關雪樺,陳志和,葉智恒

(1.中山大學土木工程學院，廣東 珠海 519082; 2.中山大學地理科學與規(guī)劃學院，廣東 廣州 510275)

水是維持區(qū)域社會經濟可持續(xù)發(fā)展的重要資源，亦是區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的控制性要素[1]。隨著人口的增長與經濟的發(fā)展，水資源短缺、水環(huán)境惡化的問題愈發(fā)突出[2-3]，嚴重制約著區(qū)域經濟社會發(fā)展。如何實現(xiàn)水資源的開發(fā)利用與經濟社會的協(xié)調發(fā)展已成為研究熱點[4]。目前，已有學者從不同角度開展了水資源開發(fā)利用與經濟社會發(fā)展耦合研究，為制定區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略與實施規(guī)劃提供了科學依據(jù)。李敏等[5]模擬分析了云南省水價、水利技術等條件的變化對經濟社會的影響，指出緩解水資源供需矛盾的方法；盧超等[6]探究了水資源承載力約束下小城鎮(zhèn)經濟變化的趨勢，提出構建節(jié)水型社會的建議；Kotir等[7]建立了系統(tǒng)動力學(system dynamics， SD)模型以探索水資源與農業(yè)生產之間的相互作用；焦士興等[8]分析了河南省各市城鎮(zhèn)化與水資源系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展狀況,為提高城市發(fā)展質量提供了新思路。然而，傳統(tǒng)的研究多為評估特定情景下區(qū)域水資源系統(tǒng)的變化趨勢，但由于情景的設計往往基于經驗估計，且特定情景存在可操作性不強的問題[9]，導致了水資源管理方案的實施效果不佳。對水資源系統(tǒng)進行敏感性分析以識別關鍵參數(shù)是制定有效管理政策的重要步驟，對實現(xiàn)協(xié)調可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實指導意義[10]。

本文運用SD理論，綜合經濟社會、水質、水量等要素構建SD模型，以中山市為例，模擬快速發(fā)展背景下水資源系統(tǒng)的變化趨勢，并在此基礎上采用熵權TOPSIS(technique for order preference by similarity to an ideal solution)模型對水資源系統(tǒng)進行敏感性分析，尋找對水質、水量以及經濟社會綜合影響最深的參數(shù)，以期為區(qū)域水資源管理者決策提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

中山市位于廣東省中南部，處于粵港澳大灣區(qū)的中心地帶，全境位于東經113°09′～113°46′、北緯22°11′～22°47′，總面積為1 800.14 km2。2000年以來，中山市形成了有較強競爭力的產業(yè)鏈和產業(yè)群，經濟社會持續(xù)快速發(fā)展。2018年，中山市地區(qū)生產總值為3 632.7億元，同比增長5.9%；常住人口331萬人，同比增長0.962%；城鎮(zhèn)化率為88.35%。

中山市屬亞熱帶季風氣候，雨量充沛，水資源量豐富，多年平均降水量為1 710.3 mm，平均水資源總量17.38億m3(不含過境水)，多年平均入境水與過境水資源量分別為2 662.94億m3和2 678.92億m3。中山市現(xiàn)供水能力為168 619萬m3/a，但其水資源主要依賴上游過境水量，且市內蓄水工程少，調蓄能力不強，應對污染事故等突發(fā)事件和水質性缺水狀況的能力受到限制。在水質方面，根據(jù)2018年水質監(jiān)測成果，中山市主要大江大河水質較好，但城市內河石岐河水質不達標(劣Ⅴ類)，主要是溶解氧、氨氮超標；長江水庫為Ⅲ類水質，超標項目為總氮。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的人口、GDP、三產比例等社會經濟數(shù)據(jù)來源于2005—2018年《中山市統(tǒng)計年鑒》；用水量、需水量、用水定額等數(shù)據(jù)則來源于2005—2018年《中山市水資源公報》；GDP、人口預期增長率、產業(yè)比例目標以及城鎮(zhèn)化率目標根據(jù)國民經濟規(guī)劃、城市總體規(guī)劃綜合確定：中山市2020年和2030年GDP預期增長率分別為7.7%和5.0%，第一、二、三產業(yè)比例目標分別為1.6∶46.1∶52.3和1.2∶43.8∶55.0，人口預期增長率均為1.0%，城鎮(zhèn)化率目標分別為89.13%和91.0%。

2 研究方法

2.1 中山市水資源SD模型

SD模型設定模擬時間為2005—2040年，其中2005—2018年作為模型驗證，基準年為2005年，時間間隔為1 a。

2.1.1因果關系圖建立

在建模過程中，根據(jù)對系統(tǒng)的分析結果，確定系統(tǒng)內部主要變量之間的反饋關系[11]，見圖1。其中，藍線代表同向影響，如農業(yè)需水量的增加將導致需水總量的增加；紅線代表反向影響，如污染物入河量的增加將導致水環(huán)境容量余量減少。

圖1 主要變量的反饋關系

2.1.2模型結構劃分及系統(tǒng)流圖

結合收集到的相關信息以及中山市的實際情況，將中山市水資源系統(tǒng)劃分為6個子系統(tǒng)。6個子系統(tǒng)彼此相對獨立，但是在整個大系統(tǒng)中密不可分。運用SD專用建模軟件Vensim-DSS構建了中山市水資源SD模型，其系統(tǒng)流圖如圖2所示。圖2中狀態(tài)變量是隨時間變化的積累量；速率變量是表示累積效應變化快慢的變量；影子變量是繪圖時調用的模型中另一子系統(tǒng)已定義的變量；〈Time〉為時間變量，用于確定變量與時間的表函數(shù);其他輔助變量是系統(tǒng)中的信息量。

(a) 農業(yè)需水子系統(tǒng)

a.農業(yè)需水子系統(tǒng)。農業(yè)需水包括農田灌溉需水、林果地灌溉需水、魚塘補水和牲畜需水。本文根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析農田灌溉用水毛定額、林果地灌溉用水毛定額、魚塘補水毛定額和牲畜用水毛定額，結合全市農田有效灌溉面積、林果灌溉地面積、魚塘補水面積、牲畜頭數(shù)等，采用用水定額法計算求得農業(yè)需水量。

b.廢污水子系統(tǒng)。中山市的廢污水主要來源于城鎮(zhèn)綜合生活廢污水、工業(yè)廢污水和農業(yè)廢污水。

c.生活綜合需水子系統(tǒng)。生活綜合需水量包括城鎮(zhèn)生活需水量、農村生活需水量、城鎮(zhèn)公共需水量和城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境需水量。前兩者主要采用人均日用水定額方法求得，城鎮(zhèn)公共需水量和城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境需水量則分別采用萬元產業(yè)增加值用水定額法、面積定額法計算求得。

d.水資源供需子系統(tǒng)。中山市供水主要來源于地表水和地下水，同時利用雨水、咸淡水和再生水以供給非生活綜合需水的其他方面需水。

e.工業(yè)需水子系統(tǒng)。工業(yè)需水量包括一般工業(yè)需水量和火核電冷卻需水量。其中火核電冷卻需水量通過表函數(shù)形式表示；一般工業(yè)需水量則采用用水定額法計算；根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析中山市萬元工業(yè)(不含火電)增加值用水量的變化趨勢，結合一般工業(yè)增加值的計算，得到一般工業(yè)需水量。

f.水環(huán)境子系統(tǒng)?？紤]指標的代表性與可得性，本文研究的污染物為氨氮和化學需氧量(COD)。城鎮(zhèn)綜合生活和工業(yè)產生的污染物入河量根據(jù)城鎮(zhèn)綜合生活和工業(yè)廢污水的排放量，結合處理率、達標率、處理前后的排放濃度等指標求得；對農田污染物采用源強系數(shù)計算方法，對牲畜養(yǎng)殖業(yè)通過排水系數(shù)、排放濃度等指標計算其入河污染物。

模型涉及的主要方程如下：

a.供水總量為

(1)

式中：ST為供水總量，m3；LS為用水總量限制標準，m3；CS常規(guī)供水能力，m3。

b.一般工業(yè)需水量為

DGI=DAIAI

(2)

式中：DGI為一般工業(yè)需水量，m3；DAI為萬元工業(yè)(不含火電)增加值用水量，m3/萬元；AI為一般工業(yè)增加值，萬元。

c.工業(yè)需水量為

DI=DGI(1-RPR+RCR)-DIN(RC-RP)+DTP

(3)

式中：DI為工業(yè)需水量，m3；RPR為規(guī)劃工業(yè)用水重復利用率，%；RCR為現(xiàn)狀工業(yè)用水重復利用率，%；DIN為非自備水源工業(yè)取水量，m3；RC為現(xiàn)狀管網綜合漏失率,%；RP為規(guī)劃管網綜合漏失率，%；DTP為火核電冷卻需水量，m3。

d.農業(yè)需水量為

DA=DC+DW+DF+DL

(4)

式中：DA為農業(yè)需水量，m3；DC為農田需水量，m3；DW為林果地需水量，m3；DF為漁業(yè)需水量，m3；DL為牲畜需水量，m3。

e.生活綜合需水量為

DD=DAD+(DUD+DUP)(1-RC+RP)+DUE

(5)

式中：DD為生活綜合需水量，m3；DAD為農村生活需水量，m3；DUD為城鎮(zhèn)生活需水量，m3；DUP為城鎮(zhèn)公共需水量，m3；DUE為城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境需水量，m3。

f.需水總量為

DT=DA+DI+DD-DR

(6)

式中：DT為需水總量，m3；DR為非常規(guī)水資源開發(fā)利用量，m3。

g.氨氮總入河量為

WTNH3-N=WANH3-N+WUNH3-N+WINH3-N-WRNH3-N

(7)

式中：WTNH3-N為氨氮總入河量，t；WANH3-N為農業(yè)產生的氨氮入河量，t；WUNH3-N為城鎮(zhèn)生活產生的氨氮入河量，t；WINH3-N為工業(yè)產生的氨氮入河量，t；WRNH3-N為再生水回用減少的氨氮入河量，t。

h.COD總入河量為

WTCOD=WACOD+WUCOD+WICOD-WRCOD

(8)

式中：WTCOD為COD總入河量，t；WACOD為農業(yè)產生的COD入河量，t；WUCOD為城鎮(zhèn)生活產生的COD入河量，t；WICOD為工業(yè)產生的COD入河量，t；WRCOD為再生水回用減少的COD入河量，t。

2.1.3模型參數(shù)的取值

模型2018年主要參數(shù)取值為：咸淡水再生水利用量、火核電冷卻需水量分別為24 112萬m3和 6 800萬m3，萬元工業(yè)(不含火電)增加值用水量、城鎮(zhèn)公共用水定額分別為19 m3/萬元和8.46 m3/萬元，城鎮(zhèn)生活污水處理率、規(guī)劃管網綜合漏失率、規(guī)劃工業(yè)用水重復利用率分別為85%、12.18%和26.39%，農村人均用水定額、城鎮(zhèn)人均用水定額分別為136 L/d和165 L/d,污水處理廠COD排放質量濃度、氨氮排放質量濃度分別為60 mg/L和8 mg/L，牲畜用水定額為11.26 L/(d·頭)，環(huán)衛(wèi)用水定額為2.1 L/(m2·d)，農田灌溉用水毛定額、林果地灌溉用水毛定額、魚塘補水毛定額分別為10 680.00 m3/hm2、4 222.95 m3/hm2和9 726.60 m3/hm2。

2.1.4模型驗證

為了驗證模型的運行結果是否符合實際情況，對模型進行歷史性檢驗。對比分析中山市2005—2018年模型模擬結果與實際數(shù)據(jù)(表1)可知：在所選取的變量中，生活綜合需水量模擬值的相對誤差較大，但超過10%的年份較少，其他變量模擬值的相對誤差都在10%以下，大部分在5%以內?？偟膩碚f，模型的模擬結果有效地反映了實際情況，具有較高的可信度。

2.2 熵權TOPSIS評價模型的構建

2.2.1指標體系的選取

保護資源與環(huán)境是可持續(xù)發(fā)展的前提，為促進水資源開發(fā)利用與經濟社會的協(xié)調發(fā)展，本文選取了水資源供需比、COD水環(huán)境承載系數(shù)、氨氮水環(huán)境承載系數(shù)和GDP作為評價指標。其中，水資源供需比為實際可供水量與經濟社會發(fā)展需水量的比值，實際可供水量根據(jù)最嚴格水資源管理制度中用水總量限制標準確定；COD和氨氮水環(huán)境承載系數(shù)分別為COD和氨氮水環(huán)境容量與污染物入河量的比值。該指標評價體系遵循了系統(tǒng)性原則，表征了資源利用目標、環(huán)境目標以及經濟目標3個層面[12-13]，具有一定的代表性。

2.2.2評價方法

TOPSIS法是根據(jù)評價對象與理想方案的接近程度進行排序的評價方法，具有計算過程靈活方便、評價結果合理等優(yōu)點[14-15]，而熵權法是根據(jù)指標原始數(shù)據(jù)確定權重的一種客觀賦值方法，將其與TOPSIS法結合，可克服TOPSIS進行評價具有主觀性這一缺點[16-17]，能夠客觀評價不同方案對中山市水資源系統(tǒng)的影響。

熵權法的主要計算步驟為：

步驟1假定有m個評價對象，每個評價對象有n個評價指標，利用評價對象的不同評價指標的實測值構造判斷矩陣。

步驟2將實測值構成的判斷矩陣進行歸一化處理，正向和負向指標歸一化公式分別為

(9)

(10)

式中:xij為評價對象i的評價指標j的實測值；xjmax、xjmin分別為評價指標j對應的不同評價對象的最滿意與最不滿意的值。

步驟3計算各評價指標的熵值：

(11)

其中

(12)

式中Hj為評價指標j的熵值。

步驟4計算各評價指標的權重：

(13)

式中wj為評價指標j的權重。

TOPSIS模型綜合評價法的主要計算步驟為：

步驟1數(shù)據(jù)同趨勢化與無量綱化。通過反比將負向指標數(shù)據(jù)正向化，將正向化處理后的數(shù)據(jù)按下式進行無量綱化處理，即得到無量綱決策矩陣Z=(zij)m×n：

(14)

式中vij為正向化后評價對象i的評價指標j的值。

(15)

(16)

(17)

(18)

步驟4確定接近度Ci：

(19)

Ci值越接近于1說明該對象與最佳方案越靠近，即對象相對最優(yōu)，最終按各對象接近度大小進行排序。

3 結果與分析

3.1 常規(guī)發(fā)展模式模擬

常規(guī)發(fā)展模式，即假定中山市維持現(xiàn)狀供用水水平、節(jié)水強度和污水治理力度等，經濟社會指標按照現(xiàn)行的城市總體布局和發(fā)展規(guī)劃確定，不采取任何水資源管理措施的發(fā)展模式。在Vensim-DSS中運行所建立的中山市水資源SD模型，模擬常規(guī)發(fā)展模式下中山市2019—2040年的水資源供需、經濟社會以及水環(huán)境狀況的變化趨勢，結果如圖3所示。

(a) GDP

在常規(guī)發(fā)展模式下，中山市未來的GDP將持續(xù)增長，2020年、2030年和2040年GDP分別為 4 093.43億元、7 631.64億元和12 237.70億元；2020—2030年、2030—2040年GDP年均增長率分別為6.43%、4.84%，發(fā)展速度逐步放緩。中山市的需水總量持續(xù)增加，到2034年需水總量將達到14.93億m3，屆時將超過中山市供水總量，缺水量為0.42億m3；到2040年，缺水量將達到4.02億m3，水資源供需比僅為0.78。中山市的水環(huán)境承載系數(shù)將持續(xù)下降，2035年，中山市將出現(xiàn)COD水環(huán)境容量不足現(xiàn)象，COD水環(huán)境承載系數(shù)為0.98，至2040年，COD水環(huán)境承載系數(shù)將下降至0.80；氨氮污染則更為嚴重，2020年氨氮入河量為3 869 t，已超過中山市氨氮水環(huán)境容量315 t，且隨著時間的推移，污染愈發(fā)嚴重，2030年和2040年氨氮水環(huán)境承載系數(shù)僅為0.57和0.38。

3.2 敏感性分析

在常規(guī)發(fā)展模式下，中山市的水資源問題愈發(fā)突出，將影響中山市的可持續(xù)發(fā)展，亟須制定水資源管理方案。為尋找對水資源系統(tǒng)影響顯著的參數(shù)，為水資源管理提供方向，本文設計不同方案對水資源系統(tǒng)進行敏感性分析。

3.2.1方案設計及模擬結果分析

根據(jù)最嚴格水資源管理制度設立的目標及不同學者對華南河網地區(qū)水資源問題的研究[18]，本文初步設計了12個方案進行參數(shù)敏感性分析。方案設計的基本思路為：在常規(guī)發(fā)展模式的基礎上，每個參數(shù)2030年的具體數(shù)值向有利于水資源系統(tǒng)發(fā)展的方向改變10%，且每次只變動1個參數(shù)。所選方案涵蓋了水量調整與水質管控兩個方面，且參數(shù)變化范圍不大，具有一定的代表性與可行性。運行所建立的SD模型，得到不同方案下目標變量的變動情況。方案的具體設計及模擬結果如表2所示。

表2 方案設計及目標變量模擬結果

在緩解水資源供需矛盾方面，方案8取得最優(yōu)效果，2030年和2040年水資源供需比較常規(guī)發(fā)展模式分別提高4.9%和5.5%。在促進GDP增長方面，方案4為最優(yōu)方案，2030年和2040年GDP分別達到7 639.34億元和12 275.1億元，較常規(guī)發(fā)展模式分別增加7.7億元和37.4億元。在改善水質方面，方案4能同時提高了COD與氨氮水環(huán)境承載系數(shù)，是最有利于改善水環(huán)境質量的方案；而方案2和方案3僅能提高COD和氨氮水環(huán)境承載系數(shù)中的一個指標，不能系統(tǒng)地改善水環(huán)境質量。

3.2.2熵權法TOPSIS模型綜合評價結果分析

由以上分析可知，同一方案能對其中個別指標產生明顯作用而對另外指標影響較小。為衡量不同參數(shù)變化對整個水資源系統(tǒng)的影響，本文運用熵權TOPSIS模型進行綜合評價并排序，從而得出優(yōu)選方案。

根據(jù)中山市2005—2018年歷史數(shù)據(jù)，利用熵權法對所選指標賦權。賦權結果為：水資源供需比、COD水環(huán)境承載系數(shù)、氨氮水環(huán)境承載系數(shù)、GDP的權重分別為0.338、0.239、0.227、0.196。在所構建的指標體系中，水資源供需比所占權重最大，水環(huán)境承載系數(shù)次之，而經濟社會所占權重最少，賦權結果與珠江三角洲其他城市水資源承載力計算中指標賦權的結果相近[19-20]，是合理且可靠的。

利用熵權TOPSIS模型對方案進行綜合評價。分別計算2030年和2040年各方案與最優(yōu)解的接近度，根據(jù)接近度進行排序，如表3所示。

表3 方案綜合評價結果

根據(jù)2030年綜合評價結果，方案8對中山市水資源系統(tǒng)的綜合影響最大，為所有方案中的最優(yōu)方案。方案8能有效促進工業(yè)節(jié)水，在減少需水量的同時減少相應的污染物排放量，延緩水環(huán)境惡化；而水資源供需矛盾減緩、水環(huán)境的改善又將作用于經濟社會系統(tǒng)，促使GDP增速提高。方案8對4個指標的改善均發(fā)揮明顯作用，故對整個水資源系統(tǒng)產生顯著影響，適用于調整中山市水資源管理政策。方案4能減少入河污染物的排放，有效改善水環(huán)境質量且促進GDP的增長，但該參數(shù)的調節(jié)對水量影響甚少，故對綜合指標的影響低于方案8。方案11與方案12調整了城鎮(zhèn)用水量，在減少用水量的同時也減少了污染物的排放，GDP增長速度也有所提高。從上述分析可以看出，控制用水量更容易促使系統(tǒng)達到全面平衡的狀態(tài)，但控制不同部門的用水也會得到不同的效果，如方案5對系統(tǒng)的綜合影響劣于方案8和方案11。

對比2030年和2040年的排序結果，12個調整方案對近、遠期的影響程度有一定的區(qū)別。如方案5在2030年和2040年排名分別為第7和第10，表明減少農業(yè)用水定額對水資源系統(tǒng)近期影響較大，但隨著時間的推移，其影響將會有所降低；方案7的效果則相反，表明工業(yè)用水重復利用率的提高對近期的影響較小，但隨著時間推移，其影響會更加顯著。2030年和2040年排在前50%的方案大體相同，但為了使水資源管理政策更加適合長遠的發(fā)展，需重視遠期作用更加明顯的參數(shù)調整方案，如工業(yè)用水重復利用率的提高。水資源的管理不僅應著眼于當下，更應放眼未來，從而促使城市可持續(xù)發(fā)展。

4 結 論

a.常規(guī)發(fā)展模式下，中山市水資源供需矛盾逐漸凸顯，水環(huán)境惡化愈發(fā)嚴重。

b.萬元工業(yè)(不含火電)增加值用水量的減少對水資源系統(tǒng)的影響最大，相應的方案適用于調整中山市水資源管理政策。

c.控制用水量更容易促使水資源系統(tǒng)達到全面平衡的狀態(tài)，有助于實現(xiàn)經濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

d.不同方案對近期及遠期的影響不盡相同，為了使水資源管理政策更適合長遠的發(fā)展，決策者應重視遠期作用更為明顯的參數(shù)調整方案。