基于動態模擬遞推算法和向量模法的水環境承載力計算方法

沈珍瑤，祝瑩欣，賈 超，陳 磊

基于動態模擬遞推算法和向量模法的水環境承載力計算方法

沈珍瑤1，2，祝瑩欣1，2，賈 超1，2，陳 磊1，2

(1.北京師范大學環境學院,北京 100875；2.北京師范大學水環境模擬國家重點實驗室,北京 100875)

為了定量分析流域內多種因素對水環境的綜合影響,發展并完善了基于動態模擬遞推算法和向量模法的水環境承載力計算方法,并將其應用于漢江流域中下游干流供水區水環境承載力分析。分析結果表明,該方法對于水環境承載力的論述更為合理,得到的結果也更為直觀、全面；僅從水資源供給的角度,漢江流域中下游干流供水區水環境承載力在2040年存在難以承載社會經濟發展的風險,但從綜合角度看,水環境承載力呈現出改善的趨勢。

水環境承載力；水資源量；水環境容量；動態模擬遞推算法；向量模法；漢江流域中下游

當前,水資源短缺和水環境惡化已經成為全球性問題[1]。我國水資源緊缺,水環境普遍受到較為嚴重的污染,水環境與經濟社會發展的矛盾日益尖銳。水環境承載力的大小是決定人類經濟社會發展規模和速度的重要因素,對其進行理論和實踐的深入研究具有重要的意義。目前,水環境承載力的概念在學術界尚無明確定義[2]。筆者結合前人研究結果,認為水環境承載力是指某一水域在一定歷史時段上,以可預見的社會經濟發展水平為依據,以可持續發展為前提,在維護生態環境良性循環的基礎上,其水環境可支撐的社會經濟規模和具有一定生活水平的人口數量。但水環境承載力研究涉及范圍廣、內容復雜,目前國內外尚無統一和成熟的水環境承載力研究方法,水環境承載力量化方法呈現多元化發展的特征[3-4]。近年來,漢江中下游生態環境破壞日益嚴重,南水北調中線工程實施后,漢江中下游水量減少,水環境容量下降,流域內水環境對經濟和社會發展的可持續承載問題已經成為制約流域發展的重要因素[5-6]。本文發展并完善了基于動態模擬遞推算法和向量模法的水環境承載力計算方法,并以漢江流域中下游干流供水區為例進行了驗證,對該區水環境承載力進行了綜合分析,可為該流域的經濟發展規劃和水資源可持續利用等提供科學的依據。

1 流域水環境承載力計算方法體系

目前用于水環境承載力評價的方法主要有向量模法、模糊綜合評判方法、密切值法、主成分分析法、多目標決策分析法及系統動力學方法等[1,7-9],評價方法雖然多樣,但尚無統一認識,沒有具體的判斷原則。針對已有評價方法存在片面性等缺陷,本文擬采用一種新方法,即采用動態模擬遞推算法對水資源利用系統和水環境污染系統進行分析,同時由于動態模擬遞推算法注重一些關鍵要素的平衡和滿足,考慮因素略為單一,而向量模法側重于描述水環境綜合承載力的情況,結合兩種算法進行水環境承載力的綜合評價。這種研究方法對于開展有時間跨度且區域面積較大的地區水環境承載力研究,具有其他方法無可比擬的優點,既注重關鍵要素的滿足,同時也考慮了綜合因素,可以直觀反映地區水環境承載力及承載力變化過程、變化趨勢,簡單實用,研究結果較為直觀。

1.1 動態模擬遞推算法

動態模擬遞推算法[10]主要是通過水的動態供需平衡計算,來顯示水資源承載力的狀況和支持人口與經濟發展的規模。其優點在于以年(或規劃期)為時段,逐年地遞推計算下去,并將不同年份的水環境承載力與實際值或預測值進行比較,以判斷水環境對社會經濟的承載狀況。

動態模擬遞推算法在水環境承載力計算中具有廣泛的適用性,水環境承載力分析主要包括水資源利用系統分析和水環境污染系統分析。動態模擬遞推算法也是從這兩個角度進行分析和演算,沒有復雜的模擬過程,簡單易用。由于水環境承載系統非常復雜,而算法考慮的因素是衡量承載力的主要指標,對承載力的綜合性和承載潛力考慮較少,所以在實際運用時,為了能夠更為準確客觀地說明問題,采用向量模法從綜合評價的角度進行對照和比較。

1.1.1 分區水資源評價

水資源評價是對分區水資源情況的基礎調查和分析工作。對一個具體的區域來說,核心是研究計算大氣降水、地表水、地下水、污水及過境或外調水等5塊水,調查分析工業用水、農業用水、生活用水、環境用水和生態用水等5種需求。

1.1.2 水資源供需平衡分析

a.需水量預測。需水量預測公式為

式中:Qt為地區第t年需水總量,億m3；Qat、Qmt分別為農業、工業第t年的總需水預測值,億m3；Qpt為居民第t年生活日常用水量,億m3；Qot為第t年其他產業總用水量,億m3；Aarj為第j區第r種農業產品種植面積,hm2；qarj為第j區第r種農產品的用水定額, m3/hm2；yt、yt-1分別為預測第t年、t-1年的第j區第r種工業產品產值,億元；mt為第t年工業產值增長率,%；n為起算年至預測終止年的年數；ηt為第j區第r產業第t年的工業用水重復利用率,%；qt為第j區第r產業第t年的萬元產值用水量,m3/萬元；Pt為第t年人口總數,萬人；Pt-1為前一年的人口數,萬人；qpt為人口綜合增長率,%；αt為第t(或水平)年人均日需水量(指標或定額),L/d。

b.地區可供水量預測。可供水量預測是在地區水資源評價基礎上,以范圍內基準年所有供水工程的實際可供水量為依據,預測未來可供水量情況,以保證地區水資源平衡和新增水源工程的規劃與建設。基準年的全區可供水量,包括已建和在建水源工程可供應的地表水、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表示。

c.水資源供需平衡。地區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算。通過可用水資源量、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)。選取不同規劃年人均綜合用水定額(需水量與預期人口數量之比)和單位GDP需水量(需水量與預期GDP之比)作為推算因子,計算水資源供給能力的可承載人口和可承載GDP,具體計算公式為

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m3；βdt為第t年單位GDP需水量,m3/元。

1.1.3 水環境污染承納分析

a.水環境容量分析。水環境容量是指在一定的水質或環境目標下,某水域能夠允許承納的污染物的最大數量[11]。污染源及污染物調查具體方法為:①工業廢水。按基準年調查統計主要水污染型企業的類別和數量、該年工業廢水排放總量、各分區工業廢水排入水體的份額及不同工業門類廢水中主要含有的污染物。①生活廢水。計算公式為

式中:Qpf為地區生活污水年排放總量,萬t；Qpj為j區日生活用水量,萬t；θ為生活污水的排放系數,其值為生活用水減去蒸發、滴漏等因素損失后的排污系數；Wpf為生活污染物年排放量,萬t；G為人均日排放污染物數量,kg。③非點源污染。將不同土地類型單位面積上的含量(如農藥、化肥等)乘以該類土地單位面積污染物輸出速率,即可得出非點源污染物的數量,而后進行匯總得出整個流域或地區主要河流或水體的污染量。河流水環境容量依下式計算:

式中:Ei為河段水環境容量,t/a；CNi為水質標準, mg/L；Co1,i為上游來水的污染物濃度,mg/L；Co2,i為污水中污染物濃度,mg/L；Qpi為上游來水的流量, m3/s；qi為污水濃度；Ki為河段水污染物降解系數；xi為河段長度,m；ui為河流平均流速,m/s。流域各段水環境容量總和為

b.污染物排放量的預測。水環境污染預測以地區社會經濟發展目標及其需水量為依據,分門別類和匯總地區總污染濃度、污染物數量等,具體計算公式為

式中:Wftk為第t年第k類污染物排放總量,萬t；Wmtk為第t年各區工業廢水含有的第k類污染物排放總量,萬t；Wptk為第t年各區生活污水含有的第k類污染物總量,萬t；Ntk為第t年非點源污染第k類污染物輸出總量,萬t；Qmtj為第t年第j區工業廢水排放總量,萬m3；Ctjk為第t年第j區工業廢水(污水密度假定為水的密度)含有的第k類污染物排放濃度, mg/L；Ptjk為第t年第j區人口數量,萬人；φtjk為第t年第j區第k類污染物的人均日排放量,主要為COD,mg；Ah為第h種土地類型面積,hm2；σthk為第t年第h種土地類型第k類污染物的輸出率,萬t/hm2；Qdtj為第t年第j區工業需水總量,萬m3；ψtj為廢水排放系數。

c.水環境污染承納平衡分析。將水環境容量分析結果和規劃年污染物排放量預測結果進行比較。

d.水環境污染承納承載力計算及分析。水環境污染承納承載力的主要約束因素為水環境容量。選取不同規劃年人均COD排放量(COD排放量與預期人口數量之比)和單位GDP的COD排放量(COD排放量與預期GDP之比)作為推算因子,根據COD水環境容量可以計算出水環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年水環境污染承納能力的可承載人口,萬人；Et為第t年水環境容量,萬t；WCODt為第t年人均COD排放量,t；Dwt為第t年水環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/萬元。

1.1.4 水環境承載力判定與分析

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

承載力大小確定后,將承載力同實測或預測值進行比較,可以反映水環境對人類社會的承載狀況。將多個規劃年計算結果進行比較,可以看出水環境承載力的變化趨勢。

1.2 向量模法

向量模法是一種采用統計方法,選擇單項或多項指標進行分析,以反映地區水環境承載力現狀和閾值的方法[12]。該方法將評價因子分為正影響因子和負影響因子,它們對評價結果的影響分別為正面和負面影響,這個特征符合水環境承載力評價中各評價因子與水環境承載力之間的關系。因向量模法數學理論扎實、形式簡單直觀、運算易行、結果客觀合理等優點,應用極為廣泛[13],常用于橫向(不同地區同一時間)和縱向(同一地區不同時間)承載力的綜合比較,可以反映不同地區發展水平的相對高低或者同一地區在不同時間上的發展變化趨勢。

圖1 研究區范圍示意圖

由于動態模擬遞推算法具有自身的局限性,在針對具體流域的實例研究中,為了使評價結論更為客觀可靠,有必要作一些補充和輔助研究。向量模法從綜合評價的角度對水環境承載力的變化趨勢進行分析,可以彌補動態模擬遞推算法的不足。

建立科學合理的指標體系是向量模法研究的基礎,關系到流域水環境承載力評價的準確性與合理性,本文選擇的具體指標見表1。

表1 流域水環境承載力向量模法指標體系

對于一個地區而言,假設有m個不同的水平年；或者對于同一水平年而言,假設有m個不同的分區,這兩種情況都會有m個水環境承載力,不妨設此m個水環境承載力為Ej(j=1,2,…,m),再設每個水環境承載力由n個具體指標確定的分量組成[14],即有:

這樣,第j個水環境承載力的大小可以用歸一化后的矢量模來表示,即:

這里,視每一分量的權重是一樣的,若考慮各項指標的權重,則:

式中,Wij為第j個水環境承載力的第i個指標的權重。

2 漢江流域中下游干流供水區水環境承載力分析

2.1 研究區概況與數據來源

2.1.1 研究區概況

研究區域為以漢江及其分支東荊河為主要水源及補充水源的供水范圍,如圖1所示。包括襄陽市、荊門市、荊州市、孝感市和武漢市的部分范圍,以及天門市、潛江市、仙桃市3個直管市。其中襄陽市包括老河口、谷城縣、宜城市及城區的全部或部分范圍；荊門市包括沙洋縣、京山縣及鐘祥市的全部或部分范圍；荊州市包括洪湖市、監利縣的全部或部分范圍；孝感市包括漢川市、云夢縣、孝南區、應城市的全部或部分范圍；武漢市包括蔡甸區、東西湖區、漢南區及中心城區的全部或部分范圍。

漢江中下游地表水資源量多年平均約為178億m3[15],中線工程未調水時丹江口水庫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、經濟發達,排入漢江的廢水總量逐年遞增,這些廢水基本上不經處理就直接排江,導致漢江中下游水質近年來明顯呈現惡化趨勢[17]。2014年南水北調中線一期工程實施后,漢江中下游凈流量減少、水環境容量下降,若不采取措施,水資源的緊缺及水環境惡化將嚴重制約當地及河流下游地區社會經濟發展[6]。2030年擬調水130～140億m3,水資源又一次減少,會使水環境與社會經濟發展的矛盾更為突出。

2.1.2 數據來源

本研究所用數據主要來源于《湖北省國民經濟和社會發展第十二個五年計劃綱要》《湖北省統計年鑒》《南水北調中線規劃總報告》《湖北省城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃(2011—2015年)》《2010年湖北省水資源公報》及各市州統計年鑒,以2010年為基準年,所有產值均為2010年可比價計算,部分數據是整理計算后的結果。

2.2 研究區主要經濟社會發展指標預測

根據2010年相關數據及不同年份的各項指標增長率可預測不同年份的經濟社會發展指標,具體預測值見表2。

表2 漢江流域中下游干流供水區主要經濟社會發展指標預測值

2.3 研究區水環境承載力動態遞推模擬

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環境需水量為184.51億m3[18],由此可以計算出干流供水區的可用水資源量如表3所示。

表3 研究區水資源量(多年平均)億m3

b.可供水量分析。對漢江中下游干流沿岸水廠、灌溉閘站、大中型水庫進行統計,對各小區分片分時段進行需水量和當地可供水量的供需對口分析,結合漢江干流引水供水能力,可計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,所有規劃年均采用該數值。

c.需水量分析。各指標用水定額或用水增長率如下:①農業。根據全國灌區節水改造規劃和實施情況,2010—2030年各灌區渠系水利用系數為0.50～0.95,2030年后提高到0.62～0.95,自2000年以來,全省農田灌溉單位面積平均用水量趨勢變化不明顯。①工業。考慮科技進步、產業結構調整和節水水平的提高,結合工業用水重復利用率的變化趨勢,預測不同規劃年(2010年、2015年、2020年、2025年、2030年、2035年、2040年)的工業用水定額分別為85 m3/萬元、80m3/萬元、70 m3/萬元、60m3/萬元、50m3/萬元、45m3/萬元和40m3/萬元。③生活。城鎮和農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,小牲畜按30 L/(頭·d)計。結合表2中相關數據,可以計算出不同規劃年各部分需水量,見表4。

表4 研究區不同規劃年需水量預測億m3

d.水資源供需平衡分析。根據前面計算結果,可得研究區水資源供需平衡分析結果如表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,但隨著研究區人口的增長和經濟社會的發展,供水壓力逐漸增大,2040年出現了水資源供需的失衡,需要加強供水工程的建設。

e.水資源供給承載力分析。以可供水量為約束因素計算水資源供給能力對人口數量和GDP規模的承載力,結果見表6。可以看出,2010—2035年,水資源供給承載力大于預期人口數量和經濟發展規模,但承載力逐漸變小,2040年出現了不可承載的狀況,需要加強供水工程的建設,并通過提高用水效率及重復利用率、改進工藝、減少浪費等途徑,努力推進節水型社會的建設。

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經濟預測結果

2.3.2 水環境污染承納平衡分析

漢江流域干流水質好于支流,從上游至下游污染狀況逐漸上升,主要污染物為COD、NH3-N等,污染特征為有機污染型[19-20],因此將COD作為代表污染物進行水環境污染承納預測分析。

a.水環境容量。調水前,漢江中下游多年平均COD容量為46.7萬t/a,由于資料缺乏等原因,為簡化計算,現假設南水北調工程實施后,除水量、流速等外,其余水文條件不改變。根據計算,調水95億m3使漢江流域中下游水環境容量減少23%,調水130億m3將減少29%,即2015年和2030年水環境容量分別為35.95萬t和33.15萬t。

b.污染物排放預測與水環境污染承納平衡分析。考慮到污染物總量控制要求的壓力、先進生產工藝的實施及污水處理程度的不斷提高,工業COD排放彈性系數在2010—2020年間取0.20,在2020—2040年間取0.10,生活污水排放系數取0.9,城鎮污水處理率2010年取70%,2015年及2020年取90%,2030年及之后取95%,COD去除率取85%,計算結果見表7。由表7可知,調水后,COD水環境容量大幅減少；同時隨著社會和經濟發展, COD排放量仍在增加。應該通過實施污染治理規劃,加強水污染物排放的總量控制,深化COD的處理,加大工業污染治理力度,淘汰落后工藝和產品,推行清潔生產等措施以保證水質。

表7 漢江中下游COD排放量預測結果與水環境污染承納平衡分析

c.水環境污染承納承載力分析。根據以上數據可算出水環境納污能力對人口數量和GDP規模的承載力,結果見表8。可看出,調水后水環境容量明顯減小,承載壓力增大,但水環境污染承納承載力始終大于人口數量和經濟發展規模。

表8 水環境污染承納承載力與社會經濟預測結果

2.3.3 水環境承載力分析

綜合水資源供給和水環境納污能力后的水環境承載力變化狀況見表9。可以看出,2010—2035間,研究區水環境承載力大于預期人口數量和經濟規模。2014年調水95億m3后,水環境承載力開始下降。2030年調水130億m3后,水環境承載力將再次下降,2040年研究區水環境欠載人口將達到140.9萬,欠載GDP達到2823.4億元,承載力上限的主要約束因素為可供水量。

由于動態模擬遞推算法是從水資源利用系統和水環境污染系統進行分析,對承載力的綜合性和承載潛力考慮較少,為了能夠更為準確客觀地說明問題,現選擇向量模法對研究區水環境承載力進行綜合評價。

2.4 研究區水環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、萬元工業產值用水量、萬元農業產值用水量、人均GDP、單位COD排放量的工業產值以及人均COD排放量7個指標作為衡量標準對水環境承載力進行向量模法分析。

根據前文預測結果,經計算可得7個指標值,經歸一化后如表10所示,其中負影響因子取其倒數進行計算。

表9 水環境承載力與社會經濟預測結果

表10 指標值歸一化結果及水環境承載力計算結果

可以看出,2010—2015年間,研究區水環境承載力呈現遞減趨勢,這主要是由于人口增長、2014年調水95m3、水量不足、水環境容量下降等造成的,在2015年達到極小值0.044；2015—2040年間,隨著社會進步、經濟發展、治污能力的增強,水環境的綜合承載力有逐漸上升的趨勢,到2040年達到了0.147。說明研究區經過一段“過渡期”后,水環境有改善的趨勢。

上述兩種算法從不同角度對研究區的水環境承載力進行了分析,動態模擬遞推算法注重于一些要素的平衡和滿足,對水環境的自身潛力等綜合因素考慮較少,而向量模法側重于描述水環境的綜合承載力,因此兩種算法在結果上出現差異,在有足夠數據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論。本文運用兩種算法,使之互為補充,使用這種綜合的研究方法更客觀地說明了南水北調中線工程對研究區的水環境承載力的影響。

由于研究區域范圍大,數據缺乏,漢江流域上下游水質關聯的考慮比較粗略,沒有充分考慮水環境功能區劃,也沒有具體討論水資源供給與水環境污染的相關關系,計算中不可避免地存在一定的不確定性。本文暫時未考慮其他工程可能帶來的影響,如南水北調中線配套工程“引江濟漢”的可能影響,該工程年平均輸水37億m3,其中補漢江水量31億m3,補東荊河水量6億m3。該工程的實施,會增加漢江中下游地區的水資源量,可在一定程度上緩解該地區的用水矛盾,水環境承載力也會得到大幅提高。

3 結 語

水環境承載力是協調社會、經濟、環境可持續發展的重要依據,本文發展完善了基于動態模擬遞推算法和向量模法的水環境承載力計算方法,避免了傳統方法存在的片面性等缺陷,既注重了關鍵要素的平衡也考慮了綜合因素,可以直觀反映地區水環境承載力及承載力變化過程及趨勢,簡單實用,結果較為直觀。將此研究方法用于漢江流域中下游干流供水區的水環境承載力分析,重點考慮了南水北調中線工程的運營對該地區的影響。漢江流域中下游干流供水區在2014年調水95億m3和2030年調水130億m3后,水資源量減少,水環境容量下降,從水資源供給能力角度,在2040年,該地區水環境承載力將不能承載其社會經濟發展規模；但從綜合角度看,水環境有改善的趨勢。

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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)

金項目:國家自然科學基金(51579011)

沈珍瑤(1967—),男,教授,博士,主要從事流域非點源污染模擬與控制、流域水質模擬與水環境效應、流域水環境管理、環境影響評價等研究。E-mail:zyshen@tsinghua.org.cn