社河控制单元水环境承载力情景方案设计研究

朱悦 关倩

摘要 以抚顺县社河控制单元为例，基于水环境-水资源-水生态-社会经济4个子系统构建指标体系及水环境承载力评估预警动态模型，并设计常规发展型、经济改善型、水环境改善型、水资源改善型、综合改善型5种情景方案，预测2019—2025年不同发展方案下的水环境承载力。结果表明，社河控制单元水环境承载力均呈上升趋势，各方法调节效果为综合改善型（0.811 7）>水资源改善型（0.765 8）>经济改善型（0.711 7）>水环境改善型（0.682 4）>常规发展型（0.672 5）。常规发展型情景方案2025年达到临界超载—蓝色预警状态，说明按照现有状态发展，社河控制单元不能够承载目前的人口、经济规模;综合改善型情景方案2025年达到绿色不超载状态，说明在此方案下，社河的社会经济、水环境、水资源、水生态能协调发展。

关键词 水环境承载力;系统动力学;情景方案设计;社河控制单元

中图分类号 X522  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）05-0072-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.05.018

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on Scenario Scheme Design of Water Environment Carrying Capacity in Shehe River Control Unit

ZHU Yue， GUAN Qian

（Liaoning Provincial Science and Technology Center for Ecological Environment Protection， Shenyang， Liaoning 110015）

Abstract Taking the Shehe River Control Unit in Fushun County as an example， based on the four subsystems of water environment-water resources-water ecology-social economy to construct an indicator system and a water environment carrying capacity evaluation and early warning dynamic model，and design five scenarios of conventional development， economic improvement， water environment improvement， water resource improvement and comprehensive improvement， to predict the water environment carrying capacity under different development plans from 2019 to 2025.The results showed that the water environment carrying capacity of the Shehe control unit was on the rise， and the adjustment effect of each method was comprehensive improvement type （0.811 7）> water resource improvement type （0.765 8）> economic improvement type （0.711 7）> water environment improvement type （0.682 4）> conventional development type （0.672 5）.The conventional development scenario plan will reach the critical overload-blue warning state in 2025， indicating that according to the current state of development， the Shehe River control unit cannot carry the current population and economic scale;the comprehensive improvement scenario plan will reach a green non-overload state in 2025， indicating that under this plan， the social economy， water environment， water resources， and water ecology of Shehe River can develop in a coordinated manner.

Key words Water environment carrying capacity;System dynamics;Scenario scheme design;Shehe control unit

基金项目 水体污染控制与治理科技重大专项（2018ZX07601-002）。

作者简介 朱悦（1981—），女，辽宁沈阳人，高级工程师，硕士，从事流域水环境保护研究。

收稿日期 2021-06-08

由于经济的迅猛发展及部分地区水环境资源的不合理应用，社会经济活动强度已经达到或超过水环境承载上限，由此引发了水资源开发利用率过高、水环境污染负荷较大、水生态退化等一系列问题。由此可见，水环境承载力的研究对保障水环境健康及社會经济健康发展有重要的科学意义。

生态环境部召开的重点流域水生态保护“十四五”规划编制试点工作启动视频会指出，要统筹水资源、水环境、水生态承载力，改善水环境质量[1]。因此该研究根据要求在前期研究的基础上[2-5]对水环境承载力定义进行补充，即水体在同时满足水资源承载力、水环境承载力和水生态承载力的条件下，能够承载的社会、经济、人口发展规模的阈值[6]。

水环境承载力的量化评价方法主要包括向量模法、加权平均法、BP神经网络法、系统动力学法等。郑博福等[7]构建包括水环境、水资源、水生态、土地生态功能的水环境承载力指标体系，并利用向量模法对典型河网地区水环境承载力进行综合评价。周洋等[8]建立了包含8个指标的指标体系，应用加权平均法评估汉江地区水环境承载力现状，并提出主要制约因素及改进措施。曹若馨等[9]以COD、氨氮、总磷为研究对象，基于BP神经网络法构建水环境承载力预警模型，并从水环境全过程控制角度对环境污染治理方向进行规划。杨光明等[10]在对重庆工业现状、人口规模和自然环境分析的基础上，通过系统动力学法构建水资源承载力指标体系及模型，设计情景方案对水资源承载的可持续发展能力进行评估与预测。杨海燕等[11]针对泰安市水资源与水环境现状，利用系统动力学模拟泰安市纳污能力、污染物排放量和缺水程度，设计情景方案改善未来年份城市的水环境与水资源供需平衡能力。通过文献总结，系统动力学法能清晰明确地反映因素对结果的影响程度，并能够反映系统长期的动态趋势。因此该研究选用系统动力学法构建水环境承载力评估预警模型。

社河是大伙房水库3条主要入库河流之一，属于饮用水水源地保护区。如何在保证饮用水水源地保护区经济稳定发展的前提下提高水环境承载力是社河控制单元的重要任务。该研究以社河控制单元为研究对象，根据系统动力学法构建水环境承载力评估预警模型，设计5种情景方案对2019—2025年水环境承载力进行调节，并完成以社河控制单元为例的饮用水源地保护区水环境承载力提升方案。

1 指标体系的建立

根据社河控制单元水资源公报等文件及文献，结合水环境、水资源、水生态3个子系统，根据数据可获取性、全面性、科学性等原则构建了辽河流域水环境承载力指标体系，具体见图1。

2 水环境承载力评估预警模型构建

水环境承载力的研究对象主要包括以下4个模块：①水环境模块，主要包括点源污染物及非点源污染物，反映研究区的污染负荷和净化污染物的能力，模型主要评价指标为总氮（TN）和总磷（TP）;②水资源模块，主要包括水资源开发利用率、水资源供水量、生活用水量、工业用水量等，主要反映研究区的供水能力及用水能力;③水生态模块，包括河岸带植被覆盖率和林草植被覆盖率，主要反映研究区的植被覆盖情况;④社会经济模块，包括经济及人口变化趋势，主要反映社会经济改善趋势。根据上述分析构建社河控制单元系统动力学模型，具体见图2。

2.1 模型边界

系统模拟的空间边界为社河控制单元，时间边界为2013—2025年，基准年为2018年，仿真时间步长为1年，其中2013—2018年为评估年份，2019—2025年为预测年份。

2.2 相对误差检验

对历史数值输入模型进行仿真模拟，将模拟数值与实际数值进行对比，若误差（表1）在10%以内则说明模拟有效。因此历史检验所选择的数据需要有多年连续数值。该研究选取农业增加值、第三产业增加值、人口作为检验对象进行历史性检验（表1），误差在10%以内，证明模型有效，可以利用该模型对社河控制单元水环境承载力进行评估预警。

3 情景方案设计

结合社河控制单元发展现状及“十四五”国家规划等，对模型内相关指标进行调整，形成常规发展型、经济改善型、水环境改善型、水资源改善型、综合改善型5种方案，设计说明如表2所示。

4 水环境承载力评估分析

4.1 指标变化分析

以水环境子系统为例，不同情景方案下水环境子系统变量如图3所示。工业、农业增加值排污强度均呈下降趋势，说明各方案能够显著减小环境压力;水域纳污率降低至100%以下，说明情景方案能够较好地减少污染物的产生与排放;5种方案下综合改善调节方案调节效果最好。

4.2 水环境承载力比较分析

参照中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于建立资源环境承载能力监测预警长效机制的若干意见》，将水环境承载力状态分为3级5色，并根据相关文献对水环境承载力进行量化，相应承载区间及对应级别颜色如表3所示。

根据综合指数法计算得到社河控制单元2019—2025年水环境承载力变化情况，从图4可以看出，情景方案中水环境承载力从大到小依次为综合改善型（0.811 7）>水资源改善型（0.765 8）>经济改善型（0711 7）>水环境改善型（0.682 4）>常规发展型（0.672 5）。

各情景方案下，水环境承载力均呈逐年上升趋势。常规发展趋势因为2018年GDP变化率为正数，因此排污强度与万元GDP用水量逐年下降，水环境承载力呈上升趋势。5种方案中常规发展型、经济改善型、水环境改善型、水资源改善型调节效果较差，2025年均为临界超载—蓝色预警状态，说明单一调节模式下，水环境承载力压力较大，不能保障水体安全。而综合改善型调节效果最优，2025年达到绿色不超载状态。分析其中原因，综合改善型采取较高的经济增速、较强的节水能力，较少的用水量，可大幅提高水环境承载力，同时注重经济改善，调节水环境、水资源子系统存在的问题，减少了污染物的排放以及水资源的开发利用，有效促进社会经济与水环境的协调发展。

5 结论

以抚顺县社河控制单元为例，基于水环境-水资源-水生态-社会经济4个子系统构建指标体系及水环境承载力评估预警动态模型，并设计常规发展型、经济改善型、水环境改善型、水资源改善型、综合改善型5种情景方案，预测2019—2025年不同发展方案下的水环境承载力。结果表明，2019—2025年社河控制单元水环境承载力呈上升趋势，综合改善型（0.811 7）>水资源改善型（0.765 8）>经济改善型（0.711 7）>水环境改善型（0.682 4）>常規发展型（0.672 5）。

常规发展型情景方案2025年达到临界超载—蓝色预警状态，说明按照现有状态发展，社河不能够承载目前的人口、经济规模。综合改善模式调节效果最好，2025年可以达到绿色不超载状态，实现社会经济与水环境、水资源、水生态的协调稳定发展。

社河控制单元作为饮用水源地保护区，在保证达到水质要求的前提下仍然需要控制总氮、总磷等污染物排放量，以生态环保需求倒逼企业工艺升级，提升水资源利用效率，保证水生态健康程度，实现社会经济、水资源、水环境、水生态的协调发展。

参考文献

[1] 张波.重点流域水生态保护“十四五”规划编制试点工作视频会讲话[EB/OL].（2020-04-09）[2020-05-10].http：//www.mee.gov.cn/ywdt/hjywnews/2020047t20200409_773738.shtml.

[2] 李胜双.金塔盆地水资源承载力分析及其调控模式研究[D].兰州：兰州大学，2017.

[3] 南楠.基于灰色关联理论与SD模型的江苏省水环境承载力研究[D].南京：南京大学，2012.

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[12] 2021年抚顺市政府工作报告[EB/OL].[2021-01-15].http：//www.fushun.gov.cn/fushun/infodetail/？infoid=06d8b782-2562-4ba1-afeb-daa3d1823a20&categoryNum=038020001.

[13] 抚顺县人民政府.抚顺县畜禽养殖环境保护管理规定（暂行）[EB/OL].（2018-11-06）[2021-01-11].http：//www.lnfsx.gov.cn/ins_wj.asp？s=56&i=5244.

[14] 国家发展改革委，住房城乡建设部.关于印发《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》的通知：发改环资〔2016〕2849号[EB/OL].（2016-12-31）[2021-01-11].https：//www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/201701/t20170122_962224.html.

[15] 国家发展改革委，科技部，工业和信息化部，等.关于推进污水资源化利用的指导意见：发改环资〔2021〕13号[EB/OL].（2021-01-04）[2021-01-11].https：//www.ndrc.gov.cn/xwdt/tzgg/202101/t20210 111_1264795.html.