武昕藝，張文星，姜平平，白妙馨*，張一心

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)受損環(huán)境鑒定與修復(fù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000；2.內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

提要：本文以岱海流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，采用AHP—熵權(quán)法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型與耦合協(xié)調(diào)度模型，對(duì)該流域2018年的水環(huán)境承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并預(yù)測(cè)至2025年的情況。結(jié)果表明，2018年岱海流域水環(huán)境承載力處于紅色巨警狀態(tài)，水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的耦合協(xié)調(diào)度為極度失調(diào)狀態(tài)。設(shè)置4種情景方案對(duì)2019—2025年進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示各方面的指標(biāo)均為最優(yōu)，水環(huán)境承載力及耦合協(xié)調(diào)度相較于2018年均有顯著提升。

引言

水環(huán)境承載力的定量評(píng)價(jià)有助于深入理解其內(nèi)涵和加強(qiáng)實(shí)際應(yīng)用。利用指標(biāo)評(píng)價(jià)法和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)兩者結(jié)合可以解決區(qū)域水環(huán)境承載力的定性和定量評(píng)價(jià)問(wèn)題，并可以對(duì)未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的模擬。社會(huì)與環(huán)境之間相互促進(jìn)是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵，利用耦合協(xié)調(diào)度模型進(jìn)行定量分析，能夠更好地評(píng)判兩者之間的協(xié)調(diào)程度[1]。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

岱海是內(nèi)蒙古自治區(qū)三大內(nèi)陸湖之一。流域總面積2 312.7 km2。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著工農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)以及地下水的過(guò)量開(kāi)采，岱海面積逐年萎縮，2018年縮減至55.5 km2，在區(qū)域氣候變化和人類活動(dòng)的綜合作用下，岱海的生態(tài)危機(jī)日趨嚴(yán)峻。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定及承載力計(jì)算

岱海流域水環(huán)境承載力指標(biāo)體系的構(gòu)建，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境現(xiàn)狀和數(shù)據(jù)可獲得性，由社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)和水環(huán)境子系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)建指標(biāo)體系，選取頻率較高的18項(xiàng)指標(biāo)，完成岱海流域水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，指標(biāo)分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)，見(jiàn)表1。

本研究采用AHP-熵權(quán)法組合賦權(quán)，有效避免各指標(biāo)重要性和極值的影響帶來(lái)的誤差，計(jì)算所得各指標(biāo)權(quán)重。研究涉及到數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)年鑒》《烏蘭察布市統(tǒng)計(jì)年鑒》《烏蘭察布市水資源公報(bào)》以及烏蘭察布市環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)中采用標(biāo)準(zhǔn)化法消除各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)不同維度、單位和量級(jí)的影響，確定各指標(biāo)得分，再與對(duì)應(yīng)權(quán)重乘積求和得到水環(huán)境承載力指數(shù)值[2]。參照文件將水環(huán)境承載力狀態(tài)分為3級(jí)5色，分別是紅色巨警～超載[0～0.2），橙色重警超載[0.2～0.4），黃色中警臨界超載[0.4～0.6）綠色輕警臨界超載[0.6～0.8）和藍(lán)色無(wú)警不超載[0.8～1]。

1.3 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型首先要確定指標(biāo)性質(zhì)，再確定各指標(biāo)之間的邏輯關(guān)系，接下來(lái)通過(guò)建立數(shù)學(xué)方程定量描述指標(biāo)之間的關(guān)系[3]，最后將流程圖和數(shù)學(xué)方程輸入vensim軟件中，對(duì)不同方案進(jìn)行策略模擬，對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)變量進(jìn)行預(yù)測(cè)[3]。本次研究以岱海流域?yàn)橄到y(tǒng)邊界，時(shí)間邊界為2010—2025年，基準(zhǔn)年為2018年，模擬時(shí)間間隔為一年，其中2019—2025年為模擬預(yù)測(cè)年份，見(jiàn)圖1。

圖1 岱海流域水環(huán)境承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流程圖

1.4 耦合協(xié)調(diào)度模型

耦合協(xié)調(diào)度可以全面反映出社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水環(huán)境之間的關(guān)系，分析兩系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)水平[4]為明確兩系統(tǒng)的內(nèi)部協(xié)調(diào)程度，根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，劃分耦合協(xié)調(diào)度為極度失調(diào)（0～0.9），嚴(yán)重失調(diào)（0.1～0.19），中度失調(diào)（0.2～0.29），輕度失調(diào)（0.3～0.39）瀕臨失調(diào)（0.4～0.49），勉強(qiáng)協(xié)調(diào)（0.5～0.59），初級(jí)協(xié)調(diào)（0.6～0.69），中度協(xié)調(diào)（0.7～0.79），良好協(xié)調(diào)（0.8～0.89），優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)（0.9～1）。

2 結(jié)果與討論

將歷史數(shù)值輸入模型中進(jìn)行模擬，將模擬數(shù)值與實(shí)際數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，本次研究對(duì)人口、GDP、第三產(chǎn)業(yè)GDP三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，相對(duì)誤差均在±10%以內(nèi)，證明模型可行有效。本研究設(shè)計(jì)了基準(zhǔn)方案、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)型、環(huán)境保護(hù)型和協(xié)調(diào)發(fā)展型4種方案進(jìn)行比較研究。

2.1 水環(huán)境承載力評(píng)價(jià)分析

經(jīng)計(jì)算，2018年岱海流域水環(huán)境承載力指數(shù)為0.183 0，處于超載紅色巨警狀態(tài)。

經(jīng)模擬4種情境下的人口和GDP情況如圖2所示，除經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)型的人口呈現(xiàn)上升趨勢(shì)外，其余3類模擬方案人口均為下降趨勢(shì)。

2018年底岱海流域周邊常住人口為170 080人，城鎮(zhèn)化率為39.52%，與往年相比，總?cè)丝诩吧钣盟砍氏陆第厔?shì)。而自2020年起由于疫情影響，岱海流域周邊人口流動(dòng)將大幅減少，按照現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)，至2025年，岱海流域人口總數(shù)僅為96 836人。人口是制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，人口的數(shù)量和素質(zhì)決定著區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的速度和結(jié)構(gòu)，如若不對(duì)人口增長(zhǎng)率進(jìn)行調(diào)控，必然會(huì)影響岱海流域未來(lái)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與社會(huì)穩(wěn)定。

區(qū)域GDP越高，在一定程度上代表著更高的環(huán)保意識(shí)，同時(shí)也會(huì)促進(jìn)科技的進(jìn)步以達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。與此同時(shí)，要加快調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，推廣環(huán)境友好型產(chǎn)業(yè)，消減對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重的部分產(chǎn)業(yè)。2010～2018年間，岱海流域GDP始終處于穩(wěn)定上升的狀態(tài)，近些年第一、二產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)緩慢，工業(yè)甚至出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)的情況，第三產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)率較高，2018年達(dá)到了14%，未來(lái)在保證第三產(chǎn)業(yè)的前提下，可以適當(dāng)增加第一、二產(chǎn)業(yè)，以促進(jìn)整個(gè)流域的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。

岱海的湖面面積從1974年以來(lái)，一直呈現(xiàn)萎縮趨勢(shì)，流域水資源量降低了近80%[5]。雖然近年來(lái)用水量一直在下降，地方政府也出臺(tái)多舉措保護(hù)水資源，對(duì)水資源的不斷減少有一定程度的減緩，但湖面萎縮及水資源消耗的形勢(shì)依然嚴(yán)峻。

2018年，岱海流域的COD、氨氮和總磷的入湖量分別為1 983.75 t、83.94 t和18.40 t，相較往年來(lái)說(shuō)有一定程度的下降，但湖區(qū)污染情況依舊嚴(yán)峻。目前岱海流域已無(wú)排污口和漁業(yè)養(yǎng)殖，未來(lái)主要考慮控制面源污染以控制污染物排放。

近年來(lái)對(duì)岱海流域的治理力度逐漸加大，未來(lái)流域的水環(huán)境質(zhì)量將逐漸提升。為了探尋更適宜岱海流域的環(huán)保之路，模擬了4種情景，并進(jìn)行比較研究，4種情境下的人口和GDP的情況如圖2所示，除經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)型的人口呈現(xiàn)上升趨勢(shì)外，其余3類模擬方案人口均為下降趨勢(shì)，基準(zhǔn)方案下人口下降速度最快，而人口數(shù)量過(guò)低會(huì)限制GDP的增長(zhǎng)，因此，需要采取措施減緩人口的下降速度。

4種情景方案模擬的GDP均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，除環(huán)境保護(hù)型之外的3種方案GDP的增長(zhǎng)差距并不大，表明協(xié)調(diào)發(fā)展型方案在保護(hù)水環(huán)境的情況下，并不會(huì)限制GDP的增長(zhǎng)。4種情景方案模擬的GDP均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，如圖3所示。

圖3 不同方案下水環(huán)境承載力變化對(duì)比

除了經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)型方案的水環(huán)境承載力上升緩慢之外，其它三種方案的水環(huán)境承載力都有大幅度的提升。由于近年來(lái)當(dāng)?shù)匾呀?jīng)制定實(shí)施了多項(xiàng)水環(huán)境保護(hù)政策方案，基準(zhǔn)方案也呈現(xiàn)不斷上升趨勢(shì)，到2025年水環(huán)境承載力能夠達(dá)到0.630 4，但基準(zhǔn)方案模擬中的人口下降過(guò)快。環(huán)境保護(hù)型在短期內(nèi)提升明顯，到2025年僅為0.598 1，預(yù)警狀態(tài)仍為中警。

經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)型的水環(huán)境承載力提升最為緩慢，到2025年經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)型的水環(huán)境承載力僅能達(dá)到0.327 9。與上述3種方案相比，協(xié)調(diào)發(fā)展型的優(yōu)勢(shì)明顯，水環(huán)境承載力優(yōu)于其它方案，至2025年可以達(dá)到0.666 0，且人口與經(jīng)濟(jì)更符合實(shí)際情況。

2.2 耦合協(xié)調(diào)度分析

2018年的水環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的耦合協(xié)調(diào)度為0.082 4，處于極度失調(diào)的狀態(tài)。對(duì)不同指標(biāo)進(jìn)行調(diào)控之后，得到的岱海流域不同模擬方案下的水環(huán)境—經(jīng)濟(jì)社會(huì)耦合協(xié)調(diào)度，如圖4所示，各模擬方案均呈現(xiàn)上升狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)型與環(huán)境保護(hù)型到2025年的耦合協(xié)調(diào)度僅為0.362 7和0.399 9，都仍處于失調(diào)的狀態(tài)。而協(xié)調(diào)發(fā)展型的耦合協(xié)調(diào)度到2025年提升至0.530 5，達(dá)到了勉強(qiáng)協(xié)調(diào)的類型，表明僅注重經(jīng)濟(jì)或環(huán)境的某一方面，難以達(dá)到協(xié)調(diào)的狀態(tài)，要認(rèn)清經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)兩者同等重要的作用，在保證經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)發(fā)展的前提下，不斷提升水環(huán)境質(zhì)量及兩系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)程度。

圖4 不同方案下耦合協(xié)調(diào)度變化對(duì)比

未來(lái)要制定一定的政策吸引人口遷移，將岱海流域的總?cè)丝跀?shù)維持在一定的水平，提高城鎮(zhèn)化水平，以保證經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和社會(huì)的穩(wěn)定，可以適當(dāng)增加對(duì)農(nóng)業(yè)和工業(yè)的投資，保證經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)。

在水資源利用方面，應(yīng)保證不從岱海中取水，維持其湖面面積，并增加生態(tài)補(bǔ)水量，爭(zhēng)取湖面面積正增長(zhǎng)。水環(huán)境保護(hù)方面，目前岱海流域已無(wú)點(diǎn)源污染，主要污染源為農(nóng)村生活及農(nóng)業(yè)的面源污染，因此，在岱海流域內(nèi)建設(shè)管網(wǎng)和農(nóng)村污水處理廠，升級(jí)農(nóng)村污水處理設(shè)施是非常有必要的。應(yīng)積極學(xué)習(xí)采取新工藝新技術(shù)實(shí)現(xiàn)污染物減排。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究結(jié)合AHP-熵權(quán)法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、耦合協(xié)調(diào)模型，對(duì)岱海流域水環(huán)境承載力進(jìn)行了綜合模擬和評(píng)價(jià)，主要得到的結(jié)論如下：

2018年的水環(huán)境承載力指數(shù)為0.183 0，為超載紅色預(yù)警狀態(tài)，耦合協(xié)調(diào)度指數(shù)為0.082 4，屬于極度失調(diào)的類型，結(jié)果表明岱海流域的水環(huán)境問(wèn)題亟待解決。

由于目前已經(jīng)采取諸多措施來(lái)改善流域環(huán)境，由模擬結(jié)果表明，保持目前的發(fā)展趨勢(shì)，水環(huán)境承載力也會(huì)逐漸轉(zhuǎn)好，但基準(zhǔn)方案的人口總數(shù)減少過(guò)大，與實(shí)際情況可能出現(xiàn)不匹配的情況，人口數(shù)量過(guò)少極大概率會(huì)影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長(zhǎng)，因此，并不是最適宜的發(fā)展道路。

如若只強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，水環(huán)境承載力和耦合協(xié)調(diào)度的數(shù)值到2025年都為方案中的最低值。環(huán)境保護(hù)型也能較好地改善水環(huán)境承載力，但過(guò)度注重環(huán)境保護(hù)會(huì)限制經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，協(xié)調(diào)度也會(huì)受到影響。相比之下協(xié)調(diào)發(fā)展型各方面的指標(biāo)均為最優(yōu)，因此，正確認(rèn)識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與水環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系，才是適合岱海流域水生態(tài)環(huán)境的最佳方案。