基于SD的区域水环境承载力分析与研究

郑志国 张新明 杨丰云 杨会清 张忠科 谭 璐（山东省泰安水文水资源勘测局 泰安 271001）

基于SD的区域水环境承载力分析与研究

郑志国 张新明 杨丰云 杨会清 张忠科 谭 璐（山东省泰安水文水资源勘测局 泰安 271001）

采用系统动力学方法，建立了泰安市人口、经济、水资源、水环境间的动态反馈与相互作用模型，模拟了泰安市未来20年水环境的演变趋势，并对各种策略下的水环境承载力进行仿真模拟，为地区水资源利用、水环境保护及经济发展提供科学依据。

水环境 水环境承载力 系统动力学

1 引言

良好的区域水环境是人类赖以生存的基础。但水体污染导致的水质恶化使区域水环境逐步失去生态功能，严重制约着地区生存和健康发展。水环境承载力已经成为一个地区可持续发展的重要研究课题。本文通过建立泰安市水环境演变的系统动力学模型，模拟了泰安市未来20年水环境的演变趋势，并对各种策略下的水环境承载力进行仿真模拟，为地区水资源利用、水环境保护及经济发展提供科学依据。

2 水环境承载力的研究方法

系统动力学（System Dynamics，简称SD）是由美国麻省理工学院教授福雷斯特于1956年创立的一门分析和模拟动态复杂系统的学科，对于认识和处理高阶次、非线性、多重反馈的时变系统是一种极为有效的认识工具和模拟方法。崔凤军运用SD模型分析了不同策略下的城市水环境承载力，惠泱河采用SD模型模拟了陕西关中地区在自然—人工二元模式下的水资源承载力。

水环境承载力是指在一定的时期和水域内，在一定生活水平和环境质量要求下，在水环境功能不朝恶性方向转变的条件下，水环境子系统所能容纳的各种污染物以及可支撑的人口与相应人类各种社会经济发展规模的阈值。水环境承载力与社会、经济、人口、资源、环境系统密不可分，这些系统之间联系的纽带就是人，人类通过消耗资源维持社会的正常运转，创造经济价值，排放废物于环境中，同时投资治理环境污染，维持环境功能。水环境与经济社会关系见图1。

水环境承载力系统由GDP子系统、人口子系统、水资源子系统、水环境子系统组成，系统流图见图2。

2.1 GDP子系统

GDP的增长需要增加对水资源的需求，加剧了水资源的紧张程度，增加废水的排放，造成水环境的污染，而同时GDP的增长促进了水资源的利用程度，提高了水资源的重复利用率，从而为GDP的增长提供了源泉和动力。

2.2 人口子系统

人口子系统对于水环境承载力的影响体现在人口的增长，生活用水的增加以及生活污水排放的增加。

2.3 水资源子系统

水资源子系统包括可供水资源量和需水量，前者包括地下水资源量、地表水资源量以及中水回用量，需水量包括GDP用水量、生活用水量。

2.4 水环境子系统

水环境子系统包括污水排放量、处理量、污染物负荷、河流水环境容量等，本研究以CODcr为控制指标计算水环境容量，在忽略河流降解能力的情况下，河流水环境容量=（入河污水量+天然径流量）×水质目标，其中依据泰安市大汶河流域水功能区规划，CODcr按地表水Ⅴ类水标准值40mg/l计算，CODcr污染负荷=污水量×污染物CODcr浓度，该系统主要研究在各种条件下污染负荷与水环境容量的关系。

表1 2005年泰安市统计数据

表2 变量变化趋势

图3 各策略下的水环境承载力指数

本研究采用Vensim软件进行系统动力学建模，Vensim仿真软件是美国Ventana公司推出的基于Windows操作平台软件，主要用于科学、环境和社会系统的建模，主要应用步骤为：①定义变量；②定义变量间的连接；③定义变量间的关系；④模型结构和模型行为检验；⑤运行模拟。

3 建立水环境承载力评价指标体系

3.1 指标确定

水环境承载力的量化离不开指标体系的确立，水环境承载力指标体系包括以下7项：

（1）供水紧张程度：可用水资源量与需水量的比值，该值越大，说明水环境承载力越大。

（2）河流水环境容/负比：等于水环境容量与COD污染负荷比值，该数值越大说明水环境承载力越大。

（3）人均GDP：反映经济发展趋势。

（4）单位水资源GDP：用每立方米水资源消耗量产出的GDP表示，反映了生产对水环境索取强度，等于万元GDP用水的倒数。

（5）单位污水排放量的GDP：每立方米污水排放产出的GDP，等于GDP万元污水排放量的倒数。

（6）生活污水回用量：该数值越大，对水环境承载力的贡献越明显。

（7）生产污水回用量：该数值越大，对水环境承载力的贡献越大。

3.2 水环境承载力的定量表述

4 应用实例——泰安市水环境承载力分析与研究

4.1 泰安市水环境分析

泰安市多年平均天然水资源总量为19.22亿m3，其中地表水径流量13.48亿m3。多年平均水资源可利用总量为17亿m3，其中地表水可利用量为6.3亿m3，地下水可开采量为10.7亿m3。丰水年为25.38亿m3，平水年为17.9亿m3，枯水年为13.3亿m3。由于经济快速发展，用水量急剧增加，部分集中开采区已形成地下水降落漏斗区。除了资源性缺水，全市地表水、地下水都受到不同程度的污染，无法起到生态环境调控功能，由污染造成的工农业用水与生活用水供需矛盾日益突出。

4.2 模型建立

4.2 .1 确定模型初始状态

在建立水环境承载力模型基础上，以2005年泰安市的统计数据为模型的初始状态，模拟在不同策略下各指标2005～2025年的动态变化趋势，各项数据主要参考《泰安市2005年统计年鉴》、《泰安市2005年水资源公报》、《泰安市水资源调查与评价》等。各项数据见表1。4.2.2主要方程构建

该模型包括变量和常量共63个，主要方程包括：

（1）工业总产值=INTEG（+工业产值年增长量，工业产值现值） 单位：万元

（2）三产产值=INTEG（+三产产值年增长量，三产现值）单位：万元

（3）人口=INTEG（+人口年增长量，人口现值）单位：万人

（4）可供水资源量=可用地表水量+可用地下水量+生活污水回用量+生产污水回用量+外流域调水量 单位：m3

（5）需水量=工业用水量+三产用水量+农业用水量+生活用水量 单位：m3

4.2 .3 模型验证

将2000年～2004年作为历史回顾性检验时间，把历史参数输入模型进行仿真计算，然后与历史实际发生的行为数据进行对比，结果表明，模型行为与实际具有一致性。

4.2 .4 策略设计与仿真模拟

控制反馈回路中的决策变量，分别模拟现状条件下、节水条件下、提高污水处理条件下、提高中水回用条件下和综合策略下系统的发展变化过程。

（1）现状条件下污水处理及中水回用均维持现状，随着经济发展，人口增长，到2025年对水资源的需求增加，缺水状况越来越严重，水环境质量变差。

（2）节约用水。在模型中，根据泰安市的节水潜力，逐步采取节水措施，以表函数的形式逐步减少生活、生产和农业灌溉用水，用水变化见表2。

（3）污水处理。提高污水处理率，以表函数形式在模型中逐步提高生活和生产污水的处理率，增加环境水资源量，污水处理率变化见表2。

（4）中水回用。中水主要是指生活及生产污水在经过处理后达到一定水质标准，可在一定范围内重复使用的非饮用杂用水，该措施在改善水质的同时，使中水成为重要的水资源来源，提高了水资源的有效使用，回用率变化见表2。

（5）综合策略，综合以上 2、3、4各策略。

4.3 仿真结果与方案对比

通过计算得出各种策略下的水环境承载力指数见图3，通过分析可以看出，节水、提高污水处理率和现状策略下的水环境承载力呈下降趋势，对于水环境承载力的提高作用不明显，不能满足经济社会对水环境的要求。综合策略下的水环境承载力指数最大，其次是提高中水回用率，通过实现污水资源化，可以有效增大区域水环境承载力。

5 结论

从不同策略下泰安市水环境承载力的仿真结果看，如维持现状，泰安市的水环境将持续恶化，只有采取综合措施，通过节水、提高污水处理率和回用率等措施才能有效缓解泰安市水环境问题，实现水环境与经济社会的快速可持续发展