湖泊水資源量質耦合態下宏觀用水優化
——以太湖流域為例

劉　鋼,陳　蘭,王　圣

(1.河海大學管理科學研究所,江蘇 南京　211100; 2.江蘇沿海開發與保護協同創新中心,江蘇 南京　210098；3.國電環境保護研究院,江蘇 南京　210031)

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湖泊水資源量質耦合態下宏觀用水優化
——以太湖流域為例

劉鋼1,2,陳蘭1,王圣3

(1.河海大學管理科學研究所,江蘇 南京211100; 2.江蘇沿海開發與保護協同創新中心,江蘇 南京210098；3.國電環境保護研究院,江蘇 南京210031)

摘要：針對湖泊水資源配置管理中量質耦合現象,從水資源量質耦合狀態分析入手,引入聯合分布概率理論,構建基于水質與水量的Copula函數模型,揭示流域水資源“量”與“質”的內在耦合態,并在此基礎上,基于IPCC提出未來情境仿真框架,以決策樹理論從宏觀角度開展太湖流域用水結構優化策略研究,提出逐步關停淘汰企業,建立循環經濟實現產業升級的工業用水優化策略;通過采取新型種養殖模式提高農產品價格推動科學生產的方法來實現有機農業的農業用水策略;從低碳生活入手,做到一水多用,逐步改變生活方式的生活用水策略。

關鍵詞：水量水質耦合;Copula函數;決策樹;宏觀用水策略

隨著世界人口的增長和經濟的迅速發展,水資源供需矛盾將進一步激化,水資源危機不斷加劇。地球表面70%以上被水覆蓋,而淡水資源占比為2.52%,其中,易于開發利用的水體僅占淡水總儲量的0.34%,不到全球總儲量的萬分之一。世界上約有80多個國家40%的人口面臨缺水問題。水資源總量匱乏已經成為制約人類生存發展的核心瓶頸。

中國是世界上嚴重缺水的國家之一,總缺水量約530億m3/a, 人均水資源量呈下降趨勢。同時,水資源的時空分布不均,總體呈“南多北少”分布,約有80%分布在長江流域及其以南地區;由于季風氣候的強烈影響,我國降水和徑流的年內分配很不均勻,夏秋多,冬春少，且年際變化大,少水年和多水年持續出現,旱澇災害頻繁;另一方面,在人類生產生活過程中,用水效率低下、水污染事件頻發進一步加劇了水資源稀缺狀況[1]。太湖流域是長江三角洲的核心區域,其中江蘇省占流域的53%,但是江蘇省水生態問題不容樂觀,存在嚴重的水質型與水量型缺水。江蘇省年平均本地水資源量320億m3,人均432 m3,僅為世界人均占有量(12 900 m3)的3.35%,全省近三分之二的水體劣于Ⅲ類水;重點水功能區水質達標率僅為50%左右,同時南水北調工程也對江蘇省的水生態系統環境影響巨大。

所以,進行水量水質聯合調度,合理利用水資源,緩解地區供水矛盾,提高水資源和水環境的承載能力,改善生態環境,維持社會、經濟、生態的可持續發展,已是一個刻不容緩的問題[2]。近年來,雖然國內外的學者對此作了大量的研究,但大多數是將水資源的“質”屬性和“量”屬性隔離開進行分析,罕見基于耦合狀態的實例[3]。筆者從太湖流域水資源量質耦合態分析入手,提出將水質與水量同時考慮的聯合分布概率的概念,引入Copula理論,構建了水質水量的聯合分布函數,揭示流域水資源的“量”與“質”的內在耦合態,并在此基礎上,以水質水量的聯合分布概率函數為核心要素,基于《IPCC排放情境特別報告(SRES)》(以下簡稱IPCC)情境框架,通過決策樹模型對宏觀狀態的工業、農業、生活用水策略結構進行分析,構建基于水量水質耦合態的宏觀用水優化策略。

1　太湖流域水資源量質耦合態分析

1.1湖泊水資源量質循環結構分析

流域水資源管理是對流域水資源供給與需求關系的協調過程, 是以追求可利用水資源的最大效益, 實現流域人水和諧、經濟系統和生態環境系統和諧發展為最終目標的水資源統一調控和協調管理[4]。實際上,流域水資源的管理及分配是一個復雜的問題,不僅涉及生態環境的保護與利用,更涉及社會、經濟、政治等諸多方面的穩定。只有重視水循環過程中的每一個環節, 充分考慮水循環的每一個過程:大氣過程、地表過程、土壤過程等的消耗轉化,通過探究水量與水質的互動關系,明確水資源量質耦合機理,才可提升流域水資源管理可行性。筆者以太湖流域為例,研究水資源量質循環結構,如圖1所示。

圖1　太湖流域水資源量質循環結構

圖1所示,湖泊水量主要來源于大氣降水以及上游水體,在自身內部循環后,用于農業、工業、生活、生態等以及必要的蒸發和滲透。蒸發的同時也將水中的污染物蒸發到空氣中;水滲透進入土壤,一部分用于土壤的調蓄,另一部分進入地下水循環中。在整個水量循環過程中,每一個環節都會伴隨著污染物的產生,集中體現在:①在大氣降水過程中不可避免地會將空氣中的污染物質隨著雨水帶到湖泊中,如酸雨等雨水污染源。②水流會將湖泊上游的污染物質帶到湖泊中,且上游水質很難預測及控制,如上游來水污染源。③在湖泊內循環過程中,隨著魚蝦等生物的生存,呼吸、排泄、死亡等生存過程中產生廢棄物,雖然湖泊本身也具有分解某些污染物質的能力,但其內源污染也是湖泊重要的污染來源。④水源用于居民的日常生活中時,居民排水主要是廚衛污水,以COD、氨氮、總磷含量高為特點,經城市污水處理廠處理達標后排放,然而城市污染一級A排放標準中大部分污染物質量仍高于地表水質量標準中的Ⅴ類水體要求,即對湖泊而言,生活污水處理后排放仍是污水。⑤農業用水一般較少進行污水綜合處理,通過河渠網絡直接排入河湖,污水中主要含有牲畜糞便、化肥、農藥等污染物質,污染物中COD、氨氮、總磷含量較高。⑥工業生產排放的污水經統一處理達到國家排放標準后外排。然而,伴隨著成本考核、監管漏洞、政府縱容等問題,工業企業始終存在著偷排漏排行為,尾水未達標甚至未處理直接排放,污染嚴重。⑦生態用水主要供自然生態系統生存發展使用,是生態環境可持續發展的保障資源,一般忽略其污染物產生情況。

綜上所述,湖泊水資源量質循環過程中不僅包括湖泊調蓄,而且包括地下水調蓄、土壤調蓄等,在水量循環過程中始終伴隨水質變化。水量水質產生變化的原因與人類生產生活的方式密切相關,可以歸為直接原因和間接原因:直接原因有工業面源污水、農業點源污水、生活尾水的排放,湖泊水使用后將產生的污水排入湖泊中,不僅使水量減少,而且使水質明顯下降;間接原因包括上游污染物質、雨水污染以及湖泊本身內部循環產生的污染,上游污染水以及雨水流入湖泊在水量增大的同時也降低了水質,而污染水以及酸雨等雨水的形成很大一部分與人類的行為有關,湖泊水污染程度越嚴重,人類為凈化水所做的工作越多,可用水量越少,影響著人們的生產生活方式。所以,湖泊水污染的產生受到人類生產生活方式的影響,同時,水質水量的關系也影響著人類的生產生活方式。因此,針對湖泊水資源量質循環過程中的耦合關系,有必要從聯合分布的視角考慮水量與水質互動關系的耦合狀態,從而實現統一管理。

1.2模型構建

針對上述問題,從聯合分布的視角考慮水量與水質互動關系的耦合狀態問題,近年來,國內外學者取得了較為廣泛的研究成果,其中,關于Copula函數研究進展顯著[5-8],其在水文多變量分析計算中具有良好的應用前景。因此,筆者將Copula函數應用于太湖流域水資源量質耦合分析過程,通過構建水質水量的聯合分布概率函數,明確太湖流域人水互動關系以及水資源量質耦合結構之后,建立相關耦合模型，為太湖流域水質管理、水量配置問題提供可靠的依據。

1.2.1構建湖泊水資源量質耦合態Copula經驗公式

Copula函數是定義域在[0,1]均勻分布的水質與水量的聯合分布函數,將水質x、水量y的邊際分布連接起來構造聯合分布:

(1)

式中:C()為Copula函數;F1,F2為水質與水量的邊際分布;r為Copula參數。

由Sklar定理[9]可知,令H(*,*)為具有邊緣分布F(*)和G(*)的聯合分布函數,即有Copula函數C(*,*),滿足以下等式:

(2)

其中,若F(*),G(*)連續,則C(*,*)唯一且確定;反之,若F(*),G(*)為一元分布函數,則C(*,*)為相應的Copula函數,那么式(2)中H(*,*)是具有F(*),G(*)邊緣分布的聯合分布函數。

由以上Copula定義可以采用以下公式計算邊緣分布的經驗頻率。

(3)

式中:P為X≤xm的經驗頻率;m為xm的序號;N為樣本容量。

1.2.2湖泊水資源量質耦合態Copula聯合分布函數構建

在水資源計算中,采用最多的是阿基米德Copula函數,根據不同的Copula函數對相關性的適應范圍[8],筆者選擇通用性較好的Clayton函數來構造聯合分布函數。

(4)

式中:xi為水質參數；yi是水量參數；θ為表征水質與水量2個變量之間關系的耦合態系數；i為湖泊水循環中每類污染產生過程對應的第i種情境。

2　實例分析

太湖流域地跨蘇、浙、皖、滬三省一市,總面積36 895 km2。歷來是我國人口密度最大、工農業生產發達、國民經濟產值和人均收入增長幅度最快的地區。據2013年統計資料,太湖流域總人口占全國總人口的4.4%,GDP占全國GDP的 10.2%,人均GDP是全國人均GDP的2.3倍，其中江蘇省太湖流域人口占全省總人口的22.6%,太湖流域在江蘇省發展大局中的地位舉足輕重。

自20世紀90年代以來,江蘇省經濟化社會發展迅速,污染物排放量不斷增加,水環境持續惡化,導致江蘇省出現水質型缺水與水量型缺水并存的水生態危機。

2.1數據來源

選擇太湖流域2012年6月到2015年5月共計35個月的水量和水質(采用氨氮指標)數據,數據來源于《太湖流域省界水體水資源質量狀況通報》與《水情月報》。

2.2分析與討論

2.2.1參數估計

太湖流域的水量和水質(采用氨氮指標)月總量分布以及概率密度情況,如圖2、圖3所示。

圖2　太湖流域月水量直方分布及其概率密度

圖3　太湖流域月氨氮總量直方分布及其概率密度

如圖2、3所示,各邊緣分布的擬合曲線能夠反映出邊緣分布的頻率直方圖,因此,可以用此分布以及參數來表示水量與水質的邊緣分布,其參數選擇是合理的。

2.2.2擬合優度檢驗

目前,在水文分析計算中,一般假設水文變量服從皮爾遜Ⅲ型分布。把水質和水量分別用x和y來描述,在實測數據中,把(x1,x2，…，xn)和(y1,y2，…，yn)按照系列x的升序排列,挑選排好次序數據中的xi≤xj,yi≤yj(i

(5)

對于兩變量單參數阿基米德Copula函數的參數估計,常采用Genest等提出的非參數估計方法[11],結合式(4),將太湖的水量和氨氮指數的經驗頻率和理論聯合分布頻率值繪于圖4中。

圖4　水量與水質聯合觀測點的理論分布和經驗分布的比較

如圖4所示,F(x,y)為理論聯合分布,Femp(x,y)為經驗聯合分布函數。對其進行擬合優度檢驗,得到R2=0.989 7, 證明筆者所選取的Copula函數是合理的,可用來分析湖泊水資源量質耦合態問題。

2.3湖泊水資源量質耦合態情境仿真分析

考慮到人類經濟社會發展變化情況,引入IPCC中的未來發展情境框架,通過對比分析可知,更為符合現狀人類生存環境的社會狀況是情境族B2。B2情景族描述了這樣一個世界:強調經濟、社會和環境可持續發展的局地解決方案。在這個世界中,全球人口數量持續增加,但增長率減緩,經濟發展處于中等水平,技術變化速度較快且更加多樣化,同時也致力于環境保護和社會公平。總體來看,在B2情境下,排放量減少，環境更穩定,能源更清潔,水環境承載能力以及水環境容量都有顯著提升,即水質逐步好轉，水量增長放緩。

因此,按照B2情境設計,分別對式(4)中的水量y,水質x進行偏導分析,以分析該情境下水質水量耦合關系的變化。

(6)

(7)

如式(6)、式(7)所示,按照B2情境設計,太湖流域水質水量的耦合態系數θ=0.57,通過分析可知:①當水質x不變,水量y增大時,y-θ減小,(x-θ+y-θ-1)減小,函數值增大;同理,水量y不變,水質x增大時,函數值增大。這說明水質與水量對聯合分布函數造成同向變化,選擇的函數符合預期假設。②當式(6)或式(7)等于0時,x=0(y=0)或者x-θ+y-θ=1,因為水質或水量不可能等于0,當且僅當水質與水量滿足x-θ+y-θ=1時,此時水質與水量耦合態達到最佳效果。可以發現,面對B2情境下的經濟社會發展,當降低水質污染水平時,變相提高了可用水量,因此,節能減排政策仍然具有顯著的效力。

在此基礎上,基于太湖流域水質與水量耦合態,以IPCC設定的B2情境為框架,分別對太湖流域工業、農業以及生活中的產污行為進行決策樹評估,選擇水量與水質耦合態下的水資源管理策略的優化對策。

3　湖泊水資源量質耦合態的宏觀用水策略優化

就我國現行水資源量質標準而言,城市污染一級A排放標準中大部分污染物質量仍高于地表水質量標準中的Ⅴ類水體要求,如我國地表水排放標準為GB18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》,該標準適用于中華人民共和國領域內江河、湖泊等具有使用功能的地表水水域,以氨氮指標而言,GB18918—2002給出的一級A標準為5(8) mg/L,然而GB3838—2002《地表水環境質量標準》中Ⅴ類水體氨氮指標為2.0 mg/L,而Ⅴ類水體主要適用于農業用水區及一般景觀要求水域,已不適用于人類生產生活。

因此,污水達標排放也已成為不可用水資源。有必要系統思辨人類生產生活與水資源量質耦合關系,從宏觀層面辨析更適于生態文明建設理念的人水關系,從而從根源上提高水資源管理水平,促進人類社會的可持續發展。筆者將通過決策樹分析模型,系統分析工業、農業、生活三方面用水結構,基于湖泊水資源量質耦合態,從宏觀角度提出具有可操作性的工業、農業、生活用水優化策略。筆者主要采用決策樹的方法對每個領域的解決方法進行評估,采用數值仿真的方法計算每一個情況出現的可能性以及帶來的效益值。

3.1工業用水策略優化數值仿真

人類生產活動造成的水體污染中,工業引起的水體污染最嚴重,如工業廢水,它含污染物多,成分復雜,不僅在水中不易凈化,而且處理也比較困難。根據工業污染以及國家經濟發展現狀,從生態環境以及環保意識2個方面提出解決方法,采用數值仿真方法計算得出每一種方法對應的效益值以及出現的可能性,如表1所示,并進行決策樹評估,如圖5所示。

表1　工業用水決策樹數值仿真

圖5　工業用水策略決策樹優化模型

如圖5所示,根據最新出臺的《水污染防治行動計劃》(以下簡稱“水十條”)規定,以取締“十小”企業,整治“十大”行業為綱領,以保障經濟發展,改善城市環境為原則,采取突出重點,分步實施,依次推進,限期淘汰,逾期關閉的方式,首先從污染最嚴重的企業、最落后的工藝開始,每年淘汰關閉一批,實施環境污染末位淘汰,以此關停淘汰企業,擴大非污染企業,改變城鎮企業結構,改善環境,進一步建立循環經濟,實現產業升級。關停部分淘汰企業以及污染嚴重的企業,不僅節約了水量,而且污染物質減少,提高了水質,通過式(5)與式(6)的分析可知,水質提高,水量增大的情況下,水質與水量的耦合關系更符合IPCC中的未來發展情境B2,且相對于其他措施,更具可行性。因此,通過分析工業用水策略決策樹的優化模型可以發現:在工業用水過程中,逐步關停淘汰企業,建立循環經濟，實現產業升級是一項明智之舉。

3.2農業用水策略優化數值仿真

在農業生產過程中,逐漸增加的化肥使用量以及養殖業產生的糞便不僅使營養流失,而且導致水體N、P等物質的不均衡,出現富營養化等現象,污染水源。農業污染是重要的污染源之一,如何使農業生產過程中產生的污染物達到最少,對水體的污染程度減小,是刻不容緩的問題。筆者從有機農業、環保觀念以及生態治理3個方面進行決策樹優化策略的選擇,采用數值仿真方法計算得出每一種方法對應的效益值以及出現的可能性,如表2所示,并進行決策樹評估,如圖6所示。

如圖6所示,根據周澤江[12]提出的健康原則、生態原則、公平原則和關愛原則四大原則,從控制農

表2　農業用水決策樹數值仿真

業污染源出發,合理灌溉,科學使用農藥，減少農藥殘留物流向湖泊,平衡使用農家肥與化肥,控制減少含有氮磷化肥的總量,并且通過檢測土壤各元素濃度鑒別農產品是否合格,提高合格農產品的價格，推動科學的生產過程。更重要的是采取新型種養殖模式(種植—養豬—沼氣),用種植業帶動養殖業,養殖業推動沼氣工程的進行,打破傳統的農業模式,使物質得到重復利用,減少污染,實現物質與能量的轉化,全面減少污染物。眾所周知,今天的生態農業,不是光講安全農業,十八大提出了生態文明,并寫進黨章,所以有機農業是一個必然的趨勢,而且在節約水量的同時提高了水質。通過分析農業用水策略決策樹的優化模型可以發現:采取新型種養殖模式、提高農產品價格推動科學生產的方法來實現有機農業,更符合水質與水量耦合關系的要求,同時也很好地適應了現代社會的需求。

3.3生活用水策略優化數值仿真

圖6　農業用水策略決策樹優化模型

生活用水對水體的污染是由城市生活污水、垃圾和廢氣造成的,集中的城市人口加劇了城市的污染,同時造成了污染物處理的不便。城市污染源對水體的污染主要是生活污水,它是人們日常生活中產生的各種污水的混合液,其中包括廚房、洗滌房、浴室和廁所排出的污水。筆者從人類自身生活方式的轉變以及環保意識出發,采用數值仿真方法計算得出每一種方法對應的效益值以及出現的可能性,如表3所示,并進行決策樹評估,如圖7所示。

表3　生活用水決策樹數值仿真

圖7　生活用水策略決策樹優化模型

如圖7所示,相對于完全依靠人們的環保觀念以及政府罰款,做到低碳生活顯得更為高效,日常生活中要強調節水減污,把再生水以及水的重復利用提高到較高位置,引導居民節約利用水資源,做到低碳生活,一水多用,節約用水,加強垃圾回收,對于污水排放前進行一定程度的過濾、吸附等簡單操作,減少油性物質等的排放。通過分析生活用水策略決策樹的優化模型可以發現:低碳生活的方式不僅可操作性強,有利于培養環保意識，更重要的是可以做到持續的節約水資源,減小污水處理的壓力,做到了水量增加,水質提高,所以低碳生活的生活方式更符合水質與水量的耦合態以及人類生存發展的要求。

4　結　語

隨著經濟發展和人口增加, 水污染引發了一系列生態環境問題,但在經濟社會進程中,水資源發揮著不可忽視的作用,涉及經濟、社會和環境等眾多問題。筆者圍繞湖泊水環境容量小、水資源承載能力差的問題,以太湖流域為例,敘述了湖泊水循環過程中水質與水量的耦合態問題,引入聯合分布概率理論,建立了水質與水量雙維度的Copula函數,通過算例分析表明,筆者構建的模型具有實用性和高效性。最后在IPCC情境B2的框架下,運用決策樹分析方法分別對工業、農業、生活用水等行為提出水資源管理策略優化方案。

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基金項目：國家社會科學基金青年項目(14CGL030);教育部高等學校博士學科點專項科研基金(新教師類)(20130094120022);河海大學中央高校基本科研業務費項目(2013B04714)

作者簡介：劉鋼(1981—),男,山西太原人,講師,博士，主要從事生態經濟學研究。E-mail: lglhm@msn.com

DOI：10.3880/j.issn.1003-9511.2016.04.013

中圖分類號：TV213.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-9511(2016)04-0051-06

(收稿日期：2015-11-15編輯：方宇彤)