淳化縣水資源承載力系統動力學仿真模型研究

馮 丹，宋孝玉，晁智龍

(1.西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地，西安 710048； 2.陜西省水文水資源勘測局，西安 710068)

水資源已成為影響淳化縣社會經濟發展的重要因子之一。加強水資源的保護，提高水資源循環利用率以及加快節水防污型的社會建設是實現水資源與社會經濟協調可持續發展的重要途徑之一[1,2]。水資源承載能力計算的方法主要包括規劃方法和系統動力學方法[3,4]。系統動力學操作起來較簡單，計算量也相對比較少，又因為水資源承載能力的研究涉及的因素比較多，而且具有多目標、動態性以及極限性的特征，所以，為了更加客觀、準確地對水資源承載力進行研究，本文利用系統動力學仿真模型，在不同方案下模擬了淳化縣水資源承載力的動態變化。經過比較推薦了可行方案，供有關部門參考。

淳化縣處于陜西省中部偏西，咸陽市的北部，渭北黃土高原溝壑區的南緣，全縣的土地面積為983.81 km2，常住人口約為19.57萬人，2014年淳化縣實現國內生產總值53.54億元，淳化縣多年平均降水量5.647 1 億m3。降雨量多集中在6-9月，約占年降水量的63%。水資源分區中，西部的涇河流域區降水量較東部石川河流域區小，受季風和地形地貌影響，降水的空間分布變化較大，年內分配不均勻，變差較大。七八月常有暴雨，九十月多連陰雨；而其余8個月則雨量較小，不到全年雨量40%。12月至次年1月的降水量極小，約占全年的1.5%。淳化縣年均自產徑流量為4 740 萬m3，其中涇河流域區2 169 萬m3，石川河流域區2 571 萬m3,淳化縣全縣地下水資源量為2 418 萬m3/a，其中涇河流域區地下水資源量為850 萬m3/a，石川河流域區地下水資源量1 568 萬m3/a。

1 淳化縣水資源承載力模型的構建

1.1 系統動力學簡介

系統動力學是20世紀50年代美國麻省理工學院的福雷斯特融控制論、系統論、信息論、計算機模擬技術、管理科學及決策論等學科的知識為一體而開發的系統分析方法[3-7]。這種方法是依靠系統的理論分析系統的結構和層次，借助自動反饋控制原理對系統進行一定的調節，依靠信息論中得信息傳遞原理對系統進行描述，使用計算機對系統動態行為進行模擬，適當分析和研究其動態復雜系統。

1.2 淳化縣水資源承載力SD模型系統流圖及主要反饋關系

根據系統內部各因素間的關系設計系統流圖。系統流圖是系統動力學基本變量和符號的有機組合，主要反映系統各因果關系中未反映出的不同變量的性質和特點，使系統內部作用機制更加清晰，以實現政策仿真的目的[8]。淳化縣水資源承載力系統是一個包括人口、經濟、環境、生態和資源在內的相互影響的復雜大系統復雜系統，采用SD專用建模軟件Vensim建立淳化縣水資源承載力SD模型流圖，如圖1所示。再根據系統分解協調理論(即整體與局部關系原理)，并考慮現有的資料情況，將淳化縣水資源承載力大系統劃分為社會、經濟、生態和水資源4個子系統，各子系統之間的相互聯系及每個子系統內部的結構流圖見圖1。

(1)社會子系統。社會是一個以人為主體的大系統，因此社會子系統主要考慮人口因素。包括農村人口和城鎮人口,反饋關系(“+”正反饋,“-”為負反饋)為：總人口→+城鎮人口→+城鎮生活需水量→+生活需水總量→+總需水量→+供需差額→+缺水程度→-人口增長速度→-總人口；總人口→+農村人口→+農村生活需水量→+生活需水總量→+總需水量→+供需差額→+缺水程度→-人口增長速度→-總人口。

圖1 淳化縣水資源承載力SD模型流圖

(2)經濟子系統。經濟子系統包括工業子系統和農業子系統，工業子系統把工業產值作為狀態變量，農業子系統包括農田灌溉和牲畜子系統，分別把農田灌溉面積、大小牲畜數量作為狀態變量，反饋關系為：工業產值增長速度→+工業產值→+工業需水量→+總需水量→+供需差額→+缺水程度→-工業產值增長速度；工業產值→+工業需水量→+工業用水量→+工業廢水排放量→+污水總量→+污水回用量→+可利用水資源量→-缺水程度→+工業產值增長速度→+工業產值；農田灌溉面積增長速度→+農田灌溉面積→+農業需水量→+總需水量→+供需差額→+缺水程度→-農田灌溉面積增長速度。

(3)生態子系統。生態子系統一方面是各個子系統排污的承載體，另一方面生態自身功能也需要消耗一定的水量。生態用水是指為維持生態與環境功能和進行生態與環境建設需要的水量，可分為河道外生態用水量及河道內生態用水量。

(4)水資源子系統。水資源子系統包括地表水資源系統和地下水資源系統兩部分。缺水程度會直接影響到工業產值增長速度、人口增長速度、農田灌溉面積的增長速度。反饋關系有：缺水程度→-工業產值增長速度→-工業產值→-工業需水量→-工業用水量→-工業廢水排放量→-污水總量→-污水回用量→-可利用水資源量→+缺水程度；供需差額→-缺水程度→+農田灌溉面積增長速度→+農田灌溉面積→+農業需水量→+總需水量→+供需差額。

1.3 模型方程與檢驗

流圖只說明系統中各變量間的邏輯關系與系統構造，不能顯示其定量關系，因此建立系統動力學方程，把系統模型結構“翻譯”成數學語言[9]。

本模型采用了6個狀態變量、6個速率變量、26個輔助變量、12個表函數，通過對反饋關系圖和各個子系統進行各變量之間邏輯關系與結構分析，構建了6個狀態方程，以及大量的速率方程和輔助方程，用了12個表函數，其主要方程包括:狀態方程、速率方程和輔助方程，模型中主要變量的初始值采用淳化縣2014年統計數值(見表1)。

表1 淳化縣水資源承載力SD模型主要變量初始值

系統動力學模型使用前需進行模型有效性檢驗，以驗證構造模型與現實系統的吻合度，檢驗模型獲得的信息與行為是否反映了實際系統的特征和變化規律，以及通過模型的分析研究能否正確認識與理解所要解決的問題[10]。

系統動力學模型有效性檢驗可以分為運行檢驗、直觀檢驗、靈敏度分析、歷史檢驗4種方法。本文采用了歷史性檢驗，將歷史參數輸入模型，將得到的仿真結果與歷史數據進行比較，驗證其吻合程度。僅對總人口進行歷史驗證，檢驗時間為2010-2014年，結果見表2，可以看出，主要變量模擬值與實際值基本吻合，模擬值誤差低于5%，因此認為模型模擬結果與實際數據擬合較好，模型有效性較好。

表2 人口真實性檢驗

2 仿真方案設計

本文模型選定2014年為基準年，模擬時間步長為1 a，設置初始時間為2014年，結束時間為2030年。結合淳化縣水資源系統的詳細情況，本文選取地表可供水量和地下可供水量、規模以上工業產值增長速度、規模以上增加值需水量、規模以下工業產值增長速度、規模以下增加值需水量、建筑業選擇建筑面積增長速度、單位建筑面積需水量、第三產業產值增長速度、第三產業萬元增加值需水量、菜田面積增長速度、菜田凈灌定額、水澆地面積增長速度、水澆地灌溉定額、林果面積增長速度、林果灌溉定額、大牲畜數量增長速度和小牲畜增長速度、人口自然增長率、人均生態環境用水定額作為決策變量，通過改變決策變量的值模擬淳化縣水資源承載力的動態變化。

研究淳化縣水資源承載力的主要目的是為了協調環境、資源和經濟三者之間的動態關系，以最大程度來滿足各個行業的用水需求量，降低水資源的浪費量，使得水資源可以更好地為社會、經濟以及生態環境三者綜合有效協調發展服務。本文主要考慮人畜飲水的安全、產業結構、水資源的利用效益以及改進生態環境等。

(1)方案1：現狀發展型。此方案是維持現狀的發展情況，即淳化縣的規劃年2014-2030年內經濟、社會、生態、生活各個方面根據現狀的產業結構和發展情況發展，模型系統中的各個參數保持不變，使用實際值對未來的水資源以及社會經濟的發展情況進行模擬。

假定從現在到2030年產業結構依照2014年的三產比值42.7∶ 32.2∶ 25.1保持不變， 三產年增長率、污水處理率、工業的用水重復率按照現在的變化趨勢發展，人口增長率按照 0.45% 的速度增長。由于社會經濟不斷地發展，人們的生活水平也隨之提高，人均需水量也不斷提高，農村居民生活用水量從60 L/(人·d)提高到70 L/(人·d)，城鎮居民生活用水量從90 L/(人·d)提高到100 L/(人·d)，其他決策變量值根據相關資料來確定。

(2)方案2：經濟發展型。根據淳化縣十三五國民經濟發展規劃的主要目標，到2020年，農業增速不減，但農業增加值比重逐年下降；新型工業增加值所占比重達到40%以上 ，到2030年淳化縣主要強調經濟發展。該方案是大量的開發并利用水資源，僅僅是追求經濟的快速發展，其設計思路為在方案1的基礎上，增大工業、農業和建筑業的發展速度，隨著經濟發展，污水處理率和污水回用率也相應增大，其余變量取值與現狀發展型一致。

該方案是大量的開發并利用水資源，僅僅是追求經濟的快速發展，其設計思路為在方案1的基礎上，增大工業、農業和建筑業的發展速度，隨著經濟發展，污水處理率和污水回用率也相應增大，其余變量取值與現狀發展型一致，對該方案進行模擬，運行出結果，進行結果分析。

涇河流域區沒有工業，該方案中快速發展的主要是建筑業、第三產業和農業。到2030年，在方案1的基礎上分別將建筑業面積增長速度、第三產業產值增長的速度提高到0.03和0.11，菜田面積增長速度、林果面積增長速度提高到0.3和0.1，大牲畜數量增長速度和小牲畜數量增長速度提高到0.02和0.03。石川河流域區參數變化趨勢和涇河流域區一樣，除此之外把規模以上工業產值增長速度和規模以下工業產值增長速度增大到0.18和0.16，同時石川河流域區有工業發展，科技水平提高，污水處理和回用設備也逐漸更新先進，增大污水處理率和污水回用率0.4和0.3。其余參數保持現狀發展型不變。

(3)方案3：資源環境保護型。根據淳化縣十三五國民經濟發展規劃的主要目標， 到“十三五”末，單位GDP能耗5 a累計下降17.5%，城鎮污水集中處理率達到100%，城鎮生活垃圾無害化處理率達到100%。節能減排指標高標準完成，生態環境質量保持良好，全國生態示范縣創建成功，生態品牌享譽國內外。

本方案主要是把環境保護作為主要目的，進而加大污染治理和節水的力度，把適當開發水資源作為前提進一步穩步發展其經濟。設計思路為在現狀發展型方案的基礎上降低經濟發展速度，提高污水處理率和污水回用率，加大治污力度。優化生態環境建設，增大生態需水。

該方案將單位建筑面積需水量每年減少10%，第三產業增加值需水量每年減少0.000 1 萬m3/萬元，菜田灌溉需水定額每年減少75 m3/hm2，水澆地灌溉需水定額每年減少15 m3/hm2，魚塘需水定額不變，林果灌溉需水定額每年減少15 m3/hm2。污水處理率和污水回用率最高分別增加到0.9和0.5。人均生態環境用水定額每年增加1 m3/人，人均綠地面積每年增加1 m2/人。城鎮污水排放率和工業污水排放率分別降低到0.3和0.3。這些參數輸入模型中，得到運行結果，再進行結果分析。

(4)方案4： 綜合發展型。該方案綜合考慮前三種方案的發展特征，設計思路是：在水資源合理利用和生態環境協調發展的前提下，使淳化縣的生產、生活和生態各個方面均有發展。

將工業、建筑業、農業和第三產業發展速度增大，介于現狀發展型和經濟發展型之間，如將建筑面積增長速度、牲畜數量增長速度和第三產業產值增長速度每年增加1%，菜田灌溉面積每年增加5%，林果灌溉面積每年增加0.1%。提高灌溉水利用系數，最高達到0.85。人均綠地面積每年增大0.5m2/人。發展治污和節水，將污水處理率和污水回用率每年分別增加0.3和0.1，降低工業和城鎮生活污水排放率。提高人民生活水平，加快城市建設，增大城鎮化率和人均用水量，工業、建筑業、農業和第三產業需水定額不變。

3 淳化縣水資源承載力模型仿真結果分析

按照方案1～4，進行參數調整，運行淳化縣水資源承載力SD模型，仿真結果見圖2和圖3。

圖2 4種方案下的水資源供需發展趨勢

圖3 4種方案下水資源供需差額趨勢

由圖2(a)可得，在規劃年內淳化縣的總需水量和總供水量都隨著時間呈遞增趨勢，到2030年，工業需水為2 401.11 萬m3，是2014年工業需水量的5倍，由于淳化縣現階段以農業為主，在主要的行業需水中，農業需水量占主要的地位，水的利用效率和效益較低，造成了水資源的大量浪費。到2030年，總需水量大于總供水量，出現了缺水狀態，供需差額是12.89 m3，隨著社會經濟的發展，各行業用水量回持續上升，供需差額會進一步擴大。在這種趨勢條件下，水資源的供水量則不能夠達到社會經濟的要求。

由圖2(b)可以看出，到2023年，總需水量大于總供水量，出現了缺水狀態，供需差額是97.93 m3，由于經濟的快速發展，到2030年供需差額進一步加大到6 047.76 m3，這必然反作用于經濟的發展，由于水資源承載能力有限，工農業處于缺水狀態，在一定程度上會影響經濟的可持續發展。

由圖2(c)可得，供水量和需水量基本持平，供水量始終大于需水量，沒有缺水現象，說明了研究區水資源供需平衡得到了較好的緩解。但是與經濟發展方案相比較，工業產值減少了110億元，工業用水減少了2 197.29 萬m3，說明經濟發展比較緩慢，不滿足社會綜合協調發展的要求。

由圖2(d)和圖3可得，綜合發展方案的供需差額始終為正值，沒有缺水的狀況，供需差額得到了緩解，變化幅度小于趨勢發展型和經濟發展型方案的幅度，使得工業、農業、人民生活用水以及生態環境用水得到保障。工業產值增長較快，2030年達到65.4億元，高于趨勢發展型和環境保護型方案的工業產值。污水處理率和污水回用率較高，實現了水資源、生態環境與經濟三者的協調發展。

4 結 論

本文所建立的水資源承載力系統動力學模型可以清楚地給出人口、社會、經濟、環境相互之間的關系，通過制定不同的方案,改變模型參數，模擬了淳化縣水資源承載力2014-2030年的動態變化。通過4種方案的對比分析，明確地得出，趨勢發展型、經濟發展型、資源環境保護型3種方案中，僅僅追求經濟和人口的發展而不考慮水資源的承載能力，或者減緩經濟的發展來保護環境，都不可取。

綜合發展型方案則是基于現狀發展型，又結合了經濟發展型、資源環境保護型這兩種方案的特征。主要是采用治污和節水措施，充分合理地利用水資源，以此有效地緩解了研究區的水資源不足的情況。該方案即改善了淳化縣的生態環境，同時也促進了淳化縣經濟水平的提升，所以本文選擇綜合發展型方案作為淳化縣社會經濟發展的推薦方案。

根據仿真結果可以得出，淳化縣目前可以通過經濟手段和行政干預手段的措施大力發展工業帶動經濟、提高水資源利用率、發展節水農業和節水工業；建立大型的污水處理廠，努力提高污水處理的能力和污水回用的能力，把處理后的污水用于農業灌溉，努力提高工業、建筑業、農業和第三產業發展速度增大，降低人均用水量、提高農業用水重復利用 率、污水處理率、污水回用率等。只有在采取一系列節水和環境保護措施的基礎下，切實走新型工業化道路，才有可能實現淳化縣經濟、社會和環境的可持續發展。

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