張禮兵,胡亞南,金菊良 ,吳成國,周玉良,崔 毅

(1：合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院, 合肥 230009) (2：合肥工業(yè)大學水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所, 合肥 230009)

水資源承載力是評判水資源與經(jīng)濟社會及生態(tài)環(huán)境之間是否協(xié)同發(fā)展的一項綜合指標，研究水資源承載力對實現(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界持續(xù)重視[1-4]. 隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護意識的日益增強，區(qū)域水資源承載狀態(tài)預測與控制已成為現(xiàn)代水資源系統(tǒng)管理研究的重要熱點之一[5]. 早期的水資源承載力研究側(cè)重于基于內(nèi)涵的評價指標體系構(gòu)建、評價方法探討等，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算方法，并對變化環(huán)境下的流域水循環(huán)模擬研究、生態(tài)需水等進行重點討論. 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)的特征并應用于流域水資源承載力的評價. Yang等[8]應用物元分析法、模糊綜合評價法和投影尋蹤綜合評價法分別評價瑪納斯河流域水資源承載力，并對3種方法進行應用比較. 段新光等[9]通過建立模糊綜合評判模型對新疆水資源承載力現(xiàn)狀進行評價. Naimi-Ait-Aoudia等[10]評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]從水資源承載負荷和承載能力兩個方向出發(fā)，構(gòu)建了水資源承載能力評價指標體系，采用實物量指標對水資源承載能力各因素分別評價，采用“短板法”綜合考慮各要素評價結(jié)果，得到水資源承載能力綜合評價結(jié)果. 隨著水資源管理實踐的演化和水資源承載力研究的深入，僅對現(xiàn)有水資源承載力系統(tǒng)進行靜態(tài)綜合評價已難以滿足現(xiàn)代水資源管理的需求，開展承載力動態(tài)預測預警并針對性調(diào)控漸漸成為新的研究方向，如韓俊麗等[12]應用系統(tǒng)動力學模型(SD模型)對包頭市水資源承載力進行模擬，并根據(jù)包頭市現(xiàn)實狀況和未來發(fā)展規(guī)劃選擇發(fā)展方案，進行仿真模擬來預測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)濟系統(tǒng)的背景下進行綜合集成研究，并根據(jù)模型的優(yōu)化分析結(jié)果預測了黑河流域張掖地區(qū)未來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個子系統(tǒng)選擇指標，建立基于承載過程的水資源承載主客體耦合評價模型，并對安徽省水資源承載力進行了動態(tài)預測評價. Hu等[15]利用指標集方法對福建省流域水資源承載力進行預測，為規(guī)劃部門決策提供輔助參考. 車越等[16]以不同引水量和不同水資源策略為幕景，運用水資源承載力多幕景SD仿真模型，模擬預測崇明島水資源承載力. 趙筱青等[17]運用SD模型針對現(xiàn)狀延續(xù)、提高水資源開發(fā)利用、節(jié)水對策、綜合對策4種情景模擬預測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，并通過改變決策變量值設(shè)計了3種模擬方案，根據(jù)各方案對應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)域水資源承載力動態(tài)預測方面進行了積極探索，但由于區(qū)域水資源承載力系統(tǒng)的高度復雜性，導致在優(yōu)化調(diào)控理論和技術(shù)方法方面尚存在明顯不足. 目前，國內(nèi)外水科學界對水資源承載的內(nèi)涵深化、概念延伸、系統(tǒng)評價及模擬預測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. 針對我國水資源短缺的現(xiàn)狀，定性調(diào)控分析已經(jīng)不能滿足未來區(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)濟發(fā)展水平、生態(tài)環(huán)境保護等現(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，目前研究對象區(qū)域多偏向整體水系流域或省市行政區(qū)，往下細分到縣域的承載力研究較少. 筆者認為，我國縣級行政區(qū)劃是最基本的行政單元，基本上所有的社會、經(jīng)濟、環(huán)境等規(guī)劃、設(shè)計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，逐級疊加、組合構(gòu)成上一層級區(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. 目前對研究區(qū)域細分到縣級區(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)動力學動態(tài)模擬與預測模型；再從空間上耦合為巢湖流域整體模型以預測流域水資源承載狀態(tài)；最后通過敏感性分析篩選量質(zhì)調(diào)控指標，并采用正交試驗方法確定優(yōu)化調(diào)控方案，進行巢湖流域水資源承載力評價、預測及調(diào)控，為湖泊流域管理部門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、長江中下游，總面積12938 km2，西北以江淮分水嶺為界，東瀕長江，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型季風氣候，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、長豐、舒城、廬江兩市五縣，是巢湖流域主要集水區(qū)，同時也是流域內(nèi)人類社會經(jīng)濟活動影響最劇烈的地區(qū)，水資源承載狀況復雜[19]，因此作為本文研究的重點區(qū)域.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源

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經(jīng)濟兩方面，具體數(shù)據(jù)來源參考《合肥市統(tǒng)計年鑒(2005-2016)》、《六安市統(tǒng)計年鑒(2005-2016)》、《合肥市水資源公報(2005-2016)》、《六安市水資源公報(2005-2016)》、《第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》、《全國第二次污染源普查生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》. 模型預測年份參數(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)劃報告(2010)》、《全國水資源綜合規(guī)劃(2010-2030)》等規(guī)劃.

2.2 水資源承載力系統(tǒng)綜合評價方法

巢湖具有長江下游典型平原湖泊水面廣、流速慢等特點，同時承擔著大型省會城市日益增長的供水、排水任務. 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，由于1962年湖口建閘導致水體交換周期延長也進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判水資源與經(jīng)濟社會及生態(tài)環(huán)境之間是否協(xié)同發(fā)展的一項綜合指標，因此通過水量來判斷水資源與社會經(jīng)濟是否協(xié)同發(fā)發(fā)展；通過水質(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，其計算公式分別為：

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)個數(shù)；WUi(j)表示流域內(nèi)第i個縣(市)j年份用水總量；WAi(j)表示流域內(nèi)第i個縣(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)個數(shù)；QUi(j)表示流域內(nèi)第i個縣(市)j年氨氮入河量；QAi(j)表示流域內(nèi)第i個縣(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)值評價標準為：<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)值評價標準為：<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”評價區(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價結(jié)果[11].

2.3 水資源承載力系統(tǒng)模擬預測方法

系統(tǒng)動力學起于系統(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、科學與經(jīng)驗于一體，溝通了自然科學與社會科學的橫向聯(lián)系[21]. 它通過分析系統(tǒng)內(nèi)部各變量間的反饋結(jié)構(gòu)關(guān)系來研究系統(tǒng)整體行為，認為系統(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)是動態(tài)反饋結(jié)構(gòu)從而可用控制論的方法來研究[22]. 系統(tǒng)動力學最突出的優(yōu)點在于能處理高階次、非線性、多重反饋、復雜時變的系統(tǒng)問題，而水資源承載力恰恰是一個包含模糊性、隨機性、非線性等眾多因素的復雜問題，因此系統(tǒng)動力學是較早應用于區(qū)域水資源承載力動態(tài)預測研究的重要方法[23-24]. 本文應用系統(tǒng)動力學構(gòu)建巢湖流域水資源承載力量質(zhì)要素系統(tǒng)動力學模型，來評價、預測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)動力學模型 本文應用系統(tǒng)動力學方法構(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、用水和水污染負荷排放4個子系統(tǒng)組成，可充分反映出縣域水資源與社會發(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)系來看，人口、經(jīng)濟子系統(tǒng)為用水、水污染負荷排放子系統(tǒng)分別提供用水和污染排放數(shù)據(jù). 縣域SD模型對量質(zhì)要素承載狀態(tài)值的模擬通過引入?yún)?shù)計算人口、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟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)域水資源條件計算可利用水量，并查閱區(qū)域氨氮納污能力，基于式(1)、(2)計算區(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、用水和水污染負荷排放4個方面入手整合各縣(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象，縣(市)子模型及流域整體模型結(jié)構(gòu)見圖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)動力學模型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)動力學模型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、長豐、舒城、廬江等兩市五縣作為研究對象. 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)濟發(fā)展狀況等歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，確定模型參數(shù)和初始值，再對2017-2050年區(qū)域內(nèi)各項數(shù)據(jù)以時間步長1 a進行模擬預測. 模型的初始值和參數(shù)設(shè)置見附表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)生某種變化對某關(guān)鍵指標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，通過逐一改變相關(guān)變量數(shù)值的方法來揭示關(guān)鍵指標受這些因素變動影響大小的規(guī)律，可用指標的敏感性來衡量指標對于評價目標的重要性. 定義水資源承載力量質(zhì)要素調(diào)控指標進行單位幅度的變化對承載狀態(tài)值產(chǎn)生的影響稱為指標敏感性. 指標敏感性的計算公式為：

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

(11)

式中，Pwij表示第i個指標對于j年份水量承載狀態(tài)的敏感性；Sw1(i,j)表示第i個指標單位幅度變化后j年份水量要素承載狀態(tài)值；Sw0(i,j)表示第i個指標未變化時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個指標對于j年份水質(zhì)承載狀態(tài)的敏感性；SQ1(i,j)表示第i個指標單位幅度變化后j年份水質(zhì)要素承載狀態(tài)值；SQ0(i,j)表示第i個指標未變化時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

正交試驗設(shè)計是研究多因素多水平的一種設(shè)計方法，它根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出了部分具有代表性的樣本進行試驗，是一種高效、經(jīng)濟、快速的實驗設(shè)計方法[25-26]. 本文采用正交試驗法來選取量質(zhì)要素各調(diào)控指標的最優(yōu)組合，以期滿足調(diào)控目標的要求. 首先根據(jù)各標準確定各調(diào)控指標的調(diào)控依據(jù)，按照大系統(tǒng)正交試驗設(shè)計原理與方法以及調(diào)控依據(jù)，確定各調(diào)控指標水平數(shù)，將指標離散化；再根據(jù)指標個數(shù)以及指標水平數(shù)，選取合適的正交表，按正交表的調(diào)控方案分別進行調(diào)控，并計算各調(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)值對應的調(diào)控方案為最優(yōu)方案. 限于篇幅，具體操作步驟及優(yōu)化過程見相關(guān)文獻[27-28].

3 結(jié)果與討論

3.1 巢湖流域水資源承載力系統(tǒng)動力學模擬模型有效性分析

系統(tǒng)動力學模型有效性檢驗的目的在于判斷模型是否能夠準確反映出系統(tǒng)的特征及變化規(guī)律[18]. 即利用水資源承載力系統(tǒng)動力學模型模擬2005-2016年的巢湖流域數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)對比來驗證模型的有效性，當誤差小于15%時可以認為模型是有效的. 本文變量較多，故選取人口、總用水量、氨氮入河量作為檢驗指標.

由表1可知，模型對于3個指標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)動力學模型有效性檢驗*

3.2 巢湖流域水資源承載力預測

通過系統(tǒng)模擬，預測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)濟增長模式尚未根本性轉(zhuǎn)變、城鎮(zhèn)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施滯后于社會經(jīng)濟發(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，若不進行有效調(diào)控，預計水資源承載狀態(tài)將進一步惡化. 本文選取未來水平年2035、2050年來觀察各要素的變化情況，具體預測結(jié)果見表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，各縣(市)及整個流域水資源承載力多處于超載且呈上升趨勢. 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)有明顯改善是因為其工業(yè)氨氮排放量占總體比重較大，隨著生產(chǎn)技術(shù)的進步，萬元工業(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 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，是因為可滿足在對現(xiàn)有社會生產(chǎn)、生活狀況最小變動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)值預測

3.3.2 調(diào)控機理及調(diào)控指標的初步確定 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個變量關(guān)聯(lián)性較強的指標作為調(diào)控指標,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改善區(qū)域水資源承載力. 首先，利用敏感性分析對調(diào)控指標進行篩選. 再以發(fā)展較好地區(qū)的各項指標作為各個調(diào)控指標的調(diào)控依據(jù)，并以此為基礎(chǔ)進行正交試驗，選取最優(yōu)調(diào)控方案.

因以其他地區(qū)的指標作為調(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無關(guān)的指標作為調(diào)控指標. 同時考慮到巢湖流域用水量大、水質(zhì)較差的特點，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個指標；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個指標.

3.3.3 篩選調(diào)控指標 基于公式(11)、(12)計算各調(diào)控指標對應目標年份的敏感性，為避免偶然因素對指標敏感性的影響，以指標±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表征指標的敏感性，結(jié)果見表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(>1)的指標作為最終的調(diào)控指標，在水量要素方面選取畝均灌溉用水量、二產(chǎn)產(chǎn)值比、萬元工業(yè)增加值用水量作為調(diào)控指標. 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. 未來隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)灌溉方式的進步，萬元工業(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)濟轉(zhuǎn)型的根本任務是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，大力發(fā)展服務業(yè)勢在必行，二產(chǎn)產(chǎn)值比將呈下降趨勢；隨著國民素質(zhì)進一步提升，養(yǎng)成良好生活用水習慣，會使得生活污水中的氨氮進一步減少，分析可知上述6個指標均具有較好的調(diào)控性. 調(diào)控的順序為先調(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)控中進行. 城鎮(zhèn)污水處理率敏感性指標較大一是因為未來我國城鎮(zhèn)化率進一步提升，導致城鎮(zhèn)人口增加、農(nóng)村人口減少；二是生產(chǎn)科技的進步，使得萬元工業(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一步升高，城鎮(zhèn)污水處理率對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個水量要素調(diào)控指標現(xiàn)狀值為：畝均灌溉用水量329 m3；二產(chǎn)產(chǎn)值比0.544；萬元工業(yè)增加值用水量43 m3. 水量要素調(diào)控指標參照浙江省進行調(diào)控：畝均灌溉用水量280 m3；二產(chǎn)產(chǎn)值比0.5；萬元工業(yè)增加值用水量35 m3. 巢湖流域3個水質(zhì)要素調(diào)控指標現(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 本文對巢湖流域進行整體調(diào)控，即對研究區(qū)域內(nèi)7個縣(市)的各個量質(zhì)要素調(diào)控指標進行同倍比調(diào)控. 根據(jù)現(xiàn)狀條件下流域內(nèi)的指標值及調(diào)控依據(jù)，按照大系統(tǒng)正交試驗設(shè)計方法將水量要素的3個指標分成5個水平，即將調(diào)控依據(jù)值和現(xiàn)狀指標值差值比上現(xiàn)狀指標值，再進行五等分. 量質(zhì)要素調(diào)控指標均進行階段性調(diào)控，即在2020年與2030年分別進行調(diào)控. 水量要素試驗設(shè)計見表4.

表4 巢湖流域水量要素試驗設(shè)計

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)控目標作比較，選取最優(yōu)設(shè)計方案.

由附表Ⅱ可知，ABS最小值對應的最優(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%；萬元工業(yè)增加值需水量削減3%. 對應調(diào)控措施下巢湖流域水量要素調(diào)控指標變化情況見圖3.

觀察整體調(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)均達到可載/臨界；其他縣(市)均處于超載狀態(tài). 圖中虛線與實線所夾面積大小可反映調(diào)控方案對該區(qū)域的影響. 合肥市區(qū)、居巢區(qū)調(diào)控效果不明顯是因為區(qū)域內(nèi)調(diào)控指標數(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. 長豐縣、廬江縣仍處于超載一方面是因為區(qū)域內(nèi)調(diào)控指標數(shù)值相對較小，另一方面是因為預測年份降雨量較小.

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)控指標值以及調(diào)控依據(jù)值，按照大系統(tǒng)正交試驗設(shè)計方法及調(diào)控依據(jù)將水質(zhì)要素的3個指標分成5個水平，水質(zhì)要素試驗設(shè)計見表5.

表5 巢湖流域水質(zhì)要素試驗設(shè)計

根據(jù)L25(53)正交表編制試驗方案進行調(diào)控，計算各調(diào)控方案下2050年巢湖流域水質(zhì)承載狀態(tài)值并與調(diào)控目標進行比較選取最優(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圖6.

由圖6可知，在水量調(diào)控措施的基礎(chǔ)上進行水質(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)均達到臨界/可載. 舒城縣水質(zhì)要素承載狀態(tài)超載一是因為氨氮納污能力較弱；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)達到臨界/可載；合肥市區(qū)、居巢區(qū)、長豐縣、廬江縣及舒城縣水資源承載力未達標，需對這些區(qū)域進行二次調(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)動力學模型構(gòu)建了巢湖流域量質(zhì)要素系統(tǒng)動力學模型，預測了2017-2050年巢湖流域水資源承載力的變化趨勢，采用正交試驗設(shè)計優(yōu)化了承載力調(diào)控方案，得到如下結(jié)果：

1)在無調(diào)控情況下，隨著巢湖流域未來產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大以及城鎮(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，并于2030年后長期處于超載狀態(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足調(diào)控目標要求，但不能保證各縣(市)局部承載狀態(tài)均達標，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動態(tài)性和壓力的長期漸增性，在局部區(qū)域或時段內(nèi)當承載壓力大于承載能力時，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)在時間和空間上應急調(diào)控機制，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態(tài)調(diào)控方案能促進當?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發(fā)利用引發(fā)污染治理的經(jīng)濟成本，減小由于水資源過度開發(fā)帶來的生態(tài)環(huán)境影響，有效改善當?shù)氐馁Y源環(huán)境狀況.

5 附錄

附表Ⅰ、Ⅱ見電子版(DOI：10.18307/2021.0106.)