關中平原人地關系地域系統SD模型及仿真

摘 要:以渭河流域關中平原為例，在深入分析系統內外因素及其反饋關系的基礎上，運用系統動力學(SD)構建關中平原人地關系地域系統模型，以模型為基礎，建立了關中平原發展的三種可能情景，即理想條件下、資源約束下、資源環境約束下。采用Vensim PLE軟件進行系統仿真模擬，獲取三種情景下系統的仿真結果。對模擬結果分析顯示:水資源和環境污染對未來關中平原發展具有重大而深遠的影響，盲目的追求經濟發展將使資源和污染更為惡化，必須將水安全和生態環境的保護作為建設中的重點。仿真的結果對關中地區未來發展戰略制定提供了理論和現實依據。

關鍵詞:人地關系地域系統;仿真模擬;情景分析;關中平原

中圖分類號:X24 文獻標識碼:A 文章編號:1009-9107(2010)01-0047-06

人地關系地域系統是地球表層上人類活動與地理環境相互作用形成的開放的復雜巨系統。[1，2]人地關系地域系統(以下簡稱人地系統)的演替過程具有不可逆性、復雜性和不確定性，僅僅依靠抽象的理論思維還不足以把握其內部機理。為此，需要用實驗的方法研究人地系統演替的動力學機制。人地系統發展過程模擬作為一項實驗性綜合技術，以系統論、控制論、相似性原理和信息技術為基礎，以計算機為工具，借助于系統模型對區域自然-經濟-社會復合系統進行動態試驗，具有經濟性、超實時性、可重復性、便捷性等特點，國際上一致認為是最有效的綜合集成方法之一，因而可作為研究人地系統發展過程的重要手段。[3]

一、研究背景與方法

(一)理論研究進展

國際上，早期對人地系統的研究始于柏拉圖和亞里士多德。柏拉圖在《國家論》中將以公民數目盡量保持不變作為理想國的設想[4];亞里士多德在《政治論》、《倫理論》中認為，最完善最美麗的國家，就是能夠維持人的數目使之不超過一定限度的國家[5]，這些早期的觀點反映出人口數量和國土面積在人地系統發展中的作用。以英國經濟學家T.R.馬爾薩斯為代表的人口理論[6]和以德國地理學家拉采爾(F.Ratzel)為代表的“環境決定論”說片面夸大人地系統中的某一要素[7]，忽視其他要素的反饋作用。英國齊舒姆(Chisholm，M.)于1970年對英國人口、資源、自然條件等人地系統中主要因素進行了綜合研究。1972年，麥多斯(Meadows，D.H.)等在《增長的極限》中提出，要使人地系統避免崩潰，人口出生率必須與死亡率相等的觀點。[8]自20世紀80年代，可持續發展提出以來，可持續發展日益成為國際人地系統思想的應用，國際社會不同學科開始對不同尺度、類型人地系統演變、結構解析、要素反饋和定量模擬進行深入的研究。

在國內，吳傳均[1]、陸大道[3]、毛漢英[9]，蔡運龍[10]等對人地關系地域系統理論進行了研究和論述;基于人地系統理論，毛漢英、張志強、王黎明、史培軍、申玉銘、秦耀辰、方創琳等對區域人地系統、PRED系統及其協調模式進行了一系列理論和實證探索。[11]綜觀國內相關文獻還存在一些問題需要進一步研究:人地系統相互作用的關系尚未搞清楚，對人地系統發展的模擬研究尚不多見[3];國內對人地系統研究的定性描述的概念化模式較多，定量研究較少;研究尺度上，重宏觀而輕中、微觀，人地系統地域差異性的特征決定了宏觀尺度結論未必適用于中、微觀地域。

.(二)系統動力學方法(SD)

系統動力學(system dynamic，SD)是美國麻省理工學院Jay W.Forrester于1956年創立的。[12]借助SD模型既可以進行時間上的動態分析，又可以進行部門間的協調，它能對系統內部、系統內外因素的互相關系予以明確的認識，對系統內所隱含的反饋回路予以清晰的體現。SD模型通過設定系統各種控制因素，以觀測輸入的控制因素變化時系統的行為和發展，從而能對系統進行動態仿真實驗。[13，14]系統動力學模型方法是被認為模擬人地系

圖1 系統動力學建模思想

統等復雜巨系統的最主要模型。它是一種以反饋控制理論為基礎，借助于數字電子計算機仿真技術，來研究自然-社會經濟系統等復雜系統的定量方法。它與其它模型方法的不同之處是非常適合于長期的、動態的和宏觀的定量分析和模擬研究。[3]運用系統動力學建模與調控主要有5個基本步驟:系統辨識、結構分析、模型建立、模擬分析、模型評估(見圖1)。

(三)實證案例概況

關中平原是陜西省經濟發展的核心地帶，這里人口和城市密集，各類開發區和工業園區高度集中，經濟發展水平較高。它既是西部大開發的橋頭堡，也是實現陜西省經濟跨越式發展的主要依托區域。[15]該地區GDP總量占陜西省70%以上，年均增長率高出全省2%左右;該地區以占全省27%的土地集中了陜西省60%的城鎮人口，城市化水平達40%以上，是城市資本高度集中地區;隨著國家級關中高新技術產業帶、關中星火產業帶和關中城鎮群的建設，該地區社會經濟增長呈現出強勁的發展勢頭。[16]但是，在區域社會經濟快速發展的同時，資源短缺、生態環境惡化等問題已經嚴重制約著區域的可持續發展。因此，如何解決關中平原人地關系中資源、環境與社會經濟的時空協同問題成為流域可持續發展的關鍵。論文以關中平原為例，深入研究區域人地關系地域系統的耦合結構，從而建立仿真的不同情景，為優化系統發展提供切實可行的意見和建議。

本研究以系統動力學為依據，利用SD方法對關中平原人地關系進行系統建模，設定系統發展可能面臨的情景，通過改變輸入變量，模擬不同情景下的人地系統的動態行為，為有效解決關中平原資源環境與社會經濟時空協同問題提供依據。

二、基于SD模型的關中平原人地系統模型構建

(一)構模的基本思路

人地系統涉及眾多要素和因子，為此選擇對系統有重要影響的指標，通過確定指標間定量關系，可以模擬不同情景下地區人地系統未來發展的狀態。根據代表性和簡練性原則，挑選出對關中平原人地系統有重要影響的指標，包括城市人口、農業人口、總人口、耕地面積、農業需水、工業需水、生態需水、生活需水、總需水、循環用水、河道取水、自產水量、流域外調水、總供水、農業產值、工業產值、第三產業產值、環保投資、水利投資、缺水率、發展壓力等指標。水資源短缺和環境污染是關中地區人地系統發展的核心矛盾。論文借鑒韋伯區位論建立的方法，在模擬理想條件下系統行為基礎上，逐步考慮資源約束(水資源短缺)和環境污染對理想模式的影響，逐步修訂模型。通過模擬理想條件下、資源約束下、資源環境約束下三種情景系統的動態行為，預測和分析未來地區發展的可能狀態。

(二)系統的反饋結構

系統的行為是由系統的結構決定的，特別是系統的反饋結構對系統的發展變化具有重要的影響。[17]依據關中地區人地系統中資源、環境、人口和經濟等子系統間、子系統內部各因子之間相互制約的關系及其動態變化特征，構建人地系統相互作用的基本反饋結構(見圖2)。

圖2 關中平原人地系統反饋結構

(三)系統的模型構建

根據系統的指標間關系和反饋結構，確定系統的因果關系圖和流圖，借助于專門的系統動力學軟件Vensim PLE進行編程，建立系統動力學方程。構建出的模型由10個水平狀態變量、20個速率變量和100多個輔助變量及常量組成。系統時間邊界為2005-2025年，共20年，以2005年作為仿真模擬的基準年，步長為1年。模型原始參數主要通過如下方法求得:(1)趨勢外推法確定參數，主要參數有耕地增加率、耕地減少率、農業、工業、第三產業增長率、循環用水量等。(2)算術平均值法確定參數，主要有城鎮人口增長率、農村人口增長率、糧食單產等。(3)用回歸分析確定參數，采用一元回歸確定固定資產總投資系數，采用多元回歸確定水利投資系數、環保投資系數等。(4)運用灰色系統預測模型修正參數，校正農業產值、工業產值、糧食總產量、旅游業產值、其它產業產值、總用水量、總投資、國內生產總值等預測值，進而反推系統參數。部分變量值參考有關規劃和研究成果確定，模型中用到的數據主要來源于歷年陜西省統計年鑒(1997-2006年)。

主要反饋回路及變量間關系:

1.總人口→-人均糧食產量→+非農人口→+總人口

2.非農人口→+非農人口生活需水→+生活需水總量→+缺水率→+發展壓力→+城鎮化→+非農人口

3.國內生產總值→+固定資產投資→+水利投資→+總供水→+缺水率→+發展壓力→-農業、工業和第三產業產值→+國內生產總值

4.國內生產總值→+固定資產投資→+環保投資→-發展壓力→-農業、工業和第三產業產值→+國內生產總值

5.固定資產投資→+環保和水利投資→-發展壓力→-農業、工業和第三產業產值→+國內生產總值→+固定資產投資

6.工業產值→+三廢排放量→+發展壓力→-工業產值

7.缺水率→+水利投資→+總供水→-缺水率

8.耕地面積→+水澆地面積→+農業需水→+總需水→+缺水率→+發展壓力→-農業產值→+耕地面積

(四)模型檢驗

模型運行前，必須對其進行檢驗。首先利用Vensim PLE軟件提供的真實性檢驗方法對所建立的人地系統模型進行檢驗，檢驗結果完全滿足要求。最后，根據歷史回顧性檢驗(1997-2005年)，主要指標的誤差均控制在-6%-+6%之間(圖3)，表明結構是合理的，能夠反映出關中地區人地關系地域系統的實際特征，因而可以用來預測未來的動態發展過程。

圖3 歷史回顧檢驗誤差(以總人口和GDP為例)

三、關中平原人地關系地域系統仿真預測分析

關中平原人地系統的發展取決于人口、資源、環境與經濟等子系統的協調程度。從現階段地區發展的實際來看，發展受到了水資源和環境的強力約束，如何協調資源環境與區域發展之間的矛盾，是關中地區更好更快發展的前提。本文以構建關中地區人地關系地域系統模型為依據，模擬理想狀態下、資源約束狀態下和資源環境共同約束下系統發展的情況，獲取仿真時間內各指標的模擬結果(圖4)。三種方案仿真的結果將對關中地區未來發展戰略制定提供一定的理論和現實依據。

(一)理想狀態下發展模式(A方案)

該方案將經濟發展放在首要位置，不考慮資源和環境對發展的反饋約束，因此到2015年可實現地區GDP翻一番的目標，到2025年，GDP將達到25 758億元(圖4)，而在2012年前后就已經進入小康社會(人均GDP>3 000美元)。但由于忽視了水資源的限制及環境污染對經濟發展的負面反饋作用，導致地區用水缺口不斷擴大，環境污染指數不斷增加，到2025年地方缺水量為168 501億立方米，缺水率達到56.8%，污染指數由基準年的1增長到2025年的30.97，成為三種方案缺水量最大、缺水率最高、污染程度最嚴重的方案。不難看出，長期以該方案參數發展，盲目追求經濟規模，必然會對資源使用和生態環境保護產生巨大壓力。從長遠來看，該方案必然是不可持續的。

(二)資源約束下發展模式(B方案)

在理想發展模型的基礎上，考慮資源對發展的影響，建立資源約束方案B。渭河流域關中地區是我國北方資源型缺水地區，人均357.5立方米，僅為陜西省人均水資源的25.5%和全國的13.2%[18]，水資源是影響地區發展的最重要約束因素。考慮到水資源對發展的制約，主要考慮缺水率對城鎮化、產業的影響方面，模擬了水資源約束下地區人地系統發展趨勢，結果顯示:關中平原的發展未來將受到水資源的強力約束，到2025年，GDP將達到20 112億元(圖4)，人均GDP為76 586元，比A方案模擬結果低，但高于C方案。資源的限制導致經濟(特別是工業)發展放緩，同時一定程度上緩解了資源獲取和生態環境的壓力。到2025年，關中地區缺水量在114 491億立方米，比A方案減少54 100億立方米。缺水率為50.6%，缺水率較A方案下降6個百分點，同時污染指數明顯降低。方案B是對理想發展狀態的第一次修正，使模型更符合地區現實狀況。

(三)資源環境約束下發展模式(C方案)

在方案B的基礎上，考慮環境污染的負面影響及可能對經濟社會發展的負反饋過程，本文設計污染指數，通過污染指數對經濟的影響，特別是對第三產業的影響來作用于系統，模擬資源和環境雙重約束下關中平原未來的發展狀況。結果顯示:到2025年，GDP將達到14 163.1億元(圖4)，人均GDP為54 362元，是三種方案中經濟發展能力最弱的。資源限制導致經濟(特別是工業、旅游等)的發展變緩。但相對方案A和B，資源和生態壓力較小。到2025年，關中地區缺水量在79 632.9立方米，缺水率控制在50%以內，污染指數也最低。方案C是對理想發展狀態的第二次修正，模擬兩種不同約束條件下系統的總體行為。

四、結論與建議

論文對關中地區未來發展中最重要的約束條件——水資源和環境污染做的分析探討，從模擬的結果可以看出，水資源和環境污染對未來關中平原發展具有重大而深遠的影響。啟示:必須將用水安全和生態環境的保護作為建設中的重點，作為各項工作安排的首要考慮問題，將節約用水和生態治理作為地方政府的工作重點。從模擬結果來看，盲目的追求經濟發展將使資源和污染更為惡化。因此，各級政府在政策制定時，應該將經濟發展與資源合理利用、環境保護統籌規劃，綜合考慮各種約束條件可能對區域發展造成的影響，使決策更為科學合理。

論文構建的關中地區人地系統模型，反映了主要變量之間的關系，但相對來說還是比較簡單。這是由于數據獲取和某些要素很難量化處理，如建設用地、宏觀政策、科技進步等因素對系統的影響。如果不斷研究和探索增加更多關鍵因素，將使系統更為健全和符合現實，這也是未來需要進一步思考和研究的問題。另外，系統動力學模型對宏觀方向的判斷比較準確，但不宜用于精確預測。建議可以將動力學模型與其它預測模型相結合，如多元回歸、灰色系統模型等，共同印證，將使結果更具有說服力。

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A SD-based Study on Simulated Calculation of Man-earthAreal System in Guanzhong Plain

GUO Wei-feng1，3，WANG Wu-ke2

(1. Department of Urban and Resources Science，Northwest University，Xi’an， 710127;

2.Ningbo Urban Planning Designing Institute，Ningbo， Zhejiang 315000;

3.Qinxian Normal Branch of Changzhi College，Changzhi，Shanxi 046400，China)

Abstract:With Guanzhong area as an example，the factors affecting man-earth areal system are analyzed，and then man-earth areal system model was built using system dynamics (SD).Based on system structure and different scenario，three different programs of the man-earth areal system (ideal program，resources constrained program，and resources environment restrained program) are developed and simulated with Vensim PLE to study the operation of different programs.Through different simulation results，the related policies are obtained.The challenges of application of SD into man-earth areal system are analyzed，among which the two most distinguished are as following:one is the contradiction between evolution characteristics of system structure and invariant feature of SD model，and the other is that accuracy of mathematic relation among the variables will reduce with time process.The solutions to these problems need further research.

Key words: man-earth areal system;simulated calculation;scenario analysis;guanzhong Plain