(huán)境雜用水;而過多的生產(chǎn)生活用水會直接導(dǎo)致生態(tài)需水保障率的降低,從而容易引起水生態(tài)承載力超載,此三者的警源均可歸納為人口規(guī)模和經(jīng)濟規(guī)模.因此,人口和經(jīng)濟規(guī)模正是昆明市水環(huán)境承載力超載狀態(tài)的警情來源.

2.2 基于系統(tǒng)動力學(xué)動態(tài)仿真的警情預(yù)測方法

識別警源后,需要預(yù)測警情.警情預(yù)測是預(yù)警系統(tǒng)的信息來源,也是系統(tǒng)運行的前提,本研究采用系統(tǒng)動力學(xué)動態(tài)模擬仿真的方法進行警情預(yù)測.系統(tǒng)動力學(xué)以系統(tǒng)分析和因果反饋的理論為基礎(chǔ),應(yīng)用計算機模擬仿真技術(shù)預(yù)測復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài).它可以根據(jù)已知系統(tǒng),結(jié)合研究目的、現(xiàn)狀、系統(tǒng)內(nèi)要素關(guān)系以及前人的實踐經(jīng)驗來建立模型,相對于其他預(yù)測方法,系統(tǒng)動力學(xué)對復(fù)雜系統(tǒng)在時間序列上的動態(tài)研究更有優(yōu)勢,并可根據(jù)輸出結(jié)果對系統(tǒng)進行優(yōu)化[29].因此,本研究采用系統(tǒng)動力學(xué)的方法對昆明市的水環(huán)境承載力超載狀態(tài)進行警情預(yù)測,以動態(tài)的跟蹤警兆、警情的發(fā)展,并結(jié)合情景分析,考察目前發(fā)展情境下,昆明市未來的水環(huán)境承載力超載狀態(tài)與趨勢,從而為昆明市環(huán)保部門的排警決策提供支撐.

本研究在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上,采用系統(tǒng)動力學(xué)軟件STELLA(Structure Thinking Experimental Learning Laboratory with Animation)建立昆明市水系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型.參數(shù)設(shè)定的數(shù)據(jù)資料主要來源于:2010~2014年中國環(huán)境統(tǒng)計年報; 2010~2014年云南省統(tǒng)計年鑒、云南省水資源公報、昆明市統(tǒng)計年鑒、昆明市環(huán)境質(zhì)量公報;“十二五”期間滇池流域水污染防治規(guī)劃、昆明市海綿城市建設(shè)專項規(guī)劃、昆明市環(huán)境保護與生態(tài)建設(shè)規(guī)劃、昆明市城鎮(zhèn)再生水利用專業(yè)規(guī)劃;第一次全國污染源普查云南省農(nóng)業(yè)污染源普查報告以及相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果等[30-31].模型的模擬時段為2010~2025年,時間步長DT=1a.

2.3 水環(huán)境承載力超載狀態(tài)警兆判別

警兆即警情的預(yù)兆,是警情演變的一種初始形態(tài),預(yù)示著警情有可能發(fā)生.分析判別警兆,實際上是在評判警情之前,提前對系統(tǒng)做出預(yù)判,考察是否有可能出現(xiàn)警情,需不需要對預(yù)測結(jié)果進行下一步的評判.

環(huán)境承載率是社會經(jīng)濟壓力與環(huán)境可承載能力的比值[32],水環(huán)境承載率可以直觀對比壓力強度是否超出水環(huán)境的承載能力,衡量現(xiàn)狀值和理想值的差距,是水環(huán)境承載力預(yù)警方法體系中常用的警兆指標(biāo),其計算公式如下:

當(dāng)具體分析水環(huán)境中的水生態(tài)分量時,可采用生態(tài)需水保障指數(shù)作為警兆指標(biāo),其值計算為:

式中:ECO-D與ECO-P分別為生態(tài)需水量和生態(tài)供水量;ECO為生態(tài)需水保障率.

當(dāng)值在[0,1)范圍內(nèi),表示水環(huán)境可承載區(qū)域內(nèi)的人類社會經(jīng)濟活動;=1時,處于恰可承載狀態(tài);>1時,水環(huán)境承載力處于超載狀態(tài),且越大,超載情況越嚴(yán)重.當(dāng)ECO在[0,1)范圍內(nèi),表示水生態(tài)系統(tǒng)能夠提供正常的服務(wù)功能,處于可承載狀態(tài),ECO>1表示水生態(tài)系統(tǒng)超載,無法正常提供服務(wù).考慮到實際應(yīng)用中,在水環(huán)境達到臨界承載狀態(tài)時做出預(yù)警,往往不能充分發(fā)揮預(yù)警的作用,因此,從提前預(yù)判的角度,本研究將30.8且有增大趨勢判別為警兆出現(xiàn),需要進行下一步的預(yù)警,即當(dāng)30.8時,系統(tǒng)進入了臨界超載區(qū).

2.4 水環(huán)境承載力超載狀態(tài)警情評判方法

通過警情預(yù)測與警兆判別,需進一步分析評判警情,即用統(tǒng)一、客觀的方法來量化表征警情,以便界定其所在的警度.本研究將水環(huán)境承載力超載狀態(tài)綜合指數(shù)和社會經(jīng)濟與水環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度作為警情評判的指標(biāo).

2.4.1 水環(huán)境承載力超載狀態(tài)綜合指數(shù) 考慮短板效應(yīng),本文采用內(nèi)梅羅指數(shù)法計算水環(huán)境承載力超載狀態(tài)指數(shù).為綜合體現(xiàn)水環(huán)境承載力的超載狀態(tài),本研究以警兆判別中所提到的環(huán)境承載率和生態(tài)需水保障指數(shù)作為評價基礎(chǔ),考慮水環(huán)境容量、水資源和水生態(tài)3個方面以計算水環(huán)境承載力超載狀態(tài)綜合指數(shù),計算公式如下所示:

式中:1,2,3分別為水環(huán)境容量承載率、水資源承載率和生態(tài)需水保障指數(shù).

當(dāng)在[0,1]區(qū)間時,區(qū)域內(nèi)的人類社會經(jīng)濟發(fā)展程度在水環(huán)境可承載范圍內(nèi),且越接近于0,區(qū)域的開發(fā)潛力越大,水環(huán)境受壓力影響越小;=1時,區(qū)域內(nèi)水環(huán)境恰能承載人類活動強度;>1時,則社會經(jīng)濟壓力超出水環(huán)境可承載的程度.

2.4.2 社會經(jīng)濟與水環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度 社會經(jīng)濟發(fā)展和水環(huán)境之間的耦合作用,可視為兩個系統(tǒng)相互作用的集合,既包括發(fā)展對水環(huán)境產(chǎn)生的壓力和脅迫作用,又包括水環(huán)境對發(fā)展產(chǎn)生的約束作用;既包括水環(huán)境對發(fā)展的承載支撐作用,也包括發(fā)展的理論技術(shù)進步對水環(huán)境的改善作用.社會經(jīng)濟與水環(huán)境之間的耦合協(xié)調(diào)度反映了兩者之間的協(xié)調(diào)發(fā)展程度,是對系統(tǒng)發(fā)展趨勢的一種評判方法[33].因此,本研究引入社會經(jīng)濟和水環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度評判警情,以判斷水環(huán)境與社會經(jīng)濟發(fā)展的協(xié)調(diào)程度,耦合協(xié)調(diào)度越高,系統(tǒng)越趨向協(xié)調(diào)有序發(fā)展.耦合協(xié)調(diào)度的計算方法可分為以下4步.

(1)計算功效函數(shù)

設(shè)變量u(1,2,3……,) 是社會-經(jīng)濟-水環(huán)境系統(tǒng)序參量,u為第個序參量的第個指標(biāo),其值為x(=1,2,3……,),α和β分別為序參量在系統(tǒng)穩(wěn)定臨界點的上限值與下限值,當(dāng)序參量的值越大時,系統(tǒng)耦合越好,則該變量為正功效指標(biāo);當(dāng)序參量的值越小時,系統(tǒng)耦合越好,則該變量為負(fù)功效指標(biāo),因而社會-經(jīng)濟-水環(huán)境系統(tǒng)對系統(tǒng)有序的功效函數(shù)u可表示為:

式中u是變量x對系統(tǒng)的功效貢獻大小,反映了各指標(biāo)達到系統(tǒng)穩(wěn)定目標(biāo)的滿意程度.由功效函數(shù)的意義和算法可知,u?[0,1],u越接近于1,則功效越大,越能使人滿意;u越接近于0,則功效越低,越不使人滿意.

(2)結(jié)果集成

由于社會經(jīng)濟子系統(tǒng)和水環(huán)境子系統(tǒng)相互作用而又處于兩個不同的子系統(tǒng),我們通過集成方法計算子系統(tǒng)內(nèi)各個序參量的總貢獻度,一般以線性加權(quán)法或幾何平均法計算單個子系統(tǒng)的綜合功效值,計算公式如下所示:

式中:U為子系統(tǒng)功效值,為序參量功效的權(quán)重,可用熵權(quán)法、層次分析法、變異系數(shù)法、德爾菲法等方法確定. 為了避免主觀權(quán)重的影響,本文采用幾何平均法計算社會經(jīng)濟子系統(tǒng)和水環(huán)境子系統(tǒng)的系統(tǒng)功效值.

(3)計算耦合度

根據(jù)物理學(xué)中容量耦合概念及相關(guān)模型,可以推出社會經(jīng)濟發(fā)展與水環(huán)境的耦合度計算方法,如下式:

式中:即系統(tǒng)耦合度,且?[0,1],越接近于1,則系統(tǒng)耦合越好,越趨向于有序發(fā)展,越能使人滿意;越接近于0,則系統(tǒng)耦合越差,趨向無序和衰退,越不能使人滿意.1與2分別為社會經(jīng)濟與水環(huán)境的功效值.

(4)計算耦合協(xié)調(diào)度

由于耦合度僅能反應(yīng)系統(tǒng)耦合作用的強度和發(fā)展趨勢,不能反應(yīng)系統(tǒng)整體功效的水平和協(xié)調(diào)水平,故在耦合度的基礎(chǔ)上,構(gòu)造耦合協(xié)調(diào)度模型,以反應(yīng)耦合作用的協(xié)調(diào)水平,公式如下:

式中:為整個系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度;為社會經(jīng)濟與水環(huán)境調(diào)和指數(shù),值反映系統(tǒng)整體的協(xié)調(diào)水平;作為待定系數(shù),可調(diào)和子系統(tǒng)在整體系統(tǒng)中的重要程度,一般認(rèn)為社會經(jīng)濟發(fā)展和水環(huán)境同等重要,故取=b=0.5.結(jié)合各個學(xué)者的研究[34-36],我們對耦合協(xié)調(diào)度進行劃分,的數(shù)值區(qū)間及其對應(yīng)系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)狀態(tài)如表2所示.

表2 社會經(jīng)濟與水環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度分類表

2.5 水環(huán)境承載力超載狀態(tài)警度界定與報警

警度即警情危急的程度,界定并預(yù)報警度時,警情不能直接轉(zhuǎn)化為可預(yù)報的警度,需通過警限來確定警度.警限的確定不僅需要根據(jù)系統(tǒng)化的理論,還應(yīng)結(jié)合研究區(qū)域的規(guī)劃情況進行確定.

本研究采用水環(huán)境承載力超載狀態(tài)臨界值和控制圖法相結(jié)合的方法確定警限.控制圖法[37]是一種通過分析樣本數(shù)據(jù)來評判數(shù)據(jù)是否屬于正常狀態(tài)的方法.在該方法的設(shè)定下,被考察的指標(biāo)值服從正態(tài)分布(2),其中為的均值,為的標(biāo)準(zhǔn)差.當(dāng)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程處于正常狀態(tài)時,指標(biāo)值應(yīng)以99.73%的概率落在3范圍之內(nèi).如落在±3在之外,可以認(rèn)為超出了控制界限,過程被某種因素干擾而變得不穩(wěn)定,系統(tǒng)需要立刻報警來提醒操作者采取措施.

預(yù)報得到的警度,是當(dāng)前警情狀態(tài)的反映,為綜合體現(xiàn)系統(tǒng)超載狀態(tài)和動態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展,將警度和社會經(jīng)濟-水環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度結(jié)合起來,采取警情信號燈綜合描述當(dāng)前警情,詳見表3.表中藍燈表明水環(huán)境處于安全狀態(tài),整個系統(tǒng)向有序且高水平協(xié)調(diào)的方向發(fā)展;綠燈表明水環(huán)境處于安全狀態(tài),整個系統(tǒng)向有序且高水平協(xié)調(diào)的方向發(fā)展;黃燈表明水環(huán)境出現(xiàn)輕度至中度超載,耦合協(xié)調(diào)水平一般,需要采取排警措施;橙燈表明耦合協(xié)調(diào)度和水環(huán)境承載力超載狀態(tài)都處于較危險的水平;紅燈表明水環(huán)境嚴(yán)重超載或者社會經(jīng)濟系統(tǒng)已經(jīng)開始衰退.

表3 警度與耦合協(xié)調(diào)度綜合報警表

2.6 水環(huán)境承載力超載狀態(tài)排除警情方法

當(dāng)警情發(fā)生時,決策者需要對此進行響應(yīng)來排除警情,這種響應(yīng)就是排警決策.排警決策是指應(yīng)對警情的響應(yīng)手段,在確定排警決策時,不僅要考慮警情和警度,更要對警情的警源進行分析,同時結(jié)合警兆提出有效緩解警情的對策.在實際操作中,可從雙向調(diào)控角度提出緩解對策;并從敏感度分析角度進行警源參數(shù)篩選,進而對不同排警決策進行情景模擬仿真,以考察警情是否得到排除;如無法使系統(tǒng)安全,則需采取進一步措施.

3 結(jié)果與分析

3.1 警情預(yù)測結(jié)果分析

3.1.1 SD模型有效性檢驗 為驗證模型的運算結(jié)果與客觀實際的吻合程度,本研究選取昆明市2010~2014年人口、GDP、COD和氨氮排放量的歷史數(shù)據(jù)與模擬仿真結(jié)果進行對比分析,結(jié)果如圖2所示.經(jīng)對比,模擬值與歷史數(shù)據(jù)的相對誤差率平均值不超過15%,絕大多數(shù)的參數(shù)運行結(jié)果誤差小于10%,說明模型擬合程度較好,模擬預(yù)測結(jié)果真實可信.

3.1.2 BAU情景下動態(tài)模擬仿真結(jié)果與分析 目前發(fā)展情景(BAU)指的是對現(xiàn)在的發(fā)展趨勢不加約束的情景,按照昆明市目前發(fā)展情景的設(shè)置,以2014年為基準(zhǔn)年,預(yù)測昆明市2015~2025年的人口社會經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顟B(tài),結(jié)果如圖3所示.

圖2 SD模型的模擬驗證

圖3 BAU情景下昆明市2015~2025年人口社會經(jīng)濟發(fā)展情況

從圖3可以看出,昆明市2015~2025年間,在不施加外界約束的情景下,總?cè)丝诓粩嘣黾?其中城鎮(zhèn)人口占比不斷增高,城鎮(zhèn)化比例的增加直接導(dǎo)致城鎮(zhèn)生活用水量及污染物(CODCr,氨氮)排放量不斷增加,同時,農(nóng)村人口的不斷減少,使得農(nóng)村生活用水量及污染物質(zhì)排放量不斷減少.作為重要的旅游城市,昆明市第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快,第二產(chǎn)業(yè)次之,第一產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢.各產(chǎn)業(yè)所消耗的水資源及其污染物質(zhì)排放量(CODCr,氨氮)均呈現(xiàn)上升趨勢,但不同產(chǎn)業(yè)增加的幅度存在差異.其中,以農(nóng)林業(yè)為主的第一產(chǎn)業(yè)消耗水資源最快,排放氨氮最多,CODCr最少;以旅游服務(wù)業(yè)為主的第三產(chǎn)業(yè)則消耗水資源最少,排放的氨氮最少,但排放的CODCr最多,比第二產(chǎn)業(yè)工業(yè)廢水排放出的CODCr還要多,這說明旅游服務(wù)業(yè)帶來了高濃度污染的生活污水,生活污水的增加給昆明市水環(huán)境承載力帶來巨大壓力.

3.2 警兆判別結(jié)果與分析

BAU情景下,昆明市的水環(huán)境承載率計算結(jié)果如表4所示,生態(tài)需水保障指數(shù)在2020年和2025年的計算結(jié)果分別為0.53和0.43.從表4和生態(tài)需水保障指數(shù)的計算結(jié)果可以看出:在不對昆明市水環(huán)境施加外界約束的情景下,2020年和2025年的生態(tài)需水保障指數(shù)分別為0.53和0.43,模擬結(jié)果均小于0.8,說明水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能可以得到保障;而水資源、CODCr和氨氮在2020年的承載率分別為0.82、1.67和2.38,2025年的承載率分別為1.15、2.04和2.78,均大于0.8,說明三者均處于超載狀態(tài),且隨著時間推移,承載率趨向上升,超載狀態(tài)愈發(fā)惡劣,其中氨氮超載狀態(tài)最為嚴(yán)重.因此,從警兆的判別結(jié)果來看,BAU情景下,水資源、CODCr和氨氮的警兆指標(biāo)值皆大于0.8,且有隨時間上升的趨勢,故可以作為具體的警兆指標(biāo),并需要進一步對警情進行評判.

3.3 警情評判結(jié)果與分析

根據(jù)公式(4)~公式(9),分別對BAU情景下昆明市2015~2020年的水環(huán)境承載力超載狀態(tài)綜合指數(shù)和耦合協(xié)調(diào)度進行計算,計算結(jié)果如表5和表6所示.從表中可以看出,超載狀態(tài)綜合指數(shù)于2015~2018年維持在1.78,且于2019~2025年間不斷增大,說明超載狀態(tài)逐漸惡化;2015~2025年間,耦合協(xié)調(diào)度大于0.5小于0.8,社會總功效大于水環(huán)境總功效,說明水環(huán)境難以支撐社會經(jīng)濟發(fā)展,子系統(tǒng)互相拮抗耦合.

表4 BAU情景下昆明市2020年和2025年的水環(huán)境承載率

表5 BAU情景下昆明市水環(huán)境承載力超載狀態(tài)綜合指數(shù)

表6 BAU情景下昆明市社會經(jīng)濟和水環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度

3.4 警度界定與報警

3.4.1警度界定 警度是在警限確定的基礎(chǔ)上劃分的.本文采用水環(huán)境承載力超載狀態(tài)臨界值和控制圖法相結(jié)合的方法確定警限.結(jié)合昆明市作為全國主體功能區(qū)劃中重點開發(fā)的實際情況,我們在臨界超載點“1”時劃分輕警和安全區(qū);同時,考慮承載率為“1.5”的弱超載-中等超載臨界點和“2.0”時的中等超載-嚴(yán)重超載臨界點,結(jié)合控制圖法劃分中警、重警與巨警.劃分結(jié)果見表7.

3.4.2 預(yù)警結(jié)果與分析 結(jié)合水環(huán)境承載力超載狀態(tài)綜合指數(shù)和社會經(jīng)濟和水環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度,得出BAU情景下的警情信號燈,如表8所示.從表8可以看出,水環(huán)境承載力超載狀態(tài)于2022年進入巨警,同年,耦合協(xié)調(diào)度也受到水環(huán)境超載影響開始下降,警度達到紅燈,表明BAU情境下,到2022年,昆明市水環(huán)境將完全無法容納社會經(jīng)濟發(fā)展帶來的巨大壓力,整個水系統(tǒng)趨于紊亂退化,無法協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展,必須施行相應(yīng)的排警決策.

在排警決策方面,可分別從提高水環(huán)境承載力和降低社會經(jīng)濟對水環(huán)境壓力2個方面入手.諸如通過水利設(shè)施蓄水和雨水回用措施等提高水環(huán)境承載力;調(diào)整經(jīng)濟增速、人口規(guī)模和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高廢水回用率等以降低社會經(jīng)濟對水環(huán)境壓力.

表7 BAU情景下昆明市警度劃分表

表8 BAU情景下昆明市警情信號燈預(yù)警結(jié)果

4 結(jié)論

4.1 BAU情景下,昆明市未來的水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能可以得到保障,而水資源、CODCr、氨氮承載率均屬于超載狀態(tài),其中氨氮超載狀態(tài)最為嚴(yán)重;超載狀態(tài)綜合指數(shù)于2015~2018年維持在1.78,且于2019~2025年間不斷增大;耦合協(xié)調(diào)度大于0.5小于0.8,社會總功效大于水環(huán)境總功效,水環(huán)境難以支撐社會經(jīng)濟發(fā)展,子系統(tǒng)互相拮抗.

4.2 BAU情景下,昆明市2015~2025年的水環(huán)境承載力超載狀態(tài)的警度自2015年起即為中警,并于2022年進入巨警,同年的耦合協(xié)調(diào)度也受到水環(huán)境系統(tǒng)影響而開始下降,整體系統(tǒng)進入紅燈,表明BAU情境下,到2022年,昆明市水環(huán)境將完全無法容納社會經(jīng)濟發(fā)展帶來的巨大壓力,整個水系統(tǒng)無法協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展,必須施行相應(yīng)的排警決策.在排警決策方面,需嚴(yán)格按照“十三五”規(guī)劃中的可持續(xù)發(fā)展要求,提高節(jié)能降耗水平,控制污染物排放,合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),以避免因城市發(fā)展帶來的水環(huán)境承載力超載問題.

[1] 石建屏,李 新.滇池流域水環(huán)境承載力及其動態(tài)變化特征研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2012,32(7):1777-1784.

[2] 樊 杰,王亞飛,湯 青,等.全國資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預(yù)警(2014版)學(xué)術(shù)思路與總體技術(shù)流程 [J]. 地理科學(xué), 2015,35(1): 1-10.

[3] 王國良,劉衛(wèi)國,鄭 彤.十三五時期“綠色”審計方向探討—基于《十三五規(guī)劃》的思考 [J]. 經(jīng)貿(mào)實踐, 2016,(19):29-30.

[4] 任 洋.新《環(huán)境保護法》之優(yōu)越性述評 [J]. 農(nóng)業(yè)科技與信息, 2014,(17):55-58.

[5] 李東序.城市綜合承載力理論與實證研究 [D]. 武漢:武漢理工大學(xué), 2008.

[6] 汪嘉楊,翟慶偉,郭 倩,等.太湖流域水環(huán)境承載力評價研究 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2017,37(5):1979-1987.

[7] 李玲玲,徐琳瑜.特大城市水資源承載力政策響應(yīng)的動態(tài)模擬 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2017,37(11):4388-4393.

[8] Plate E J. Early warning and flood forecasting for large rivers with the lower Mekong as example [J]. Journal of Hydro-environment Research, 2008,1(2):80-94.

[9] Sim H P S P, Burn D H B H, Tolsontolson B A. Probabilistic design of a riverine early warning source water monitori [J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 2009,36(6):1095-1106.

[10] Dokas I M, Karras D A, Panagiotakopoulos D C. Fault tree analysis and fuzzy expert systems: Early warning and emergency response of landfill operations [J]. Environmental Modelling & Software, 2009,24(1):8-25.

[11] 韓天放,董志貴,胡筱敏.遼寧省城市生態(tài)安全評價方法與預(yù)測模型研究 [J]. 安全與環(huán)境學(xué)報, 2009,9(1):76-79.

[12] 余 敦,高 群,歐陽龍華.鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地生態(tài)安全警情研究 [J]. 長江流域資源與環(huán)境, 2012,21(6):678-683.

[13] 吳冠岑,牛 星.土地生態(tài)安全預(yù)警的懲罰型變權(quán)評價模型及應(yīng)用——以淮安市為例 [J]. 資源科學(xué), 2010,32(5):992-999.

[14] 蘇正國.南寧市土地生態(tài)安全預(yù)警研究 [D]. 成都:四川農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011.

[15] 黎德川,廖鐵軍,劉 洪,等.樂山市土地生態(tài)安全預(yù)警研究 [J]. 西南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2009,31(3):141-147.

[16] 任永泰,李 麗.哈爾濱市水資源預(yù)警模型研究(Ⅰ)—基于時差相關(guān)分析法的區(qū)域水資源預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建 [J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2011,42(8):136-141.

[17] 楊杰軍.青島市嶗山區(qū)水資源可持續(xù)利用研究 [D]. 青島:中國海洋大學(xué), 2009.

[18] 高麗云.河源市江東新區(qū)水環(huán)境容量及污染防治對策研究 [D]. 西南交通大學(xué), 2014.

[19] 鄔 彬,車秀珍,陳曉丹,等.深圳水環(huán)境容量及其承載力評價 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2012,25(8):953-958.

[20] 戴 靚,陳東湘,吳紹華,等.水資源約束下江蘇省城鎮(zhèn)開發(fā)安全預(yù)警 [J]. 自然資源學(xué)報, 2012,27(12):2039-2047.

[21] 曾維華,王華東,薛紀(jì)渝,等.人口、資源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展關(guān)鍵問題之一—環(huán)境承載力研究 [J]. 中國人口×資源與環(huán)境, 1991,1(2): 33-37.

[22] 蔣曉輝,黃 強,惠泱河,等.陜西關(guān)中地區(qū)水環(huán)境承載力研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2001,21(3):312-317.

[23] 王西琴,高 偉,曾 勇.基于SD模型的水生態(tài)承載力模擬優(yōu)化與例證 [J]. 系統(tǒng)工程理論與實踐, 2014,34(5):1352-1360.

[24] 趙 云.揚州市江都區(qū)水環(huán)境容量分析及水環(huán)境整治的措施 [J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2015,(10):143-143.

[25] 倪滕南.濟寧市水資源承載力與可持續(xù)利用研究 [D]. 濟南:山東師范大學(xué), 2010.

[26] 歐陽志云,趙同謙,王效科,等.水生態(tài)服務(wù)功能分析及其間接價值評價 [J]. 生態(tài)學(xué)報, 2004,24(10):2091-2099.

[27] 顧海兵.構(gòu)建宏觀金融預(yù)警系統(tǒng):警源與警兆分析 [J]. 國家行政學(xué)院學(xué)報, 2000,(1):41-46.

[28] 周世星.系統(tǒng)動力學(xué)在區(qū)域規(guī)劃環(huán)境影響評價中的應(yīng)用 [D]. 成都:四川大學(xué), 2005.

[29] 張燕飛,陳忠購.涿州農(nóng)業(yè)科技園區(qū)規(guī)劃方案模擬—基于系統(tǒng)動力學(xué) [J]. 農(nóng)機化研究, 2008,30(6):37-39.

[30] 中國環(huán)境科學(xué)院研究院,環(huán)保部環(huán)境規(guī)劃院,昆明市環(huán)境科學(xué)研究院.滇池流域水污染防治規(guī)劃(2016-2020) [R]. 昆明: 2016.

[31] 云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)院.昆明城市總體規(guī)劃修編(2006-2020) [R]. 昆明: 2006.

[32] 王 儉,孫鐵珩,李培軍,等.環(huán)境承載力研究進展 [J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2005,16(4):768-772.

[33] 宋學(xué)鋒,劉耀彬.城市化與生態(tài)環(huán)境的耦合度模型及其應(yīng)用[J]. 科技導(dǎo)報, 2005,23(5):31-33.

[34] 羅昆燕,周國富.喀斯特地區(qū)城鄉(xiāng)生態(tài)經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)耦合機制及對策——以貴州省黔西南州為例 [J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2011,19(4):925-931.

[35] 劉耀彬,李仁東,宋學(xué)鋒.中國城市化與生態(tài)環(huán)境耦合度分析 [J]. 自然資源學(xué)報, 2005,20(1):105-112.

[36] 陳端呂,彭保發(fā),熊建新.環(huán)洞庭湖區(qū)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的耦合特征研究 [J]. 地理科學(xué), 2013,33(11):1338-1346.

[37] 王 雄.赤峰市森林資源—環(huán)境—經(jīng)濟復(fù)合系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展動態(tài)評價及預(yù)警 [D]. 呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué), 2007.

Investigations on the medium-to-long term early warning of water environmental carrying capacity-A case study of Kunming City.

CUI Dan, CHEN Xin, ZENG Wei-hua*

(School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)., 2018,38(3)：1174~1184

The early warning system of water environmental carrying capacity (WECC) was built on the basis of the dynamical simulation method of system dynamics (SD). Kunming was considered to study the overload warning of WECC. The obtained results illustrated that during 2015~2025, the comprehensive index of the WECC of Kunming would gradually increase from 1.78 to 2.22, indicating that the water environment overload condition would deteriorate. The system coupling coordination degree of Kunming would experience a fluctuation between 0.5 and 0.8, and the total efficacy of the society would be greater than that of the water environment, reflecting an antagonistic relationship between the social-economic subsystem and the water environment subsystem. The alert level would change from medium to high and the color of signal light would change from orange to red, indicating that Kunming would be continuously threatened with overloading of WECC in the future.

early-warning；water environmental carrying capacity；system dynamics；Kunming

X321

A

1000-6923(2018)03-1174-11

崔 丹(1988-),女,山東菏澤人,博士,主要從事城市水資源規(guī)劃與管理方面研究.發(fā)表論文1篇.

2017-07-26

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC- 050350403)

* 責(zé)任作者, 教授, zengwh@bnu.edu.cn