CN110533326A - 一种与水相关的生态环境承载力预估调控系统 - Google Patents

一种与水相关的生态环境承载力预估调控系统 Download PDF

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CN110533326A CN201910812606.8A CN201910812606A CN110533326A CN 110533326 A CN110533326 A CN 110533326A CN 201910812606 A CN201910812606 A CN 201910812606A CN 110533326 A CN110533326 A CN 110533326A
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崔晨韵
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Abstract

本发明公开了一种与水相关的生态环境承载力预估调控系统，包括：承载规模预估模块和约束条件模块，约束条件模块作用于承载规模预估模块，水(土)资源—生态环境—社会经济关联互动模块是约束条件模块的关键子模块。本发明能够预估分析研究区未来若干年内在不同生态环境建设和社会经济发展情景下的与水相关的生态环境承载力。

Description

一种与水相关的生态环境承载力预估调控系统
技术领域
本发明涉及水生态环境技术领域，尤其是一种与水相关的生态环境承载力预估调控系统。
背景技术
在中国，与水相关的生态环境承载力起源于水资源承载力，是对水资源承载力的补充与完善，其研究经历了三个发展阶段：萌芽阶段、大发展阶段、融合发展阶段。萌芽阶段是20世纪80年代后期至1995年，以新疆水资源软科学课题研究组对新疆水资源承载能力的研究为代表，概念、理论和计算方法等都处于萌芽状态；从1995年至2003 年水资源承载力得到广泛研究，进入大发展阶段，研究方法呈现多样化，主要有综合评价法、系统动力学法和多目标优化法，在这阶段水环境承载力的概念也得以提出；2003 年以后，随着土地(资源)承载力、水资源承载力、水环境承载力的研究趋于成熟，承载力的研究进入融合发展阶段。考虑综合因素，强调可持续发展，与水相关的生态环境承载力出现，研究水(土)资源和与水相关的生态环境要素组成的与水相关的生态环境系统对社会经济系统的支持能力。
我国已有众多学者对水资源承载力进行了研究，但研究区域主要集中于北方水量型缺水地区，对于长江以南水质型缺水地区的研究相对较少。常用的研究方法有常规趋势法、平衡指数法、系统动力学法、综合评价分析法、多目标优化法等，这些方法各有优点和缺点，但还未有人从可持续发展的角度采用多目标互动优化法来进行研究的。多目标优化互动法即多目标优化互动与时间序列分析相结合的方法，多目标是指生态环境质量最好、社会经济水平最高；互动是指加入水土资源-生态环境-社会经济互动模型，这样得出人口和经济规模的同时也可得出它们所对应的水资源的合理配置、人均粮食产量、污水回用水量和生态环境指标等；时间序列指加入时间因子，可得出从起算年到未来年份的逐年可承载人口、经济规模的变化以及对应的水资源配置、人均粮食产量、污水回用水量和生态环境指标等。
太湖流域位于长江三角洲核心区域，近几十年来，太湖流域经济社会持续快速发展，经济富集、人口密集等问题逐渐出现，导致水资源供需矛盾加剧，水环境污染严重，水生态系统退化，流域与水相关的生态环境系统承载能力与社会经济系统的压力之间的矛盾日益突出。要通过在太湖流域水资源承载力研究中同时找到解决水资源供需矛盾、水环境污染及水生态系统退化问题的途径，必须以可持续发展为目标，并从人类生态学的角度来考虑问题，突破水资源承载力的传统定义，赋予其新的含义，即将水资源(针对水资源短缺问题)、水环境(针对水污染问题)及水生态(针对水生生物多样性锐减等问题)综合而成的与水相关的生态环境对社会经济系统的支撑能力，因此，对于太湖流域而言，采用多目标互动优化法研究与水相关的生态环境承载力，正是研究在一定的约束条件下水(土)资源及与水相关的环境质量形成的与水相关的生态环境系统对社会经济系统的承载能力，采用承载力预估调控系统预估分析当地经济在按一定情景、与水相关的生态环境逐步修复直至恢复的条件下，即可持续发展下的承载力(可承载人口和经济规模)，同时可获得可持续发展下的水资源最优配置方案及各个生态环境指标的修复过程变化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种与水相关的生态环境承载力预估调控系统，能够预估分析研究区未来若干年内在不同生态环境建设和社会经济发展情景下的与水相关的生态环境承载力。
为解决上述技术问题，本发明提供一种与水相关的生态环境承载力预估调控系统，包括：承载规模预估模块和约束条件模块，约束条件模块作用于承载规模预估模块，水(土)资源—生态环境—社会经济关联互动模块是约束条件模块的关键子模块。
优选的，承载规模预估模块建立过程如下：
第N年太湖流域生态环境承载力量化模型的目标函数(预估模型)见式(1)：
式(1)中，WES(T)综合反映生态环境质量的好坏、社会经济水平的高低，并且还反映了生态环境质量与社会经济水平两者的和谐程度，即与水相关的生态环境系统对社会经济系统的承载状态指数，WES(T)最大情况下的经济规模、人口数及对应的水资源配置模式、生态环境质量模式就是生态环境承载力确定的目的；从发展角度来讲，生态环境质量、社会经济水平是衡量流域可持续发展的两个重要指标，生态环境质量越好，社会经济水平越高，这样的流域发展趋势正是流域的可持续发展趋势，因此称BTI称为可持续发展指数；
WES(T)的计算公式：
式(2)中，WES(T)表示T时段研究区与水相关的生态环境系统对社会经济系统的承载状态指数，WI(T)、LI(T)、EG(T)分别表示T时段水资源余缺水平指数、与水相关的生态环境质量指数、社会经济水平指数；若指数值小于0.8，说明还未达到临界可承载；若等于0.8，说明达到临界可承载；若大于0.8，说明已达到良好可承载，若等于1说明达到完全可承载；β1、β2、β3分别表示水资源余缺水平指数、与水相关的生态环境质量指数、社会经济水平指数在承载状态指数中的权重；Ui(T)、Vj(T)、Hk(T)分别表示第i个水资源余缺水平指标，第j个与水相关的生态环境质量指标、第k个社会经济水平指标，在T时段的隶属度值，通过构造隶属度函数求解；l、m、n分别表示水资源余缺水平指标、与水相关的生态环境质量指标及社会经济水平指标的个数；ai表示第i个水资源余缺水平指标在水资源余缺水平指数中占的权重，bj分别表示第j个与水相关的生态环境质量指标在与水相关的生态环境质量指数中占的权重，ck分别表示第k个社会经济水平指标在社会经济水平指数中占的权重，权重均根据层次分析法确定。
优选的，水(土)资源—生态环境—社会经济关联互动模块建立过程如下：
(1)水量平衡模拟模型；
水量平衡方程式用式(6)至(11)表示，其中式(6)是主模型。
W用＝W生产用+W生活用+W生态用 (7)
W用＝W耗+W排 (8)
W生产用＝W工业用+W农业用 (9)
W工业用＝W火核电业用+W高用水工业用+W一般工业用 (10)
W农业用＝W农田灌溉用+W林牧渔畜用 (11)
式(6)中，ΔW是流域蓄水量的变化量，104m3/a，增为正；t为时间；P为计算时段内流域降水量，104m3/a；W入是计算时段内从外区域自然流入本流域的水量，104m3/a，太湖流域指过境水；W出为计算时段内从本流域流出外流域的水量，104m3/a；W用为计算时段内本流域用水量，104m3/a；W生产用是计算时段内本流域生产用水量，104m3/a；
W工业用为计算时段内本流域工业用水量，104m3/a；W农业用是计算时段内本流域农业用水量，104m3/a。W火核电业用为计算时段内本流域火核电业的用水量，104m3/a；W高用水工业用为计算时段内本流域高用水工业的用水量，104m3/a；W一般工业用为计算时段内本流域一般工业的用水量，104m3/a；W农业灌溉用是计算时段内本流域农田灌溉的用水量，104m3/a； W林牧鱼畜用是计算时段内本流域林牧渔畜的用水量，104m3/a；W生活用为计算时段内本流域生活用水量，104m3/a；W生态用是计算时段内本流域的生态用水量，104m3/a；W耗为计算时段内本流域耗水量，104m3/a；W排为计算时段内本流域排水量，104m3/a；
(2)社会经济—水量关系模型；
水土资源-生态环境-社会经济互动模型中，社会经济指标中考虑工业增加值GDP工、农业增加值GDP农、国内生产总值GDP总、粮食产量LC及单方水农业增加值WNZ；
工业增加值与工业用水量、农业增加值与农业用水量、国内生产总值与生活用水量、粮食产量与农业用水量之间有必然的联系，根据它们之间的关系构造社会经济-水量间关系模型，见式(12)至(16)；
GDP工＝f1(W工业用,工业用水定额) (12)
GDP农业＝f2(W农业用) (13)
GDP＝f3(单位生活用水产生的GDP,W生活用,人口) (14)
LC＝f4(农业用水量,农业灌溉定额) (15)
WNZ＝f5(农田灌溉用水量,林牧渔畜用水量,农业GDP增加值) (16)
(3)生态环境-水量间关系模型；
水土资源—生态环境—社会经济互动关系模型中，生态环境指标包括水环境指标和水生态指标，研究中考虑的水环境指标有COD排放量c1(104t/a)，氨氮排放量c2(104 t/a)；水生态指标有天然河湖年均水深c3(m)；城市水面率c4(％)和城市植被覆盖率 c5(％)和水土流失面积比c6(％)；
①水环境指标—水量关系模型
水环境指标COD排放量c1、氨氮排放量c2与水量间关系模型描述的是污染物COD 排放量c1及氨氮排放量c2与水量间的关系，见式(17)至(24)。
c1＝c1工+c1农+c1生活 (17)
c1工＝f(W工业用) (18)
c1农＝f(W农业用) (19)
c1生活＝f(W生活用) (20)
c2＝c2工+c2农+c2生活 (21)
c2工＝f(W工业用) (22)
c2农＝f(W农业用) (23)
c2生活＝f(W生活用) (24)
式(17)至(24)中，c1工、c1农、c1生活分别为工业COD排放量、农业COD排放量、生活COD排放量，分别表示成工业用水量、农业用水量、生活用水量的函数c2工、 c2农、c2生活分别为工业氨氮排放量、农业氨氮排放量、生活氨氮排放量，f(W工业用)、 f(W农业用)、f(W生活用)分别表示成工业用水量、农业用水量、生活用水量的函数；
②水生态指标—水量关系模型；
水生态指标天然河湖年均水深c3、城市水面率c4、城市植被覆盖率c5及水土流失面积比c6分别与之相对应的生态用水量之间有必然的联系，根据它们之间的关系建立水生态指标—水量间关系模型，在建立水生态指标—水量关系模型时要考虑原自然环境中的水能否作为生态用水使用，要考虑原自然环境中生态用水的水质，在原自然环境生态用水不足的情况下补充的这部分水才是湿润地区的生态用水量，见式(25)至(29)。
W生态＝W天然河道+W城市绿化+W城市河湖+W山区水土保持 (25)
W天然河道＝f(c3,c03,k03)-OW河道e河道 (26)
W城市绿化＝f(c4,c04,k04) (27)
W城市河湖＝f(c5,c05,k05)-OW城市河湖e城市河湖 (28)
W山区水土保持＝f(c6,c06,k06) (29)
式(25)表示了太湖流域生态用水量的基本组成，它由天然河道生态用水量W天然河道、城市绿化用水量W城市绿化、城市河湖生态用水W城市河湖及山区水土保持用水量W山区水土保持组成；
式(26)表示天然河道生态补水量，天然河道生态补水量等于总的河道生态用水量减去原有河道可用的生态水量。右侧第一项表示河道总生态用水量，它用河道环境良好时年均水深c03、对应的河道最小生态用水量k03及现状河道生态用水补充后的河道年均水深c3之间的关系表示；右侧第二项表示河道中现有的生态水量，它等于河道中的现有水量OW河道乘以水质折算系数e河道；
式(27)表示城市绿化用水量，城市绿化用水量用基准年没绿化前的植被覆盖率c04、单位流域面积绿化用水量k04、基准年绿化后的植被覆盖率c4之间的关系表示；
式(28)表示城市河湖生态补水量。城市河湖生态补水量等于总的河湖生态用水量减去原有河湖可用的生态水量；右侧第一项表示的城市河湖总生态用水量，它用城市环境良好时的河湖水面率c05、对应的城市河湖最小生态用水量k05及现状城市河湖生态用水补充后的河湖水面率c5之间的关系表示；右侧第二项表示城市河湖中现有的生态水量，它等于城市河湖中的现有水量OW城市河湖乘以水质折算系数e城市河湖；
式(29)表示水土保持水量。它用基准年流域水土保持水量没补充前水土流失面积比c06、单位流域面积水土保持用水量k06、基准年水土保持水量补充后的水土流失率c6之间的关系表示；
(4)社会经济预测模型；
社会经济方面主要指人口和GDP，用它们的增长率来表示；
Pt＝Pt-1(1+kp) (30)
GDPt＝GDPt-1(1+kGDP) (31)
式(30)、(31)中，Pt、GDPt分别为第t年的人口数和GDP，Pt-1、GDPt-1分别为第t-1年的人口数和GDP，kp、kGDP分别为人口和GDP的增长率；
以上的水(土)资源—生态环境—社会经济互动模型将作为与水相关的生态环境承载力预估调控系统中的第一个约束条件。
优选的，约束条件模块建立过程如下：
(1)水土资源-生态环境-社会经济复合系统互动关系约束；
(2)水资源约束；
W总可用≥W工业用+W农业用+W生态用+W生活用 (32)
式(32)中，W工业用、W农业用、W生态用及W生活用分别指太湖流域计算时段内的工业、农业、生态及生活用水量；W总可用指流域计算时段内的总可用水量，为该流域计算时段内地表水资源量、地下水资源量、调入或流入流域的水资源量、污水回用水量、利用的微咸水量、利用的海水淡化水量之和；
(3)与水相关的生态环境约束；
①水环境约束；
污水排放量
W工业废+W生活污+W农业废≤B (33)
式(33)中，W工业废、W生活污、W农业废分别指太湖流域计算时段内的工业废水及生活污水排放量(m3)；B指流域计算时段内允许排放的污水量(m3)，等于流域污水处理量与流域径流自净量之和；
污染物入河量(考虑COD入河量和氨氮入河量)
Q入河，i＝Q工业废，i(1-R工业废，i)+Q生活污，i(1-R生活污，i)+Q农业废，i(1-R农业废，i)≤Bi (34)
式(34)中，Q入河指流域计算时段内污染物入河量(t)；Q工业废、Q生活污、Q农业废分别指流域计算时段内工业废水、生活污水及农业废水中的污染物排放量(t)；R工业废、 R生活污、R农业废分别指流域计算时段内工业废水、生活污水及农业废水中的污染物处理率(％)；Bi指允许的污染物入河量，即流域水体的纳污量(t)，i＝1时污染物为化学需氧量(COD)入河量，i＝2时污染物为氨氮入河量；
②水生态约束；
天然河岸宽度(或天然河流生态需水保证率)
C3≥A3 (35)
式(35)中，C3指天然河岸宽度或天然河流生态需水保证率；A3指要求的天然河岸平均宽度或天然河流生态需水保证率，由于长兴县的天然河流生态需水能保证，在计量时仅仅考虑河岸景观需水，采用天然河岸平均宽度表示；
城市绿化率(指建成区绿化率)
C4≥A4 (36)
式(36)中，C4指城市建成区绿化率；A4指要求的建成区绿化率。
水面率
C5≥A5 (37)
式(37)中，C5指城市水面率；A5指要求的城市水面率。
水土流失面积比
C6≤A6 (38)
式(38)中，C6指水土流失面积比；A6指许可的水土流失面积比；
(4)社会经济方面约束；
人均GDP
式(39)中，分别指海河流域的人均GDP及流域人均GDP的最小值，元；
(5)可持续发展约束；
WES(T)≥WES(T-1) (40)
(6)可承载约束。
本发明的有益效果为：本发明运用建立的承载力预估调控系统，分析未来若干年研究区在特定的水资源变化、社会经济发展、节水技术和生态环境保护或修复措施的各种组合情景下，研究区与水相关的生态环境承载力的变化过程，回答与水相关的生态环境恢复或修复用水保障等国家关心的问题，为制定研究区可持续发展的方针、政策提供更灵活的能动性。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种与水相关的生态环境承载力预估调控系统，包括：承载规模预估模块和约束条件模块，约束条件模块作用于承载规模预估模块，水(土)资源—生态环境—社会经济关联互动模块是约束条件模块的关键子模块。
下面以太湖流域典型地区长兴县为例，以2014年为起算年，采用构建的与水相关的生态环境承载力预估调控系统计算长兴县2014年至2030年的生态环境承载力，具体按照以下步骤进行：
(1)建立承载规模预估模块：
第N年长兴县与水相关的生态环境承载力量化模型的目标函数记为：
式(41)中，WES(T)为与水相关的生态环境系统对社会经济系统的承载状态指数，BTI称为可持续发展指数。
WES(T)的计算公式：
式(42)中，WES(T)表示T时段研究区与水相关的生态环境系统对社会经济系统的承载状态指数，WI(T)、LI(T)、EG(T)分别表示T时段水资源余缺水平指数、与水相关的生态环境质量指数、社会经济水平指数。若指数值小于0.8，说明还未达到临界可承载；若等于0.8，说明达到临界可承载；若大于0.8，说明已达到良好可承载，若等于1说明达到完全可承载。β1、β2、β3分别表示水资源余缺水平指数、与水相关的生态环境质量指数、社会经济水平指数在承载状态指数中的权重。Ui(T)、Vj(T)、Hk(T)分别表示第i个水资源余缺水平指标，第j个与水相关的生态环境质量指标、第k个社会经济水平指标，在T时段的隶属度值，通过构造隶属度函数求解；l、m、n分别表示水资源余缺水平指标、与水相关的生态环境质量指标及社会经济水平指标的个数；ai表示第i个水资源余缺水平指标在水资源余缺水平指数中占的权重，bj分别表示第j个与水相关的生态环境质量指标在与水相关的生态环境质量指数中占的权重，ck分别表示第k个社会经济水平指标在社会经济水平指数中占的权重，权重均根据层次分析法确定。
(2)建立水(土)资源—生态环境—社会经济互动模块：
根据长兴县实际特点，依据数据的可获得性建立如下的模型：
①水量平衡模拟模型；
W供＝W求 (46)
W用＝W生产用+W生活用+W生态用 (47)
W生产用＝W工业用+W农业用 (48)
W农业用＝W农田灌溉用+W林牧渔畜用 (49)
W农田灌溉用＝0.76W农业 (50)
W农田灌溉用·uc灌溉水＝W农田灌溉耗 (51)
W工业用＝W火核电业用+W高用水工业用+W一般工业用 (52)
W火核电业用＝0.3493·W工业用 (53)
W高用水工业用＝0.3593·W工业用 (54)
式(46)中W供是计算时段内供水量(104m3/a)；W用是计算时段内用水量(104m3/a)。
式(47)中W用为计算时段内本区域用水量(104m3/a)；W生产用是计算时段内本区域生产用水量(104m3/a)；W生活用是计算时段内本区域生活用水量(104m3/a)；W生态用是计算时段内本区域生态用水量(104m3/a)。
式(48)中W工业用为计算时段内本区域工业用水量(104m3/a)；W农业用是计算时段内本区域农业用水量(104m3/a)。
式(49)中W农田灌溉用是计算时段内本区域农田灌溉的用水量(104m3/a)；W林牧渔畜用是计算时段内本区域林牧渔畜的用水量(104m3/a)。
式(50)中0.76是农田灌溉用水量在总农业用水量中的占比，随当地农业规划发生变化，本次计算中采用湖州统计年鉴中2013～2015年的农业用水量和农田灌溉用水量进行线性拟合得到。
式(51)中W农田灌溉耗为计算时段内本区域农田灌溉耗水量(104m3/a；uc灌溉水是计算时段内本区域农田灌溉水有效利用系数。
式(52)中W火核电业用为计算时段内本区域火核电业的用水量(104m3/a)；W高用水工业用为计算时段内本区域高用水工业的用水量(104m3/a)；W一般工业用为计算时段内本区域一般工业的用水量(104m3/a)。
式(53)、式(54)中的0.3493和0.3593分别为火核电业的用水量和高用水工业的用水量在总工业用水量中的占比，本次计算中采用湖州统计年鉴中2014、2015、2017 年的湖州市水资源公报中的数据线性拟合得到。
②社会经济—水量关系模型；
GDP农业＝W农业用·GDP单位水农业 (56)
LC＝f(农业用水量,农业灌溉定额) (58)
式(55)中q工业用水是工业用水定额(m3/万元)；GDP工业是工业GDP增加值(万元)。
式(56)中GDP农业是农业GDP增加值(万元)；GDP单位水农业是单方水农业GDP(元 /m3)。
式(57)中q人均生活用水是人均生活用水定额(m3/人·a)；GDP人均是人均GDP(元/ 人)；GDP总是总的GDP增加值(万元)。
式(58)中LC是粮食产量，表示成农业用水量和农业灌溉定额的函数。
式(59)中WNZ是单方水农业增加值。
③生态环境-水量关系模型；
1)水环境指标—水量关系模型；
C1＝C1工+C1农+C1生活 (60)
C1工＝0.3072×10-4·W工业用 (61)
C1农＝0.0616×10-4·W农业用 (62)
C1生活＝1.0833×10-4·W生活用 (63)
C2＝C2工+C2农+C2生活 (64)
C2工＝0.0121×10-4·W工业用 (65)
C2农＝0.0083×10-4·W农业用 (66)
C2生活＝0.2768×10-4·W生活用 (67)
式(60)～式(67)中，C1工、C1农、C1生活分别为工业COD排放量、农业COD排放量、生活COD排放量(指城镇生活污水中COD排放量)，分别表示为工业用水量、农业用水量、生活用水量的函数，C2工、C2农、C2生活分别为工业氨氮排放量、农业氨氮排放量、生活氨氮排放量，分别表示成工业用水量、农业用水量、生活用水量的函数。
2)水生态指标-水量关系模型；
W生态＝W天然河道+W城市绿化+W城市河道+W山区水土保持+W城镇公共 (68)
W天然河道＝k03(c03-c3) (69)
式(68)表示了长兴县生态用水量的基本组成，它由天然河道生态用水量W天然河道、城市绿化用水量W城市绿化、城市河湖生态用水量W城市河道、山区水土保持用水量W山区水土保持及城镇公共用水量W城镇公共(＝4.5％W用)组成。
式(69)表示天然河道生态补水量，天然河道生态补水量等于总的河道生态用水量减去原有河道可用的生态水量。用河道最小生态用水量k03(104m3)、河道环境修复后的目标需水保证率c03、及基准年河道生态需水保证率c3之间的关系表示。
式(70)表示城市绿化用水量，城市绿化用水量用基准年的建成区的绿化率c4、单位区域面积绿化用水量k04(m3/m2.a)、目标年建成区的绿化率c04之间的关系。S建成区是建成区面积(km2)；r森林是建成区森林覆盖率。
式(71)表示城市河湖生态补水量。城市河湖生态补水量等于总的河湖生态用水量减去原有河湖可用的生态水量。用生态环境良好时的水面率c05、长兴市面积S长兴市(km2)、单位面积河湖最小生态用水量k05(m3/m2·a)及基准年的河湖水面率c5之间的关系表示。
式(72)表示水土保持水量。它用基准年区域水土流失面积比c6、单位区域面积水土保持用水量k06(m3/m2·a)(只指育苗3年的用水量)、目标年水土保持水量补充后的水土流失面积比c06之间的关系。S区域是研究区面积，这里指长兴市面积(km2)。
④社会经济预测模型；
Pt＝Pt-1(1+kp) (73)
GDPt＝GDPt-1(1+kGDP) (74)
式(73)、(74)中，Pt、GDPt分别为第t年的人口数和GDP，Pt-1、GDPt-1分别为第(t-1)年的人口数和GDP，kP、kGDP分别为人口和GDP的增长率。利用1978～2014 年共计37年的数据利用MATLAB编程获得长兴人口和GDP的增长率分别为kP＝0.005 和kGDP＝0.121。
(3)建立约束条件模块；
①水土资源-生态环境-社会经济复合系统互动关系约束；
②水资源约束；
W总可用≥W工+W农+W生态+W生活 (76)
式(76)中，W工、W农、W生态及W生活分别指太湖流域计算时段内的工业、农业、生态及生活用水量；W总可用指流域计算时段内的总可用水量，为该流域计算时段内地表水资源量、地下水资源量、调入或流入流域的水资源量、污水回用水量、利用的微咸水量、利用的海水淡化水量之和。
③与水相关的生态环境约束；
1)水环境约束；
污水排放量
W工业废+W生活污+W农业废≤B (77)
式(77)中，W工业废、W生活污、W农业废分别指太湖流域计算时段内的工业废水及生活污水排放量(m3)；B指流域计算时段内允许排放的污水量(m3)，等于流域污水处理量与流域径流自净量之和。
污染物入河量(考虑COD入河量和氨氮入河量)
Q入河，i＝Q工业废，i(1-R工业废，i)+Q生活污，i(1-R生活污，i)+Q农业废，i(1-R农业废，i)≤Bi (78)
式(78)中，Q入河指流域计算时段内污染物入河量(t)；Q工业废、Q生活污、Q农业废分别指流域计算时段内工业废水、生活污水及农业废水中的污染物排放量(t)；R工业废、 R生活污、R农业废分别指流域计算时段内工业废水、生活污水及农业废水中的污染物处理率(％)；Bi指允许的污染物入河量，即流域水体的纳污量(t)。i＝1时污染物为化学需氧量(COD)入河量，i＝2时污染物为氨氮入河量。
2)水生态约束；
天然河岸宽度(或天然河流生态需水保证率)
C3≥A3 (79)
式(79)中，C3指天然河岸宽度或天然河流生态需水保证率；A3指要求的天然河岸平均宽度或天然河流生态需水保证率。由于长兴县的天然河流生态需水能保证，在计量时仅仅考虑河岸景观需水，采用天然河岸平均宽度表示。
城市绿化率(指建成区绿化率)
C4≥A4 (80)
式(80)中，C4指城市建成区绿化率；A4指要求的建成区绿化率。
水面率
C5≥A5 (81)
式(81)中，C5指城市水面率；A5指要求的城市水面率。
水土流失面积比
C6≤A6 (82)
式(82)中，C6指水土流失面积比；A6指许可的水土流失面积比。
④社会经济方面约束；
人均GDP
式(83)中，分别指海河流域的人均GDP及流域人均GDP的最小值，元。
⑤可持续发展约束；
WES(T)≥WES(T-1) (84)
⑥可承载约束；
(4)确定目标函数中的计量指标、权重及指标的标量化。
3个水资源余缺水平指标及其权重：人均水资源量0.55、水资源利用率0.03、农田灌溉水有效利用系数0.42；7个与水相关的生态环境质量指标：COD入河量0.06、氨氮入河量0.02、河岸带宽度0.25、植被覆盖率0.20、水面率0.20、建成区绿化率0.03、水土流失面积比0.24；6个社会经济水平指标：人均GDP 0.25、可承载人口0.18、工业用水定额0.14、第三产业的比重0.22、城镇化率0.15、单方水农业GDP 0.06。
根据国内外的文献资料和长兴县实际情况选定各个指标的可承载状态临界值和完全可承载状态临界值(见表1所示)，并通过构建隶属度函数来实现指标的标量化，水资源余缺水平的各分指标隶属度函数的构建见表2所示，与水相关的生态环境质量的各分指标隶属度函数的构建见表3所示，社会经济水平的各分指标隶属度函数的构建见表 4所示。
表1各指标的承载特征值
表2水资源余缺水平的各指标隶属度函数的构建
注：μ是隶属度；y是中间变量，A为具体指标的可承载状态临界值，指人类可忍受的生态环境社会经济指标的下限值，规定A对应的隶属度值为0.8；A1为具体指标的完全承载状态临界值，生态环境社会经济复合系统处于优的值，对应的隶属度为1。γ为一修正系数，γ＞1，γ反映的是具体指标的在临界下限之后的恢复度以及修正具体指标在系统隶属度中的贡献。具体来讲，γ值是个相对值，表示具体指标在系统不可承载后要恢复到可承载临界值的难易程度。
表3与水相关的生态环境质量的各指标隶属度函数的构建
注：同表2。
表4社会经济水平的各指标隶属度函数的构建
注：同表2。
(5)设计计算情景：
按照长兴县与水相关的生态环境承载力预估调控系统的方法，首先需要依据长兴县起算年实际状况和水资源规划、社会经济发展规划及生态环境变化的主要情况，确定长兴县承载力预估调控的情景方案。主要考虑水资源变化情景(用供水总量表示)、社会经济发展变化的情景(用工业用水定额、农业用水定额、第三产业比重、城镇化率表示)、生态环境保护或修复的情景(用生态质量指数表示)(见表5所示)。
表5情景方案
为了分析在2014、2020、2030年不同供水量、不同社会经济水平、生态环境质量指数值逐年增加下，以供水量控制线为约束，在经济主方案下(现状2014年为现状社会经济技术水平，2010年达到中经济技术水平，2030年达到高经济技术水平)，生态环境逐步改善时的生态环境可承载的过程变化，确定最终的计算情景：2014年供水能力 L1、经济技术水平M1、生态环境质量N2；2020年供水能力L2、经济技术水平M2、生态环境质量N2；2030年供水能力L3、经济技术水平M3、生态环境质量N2。
(6)承载力预估调控计算：
长兴县与水相关的生态承载力预估调控计算输入的参数来源于湖州统计年鉴、长兴县水利综合规划及社会经济发展规划，具体参数值见表6。
表6长兴县承载力计算输入参数
运用承载力预估调控系统，按照设计的计算情景，定量预估了长兴县2014年至2030 年与水相关的生态环境承载力的变化过程，见表7。
WI(T)、LI(T)、EG(T)分别表示T时段水资源余缺水平指数、与水相关的生态环境质量指数、社会经济水平指数。
2014年至2030年长兴县人均GDP逐年增长，年均增长率也随之增大，2014年至2020年年均增长率为1.81％、2020年至2025年年均增长率为3.66％、2025年至2030 年年均增长率为4.23％。2014年可持续发展指数值BTI大于0.8，并随着时间推移逐年增加，至2030年达到0.91；水资源余缺水平指数值WI呈阶梯式缓慢增长2016年至2022 年为0.84、2023年至2030年为0.84；2014年与水相关的生态环境质量指数值LI为0.82，并随着时间推移逐年增长，至2024年达到0.90，至2030年达到0.93；社会经济水平指数值EG至2025年达到0.90，至2030年达到0.93。
表7承载规模及各种测度值

Claims (4)

1.一种与水相关的生态环境承载力预估调控系统，其特征在于，包括：承载规模预估模块和约束条件模块，约束条件模块作用于承载规模预估模块，水(土)资源—生态环境—社会经济关联互动模块是约束条件模块的关键子模块。
2.如权利要求1所述的与水相关的生态环境承载力预估调控系统，其特征在于，承载规模预估模块建立过程如下：
第N年太湖流域生态环境承载力量化模型的目标函数见式(1)：
式(1)中，WES(T)综合反映生态环境质量的好坏、社会经济水平的高低，并且还反映了生态环境质量与社会经济水平两者的和谐程度，即与水相关的生态环境系统对社会经济系统的承载状态指数，WES(T)最大情况下的经济规模、人口数及对应的水资源配置模式、生态环境质量模式就是生态环境承载力确定的目的；从发展角度来讲，生态环境质量、社会经济水平是衡量流域可持续发展的两个重要指标，生态环境质量越好，社会经济水平越高，这样的流域发展趋势正是流域的可持续发展趋势，因此称BTI称为可持续发展指数；
WES(T)的计算公式：
式(2)中，WES(T)表示T时段研究区与水相关的生态环境系统对社会经济系统的承载状态指数，WI(T)、LI(T)、EG(T)分别表示T时段水资源余缺水平指数、与水相关的生态环境质量指数、社会经济水平指数；若指数值小于0.8，说明还未达到临界可承载，若等于0.8，说明达到临界可承载，若大于0.8，说明已达到良好可承载，若等于1说明达到完全可承载；β1、β2、β3分别表示水资源余缺水平指数、与水相关的生态环境质量指数、社会经济水平指数在承载状态指数中的权重；Ui(T)、Vj(T)、Hk(T)分别表示第i个水资源余缺水平指标，第j个与水相关的生态环境质量指标、第k个社会经济水平指标，在T时段的隶属度值，通过构造隶属度函数求解；l、m、n分别表示水资源余缺水平指标、与水相关的生态环境质量指标及社会经济水平指标的个数；ai表示第i个水资源余缺水平指标在水资源余缺水平指数中占的权重，bj分别表示第j个与水相关的生态环境质量指标在与水相关的生态环境质量指数中占的权重，ck分别表示第k个社会经济水平指标在社会经济水平指数中占的权重，权重均根据层次分析法确定。
3.如权利要求1所述的与水相关的生态环境承载力预估调控系统，其特征在于，水(土)资源—生态环境—社会经济关联互动模块建立过程如下：
(1)水量平衡模拟模型；
水量平衡方程式用式(6)至(11)表示，其中式(6)是主模型；
W用＝W生产用+W生活用+W生态用 (7)
W用＝W耗+W排 (8)
W生产用＝W工业用+W农业用 (9)
W工业用＝W火核电业用+W高用水工业用+W一般工业用 (10)
W农业用＝W农田灌溉用+W林牧渔畜用 (11)
式(6)中，ΔW是流域蓄水量的变化量，104m3/a，增为正；t为时间；P为计算时段内流域降水量，104m3/a；W入是计算时段内从外区域自然流入本流域的水量，104m3/a，太湖流域指过境水；W出为计算时段内从本流域流出外流域的水量，104m3/a；W用为计算时段内本流域用水量，104m3/a；W生产用是计算时段内本流域生产用水量，104m3/a；W工业用为计算时段内本流域工业用水量，104m3/a；W农业用是计算时段内本流域农业用水量，104m3/a，W火核电业用为计算时段内本流域火核电业的用水量，104m3/a；W高用水工业用为计算时段内本流域高用水工业的用水量，104m3/a；W一般工业用为计算时段内本流域一般工业的用水量，104m3/a；W农业灌溉用是计算时段内本流域农田灌溉的用水量，104m3/a；W林牧鱼畜用是计算时段内本流域林牧渔畜的用水量，104m3/a；W生活用为计算时段内本流域生活用水量，104m3/a；W生态用是计算时段内本流域的生态用水量，104m3/a；W耗为计算时段内本流域耗水量，104m3/a；W排为计算时段内本流域排水量，104m3/a；
(2)社会经济—水量关系模型；
水土资源-生态环境-社会经济互动模型中，社会经济指标中考虑工业增加值GDP工、农业增加值GDP农、国内生产总值GDP总、粮食产量LC及单方水农业增加值WNZ；
工业增加值与工业用水量、农业增加值与农业用水量、国内生产总值与生活用水量、粮食产量与农业用水量之间有必然的联系，根据它们之间的关系构造社会经济-水量间关系模型，见式(12)至(16)；
GDP工＝f1(W工业用,工业用水定额) (12)
GDP农业＝f2(W农业用) (13)
GDP＝f3(单位生活用水产生的GDP,W生活用,人口) (14)
LC＝f4(农业用水量,农业灌溉定额) (15)
WNZ＝f5(农田灌溉用水量,林牧渔畜用水量,农业GDP增加值) (16)
(3)生态环境-水量间关系模型；
水土资源—生态环境—社会经济互动关系模型中，生态环境指标包括水环境指标和水生态指标，研究中考虑的水环境指标有COD排放量c1(104t/a)，氨氮排放量c2(104t/a)；水生态指标有天然河湖年均水深c3(m)；城市水面率c4(％)和城市植被覆盖率c5(％)和水土流失面积比c6(％)；
①水环境指标—水量关系模型；
水环境指标COD排放量c1、氨氮排放量c2与水量间关系模型描述的是污染物COD排放量c1及氨氮排放量c2与水量间的关系，见式(17)至(24)；
c1＝c1工+c1农+c1生活 (17)
c1工＝f(W工业用) (18)
c1农＝f(W农业用) (19)
c1生活＝f(W生活用) (20)
c2＝c2工+c2农+c2生活 (21)
c2工＝f(W工业用) (22)
c2农＝f(W农业用) (23)
c2生活＝f(W生活用) (24)
式(17)至(24)中，c1工、c1农、c1生活分别为工业COD排放量、农业COD排放量、生活COD排放量，分别表示成工业用水量、农业用水量、生活用水量的函数c2工、c2农、c2生活分别为工业氨氮排放量、农业氨氮排放量、生活氨氮排放量，f(W工业用)、f(W农业用)、f(W生活用)分别表示成工业用水量、农业用水量、生活用水量的函数；
②水生态指标—水量关系模型；
水生态指标天然河湖年均水深c3、城市水面率c4、城市植被覆盖率c5及水土流失面积比c6分别与之相对应的生态用水量之间有必然的联系，根据它们之间的关系建立水生态指标—水量间关系模型，在建立水生态指标—水量关系模型时要考虑原自然环境中的水能否作为生态用水使用，要考虑原自然环境中生态用水的水质，在原自然环境生态用水不足的情况下补充的这部分水才是湿润地区的生态用水量，见式(25)至(29)；
W生态＝W天然河道+W城市绿化+W城市河湖+W山区水土保持 (25)
W天然河道＝f(c3,c03,k03)-OW河道e河道 (26)
W城市绿化＝f(c4,c04,k04) (27)
W城市河湖＝f(c5,c05,k05)-OW城市河湖e城市河湖 (28)
W山区水土保持＝f(c6,c06,k06) (29)
式(25)表示了太湖流域生态用水量的基本组成，它由天然河道生态用水量W天然河道、城市绿化用水量W城市绿化、城市河湖生态用水W城市河湖及山区水土保持用水量W山区水土保持组成；
式(26)表示天然河道生态补水量，天然河道生态补水量等于总的河道生态用水量减去原有河道可用的生态水量；右侧第一项表示河道总生态用水量，它用河道环境良好时年均水深c03、对应的河道最小生态用水量k03及现状河道生态用水补充后的河道年均水深c3之间的关系表示；右侧第二项表示河道中现有的生态水量，它等于河道中的现有水量OW河道乘以水质折算系数e河道；
式(27)表示城市绿化用水量，城市绿化用水量用基准年没绿化前的植被覆盖率c04、单位流域面积绿化用水量k04、基准年绿化后的植被覆盖率c4之间的关系表示；
式(28)表示城市河湖生态补水量；城市河湖生态补水量等于总的河湖生态用水量减去原有河湖可用的生态水量；右侧第一项表示的城市河湖总生态用水量，它用城市环境良好时的河湖水面率c05、对应的城市河湖最小生态用水量k05及现状城市河湖生态用水补充后的河湖水面率c5之间的关系表示；右侧第二项表示城市河湖中现有的生态水量，它等于城市河湖中的现有水量OW城市河湖乘以水质折算系数e城市河湖；
式(29)表示水土保持水量，它用基准年流域水土保持水量没补充前水土流失面积比c06、单位流域面积水土保持用水量k06、基准年水土保持水量补充后的水土流失率c6之间的关系表示；
(4)社会经济预测模型；
社会经济方面主要指人口和GDP，用它们的增长率来表示；
Pt＝Pt-1(1+kp) (30)
GDPt＝GDPt-1(1+kGDP) (31)
式(30)、(31)中，Pt、GDPt分别为第t年的人口数和GDP，Pt-1、GDPt-1分别为第t-1年的人口数和GDP，kp、kGDP分别为人口和GDP的增长率；
以上的水(土)资源—生态环境—社会经济互动模型将作为与水相关的生态环境承载力预估调控系统中的第一个约束条件。
4.如权利要求1所述的与水相关的生态环境承载力预估调控系统，其特征在于，约束条件模块建立过程如下：
(1)水土资源-生态环境-社会经济复合系统互动关系约束；
(2)水资源约束；
W总可用≥W工业用+W农业用+W生态用+W生活用 (32)
式(32)中，W工业用、W农业用、W生态用及W生活用分别指太湖流域计算时段内的工业、农业、生态及生活用水量；W总可用指流域计算时段内的总可用水量，为该流域计算时段内地表水资源量、地下水资源量、调入或流入流域的水资源量、污水回用水量、利用的微咸水量、利用的海水淡化水量之和；
(3)与水相关的生态环境约束；
①水环境约束；
污水排放量
W工业废+W生活污+W农业废≤B (33)
式(33)中，W工业废、W生活污、W农业废分别指太湖流域计算时段内的工业废水及生活污水排放量(m3)；B指流域计算时段内允许排放的污水量(m3)，等于流域污水处理量与流域径流自净量之和；
污染物入河量(考虑COD入河量和氨氮入河量)
Q入河，i＝Q工业废，i(1-R工业废，i)+Q生活污，i(1-R生活污，i)+Q农业废，i(1-R农业废，i)≤Bi (34)
式(34)中，Q入河指流域计算时段内污染物入河量(t)；Q工业废、Q生活污、Q农业废分别指流域计算时段内工业废水、生活污水及农业废水中的污染物排放量(t)；R工业废、R生活污、R农业废分别指流域计算时段内工业废水、生活污水及农业废水中的污染物处理率(％)；Bi指允许的污染物入河量，即流域水体的纳污量(t)，i＝1时污染物为化学需氧量(COD)入河量，i＝2时污染物为氨氮入河量；
②水生态约束；
天然河岸宽度(或天然河流生态需水保证率)
C3≥A3 (35)
式(35)中，C3指天然河岸宽度或天然河流生态需水保证率；A3指要求的天然河岸平均宽度或天然河流生态需水保证率，由于长兴县的天然河流生态需水能保证，在计量时仅仅考虑河岸景观需水，采用天然河岸平均宽度表示；
城市绿化率
C4≥A4 (36)
式(36)中，C4指城市建成区绿化率；A4指要求的建成区绿化率；
水面率
C5≥A5 (37)
式(37)中，C5指城市水面率；A5指要求的城市水面率；
水土流失面积比
C6≤A6
(38)
式(38)中，C6指水土流失面积比；A6指许可的水土流失面积比；
(4)社会经济方面约束；
人均GDP
式(39)中，GDPrj、分别指海河流域的人均GDP及流域人均GDP的最小值，元；
(5)可持续发展约束；
WES(T)≥WES(T-1) (40)
(6)可承载约束。
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