以流域水生態承載力評估與調控支撐環境和經濟協調發展
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控制單元水生態承載力與污染物總量控制技術研究與示范課題現場會。
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WECC-SDM模型結構框架示意圖
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常州市水環境承載力變化
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課題組人員進行現場監測與記錄。
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水生態系統健康需求——水生態支持力約束關系
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系統動力學與元胞自動機耦合的水環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略，我國水環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》提出建立資源環境承載力監測預警機制，對水土資源、環境容量超載區域實行限制性措施，以此推動發展方式和模式的轉變，促進水生態系統和經濟系統良性循環。
2017年9月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《關于建立資源環境承載能力監測預警長效機制的若干意見》，進一步將這個項工作推向規范化、常態化、制度化。對于水環境而言，水生態承載力表征水生態系統對社會經濟發展的承受和支撐能力，因此，開展流域水生態承載力評估技術研究，提出基于流域水生態承載力約束的產業結構和布局優化的技術路徑和對策方案，對于完善流域水環境保護和管理技術體系，落實主體功能區規劃，有效規范空間開發秩序，合理控制空間開發強度，促進流域地區人口、經濟和資源、環境的空間均衡發展具有重大實踐指導意義。
中國環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“控制單元水生態承載力與污染物總量控制技術研究”。課題組在解析水生態承載力內涵的基礎上，建立了水生態問題診斷方法，構建了水生態承載力評估模型，提出了產業結構和布局優化的技術方案，并提出了遼河流域鐵嶺市、太湖流域常州市水生態承載力評估與優化調控方案。
關注一建立水生態系統健康診斷方法
當前，我國流域水生態系統健康水平低下，集中表現在水資源供需矛盾突出，水環境質量下降，水生態系統受損等方面。目前，我國水資源開發利用已逼近紅線。重點流域如：海河、黃河、遼河流域的水資源開發利用率分別達106%、82%、76%，西北內陸河流開發利用已經接近甚至超出了水資源承載能力。近幾年，我國地表水環境質量總體有所好轉，但水環境形勢仍然十分嚴峻。據2016年中國環境狀況公報，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。隨著人類生產活動強度、生活范圍不斷加大，部分流域生態用水量明顯不足，水質嚴重惡化，水生態系統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，水生態承載力超載問題已經成為部分流域、局部地區社會經濟可持續發展的制約因素。其根本原因在于人類社會活動強度大，資源和環境效率低，產業規模、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問題診斷，全面分析復合水生態系統現狀和存在的主要問題。物理診斷主要考慮生態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境的評價，即：根據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。
通過水生態調查、監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（indexofbiologicalintegrity，簡稱IBI指數）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（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承載力評估模型
這個課題基于系統動力學建立了一個綜合集成的水生態承載力評估模型（WECC-SDM）。這個模型融合了評估涉及的人口、經濟、水資源、水環境、土地利用和水生態等方面的多個模型和方法，直接聚焦承壓關系的薄弱環節，能夠動態模擬系統要素和主要作用關系的變化趨勢。
基于復合水生態系統理論，設計六大子模塊：人口和經濟子模塊、水資源子模塊、水環境子模塊、土地利用子模塊、水生態子模塊和承壓分析與調控子模塊。其中人口和經濟子模塊主要用于計算和模擬人口數量及城鄉結構，以及經濟規模及內部結構；水資源子模塊用于模擬社會經濟用水量；水環境子模塊模擬污染物產生和排放；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，進行動態模擬和調控。
這個課題圍繞復合水生態系統中的驅動因素、承接載體和受迫對象三種角色，根據水生態系統健康需求——水生態支持力約束關系、社會經濟驅動力——水生態壓力響應關系和水生態壓力——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。
水生態壓力是指社會經濟活動（驅動力因素）產生的水資源消耗、水污染物排放、生態空間擠占及水生態破壞的等各種壓力。社會經濟驅動力因素是產生水生態壓力的根源，社會經濟驅動力（D）與水生態壓力（P）之間存在的數值關系簡稱為驅動力——壓力響應關系（D-P響應關系）
水生態承載力本質上反映的是社會經濟系統與水生態系統的承壓關系，水生態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承載力是否超載的重要依據。在水生態承載力評估過程中，通過社會經濟驅動力——水生態壓力響應關系來確定水生態壓力，通過水生態系統健康需求——水生態支持力約束關系來計算水生態支持力，最后以前兩個關系為基礎進行水生態壓力——支持力承壓作用關系分析，進一步得出水生態承載力評估結論。
承壓度是水生態壓力和支持力之間的差值或比值，反映在一定經濟社會發展水平下水生態系統的支持力和壓力之間的關系。采用SD模型計算水生態支持力和壓力及其承壓度指數（承壓比），根據水生態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），當承載度指數大于1為超載狀態，反之為可承載狀態。
在WECC-SDM模型基礎上，構建了基于系統動力學模型、元胞自動機模型和多主體模型（SD-CA-MASModel）耦合的水環境承載力評估模型，用于水環境承載力的時空評估，從而揭示水環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新，提高水環境承載力理論的可用性，實現水環境承載力理論不單能服務于管理，還能直接服務于以水環境質量改善為核心的產業、人口及土地利用、排污口等結構升級與布局優化方面的需求應用。
通過系統動力學模型（SD）、元胞自動機模型（CA）的耦合，開展水環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。系統動力學模型輸出未來的人口，經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格網化技術，從而揭示未來的水環境承載力時空變化格局。
通過搭建SD模型與CA模型的數據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據用來驅動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，基于土地利用數據，采用GIS格網化技術對每個格網的污染物排放系數、人口系數及三大產業系數進行賦值，從而實現污染物排放、人口及經濟的空間格局的表達。
關注三提出產業結構和布局優化調控的對策方案
這個課題在研究水資源、水環境和產業結構耦合機制基礎上，構建了“產業結構優化情景方案設計——基于系統動力學的情景方案評估模型——情景方案模擬與優選——產業結構調控對策”的產業結構優化路線圖和方法學框架。
首先，設計了基于產業發展規劃和趨勢的產業結構情景方案，依據相關規劃和標準分別設計節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業結構優化情景方案集。其次，基于水資源、水環境和產業結構的耦合關系，構建包含資源環境子系統，經濟社會子系統和治理費用子系統的產業結構優化系統動力學模型。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，依此為依據進行情景方案比選，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選，確定最優化的產業結構優化情景方案并進行可行性評估。最后，針對最優化產業結構優化情景方案提出調控對策。
在研究水資源、水環境和產業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，對研究區域進行水生態約束分區，分為水生態約束高區、水生態約束中區、水生態約束低區。
這個課題分析了各類約束區產業布局演變情況，并采用承壓度指標（水資源承壓度和水環境承壓度）對各類約束區內現狀產業發展對水資源和水環境的影響進行分析，提出了不同約束區產業布局優化的方向和對策。
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，基于鐵嶺市水生態問題診斷和主要因子承壓關系，計算現狀水生態承載度為1.52，現狀判定結果為超載。
課題提出對產業結構優化方案及對策，在最優情景方案中，鐵嶺市2020年經濟總量為1184億元，年均增長率為5.3%。三產結構從2014年的23.9∶41.7∶34.4調整為21.6∶36.6∶41.8。從節水指標看，最優方案的單位GDP用水量明顯下降，從污染治理調控指標看，表現出鐵嶺市環境友好性加強，體現在工業和農業清潔生產水平的提高，單位產值COD排放量為40噸/億元，符合國家生態市建設標準，在可達范圍之內。并依據產業結構方案，節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。
課題依據評估結果，提出產業布局調控方案，鐵嶺市水生態約束分區方案：水生態高約束區：銀州區、清河區、調兵山市、西豐縣。水生態中約束區：鐵嶺縣和開原市。水生態低約束區：昌圖縣。
2014年水生態約束低區的水環境容量超載，水資源承載力未超載，這類區產業布局優化的重點是進行減量置換，擴容增量，提高水環境承載能力；水生態約束中區的水資源承載力和水環境容量均超載，這類區產業布局優化的重點是進行減量置換，淘汰落后產能，提高現有產業的用水效率和降低排污強度，提高水資源、水環境承載能力；水生態約束高區的水環境容量超載，水資源承載力未超載，這類區產業布局優化的重點是淘汰落后產能，減量置換，以減污為主，同時注重清河區、銀州區、調兵山市的節水，避免在調兵山市、銀州區、清河區水資源承載力超載的地區建設水資源需求較大的行業企業。
太湖流域常州市承載力評估結果顯示，常州市整體的2010年的水環境承載力處于超載情況，2025年超載趨勢加重，到2050年水環境承載力處于可承載狀態。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，在最優方案下，常州市2020年的經濟總量達到7400億元，年均增長率為7.1%，三次產業結構調整為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%，主要工業行業COD和氨氮排放量均呈下降趨勢，下降區間分別為2.7%～9.8%和1.8%～12.1%。并依據產業結構方案，節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。
課題提出產業布局調控方案，常州市水生態約束分區：水生態約束高區（城區）、水生態約束中區（溧陽市）、水生態約束低區（金壇市）。
2014年水生態約束低區的水資源承載力超載，水環境容量超載，這類區域產業布局優化的重點是進行減量置換，擴容提質、增效。進一步淘汰落后產能，嚴格產業準入，進一步提高區域的經濟活動效率和主導產業水資源利用效率，控制氨氮排放強度；水生態約束中區的水資源承載力和水環境容量均未超載，這個區域產業布局優化的重點是提高區域的經濟活動效率，引進高附加值、層次高的產業。在開發過程中加強水資源、水環境的保護，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域的環境容量。充分發揮山水生態優勢，努力建成南京都市圈和蘇錫常都市圈的后花園；水生態約束高區的水資源承載力和水環境容量都未超載，這個區域產業布局優化的重點是嚴格產業環境準入，淘汰經濟效率低、水生態影響大的行業企業，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域的水資源可利用量范圍內，COD、氨氮排放量在水環境容量內。
這個課題圍繞水生態功能分區的保護目標，以水生態系統健康需求為約束條件，以水生態問題診斷和承壓關系分析為主線，建立了水生態承載力動態、時空評估模型。在水生態承載力評估的基礎上，提出了產業結構和產業布局優化的方法及對策，并在遼河流域鐵嶺市和太湖流域常州市進行了技術應用。
課題產出的水生態承載力評估及調控技術是建立資源環境承載能力監測預警長效機制的必然途徑，也是助推流域綠色發展和生態文明建設的有效抓手。
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