朱文禮，張禮兵,2，伍露露，金菊良,2，吳成國,2，周玉良,2

(1. 合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院, 合肥 230009 ; 2. 合肥工業(yè)大學水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所, 合肥 230009)

0 引 言

“承載力(Carrying Capacity)”一詞首次出現(xiàn)在群落生態(tài)學中，即“在特定環(huán)境中可存在的最大生物數(shù)量”[1]。我國水資源承載力最先由新疆水資源軟科學課題研究組于1958年提出[2]，是承載力概念在水資源系統(tǒng)中的具體表現(xiàn)，隨后學界就水資源承載力的預測、評價、預警、調(diào)控等方面進行研究并取得豐碩的研究成果。其中，水資源承載力的預測是通過預測模型確定區(qū)域未來某一時間段的水資源承載狀態(tài)，是對水資源承載力進行調(diào)控的基礎。章恒全等[3]根據(jù)主成分回歸模型得出的影響江蘇省水資源承載力變化的3個驅(qū)動力中的6個重要驅(qū)動因子，建立灰色神經(jīng)網(wǎng)絡模型，預測出江蘇省 2012-2013年的年需水量。李娟芳等[4-7]構建了洛陽市水質(zhì)-水量-水生態(tài)-社會-經(jīng)濟的評價指標體系，計算結果表明在保障區(qū)域可持續(xù)發(fā)展條件下，全市以及各個區(qū)縣各水平年均滿足承載力需求。張青峰等[8-15]利用模糊綜合評價模型及二元對比和級別特征值方法，計算得到長武縣北塬區(qū)、河川區(qū)和南塬區(qū)3個區(qū)域的水資源承載力級別，并將此方法推廣到其他縣域。馬涵玉[16,17]運用系統(tǒng)動力學方法，構建囊括水資源-經(jīng)濟-人口-生態(tài)4個子系統(tǒng)的高昌區(qū)地表水資源承載力系統(tǒng)動力學模型，模擬預測了2015-2030年高昌區(qū)地表水資源承載力情況。就水資源承載力研究而言，省、市尺度雖然經(jīng)濟社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)保證程度高，但行政面積、人口規(guī)模較大，與流域自然水系空間適配性差，而縣域尺度由于自然水系和社會經(jīng)濟適中可以較好避免上述問題。

系統(tǒng)動力學法是一種用以研究復雜系統(tǒng)問題的定量方法[18]，而水資源承載力系統(tǒng)是一個包含模糊性、隨機性、非線性等眾多因素的復雜問題[19]，系統(tǒng)動力學法用于水資源承載力的研究具有較好的理論應用基礎，并已經(jīng)取得較豐富的研究成果。當前，系統(tǒng)動力學法應用在水資源承載力主要集中在水量承載力的評價、預測及多方案調(diào)控。多方案調(diào)控是指設定多種調(diào)控方案，選出最優(yōu)調(diào)控方案作為最終的調(diào)控結果，此調(diào)控方法的提出為研究水資源承載力調(diào)控提供了有效途徑，但同時存在不足之處，例如：調(diào)控方案的設定具有較大的主觀意愿，選出最優(yōu)調(diào)控方案的本質(zhì)是調(diào)控方案的優(yōu)選，較難反應出水資源承載力調(diào)控的動態(tài)性；較難做到調(diào)控指標的定量調(diào)控，直觀反應出調(diào)控效果。

本文將系統(tǒng)動力學方法用于縣域水資源承載力預測，在此基礎上結合正交試驗方法將分階段定量調(diào)控運用于水資源承載力的水量要素和水質(zhì)要素，建立基于系統(tǒng)動力學的水資源承載力預測及動態(tài)調(diào)控模型(Prediction and Dynamic Regulation Model of Water Resources Carrying Capacity Based on System Dynamics，WCCPDR-SD)。該模型以期進一步完善系統(tǒng)動力學方法在縣域水資源承載力量質(zhì)要素預測與定量調(diào)控問題上的應用，為解決縣域水資源承載力預測與調(diào)控問題提供新的思路和方法，為使預測調(diào)控結果更加科學化、合理化提供理論依據(jù)。

1 水資源承載力量質(zhì)要素模擬預測及動態(tài)調(diào)控模型的構建

1.1 系統(tǒng)模擬預測模型構建

水資源承載力主要包括人口、土地、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境及水資源狀況等要素，本文從作用方式、影響范圍與影響程度等方面分析各要素的作用機理，在機理研究的基礎上，從水資源條件、社會經(jīng)濟發(fā)展、資源開發(fā)利用及管理等方面分析水資源承載力量質(zhì)要素的影響因素，構建影響因素基礎集。由于影響因素較多，模型結構較為復雜，故將系統(tǒng)劃分為4個子系統(tǒng)，分別為人口子系統(tǒng)、社會經(jīng)濟子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)與水環(huán)境污染子系統(tǒng)，模型流程如圖1所示。各子系統(tǒng)相互影響、相互作用，共同影響縣域水資源承載力狀況。

(1)水資源子系統(tǒng)。水資源子系統(tǒng)最終需預測縣域可利用水量與縣域總用水量2個要素，從而得出縣域水量要素承載狀態(tài)值?？h域總用水量由3要素構成：縣域生產(chǎn)用水、縣域居民生活用水以及縣域生態(tài)用水。圖1中部分變量的函數(shù)關系如下：

廬江縣水量要素承載狀態(tài)值=廬江縣總用水量/廬江縣可利用水量

廬江縣總用水量=廬江縣居民生活用水量+廬江縣生產(chǎn)用水量+廬江縣生態(tài)用水量

廬江縣生產(chǎn)用水量=廬江縣一產(chǎn)用水量+廬江縣二產(chǎn)用水量+廬江縣三產(chǎn)用水量

(2)水環(huán)境污染子系統(tǒng)。水環(huán)境的污染由點源污染與面源污染構成，點源污染主要來源于工業(yè)廢水排放和城鎮(zhèn)生活污水排放，面源污染主要來源于農(nóng)田污染物排放和農(nóng)村生活污水排放。排放過程中產(chǎn)生的COD量和氨氮量直接影響水體中有機污染物濃度，直觀反映水體的污染程度。圖1中部分變量的函數(shù)關系如下：

廬江縣水功能區(qū)水質(zhì)(COD)承載程度=廬江縣COD入河量/廬江縣COD納污能力

口腔專業(yè)研究生規(guī)范化培訓制度的健全是推動臨床住院醫(yī)師規(guī)范化培訓的根本保證。只有健全的規(guī)范化培訓制度，才能使政府部門、行業(yè)學會、高等院校、培訓基地等機構職責明確，互相協(xié)作，將口腔專業(yè)研究生從學員順利培訓成為具有統(tǒng)一標準的臨床醫(yī)師。同時，口腔專業(yè)研究生規(guī)范化培訓的各項制度法規(guī)進一步完善，才能與醫(yī)師資格注冊、專業(yè)技術職稱晉升、臨床專業(yè)學位申請、提高規(guī)范化培訓效率及繼續(xù)教育等進行有序銜接，進而形成系統(tǒng)的規(guī)范化口腔醫(yī)師培養(yǎng)體系。

廬江縣水功能區(qū)水質(zhì)(氨氮)承載程度=廬江縣氨氮入河量/廬江縣氨氮納污能力

廬江縣COD入河量=(廬江縣面源入河COD量+廬江縣點源入河COD量)×(1-河道衰減系數(shù))

1.2 系統(tǒng)調(diào)控模型構建

(1)調(diào)控目標。2035、2050年縣域水資源承載力量質(zhì)要素承載狀態(tài)達到臨界或可載。

(2)調(diào)控指標篩選。按照診斷指標對水資源承載力的敏感程度從預測模型中篩選出水量要素調(diào)控指標有：農(nóng)田灌溉定額、二產(chǎn)投資比重、萬元工業(yè)增加值用水量；水質(zhì)要素調(diào)控指標有：農(nóng)村居民人均COD排放量、城鎮(zhèn)居民人均COD排放量、農(nóng)村居民人均氨氮排放量、城鎮(zhèn)居民人均氨氮排放量、農(nóng)村污水處理率、城鎮(zhèn)污水處理率。

圖1 廬江縣水資源承載力量質(zhì)要素系統(tǒng)動力學模型Fig. 1 SD Model of Lujiang County subsystem

(3)調(diào)控依據(jù)。農(nóng)田灌溉定額、二產(chǎn)產(chǎn)值比重、萬元工業(yè)增加值用水量要素參考經(jīng)濟較為發(fā)達的省份的相關標準作為調(diào)控依據(jù)，對預測年份進行分階段調(diào)控。根劇FAO數(shù)據(jù)，當前世界單位耕地化肥施用量約120 kg/hm2[20]，以發(fā)達國家225 kg/hm2的安全上限作為單位農(nóng)田施肥量的調(diào)控依據(jù)。參考江蘇省沿江城市典型生活小區(qū)數(shù)據(jù)，城鎮(zhèn)人均產(chǎn)污系數(shù)約為：COD 60～100 g/(人·d)，氨氮4～8 g/(人·d)，以此作為人均COD、氨氮排放量的調(diào)控依據(jù)。農(nóng)村污水處理由于點源分散、成分復雜、排放不穩(wěn)定、缺少資金支持、技術體系不健全，處理率長期大幅落后于城市，根據(jù)《2017-2022年中國污水處理市場深度分析與發(fā)展前景研究報告》，農(nóng)村污水處理率2020年將達33.6%，以此作為農(nóng)村污水處理率調(diào)控依據(jù)。

(4)調(diào)控方法?！罢辉囼灧ā笔抢脭?shù)理統(tǒng)計學與正交性原理進行合理安排試驗的一種科學方法[21]。按照大系統(tǒng)正交試驗設計原理與方法以及調(diào)控依據(jù)，確定各調(diào)控指標水平數(shù)，即自變量離散化；再根據(jù)調(diào)控指標的個數(shù)，以及所選的水平，選擇合適的正交表來編制試驗方案，結合水資源承載力模擬預測模型，獲得試驗結果；最后對試驗結果按照極差分析法并結合研究的實際問題，進行分析處理，從而得出試驗結論，確定最佳方案。

2 應用實例

2.1 系統(tǒng)邊界和模型基準年的確定

本文研究對象是廬江縣的水資源承載力量質(zhì)要素，所確定的系統(tǒng)邊界為廬江縣全縣地理空間邊界。此系統(tǒng)邊界考慮了影響水資源承載力量質(zhì)要素的主要因素以及這些因素之間的相互作用和關系[22]。系統(tǒng)模型歷史基準年為2005年，預測基準年為2017年。歷史數(shù)據(jù)擬合時間段為2005-2016年，預測時間段為2017-2050年，模型設置模擬步長為1 a。

2.2 系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)來源

2.3 系統(tǒng)模型有效性檢驗

對水資源承載力系統(tǒng)模型檢驗主要是指歷史性檢驗，檢驗的時間段為2005-2016年，計算模型模擬值與歷史實際值之間的相對誤差，誤差小于20%認為模型是有效的，可以預測廬江縣2017-2050年水資源承載力量質(zhì)要素承載狀況。本文構建的模型變量眾多，從4個子系統(tǒng)模型中擬選取以下幾個變量檢驗模型擬合結果，擬合結果見表1。

由表1可知，總人口、COD排放量及氨氮排放量3個表征指標的模擬值與歷史實際值相對誤差都在10%以內(nèi)，擬合效果較好。總用水量這個表征值的模擬值與歷史實際值誤差相對較大，但都在允許誤差范圍內(nèi)。綜上表明，基于系統(tǒng)動力學的縣域水資源承載力模型(WCCPDR-SD)應用于廬江縣水資源承載力量質(zhì)要素的動態(tài)預測，其結果準確可信。

2.4 系統(tǒng)模型預測結果分析

通過對上述模型的運行，得到預測年份廬江縣水資源承載力系統(tǒng)中主要指標(總人口、總用水量、COD入河量、氨氮入河量)的變化趨勢如圖2所示。

2.4.1 主要指標變化趨勢

由圖2可知：廬江縣實際農(nóng)村人口在2015年突增，導致模型總人口突增，并出現(xiàn)峰值，其用水量、COD入河量和氨氮入河量也大幅增加并出現(xiàn)峰值；廬江縣人口呈增加趨勢，人口增長幅度較為緩慢，達到廬江縣“十三五”規(guī)劃目標；2017-2050年總用水量整體趨勢在增加，但增加幅度較?。凰|(zhì)方面所呈現(xiàn)的COD入河量為1 500～3 200 t，整體趨勢超過歷史年份均值2 051 t，呈上升趨勢，因為廬江縣農(nóng)村人口較多，面源COD排放量占比較大，而氨氮入河量趨勢有所下降，這是由于隨著工業(yè)廢水處理技術的提高，工業(yè)氨氮排放量有明顯下降。

表1 2005-2016年廬江縣水資源承載力指標擬合結果Tab.1 Fitting results of water resources carrying capacity index in Lujiang County from 2005 to 2016

注：H指歷史實際值，S指模擬值，E指相對誤差。

圖2 廬江縣水資源承載力量質(zhì)要素主要指標預測Fig.2 Prediction of main indicators of quantity and quality factors of water resources carrying capacity in Lujiang County

2.4.2 水量、水質(zhì)要素承載狀態(tài)預測

根據(jù)2.4.1得到的廬江縣總用水量、COD入河量及氨氮入河量預測值，結合不同水平年可利用水量、COD及氨氮納污能力分別計算廬江縣量質(zhì)要素承載狀態(tài)值，根據(jù)水量、水質(zhì)要素各單指標的評價標準，水量、水質(zhì)要素評價結果依據(jù)“短板法”得出，也就是取各單指標評價結果中的最不利的評價結果，即選取評價指標中最差的評價結果作為評價結果(如若一個指標的評價結果為超載、另一個指標的評價結果為嚴重超載，則評價結果判定為“嚴重超載”；若一個指標為超載、另一個指標為臨界超載，則評價結果判定為“超載”)。計算結果評價標準為：水量要素承載狀態(tài)值小于0.9為可載，0.9～1.0為臨界，1.0～1.2為超載，大于1.2為嚴重超載；水質(zhì)要素承載狀態(tài)值小于1.1為可載，1.1～1.2為臨界，1.2～3為超載，大于3為嚴重超載[23]。水量、水質(zhì)要素承載狀態(tài)值如圖3所示。

圖3表明，水量、水質(zhì)要素均劃分為4個等級，但水質(zhì)要素超載遠遠大于水量要素狀態(tài)。圖3(a)中，廬江縣預測年份水量要素多處于超載或臨界狀態(tài)，承載狀態(tài)值呈上升趨勢，但遠沒有達到嚴重超載狀態(tài)，這是因為廬江縣水資源充沛，且引調(diào)水能力較強；圖3(b)中，水質(zhì)要素多處于臨界或超載狀態(tài)，這是由于廬江縣是農(nóng)業(yè)大縣，農(nóng)業(yè)用水較多，農(nóng)田污染物排放較多，且廬江縣農(nóng)業(yè)人口占比很大，農(nóng)村污水處理率較低，導致水質(zhì)污染較為嚴重。同時可以看出，對于豐水年，水量要素承載狀態(tài)較好，水質(zhì)要素承載狀態(tài)較差，這是因為豐水年降水多，隨著降雨模數(shù)的增大，面源污染物入河量增多，從而對水質(zhì)造成影響。

圖3 廬江縣水量、水質(zhì)要素承載狀態(tài)預測Fig.3 Prediction of carrying state of water quantity and water quality elements in Lujiang County

以上結果表明，廬江縣預測年份用水量處于增加趨勢，可利用水量波動較為平穩(wěn)，水量要素承載狀態(tài)極易由臨界狀態(tài)轉為超載狀態(tài)；水質(zhì)要素由于污染物入河量的降低在2035-2050年有改善趨勢，但水體污染仍較為嚴重，且在2017-2035年間尤為嚴重，故廬江縣水資源承載力量質(zhì)要素急需加以調(diào)控改善以滿足社會生活、生產(chǎn)要求。

2.5 系統(tǒng)模型調(diào)控結果分析

2.5.1 水量要素調(diào)控

由1.2節(jié)可知，水量要素調(diào)控指標有3個，按照大系統(tǒng)正交試驗設計方法及調(diào)控依據(jù)，將3個調(diào)控因素分為5水平，農(nóng)田灌溉定額5個水平分別是(-35，-40，-45，-50，-55)，同理二產(chǎn)投資比重為(-0.01，-0.02，-0.03，-0.04，-0.05)，萬元工業(yè)增加值用水量為(-1，-2，-3，-4，-5)。根據(jù)L25(53)正交表編制試驗方案，代入廬江縣水資源承載力模擬預測模型中，計算出各試驗點對應的2035年、2050年廬江縣水資源承載力水量要素承載狀態(tài)值與1差值的絕對值，從而找出最優(yōu)方案。由上文可知，廬江縣水資源承載力水量要素在預測年間呈上升趨勢并在2044年達到峰值，故只需計算2044年，具體分析如下。

對于廬江縣水資源承載力水量要素承載狀態(tài)值來講，最優(yōu)方案為(-55，-0.05，-4)，相應的2035年、2050年廬江縣水量要素承載狀態(tài)值分別為0.731、0.939。廬江縣水資源承載力水量要素各調(diào)控指標及承載狀態(tài)值調(diào)控前后對比如圖4所示。

圖4 廬江縣水量要素承載狀態(tài)調(diào)控Fig.4 Regulation and control of carrying state of water quantity elements in Lujiang County

圖4表明：通過提高節(jié)水灌溉技術(農(nóng)田灌溉定額)、工業(yè)用水效率(萬元工業(yè)增加值用水量)，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構(二產(chǎn)投資比重)，能有效降低廬江縣水量要素承載狀態(tài)值；圖4中，廬江縣農(nóng)田灌溉定額由4 500～4 860 m3/hm2調(diào)控至3 675～3 810 m3/hm2，二產(chǎn)投資比重由0.45～0.47調(diào)控至0.42～0.45，萬元工業(yè)增加值用水量由32～40 m3/萬元調(diào)控至27～36 m3/萬元；圖4(c)顯示萬元工業(yè)增加值用水量相比其他調(diào)控指標調(diào)控幅度小得多，表明由于經(jīng)濟技術的發(fā)展，萬元工業(yè)增加值用水量在現(xiàn)狀年份已經(jīng)得到極大改善，調(diào)控閾值空間較小，但對水量要素承載狀態(tài)值的影響卻是最明顯的；圖4(d)表明經(jīng)調(diào)控后，廬江縣預測年份水資源承載力水量要素承載狀態(tài)均達到臨界可載狀態(tài)，滿足廬江縣水量要素需求。通過正交試驗優(yōu)化，在各調(diào)控因素閾值內(nèi)選取最佳方案使廬江縣2035年、2050年水量要素承載狀態(tài)分別達到了可載與臨界狀態(tài)。

2.5.2 水質(zhì)要素調(diào)控

由上文可知，水質(zhì)要素調(diào)控指標有6個，其中，農(nóng)村污水處理率、城鎮(zhèn)污水處理率為COD與氨氮的共同調(diào)控指標，由于COD超載更為嚴重，優(yōu)先調(diào)控COD承載狀態(tài)值。按照大系統(tǒng)正交試驗設計方法及調(diào)控依據(jù)，將COD的4個調(diào)控因素分為5水平，其中，城鎮(zhèn)污水處理率為(0.01，0.02，0.03，0.04，0.05)，農(nóng)村污水處理率為(0.02，0.06，0.12，0.16，0.18)，城鎮(zhèn)居民人均COD排放量為(-0.04，-0.06，-0.08，-0.1，-0.12)和農(nóng)村居民人均COD排放量為(-0.04，-0.06，-0.08，-0.1，-0.12)。對于廬江縣水資源承載力水質(zhì)(COD)要素承載狀態(tài)值來講，最優(yōu)方案為(0.05，0.18，-0.1，-0.08)，相應的2035年、2050年廬江縣水質(zhì)(COD)要素承載狀態(tài)值分別為1.132、1.083。

在COD調(diào)控的基礎上，2032年氨氮承載狀態(tài)仍未達到臨界，需對氨氮進一步調(diào)控。同理，將其分為5水平，農(nóng)村居民人均氨氮排放量為(-0.001，-0.002，-0.003，-0.004，-0.005)，城鎮(zhèn)居民人均氨氮排放量為(-0.001，-0.002，-0.003，-0.004，-0.005)。取方案(-0.004，-0.005)時，相應的2035年、2050年廬江縣水質(zhì)(氨氮)要素承載狀態(tài)值分別為1.121、0.914，均達到臨界或可載狀態(tài)，即為最佳方案。

綜上所述，對于廬江縣水資源承載力水質(zhì)要素承載狀態(tài)值來講，最優(yōu)方案為(0.05，0.18，-0.1，-0.08，-0.004，-0.005)，相應的2035年、2050年廬江縣水質(zhì)要素(COD、氨氮)承載狀態(tài)均達到臨界或可載狀態(tài)。

廬江縣水資源承載力水質(zhì)要素各調(diào)控指標及承載狀態(tài)值調(diào)控前后對比如圖5所示。

圖5表明：通過提高農(nóng)村污水處理率、城鎮(zhèn)污水處理率，降低人均COD、氨氮排放量，可以極大改善廬江縣水質(zhì)要素承載狀態(tài)；圖5中，城鎮(zhèn)居民人均COD排放量由0.65 t/(d·萬人)調(diào)控至0.55 t/(d·萬人)，農(nóng)村居民人均COD排放量由0.394 t/(d·萬人)調(diào)控至0.334 t/(d·萬人)，城鎮(zhèn)污水處理率由85%調(diào)控至90%，農(nóng)村污水處理率由22%調(diào)控至40%，城鎮(zhèn)居民人均氨氮排放量由0.065 t/(d·萬人)調(diào)控至0.06 t/(d·萬人)，農(nóng)村居民人均氨氮排放量由0.03 t/(d·萬人)調(diào)控至0.026 t/(d·萬人)；圖5中水質(zhì)要素各調(diào)控指標均依據(jù)廬江縣中長期規(guī)劃采用分階段調(diào)控，調(diào)控跨度為10 a；通過正交試驗優(yōu)化，在各調(diào)控因素閾值內(nèi)選取最佳方案使廬江縣2035年、2050年水質(zhì)要素承載狀態(tài)分別達到了臨界與可載狀態(tài)；圖5(g)、(h)表明經(jīng)調(diào)控后，廬江縣預測年份水資源承載力水質(zhì)要素承載狀態(tài)大都達到臨界或可載狀態(tài)，滿足廬江縣水質(zhì)要素需求，部分未達標年份可以繼續(xù)進行針對性調(diào)控。

圖5 廬江縣水質(zhì)要素承載狀態(tài)調(diào)控Fig.5 Regulation and control of carrying state of water quality elements in Lujiang County

3 結 論

(1)本文利用系統(tǒng)動力學方法應用在復雜問題的預測與調(diào)控上的優(yōu)勢，建立基于系統(tǒng)動力學的縣域水資源承載力量質(zhì)要素預測及定量調(diào)控模型(WCCPDR-SD)，構建WCCPDR-SD模型下人口系統(tǒng)、社會經(jīng)濟系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)、水環(huán)境污染系統(tǒng)的SD模型流圖。

(2)將WCCPDR-SD模型應用在廬江縣2017-2050年總人口、總用水量、COD排放量、氨氮排放量4個要素的預測，預測結果表明該模型用于影響縣域水資源承載力的相關要素預測結果較為精確。

(3)結合WCCPDR-SD模型，從診斷指標中篩選出量質(zhì)要素的調(diào)控指標，采用正交試驗進行分階段定量調(diào)控，調(diào)控結果顯示2035年、2050年廬江縣水資源承載力量質(zhì)要素均達到臨界或可載狀態(tài)。

(4)本文構建的WCCPDR-SD模型，對廬江縣規(guī)劃年(2017-2050年)的水資源承載力量質(zhì)要素進行預測與定量調(diào)控，為廬江縣政府實施最嚴格水資源管理制度、加強水資源管理、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局、提高水資源利用效率提供決策依據(jù)。