以流域水生態(tài)承載力評估與調控支撐環(huán)境和經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展
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控制單元水生態(tài)承載力與污染物總量控制技術研究與示范課題現(xiàn)場會。
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WECC-SDM模型結構框架示意圖
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常州市水環(huán)境承載力變化
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課題組人員進行現(xiàn)場監(jiān)測與記錄。
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水生態(tài)系統(tǒng)健康需求——水生態(tài)支持力約束關系
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系統(tǒng)動力學與元胞自動機耦合的水環(huán)境承載力時空評估模型示意圖
黨的十八大以來，我國加快推進生態(tài)文明建設進程，提出了“綠水青山就是金山銀山”、“山水林田湖是一個生命共同體”等一系列新理念新思想新戰(zhàn)略，我國水環(huán)境保護進入了一個新的階段。十八屆三中全會《中共中央關于全面深化改革若干重大問題的決定》提出建立資源環(huán)境承載力監(jiān)測預警機制，對水土資源、環(huán)境容量超載區(qū)域實行限制性措施，以此推動發(fā)展方式和模式的轉變，促進水生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)良性循環(huán)。
2017年9月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)了《關于建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預警長效機制的若干意見》，進一步將這個項工作推向規(guī)范化、常態(tài)化、制度化。對于水環(huán)境而言，水生態(tài)承載力表征水生態(tài)系統(tǒng)對社會經(jīng)濟發(fā)展的承受和支撐能力，因此，開展流域水生態(tài)承載力評估技術研究，提出基于流域水生態(tài)承載力約束的產(chǎn)業(yè)結構和布局優(yōu)化的技術路徑和對策方案，對于完善流域水環(huán)境保護和管理技術體系，落實主體功能區(qū)規(guī)劃，有效規(guī)范空間開發(fā)秩序，合理控制空間開發(fā)強度，促進流域地區(qū)人口、經(jīng)濟和資源、環(huán)境的空間均衡發(fā)展具有重大實踐指導意義。
中國環(huán)境科學研究院承擔完成了國家水體污染控制與治理科技重大專項（以下簡稱水專項）課題“控制單元水生態(tài)承載力與污染物總量控制技術研究”。課題組在解析水生態(tài)承載力內涵的基礎上，建立了水生態(tài)問題診斷方法，構建了水生態(tài)承載力評估模型，提出了產(chǎn)業(yè)結構和布局優(yōu)化的技術方案，并提出了遼河流域鐵嶺市、太湖流域常州市水生態(tài)承載力評估與優(yōu)化調控方案。
關注一建立水生態(tài)系統(tǒng)健康診斷方法
當前，我國流域水生態(tài)系統(tǒng)健康水平低下，集中表現(xiàn)在水資源供需矛盾突出，水環(huán)境質量下降，水生態(tài)系統(tǒng)受損等方面。目前，我國水資源開發(fā)利用已逼近紅線。重點流域如：海河、黃河、遼河流域的水資源開發(fā)利用率分別達106%、82%、76%，西北內陸河流開發(fā)利用已經(jīng)接近甚至超出了水資源承載能力。近幾年，我國地表水環(huán)境質量總體有所好轉，但水環(huán)境形勢仍然十分嚴峻。據(jù)2016年中國環(huán)境狀況公報，七大流域中除長江、珠江流域水質保持良好外，松花江、淮河流域保持輕度污染，遼河流域保持中度污染，海河流域保持重度污染，黃河流域從輕度污染轉為中度污染。隨著人類生產(chǎn)活動強度、生活范圍不斷加大，部分流域生態(tài)用水量明顯不足，水質嚴重惡化，水生態(tài)系統(tǒng)遭到了不同程度的干擾和破壞，物理、化學、生物完整性遭到破壞。
因此，水生態(tài)承載力超載問題已經(jīng)成為部分流域、局部地區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的制約因素。其根本原因在于人類社會活動強度大，資源和環(huán)境效率低，產(chǎn)業(yè)規(guī)模、結構和布局不合理等。
這個課題從化學、物理和生物三方面進行水生態(tài)問題診斷，全面分析復合水生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀和存在的主要問題。物理診斷主要考慮生態(tài)流量的滿足情況和物理生境質量狀況，化學診斷以水質化學指標為主，生物診斷圍繞水生生物完整性進行評價。
物理診斷主要包括對河流生態(tài)需水量滿足情況和河流物理生境質量的診斷和評價。前者側重從水文完整性的滿足情況進行診斷，后者側重對生境完整性進行評價。
這個課題負責人介紹說，河流生態(tài)需水量推薦采用蒙大拿法（MontanaMethod）。蒙大拿法建立了河流流量和水生生物、河流景觀及娛樂之間的關系。它將年平均流量的百分比作為生態(tài)流量。河流物理生境評價主要是針對影響水質、水量和水生生物群落健康的周圍物理環(huán)境的評價，即：根據(jù)水體及其周邊河岸帶的關鍵物理特征指標進行評價。
化學診斷重點圍繞水質化學指標進行分析和評價，識別首要污染因子，確定超標污染物的種類，超標時段和超標程度。采用單因子評價法進行診斷。
通過水生態(tài)調查、監(jiān)測對水生生物的健康狀況進行診斷、評價。一般采用生物完整性指數(shù)（indexofbiologicalintegrity，簡稱IBI指數(shù)）定量描述人類活動干擾與生物群落特性之間關系。課題推薦采用底棲動物完整性指數(shù)（benthic-indexofbio-logicalintegrative，B-IBI）作為生物診斷的關鍵因子進行生物完整性評價。
關注二構建了流域水生態(tài)承載力評估模型
這個課題基于系統(tǒng)動力學建立了一個綜合集成的水生態(tài)承載力評估模型（WECC-SDM）。這個模型融合了評估涉及的人口、經(jīng)濟、水資源、水環(huán)境、土地利用和水生態(tài)等方面的多個模型和方法，直接聚焦承壓關系的薄弱環(huán)節(jié)，能夠動態(tài)模擬系統(tǒng)要素和主要作用關系的變化趨勢。
基于復合水生態(tài)系統(tǒng)理論，設計六大子模塊：人口和經(jīng)濟子模塊、水資源子模塊、水環(huán)境子模塊、土地利用子模塊、水生態(tài)子模塊和承壓分析與調控子模塊。其中人口和經(jīng)濟子模塊主要用于計算和模擬人口數(shù)量及城鄉(xiāng)結構，以及經(jīng)濟規(guī)模及內部結構；水資源子模塊用于模擬社會經(jīng)濟用水量；水環(huán)境子模塊模擬污染物產(chǎn)生和排放；土地利用子模塊模擬土地利用類型變化趨勢及其對承壓關系的影響；承壓分析與調控子模塊圍繞主要承壓關系、污染負荷——河流水質響應關系、水資源可利用量等，計算承載力大小和承載狀態(tài)，進行動態(tài)模擬和調控。
這個課題圍繞復合水生態(tài)系統(tǒng)中的驅動因素、承接載體和受迫對象三種角色，根據(jù)水生態(tài)系統(tǒng)健康需求——水生態(tài)支持力約束關系、社會經(jīng)濟驅動力——水生態(tài)壓力響應關系和水生態(tài)壓力——支持力承壓關系三個主要作用關系，搭建子模塊之間的相互作用關系。
水生態(tài)壓力是指社會經(jīng)濟活動（驅動力因素）產(chǎn)生的水資源消耗、水污染物排放、生態(tài)空間擠占及水生態(tài)破壞的等各種壓力。社會經(jīng)濟驅動力因素是產(chǎn)生水生態(tài)壓力的根源，社會經(jīng)濟驅動力（D）與水生態(tài)壓力（P）之間存在的數(shù)值關系簡稱為驅動力——壓力響應關系（D-P響應關系）
水生態(tài)承載力本質上反映的是社會經(jīng)濟系統(tǒng)與水生態(tài)系統(tǒng)的承壓關系，水生態(tài)壓力與支持力二者之間的承壓關系是衡量具體承載狀況的核心內容，同時也是判定水生態(tài)承載力是否超載的重要依據(jù)。在水生態(tài)承載力評估過程中，通過社會經(jīng)濟驅動力——水生態(tài)壓力響應關系來確定水生態(tài)壓力，通過水生態(tài)系統(tǒng)健康需求——水生態(tài)支持力約束關系來計算水生態(tài)支持力，最后以前兩個關系為基礎進行水生態(tài)壓力——支持力承壓作用關系分析，進一步得出水生態(tài)承載力評估結論。
承壓度是水生態(tài)壓力和支持力之間的差值或比值，反映在一定經(jīng)濟社會發(fā)展水平下水生態(tài)系統(tǒng)的支持力和壓力之間的關系。采用SD模型計算水生態(tài)支持力和壓力及其承壓度指數(shù)（承壓比），根據(jù)水生態(tài)承載力評估技術路徑輸出結果為是否超載的判定結論（超載、可承載），當承載度指數(shù)大于1為超載狀態(tài)，反之為可承載狀態(tài)。
在WECC-SDM模型基礎上，構建了基于系統(tǒng)動力學模型、元胞自動機模型和多主體模型（SD-CA-MASModel）耦合的水環(huán)境承載力評估模型，用于水環(huán)境承載力的時空評估，從而揭示水環(huán)境承載力的時空格局。通過研究方法及研究尺度的改進與創(chuàng)新，提高水環(huán)境承載力理論的可用性，實現(xiàn)水環(huán)境承載力理論不單能服務于管理，還能直接服務于以水環(huán)境質量改善為核心的產(chǎn)業(yè)、人口及土地利用、排污口等結構升級與布局優(yōu)化方面的需求應用。
通過系統(tǒng)動力學模型（SD）、元胞自動機模型（CA）的耦合，開展水環(huán)境承載力的時空評估，SD模型采用VENSIM軟件、CA模型采用SLEUTH模型，耦合模型示意如下圖。系統(tǒng)動力學模型輸出未來的人口，經(jīng)濟及污染排放變化趨勢，元胞自動機模型輸出未來的土地利用變化趨勢，結合GIS格網(wǎng)化技術，從而揭示未來的水環(huán)境承載力時空變化格局。
通過搭建SD模型與CA模型的數(shù)據(jù)輸入輸出的接口建立耦合模型，CA模型主要模擬在多種因素驅動下的土地利用變化，并將輸出的土地利用變化數(shù)據(jù)用來驅動SD模型的運行，而SD模型輸出的GDP、人口、城市面積增長率等數(shù)值則用來驅動CA模型的運行。
在耦合模型輸出結果基礎上，基于土地利用數(shù)據(jù)，采用GIS格網(wǎng)化技術對每個格網(wǎng)的污染物排放系數(shù)、人口系數(shù)及三大產(chǎn)業(yè)系數(shù)進行賦值，從而實現(xiàn)污染物排放、人口及經(jīng)濟的空間格局的表達。
關注三提出產(chǎn)業(yè)結構和布局優(yōu)化調控的對策方案
這個課題在研究水資源、水環(huán)境和產(chǎn)業(yè)結構耦合機制基礎上，構建了“產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化情景方案設計——基于系統(tǒng)動力學的情景方案評估模型——情景方案模擬與優(yōu)選——產(chǎn)業(yè)結構調控對策”的產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化路線圖和方法學框架。
首先，設計了基于產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃和趨勢的產(chǎn)業(yè)結構情景方案，依據(jù)相關規(guī)劃和標準分別設計節(jié)水方案和污染物控制方案；將三類單要素情景方案進行排列組合形成產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化情景方案集。其次，基于水資源、水環(huán)境和產(chǎn)業(yè)結構的耦合關系，構建包含資源環(huán)境子系統(tǒng)，經(jīng)濟社會子系統(tǒng)和治理費用子系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化系統(tǒng)動力學模型。第三，建立以可利用水量和最大允許排放入河量為約束條件的情景方案比選判據(jù)，依此為依據(jù)進行情景方案比選，確定符合約束條件的情景方案；采用投影尋蹤法對比選所得的情景方案進行優(yōu)選，確定最優(yōu)化的產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化情景方案并進行可行性評估。最后，針對最優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化情景方案提出調控對策。
在研究水資源、水環(huán)境和產(chǎn)業(yè)布局耦合機制基礎上，以化學需氧量容量和氨氮容量表征水環(huán)境約束指標，以水資源可利用量表征水資源約束指標，對研究區(qū)域進行水生態(tài)約束分區(qū)，分為水生態(tài)約束高區(qū)、水生態(tài)約束中區(qū)、水生態(tài)約束低區(qū)。
這個課題分析了各類約束區(qū)產(chǎn)業(yè)布局演變情況，并采用承壓度指標（水資源承壓度和水環(huán)境承壓度）對各類約束區(qū)內現(xiàn)狀產(chǎn)業(yè)發(fā)展對水資源和水環(huán)境的影響進行分析，提出了不同約束區(qū)產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化的方向和對策。
關注四
以鐵嶺市和常州市為案例開展示范應用研究
這個課題對遼河流域鐵嶺市承載力評估結果顯示，基于鐵嶺市水生態(tài)問題診斷和主要因子承壓關系，計算現(xiàn)狀水生態(tài)承載度為1.52，現(xiàn)狀判定結果為超載。
課題提出對產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化方案及對策，在最優(yōu)情景方案中，鐵嶺市2020年經(jīng)濟總量為1184億元，年均增長率為5.3%。三產(chǎn)結構從2014年的23.9∶41.7∶34.4調整為21.6∶36.6∶41.8。從節(jié)水指標看，最優(yōu)方案的單位GDP用水量明顯下降，從污染治理調控指標看，表現(xiàn)出鐵嶺市環(huán)境友好性加強，體現(xiàn)在工業(yè)和農業(yè)清潔生產(chǎn)水平的提高，單位產(chǎn)值COD排放量為40噸/億元，符合國家生態(tài)市建設標準，在可達范圍之內。并依據(jù)產(chǎn)業(yè)結構方案，節(jié)水方案和污染物控制方案中的調控指標提出相對應的調控對策。
課題依據(jù)評估結果，提出產(chǎn)業(yè)布局調控方案，鐵嶺市水生態(tài)約束分區(qū)方案：水生態(tài)高約束區(qū)：銀州區(qū)、清河區(qū)、調兵山市、西豐縣。水生態(tài)中約束區(qū)：鐵嶺縣和開原市。水生態(tài)低約束區(qū)：昌圖縣。
2014年水生態(tài)約束低區(qū)的水環(huán)境容量超載，水資源承載力未超載，這類區(qū)產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化的重點是進行減量置換，擴容增量，提高水環(huán)境承載能力；水生態(tài)約束中區(qū)的水資源承載力和水環(huán)境容量均超載，這類區(qū)產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化的重點是進行減量置換，淘汰落后產(chǎn)能，提高現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的用水效率和降低排污強度，提高水資源、水環(huán)境承載能力；水生態(tài)約束高區(qū)的水環(huán)境容量超載，水資源承載力未超載，這類區(qū)產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化的重點是淘汰落后產(chǎn)能，減量置換，以減污為主，同時注重清河區(qū)、銀州區(qū)、調兵山市的節(jié)水，避免在調兵山市、銀州區(qū)、清河區(qū)水資源承載力超載的地區(qū)建設水資源需求較大的行業(yè)企業(yè)。
太湖流域常州市承載力評估結果顯示，常州市整體的2010年的水環(huán)境承載力處于超載情況，2025年超載趨勢加重，到2050年水環(huán)境承載力處于可承載狀態(tài)。但從空間格局上分析，如2010年，存在整體超載，但局部可承載的情況，如控制單元4、7、8、12及13，同時2050年總體水環(huán)境承載力可承載情況下，控制單元1、2、5、6、7、9及11均存在不同程度的超載情況。
課題提出，在最優(yōu)方案下，常州市2020年的經(jīng)濟總量達到7400億元，年均增長率為7.1%，三次產(chǎn)業(yè)結構調整為2∶44∶54。單位GDP用水量明顯下降，中水回用率和工業(yè)用水重復利用率得到提高，分別達到了40%和85%，與基準年相比分別增長了10%和15%。城市生活污水處理率達到100%，農村生活污水處理率達到80%，畜禽糞便綜合利用率達到95%，主要工業(yè)行業(yè)COD和氨氮排放量均呈下降趨勢，下降區(qū)間分別為2.7%～9.8%和1.8%～12.1%。并依據(jù)產(chǎn)業(yè)結構方案，節(jié)水方案和污染物控制方案中的調控指標提出相對應的調控對策。
課題提出產(chǎn)業(yè)布局調控方案，常州市水生態(tài)約束分區(qū)：水生態(tài)約束高區(qū)（城區(qū)）、水生態(tài)約束中區(qū)（溧陽市）、水生態(tài)約束低區(qū)（金壇市）。
2014年水生態(tài)約束低區(qū)的水資源承載力超載，水環(huán)境容量超載，這類區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化的重點是進行減量置換，擴容提質、增效。進一步淘汰落后產(chǎn)能，嚴格產(chǎn)業(yè)準入，進一步提高區(qū)域的經(jīng)濟活動效率和主導產(chǎn)業(yè)水資源利用效率，控制氨氮排放強度；水生態(tài)約束中區(qū)的水資源承載力和水環(huán)境容量均未超載，這個區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化的重點是提高區(qū)域的經(jīng)濟活動效率，引進高附加值、層次高的產(chǎn)業(yè)。在開發(fā)過程中加強水資源、水環(huán)境的保護，確保用水在水資源可利用量范圍內，COD、氨氮的排放量不超過區(qū)域的環(huán)境容量。充分發(fā)揮山水生態(tài)優(yōu)勢，努力建成南京都市圈和蘇錫常都市圈的后花園；水生態(tài)約束高區(qū)的水資源承載力和水環(huán)境容量都未超載，這個區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化的重點是嚴格產(chǎn)業(yè)環(huán)境準入，淘汰經(jīng)濟效率低、水生態(tài)影響大的行業(yè)企業(yè)，強化新建項目總量控制和排污許可證制度等從源頭上控制新增污染物排放，確保用水量在這個區(qū)域的水資源可利用量范圍內，COD、氨氮排放量在水環(huán)境容量內。
這個課題圍繞水生態(tài)功能分區(qū)的保護目標，以水生態(tài)系統(tǒng)健康需求為約束條件，以水生態(tài)問題診斷和承壓關系分析為主線，建立了水生態(tài)承載力動態(tài)、時空評估模型。在水生態(tài)承載力評估的基礎上，提出了產(chǎn)業(yè)結構和產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化的方法及對策，并在遼河流域鐵嶺市和太湖流域常州市進行了技術應用。
課題產(chǎn)出的水生態(tài)承載力評估及調控技術是建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預警長效機制的必然途徑，也是助推流域綠色發(fā)展和生態(tài)文明建設的有效抓手。
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