朱悅 關倩

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)-社會經濟4個子系統(tǒng)構建指標體系及水環(huán)境承載力評估預警動態(tài)模型，并設計常規(guī)發(fā)展型、經濟改善型、水環(huán)境改善型、水資源改善型、綜合改善型5種情景方案，預測2019—2025年不同發(fā)展方案下的水環(huán)境承載力。結果表明，社河控制單元水環(huán)境承載力均呈上升趨勢，各方法調節(jié)效果為綜合改善型（0.811 7）>水資源改善型（0.765 8）>經濟改善型（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年達到臨界超載—藍色預警狀態(tài)，說明按照現(xiàn)有狀態(tài)發(fā)展，社河控制單元不能夠承載目前的人口、經濟規(guī)模;綜合改善型情景方案2025年達到綠色不超載狀態(tài)，說明在此方案下，社河的社會經濟、水環(huán)境、水資源、水生態(tài)能協(xié)調發(fā)展。

關鍵詞 水環(huán)境承載力;系統(tǒng)動力學;情景方案設計;社河控制單元

中圖分類號 X522? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）05-0072-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.05.018

開放科學（資源服務）標識碼（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

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

作者簡介 朱悅（1981—），女，遼寧沈陽人，高級工程師，碩士，從事流域水環(huán)境保護研究。

收稿日期 2021-06-08

由于經濟的迅猛發(fā)展及部分地區(qū)水環(huán)境資源的不合理應用，社會經濟活動強度已經達到或超過水環(huán)境承載上限，由此引發(fā)了水資源開發(fā)利用率過高、水環(huán)境污染負荷較大、水生態(tài)退化等一系列問題。由此可見，水環(huán)境承載力的研究對保障水環(huán)境健康及社會經濟健康發(fā)展有重要的科學意義。

生態(tài)環(huán)境部召開的重點流域水生態(tài)保護“十四五”規(guī)劃編制試點工作啟動視頻會指出，要統(tǒng)籌水資源、水環(huán)境、水生態(tài)承載力，改善水環(huán)境質量[1]。因此該研究根據(jù)要求在前期研究的基礎上[2-5]對水環(huán)境承載力定義進行補充，即水體在同時滿足水資源承載力、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、經濟、人口發(fā)展規(guī)模的閾值[6]。

水環(huán)境承載力的量化評價方法主要包括向量模法、加權平均法、BP神經網(wǎng)絡法、系統(tǒng)動力學法等。鄭博福等[7]構建包括水環(huán)境、水資源、水生態(tài)、土地生態(tài)功能的水環(huán)境承載力指標體系，并利用向量模法對典型河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境承載力進行綜合評價。周洋等[8]建立了包含8個指標的指標體系，應用加權平均法評估漢江地區(qū)水環(huán)境承載力現(xiàn)狀，并提出主要制約因素及改進措施。曹若馨等[9]以COD、氨氮、總磷為研究對象，基于BP神經網(wǎng)絡法構建水環(huán)境承載力預警模型，并從水環(huán)境全過程控制角度對環(huán)境污染治理方向進行規(guī)劃。楊光明等[10]在對重慶工業(yè)現(xiàn)狀、人口規(guī)模和自然環(huán)境分析的基礎上，通過系統(tǒng)動力學法構建水資源承載力指標體系及模型，設計情景方案對水資源承載的可持續(xù)發(fā)展能力進行評估與預測。楊海燕等[11]針對泰安市水資源與水環(huán)境現(xiàn)狀，利用系統(tǒng)動力學模擬泰安市納污能力、污染物排放量和缺水程度，設計情景方案改善未來年份城市的水環(huán)境與水資源供需平衡能力。通過文獻總結，系統(tǒng)動力學法能清晰明確地反映因素對結果的影響程度，并能夠反映系統(tǒng)長期的動態(tài)趨勢。因此該研究選用系統(tǒng)動力學法構建水環(huán)境承載力評估預警模型。

社河是大伙房水庫3條主要入庫河流之一，屬于飲用水水源地保護區(qū)。如何在保證飲用水水源地保護區(qū)經濟穩(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。該研究以社河控制單元為研究對象，根據(jù)系統(tǒng)動力學法構建水環(huán)境承載力評估預警模型，設計5種情景方案對2019—2025年水環(huán)境承載力進行調節(jié)，并完成以社河控制單元為例的飲用水源地保護區(qū)水環(huán)境承載力提升方案。

1 指標體系的建立

根據(jù)社河控制單元水資源公報等文件及文獻，結合水環(huán)境、水資源、水生態(tài)3個子系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)可獲取性、全面性、科學性等原則構建了遼河流域水環(huán)境承載力指標體系，具體見圖1。

2 水環(huán)境承載力評估預警模型構建

水環(huán)境承載力的研究對象主要包括以下4個模塊：①水環(huán)境模塊，主要包括點源污染物及非點源污染物，反映研究區(qū)的污染負荷和凈化污染物的能力，模型主要評價指標為總氮（TN）和總磷（TP）;②水資源模塊，主要包括水資源開發(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社會經濟模塊，包括經濟及人口變化趨勢，主要反映社會經濟改善趨勢。根據(jù)上述分析構建社河控制單元系統(tǒng)動力學模型，具體見圖2。

2.1 模型邊界

系統(tǒng)模擬的空間邊界為社河控制單元，時間邊界為2013—2025年，基準年為2018年，仿真時間步長為1年，其中2013—2018年為評估年份，2019—2025年為預測年份。

2.2 相對誤差檢驗

對歷史數(shù)值輸入模型進行仿真模擬，將模擬數(shù)值與實際數(shù)值進行對比，若誤差（表1）在10%以內則說明模擬有效。因此歷史檢驗所選擇的數(shù)據(jù)需要有多年連續(xù)數(shù)值。該研究選取農業(yè)增加值、第三產業(yè)增加值、人口作為檢驗對象進行歷史性檢驗（表1），誤差在10%以內，證明模型有效，可以利用該模型對社河控制單元水環(huán)境承載力進行評估預警。

3 情景方案設計

結合社河控制單元發(fā)展現(xiàn)狀及“十四五”國家規(guī)劃等，對模型內相關指標進行調整，形成常規(guī)發(fā)展型、經濟改善型、水環(huán)境改善型、水資源改善型、綜合改善型5種方案，設計說明如表2所示。

4 水環(huán)境承載力評估分析

4.1 指標變化分析

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)、農業(yè)增加值排污強度均呈下降趨勢，說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，說明情景方案能夠較好地減少污染物的產生與排放;5種方案下綜合改善調節(jié)方案調節(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、國務院辦公廳印發(fā)的《關于建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預警長效機制的若干意見》，將水環(huán)境承載力狀態(tài)分為3級5色，并根據(jù)相關文獻對水環(huán)境承載力進行量化，相應承載區(qū)間及對應級別顏色如表3所示。

根據(jù)綜合指數(shù)法計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）>經濟改善型（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。常規(guī)發(fā)展趨勢因為2018年GDP變化率為正數(shù)，因此排污強度與萬元GDP用水量逐年下降，水環(huán)境承載力呈上升趨勢。5種方案中常規(guī)發(fā)展型、經濟改善型、水環(huán)境改善型、水資源改善型調節(jié)效果較差，2025年均為臨界超載—藍色預警狀態(tài)，說明單一調節(jié)模式下，水環(huán)境承載力壓力較大，不能保障水體安全。而綜合改善型調節(jié)效果最優(yōu)，2025年達到綠色不超載狀態(tài)。分析其中原因，綜合改善型采取較高的經濟增速、較強的節(jié)水能力，較少的用水量，可大幅提高水環(huán)境承載力，同時注重經濟改善，調節(jié)水環(huán)境、水資源子系統(tǒng)存在的問題，減少了污染物的排放以及水資源的開發(fā)利用，有效促進社會經濟與水環(huán)境的協(xié)調發(fā)展。

5 結論

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)-社會經濟4個子系統(tǒng)構建指標體系及水環(huán)境承載力評估預警動態(tài)模型，并設計常規(guī)發(fā)展型、經濟改善型、水環(huán)境改善型、水資源改善型、綜合改善型5種情景方案，預測2019—2025年不同發(fā)展方案下的水環(huán)境承載力。結果表明，2019—2025年社河控制單元水環(huán)境承載力呈上升趨勢，綜合改善型（0.811 7）>水資源改善型（0.765 8）>經濟改善型（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年達到臨界超載—藍色預警狀態(tài)，說明按照現(xiàn)有狀態(tài)發(fā)展，社河不能夠承載目前的人口、經濟規(guī)模。綜合改善模式調節(jié)效果最好，2025年可以達到綠色不超載狀態(tài)，實現(xiàn)社會經濟與水環(huán)境、水資源、水生態(tài)的協(xié)調穩(wěn)定發(fā)展。

社河控制單元作為飲用水源地保護區(qū)，在保證達到水質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，提升水資源利用效率，保證水生態(tài)健康程度，實現(xiàn)社會經濟、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)的協(xié)調發(fā)展。

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