四平市地表水环境承载力影响因素研究

王宪恩，胡若漪，段思营，段海燕，王 硕

(吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，长春 130021)

0 引 言

为应对社会经济高速发展与自然资源环境保护之间的矛盾，可持续发展理念得到了世界范围内的认同[1]。而承载力研究正成为调节社会经济发展与自然资源环境矛盾的有效手段。承载力的概念起源于生物学[2]，而后逐渐扩展到生态学领域[3]与社会学领域[4]目前在可持续发展研究中，主要将承载力与人口增加、经济发展、资源减少和相关环境问题联系在一起[5]，用以表示自然资源环境系统所能承受的社会经济发展和特定活动能力的限度[6]。水环境承载力即是用以表征在一定水资源环境容量的前提下，社会经济发展的最大限度，是承载力概念与水环境领域的自然结合[7]。

而如何测度水环境承载力，目前存在着定量、定性两个方向与动态、静态两种手段。其中定性方向主要包括了通过构建指标体系等方法对水环境承载力进行判断，例如Rijiberman等在研究城市水资源评价和管理体系中将承载力作为城市水资源安全保障的衡量标准[8]。Harris对农业生产区域的水资源农业承载力进行了重点研究，并将此作为区域发展潜力的一项衡量标准[9]。定量方法则采用统计学、模糊数学等方法对水环境承载力进行计算，例如李如忠等，针对水环境承载力评价模糊优选模型和矢量模法存在的不足，基于水环境承载力概念的模糊性和评价指标多样性的特点，建立了区域水环境承载力评价的模糊随机优选模型，并将之用于地下水环境承载能力评价[10]。张晓旭等基于前人EFDC模型计算的抚仙湖水环境容量，采用层次分析法与聚类分析法结合的复合模型进行水环境承载力的定量评价，揭示当地水环境承载力现状，分析识别主要的影响因子，用以提出优化建议[11]。静态研究主要针对现状或未来规划目标进行评价与优化，例如：李磊等建立水环境承载力的评价指标体系，采用层次分析-熵值定权法和向量模法对武汉市水环境承载力进行评价[12]。杨莲花等基于神经网络模型，对松花江流域水环境承载力进行评价[13]。李健等基于水环境承载力的概念，运用状态空间模型对2006年到2011年的天津市水环境承载力进行评价分析[14]。动态研究主要针对水环境承载力的未来变动趋势进行预测，例如：王俭等应用系统动力学方法建立了水环境承载力模型，模拟了辽宁省水环境系统的动态变化[15]。朱银银等根据某市经济-社会-环境系统的分析，利用系统动力学方法建立模型，确定符合社会经济可持续发展要求的最优方案[16]。这主要是由于系统动力学方法是一种基于反馈控制理论，用来研究复杂系统的定量方法，借助计算机模拟技术分析系统的动态行为，预测系统的发展趋势[17]。与其他研究方法相比较，系统动力学方法适用于区域水环境承载力研究，从系统发展的观点出发，具有模型直观、分析速度快等优势[18]。

综上所述，目前水环境承载力研究中存在的主要问题是侧重于水环境承载力的状态是否超载，而对于水环境承载力状态的影响因素讨论甚少或不讨论，使计算模拟或评价的结果与社会经济因素的相关调整方案脱节甚至得到相反的效果。基于此，本研究采用系统动力学方法建立水环境承载力模型，以四平市地表水环境承载力研究为例对影响其状态的因素进行了定量分析，为更有效地利用四平市地表水环境承载力提供合理建议。

1 方法与模型

1.1 技术路线

本文利用系统动力学方法进行模型构建。通过对数据的整理和所构建模型中变量方程和参数的设定，利用VenSIM软件模拟运行出的结果进行分析。将模拟结果与历史数据进行检验，调整方程参数。在此基础上进行灵敏度分析，得出对水环境承载力具有显著影响的因素。

图1 技术路线图Fig.1. Technical route map

1.2 模型建立

根据水环境承载力的定义和内涵，其表征指标的选取应从与人口、经济相关的水资源与水污染方面考虑。将水资源承载指数、COD环境承载指数和氨氮环境承载指数这三个影响因素设为表征系统承载能力的核心指标，即由社会经济发展引起的水资源消耗与污染排放对水资源供给与水环境容量的消耗来表征水环境对于社会经济发展的承载程度。并结合四平市水环境系统的特征与实际情况，将水环境承载力系统分解为人口、经济、水资源、水污染4个子系统。

综上所述，四平市水环境承载力可以表述为如下公式：

水环境承载力=F(人口状况, 经济状况, 水资源状况, 水环境状况)

其中，人口数量表征人口系统状况；GDP表征经济系统状况，水资源承载指数表征水资源系统状况，COD承载指数与氨氮承载指数表征水环境系统状况，以下分别介绍不同系统的组成及表征因子的计算。

1.2.1 人口子系统

以总人口为状态变量，其增加与减少主要通过人口增长率、人口下降率的变化来计算。计算方程如下：

总人口(t)=总人口(t-1)+人口膨胀-人口萎缩

(1)

人口增长率=出生率+迁入率

(2)

人口下降率=死亡率+迁出率

(3)

人口的出生和迁入使人口数量增长，人口的迁出和死亡导致人口数量下降；同时区域的人均GDP上升，生活水平提高，会促使更多的人口迁入。经济发展使得城市化率有所提升，进而使得城镇人口数量上升，进而导致生活需水和生活污染加剧。

1.2.2 经济生产子系统

在本系统中，从生产投入变化的角度分析第一产业、第二产业、第三产业中间投入和总产值的变化情况。以第一产业为例，扩大农业生产活动，即增加农业中间投入使农业生产变动增加，相应的农业生产产值增加，社会经济水平进而提高。计算公式如下：

第一产业增加值=第一产业总产值-第一产业中间投入

(4)

第一产业总产值(t)=

第一产业总产值(t-1)+DT×农业生产速度

(5)

式中：t表示现在的时刻；DT为时间步长，本文为1 a。

以国内生产总值(GDP)来表示经济发展水平， GDP的支出情况主要从人均可支配收入、资本形成、政府支出和净流出这四方面分析。子系统流图如图2。

图2 经济生产子系统Fig.2. Economic subsystem flow map

1.2.3 水资源子系统

水资源的供需量是衡量整个水环境承载力的重要因素，并将水资源需求量和多年平均供水量的比值作为表征系统水资源承载能力的指标。计算公式如下：

水资源承载指数=水资源需求量/多年平均供水量

(6)

本文主要从水资源需求角度分析生活和生产的需水波动情况，其中生产用水主要包括农业生产需水和第二产业需水，由于第三产业生产过程中所产生的需水量基本用于生活方面，因此，其用量不计入生产需水量中。子系统流图如图3。

图3 水资源子系统流图Fig.3. Water resource subsystem flow map

1.2.4 水环境子系统

水环境子系统是从两种主要的污染物角度确定相关影响因素，本文将污染物入河量与环境容量的比值作为表征水体污染承载能力的指标，计算公式如下：

COD环境承载指数=COD入河量/COD环境容量

(7)

氨氮环境承载指数=氨氮入河量/氨氮环境容量

(8)

在水环境子系统中，生活源主要是城镇生活污染，城镇人口增加导致生活污染加剧，点源污染物产生量随之增加；生产活动产生的污染主要来自于第二产业生产，扩大生产所产生的工业污染加剧。

污染物的入河量包括点源和非点源污染物排放量，本文中由于非点源污染物的排放情况复杂，数据取用多年平均入河量表示。子系统流图如图4。

图4 水环境子系统流图Fig.4 Water environment subsystem flow map

2 案例分析

2.1 研究区概况

四平市位于吉林省西南部，介于北纬42°31′至44°09′，东经123°17′至125°49′之间。由于地理位置和经济水平限制，导致四平市地表水资源短缺情况严重，地表水环境污染情况持续恶化。随着社会经济的发展，社会经济与地表水环境系统的关系渐趋紧张，地表水环境问题逐渐威胁到地区生产生活[19]。

2.2 数据来源及模型检验

2.2.1 数据来源

根据2007-2011年四平市统计年鉴、水资源公报等资料获得数据。

根据年鉴可知自2007-2011年，四平市人口总量逐年上升，城市化率逐年下降。如图5所示。

图5 2007-2011年四平市人口相关数据Fig.5 Population data of siping (2007-2011)

图6所示为2007-2011年3个产业的总产出值和增加值，其中总产出值逐年上升，第二产业增长较快。增加值除第一产业外均呈逐年上升趋势，2010年第一产业增加值比上一年有所下降，但总体仍为上升趋势。

2007-2011年四平市点源COD排放量逐年下降，点源氨氮排放量上下波动。如图7所示。

图6 2007-2011年四平市各产业生产相关数据Fig.6 Production data of siping (2007-2011)

图7 2007-2011年四平市点源污染物排放量相关数据Fig.7 Pollution emissions of siping (2007-2011)

而四平市地表水功能区区划依照《四平市水功能区监督管理办法》，由于东辽河流域四平段下游为辽宁省，因此四平段水功能分区为缓冲区，水质控制目标为III类水，按照东辽河四平段、昭苏台河四平段、条子河四平段的多年平均流量流速，结合一维水质模型计算四平市地表水环境容量。

2.2.2 模型检验

根据所构建的系统模型的初步运行结果，与已知年份历史数据进行对照，误差分析如表1所示。

2.2.3 模拟结果

根据模型的模拟结果，按照目前四平市社会经济与地表水环境变化趋势，到2025年，四平市的地表水环境承载力状况可达到，人口367万人，GDP总量3 167亿元，COD承载指数达到3，氨氮承载指数为5，可以看到若按照目前的发展趋势继续，四平市地表水环境容量是无法承载四平市的社会经济发展规模，其COD排放入河量达到COD水环境容量的3倍，氨氮排放入河量达到氨氮水环境容量的5倍，明显处于超载状态。

表1 误差分析表Tab.1 Error analysis table

2.3 结果与讨论

根据建立好的模型，进行模型参数的灵敏度分析。通过设置可控制参数变化范围，将采样次数定为500次，采用均匀概率分布采样，进行检验。本文中选取部分影响较为显著的因素，进行分析说明。

人口政策系数对人口增长率的影响。其值为1时不影响实际人口增长速率，将其数值变化范围调整为0～2，经过模型灵敏度分析后，结果如图8-10，图中彩色条带表示变动范围，由图9所示，到2025年，人口变化对COD承载指数的影响，随着人口政策的变化，COD承载指数有50%的可能在2～3.5之间变化，75%可能的变化范围与100%可能的变化范围波动不大，就达到的峰值看COD环境承载指数波动范围在0～4.5之间。水资源承载指数不变。对比COD环境承载指数与氨氮环境承载指数，由图10所示可以看出，到2025年，人口变化对氨氮承载指数的影响，随着人口政策的变化，氨氮承载指数有50%与75%的可能均在1～10之间变化，95%与100%可能性的变化范围变化不大，均在1～15之间。因此，人口数量的变化对于氨氮的排放影响更大，即生活污染源是氨氮点源排放的主要来源。

图8 人口数量变化对COD环境承载指数影响Fig.8 Impact of population on COD index

图9 人口数量变化对氨氮环境承载指数影响Fig.9 Impact of population on NH3-N index

图10 人口数量变化对水资源承载指数影响Fig.10 Impact of population on water resource

农业生产政策系数在模拟过程中设定值为1。调整农业生产政策系数，将参数值变化范围调整为0～2。结果如图11-13，如图12所示，到2025年，农业生产活动对水资源承载指数的影响，随着农业生产政策的变化，水资源承载指数有50%的可能在0～2之间变化，75%、95%及100%可能性的变化范围在0～3之间，而COD和氨氮环境承载指数无变化。表明农业生产活动对地表水资源承载指数会产生影响。

图11 农业生产对水资源承载指数影响Fig.11 Impact of agriculture on water resource

图12 农业生产对COD环境承载指数影响Fig.12 Impact of Agriculture on COD Index

图13 农业生产对氨氮环境承载指数影响Fig.13 Impact of Agriculture on NH3-N index

工业生产系数在模拟过程中设定值为1。变化范围调整为0～2，经过模型灵敏度分析后，结果如图14-16所示，到2025年，工业生产活动对COD承载指数的影响，随着工业生产活动的变化，COD承载指数有50%的可能在0～9之间变化，75%的可能在0～10之间变化，95%可能性的变化范围与100%可能性的变化范围变化在0～11之间变化；工业生产活动对氨氮环境承载指数的影响，工业生产活动变化能够使氨氮环境承载指数有50%的可能在0～9之间变化，75%与100%可能性变化范围均在0～11范围内变化。工业生产活动对水资源承载指数的影响，随着工业生产活动的变化，水资源承载指数有50%的可能在0.5～2之间变化，75%的可能在0.5～2.5之间变化，95%与100%可能性的变化范围变化不大，均在0.5～3.5之间变化。综上所述，表明进行工业生产活动，工业用水量和工业生产所产生的污染排放对系统的水资源量和水环境污染情况均有影响。对比三项承载指数可知，工业生产活动对于COD和氨氮的排放影响较大，即工业污染源是COD和氨氮点源排放的主要来源。

图14 工业生产对COD环境承载指数影响Fig.14 Impact of industry on COD index

图15 工业生产对氨氮环境承载指数影响Fig.15 Impact of industry on NH3-N index

图16 工业生产对水资源承载指数影响Fig.16 Impact of industry on water resource

调水因子在模拟过程中调水因子为1。调水因子参数值调整范围为1～3，进行灵敏度分析，输出结果如图17-19所示，到2025年，COD承载指数有50%与75%的可能在0～3之间变化，95%与100%可能性的变化范围在0～4之间变化。调水因子对氨氮环境承载指数的影响，其中50%与75%的可能在0～4.5之间变化，95%与100%的可能性变化范围在0～6之间。调水因子变化引起的水资源承载指数的变化，其指数变化有50%的可能在0～0.8之间变化，75%的可能在0～0.9之间变化，95%与100%可能性变化范围在0～1.5之间。

图17 调水因子对COD环境承载指数影响Fig.17 Impact of diversion on COD index

图18 调水因子对氨氮环境承载指数影响Fig.18 Impact of diversion on NH3-N index

图19 调水因子对水资源承载指数影响Fig.19 Impact of diversion on water resource

在调整点源污染物入河系数后，灵敏度分析结果如图20、21，由图21可知，点源氨氮入河量的变化对氨氮环境承载指数的影响，其中50%与75%的可能在0～7.5之间变化，95%与100%可能性的变化范围均在0～9之间变化。图21所示为点源COD入河量的变化对COD环境承载指数的影响，其中50%的可能在0～5之间变化，75%的可能在0～5.5之间变化，95%与100%可能性的变化范围变化不大。

图20 点源氨氮入河系数对氨氮环境承载指数影响Fig.20 Impact of source emission on NH3-N index

图21 点源COD入河系数对COD环境承载指数影响Fig.21 Impact of source emission on COD index

分析表明，人口数量的变化是氨氮环境承载指数的主要影响因素；农业生产用水是水资源承载指数的主要影响因素；第二产业生产活动是水环境承载力影响因素的重要组成。综上所述，水资源承载指数变化主要受农业生产和工业生产影响，其中农业用水占用水总量的比重较大，是主导水资源承载指数变化的因素；COD环境承载指数变化主要由工业生产活动所导致；氨氮环境承载指数的变化受人口数量变化和工业生产活动所影响。

3 结 语

可以看到，当人口政策系数在0到2之间变化时，地表水资源承载指数不变，而地表水COD环境承载指数变化范围在0到4.5之间，地表水氨氮承载指数在1到15之间变化，这与人口数量变化对三者影响的区别有关，就水资源的利用而言，生活用水消耗远低于农业生产消耗，因此，人口数量的变化对水资源消耗的影响较小，在水资源供给能力一定的前提下，水资源承载指数变化不大，与水资源消耗相对的是，生活污染物排放在点源排放中占据较大比重，因此人口数量的变化对于污染物排放量有较大影响，当水环境容量一定时，COD承载指数与氨氮承载指数有较大的影响；而农业生产政策系数在0到2之间变化时，水资源承载指数的变化范围达到0到3之间，而对COD承载指数与氨氮承载指数的影响较小，如前所述，这主要是由于农业生产是水资源消耗的最主要方式，当农业生产扩大时，需要更多的水资源支持作物生长，畜牧业发展，因此在农业生产政策指数变化时，对水资源消耗量产生较大影响，而在水资源供给量一定的条件下，水资源承载指数将会出现较大波动，另外，由于本研究中仅仅考虑了污染物的点源排放，而农业生产的污染物排放方式以非点源为主，因此农业生产的变化对于COD承载指数与氨氮承载指数没有影响；而在工业生产政策系数对水环境承载力影响的模拟中，可以看到工业生产的变化将引起水资源承载指数的明显变化，这主要是由于工业总产值远大于农业总产值，因此当政策变化系数一致时，工业总产值变化的绝对值是远大于农业总产值的，因此二者对水资源承载指数的影响程度较为接近，而作为污染物点源排放的主要来源，工业生产规模的扩大也意味着污染物排放量的增加，在污染物水环境容量一定的前提下，其水环境承载指数的变化将出现较大的波动；当采用跨流域调水机制时，可以看到，对于缓解四平地区的水资源水环境超载问题具有明显成效，当调水量为径流量2倍时，COD与氨氮承载指数的降幅达到66%，同时跨流域调水引起水资源供给量上升，因此在水资源消耗量不变的前提下，其水资源承载指数出现下降，其降幅达40%；由此可以看到，人口变化与工农业生产是目前四平地区水环境承载力处于超载状态的主要影响因素，因此需要从人口数量、人口结构、产业水平与产业结构调整入手，使四平市水环境承载力总体维持在可持续的水平上。

通过本文对四平市地表水环境承载力复合系统的模拟，有效地预测和分析地表水环境承载力的时间变化及其影响因素，清晰表明人口、社会经济与资源环境之间关系的动态变化，衡量水环境系统的承载状况，进而了解社会经济与水环境系统的协调程度，为今后调整四平市经济与水环境协调可持续发展提供了依据。本文所构建模型对实际系统进行了部分简化，其模拟结果可能存在与实际值的偏差，但对分析影响因素显著性问题影响不大，且结论总体与实际情况基本相符，可用于实际水环境承载力分析，为未来调节社会经济发展与水环境污染之间的矛盾提供解决途径的参考。

□

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