徐志青，劉雪瑜，鄧齊玉，顏秉斐，肖書虎，孫晨

中國環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境研究室

人口擴(kuò)張、資源短缺、環(huán)境惡化作為當(dāng)今世界面臨的三大挑戰(zhàn)，給人類的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)重威脅[1-3]。特別是人口稠密的城市和地區(qū)，社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展日益遭受嚴(yán)峻考驗(yàn)[4]。水環(huán)境問題是可持續(xù)發(fā)展的核心問題之一。水環(huán)境承載力(water environment carrying capacity, WECC)作為衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展水平的重要判據(jù)，已成為當(dāng)前水環(huán)境科學(xué)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[5-6]。

水環(huán)境承載力一般定義為特定時期、特定空間范圍內(nèi)，在區(qū)域環(huán)境功能維持穩(wěn)態(tài)效應(yīng)的前提下，區(qū)域水環(huán)境系統(tǒng)所能承受人類社會經(jīng)濟(jì)活動的能力[7-9]。水環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部各組成要素間相互作用、相互聯(lián)系，形成一個復(fù)雜的大系統(tǒng)[10]，因此，采用何種指標(biāo)體系來反映復(fù)雜系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展程度成為水環(huán)境承載力評價的關(guān)鍵[11]。常見的指標(biāo)體系構(gòu)建方法有2種：1)基于自然-社會-經(jīng)濟(jì)的復(fù)合系統(tǒng)視角，從自然、社會、經(jīng)濟(jì)三方面建立指標(biāo)體系[12-13]；2)基于PSR(pressure-state-response)理論，從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三方面選取指標(biāo)[14]。目前，基于系統(tǒng)論構(gòu)建指標(biāo)體系的方法已在可持續(xù)發(fā)展、水資源安全、生態(tài)風(fēng)險評價等領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用[15-17]。本文基于復(fù)合系統(tǒng)理論構(gòu)建水環(huán)境承載力指標(biāo)體系。

水環(huán)境承載力量化方法包括主成分分析法、模糊綜合評價法、投影尋蹤法、多目標(biāo)規(guī)劃法和系統(tǒng)動力學(xué)法等。如Zhang等[18]通過主成分分析法對2005—2015年岳塘區(qū)水資源-水環(huán)境承載力進(jìn)行了評價。石建屏等[19]建立了湖泊水環(huán)境承載力多目標(biāo)優(yōu)化模型，并運(yùn)用層次分析法(AHP)計算了2003—2010年滇池流域水環(huán)境承載力。Yang等[20]將層次分析法和系統(tǒng)動力學(xué)模型相結(jié)合，構(gòu)建社會經(jīng)濟(jì)-水資源可持續(xù)發(fā)展模型，研究2015—2020年西安市水資源承載力變化趨勢。系統(tǒng)動力學(xué)法從系統(tǒng)內(nèi)部要素的變化著手進(jìn)行仿真模擬[21]，在處理包含社會經(jīng)濟(jì)、資源環(huán)境等諸多要素的水環(huán)境承載力復(fù)雜系統(tǒng)方面具有較強(qiáng)的可操作性[22-24]。遺傳投影尋蹤法基于統(tǒng)計思想進(jìn)行評價，不涉及指標(biāo)權(quán)重的分配，所得結(jié)果客觀真實(shí)。因此，本文選用遺傳算法和系統(tǒng)動力學(xué)模型相結(jié)合開展水環(huán)境承載力情景預(yù)測研究。

作為“一帶一路”倡議和“長江經(jīng)濟(jì)帶”發(fā)展戰(zhàn)略的重要節(jié)點(diǎn)城市，如何保證經(jīng)濟(jì)社會與資源環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，是南京市未來發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù)。筆者以南京市為研究對象，構(gòu)建系統(tǒng)動力學(xué)模型，設(shè)計未來發(fā)展的6種不同情景，并通過水環(huán)境承載力指標(biāo)體系和遺傳投影尋蹤法，對2017—2030年不同情景下的水環(huán)境承載力進(jìn)行評價分析。據(jù)此研究不同政策措施下區(qū)域水環(huán)境主要影響因素及水環(huán)境承載力的變化趨勢，以期為南京市水環(huán)境承載力提升與調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 指標(biāo)體系

依據(jù)南京市相關(guān)規(guī)劃和文獻(xiàn)資料，結(jié)合區(qū)域發(fā)展現(xiàn)狀，遵循科學(xué)性、代表性、可操作性等基本原則，從社會經(jīng)濟(jì)、水資源、水環(huán)境3個子系統(tǒng)中選取15項(xiàng)指標(biāo)，構(gòu)建了水環(huán)境承載力指標(biāo)體系并確定了指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 水環(huán)境承載力指標(biāo)體系及分級標(biāo)準(zhǔn)

(續(xù)表1)

1.2 水環(huán)境承載力評價方法

遺傳投影尋蹤模型(genetic projection pursuit model)是遺傳算法與投影尋蹤方法相結(jié)合，尋找最能暴露數(shù)據(jù)特征、充分體現(xiàn)數(shù)據(jù)原始信息的最優(yōu)投影方向向量[25]。以最優(yōu)投影方向向量作為各評價指標(biāo)的權(quán)重，與各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值相乘并進(jìn)行加和，得到各樣本的投影值，即為水環(huán)境承載力的綜合評分[26]。根據(jù)樣本投影值進(jìn)行優(yōu)劣排序，投影值越大對應(yīng)的樣本越優(yōu)。采用Matlab軟件對遺傳投影尋蹤方法進(jìn)行編程計算。

1.3 系統(tǒng)動力學(xué)模型構(gòu)建

1.3.1模塊劃分

水環(huán)境承載力研究對象包含社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)和水環(huán)境子系統(tǒng)，而子系統(tǒng)又可劃分為5個模塊：1)人口模塊，該模塊中總?cè)丝谟沙跏既丝诤腿丝谧兓繘Q定，人口變化量主要取決于人口增長率、污染指數(shù)和缺水指數(shù)；2)經(jīng)濟(jì)模塊，分為第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)3個部分，GDP構(gòu)成了經(jīng)濟(jì)核算的核心指標(biāo)，代表了區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平[27]；3)供水模塊，主要供應(yīng)經(jīng)濟(jì)生活等所需用水，為各模塊提供了基本物質(zhì)基礎(chǔ)，并維持了水環(huán)境模塊的健康發(fā)展；4)需水模塊，主要包括生活用水需求、工業(yè)用水需求、農(nóng)業(yè)用水需求、城市生態(tài)用水需求等；5)水環(huán)境模塊，反映了研究區(qū)的污染負(fù)荷，該模塊中主要評價指標(biāo)是化學(xué)需氧量(COD)和氨氮排放量、廢水排放量等。

1.3.2模型邊界

以2006年各變量和參數(shù)現(xiàn)狀值為初始值，模擬2006—2030年南京市水環(huán)境承載力。其中，2006—2016年的真實(shí)數(shù)據(jù)用于檢驗(yàn)建模結(jié)果的準(zhǔn)確性；2017—2030年作為預(yù)測期。模型模擬步長設(shè)為1年。

1.3.3系統(tǒng)動力學(xué)流程圖

在模塊分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Vensim軟件構(gòu)建南京市水環(huán)境承載力系統(tǒng)動力學(xué)流程圖(圖1)。該流程圖從人口、經(jīng)濟(jì)、供水、需水和水環(huán)境模塊的角度出發(fā)，通過變量間的方程將3個子系統(tǒng)(社會經(jīng)濟(jì)、水資源和水環(huán)境子系統(tǒng))有機(jī)結(jié)合起來，可以明確反映整個系統(tǒng)內(nèi)部各組成要素之間的因果關(guān)系和反饋回路。

南京市水環(huán)境承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型中涉及到的參數(shù)主要是結(jié)合2006—2016年的實(shí)際數(shù)據(jù)，通過趨勢推算法、取平均值法以及回歸分析法等估算其在模擬預(yù)測期間的合理值。主要計算公式如下：

總?cè)丝?INTEG(人口增長量,719.06)

(1)

人口增長量=人口增長率×(1-污染指數(shù))×

(1-缺水指數(shù))×總?cè)丝?/p>

(2)

GDP=第一產(chǎn)業(yè)增加值+第二產(chǎn)業(yè)增加值+

第三產(chǎn)業(yè)增加值

(3)

供水總量=水資源總量×水資源開發(fā)利用率

(4)

用水總量=生活用水量+生態(tài)用水量+

工業(yè)用水量+灌溉用水量+

城鎮(zhèn)公共用水量+林牧漁業(yè)用水量

(5)

水資源供需差額=用水總量-供水總量

(6)

缺水指數(shù)=水資源供需差額/用水總量

(7)

工業(yè)廢水排放量=工業(yè)廢水排放系數(shù)×工業(yè)用水量

(8)

生活污水排放量=生活污水排放系數(shù)×生活用水量

(9)

圖1 系統(tǒng)動力學(xué)流程圖Fig.1 System dynamics flow diagram about WECC

COD排放總量=工業(yè)源COD排放量+生活源COD排放量+畜禽養(yǎng)殖COD排放量+農(nóng)田徑流COD排放量

(10)

氨氮排放總量=工業(yè)源氨氮排放量+生活源氨氮排放量+畜禽養(yǎng)殖氨氮排放量+農(nóng)田徑流氨氮排放量

(11)

1.4 情景設(shè)計

結(jié)合南京市發(fā)展現(xiàn)狀、資源環(huán)境規(guī)劃目標(biāo)等，選取相關(guān)變量并對其進(jìn)行調(diào)整，最終形成包括原始方案(情景1)、單項(xiàng)政策方案(情景2～情景5)、綜合方案(情景6)的6種方案，分別代表南京市在2017—2030年內(nèi)的不同發(fā)展情形(表2)。

表2 情景設(shè)計說明

2 結(jié)果與分析

2.1 模型檢驗(yàn)結(jié)果

2.1.1相對誤差檢驗(yàn)

2006—2016年GDP、用水總量、廢水排放總量的模型模擬值與真實(shí)值相對誤差檢驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出，模型中大部分變量的相對誤差在±10%以內(nèi)，與實(shí)際情況吻合較好，能夠保證模型模擬的有效性。

2.1.2相關(guān)性檢驗(yàn)

通過比較2006—2016年主要變量模型模擬值與真實(shí)值間的相關(guān)系數(shù)，測試模型的擬合度(圖2)。結(jié)果顯示，相關(guān)系數(shù)較高，系統(tǒng)動力學(xué)模型的擬合度較好。

表3 真實(shí)值與模擬值的相對誤差

圖2 真實(shí)值與模擬值間的相關(guān)性Fig.2 Correlations between real values and simulated values

2.2 情景比較分析

將6種情景所調(diào)整的變量分別輸入到水環(huán)境承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型，得到不同發(fā)展方案下南京市社會經(jīng)濟(jì)、水資源以及水環(huán)境的未來發(fā)展情況。

2.2.1社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)

不同情景下社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)主要變量見表4。原始方案下，2030年總?cè)丝谶_(dá)到871.8萬人;情景2代表的人口增長方案下總?cè)丝谶_(dá)到了1 161.9萬人，增長了61.59%；而情景3對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)增長方案下的人口規(guī)模最小，這可能是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生的高用水需求增大了缺水指數(shù)，使得人口增長受限；綜合方案(情景6)對經(jīng)濟(jì)的影響最大，該情景下GDP最高，大于情景3對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化方案。說明適度的人口與經(jīng)濟(jì)增長、水資源節(jié)約、水污染治理共同作用比單純經(jīng)濟(jì)增長更能提升區(qū)域經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力。

表4 社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)各情景模擬結(jié)果

2.2.2水資源子系統(tǒng)

不同情景下水資源子系統(tǒng)主要變量如表5所示。單項(xiàng)政策方案中，2030年情景2對應(yīng)的人口增長方案用水總量和供需差額超過了其他方案，分別達(dá)到了49.56億和41 470萬m3，供水量遠(yuǎn)不能滿足高速增長的用水需求。情景2的人口大量擴(kuò)張導(dǎo)致生活用水量相比原始方案增加了48.67%，最終造成用水總量增加了8.39%。這表明，人口增長會造成生活用水需求顯著增加，是影響水資源子系統(tǒng)的主要障礙因素。情景4代表的節(jié)水方案中，2030年用水總量僅為40.57億m3，水資源供需差額為-48 449萬m3，供水量完全能夠滿足用水需求。

表5 水資源子系統(tǒng)各情景模擬結(jié)果

2030年綜合方案(情景6)下用水總量和供需差額分別為42.97億和-24 476萬m3，相比情景4表現(xiàn)稍差，但該情景下單位GDP用水量為14.76 m3/萬元，低于情景4的16.30 m3/萬元。說明單純節(jié)水方案能夠有效控制用水總量，綜合方案更能提高用水效率。

2.2.3水環(huán)境子系統(tǒng)

不同情景下水環(huán)境子系統(tǒng)主要變量如表6所示。從單項(xiàng)政策方案來看，情景2代表的人口增長方案中，2030年廢水排放總量、COD排放總量和氨氮排放總量分別達(dá)到了145 178萬、8.84萬和1.12萬 t，遠(yuǎn)高于其他方案。分析發(fā)現(xiàn)，人口擴(kuò)張導(dǎo)致生活污水排放量、生活源污染物排放量顯著高于原始方案。情景3對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化方案中，工業(yè)廢水排放量為最高值。情景4代表的節(jié)水方案下，2030年生活污水、工業(yè)廢水和廢水排放總量分別為77 935萬、14 008萬和91 943萬t，低于其他方案。情景5對應(yīng)的水污染治理方案下，COD和氨氮排放總量分別下降了49.18%和46.38%，降幅超過其他方案。綜合方案(情景6)中，單位GDP COD排放強(qiáng)度和單位GDP氨氮排放強(qiáng)度降幅最大，分別達(dá)94.83%和87.83%。

表6 水環(huán)境子系統(tǒng)各情景模擬結(jié)果

由此表明，人口增長會造成生活污水和生活源污染物排放量的大幅上升，對水污染影響很大；經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展將帶來大量工業(yè)污染物排放；水污染治理能夠得到良好的污染物減排效果；節(jié)水措施在控制廢(污)水排放量方面，比治污措施更有效；綜合方案能最有效降低污染物排放強(qiáng)度。

2.3 水環(huán)境承載力比較分析

根據(jù)1.2節(jié)的水環(huán)境承載力評價方法，將評價指標(biāo)數(shù)據(jù)代入到遺傳投影尋蹤計算中，得到水環(huán)境承載力最大適應(yīng)度為12.894 7，其對應(yīng)的最佳投影方向如下：

a=(0.161 4,0.327 5,0.258 3,0.047 5,0.253 7,0.389 9,0.254 0,0.179 0,0.178 4,0.289 4,0.435 7,0.033 9,0.030 5,0.292 8,0.302 6)

(12)

最終得到水環(huán)境承載力分級標(biāo)準(zhǔn)(表7)及2017—2030年6種情景下水環(huán)境承載力綜合評分(圖3)。2016—2030年，情景1～情景6水環(huán)境承載力綜合評分分別提升了21.3%、12.5%、24.0%、28.5%、24.2%和30.1%，從高到低表現(xiàn)為綜合方案>節(jié)水方案>水污染治理方案>經(jīng)濟(jì)優(yōu)化方案>原始方案>人口增長方案。2016年南京市水環(huán)境承載力已超過Ⅱ級(中承載力)，由于不同方案下承載力增速不同，使得其達(dá)到Ⅰ級(高承載力)的時序存在差異。

表7 水環(huán)境承載力分級標(biāo)準(zhǔn)

圖3 不同情景下水環(huán)境承載力綜合評分Fig.3 Comprehensive index of WECC in all cases

原始方案下，水環(huán)境承載力穩(wěn)步提升，2017—2030年綜合評分為2.298 8～2.763 6，且從2027年開始超過Ⅰ級，表明在當(dāng)前發(fā)展模式下，南京市水環(huán)境狀況能夠支撐社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在一定程度上滿足環(huán)境資源與社會經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。從單項(xiàng)政策方案來看，節(jié)水、水污染治理、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化方案下水環(huán)境承載力表現(xiàn)優(yōu)于原始方案，而人口增長方案則相反。情景2人口增長方案水環(huán)境承載力始終保持最低，綜合評分僅為2.288 4～2.561 8，在預(yù)測期內(nèi)未達(dá)到Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)。這主要是由于人口擴(kuò)張導(dǎo)致生活用水增加，生活源污染物大量排放，極大地阻礙了水環(huán)境承載力提升。情景3經(jīng)濟(jì)優(yōu)化方案下水環(huán)境承載力為2.297 6～2.825 1，2026年后開始超過Ⅰ級。情景4節(jié)水方案提高水環(huán)境承載力的效果最為顯著，主要在于其大幅降低了用水總量及廢(污)水的排放量。情景5水污染治理措施有效控制了主要污染物排放，其水環(huán)境承載力相比原始方案明顯提高。綜合方案(情景6)承載力評分為2.316 2～2.963 1，增速最快，在2024年即達(dá)到Ⅰ級。原因在于該方案下南京市經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力提升，用水效率以及污染物排放強(qiáng)度顯著降低。

總之，綜合方案采取適度的人口增長、較高的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、較強(qiáng)的節(jié)水和治污力度，可大幅提高南京市水環(huán)境承載力，使其呈逐年遞增的趨勢?？梢妼⑷丝谠黾印⒔?jīng)濟(jì)優(yōu)化、節(jié)水、水污染治理等幾大措施進(jìn)行綜合，將社會發(fā)展的各個層面盡可能地考慮進(jìn)來，可有效促進(jìn)南京市經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展?？梢哉J(rèn)為，情景6綜合方案為南京市提升水環(huán)境承載力的最優(yōu)方案。

3 結(jié)論

(1)2017—2030年不同情景比較結(jié)果表明，情景2中人口增長會顯著增加生活用水需求、生活污水排放量；情景3對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化方案，GDP顯著提升，但工業(yè)廢水排放量高于其他方案；情景4節(jié)水方案能夠有效控制用水總量和廢(污)水排放量；情景5水污染治理方案能夠得到良好的污染物減排效果；情景6綜合方案，最能提升南京市經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力，并顯著降低用水效率以及污染物排放強(qiáng)度。

(2)2017—2030年水環(huán)境承載力比較結(jié)果表明，不同方案對南京市水環(huán)境承載力的提升表現(xiàn)為綜合方案>節(jié)水方案>水污染治理方案>經(jīng)濟(jì)優(yōu)化方案>原始方案>人口增長方案。情景2單純強(qiáng)調(diào)人口增長，導(dǎo)致預(yù)測期內(nèi)水環(huán)境承載力增幅最小，始終未達(dá)到Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)。情景6兼顧人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的需求，其承載力在各情景中最早達(dá)到Ⅰ級，最能顯著提升南京市水環(huán)境承載力水平。

南京市在城市化和工業(yè)化快速推進(jìn)的同時，人口規(guī)模迅速擴(kuò)張，資源環(huán)境對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的約束日益趨緊。為進(jìn)一步提高南京市水環(huán)境承載力，還需要多方面努力，如調(diào)整人口增速，實(shí)現(xiàn)人口適度增長；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，提升經(jīng)濟(jì)總體實(shí)力；加強(qiáng)用水總量和效率控制，實(shí)現(xiàn)水資源節(jié)約利用；控制水污染物排放強(qiáng)度，提高污染治理效率等，以實(shí)現(xiàn)南京市的可持續(xù)發(fā)展。