安敏 ，黃小康，賈立敏，黃進(jìn)，董曉華

（1.三峽大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

城市是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主體，也是高質(zhì)量發(fā)展的空間載體，城市高質(zhì)量發(fā)展不僅包括經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還包括生態(tài)環(huán)境的有效保護(hù)。水資源作為城市生產(chǎn)生活的必需品，一旦受到污染會(huì)對(duì)城市生活環(huán)境造成嚴(yán)重危害，這將成為城市高質(zhì)量發(fā)展的限制因素。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展得到快速提升，伴隨城鎮(zhèn)人口和工廠數(shù)量的增長(zhǎng)，城市污水排放量也迅速增加，生活污水和工業(yè)廢水已嚴(yán)重威脅到我國(guó)城市的高質(zhì)量發(fā)展[1]。同時(shí)，人口的增加導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品需求數(shù)量上升，畜禽養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)得到迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中農(nóng)業(yè)廢棄物和畜禽糞便排放量也相應(yīng)增加[2]，加上農(nóng)藥、化肥不合理使用以及農(nóng)業(yè)廢棄物無害化處理不當(dāng)和資源化利用不足而產(chǎn)生的污染，加大了對(duì)水環(huán)境的破壞[3]，這對(duì)城市高質(zhì)量發(fā)展中的水生態(tài)環(huán)境保護(hù)造成了不良影響。為提供精準(zhǔn)的水污染控制策略，打開城市水污染的黑箱，從經(jīng)濟(jì)—人口—產(chǎn)業(yè)角度尋找水污染產(chǎn)生的原因，這是政府部門形成可行管理決策的重要前提。

水污染是由點(diǎn)源和面源污染共同對(duì)水資源造成的破壞[4]。點(diǎn)源污染是指有固定排放點(diǎn)的污染源，多為集中排放的城市生活污水及工業(yè)廢水[5]。面源污染是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不合理使用而流失的化肥、農(nóng)藥以及畜禽糞便等對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的大面積污染[6]。點(diǎn)源污染和面源污染共同構(gòu)成城市水污染系統(tǒng)，該系統(tǒng)受人口數(shù)量、城鎮(zhèn)化水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度、工業(yè)產(chǎn)值、畜禽養(yǎng)殖規(guī)模和農(nóng)作物種植類型等因素的影響[7-10]，且各因素在動(dòng)態(tài)變化過程中通過關(guān)聯(lián)和反饋關(guān)系相互作用，使得城市水污染系統(tǒng)呈現(xiàn)出復(fù)雜的特征。因此，考慮城市水污染系統(tǒng)的各影響因素及其關(guān)系，構(gòu)建科學(xué)合理的城市水污染系統(tǒng)，以城市高質(zhì)量發(fā)展為目的，對(duì)政府部門提供城市水污染控制管理決策具有重要意義。

城市水污染系統(tǒng)包含了城市高質(zhì)量發(fā)展過程中各個(gè)領(lǐng)域?qū)λY源污染的影響。從研究?jī)?nèi)容來看，在生活污水方面，李崇梅等[11]分析發(fā)現(xiàn)人口規(guī)模對(duì)生活污水排放量具有顯著的正向固定效應(yīng)，同時(shí)城市和農(nóng)村人口的生活污水排放量存在一定的異質(zhì)性，相關(guān)研究表明農(nóng)村生活污水COD 排放量為每天每人58.3 克[12]，農(nóng)村生活污水排放量為每天每人44.37 克[13]，農(nóng)村人均生活污水排放強(qiáng)度高于城市，因此，城鎮(zhèn)人口變化會(huì)對(duì)水環(huán)境污染總量產(chǎn)生不同影響。而除了人口規(guī)模的影響，生活污水還與人口集聚程度有關(guān)，研究表明，人口集聚不會(huì)加劇生活污水排放，相反環(huán)境衛(wèi)生的集中管制能對(duì)生活污水產(chǎn)生改善效應(yīng)[14]。在工業(yè)廢水方面，城鎮(zhèn)化推進(jìn)、工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展是工業(yè)廢水污染的主要驅(qū)動(dòng)因素[9]，并且在工業(yè)發(fā)展過程中發(fā)生了工業(yè)企業(yè)聚集現(xiàn)象[8]，工業(yè)企業(yè)集聚度與水污染程度的空間正向耦合效應(yīng)明顯[15]?？偨Y(jié)來說，工業(yè)企業(yè)越集聚，水污染現(xiàn)象越嚴(yán)重。但相對(duì)于單一專業(yè)的工業(yè)聚集，多樣性集聚工業(yè)企業(yè)可使產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)，以此發(fā)揮企業(yè)間“自凈”效應(yīng)使水環(huán)境污染強(qiáng)度下降[16]。綜上所知，點(diǎn)源污染會(huì)隨著人口和工業(yè)的規(guī)模增加而增加；但隨著集聚程度的加強(qiáng)，人均污染量相應(yīng)減少，而工業(yè)污染量則出現(xiàn)不同情況。點(diǎn)源污染的研究?jī)H描述了水污染現(xiàn)象，未從源頭提出既滿足城市高質(zhì)量發(fā)展又兼顧水污染防控的方案。

城市高質(zhì)量發(fā)展中對(duì)于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)同樣需要加強(qiáng)對(duì)面源污染的防控治理，面源污染主要出現(xiàn)在畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中。王一格等[2]認(rèn)為農(nóng)業(yè)耕地面積的增長(zhǎng)和畜禽養(yǎng)殖的規(guī)模增加是面源污染的主要原因，不同耕地作物類型對(duì)面源污染的強(qiáng)度影響不同[17]，不同畜禽糞便污染物和污染量均不同[18]。為達(dá)到生態(tài)環(huán)境保護(hù)的目的，資源化利用畜禽糞便是有效處理畜禽污染和耕地污染的重要途徑[19]，然而目前農(nóng)業(yè)種植中畜禽糞便資源化綜合利用率不足60%[20]，單純依靠畜禽糞肥還田不能與農(nóng)業(yè)種植達(dá)到種養(yǎng)平衡狀態(tài)[21]。一方面，未利用的畜禽糞便形成直接污染源；另一方面，農(nóng)業(yè)種植又高度依賴化肥，而未完全降解的化肥也成為農(nóng)業(yè)面源污染的直接原因[22]，再加上不合理使用而流失的農(nóng)藥等農(nóng)用化學(xué)品和種植生產(chǎn)之后棄置亂堆的秸稈[23]共同構(gòu)成了面源污染。綜上所述，畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模增加是導(dǎo)致面源污染加重的主要原因，直接原因則是未合理利用的畜禽糞便、秸稈以及生產(chǎn)過程中過量使用的農(nóng)藥、化肥等。然而現(xiàn)有面源污染研究多是針對(duì)耕地或畜禽單方面的影響研究，未綜合考慮種植與畜禽之間的聯(lián)系以及整體系統(tǒng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

從研究方法來看，早期水污染研究利用主成分分析[24]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[25]、熵權(quán)法[26]、等標(biāo)污染負(fù)荷法[27]等對(duì)構(gòu)建的水污染評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行測(cè)算，但這些方法僅對(duì)現(xiàn)有水污染進(jìn)行靜態(tài)分析評(píng)價(jià)。隨著研究的深入，對(duì)水污染的測(cè)算已難以滿足城市高質(zhì)量發(fā)展對(duì)水污染治理研究的需求，對(duì)水污染模擬預(yù)測(cè)的方法逐漸成為趨勢(shì)，其主要研究方法有動(dòng)態(tài)最優(yōu)化模型[28]、系統(tǒng)仿真技術(shù)[29]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[30]等。其中，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（SD）利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，將定性分析和定量計(jì)算統(tǒng)一起來，通過分析系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系和行為模式，預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來發(fā)展變化。城市水污染系統(tǒng)涉及經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境等多方面的因素，SD 方法能夠綜合考慮到各子系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間相互影響的復(fù)雜反饋關(guān)系，在處理非線性及多重反饋問題等方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，且該方法能夠?qū)Σ煌l(fā)展方案進(jìn)行模擬仿真，以選擇符合城市高質(zhì)量發(fā)展的最優(yōu)方案。因此，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)成為研究城市水污染模擬仿真問題較為普遍的方法。目前已有許多學(xué)者用該方法將城市的不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和水污染負(fù)荷聯(lián)系在一起進(jìn)行模擬與仿真，例如關(guān)雪樺等[31]構(gòu)建了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行情景模擬，模擬出中山市經(jīng)濟(jì)社會(huì)及水環(huán)境的變化趨勢(shì)。熱孜婭·阿曼等[32]對(duì)新疆15 個(gè)行政區(qū)的經(jīng)濟(jì)、人口及城鎮(zhèn)化的高速、中速及低速發(fā)展模式進(jìn)行情景仿真模擬分析，結(jié)果表明不同行政區(qū)域的水資源需選擇對(duì)應(yīng)的發(fā)展模式。張峰等[33]利用情景模擬仿真，設(shè)計(jì)了5 種工業(yè)用水驅(qū)動(dòng)調(diào)控仿真模型，利用仿真結(jié)果，對(duì)不同調(diào)控類型產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、資源效益和環(huán)境效益進(jìn)行了對(duì)比。例如楊巖等[34]對(duì)德州市社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—水環(huán)境系統(tǒng)構(gòu)建了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)未來發(fā)展情況設(shè)置3 個(gè)情景，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)城鎮(zhèn)生活污染負(fù)荷會(huì)增大，控制農(nóng)業(yè)面源污染才能使水環(huán)境達(dá)到減排目標(biāo)。上述研究采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行模擬仿真，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水污染治理動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方面進(jìn)行了積極探索，但由于城市水污染系統(tǒng)的高度復(fù)雜性，現(xiàn)有研究多探究城市部分水污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，少有研究將點(diǎn)源和面源進(jìn)行整體經(jīng)濟(jì)調(diào)控。

基于此，綜合考慮點(diǎn)源、面源污染，從人口、工業(yè)、種植、畜禽四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)建城市水污染系統(tǒng)模擬仿真模型。根據(jù)城市的水資源條件、城市現(xiàn)狀及高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃，提出適用于城市水污染治理定量調(diào)控的方案。

1 模型構(gòu)建

1.1 城市水污染SD模型構(gòu)建

SD 模型的構(gòu)建需要用系統(tǒng)思考的觀點(diǎn)對(duì)影響城市污水的各因素進(jìn)行分析，明確系統(tǒng)邊界，確定主體的反饋以及附屬的支路反饋系統(tǒng)。城市水污染系統(tǒng)模型則是考察人口、工業(yè)、耕地、畜禽與水污染之間的聯(lián)系，具體見圖1。點(diǎn)源污染產(chǎn)生于人口子系統(tǒng)的生活污水和工業(yè)子系統(tǒng)的工業(yè)污水，其中生活污染主要由研究區(qū)域的人口數(shù)量、集聚程度決定；工業(yè)污染主要受產(chǎn)業(yè)發(fā)展、企業(yè)集聚和污水處理能力的影響。面源污染則產(chǎn)生于不合理耕種的耕地污染和畜禽糞便產(chǎn)生的畜禽污染，其中耕地污染包含種植過程中使用的農(nóng)藥化肥、灌溉用水以及農(nóng)作物產(chǎn)生的秸稈對(duì)水環(huán)境的污染；畜禽污染直接由畜禽養(yǎng)殖數(shù)量和糞便的污染物含量決定。點(diǎn)源污染和面源污染相結(jié)合，使得城市水污染總量增加，會(huì)對(duì)城市高質(zhì)量發(fā)展造成一定的風(fēng)險(xiǎn)。一方面，水污染使工業(yè)生產(chǎn)成本增高并使城鎮(zhèn)居民生活質(zhì)量降低，從而導(dǎo)致城市低質(zhì)量發(fā)展；另一方面，水污染容易引發(fā)畜禽疾病增加和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降，從而導(dǎo)致畜禽業(yè)和種植業(yè)在城市內(nèi)的供需不平衡。接收到風(fēng)險(xiǎn)的信號(hào)，政府需采取相關(guān)行動(dòng)對(duì)城市水污染進(jìn)行治理，從宏觀制訂相關(guān)政策，提出適用于城市水污染治理的定量調(diào)控方案。點(diǎn)源子系統(tǒng)擬定為節(jié)水減排政策，例如：優(yōu)化水資源配置方案、推進(jìn)工業(yè)企業(yè)入駐產(chǎn)業(yè)園、加強(qiáng)污水處理設(shè)施建設(shè)等。該政策可以減少人均生活污水污染量和工業(yè)污水總量，激勵(lì)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展；面源子系統(tǒng)擬定種養(yǎng)循環(huán)發(fā)展政策，例如：控制畜禽養(yǎng)殖和耕地種植規(guī)模，畜禽糞便資源化利用等。該政策可以同時(shí)減少畜禽和耕地污染，激勵(lì)生態(tài)環(huán)境的改善。經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的共同提升，共同構(gòu)成城市高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)。

圖1 城市水污染系統(tǒng)系統(tǒng)分析框架

從上述分析著手構(gòu)建SD 模型，構(gòu)成以人口、工業(yè)、耕地和畜禽等四個(gè)子系統(tǒng)為核心的城市水污染模型，系統(tǒng)因果環(huán)圖見圖2。

1.2 研究區(qū)域

從水資源擁有量來看，長(zhǎng)江作為中國(guó)第一長(zhǎng)河，其沿線城市蘊(yùn)藏著豐富的水資源，其中武漢以236.7 千米長(zhǎng)江岸線排名全國(guó)第四，并且擁有166 個(gè)湖泊、165 條河流，水域面積之大，居中國(guó)大城市之首。然而2020 年武漢人均水資源占有量為791 立方米，為全省倒數(shù)第一，遠(yuǎn)低于全國(guó)平均標(biāo)準(zhǔn)2 239.8 立方米，武漢正面臨著水資源保護(hù)的重大需求。從經(jīng)濟(jì)發(fā)展來看，2021 年武漢GDP 總量排名全國(guó)第九，實(shí)際增速12.2%，名義增速13.5%，兩者在前十強(qiáng)中均排名第一。然而隨著武漢市經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)以及人口數(shù)量不斷增長(zhǎng)，工業(yè)廢水、生活污水和農(nóng)業(yè)面源污染物排放量不斷增加，水污染問題十分嚴(yán)峻。湖北省2020 年各地市廢水重點(diǎn)排污單位中，武漢有149 家位居全省第一，工業(yè)企業(yè)數(shù)量占據(jù)了全省工業(yè)的20.02%。2020 年上半年開展監(jiān)測(cè)的30 個(gè)河流斷面中，武漢市Ⅲ類及以上水質(zhì)斷面占比為70%，對(duì)比長(zhǎng)江流域整體水平，水污染現(xiàn)象較為嚴(yán)重（表1）。

表1 2020上半年武漢與長(zhǎng)江流域水環(huán)境質(zhì)量狀況對(duì)比表

以武漢市為例進(jìn)行實(shí)證研究，構(gòu)建城市水污染治理仿真模型，以期為相關(guān)政府部門制訂科學(xué)合理的水污染治理政策提供理論依據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)來源

SD 模型構(gòu)建過程中，數(shù)據(jù)資料主要來源于2011—2020 年的《武漢統(tǒng)計(jì)年鑒》《城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》《湖北省水資源公報(bào)》以及《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）》《湖北省農(nóng)業(yè)用水定額第1 部分：農(nóng)田灌溉用水定額》和《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 5084-2021）》，具體參見各子系統(tǒng)相關(guān)關(guān)系式及其說明。

1.4 城市水污染SD模型構(gòu)建方法

SD 模型的空間邊界為武漢市行政區(qū)，模型主要包括人口、工業(yè)、耕地和畜禽四個(gè)子系統(tǒng)?；瘜W(xué)需氧量（COD）是我國(guó)主要的水污染物，是水污染排放量的主要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，也是水污染程度的重要評(píng)判指標(biāo)。因此，以化學(xué)需氧量（COD）的產(chǎn)生和排放總量為測(cè)算目標(biāo)構(gòu)建城市水污染子系統(tǒng)，模型見圖3。

圖3 城市水污染系統(tǒng)仿真模型

1.4.1 人口子系統(tǒng)

城市總?cè)丝谑浅跏既丝跀?shù)和人口增長(zhǎng)率隨時(shí)間變化積累的結(jié)果，根據(jù)城鎮(zhèn)化率確定城鎮(zhèn)人口和農(nóng)村人口，城鎮(zhèn)化率由表函數(shù)實(shí)現(xiàn)，農(nóng)村/城鎮(zhèn)人均生活污水COD排放量[12-13]和農(nóng)村/城鎮(zhèn)人口決定農(nóng)村/城鎮(zhèn)生活污水COD 排放總量，城鎮(zhèn)人口COD 污染排放總量經(jīng)過污水處理設(shè)施處理后與農(nóng)村人口COD 污染排放量共同構(gòu)成人口子系統(tǒng)污染量（COD），相關(guān)關(guān)系式如下所示。

式（1）～（5）中：CODPS為人口子系統(tǒng)人口子系統(tǒng)污染量（千克）；CODUP為城鎮(zhèn)人口污染排放量（千克）；TCODUP為城鎮(zhèn)人口污染排放總量（千克）；USTR為城鎮(zhèn)污水處理率，取《城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》中武漢市2010—2019 年污水處理廠集中處理率平均值93%；PCCODECUP為城鎮(zhèn)人均COD 排放濃度549 毫克/升[13]；CODECUP為經(jīng)過污水處理設(shè)施處理達(dá)標(biāo)后的城鎮(zhèn)污水COD 排放濃度，根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 18918—2002）》為100 毫克/升；CODUP為城鎮(zhèn)生活污水COD 排放量每天每人58.3 克[12]；CODRP為農(nóng)村生活污水COD 排放量每天每人44.37 克[13]；PG為人口增長(zhǎng)量（人）；TP為總?cè)丝冢ㄈ耍籔GR為人口增長(zhǎng)率（%）。

1.4.2 工業(yè)子系統(tǒng)

工業(yè)用水量由工業(yè)增加值和萬元工業(yè)增加值用水量共同決定，工業(yè)污水量由工業(yè)用水量和工業(yè)污水排放率共同確定，工業(yè)污水量經(jīng)過污水處理設(shè)施處理后得到工業(yè)子系統(tǒng)污染量（COD），表達(dá)式為：

式（6）、（7）中：CODIS為工業(yè)子系統(tǒng)污染量（千克）；IAV為工業(yè)增加值（億元），數(shù)據(jù)源于2011—2020 年《武漢統(tǒng)計(jì)年鑒》；WCIAV為萬元工業(yè)增加值用水量（立方米），數(shù)據(jù)源于2011—2020 年《湖北省水資源公報(bào)》；ISDR為工業(yè)污水排放系數(shù)（COD），根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 18918—2002）》該系數(shù)為100 毫克/升；CODDCIS為工業(yè)污水排放率（COD，75%）[35]。

傳統(tǒng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)核算體系缺乏水資源污染帶來的價(jià)值核算，水資源的價(jià)值損失在工業(yè)生產(chǎn)中得不到應(yīng)有的反映，相反，由于將水污染治理費(fèi)用作為一般經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出計(jì)入工業(yè)增加值，根據(jù)相對(duì)污染程度劃分為具體的水污染等級(jí)，反向影響工業(yè)經(jīng)濟(jì)損失率，因此，減去工業(yè)增加值表示工業(yè)生產(chǎn)過程中承擔(dān)的環(huán)境成本[36]，表達(dá)式為：

式（8）、（9）中：EC為環(huán)境成本（萬元）；ELR為經(jīng)濟(jì)影響損失率；WPG為水污染等級(jí)。

1.4.3 耕地子系統(tǒng)

耕地子系統(tǒng)污染量由化肥污染量（千克）、農(nóng)藥污染量（千克）、污水灌溉污染量（千克）和秸稈污染量（千克）匯總而成，表達(dá)式為：

式中：CODCLS為耕地子系統(tǒng)污染量（千克）；CODP為農(nóng)藥污染量（千克）；CODF為化肥污染量（千克）；CODPF和CODDL為水田和旱地污染量（千克）；CODS為秸稈污染量（千克）。

農(nóng)藥污染量由農(nóng)藥用量和農(nóng)藥未降解率決定，農(nóng)藥未降解率由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部歷年水稻、玉米、小麥三大糧食作物農(nóng)藥利用率數(shù)據(jù)計(jì)算得出，且假設(shè)該城市歷年農(nóng)藥利用率均等于全國(guó)平均值，表達(dá)式為：

化肥污染量由歷年化肥用量和化肥流失率決定，表達(dá)式為：

污水灌溉污染量由基本用水定額、旱地/水田污染量和農(nóng)田面積共同構(gòu)成，表達(dá)式為：

式（13）、（14）中：PF、DL為水田、旱地面積（公頃）；CODSPF、CODSDL為水田、旱地灌溉COD 含量標(biāo)準(zhǔn)，分別為150 毫克/升和200 毫克/升，數(shù)據(jù)取自《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 5084—2021）》；QIWPF、QIWDL為水田、旱地灌溉用水定額藥用量，分別為260 立方米/畝和48立方米/畝（1 畝=1/15 公頃），數(shù)據(jù)取自《湖北省農(nóng)業(yè)用水定額第1 部分：農(nóng)田灌溉用水定額》。

秸稈污染量由不同作物產(chǎn)量、秸稈與作物產(chǎn)量比和秸稈產(chǎn)污系數(shù)決定，表達(dá)式為：

式中：CY是以小麥、豆類、玉米、薯類、油料作物為代表的主要農(nóng)作物產(chǎn)量（千克），數(shù)據(jù)源于2011—2020年《武漢統(tǒng)計(jì)年鑒》；SGR為主要農(nóng)作物秸稈與作物產(chǎn)量比，其值參考陶?qǐng)@等[23]的研究，分別為0.97、1.03、1.71、0.61、3；CODPCS為主要農(nóng)作物秸稈COD 產(chǎn)物系數(shù)（千克/噸），分別為6.39、11.20、17.61、2.26、20.57。

1.4.4 畜禽子系統(tǒng)

畜禽子系統(tǒng)污染量由大牲畜產(chǎn)污量、羊產(chǎn)污量、生豬產(chǎn)污量和家禽產(chǎn)污量相加而成，每個(gè)畜禽均由當(dāng)年飼養(yǎng)量和其COD 產(chǎn)物系數(shù)以及飼養(yǎng)周期共同決定。大牲畜（牛）和羊飼養(yǎng)周期超過一年（記365 天），將年底存欄量定為飼養(yǎng)量；生豬飼養(yǎng)周期199 天，家禽（肉禽）飼養(yǎng)周期一般為55 天，將出欄（籠）量定為飼養(yǎng)量，相關(guān)關(guān)系式如下所示。

式中：CODLP為不同畜禽的污染量（COD，千克）；C為不同畜禽的飼養(yǎng)周期（天）；LP為不同畜禽的飼養(yǎng)量（千克），數(shù)據(jù)源于2011—2020 年《武漢統(tǒng)計(jì)年鑒》；CODDCLP為不同畜禽的產(chǎn)物系數(shù)（克/天），參照黃美玲等[37]的研究，大牲畜、羊、生豬和家禽的產(chǎn)物系數(shù)（COD，克/天），分別取2 411.40、0.46、302.24、0.06。

1.5 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)2010—2019 年歷史數(shù)據(jù)（表2），在VENSIM中調(diào)試和檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，多情景模擬仿真時(shí)間范圍設(shè)定為2010—2030 年，仿真步長(zhǎng)為1 年，以2010—2019 年為驗(yàn)證期。

表2 2010—2019年模型歷史數(shù)據(jù)

2 模型檢驗(yàn)與情景模擬

2.1 模型有效性檢驗(yàn)

為了確保系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型模擬效度，參照對(duì)比2010—2019 年工業(yè)增加值、城鎮(zhèn)化率、城市人口等變量進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)模擬誤差檢驗(yàn)（|模擬值-真實(shí)值|/真實(shí)值），結(jié)果（表3）表明，模擬數(shù)據(jù)的誤差均在10%以內(nèi)，模擬值和實(shí)際值擬合程度總體良好，表明模型能反映真實(shí)歷史狀態(tài)變化。

表3 2010—2019年模型歷史數(shù)據(jù)模擬誤差

2.2 情景設(shè)置

以武漢市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀為基準(zhǔn)，在不同情景和約束條件下，利用城市水污染系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真模擬。分別從城鎮(zhèn)化進(jìn)展、工業(yè)污染治理技術(shù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入和畜禽養(yǎng)殖規(guī)模四個(gè)方面，選擇模型中可發(fā)生變化的變量并用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型特有的表函數(shù)和可變常數(shù)表示。

將武漢市相關(guān)歷史數(shù)據(jù)、現(xiàn)有政策規(guī)劃的發(fā)展預(yù)測(cè)設(shè)定為基礎(chǔ)情景，基準(zhǔn)情景下城市COD 污染總量及其構(gòu)成如圖4 所示。從總體趨勢(shì)來看，武漢市COD 總量在2025年處于下降趨勢(shì)，2025—2030 年有上升趨勢(shì)。從關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上來看，2020 年，武漢市COD 總量為43 萬噸，未達(dá)到《武漢市水污染防治規(guī)劃（2016—2030 年）》中武漢全市COD 入河量控制在39.7 萬噸的標(biāo)準(zhǔn)；人口和耕地子系統(tǒng)分別貢獻(xiàn)了城市COD 污染量的50.24%和47.31%。2030年，武漢市COD 總量為44.79 萬噸，未達(dá)到《武漢市水污染防治規(guī)劃（2016—2030 年）》中制定的34.5 萬噸標(biāo)準(zhǔn)，人口子系統(tǒng)貢獻(xiàn)了城市COD 污染總量的近2/3，耕地子系統(tǒng)貢獻(xiàn)了城市COD 污染總量的近1/3。由其構(gòu)成可知，城市COD 總量主要受人口子系統(tǒng)和畜禽子系統(tǒng)的影響，2018年之前由畜禽子系統(tǒng)主導(dǎo)，此后由人口子系統(tǒng)主導(dǎo)。

圖4 基準(zhǔn)情景下城市COD污染總量及其構(gòu)成

根據(jù)《武漢市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》和《武漢市水污染防治規(guī)劃（2016—2030 年）》的相關(guān)指標(biāo)設(shè)置其他三種不同污染源治理政策，以2030 年為仿真驗(yàn)證時(shí)間，探究不同水污染治理政策下對(duì)武漢城市水污染的影響。一是節(jié)水減排政策，通過調(diào)整水資源配置、加強(qiáng)污水處理設(shè)施建設(shè)、推進(jìn)工業(yè)企業(yè)入工業(yè)園等方式加大城市水資源的利用率。二是種養(yǎng)循環(huán)發(fā)展政策，通過控制養(yǎng)殖規(guī)模和畜禽糞便資源化利用等方式達(dá)到生態(tài)循環(huán)種養(yǎng)平衡發(fā)展模式。三是雙政策并行。設(shè)計(jì)政策仿真情景具體數(shù)值如表4 所示。

2.3 結(jié)果分析

與基準(zhǔn)情景相比較，在控制不同污染源的治理情景下，COD 污染總量均有減少。2030 年，在節(jié)水減排政策和種養(yǎng)循環(huán)發(fā)展政策情景下，COD 污染總量分別比基準(zhǔn)情景降低了18.47%和3.37%。由此可知，科學(xué)配置水資源、加強(qiáng)污水處理設(shè)施建設(shè)以及降低工業(yè)增加值用水量等一系列節(jié)水減排政策對(duì)于城市點(diǎn)源污染具有較好的治理效果?？刂起B(yǎng)殖規(guī)模并加大畜禽糞便資源化的合理利用等一系列種養(yǎng)循環(huán)發(fā)展政策對(duì)于面源污染具有一定的治理效果。對(duì)比兩種政策的具體措施，在2022年以前，減少畜禽養(yǎng)殖對(duì)于COD 污染量的減少效果較為明顯；2022 年以后，城鎮(zhèn)化速率加快對(duì)于COD 污染量的控制效果更加明顯，但均未達(dá)到《武漢市水污染防治規(guī)劃（2016—2030 年）》中COD 污染量在2020—2030年的控制目標(biāo)。只有綜合考慮點(diǎn)源和面源的雙政策并行，COD 污染量在2022 年以后控制在目標(biāo)范圍以內(nèi)，且在2030 年COD 污染量為34.27 萬噸，達(dá)到了《武漢市水污染防治規(guī)劃（2016—2030 年）》中2030 年的控制目標(biāo)34.5 萬噸以內(nèi)。詳情如圖5 所示。

圖5 不同情景下COD污染量模擬結(jié)果

3 討論與結(jié)論

（1）生活污水將成為城市高質(zhì)量發(fā)展過程中水污染的主要來源。隨著工業(yè)污染的嚴(yán)格管控和污染防控技術(shù)的提升，工業(yè)子系統(tǒng)產(chǎn)生的水污染將得到有效控制，并維持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)；與此同時(shí)，城市化進(jìn)展加快使得城市畜禽養(yǎng)殖數(shù)量和耕地面積減少，畜禽子系統(tǒng)和耕地子系統(tǒng)的水污染也會(huì)相應(yīng)降低；而隨著計(jì)劃生育政策的放寬和人才引進(jìn)政策的加強(qiáng)，勢(shì)必引起城市人口的增加，從而產(chǎn)生更多的生活污水，人口規(guī)模是影響水環(huán)境和水污染物排放量的重要因素之一[11]，控制城市人口規(guī)模并加強(qiáng)生活污水的處理能力才能有效控制城市水污染量。

（2）畜禽污染將決定城市高質(zhì)量發(fā)展中水污染總量的變化趨勢(shì)。城市污染總量和畜禽污染量的漲跌趨勢(shì)幾乎相同，剔除占比不到1%的耕地子系統(tǒng)污染量，兩者的差值保持穩(wěn)定，該差值即為點(diǎn)源污染的總量。究其原因，雖然城市人口和工業(yè)工廠的增加會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)源污染增多，但相關(guān)研究較為深入，針對(duì)點(diǎn)源污染防控的污水集中處理技術(shù)操作性強(qiáng)、實(shí)施效果好。因此，點(diǎn)源污染總量控制相對(duì)穩(wěn)定。而畜禽污染存在分散性、無序性、廣泛性等特點(diǎn)，導(dǎo)致控制難度大，這會(huì)成為水污染系統(tǒng)的最大變化因素，這與黃美玲等[37]和劉春等[38]的研究有相同結(jié)論。

（3）在控制生態(tài)環(huán)境保護(hù)的同時(shí)，高質(zhì)量發(fā)展的城市需做好從周邊城市購(gòu)入農(nóng)副產(chǎn)品的準(zhǔn)備。武漢人口子系統(tǒng)產(chǎn)生的污染量與畜禽子系統(tǒng)的比例由2020 年的相等變成2030 年的兩倍，很大程度是因?yàn)槌擎?zhèn)化的發(fā)展導(dǎo)致的，城市人口持續(xù)上升而畜禽養(yǎng)殖量逐漸減少，可能會(huì)引起未來城市自產(chǎn)的肉禽蛋難以供給快速增長(zhǎng)的城市人口生活需求，該城市需加強(qiáng)與周邊城市農(nóng)副產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的合作，以預(yù)防未來肉禽蛋自供不足。

（4）SD 仿真模擬模型具有全面性和普遍性。城市水污染的污染源很多，水污染的有效控制是推動(dòng)城市高質(zhì)量發(fā)展的必要保障[39]。近年來，不少學(xué)者利用仿真模擬開展了城市水污染控制的相關(guān)研究，郭維紅等[40]構(gòu)建了人口、工業(yè)和耕地的模擬方程，廖文杰等[41]將生活、工業(yè)和畜禽污染作為污染源進(jìn)行仿真模擬，以上研究均只考慮部分污染源。該模型以城市高質(zhì)量發(fā)展中水污染總量作為控制標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮點(diǎn)源、面源污染，全面建立了包含人口、工業(yè)、種植、畜禽四個(gè)子系統(tǒng)的城市水污染控制仿真模擬模型，可應(yīng)用于其他城市高質(zhì)量發(fā)展過程中的水污染控制預(yù)測(cè)，并可根據(jù)城市已知數(shù)據(jù)，將COD 替換成其他污染物進(jìn)行計(jì)算。

（5）全面整體調(diào)控所有污染源，開展綜合治理，才能要達(dá)到城市高質(zhì)量發(fā)展中水污染的標(biāo)準(zhǔn)。仿真結(jié)果顯示，針對(duì)點(diǎn)源污染的節(jié)水減排政策和針對(duì)面源污染的種養(yǎng)循環(huán)發(fā)展政策在一定程度上能減少水污染總量，但均不能達(dá)到城市高質(zhì)量發(fā)展的水污染排放標(biāo)準(zhǔn)，只有將子系統(tǒng)的所有污染源同時(shí)控制，才能在2030 年滿足城市水資源污染控制目標(biāo)要求。

4 建議與對(duì)策

本文對(duì)相關(guān)部門在城市水污染控制方面提出以下對(duì)策建議：（1）建議政府部門制訂相關(guān)政策，加強(qiáng)污水管控建設(shè)。第一，政府通過建立水資源優(yōu)化配置方案，實(shí)行用水超定額、超計(jì)劃累進(jìn)加價(jià)制度；第二，大力推進(jìn)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)，加快推進(jìn)建制鎮(zhèn)集中式污水處理設(shè)施建設(shè)；第三，大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，加強(qiáng)節(jié)水灌溉工程建設(shè)和節(jié)水改造，并大力推廣節(jié)肥、節(jié)藥和農(nóng)田污染綜合管理等先進(jìn)實(shí)用技術(shù)。（2）建議農(nóng)民科學(xué)開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。一方面，合理控制養(yǎng)殖規(guī)模，開展畜禽糞污資源化利用，促進(jìn)種養(yǎng)結(jié)合農(nóng)牧循環(huán)發(fā)展，增加禽畜糞便回收還田，提高糞尿利用率，讓畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)向高效、可持續(xù)方向發(fā)展；另一方面，通過選用利用效率高的化肥和農(nóng)藥品種，減少化肥和農(nóng)藥產(chǎn)生的污染。（3）建議加大工業(yè)污染防治。政府層面，要求工業(yè)企業(yè)入駐工業(yè)園，完善工業(yè)聚集區(qū)污水處理設(shè)施，加強(qiáng)對(duì)工業(yè)企業(yè)的監(jiān)管，構(gòu)建企業(yè)水資源保護(hù)守信激勵(lì)與失信懲戒機(jī)制。企業(yè)方面，加強(qiáng)在工業(yè)廢水處理技術(shù)提升方面的研究，鼓勵(lì)企業(yè)加快運(yùn)用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)高污染產(chǎn)業(yè)，提高工業(yè)污水處理技術(shù)，降低污水處理的成本。（4）建議居民節(jié)約用水。居民應(yīng)加強(qiáng)節(jié)約用水意識(shí)和習(xí)慣，充分利用水資源；居民應(yīng)做好垃圾分類，不將有害垃圾直接排入水體。

總體而言，針對(duì)某一污染源實(shí)施水污染治理政策，雖然能在一定程度上降低污染物排放量，但污染治理效果有限。與分別實(shí)施針對(duì)不同污染源的治理政策相比，同時(shí)針對(duì)各污染源的全面治污政策能帶來最大的水污染減排收益。因此，城市高質(zhì)量發(fā)展過程中水污染治理需要多方面政策措施協(xié)同跟進(jìn)。水污染治理政策應(yīng)著眼未來，對(duì)于不同調(diào)控策略的政策效果評(píng)價(jià)是系統(tǒng)構(gòu)建及仿真之后研究的必然方向。