中国农村水利水电#2008年第7期
文章编号:1007-2284(2008)07-0015-05
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郑州市水环境承载力研究
雷宏军,刘 鑫,陈 豪,王振雨
(华北水利水电学院,郑州450011)
摘 要:采用系统动力学模型和控制目标反推模型(COIM)研究了郑州市水环境承载力状况。以Vensim为工具软件,建立了系统动力学模型,选取了5个指标并利用向量模法对不同发展方案进行评价。结果表明,综合方案全面考虑南水北调工程调水、水资源合理开发与污水治理,既增加了水资源的供应量,又提高了水体的质量,较大幅度提高了郑州市水环境承载力,且未来规划水平年水环境承载力呈上升趋势。然而,系统动力学评价结果只是一个比值,只能从整体上反映水环境承载力的发展趋势。在此基础上,运用COIM模型,以水体COD为控制目标对郑州市的水环境承载力情况进行分析,并给出了提高水环境承载力的多种对比方案。综合分析表明,系统动力学模型可较好地把握水环境承载力的整体发展趋向,有利于宏观对策的提出;控制目标反推模型可较好地反映不同措施下的水环境状况,有利于具体措施的提出。
关键词:水环境承载力;系统动力学;COIM模型 中图分类号:TV21 文献标识码:A
ResearchontheCarryingCapacityofWaterEnvironmentinZhengzhouCity
LEIHong-jun,LIUXin,CHENHao,WANGZhen-yu
(NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,Zhengzhou450011,China)
Abstract:Inthispaper,systemdynamicsmodelsandcontrolledobjectinversionmodels(COIM)areusedtoresearchintothewaterenvironmentcarryingcapacity(WECC)ofZhengzhouCity.ByusingVensimsoftware,asystemdynamicsmodelisbuiltandusedtoassesstheWECCintheplanningyearsof2005,2010,2015and2020.AndfivewaterenvironmentalindexesareselectedandVectorNormisappliedtoevaluatethesixschemes:maintainingexistingcondition,savingwater,exploringnewwaterresources,transfer-ringlongdistancewater,controllingpollution,comprehensivemeasurements.Resultsshowthat,thecomprehensiveschemehasconsideredtheSouth-to-Northwaterdiversion,therationalexploitationofwaterresourcesandsewagetreatment,whichhasin-creasedtheamountofwatersupplyandimprovedthewaterenvironmentquality.AndtheWECCindexwillbeimprovedinthefutureplanningyears.Inthedynamicmodel,theWECCindexisarelativevaluewithitsdevelopmenttrendreflected,whichfacilitatesthemacroscopicsolutions.SotheCOIMmodelisputforwardwithCODasthecontrolledtargetandusedtocalculatetheWECCofZhengzhouCity.Resultsshowthat,COIMmodelcouldprovideconcretevalueofWECC,whichfacilitatesconcretesolutions.Keywords:waterenvironmentcarryingcapacity;systemdynamics;COIMmodel 1995年5Science6上发表题为5Economicgrowth,carryingcapacityandtheenvironment6[1]一文引发了世界资源承载力研究的热潮[2]。相继地,水资源承载力被列入城市水资源安全保障的衡量标准[3]。水环境承载力的研究起源于将水作为一种
资源进行承载力研究,其评价主要采用以下五种方法:指标体系评价方法、单目标和多目标优化方法、系统动力学方法、半定量化方法、控制目标反推方法。
目前,水环境承载力方面的应用研究已有一些报导。1995年,郭怀成、唐剑武最早尝试将系统动力学应用到水环境承载
收稿日期:2007-09-24
基金项目:华北水利水电学院高层次人才启动基金项目,华北水利
水电学院科研基金项目(HSQJ2006005)。
作者简介:雷宏军(1975-),男,博士,讲师,主要从事区域水土资源
力研究中[4]。2005年,张文国等[5]在对地下水环境承载力问题进行探讨时,通过实例对模糊优选模型和矢量模法两个模型进行对比阐释。李如忠[6]从经济、社会、资源、环境、技术与管理等角度出发,提出了层次分析法与统计学法相结合的区域水环价模[7]剖析城市水承
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载力和水资源承载力概念及内涵的基础上,提出了计算城市水环境承载力的/控制目标反推模型0(COIM模型),并以郑州市为应用实例,介绍了城市水环境承载力计算模型及水环境调控对策制定研究。
本文在总结已有研究工作的基础上,针对目前研究中存在的问题,对郑州市水环境承载力进行研究。以2005年为现状水平年,根据有关规划对2010、2015和2020年进行展望。
郑州市水环境承载力研究 雷宏军 刘 鑫 陈 豪 等
1 理论与方法
1.1 系统动力学方法
由于环境承载力具有区域性,结合郑州市特点,选取5个与水资源和水污染密切相关的综合指标。这些指标不仅是水环境系统本身的结构组成与人类社会经济活动之间的相互作用的表现,而且它们都是与水环境承载力的大小成正比。其中包括:¹单位COD排放量的工业产值;º工业废水排放的达标率;»回用水量和废水总量之比;¼供水量与需水量之比;½单位水资源消耗量的工业产值。其中指标¼是水资源指标,指标¹是水环境和经济综合指标,指标½是水资源和经济综合指标,º和»是水资源和水环境综合指标。而指标¼又与人口密切相关。然后选取层次分析法来确定各影响因素的权重。根据所选取的5个指标以及系统动力学的计算方法,画出系统动力学的技术路线图1
。
图1 水环境承载力分析技术路线图
使用VensimPLE软件,依据各个子系统之间的相互联系和每个子系统内部的构造,画出系统流图2
。
图2 水环境承载力系统流程图
郑州市水环境承载力研究 雷宏军 刘 鑫 陈 豪 等
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表1 郑州市规划水平年污水排放量预测
年份[**************]0
工业废水11641.014323.016648.418214.4
城市生活污水24170.028937.232767.437105.5
污水排放量35811.043260.249415.855319.9
万m3/a污水回用量1825.07300.012775.014600.0
1.2 控制目标反推模型
考虑城市水资源系统生态良性循环,至少应该控制以下几个方面:¹城市污水或污染物排放总量不得超出一定限度(即总量控制);º一定区域水体的水质不得超出水体本身水功能区的水质标准(即浓度控制);»城市相关河流的径流量不得小于河流最小基流量(即满足生态用水基本要求)。这三方面的控制范围作为生态系统良性循环的判别目标,在这种目标下得到的最大允许城市污水排放量就是水环境承载力。其基本思路是,以控制目标为约束反推水环境承载力,因此称为/控制目标反推模型0方法,简称COIM模型[7]。1.2.1 城市污染物排放量计算
城市某污染物排放总量计算式:
WW=QWCW
3
3
1.2.6 水环境质量控制目标
根据污染源现状评价结果,郑州市区域内COD指标是最普遍、最严重的污染因子,欲使郑州市水环境根本好转,必须严格控制其入河量。因此,确定COD作为郑州市河流水环境承载力计算和污染物总量控制的因子。
选择该断面为贾鲁河城区段出境水质控制断面。依据5河
(1)
南省南水北调城市水环境规划报告6中2005、2030年COD允许入河量,线性插值法得到郑州市2005、2010、2015、2020年COD入河控制目标值分别为17923、14073、14848、15623t。按河流水功能区划,参照GB3838-20025地表水环境质量标准6
式中:QW为污水排放总量,m;CW为污水处理前某污染物综合浓度,kg/m;WW为污染物排放总量,kg。
某污染物排入地表水体的总量计算式:
WWD=QWLCD+QW(1-L)CW
(2)
要求贾鲁河中牟陈桥断面达到IV类水标准,COD质量浓度为30mg/L。
1.2.7 模型参数选择
水环境承载力计算时,C0值一般选取计算河段上游断面的实测污染指标浓度年平均值或季平均值等。现状条件下,贾鲁河中牟陈桥断面COD质量浓度年平均值为100mg/L(中国环境报,2006年04月28日)。根据以往资料计算,求得综合消减系数K。
河流上游来水量Q1的确定,当可利用水量有剩余时,取Q1为剩余水量,这里仅等于生态用水补水量,其浓度为13mg/L。2010年南水北调中线工程通水,郑州市分水量为33170万m3/a。考虑南水北调供水保证率等因素,假定2010、2015、
式中:CD为污水处理后某污染物浓度,kg/m3;L为污水处理率;WWD为污水处理后某污染物排放总量,kg;其他符号含义同前。
1.2.2 控制断面径流量计算
根据水量平衡原理建立如下模型:
Qm=Q1+QW-N(Q1+QW)
3
(3)
式中:N为水体水量总消耗系数;Q1为排放的河流上游来水量,m;其他符号含义同前。1.2.3 控制断面水质指标计算
选择考虑水体净化能力(KW)的零维模型:
QmCm=KWWWD+Q1C0
m3;KW为某污染物在水体中的净化率。1.2.4 控制目标方程
根据对/生态系统良性循环0三方面控制目标的说明,建立如下控制目标方程:
(1)浓度控制方程。
Cm[Cs
式中:Cs为控制断面浓度控制目标值,kg/m。
(2)总量控制方程。
QmCm[WS
式中:WS为污染物总量控制目标值,kg。
(3)河流生态用水最小基流控制方程
Qm\Qs
式中:Qs为河流水量控制最小目标值,m3。1.2.5 入河污水排放量的确定
由于农村生活污水一般用于沼气池沤成有机肥料,施入农田,大部分水分通过蒸发损耗,与城市生活污水相比,人均数量少,排入江河也少,故近似认为农村生活污水排放量为零。预1(7)(6)
3
(4)
2020年分水量分别为70%、85%和90%。根据5郑州市城市水资源配置研究6,除回用中水外,2005、2010、2015、2020年生态补水量分别为7285、6180、5130、4780万m3/a。
2005、2010、2015、2020年的污水处理率设定为39%,80%、90%、93%。根据GB3838-20025地表水环境质量标准6,污水排放量中污水回用部分COD浓度取50mg/L,污水达标排放COD浓度取100mg/L。
式中:C0为水体环境背景值,kg/m3;Cm为控制断面浓度,kg/
(5)
2 研究区域概况
郑州市属北温带季风气候,多年平均年降水量623.4mm,降水量时空分布不均,且年际之间变化较大。郑州市多年人均水资源拥有量212m3,占全国人均水资源量的1/10,属于水资源相对较贫乏的地区。近年来由于受全球气候变化和人类活动影响,降水量呈逐年衰减趋势,郑州市的水资源量也随之减少,加上城市化水平的发展,水资源问题日益严重。2005年,郑州市水资源总量1.7957亿m3,实际用水量5.3341亿m3。本地水资源远满足不了用水需要,从黄河引水1.9163亿m3,地下水超采1.0396亿m3,可见郑州市水资源短缺十分严重。另外,郑州市水环境质量令人堪忧,郑州市城市2005年污水排放量达2.4170亿m3,污水处理量仅1.3885亿m3,污水处理率5)街区西
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部,与郑州市区中心相隔较远,水资源分布及用水系统基本独立。因此,本研究以郑州市5个区(中原区、二七区、管城区、金水区、邙山区)作为研究对象,其总面积为987.9km2。
郑州市水环境承载力研究 雷宏军 刘 鑫 陈 豪 等
3 分析方法
3.1 系统动力学方法
选取人口、工业总产值、总供水量、生活用水量和工业用水量为对象,2005年模型输出结果与历史数据进行对照表明,模型模拟值与实际值之间的误差均小于5%,证明模型是有效的。
按照选取的指标体系:单位COD排放量的工业产值y1,工业废水排放达标率y2,回用水量和废水总量之比y3,水资源的供需比y4,单位水资源消耗量的工业产值y5,采用层次分析法来确定各影响因素的权重,建立判断矩阵如下:
y1
y1y2A=y3
y4y5
y2
y3
y4
y5227图3 不同方案下的郑州市水环境承载力随时间变化图
经过分析可以得到以下结论:
(1)若按现状发展,水环境会进一步制约郑州市经济的发展。
(2)从方案中可以看到经过2010年的南水北调调水,使郑州市可利用水资源量得到了提高,但是单纯依靠调水,并不能解决郑州市的水环境问题。
(3)综合方案中年水资源可供水量与需水量之比值接近于1,环境污染得到有效治理,生产和生活用水可得到保障,但生态用水仍难以得到充分保障。综合方案全面考虑水资源的开源,区域外调水,节约水资源和污水治理,既增加了水资源的供应量,又提高了水体的质量,郑州市水环境承载力较其他方案有较大幅度提高。
11/3337
113
1/31/7112
1/31/21
11/21/21/7
3.2 控制目标反推模型方法
水环境承载力计算模型为。目标函数:max(Qw)约束条件:
WW=QWCW
WWD=QWLCD+QW(1-L)CWQm=Q1+QW-N(Q1+QW)QmCm=KWWD+Q1C0Cm[CsQmCm[WSQm\Qs
根据目标函数和约束条件,得到的最大值Qw就是要求的城市水环境承载力。各水平年拟合结果列于表2。
(1)根据郑州市中长期发展规划,2005、2010、2015、2020年中牟桥段控制断面浓度COD浓度分别为81.5、55.8、49.9和50.0mg/L,均远远超过30mg/L的达标标准。可见,现状条件下的水环境承载力是相当低,按照目前的用水、排水、污水处理水平等条件,已经超出水环境承载力,这与目前郑州市水环境问题十分严重相吻合。
(2)设定控制断面的COD浓度控制指标值,反求出承载力当前污水处理率下环境可容纳的污水排放量。在当前水资源利用水平条件下,在实现COD入河量控制限定目标时,除2005年外,中牟陈桥断面COD浓度可达到控制目标,表明规划方案条件下2010、2015、2020年污水处理率指标设置可满足河流水功能区划要求。在规划方案供水及污水处理水平下,2005、2010、2015、2020年允许COD入河排放量分别为18577.8、24191.4、26233.2和27948.1t。
(3)在规划方案供水及排污条件下,2005、2010、2015、2020年可通过将污水处理率提高到0.96、0.94、0.95、0.96时,中牟陈桥断面可实现河流水功能区划要求。
计算得到矩阵的权向量为Xi=(0.068,0.178,0.193,0.482,0.079),最大特征值K(Km=5.037,CI=m-n)/(n-1)=0.009,CR=CI/RI=0.0082
郑州市的目前水环境已成为制约该市社会经济发展的主要因素。为了实现该市水环境的可持续发展,需要采取措施来提高郑州市的水环境承载力。现拟定6个不同方案如下。
方案1:保持现有状况不变,即污水回用率0.051,COD排放系数0.567,污水排放达标率0.665,输水系数0.833。
方案2:节流。考虑将工业节水系数提高到0.179,将污水回用率提高到0.264。
方案3:调水。从南水北调中线调水,预计2020年调水量达到3.317亿m3/a,2010年为2020年调水量的70%,2015年为2020年调水量的85%。
方案4:开源。在方案3的基础上,通过加强输水管网改造和基础设施建设,减少供水过程中的无谓消耗,将输水系数提高到0.909。
方案5:治污。采用经济和技术手段治理水环境污染。通过加大污水处理投资,将COD排放系数降低到0.355和污水排放达标率提高到0.930。
方案6:综合方案。在区域内提高输水系数0.98,从2010年起开始区域外调水,2010年调水量为70%,2015为85%,到2020年实现全额调水,全额调水量为3.317亿m3/a。在采取开源措施的同时,将污水排放达标率、输水
系数、工业节水系数和污水回用率分别提高到0.930、0.909、0.179和0.264,将COD排放系数降低到0.355。
对不同方案水环境承载力的进行模拟,在此基础上对郑州市的水环境承载力进行了量化,得到图3示郑州市水环境承载力变化曲线。
郑州市水环境承载力研究 雷宏军 刘 鑫 陈 豪 等
表2 不同水平年城市水环境承载力计算结果
计算指标
水平年
计算方案
总排放水量/
亿m3
规划方案计算结果
2005
承载力反求计算达到省控排放目标计算水环境承载力反求污水处理率
规划方案计算结果
2010
承载力反求计算达到省控排放目标计算水环境承载力反求污水处理率
规划方案计算结果
2015
承载力反求计算达到省控排放目标计算
水平年计算结果规划方案计算结果承载力反求计算
2020
达到省控排放目标计算水环境承载反求污水处理率
3.581.011.023.584.332.061.244.334.942.621.384.945.532.871.445.53
总排放COD量/
t62856.218577.818729.162856.248806.224191.415313.148806.254064.626233.214574.754064.658063.527948.114772.558063.5
污水处理率
0.390.390.390.960.800.800.800.940.900.900.900.950.930.930.930.96
中牟陈桥断面径流量/亿m3
4.094.774.774.094.735.295.504.735.235.705.955.235.786.226.455.78
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控制断面COD浓度/(mg#L-1)
81.530.030.230.055.830.018.330.049.930.016.630.050.030.016.330.0
4 讨 论
系统动力学在对城市水环境这种多层次、多部门的复杂大系统的研究具有较强优势。系统动力学采用系统分析、综合与推理的方法,可对郑州市水环境承载力进行定性定量分析,易于制定相应的提高水环境承载力的发展方案。由图3可以看出,综合方案同时考虑区域内开源和区域外调水,考虑经济投入和技术进步对污水处理率的影响作用,将水资源节约使用和污染治理相结合,对水环境承载力的提高有显著的促进作用,其承载力呈持续上升趋势。综合方案采用工业节水设备和工艺以降低万元产值用水量,利用回用水增加环境用水量,这些措施在很大程度上减少了用水量,提高水资源的利用效率。郑州市地下水资源十分有限,地下水资源的不断开采造成了地下水位的持续下降,加之近年地表水资源量减少、水资源浪费严重和水体污染,因此应重点放在污染治理、节流和区域外调水上。但是系统动力学方法的研究结果是一个比值,只是从整体上反映水环境承载力的发展趋势。控制目标反推模型能定量地给出郑州市的纳污能力(见表2),有利于具体供水方案及污水处理措施的提出。然而,控制目标反推模型对水环境承载力发展趋势的反映能力不是很强,且只考虑了污水排放和污水处理中的某些指标数值,未能将社会经济因素纳入考虑之中,难以全面反映水环境承载力发展趋势。将两种模型结合起来,可以较好地从定性和定量的角度研究郑州市的水环境承载力,既可了解水环境承载力在未来年份的发展趋势,又可把握未来年份到底可以排放多少污水,才不至于影响到郑州市水环境的可持续发展。
力进行了计算和分析,并根据设定的6个不同方案,实现了水环境承载力的提高,综合方案的实施可促进郑州市社会经济与水环境的良性发展。
(2)控制目标反推模型是从郑州市的最大纳污量方面进行水环境承载力的计算,由现状条件下不满足水环境承载力要求,提出了提高污水处理率以及减少排污量等措施,实现了水环境承载力提高的目的。并且从计算的结果可以看出,单一的措施提高郑州市水环境承载力的效果不明显,在规划方案供水及排污条件下,未来水平年水环境状况仍难以满足河流水功能区划要求,需将污水处理率提高、排污量减少、外调水增加等措施相结合,才能较好地满足水环境质量控制目标的要求。参考文献:
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[7] 左其亭,马军霞,高传昌.城市水环境承载力研究[J].水科学进
,:t
5 结 语
(
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文章编号:1007-2284(2008)07-0015-05
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郑州市水环境承载力研究
雷宏军,刘 鑫,陈 豪,王振雨
(华北水利水电学院,郑州450011)
摘 要:采用系统动力学模型和控制目标反推模型(COIM)研究了郑州市水环境承载力状况。以Vensim为工具软件,建立了系统动力学模型,选取了5个指标并利用向量模法对不同发展方案进行评价。结果表明,综合方案全面考虑南水北调工程调水、水资源合理开发与污水治理,既增加了水资源的供应量,又提高了水体的质量,较大幅度提高了郑州市水环境承载力,且未来规划水平年水环境承载力呈上升趋势。然而,系统动力学评价结果只是一个比值,只能从整体上反映水环境承载力的发展趋势。在此基础上,运用COIM模型,以水体COD为控制目标对郑州市的水环境承载力情况进行分析,并给出了提高水环境承载力的多种对比方案。综合分析表明,系统动力学模型可较好地把握水环境承载力的整体发展趋向,有利于宏观对策的提出;控制目标反推模型可较好地反映不同措施下的水环境状况,有利于具体措施的提出。
关键词:水环境承载力;系统动力学;COIM模型 中图分类号:TV21 文献标识码:A
ResearchontheCarryingCapacityofWaterEnvironmentinZhengzhouCity
LEIHong-jun,LIUXin,CHENHao,WANGZhen-yu
(NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,Zhengzhou450011,China)
Abstract:Inthispaper,systemdynamicsmodelsandcontrolledobjectinversionmodels(COIM)areusedtoresearchintothewaterenvironmentcarryingcapacity(WECC)ofZhengzhouCity.ByusingVensimsoftware,asystemdynamicsmodelisbuiltandusedtoassesstheWECCintheplanningyearsof2005,2010,2015and2020.AndfivewaterenvironmentalindexesareselectedandVectorNormisappliedtoevaluatethesixschemes:maintainingexistingcondition,savingwater,exploringnewwaterresources,transfer-ringlongdistancewater,controllingpollution,comprehensivemeasurements.Resultsshowthat,thecomprehensiveschemehasconsideredtheSouth-to-Northwaterdiversion,therationalexploitationofwaterresourcesandsewagetreatment,whichhasin-creasedtheamountofwatersupplyandimprovedthewaterenvironmentquality.AndtheWECCindexwillbeimprovedinthefutureplanningyears.Inthedynamicmodel,theWECCindexisarelativevaluewithitsdevelopmenttrendreflected,whichfacilitatesthemacroscopicsolutions.SotheCOIMmodelisputforwardwithCODasthecontrolledtargetandusedtocalculatetheWECCofZhengzhouCity.Resultsshowthat,COIMmodelcouldprovideconcretevalueofWECC,whichfacilitatesconcretesolutions.Keywords:waterenvironmentcarryingcapacity;systemdynamics;COIMmodel 1995年5Science6上发表题为5Economicgrowth,carryingcapacityandtheenvironment6[1]一文引发了世界资源承载力研究的热潮[2]。相继地,水资源承载力被列入城市水资源安全保障的衡量标准[3]。水环境承载力的研究起源于将水作为一种
资源进行承载力研究,其评价主要采用以下五种方法:指标体系评价方法、单目标和多目标优化方法、系统动力学方法、半定量化方法、控制目标反推方法。
目前,水环境承载力方面的应用研究已有一些报导。1995年,郭怀成、唐剑武最早尝试将系统动力学应用到水环境承载
收稿日期:2007-09-24
基金项目:华北水利水电学院高层次人才启动基金项目,华北水利
水电学院科研基金项目(HSQJ2006005)。
作者简介:雷宏军(1975-),男,博士,讲师,主要从事区域水土资源
力研究中[4]。2005年,张文国等[5]在对地下水环境承载力问题进行探讨时,通过实例对模糊优选模型和矢量模法两个模型进行对比阐释。李如忠[6]从经济、社会、资源、环境、技术与管理等角度出发,提出了层次分析法与统计学法相结合的区域水环价模[7]剖析城市水承
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载力和水资源承载力概念及内涵的基础上,提出了计算城市水环境承载力的/控制目标反推模型0(COIM模型),并以郑州市为应用实例,介绍了城市水环境承载力计算模型及水环境调控对策制定研究。
本文在总结已有研究工作的基础上,针对目前研究中存在的问题,对郑州市水环境承载力进行研究。以2005年为现状水平年,根据有关规划对2010、2015和2020年进行展望。
郑州市水环境承载力研究 雷宏军 刘 鑫 陈 豪 等
1 理论与方法
1.1 系统动力学方法
由于环境承载力具有区域性,结合郑州市特点,选取5个与水资源和水污染密切相关的综合指标。这些指标不仅是水环境系统本身的结构组成与人类社会经济活动之间的相互作用的表现,而且它们都是与水环境承载力的大小成正比。其中包括:¹单位COD排放量的工业产值;º工业废水排放的达标率;»回用水量和废水总量之比;¼供水量与需水量之比;½单位水资源消耗量的工业产值。其中指标¼是水资源指标,指标¹是水环境和经济综合指标,指标½是水资源和经济综合指标,º和»是水资源和水环境综合指标。而指标¼又与人口密切相关。然后选取层次分析法来确定各影响因素的权重。根据所选取的5个指标以及系统动力学的计算方法,画出系统动力学的技术路线图1
。
图1 水环境承载力分析技术路线图
使用VensimPLE软件,依据各个子系统之间的相互联系和每个子系统内部的构造,画出系统流图2
。
图2 水环境承载力系统流程图
郑州市水环境承载力研究 雷宏军 刘 鑫 陈 豪 等
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表1 郑州市规划水平年污水排放量预测
年份[**************]0
工业废水11641.014323.016648.418214.4
城市生活污水24170.028937.232767.437105.5
污水排放量35811.043260.249415.855319.9
万m3/a污水回用量1825.07300.012775.014600.0
1.2 控制目标反推模型
考虑城市水资源系统生态良性循环,至少应该控制以下几个方面:¹城市污水或污染物排放总量不得超出一定限度(即总量控制);º一定区域水体的水质不得超出水体本身水功能区的水质标准(即浓度控制);»城市相关河流的径流量不得小于河流最小基流量(即满足生态用水基本要求)。这三方面的控制范围作为生态系统良性循环的判别目标,在这种目标下得到的最大允许城市污水排放量就是水环境承载力。其基本思路是,以控制目标为约束反推水环境承载力,因此称为/控制目标反推模型0方法,简称COIM模型[7]。1.2.1 城市污染物排放量计算
城市某污染物排放总量计算式:
WW=QWCW
3
3
1.2.6 水环境质量控制目标
根据污染源现状评价结果,郑州市区域内COD指标是最普遍、最严重的污染因子,欲使郑州市水环境根本好转,必须严格控制其入河量。因此,确定COD作为郑州市河流水环境承载力计算和污染物总量控制的因子。
选择该断面为贾鲁河城区段出境水质控制断面。依据5河
(1)
南省南水北调城市水环境规划报告6中2005、2030年COD允许入河量,线性插值法得到郑州市2005、2010、2015、2020年COD入河控制目标值分别为17923、14073、14848、15623t。按河流水功能区划,参照GB3838-20025地表水环境质量标准6
式中:QW为污水排放总量,m;CW为污水处理前某污染物综合浓度,kg/m;WW为污染物排放总量,kg。
某污染物排入地表水体的总量计算式:
WWD=QWLCD+QW(1-L)CW
(2)
要求贾鲁河中牟陈桥断面达到IV类水标准,COD质量浓度为30mg/L。
1.2.7 模型参数选择
水环境承载力计算时,C0值一般选取计算河段上游断面的实测污染指标浓度年平均值或季平均值等。现状条件下,贾鲁河中牟陈桥断面COD质量浓度年平均值为100mg/L(中国环境报,2006年04月28日)。根据以往资料计算,求得综合消减系数K。
河流上游来水量Q1的确定,当可利用水量有剩余时,取Q1为剩余水量,这里仅等于生态用水补水量,其浓度为13mg/L。2010年南水北调中线工程通水,郑州市分水量为33170万m3/a。考虑南水北调供水保证率等因素,假定2010、2015、
式中:CD为污水处理后某污染物浓度,kg/m3;L为污水处理率;WWD为污水处理后某污染物排放总量,kg;其他符号含义同前。
1.2.2 控制断面径流量计算
根据水量平衡原理建立如下模型:
Qm=Q1+QW-N(Q1+QW)
3
(3)
式中:N为水体水量总消耗系数;Q1为排放的河流上游来水量,m;其他符号含义同前。1.2.3 控制断面水质指标计算
选择考虑水体净化能力(KW)的零维模型:
QmCm=KWWWD+Q1C0
m3;KW为某污染物在水体中的净化率。1.2.4 控制目标方程
根据对/生态系统良性循环0三方面控制目标的说明,建立如下控制目标方程:
(1)浓度控制方程。
Cm[Cs
式中:Cs为控制断面浓度控制目标值,kg/m。
(2)总量控制方程。
QmCm[WS
式中:WS为污染物总量控制目标值,kg。
(3)河流生态用水最小基流控制方程
Qm\Qs
式中:Qs为河流水量控制最小目标值,m3。1.2.5 入河污水排放量的确定
由于农村生活污水一般用于沼气池沤成有机肥料,施入农田,大部分水分通过蒸发损耗,与城市生活污水相比,人均数量少,排入江河也少,故近似认为农村生活污水排放量为零。预1(7)(6)
3
(4)
2020年分水量分别为70%、85%和90%。根据5郑州市城市水资源配置研究6,除回用中水外,2005、2010、2015、2020年生态补水量分别为7285、6180、5130、4780万m3/a。
2005、2010、2015、2020年的污水处理率设定为39%,80%、90%、93%。根据GB3838-20025地表水环境质量标准6,污水排放量中污水回用部分COD浓度取50mg/L,污水达标排放COD浓度取100mg/L。
式中:C0为水体环境背景值,kg/m3;Cm为控制断面浓度,kg/
(5)
2 研究区域概况
郑州市属北温带季风气候,多年平均年降水量623.4mm,降水量时空分布不均,且年际之间变化较大。郑州市多年人均水资源拥有量212m3,占全国人均水资源量的1/10,属于水资源相对较贫乏的地区。近年来由于受全球气候变化和人类活动影响,降水量呈逐年衰减趋势,郑州市的水资源量也随之减少,加上城市化水平的发展,水资源问题日益严重。2005年,郑州市水资源总量1.7957亿m3,实际用水量5.3341亿m3。本地水资源远满足不了用水需要,从黄河引水1.9163亿m3,地下水超采1.0396亿m3,可见郑州市水资源短缺十分严重。另外,郑州市水环境质量令人堪忧,郑州市城市2005年污水排放量达2.4170亿m3,污水处理量仅1.3885亿m3,污水处理率5)街区西
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部,与郑州市区中心相隔较远,水资源分布及用水系统基本独立。因此,本研究以郑州市5个区(中原区、二七区、管城区、金水区、邙山区)作为研究对象,其总面积为987.9km2。
郑州市水环境承载力研究 雷宏军 刘 鑫 陈 豪 等
3 分析方法
3.1 系统动力学方法
选取人口、工业总产值、总供水量、生活用水量和工业用水量为对象,2005年模型输出结果与历史数据进行对照表明,模型模拟值与实际值之间的误差均小于5%,证明模型是有效的。
按照选取的指标体系:单位COD排放量的工业产值y1,工业废水排放达标率y2,回用水量和废水总量之比y3,水资源的供需比y4,单位水资源消耗量的工业产值y5,采用层次分析法来确定各影响因素的权重,建立判断矩阵如下:
y1
y1y2A=y3
y4y5
y2
y3
y4
y5227图3 不同方案下的郑州市水环境承载力随时间变化图
经过分析可以得到以下结论:
(1)若按现状发展,水环境会进一步制约郑州市经济的发展。
(2)从方案中可以看到经过2010年的南水北调调水,使郑州市可利用水资源量得到了提高,但是单纯依靠调水,并不能解决郑州市的水环境问题。
(3)综合方案中年水资源可供水量与需水量之比值接近于1,环境污染得到有效治理,生产和生活用水可得到保障,但生态用水仍难以得到充分保障。综合方案全面考虑水资源的开源,区域外调水,节约水资源和污水治理,既增加了水资源的供应量,又提高了水体的质量,郑州市水环境承载力较其他方案有较大幅度提高。
11/3337
113
1/31/7112
1/31/21
11/21/21/7
3.2 控制目标反推模型方法
水环境承载力计算模型为。目标函数:max(Qw)约束条件:
WW=QWCW
WWD=QWLCD+QW(1-L)CWQm=Q1+QW-N(Q1+QW)QmCm=KWWD+Q1C0Cm[CsQmCm[WSQm\Qs
根据目标函数和约束条件,得到的最大值Qw就是要求的城市水环境承载力。各水平年拟合结果列于表2。
(1)根据郑州市中长期发展规划,2005、2010、2015、2020年中牟桥段控制断面浓度COD浓度分别为81.5、55.8、49.9和50.0mg/L,均远远超过30mg/L的达标标准。可见,现状条件下的水环境承载力是相当低,按照目前的用水、排水、污水处理水平等条件,已经超出水环境承载力,这与目前郑州市水环境问题十分严重相吻合。
(2)设定控制断面的COD浓度控制指标值,反求出承载力当前污水处理率下环境可容纳的污水排放量。在当前水资源利用水平条件下,在实现COD入河量控制限定目标时,除2005年外,中牟陈桥断面COD浓度可达到控制目标,表明规划方案条件下2010、2015、2020年污水处理率指标设置可满足河流水功能区划要求。在规划方案供水及污水处理水平下,2005、2010、2015、2020年允许COD入河排放量分别为18577.8、24191.4、26233.2和27948.1t。
(3)在规划方案供水及排污条件下,2005、2010、2015、2020年可通过将污水处理率提高到0.96、0.94、0.95、0.96时,中牟陈桥断面可实现河流水功能区划要求。
计算得到矩阵的权向量为Xi=(0.068,0.178,0.193,0.482,0.079),最大特征值K(Km=5.037,CI=m-n)/(n-1)=0.009,CR=CI/RI=0.0082
郑州市的目前水环境已成为制约该市社会经济发展的主要因素。为了实现该市水环境的可持续发展,需要采取措施来提高郑州市的水环境承载力。现拟定6个不同方案如下。
方案1:保持现有状况不变,即污水回用率0.051,COD排放系数0.567,污水排放达标率0.665,输水系数0.833。
方案2:节流。考虑将工业节水系数提高到0.179,将污水回用率提高到0.264。
方案3:调水。从南水北调中线调水,预计2020年调水量达到3.317亿m3/a,2010年为2020年调水量的70%,2015年为2020年调水量的85%。
方案4:开源。在方案3的基础上,通过加强输水管网改造和基础设施建设,减少供水过程中的无谓消耗,将输水系数提高到0.909。
方案5:治污。采用经济和技术手段治理水环境污染。通过加大污水处理投资,将COD排放系数降低到0.355和污水排放达标率提高到0.930。
方案6:综合方案。在区域内提高输水系数0.98,从2010年起开始区域外调水,2010年调水量为70%,2015为85%,到2020年实现全额调水,全额调水量为3.317亿m3/a。在采取开源措施的同时,将污水排放达标率、输水
系数、工业节水系数和污水回用率分别提高到0.930、0.909、0.179和0.264,将COD排放系数降低到0.355。
对不同方案水环境承载力的进行模拟,在此基础上对郑州市的水环境承载力进行了量化,得到图3示郑州市水环境承载力变化曲线。
郑州市水环境承载力研究 雷宏军 刘 鑫 陈 豪 等
表2 不同水平年城市水环境承载力计算结果
计算指标
水平年
计算方案
总排放水量/
亿m3
规划方案计算结果
2005
承载力反求计算达到省控排放目标计算水环境承载力反求污水处理率
规划方案计算结果
2010
承载力反求计算达到省控排放目标计算水环境承载力反求污水处理率
规划方案计算结果
2015
承载力反求计算达到省控排放目标计算
水平年计算结果规划方案计算结果承载力反求计算
2020
达到省控排放目标计算水环境承载反求污水处理率
3.581.011.023.584.332.061.244.334.942.621.384.945.532.871.445.53
总排放COD量/
t62856.218577.818729.162856.248806.224191.415313.148806.254064.626233.214574.754064.658063.527948.114772.558063.5
污水处理率
0.390.390.390.960.800.800.800.940.900.900.900.950.930.930.930.96
中牟陈桥断面径流量/亿m3
4.094.774.774.094.735.295.504.735.235.705.955.235.786.226.455.78
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控制断面COD浓度/(mg#L-1)
81.530.030.230.055.830.018.330.049.930.016.630.050.030.016.330.0
4 讨 论
系统动力学在对城市水环境这种多层次、多部门的复杂大系统的研究具有较强优势。系统动力学采用系统分析、综合与推理的方法,可对郑州市水环境承载力进行定性定量分析,易于制定相应的提高水环境承载力的发展方案。由图3可以看出,综合方案同时考虑区域内开源和区域外调水,考虑经济投入和技术进步对污水处理率的影响作用,将水资源节约使用和污染治理相结合,对水环境承载力的提高有显著的促进作用,其承载力呈持续上升趋势。综合方案采用工业节水设备和工艺以降低万元产值用水量,利用回用水增加环境用水量,这些措施在很大程度上减少了用水量,提高水资源的利用效率。郑州市地下水资源十分有限,地下水资源的不断开采造成了地下水位的持续下降,加之近年地表水资源量减少、水资源浪费严重和水体污染,因此应重点放在污染治理、节流和区域外调水上。但是系统动力学方法的研究结果是一个比值,只是从整体上反映水环境承载力的发展趋势。控制目标反推模型能定量地给出郑州市的纳污能力(见表2),有利于具体供水方案及污水处理措施的提出。然而,控制目标反推模型对水环境承载力发展趋势的反映能力不是很强,且只考虑了污水排放和污水处理中的某些指标数值,未能将社会经济因素纳入考虑之中,难以全面反映水环境承载力发展趋势。将两种模型结合起来,可以较好地从定性和定量的角度研究郑州市的水环境承载力,既可了解水环境承载力在未来年份的发展趋势,又可把握未来年份到底可以排放多少污水,才不至于影响到郑州市水环境的可持续发展。
力进行了计算和分析,并根据设定的6个不同方案,实现了水环境承载力的提高,综合方案的实施可促进郑州市社会经济与水环境的良性发展。
(2)控制目标反推模型是从郑州市的最大纳污量方面进行水环境承载力的计算,由现状条件下不满足水环境承载力要求,提出了提高污水处理率以及减少排污量等措施,实现了水环境承载力提高的目的。并且从计算的结果可以看出,单一的措施提高郑州市水环境承载力的效果不明显,在规划方案供水及排污条件下,未来水平年水环境状况仍难以满足河流水功能区划要求,需将污水处理率提高、排污量减少、外调水增加等措施相结合,才能较好地满足水环境质量控制目标的要求。参考文献:
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5 结 语
(