考慮負(fù)荷均衡的水資源承載能力研究
——以灤河流域?yàn)槔?/h1>
2019-11-14 07:09:58董增川王雪薇馮勝男
中國(guó)農(nóng)村水利水電 2019年10期
楊 光，董增川，王雪薇，馮勝男，李 冰
(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2.浙江省水利河口研究院，杭州 310020 3.江蘇省水文水資源勘測(cè)局，南京 210029)
0 引 言
經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展提升了人類的生活水平，但掠奪式的開發(fā)、利用對(duì)資源環(huán)境造成巨大的負(fù)面影響。為分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，學(xué)者們提出了資源環(huán)境承載力這一度量指標(biāo)[1]。承載力最初應(yīng)用于工程地質(zhì)學(xué)，指地基能夠承受的最大荷載。1921年承載力被引入生態(tài)學(xué)，形成了生態(tài)承載力的概念，首次探討了特定生物種群的數(shù)量與周邊生態(tài)環(huán)境的關(guān)系。1990年前后，我國(guó)學(xué)者為緩解西北地區(qū)水資源供需矛盾，研究水資源配置問題，首次對(duì)水資源承載力進(jìn)行了定義[2,3]。
水資源承載力的研究歷經(jīng)了概念提出(1990年前后)、理論討論(1990-2000年)、方法應(yīng)用(2000年至今)3個(gè)主要的階段。迄今為止，已有眾多數(shù)學(xué)方法應(yīng)用到研究中，可以歸并為2類：一是指標(biāo)評(píng)價(jià)法，該類方法是選取影響水資源承載力的表征指標(biāo)，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并結(jié)合模糊數(shù)學(xué)、支持向量機(jī)、主成分分析等數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算分析，存在所選指標(biāo)難以統(tǒng)一、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不夠客觀等不足[4,5]。二是系統(tǒng)分析法，該類方法多采用系統(tǒng)分析的思想，將流域“水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)作為研究對(duì)象，通過構(gòu)建多目標(biāo)規(guī)劃、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析等量化水資源承載力，該類方法能夠剖析水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的內(nèi)在聯(lián)系，但計(jì)算過程相較于指標(biāo)評(píng)價(jià)法更為復(fù)雜[6,7]。此外，通過這2類方法得到水資源承載力量化結(jié)果具有不同內(nèi)涵，前者得到的是無量綱的表征性指標(biāo)，更多的是反映水資源承載的狀態(tài)；后者得到的是有量綱的數(shù)值，比如人口或者GDP規(guī)模，能夠體現(xiàn)出流域水資源承載的能力，具有極限的內(nèi)涵。
本文對(duì)負(fù)荷均衡與水資源承載能力的關(guān)系進(jìn)行了探討，構(gòu)建考慮負(fù)荷均衡的水資源承載能力多目標(biāo)量化模型，并選取灤河流域作為研究區(qū)，分別計(jì)算灤河流域2015、2020、2030年不同頻率的水資源承載能力。
1 水資源承載能力與負(fù)荷均衡的關(guān)系分析
負(fù)荷是指機(jī)器所克服的阻力，又指物體所承載的重量。均衡的概念現(xiàn)多應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)學(xué)中，指經(jīng)濟(jì)變量在外界經(jīng)濟(jì)力量的相互制約下達(dá)到的相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)， 類似于物體受到各種外力作用下保持相對(duì)靜止或者勻速運(yùn)動(dòng)的平衡狀態(tài)[8]?？梢钥闯觯?fù)荷、均衡2個(gè)概念有一定的聯(lián)系。當(dāng)施加負(fù)荷超過所能承載的極限時(shí)，承載主體將會(huì)陷入超載狀態(tài)，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的破壞后果；均衡強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定，目標(biāo)是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)發(fā)展。當(dāng)承載客體對(duì)承載主體的負(fù)荷達(dá)到均衡時(shí)，即以系統(tǒng)的協(xié)調(diào)穩(wěn)態(tài)發(fā)展為目標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體效益的最優(yōu)。
在水資源領(lǐng)域，負(fù)荷是指承載客體也就是社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境造成的壓力。在維持社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的前提下，承載主體也就是水資源系統(tǒng)承受的最大負(fù)荷即為水資源承載能力，當(dāng)水資源實(shí)際負(fù)荷超過水資源承載能力時(shí)，水資源系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入超負(fù)荷狀態(tài)?！八Y源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)之間是彼此影響相互反饋的：水資源系統(tǒng)提供社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的水量需求，社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)以人工方式改變水循環(huán)過程；生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)為社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)提供了賴以生存的空間；與此同時(shí)，水資源系統(tǒng)又控制著生態(tài)環(huán)境的變化[9]。在水資源開發(fā)利用過程中，社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的水量分配存在直接矛盾，故協(xié)調(diào)2個(gè)系統(tǒng)之間的發(fā)展關(guān)系，量化均衡狀態(tài)下的承載能力十分必要。水資源領(lǐng)域負(fù)荷均衡就是要求水資源系統(tǒng)所承載的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體效益的最大化。負(fù)荷均衡的約束可以避免經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境此消彼長(zhǎng)的矛盾關(guān)系，即保護(hù)環(huán)境則必須以犧牲經(jīng)濟(jì)發(fā)展為代價(jià)，一味發(fā)展經(jīng)濟(jì)必將承受環(huán)境遭受破壞的后果，而是通過負(fù)荷均衡追求社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境相互協(xié)作、配合得當(dāng)、互為促進(jìn)的良性發(fā)展、和諧共存關(guān)系，達(dá)到一種人口增長(zhǎng)適度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展穩(wěn)定、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理、資源高效利用、環(huán)境狀態(tài)優(yōu)良的穩(wěn)定狀態(tài)。
2 考慮負(fù)荷均衡的水資源承載能力量化模型構(gòu)建
2.1 模型框架
模型主要從耗水、排污2個(gè)方面考慮，將水資源可利用量與社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗水、納污控制與社會(huì)經(jīng)濟(jì)排污掛鉤，見圖1。①耗水。主要的耗水部門有生活、生產(chǎn)、生態(tài)。其中生活分為農(nóng)村與城鎮(zhèn)；生產(chǎn)分為一產(chǎn)、二產(chǎn)、三產(chǎn)，一產(chǎn)可以細(xì)分為種植業(yè)、漁業(yè)、畜牧業(yè)；生態(tài)則是城鎮(zhèn)環(huán)境、農(nóng)村生態(tài)耗水。②排污。排污主要分點(diǎn)源、面源考慮。其中，點(diǎn)源污染為城鎮(zhèn)生活、二產(chǎn)、三產(chǎn)排污，面源污染為農(nóng)村生活、種植業(yè)、漁業(yè)、畜牧業(yè)排污，各用水部門的排污量由相應(yīng)的耗水量乘以相應(yīng)的排污系數(shù)、入河濃度等參數(shù)計(jì)算可得。此外，由總?cè)丝凇⒖偖a(chǎn)值、總排污量表征的社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)通過負(fù)荷均衡約束建立聯(lián)系。
2.2 模型數(shù)學(xué)表達(dá)與求解
2.2.1 模型目標(biāo)
社會(huì)目標(biāo)：
(1)
式中：XPOPk為第k個(gè)計(jì)算單元的人口數(shù)。
經(jīng)濟(jì)目標(biāo)：
(2)
式中：XGDPk為第k個(gè)計(jì)算單元的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值。
環(huán)境目標(biāo)：
(3)
式中：XCODk為第k個(gè)計(jì)算單元的COD排放量。
2.2.2 決策變量
模型涉及人口、宏觀經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、耗水量相關(guān)的4類變量。其中農(nóng)村生活耗水量、城鎮(zhèn)生活耗水量、種植業(yè)耗水量、漁業(yè)耗水量、畜牧業(yè)耗水量、二產(chǎn)耗水量、三產(chǎn)耗水量為模型的決策變量，其他變量均可通過決策變量表示。
2.2.3 約束條件
模型約束條件包括水量、水環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、負(fù)荷均衡4個(gè)方面，具體數(shù)學(xué)表達(dá)如下。
(1)水資源量約束。
①各個(gè)計(jì)算單元各用水戶的耗水量加起來不大于灤河流域的水資源可利用量：
TZHS≤TKLY
(4)
TKLY=TDBS+TDXS-ΔRE
(5)
(6)
式中：TKLY為水資源可利用總量；TZHS為總耗水量；TDBS為地表水
圖1 水資源承載能力量化模型框架Fig.1 Quantitative model framework of water resources carrying capacity
資源可利用量；TDXS為地下水資源可利用量；ΔRE為地表水資源與地下水資源重復(fù)量；XNCSHk為第k個(gè)計(jì)算單元的農(nóng)村生活耗水量；XCZSHk為第k個(gè)計(jì)算單元的城鎮(zhèn)生活耗水量；XYCk為第k個(gè)計(jì)算單元一產(chǎn)耗水量；XECk為第k個(gè)計(jì)算單元二產(chǎn)耗水量；XSCk為第k個(gè)計(jì)算單元三產(chǎn)耗水量；XSTk為第k個(gè)計(jì)算單元的河道外生態(tài)耗水量。
XYCk=XZZYk+XYYk+XXMYk
式中：XZZYk為第k個(gè)計(jì)算單元種植業(yè)耗水量；XYYk為第k個(gè)計(jì)算單元漁業(yè)耗水量；XXMYk為第k個(gè)計(jì)算單元畜牧業(yè)耗水量。
②各計(jì)算單元內(nèi)部耗水量不超過該單元水資源可利用量：
TZHSK≤TKLYK
(7)
(2)社會(huì)經(jīng)濟(jì)約束。
①產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)約束：
(8)
(9)
②人均GDP約束：
(10)
式中：XPOPk為第k個(gè)計(jì)算單元的總?cè)丝跀?shù)；AperGDP為人均GDP的下限值。
XPOPk=XNCPOPk+XCZPOPk=
XNCSHk/(365ANCPOPk)+XCZSHk/(365ACZPOPk)
(11)
式中：XNCPOPk為第k個(gè)計(jì)算單元農(nóng)村人口數(shù)；ANCPOPk為第k個(gè)計(jì)算單元農(nóng)村人均日生活耗水量；ACZPOPk為第k個(gè)計(jì)算單元城鎮(zhèn)人均日生活耗水量。
(3)水環(huán)境約束。所有污染源排放的COD總量要小于COD限排總量：
X點(diǎn)源k+X面源k≤ReCODk
(12)
式中：X點(diǎn)源k為第k個(gè)計(jì)算單元點(diǎn)源排放量；X面源k為第k個(gè)計(jì)算單元面源污染排放量；ReCODk為第k個(gè)計(jì)算單元限排總量。
(13)
式中：αCZSHk為第k個(gè)計(jì)算單元城鎮(zhèn)生活耗水率；αSCk為第k個(gè)計(jì)算單元第三產(chǎn)業(yè)耗水率；αECk為第k個(gè)計(jì)算單元第二產(chǎn)業(yè)耗水率；ACLXS為污水處理系數(shù)；ASHCOD為城鎮(zhèn)生活用水經(jīng)污水處理后的COD濃度；AGYCOD為第二產(chǎn)業(yè)用水經(jīng)污水處理后的COD濃度。
x面源k=XZZYk/AZZYkAZZYCODAZZYin+
XYYk/AYYkAYYCODAYYin+XXMYk/AXMYkAXMYCODAXMYin+
XNCSHk/(365ANCPOPk)ANCCODANCSHin
(14)
式中：AZZYk、AYYk、AXMYk為第k個(gè)計(jì)算單元種植業(yè)每公頃平均耗水量、漁業(yè)每公頃平均耗水量、單位牲畜耗水量；AZZYCOD、AYYCOD、AXMYCOD、ANCCOD分別為種植業(yè)、漁業(yè)、畜牧業(yè)、農(nóng)村生活COD產(chǎn)生系數(shù)；ZZZYin、AYYin、AXMYin、ANCSHin分別為種植業(yè)、漁業(yè)、畜牧業(yè)、農(nóng)村生活COD的入河系數(shù)。
(4)負(fù)荷均衡約束。選取人均GDP作為灤河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取萬元GDP的COD排放量作為灤河流域生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)，滿足負(fù)荷均衡約束即要求社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展度符合要求，以保證系統(tǒng)整體的穩(wěn)定發(fā)展。負(fù)荷均衡約束數(shù)學(xué)表達(dá)式[10,11]如下：
(15)
式中：C為協(xié)調(diào)度；I1為人均GDP，正向指標(biāo)；I2為萬元GDP的COD排放量，負(fù)向指標(biāo)。
2.2.4 模型求解
將模型轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題后，采用GA算法求解[12]。
3 實(shí)例應(yīng)用
3.1 灤河流域概況與資料來源
灤河隸屬海河水系，流經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)、河北省、遼寧省等行政區(qū)。流域呈現(xiàn)出西北高東南低的走勢(shì)。流域年均氣溫1～9 ℃，年均降水量400～800 mm。2015年灤河流域總供水量34.07 億m3，其中地表水供水量13.68 億m3，地下水供水量19.90 億m3，非常規(guī)水源供水量0.49 億m3。
研究所需水文數(shù)據(jù)通過海河流域水文年鑒獲取，水利數(shù)據(jù)來源于海河流域、河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省等地區(qū)的水資源公報(bào)、水利相關(guān)規(guī)劃，社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)由相關(guān)地市統(tǒng)計(jì)年鑒獲取。
3.2 計(jì)算結(jié)果
(1)計(jì)算單元?jiǎng)澐?。本研究將灤河流域劃分?個(gè)計(jì)算單元，分別是錫盟張家口灤河流域片(以下簡(jiǎn)稱“錫盟張家口”)、遼寧省灤河流域片(以下簡(jiǎn)稱“遼寧省”)、承德市灤河流域片(以下簡(jiǎn)稱“承德市”)、唐山市灤河流域片(以下簡(jiǎn)稱“唐山市”)、秦皇島市灤河流域片(以下簡(jiǎn)稱“秦皇島市”)。
灤河流域水資源系統(tǒng)概化圖見圖2。其中，天津市為虛擬計(jì)算單元，僅表示通過引灤入津工程天津市從灤河流域取走部分水量，并不包含在本研究的具體計(jì)算中。
圖2 灤河流域水資源系統(tǒng)概化圖Fig.2 Systematic generalization diagram of Luanhe Basin
(2)計(jì)算結(jié)果。計(jì)算年份為2015、2020、2030年，計(jì)算頻率包括平水年(50%)、枯水年(75%)2種年型，計(jì)算結(jié)果見表1。
表1 灤河流域水資源承載能力計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of water resources carrying capacity in Luanhe Basin
3.3 結(jié)果分析
本文采用綜合承載指數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，具體計(jì)算方法如下：
(15)
(16)
(17)
式中：IPOP表示人口承載度；POP表示實(shí)際人口，POPCAL表示計(jì)算人口；IGDP表示經(jīng)濟(jì)承載度；GDP表示實(shí)際GDP；GDPCAL表示計(jì)算GDP；I表示綜合承載指數(shù)(若I大于1.1，處于超載狀態(tài)；若I小于0.9，處于可載的狀態(tài)；若I介于0.9至1.1之間處于臨界超載的狀態(tài))。
具體分析時(shí)，2015年人口、GDP采用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)值，2020、2030年人口、GDP采用趨勢(shì)法進(jìn)行預(yù)測(cè)得到。各年份各頻率綜合承載指數(shù)計(jì)算及承載狀態(tài)劃分結(jié)果見表2、表3、圖3、圖4。
表2 灤河流域綜合承載指數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of comprehensive carrying index in Luanhe Basin
圖3 50%年型灤河流域綜合承載指數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.3 The chart of comprehensive carrying index of 50% annual in Luanhe Basin
圖4 75%年型灤河流域綜合承載指數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.4 The chart of comprehensive carrying index of 75% annual in Luanhe Basin
結(jié)合計(jì)算結(jié)果與以上圖、表可以看出：①灤河流域供水設(shè)施較為完善，影響實(shí)際供水量的決定性因素是水資源的數(shù)量，故50%年型的流域及其內(nèi)部各計(jì)算單元水資源承載能力都優(yōu)于75%年型。②相比于2015年，2030年灤河流域及其內(nèi)部各計(jì)算單元的水資源承載能力總體上呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，這與節(jié)水型社會(huì)建設(shè)、水生態(tài)文明建設(shè)等一系列水資源管理舉措的實(shí)施密切相關(guān)。③除2020年、2030年唐山市水資源承載狀態(tài)為臨界超載外，50%年型灤河流域及其內(nèi)部計(jì)算單元水資源承載狀態(tài)均為可載；75%年型與50%年型類似，2015、2020、2030年唐山市承載狀態(tài)都是最差，均出現(xiàn)超載情況，這與唐山市現(xiàn)狀人口密集、產(chǎn)業(yè)以工業(yè)為主有直接的聯(lián)系。
表3 灤河流域水資源承載狀態(tài)判別結(jié)果Tab.3 Distinguishing results table of water resources carrying status in Luanhe Basin
為改善灤河流域承載狀態(tài)，提升灤河流域承載能力，可以從“強(qiáng)載”、“卸荷”2方面考慮相關(guān)措施。其中，“強(qiáng)載”針對(duì)水資源承載主體，在供給側(cè)采取措施增加灤河流域水資源供給，包括非常規(guī)水利用、河湖水系連通、跨區(qū)域調(diào)水等；“卸荷”針對(duì)水資源承載客體，在需求側(cè)采取控制性措施，緩解承載客體的壓力，具體包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)水建設(shè)、完善水價(jià)機(jī)制等內(nèi)容。
4 結(jié) 論
(1)在探討負(fù)荷均衡與水資源承載能力關(guān)系的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了考慮負(fù)荷均衡的水資源承載能力多目標(biāo)計(jì)算模型，并采用GA算法進(jìn)行求解。
(2)各年份50%年型灤河流域整體處于可載的狀態(tài)；75%年型灤河流域2015年承載狀態(tài)為超載，其余年份均為臨界超載；此外，流域內(nèi)唐山市承載狀態(tài)相對(duì)于其他計(jì)算單元較差。
(3)在模型構(gòu)建時(shí)，本文主要考慮了污染量排放方面的目標(biāo)與約束，未考慮用水部門對(duì)水質(zhì)的要求，將來可以從這一方面細(xì)化模型。
□
猜你喜歡
壓油溝小流域中國(guó)水土保持(2022年6期)2022-06-08 03:58:40 河北省灤河“一河一策”方案編制與實(shí)施評(píng)估河北水利(2022年4期)2022-05-17 05:42:42 堡子溝流域綜合治理中國(guó)水土保持(2021年7期)2021-07-08 06:14:06 羅堰小流域中國(guó)水土保持(2021年12期)2021-04-11 08:19:44 讓灤河流域水量豐、水質(zhì)好、生態(tài)美——河北省人大常委會(huì)通過關(guān)于加強(qiáng)灤河流域水資源保護(hù)和管理的決定公民與法治(2020年20期)2020-11-27 01:44:34 滴灌對(duì)蘋果和梨樹周年耗水規(guī)律的影響北方果樹(2020年6期)2020-11-14 01:35:40 美麗河北之灤河公民與法治(2020年7期)2020-05-11 02:14:10 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)(2018年1期)2018-01-31 01:53:37 不同灌水模式下玉米耗水量和節(jié)水效益分析研究水利技術(shù)監(jiān)督(2017年6期)2017-12-19 13:28:26 啊，我的灤河燕山唐山文學(xué)(2017年6期)2017-11-26 05:16:44
楊 光，董增川，王雪薇，馮勝男，李 冰
(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2.浙江省水利河口研究院，杭州 310020 3.江蘇省水文水資源勘測(cè)局，南京 210029)
0 引 言
經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展提升了人類的生活水平，但掠奪式的開發(fā)、利用對(duì)資源環(huán)境造成巨大的負(fù)面影響。為分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，學(xué)者們提出了資源環(huán)境承載力這一度量指標(biāo)[1]。承載力最初應(yīng)用于工程地質(zhì)學(xué)，指地基能夠承受的最大荷載。1921年承載力被引入生態(tài)學(xué)，形成了生態(tài)承載力的概念，首次探討了特定生物種群的數(shù)量與周邊生態(tài)環(huán)境的關(guān)系。1990年前后，我國(guó)學(xué)者為緩解西北地區(qū)水資源供需矛盾，研究水資源配置問題，首次對(duì)水資源承載力進(jìn)行了定義[2,3]。
水資源承載力的研究歷經(jīng)了概念提出(1990年前后)、理論討論(1990-2000年)、方法應(yīng)用(2000年至今)3個(gè)主要的階段。迄今為止，已有眾多數(shù)學(xué)方法應(yīng)用到研究中，可以歸并為2類：一是指標(biāo)評(píng)價(jià)法，該類方法是選取影響水資源承載力的表征指標(biāo)，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并結(jié)合模糊數(shù)學(xué)、支持向量機(jī)、主成分分析等數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算分析，存在所選指標(biāo)難以統(tǒng)一、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不夠客觀等不足[4,5]。二是系統(tǒng)分析法，該類方法多采用系統(tǒng)分析的思想，將流域“水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)作為研究對(duì)象，通過構(gòu)建多目標(biāo)規(guī)劃、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析等量化水資源承載力，該類方法能夠剖析水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的內(nèi)在聯(lián)系，但計(jì)算過程相較于指標(biāo)評(píng)價(jià)法更為復(fù)雜[6,7]。此外，通過這2類方法得到水資源承載力量化結(jié)果具有不同內(nèi)涵，前者得到的是無量綱的表征性指標(biāo)，更多的是反映水資源承載的狀態(tài)；后者得到的是有量綱的數(shù)值，比如人口或者GDP規(guī)模，能夠體現(xiàn)出流域水資源承載的能力，具有極限的內(nèi)涵。
本文對(duì)負(fù)荷均衡與水資源承載能力的關(guān)系進(jìn)行了探討，構(gòu)建考慮負(fù)荷均衡的水資源承載能力多目標(biāo)量化模型，并選取灤河流域作為研究區(qū)，分別計(jì)算灤河流域2015、2020、2030年不同頻率的水資源承載能力。
1 水資源承載能力與負(fù)荷均衡的關(guān)系分析
負(fù)荷是指機(jī)器所克服的阻力，又指物體所承載的重量。均衡的概念現(xiàn)多應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)學(xué)中，指經(jīng)濟(jì)變量在外界經(jīng)濟(jì)力量的相互制約下達(dá)到的相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)， 類似于物體受到各種外力作用下保持相對(duì)靜止或者勻速運(yùn)動(dòng)的平衡狀態(tài)[8]?？梢钥闯觯?fù)荷、均衡2個(gè)概念有一定的聯(lián)系。當(dāng)施加負(fù)荷超過所能承載的極限時(shí)，承載主體將會(huì)陷入超載狀態(tài)，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的破壞后果；均衡強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定，目標(biāo)是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)發(fā)展。當(dāng)承載客體對(duì)承載主體的負(fù)荷達(dá)到均衡時(shí)，即以系統(tǒng)的協(xié)調(diào)穩(wěn)態(tài)發(fā)展為目標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體效益的最優(yōu)。
在水資源領(lǐng)域，負(fù)荷是指承載客體也就是社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境造成的壓力。在維持社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的前提下，承載主體也就是水資源系統(tǒng)承受的最大負(fù)荷即為水資源承載能力，當(dāng)水資源實(shí)際負(fù)荷超過水資源承載能力時(shí)，水資源系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入超負(fù)荷狀態(tài)?！八Y源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境”系統(tǒng)之間是彼此影響相互反饋的：水資源系統(tǒng)提供社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的水量需求，社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)以人工方式改變水循環(huán)過程；生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)為社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)提供了賴以生存的空間；與此同時(shí)，水資源系統(tǒng)又控制著生態(tài)環(huán)境的變化[9]。在水資源開發(fā)利用過程中，社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的水量分配存在直接矛盾，故協(xié)調(diào)2個(gè)系統(tǒng)之間的發(fā)展關(guān)系，量化均衡狀態(tài)下的承載能力十分必要。水資源領(lǐng)域負(fù)荷均衡就是要求水資源系統(tǒng)所承載的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體效益的最大化。負(fù)荷均衡的約束可以避免經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境此消彼長(zhǎng)的矛盾關(guān)系，即保護(hù)環(huán)境則必須以犧牲經(jīng)濟(jì)發(fā)展為代價(jià)，一味發(fā)展經(jīng)濟(jì)必將承受環(huán)境遭受破壞的后果，而是通過負(fù)荷均衡追求社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境相互協(xié)作、配合得當(dāng)、互為促進(jìn)的良性發(fā)展、和諧共存關(guān)系，達(dá)到一種人口增長(zhǎng)適度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展穩(wěn)定、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)合理、資源高效利用、環(huán)境狀態(tài)優(yōu)良的穩(wěn)定狀態(tài)。
2 考慮負(fù)荷均衡的水資源承載能力量化模型構(gòu)建
2.1 模型框架
模型主要從耗水、排污2個(gè)方面考慮，將水資源可利用量與社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗水、納污控制與社會(huì)經(jīng)濟(jì)排污掛鉤，見圖1。①耗水。主要的耗水部門有生活、生產(chǎn)、生態(tài)。其中生活分為農(nóng)村與城鎮(zhèn)；生產(chǎn)分為一產(chǎn)、二產(chǎn)、三產(chǎn)，一產(chǎn)可以細(xì)分為種植業(yè)、漁業(yè)、畜牧業(yè)；生態(tài)則是城鎮(zhèn)環(huán)境、農(nóng)村生態(tài)耗水。②排污。排污主要分點(diǎn)源、面源考慮。其中，點(diǎn)源污染為城鎮(zhèn)生活、二產(chǎn)、三產(chǎn)排污，面源污染為農(nóng)村生活、種植業(yè)、漁業(yè)、畜牧業(yè)排污，各用水部門的排污量由相應(yīng)的耗水量乘以相應(yīng)的排污系數(shù)、入河濃度等參數(shù)計(jì)算可得。此外，由總?cè)丝凇⒖偖a(chǎn)值、總排污量表征的社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)通過負(fù)荷均衡約束建立聯(lián)系。
2.2 模型數(shù)學(xué)表達(dá)與求解
2.2.1 模型目標(biāo)
社會(huì)目標(biāo)：
(1)
式中：XPOPk為第k個(gè)計(jì)算單元的人口數(shù)。
經(jīng)濟(jì)目標(biāo)：
(2)
式中：XGDPk為第k個(gè)計(jì)算單元的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值。
環(huán)境目標(biāo)：
(3)
式中：XCODk為第k個(gè)計(jì)算單元的COD排放量。
2.2.2 決策變量
模型涉及人口、宏觀經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、耗水量相關(guān)的4類變量。其中農(nóng)村生活耗水量、城鎮(zhèn)生活耗水量、種植業(yè)耗水量、漁業(yè)耗水量、畜牧業(yè)耗水量、二產(chǎn)耗水量、三產(chǎn)耗水量為模型的決策變量，其他變量均可通過決策變量表示。
2.2.3 約束條件
模型約束條件包括水量、水環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、負(fù)荷均衡4個(gè)方面，具體數(shù)學(xué)表達(dá)如下。
(1)水資源量約束。
①各個(gè)計(jì)算單元各用水戶的耗水量加起來不大于灤河流域的水資源可利用量：
TZHS≤TKLY
(4)
TKLY=TDBS+TDXS-ΔRE
(5)
(6)
式中：TKLY為水資源可利用總量；TZHS為總耗水量；TDBS為地表水
圖1 水資源承載能力量化模型框架Fig.1 Quantitative model framework of water resources carrying capacity
資源可利用量；TDXS為地下水資源可利用量；ΔRE為地表水資源與地下水資源重復(fù)量；XNCSHk為第k個(gè)計(jì)算單元的農(nóng)村生活耗水量；XCZSHk為第k個(gè)計(jì)算單元的城鎮(zhèn)生活耗水量；XYCk為第k個(gè)計(jì)算單元一產(chǎn)耗水量；XECk為第k個(gè)計(jì)算單元二產(chǎn)耗水量；XSCk為第k個(gè)計(jì)算單元三產(chǎn)耗水量；XSTk為第k個(gè)計(jì)算單元的河道外生態(tài)耗水量。
XYCk=XZZYk+XYYk+XXMYk
式中：XZZYk為第k個(gè)計(jì)算單元種植業(yè)耗水量；XYYk為第k個(gè)計(jì)算單元漁業(yè)耗水量；XXMYk為第k個(gè)計(jì)算單元畜牧業(yè)耗水量。
②各計(jì)算單元內(nèi)部耗水量不超過該單元水資源可利用量：
TZHSK≤TKLYK
(7)
(2)社會(huì)經(jīng)濟(jì)約束。
①產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)約束：
(8)
(9)
②人均GDP約束：
(10)
式中：XPOPk為第k個(gè)計(jì)算單元的總?cè)丝跀?shù)；AperGDP為人均GDP的下限值。
XPOPk=XNCPOPk+XCZPOPk=
XNCSHk/(365ANCPOPk)+XCZSHk/(365ACZPOPk)
(11)
式中：XNCPOPk為第k個(gè)計(jì)算單元農(nóng)村人口數(shù)；ANCPOPk為第k個(gè)計(jì)算單元農(nóng)村人均日生活耗水量；ACZPOPk為第k個(gè)計(jì)算單元城鎮(zhèn)人均日生活耗水量。
(3)水環(huán)境約束。所有污染源排放的COD總量要小于COD限排總量：
X點(diǎn)源k+X面源k≤ReCODk
(12)
式中：X點(diǎn)源k為第k個(gè)計(jì)算單元點(diǎn)源排放量；X面源k為第k個(gè)計(jì)算單元面源污染排放量；ReCODk為第k個(gè)計(jì)算單元限排總量。
(13)
式中：αCZSHk為第k個(gè)計(jì)算單元城鎮(zhèn)生活耗水率；αSCk為第k個(gè)計(jì)算單元第三產(chǎn)業(yè)耗水率；αECk為第k個(gè)計(jì)算單元第二產(chǎn)業(yè)耗水率；ACLXS為污水處理系數(shù)；ASHCOD為城鎮(zhèn)生活用水經(jīng)污水處理后的COD濃度；AGYCOD為第二產(chǎn)業(yè)用水經(jīng)污水處理后的COD濃度。
x面源k=XZZYk/AZZYkAZZYCODAZZYin+
XYYk/AYYkAYYCODAYYin+XXMYk/AXMYkAXMYCODAXMYin+
XNCSHk/(365ANCPOPk)ANCCODANCSHin
(14)
式中：AZZYk、AYYk、AXMYk為第k個(gè)計(jì)算單元種植業(yè)每公頃平均耗水量、漁業(yè)每公頃平均耗水量、單位牲畜耗水量；AZZYCOD、AYYCOD、AXMYCOD、ANCCOD分別為種植業(yè)、漁業(yè)、畜牧業(yè)、農(nóng)村生活COD產(chǎn)生系數(shù)；ZZZYin、AYYin、AXMYin、ANCSHin分別為種植業(yè)、漁業(yè)、畜牧業(yè)、農(nóng)村生活COD的入河系數(shù)。
(4)負(fù)荷均衡約束。選取人均GDP作為灤河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取萬元GDP的COD排放量作為灤河流域生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)，滿足負(fù)荷均衡約束即要求社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展度符合要求，以保證系統(tǒng)整體的穩(wěn)定發(fā)展。負(fù)荷均衡約束數(shù)學(xué)表達(dá)式[10,11]如下：
(15)
式中：C為協(xié)調(diào)度；I1為人均GDP，正向指標(biāo)；I2為萬元GDP的COD排放量，負(fù)向指標(biāo)。
2.2.4 模型求解
將模型轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題后，采用GA算法求解[12]。
3 實(shí)例應(yīng)用
3.1 灤河流域概況與資料來源
灤河隸屬海河水系，流經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)、河北省、遼寧省等行政區(qū)。流域呈現(xiàn)出西北高東南低的走勢(shì)。流域年均氣溫1～9 ℃，年均降水量400～800 mm。2015年灤河流域總供水量34.07 億m3，其中地表水供水量13.68 億m3，地下水供水量19.90 億m3，非常規(guī)水源供水量0.49 億m3。
研究所需水文數(shù)據(jù)通過海河流域水文年鑒獲取，水利數(shù)據(jù)來源于海河流域、河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省等地區(qū)的水資源公報(bào)、水利相關(guān)規(guī)劃，社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)由相關(guān)地市統(tǒng)計(jì)年鑒獲取。
3.2 計(jì)算結(jié)果
(1)計(jì)算單元?jiǎng)澐?。本研究將灤河流域劃分?個(gè)計(jì)算單元，分別是錫盟張家口灤河流域片(以下簡(jiǎn)稱“錫盟張家口”)、遼寧省灤河流域片(以下簡(jiǎn)稱“遼寧省”)、承德市灤河流域片(以下簡(jiǎn)稱“承德市”)、唐山市灤河流域片(以下簡(jiǎn)稱“唐山市”)、秦皇島市灤河流域片(以下簡(jiǎn)稱“秦皇島市”)。
灤河流域水資源系統(tǒng)概化圖見圖2。其中，天津市為虛擬計(jì)算單元，僅表示通過引灤入津工程天津市從灤河流域取走部分水量，并不包含在本研究的具體計(jì)算中。
圖2 灤河流域水資源系統(tǒng)概化圖Fig.2 Systematic generalization diagram of Luanhe Basin
(2)計(jì)算結(jié)果。計(jì)算年份為2015、2020、2030年，計(jì)算頻率包括平水年(50%)、枯水年(75%)2種年型，計(jì)算結(jié)果見表1。
表1 灤河流域水資源承載能力計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of water resources carrying capacity in Luanhe Basin
3.3 結(jié)果分析
本文采用綜合承載指數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，具體計(jì)算方法如下：
(15)
(16)
(17)
式中：IPOP表示人口承載度；POP表示實(shí)際人口，POPCAL表示計(jì)算人口；IGDP表示經(jīng)濟(jì)承載度；GDP表示實(shí)際GDP；GDPCAL表示計(jì)算GDP；I表示綜合承載指數(shù)(若I大于1.1，處于超載狀態(tài)；若I小于0.9，處于可載的狀態(tài)；若I介于0.9至1.1之間處于臨界超載的狀態(tài))。
具體分析時(shí)，2015年人口、GDP采用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)值，2020、2030年人口、GDP采用趨勢(shì)法進(jìn)行預(yù)測(cè)得到。各年份各頻率綜合承載指數(shù)計(jì)算及承載狀態(tài)劃分結(jié)果見表2、表3、圖3、圖4。
表2 灤河流域綜合承載指數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of comprehensive carrying index in Luanhe Basin
圖3 50%年型灤河流域綜合承載指數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.3 The chart of comprehensive carrying index of 50% annual in Luanhe Basin
圖4 75%年型灤河流域綜合承載指數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.4 The chart of comprehensive carrying index of 75% annual in Luanhe Basin
結(jié)合計(jì)算結(jié)果與以上圖、表可以看出：①灤河流域供水設(shè)施較為完善，影響實(shí)際供水量的決定性因素是水資源的數(shù)量，故50%年型的流域及其內(nèi)部各計(jì)算單元水資源承載能力都優(yōu)于75%年型。②相比于2015年，2030年灤河流域及其內(nèi)部各計(jì)算單元的水資源承載能力總體上呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，這與節(jié)水型社會(huì)建設(shè)、水生態(tài)文明建設(shè)等一系列水資源管理舉措的實(shí)施密切相關(guān)。③除2020年、2030年唐山市水資源承載狀態(tài)為臨界超載外，50%年型灤河流域及其內(nèi)部計(jì)算單元水資源承載狀態(tài)均為可載；75%年型與50%年型類似，2015、2020、2030年唐山市承載狀態(tài)都是最差，均出現(xiàn)超載情況，這與唐山市現(xiàn)狀人口密集、產(chǎn)業(yè)以工業(yè)為主有直接的聯(lián)系。
表3 灤河流域水資源承載狀態(tài)判別結(jié)果Tab.3 Distinguishing results table of water resources carrying status in Luanhe Basin
為改善灤河流域承載狀態(tài)，提升灤河流域承載能力，可以從“強(qiáng)載”、“卸荷”2方面考慮相關(guān)措施。其中，“強(qiáng)載”針對(duì)水資源承載主體，在供給側(cè)采取措施增加灤河流域水資源供給，包括非常規(guī)水利用、河湖水系連通、跨區(qū)域調(diào)水等；“卸荷”針對(duì)水資源承載客體，在需求側(cè)采取控制性措施，緩解承載客體的壓力，具體包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)水建設(shè)、完善水價(jià)機(jī)制等內(nèi)容。
4 結(jié) 論
(1)在探討負(fù)荷均衡與水資源承載能力關(guān)系的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了考慮負(fù)荷均衡的水資源承載能力多目標(biāo)計(jì)算模型，并采用GA算法進(jìn)行求解。
(2)各年份50%年型灤河流域整體處于可載的狀態(tài)；75%年型灤河流域2015年承載狀態(tài)為超載，其余年份均為臨界超載；此外，流域內(nèi)唐山市承載狀態(tài)相對(duì)于其他計(jì)算單元較差。
(3)在模型構(gòu)建時(shí)，本文主要考慮了污染量排放方面的目標(biāo)與約束，未考慮用水部門對(duì)水質(zhì)的要求，將來可以從這一方面細(xì)化模型。
□
猜你喜歡
中國(guó)水土保持(2022年6期)2022-06-08 03:58:40
河北水利(2022年4期)2022-05-17 05:42:42
中國(guó)水土保持(2021年7期)2021-07-08 06:14:06
中國(guó)水土保持(2021年12期)2021-04-11 08:19:44
公民與法治(2020年20期)2020-11-27 01:44:34
北方果樹(2020年6期)2020-11-14 01:35:40
公民與法治(2020年7期)2020-05-11 02:14:10
水利技術(shù)監(jiān)督(2017年6期)2017-12-19 13:28:26
唐山文學(xué)(2017年6期)2017-11-26 05:16:44
