基于情景分析的城市湖泊流域社会经济优化发展研究

徐建新，张巧利，雷宏军，马喜堂，夏训峰，席北斗*

1.华北水利水电学院水利学院，河南 郑州 450011 2.聊城市水利局，山东 聊城 252061 3.中国环境科学研究院，北京 100012

基于情景分析的城市湖泊流域社会经济优化发展研究

徐建新1，张巧利1，雷宏军1，马喜堂2，夏训峰3，席北斗3*

1.华北水利水电学院水利学院，河南 郑州 450011 2.聊城市水利局，山东 聊城 252061 3.中国环境科学研究院，北京 100012

以山东省东昌湖流域为例，以生产、生活、生态用水指标为切入点，从社会、经济和生态环境综合效益最大化角度建立流域社会-经济-环境协调发展的模糊机会约束多目标优化模型，在惯性方案及规划方案的基础上拟定了三种不同的发展情景(资源环境约束型、社会经济约束型和协调发展型)，采用模糊多目标规划权衡各目标函数间的权重，引入污水处理规模机会约束分析，分析规划水平年各方案优化结果指标，结合流域现状及规划要求，优选最佳社会经济发展模式及污染物控制措施，提出了流域未来年(2008—2030年)社会经济的发展模式及产业结构的调整方向。

湖泊流域；社会经济发展；多目标优化；水环境承载力

城市湖泊流域的社会经济发展可看作是流域“人工-自然”二元系统协调发展的结果，牵涉社会、经济、陆地生态、湖泊水、污染物及湖泊水生物等六个子系统[1]。生态环境是人类生存发展的物质基础和制约因素[2]，流域可持续发展问题的关键在于社会经济发展及人类活动的干扰不能超过环境的承载能力[3-5]。水资源不仅是流域可持续发展最主要的限制因子，而且是联系生态系统和经济系统的纽带[6]。水资源短缺已成为地区经济、环境和社会发展过程中诸多矛盾的焦点[7]，水量型和工程型缺水问题可通过节水、工程和管理措施进行缓解，而由水环境污染造成的水质型缺水问题则较难以控制[8]，因此，优化社会经济的发展应在流域水质水量控制的条件下进行。同时，产业结构的优化调整可有效促进用水结构的转变，减少水污染产生量，缓解生态环境压力，因此对流域进行水资源合理配置有助于缓解流域生态安全问题。

关于社会经济生态系统发展协调规划的研究，有以下进程：1)对水资源的研究，集中在水资源调配规划与管理，常用的模型有模拟、优化及优化与模拟相结合三种类型，时段的划分由全时段转为逐时段[9]，模拟多情景，引入模糊化[10]、概率分布[11]及区间数表示不确定性[12]，以区间形式给出结果[13]；2)对水污染物控制研究，经历了浓度控制、目标总量控制、容量总量控制的阶段[14]，主要兼顾公平、效率、可行的原则，总量分配方法有等比例分配、费用最小法分配、分区加权分配、排污指标有偿分配、基尼系数法分配、优化分配等，目前技术较为成熟且较可行的为优化分配，兼顾了经济和环境的承载能力；3)针对以往规划与建设中水资源规划与水污染控制相分离的特点，出现了结合水资源与污染物控制的研究[15]，以满足水资源和水环境的可持续发展；4)随着社会-经济-环境协调发展理论的提出和完善，为环境可持续发展下的社会经济发展提供了理论支持，如环境承载力下的经济发展不确定性多目标优化研究[16]。目前在流域可持续发展中的不确定性及对优化方案的整体性和系统性评价方面仍存在不足，需加大考虑不确定性和障碍分析、土地利用变化的影响以及生态子系统与社会子系统的关联[17]，社会经济的发展需在节约资源和环境友好的约束下进行[18]。

笔者试图建立流域社会-经济-环境系统发展多目标优化模型，模拟五种不同发展程度的社会情景，结合流域污染物总量控制、水资源优化配置及产业结构调整，在人口、水量、土地及污染物处理措施的约束下，研究流域可承载的人口规模和经济发展速度，采用模糊机会约束多目标优化，考虑流域现状及规划要求，确定最优发展模式，以期为流域未来年的发展提供导向。

1 研究背景

北方城市湖泊面临着水资源短缺和水质恶化两大问题。山东省东昌湖是我国长江以北最大的城市人工湖泊，东昌湖及周边水系水质改善对周边地区及下游(渤海)污染治理和生态改善具有重要意义。当前，黄河补水是东昌湖最主要的补水水源；然而未来年黄河来水呈减少趋势，亟需转变单一依赖黄河“应急补水”为本地水与黄河水相配合的“常态补水”模式。赵王河是位于聊城市境内徒骇河的支流，便于流域管理，因此拟定开发赵王河水资源以补给东昌湖。因受沿途工农业生产废水及生活污水排放的影响，赵王河水质污染严重。根据2004—2009年的水质监测分析，水体CODCr、氨氮及总磷浓度分别为80.18、3.16和0.12 mgL，为劣Ⅴ类水质。如将其直接作为东昌湖的生态补水水源将对东昌湖水质造成不良影响。因此，从流域的角度控制污染物入河总量，优化流域社会经济结构。

赵王河流域跨越阳谷县和东昌府两个县区，总面积692.5 km2，其中，阳谷县流域面积627.5 km2，东昌府区流域面积65.0 km2，分别占东昌府区和阳谷县面积的5.18％和58.92％。当前，流域面临的社会经济及环境发展问题主要有：粗放型经济增长模式；生活和工业为主要污染源；高能耗、高污染、高投入行业占据工业的主导地位；流域供水量逐年下降；农业多年平均用水量超过总供水量的80％。

2 原理与方法

2.1 模糊机会约束多目标优化模型构建

2.1.1 模糊多目标优化

多目标线性规划(MOP)有两个或两个以上的目标函数，且目标函数和约束条件均为线性函数。为求解多目标模型，可以将目标函数模糊化，转化隶属度函数，求最大满意度[10]。构建模糊多目标规划(FMOP)如下：

maxλ

S.t.ChX≤(1-λ)fh, max+λfh, minh=1,2,…,m

CkX≥λfk, max+(1-λ)fk, mink=m+1,m+2,…,n

(1)

0≤λ≤1

AX≤B

X≥0

其中，fh和fk为不同的目标函数；fh,min和fh,max为fh的理想最小值和理想最大值；fk,min和fk,max为fk的理想最小值和理想最大值。定义λ为μ(fh)和μ(fk)的满意度，λ=min{μ(fh),μ(fk)}。A∈{R}p×n，B∈{R}p×l，C∈{R}l×n，X∈{R}n×l，R表示实数集合；h，k，m，n和p表示实整数。

2.1.2 机会约束规划

用模糊数学的观点求解多目标问题，不能解决优化模型右边项的随机不确定性问题，考虑约束条件中B系数具有随机特征并表征为概率分布，引入机会约束规划(CCP)[11]。AX≤B可转换为：

Ai(t)X≤bi(t)pii=1,2,…,m

(2)

A(t)，B(t)和C(t)为概率空间(Ω,F,Ρ)上的随机数集合，t∈(Ω,F,Ρ)。pi为第i个约束条件某一确定的概率水平，pi∈[0,1]；Pr{[t|Ai(t)X≤bi(t)]}≥1-pi，Ai(t)∈A(t)，bi(t)∈B(t)，i=1,2,…,m；bi(t)pi=Fi-1(bi)，Fi(bi)为bi的累积概率分布函数，并且第i个约束违规概率为pi。

2.1.3 模糊机会约束多目标规划

将CCP与FMOP相结合，从而构建模糊机会约束多目标规划模型(FCMOP)：

maxλ

S.t.ChX≤(1-λ)fh, max+λfh, minh=1,2,…,m

CkX≥λfk, max+(1-λ)fk, mink=m+1,m+2,…,n

(3)

0≤λ≤1

Ai(t)X≤bi(t)pii=1,2,…,m

AX≤Bi=m+1,m+2,…,n

X≥0

2.2 流域多目标优化模型构建

赵王河流域经济发展主要依靠三个产业：第一产业为农林牧渔；第二产业为工业；第三产业为旅游业。社会人口系统主要为城镇人口、农村人口及城镇化率。环境系统主要为COD和氨氮的排放量。保障机制主要为污水处理厂和沼气化工程。

2.2.1 目标函数

(1)阶段社会总效益产值最大

LkXAHk±Sk±BHk±+LkXDFk±BDk±+LkXFIk±BCk±+

(4)

(2)阶段经济结构优化

XAHk±Sk±BHk±+LkXDFk±BDk±+LkXFIk±BCk±]+

(5)

(3)COD进入环境量最少

LkXAHk±EHk±HCODk±[(1-DHk±)+DHk±(1-

DIjk±(1-RCIjk±)]+LkXRPk±PRk±RCODk±[(1-

MEk±)+MEk±(1-RCRk±)]+

LkXDFk±PFk±FCODk±[(1-MEk±)+MEk±(1-

RCRk±)]+LkXCPk±PCk±CCODk±[(1-

DCk±)+DCk±(1-RCIk±)]

(6)

(4)氨氮进入环境量最少

IAik±(1-RIik±)]RN±+LkXAHk±EHk±HNk±[(1-

DIjk±)+DIjk±(1-RNIjk±)]+LkXRPk±PRk±RNk±[(1-

MEk±)+MEk±(1-RNRk±)]+LkXDFk±PFk±FNk±[(1-

MEk±)+MEk±(1-RNRk±)]+LkXCPk±PCk±CNk±[(1-

DCk±)+DCk±(1-RNIk±)]

(7)

(5)城镇化率最高

(8)

2.2.2 约束条件

总面积约束：

LAk±≤XAGik±+XFOk±+XFIk±≤LAk±,k

(9)

农业子系统：

LAGik±≤XAGik±≤UAGik±,i,k

(10)

林业子系统：

(11)

畜牧业子系统：

LAHk±≤XAHi±≤UAHk±,k

(12)

畜牧业排泄物处理能力约束：

XAHk±EHk±DHk±≤OAH±+

(13)

渔业子系统：

LFIk±≤XFIk±≤UFIk±,k

(14)

工业子系统：

(15)

旅游业子系统：

LTOk±≤XTOk±≤UTOk±,k

(16)

农村子系统：

LRPk±≤XRPk±≤URPk±,k

(17)

城市子系统：

LCPk±≤XCPk±≤UCPk±,k

(18)

水资源量约束：

LkXTOk±CTk±+Lk(XRPk±CRk±+XDFk±CDk±)+

LkXCPk±CPk±+(ECWk±+MAWk±)≤AWRk±,k

(19)

污水处理厂处理能力约束：

(20)

沼气处理能力约束：

(XRPk±PRk±+XDFk±PFk±)MEk±≤ORP±+

(21)

COD总量控制：

DHk±)+DHk±(1-RCHk±)]+

RCIjk±)]+XRPk±PRk±RCODk±[(1-MEk±)+

MEk±(1-RCRk±)]+XDFk±PFk±FCODk±[(1-

MEk±)+MEk±(1-RCRk±)]+

XCPk±PCk±CCODk±[(1-DCk±)+DCk±(1-

RCIk±)]≤TCODk±,k

(22)

氨氮总量控制：

RIik±)]RN±+XAHk±EHk±HNk±[(1-DHk±)+

DIjk±)+DIjk±(1-RNIjk±)]+

XRPk±PRk±RNk±[(1-MEk±)+MEk±(1-

RNRk±)]+XDFk±PFk±FNk±[(1-MEk±)+

MEk±(1-RNRk±)]+XCPk±PCk±CNk±[(1-

DCk±)+DCk±(1-RNIk±)]≤TNk±,k

(23)

资金投资约束：

LkXAHk±EHk±DHk±HCk±≤TCH±，

LkXCPk±PCk±DCk±CCk±≤TIC±，

(24)

式(4)～式(24)中主要参数如表1所示。

率定参数时的参考依据：1)流域(黄淮海)和地区“十二五”规划及以往实施情况；2)参考流域所在省份其他城市的发展情况、某特定部门及整体发展情况较发达地区和较落后地区；3)针对流域节水、减排问题，首先在流域可行性论证基础上，提出改善幅度，进行模型计算，通过不断调试，得到在满足流域污染物总量控制目标的基础上尽可能在可行性范围内的改变幅度。

表1 模型主要决策变量参数

2.3 污染物总量控制

采取“分类、分区、分级、分期”的环境治理思路[19]，分析评价历年湖泊及流域水系水质，确定湖泊主要污染物[20-21]。如图1所示，以流域水环境容量为污染物总量控制的目标，建立流域结合社会经济发展、水资源配置及污染物治理措施优选模型，对流域未来年的发展方案进行设计、比较和分析，在污染物总量控制下选择流域发展模式。

图1 污染物总量控制示意Fig.1 Schematic diagram of the pollutant control

2.4 社会-经济-生态系统优化

在生态环境制约下，优化流域产业结构，合理分配有限的水资源，能够减少污水及污染物的排放量，同时保证社会经济的可持续发展，是该模型需要解决的问题。模型以经济效益最大、经济结构合理、城镇化率最高及COD和氨氮的排放量最少为目标函数，以土地、人口、水量及水环境为约束条件，以水资源(水质、水量)和土地为结合点连接环境和社会经济进行优化调整，采用万元产值用水量及用水定额将产业和人口统一起来，通过行业产污系数关联水环境问题。

如图2所示，水资源和土地系统为流域经济发展提供支撑作用，社会经济对水资源和土地提出资源需求；社会经济为污染物保障机制提供资金投入，保障机制则为社会经济提供保障措施；水资源为污染物提供水环境容量来容纳，污染物影响了水资源的承载力；污染物对保障机制提出保障需求，保障机制为污染物提供减排措施；水资源、污染物、社会经济及保障机制共同构成了流域的可持续发展系统，相互支撑并依赖。

对流域发展情景进行研究时，需权衡经济、环境和社会的各因素及其时空变化，考虑环境、经济等复杂系统的不确定因素，对现状污水处理规模进行了机会规模分析，引入不确定因素的机会约束规划(CCP)；对经济-社会-环境多目标函数引入模糊多目标规划(FMOP)，通过隶属度函数，尽可能达到最大满意度；通过二者结合，构成模糊机会约束多目标规划(FCMOP)，协调系统各目标，有效地处理行业扩展、污水处理厂扩建等动态问题。

图2 流域系统优化示意Fig.2 Schematic diagram of watershed’s water environmental system optimization

2.5 方案设计

分析流域历史发展情景及流域规划要求发现，目前流域水环境污染严重，规划情景侧重于水资源强力约束下经济、人口(及城镇化率)的快速发展，对水污染总量控制考虑不够，因此需从水资源(水量和水质)、社会经济的发展及二者协调发展的角度来进行改善，即设定三个改善型方案(资源环境约束型、社会经济约束型和协调发展型)，以期实现流域的可持续发展。1)惯性方案：没有拟实施规划情景下的流域发展，作为对规划情景的参考；2)规划方案依据总体规划设定；3)改善型方案：在对上述情景分析的基础上，设定资源环境约束方案、社会经济约束方案及协调发展方案，根据侧重点不同做出调整改善。对不同方案下农业、工业、旅游业、城镇生活、农村生活、污染物治理等各指标参数化，参照历史和规划状况经可行论证后，进行可行范围内的改变。污染物总量控制持续到2030年，划分为2008—2015年、2016—2020年和2021—2030年三个实施阶段。不同年份之间方案耦合如下：在现状年基础情景上设置2015年五类发展方案，经过优选得到最优方案后，作为2020年的惯性发展方案，经过参数改善得到2020年三个改善型方案，然后在这四个方案中优选得到2020年的最优方案，类推至2030年，即得到2030年的最优发展方案。

2.6 机会约束因子

由于污水处理厂进水量变幅较大，调查现状年流域污水处理能力，对其进行机会约束计算。经调查分析，目前污水处理厂处理规模进水量难以保证[22]，且不能确保流域所在地区的污水流向问题，现状年流域污水处理厂处理规模约为769.97万m3，施加机会约束，引入概率分布。运用matlab编程，按正态分布计算CCP。污水处理厂规模分布函数服从于X～N(707.57，432.64)，对优化模型求CCP时，设置低置信区间下的污水处理规模，以避免最不利情况(流域污水均排向河流，而非已有污水处理厂)；同样，设置最优状态(接近1的置信区间)，即对概率为0.01、0.5和0.99的规模值进行规划求解，模拟污水处理厂进水量的高、中、低三个状态，对每个方案下的三组结果取最大值和最小值，求其均值如表2所示。

表2 不同方案下相关指标

注：由于机会约束的存在，优化结果均存在上下限，表中数据均为优化结果区间均值。

3 结果与分析

模糊机会多目标优化模型求解过程中设置以下假设条件。1)模型设置：在可行性研究基础上，设定五个发展情景(惯性发展、规划方案及三个不同侧重方向的改善型方案)，以研究不同改善力度下的社会承载程度；2)方案实现期限拟定：根据水资源纳污红线要求及流域和地方“十二五”规划要求，确定污染物总量控制目标实现期限至2030年，从现状年阶段划分为2008—2015年、2016—2020年、2021—2030年；3)机会约束因子假设：模拟已有污水处理厂进水量的高、中、低三个状态，为污水处理措施的投建规模做概率分析。

3.1 方案结果

以2015年为例，通过模糊机会多目标优化对惯性方案、规划方案及三种改善型方案计算，得到不同方案下可支撑的社会规模及污染物排放状况(表2)。

由表2分析，在流域现状惯性发展下，流域正常发展下技术进步带来万元产值排污系数较现状年保持不变，2015年人口较2008年呈负增长，产值逐年增长率仅为1.47％。流域第一产业、第二产业和第三产业的产业结构之比为16.17∶41.45∶42.39，无法满足未来年经济和人口的发展要求。

规划方案：流域正常发展下技术进步带来万元产值排污系数及用水定额较现状年减少10％，城镇和农村生活用水定额为41.110和23.725 m3(人·a)，城镇化率为23.26％，流域总产值增长率为8.18％，流域第一产业、第二产业和第三产业的产业结构比为10.76∶61.03∶28.21。

资源环境约束型方案：严格控制行业排污，技术进步带来万元产值排污系数减少15％，城镇和农村生活用水定额为40.28和23.75 m3(人·a)，城镇化率为22.66％，流域总产值增长率为4.33％，流域第一产业、第二产业和第三产业的产业结构之比为13.99∶49.37∶36.64。

社会经济约束型方案：流域正常发展下技术进步带来万元产值排污系数减少10％，城镇和农村生活用水定额为41.94和24.20 m3(人·a)，城镇化率为23.27％，流域总产值增长率为8.77％，流域第一产业、第二产业和第三产业的产业结构之比为10.94∶60.39∶28.67。

协调发展型方案：协调行业排污和社会发展，技术进步带来万元产值排污系数在规划方案基础上减少12％，城镇和农村生活用水定额为41.110和23.725 m3(人·a)，城镇化率为23.31％，流域总产值增长率为10.39％，三次产业结构之比为9.68∶64.94∶25.38。

3.2 方案优选

(1)产值：协调发展方案下，流域产值最大，逐年增长率为10.39％；资源环境约束方案产值最小，逐年增长率为4.33％。

(2)人口：四种方案可支撑人口均为52.74万人，逐年增长率为2.65‰；四种方案下城镇化率分别为23.26％、22.66％、23.27％和23.31％。

(3)污染物处理措施投资：现状年流域污染物排放量与赵王河水环境容量相比，需削减92.87％和98.18％，需要加大污染物控制力度(表3)。由表3可知，COD削减较易实现，氨氮较难以控制。原因在于污染物处理时，氨氮的削减率低于COD；氨氮排放系数较大。因此，在控制时，需加强氨氮的治理。

表3 不同方案下污染物排放量较现状年削减比例

(4)用水及工业产业结构调整：现状年及五个方案下十个工业子行业的产业结构转变如图3所示，各用水部门用水结构如图4所示。由图3和图4可见，流域在资源环境约束和协调发展方案下，环境均可得到良好改善，但资源环境约束方案下，流域总产值年增长率为4.33％，三次产业结构之比为13.99∶49.37∶36.64，工业产值年增长率为6.03％，城镇化率为22.66％，发展速度较慢；协调发展方案下，流域总产值年增长率为10.39％，三次产业结构为9.68∶64.94∶25.38，工业产值年增长率为13.40％，城镇化率为23.31％，发展速度较快，满足流域发展需求。因此，推荐协调发展方案作为流域最优发展方案，该方案下加大污染物处理投资(6 324万元，占当年GDP的0.37％)，可达到阶段COD和氨氮减排45.83％和21.48％。

图3 流域工业子行业产业结构调整方案Fig.3 Adjustment of industrial structure

图4 流域各用水部门用水结构调整方案Fig.4 Adjustment of water utilization structure

3.3 调整及控制措施

3.3.1 产业结构的调整

有色金属、运输设备及其他行业的规模均在现状年基础上增加10％；能源电力带来产值较大，且用水重复率高，因此对其可扩大5.22％的行业规模，以带动经济的发展；食品和化工化学行业污染相对严重，且现状年占比例较大(25.55％)，因此，未来年逐步削减10％来改善流域污染状况。基础化工、轻纺医药、造纸业和皮革毛皮业是流域的高污染行业，未来年为0，表明这四个行业需要进行关闭或彻底清洁整顿后再进行发展。

3.3.2 用水结构的转变

用水比例从现状的农业∶工业∶旅游业∶生活∶生态为85.71∶4.38∶0.70∶8.46∶0.75转变为66.95∶11.15∶0.93∶9.06∶ 11.91，工业、生态和生活用水比例加大，农业用水比例减少，逐步趋于生态合理的结构。

3.3.3 污染物容量总量控制

工业污水集中处理率为90％，城镇生活污水集中处理率为80％，增加污染物处理投资6 324.28万元，占当年GDP的0.37％，经处理后，COD排放量为[4 042.13，4 055.59] t，氨氮排放量为[786.66，786.94] t，较现状年减少[45.92％，45.74％]和[21.50％，21.47％]。按此趋势削减，对2016—2020年及2021—2030年方案分析：在2015年推荐方案——协调发展方案的基础上继续发展，与2008年发展至2015年相似，2016—2020年氨氮需加大2倍削减比例，2021—2030年再加大削减20％的氨氮。三个阶段末的发展情景如表4所示。考虑入河系数的影响，至2030年可达到流域水环境容量目标要求，满足国家对水资源管理纳污红线的要求，使流域水环境彻底得到改善，完全可作为东昌湖水体补充水源。

表4 不同规划水平年方案结果

注：表中数据均为方案下区间值的均值。

4 结论

(1)流域社会经济发展规划应结合污染物及水资源规划，实现长期规划(2008—2030年)，以水环境容量作为流域最终污染物总量控制目标，设定阶段削减目标(2008—2015年、2016—2020年和2021—2030年三个阶段)，配套处理措施及投资(约占当年GDP的0.5％)，2030年可从根本上改善流域水环境。

(2)通过加强产业结构调整和污染物控制措施的实施：2015年较2008年削减COD为45.83％，氨氮为21.48％；2020年削减63.56％的COD和45.57％的氨氮；2030年削减87.42％的COD和87.16％的氨氮。考虑入河系数的影响，当综合入河系数CODlt;0.566，氨氮lt;0.141时，可完全满足水环境要求。流域氨氮现状排放严重超标，在规划期内应加大氨氮的削减比例；同时，由于氨氮较难控制，要改进污水处理措施，使氨氮与COD同时得到良好控制。

(3)实施流域产业结构及用水结构调整，可有效促进流域社会经济环境协调发展，对高污染行业削减生产规模，改进清洁生产，严重者可进行停业整顿，如基础化工、轻纺医药、造纸业和皮革毛皮业等行业。采取节水措施，提高农业用水效率，减少用水量，使水资源配置得到更高效益。

(4)对污水现状处理规模机会约束，使结果具有更大的决策空间，更易于流域可持续发展政策的实施，具有实际可行的意义。

(5)流域社会经济结构改善后，2015年承载人口52.75万人，城镇化率为23.32％；2020年承载人口55.42万人，城镇化率为31.58％，2030年承载人口68.78万人，城镇化率可达到51.56％。城镇化率加快，能够满足社会发展要求。

[1]LIU Y,GUO H C,YU Y J.Ecological-economic modeling as a tool for watershed management:a case study of Lake Qionghai watershed[J].China Limnologica,2008,38:89-104.

[2]李边疆,王万茂.区域土地利用与生态环境耦合关系的系统分析[J].干旱区地理,2008,31(1):142-148.

[3]孙富行,郑垂勇.水资源承载力研究思路和方法[J].人民长江,2006,37(2):33-36.

[4]ZHU Y H,DRAKE S,LÜ H S,et al.Analysis of temporal and spatial differences in eco-environmental carrying capacity related to water in the Haihe River Basins,China[J].Water Resources Management,2010,24:1089-1105.

[5]ARROW K,BOLIN B,COSTANZA R,et al.Economic growth,carrying capacity, and the environment [J].Science,1995,268:520-521.

[6]程国栋.黑河流域可持续发展的生态经济学研究[J].冰川冻土,2002,24(4):335-343.

[7]许新宜,王浩,甘泓.华北地区宏观经济水资源规划理论与方法[M].郑州:黄河水利出版社,1997.

[8]YU Y J,GUAN J,MA Y W,et al.Aquatic environmental quality variation in lake Dianchi watershed[J].Procedia Environmental Sciences,2010,2:76-81.

[9]雷晓辉,王旭,蒋云钟,等.通用水资源调配模型WROOMⅠ:理论[J].水利学报,2012,43(2):225-231.

[10]CHANG N B,WEN C G,CHEN Y L.A fuzzy multi-objective programming approach for optimal management of the reservoir watershed[J].European Journal of Operational Research,1997,99:289-302.

[11]张晓萱,黄国和,席北斗,等.电厂优化配煤的不确定性机会约束非线性规划方法[J].中国电机工程学报,2009,29(5):11-15.

[12]LI Y P,HUANG G H,NIE S L.Water resources management and planning under uncertainty:an inexact multistage joint-probabilistic programming method [J].Water Resources Management,2009,23:2515-2538.

[13]张静,黄国和,刘烨,等.不确定条件下的多水源联合供水调度模型[J].水利学报,2009,40(2):160-165.

[14]孟伟,张远,郑丙辉.水环境质量基准、标准与流域水污染物总量控制策略[J].环境科学研究,2006,18(3):1-6.

[15]方国华,钟淋涓,吴学文,等.水资源利用和水污染防治投入产出最优控制模型研究[J].水利学报,2010,41(9):1128-1134.

[16]王丽婧,郭怀成,王吉华,等.基于IMOP的流域环境-经济系统规划[J].地理学报,2005,60(2):219-228.

[17]刘永,郭怀成,黄凯.湖泊-流域生态系统管理的内容与方法[J].生态学报,2007,27(12):5352-5360.

[18]FANG C L,BAO C,HUANG J C.Management implications to water resources constraint force on socio-economic system in rapid urbanization: a case study of the Hexi Corridor, NW China[J].Water Resources Management,2007,21:613-633.

[19]孟伟,张远,张楠,等.流域水生态功能分区与质量目标管理技术研究的若干问题[J].环境科学学报,2011,31(7):1345-1351.

[20]YANG Y H,ZHOU F,GUO H C,et al.Analysis of spatial and temporal water pollution patterns in Lake Dianchi using multivariate statistical methods[J].Environmental Monitoring and Assessment,2010,170:407-416.

[21]YUAN H Z,SHEN J,LIU E F.Assessment of nutrients and heavy metals enrichment in surface sediments from Taihu Lake,a eutrophic shallow lake in China[J].Environmental Geochemistry and Health,2011,33:67-81.

[22]静贺,邱勇,沈童刚,等.城市污水处理厂进水动态特性及其影响研究[J].给水排水,2010,36(8):35-38. ▷

ResearchonScenarioAnalysisBasedMulti-objectiveProgrammingforSocio-economicDevelopmentinUrbanLakeBasins

XU Jian-xin1, ZHANG Qiao-li1, LEI Hong-jun1, MA Xi-tang2, XIA Xun-feng3, XI Bei-dou3

1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, China 2.Liaocheng Water Conservancy Bureau, Liaocheng 252061, China 3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Taking Dongchang Lake Basin in Shandong Province as an example, selecting the water indicators of production, living and ecology as key points of entry, the society-economy-environment coordination fuzzy chance constrained multi-objective programming model was established to maximize the benefits of the society, economy and ecological environment. Three different development scenarios, i.e. resources and environment constrained scheme, socio-economic development constrained scheme and coordination development scheme, were set on the bases of inertia scenario and planning scenario with the fuzzy weights of objective function and the chance constrained analysis of sewage scale. Optimized results of all the schemes in the planning year were analyzed and, combined with current situation and planning requirements for the river basin, the best socio-economic development mode and pollution control countermeasures of given. Finally, the socio-economic development mode and adjustment direction of industrial structure in the lake basin in 2008-2030 were suggested.

lake basin; socio-economic development; multi-objective programming; water environmental carrying capacity

1674-991X(2013)02-0138-09

2012-09-25

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07106-03-01)

徐建新(1954—)，男，教授，博士，主要从事区域水资源高效利用研究，xujianxin@ncwu.edu.cn

*通讯作者:席北斗(1969—)，男，研究员，博士，主要研究水环境污染控制与治理，xibeidou@263.net

X524

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.02.023