基于系統(tǒng)動力學(xué)的漢江中下游水資源供需狀態(tài)預(yù)測方法

陳燕飛 ，鄒志科，王 娜，張烈濤

(1.長江大學(xué)地球環(huán)境與水資源學(xué)院油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室，武漢 430100；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098； 3.襄陽水文水資源勘測局，湖北 襄陽 441000；4.湖北省咸寧市水文局，湖北 咸寧 437100)

南水北調(diào)工程是緩解中國部分地區(qū)水資源短缺的特大型跨流域引水工程。中線工程從長江支流漢江上的丹江口水庫引水，沿伏牛山和太行山山前平原開渠輸水，終點北京。它對緩解京津及華北地區(qū)水資源短缺，改善受水區(qū)生態(tài)環(huán)境，促進華北地區(qū)經(jīng)濟和社會的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有巨大作用。但是，南水北調(diào)中線工程實施后，改變了漢江中下游的水資源分配，使?jié)h江中下游水環(huán)境產(chǎn)生重大影響[1-3]。改變了流域間水資源的自然地理分布，導(dǎo)致江漢丹江口水庫下泄量減少，漢江中下游干流流量減少，水位降低，流速變緩[4]，也有學(xué)者[5]研究了南水北調(diào)對漢江中下游生態(tài)環(huán)境的綜合影響。隨著經(jīng)濟發(fā)展，該地區(qū)工業(yè)用水、生活用水以及生態(tài)環(huán)境用水日益增大,排入漢江的污染也在增加，在南水北調(diào)中線工程實施的條件下，如何提高中下游的水資源循環(huán)利用率，及減少工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、生活用水的同時，工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值能夠穩(wěn)定增長，是該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的迫切需要。

系統(tǒng)動力學(xué)能處理高階次、非線性、多重反饋復(fù)雜時變系統(tǒng)的問題；對參數(shù)要求不高，著重研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為，不需要特別精確的數(shù)字；可對系統(tǒng)的動態(tài)發(fā)展及趨勢進行考察，可作長期的動態(tài)預(yù)測[6]；國內(nèi)最早研究有陳成鮮等[7]對我國水資源可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)動力學(xué)的研究，王武科等[8]基于系統(tǒng)動力學(xué)模型對渭河流域關(guān)中地區(qū)水資源調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化。本文通過運用系統(tǒng)動力學(xué)法對漢江中下游城市供水區(qū)進行建模、模擬，構(gòu)建不同方案運行不同結(jié)果進行比較，得出有效的方案緩南水北調(diào)中線工程對解中下游水資源的供需關(guān)系造成的影響。

1 資 料

漢江中下游主要流經(jīng)的城市有襄樊，天門、潛江、孝感、仙桃及武漢等6個城市。本文數(shù)據(jù)主要來源于《湖北省統(tǒng)計局》及2006-2012 年的《湖北省水資源公報》，統(tǒng)計各城市的地表供水量、地下供水量、工業(yè)耗水量、農(nóng)業(yè)耗水量、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值及工業(yè)總產(chǎn)值。對2010、2020年水資源供需情況預(yù)測。漢江中下游各城市分布圖見圖1。

圖1 漢江中下游主要城市分布圖

2 漢江中下游水資源系統(tǒng)動力學(xué)模型構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

首先確定系統(tǒng)的邊界。本研究將系統(tǒng)的邊界確定為整個漢江中下游干流流經(jīng)的整個流域。南水北調(diào)中線工程調(diào)水后，漢江中下游干流供水區(qū)水資源的利用方式更加關(guān)系到整個區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)本文研究的需要，確定水資源總量、各產(chǎn)業(yè)水資源需求量、水資源的利用率、利用方式；各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、萬元產(chǎn)值耗水量、人口總量、污水排放量等對整個系統(tǒng)有較大影響，故全部劃在邊界之內(nèi)。

水資源系統(tǒng)動力學(xué)模型是以水資源為核心，由農(nóng)業(yè)子模塊、工業(yè)子模塊、人口子模塊、污水子模塊共同組成，各模塊因素之間互為因果關(guān)系。污水子模塊主要研究供水量的變化所導(dǎo)致的污水排放量的變化，以及由于污水排放量的變化引起人口數(shù)量的變化等。人口子模塊屬于發(fā)展子系統(tǒng)，通過人口數(shù)量的增加和人口素質(zhì)的提高影響著生活需水量以及水技術(shù)進步、工農(nóng)業(yè)耗水量；工農(nóng)業(yè)的發(fā)展增加了對水資源的需求量，從而加劇了水資源的短缺程度，水資源的短缺又會促進工農(nóng)業(yè)節(jié)水，提高水的重復(fù)利用率，促進水資源的開發(fā)利用，從而又為經(jīng)濟的發(fā)展提供了源泉和動力。構(gòu)建的系統(tǒng)因果關(guān)系圖如圖2所示。采用系統(tǒng)動力學(xué)進行模擬仿真，需要確定狀態(tài)變量、目標(biāo)變量、控制變量及輔助變量等，根據(jù)對漢江中下游干流水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析，確定了變量集，見表1。系統(tǒng)所涉及的變量名稱、單位及其SD方程式見表1。將狀態(tài)變量和表函數(shù)作為決策變量，在模型中輸入已經(jīng)確定的參數(shù)進行模擬。

圖2 水資源系統(tǒng)總體因果關(guān)系圖

變量名變量類型方程式可供水資源量/億m3A 可供水資源量=地下水供水量+地表供水量+0．8×中水回用量水資源短缺量/億m3A 水資源短缺量=水資源需求量-可供水資源量水資源需求量/億m3A 水資源需求量=工業(yè)需水量+農(nóng)業(yè)需水量+生活需水量地下水供水量/億m3T 地下水供水量=Table(time)地表水供水量/億m3T 地表水供水量=Table(time)工業(yè)總產(chǎn)值/億元L 工業(yè)總產(chǎn)值=INTER(工業(yè)產(chǎn)值增長速度，初始工業(yè)總產(chǎn)值)工業(yè)產(chǎn)值增長速度/億元R工業(yè)產(chǎn)值增長速度=工業(yè)總產(chǎn)值×工業(yè)產(chǎn)值增長率×(1-3×水資源短缺量/可供水資源量×0．01)

續(xù)表1 變量名稱及SD方程

注：L為狀態(tài)變量；R為速率變量；A為輔助變量；T為表函數(shù)。

2.2 系統(tǒng)流圖

在圖2系統(tǒng)總體因果關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立水資源可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)動力學(xué)流圖，如圖3所示。

圖3 漢江中下游水資源系統(tǒng)動力學(xué)流程圖

3 模型檢驗

3.1 參數(shù)確定

利用歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)求取漢江流域各城市的算術(shù)平均值。這些數(shù)據(jù)包含平均人口出生率(0.8%)、平均人口死亡率(0.56%)、平均工業(yè)用水利用率(0.7～0.85)、工業(yè)和生活污水排放系數(shù)(0.7～0.8)等。

3.2 模型的檢驗

為保證模型的正確性和精確度，必須進行模型檢驗。運用Vensim PIE軟件進行模擬。模型檢驗有4種方法：直觀檢驗、運行檢驗、歷史檢驗、靈敏度。由于數(shù)據(jù)獲取難度較大，僅選取武漢市、仙桃市工業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值指標(biāo)為代表進行歷史驗證。以2006年的數(shù)據(jù)為起始，模擬輸出2006-2012 年的數(shù)據(jù)，輸出結(jié)果與歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)相比，如果二者擬合程度較好，則驗證了模型的有效性和精確性。仙桃的模型檢驗效果見表2，武漢的模型檢驗效果見表3。

由表2和表3可知，模型檢驗最大誤差不超過 2.0%， 可以認為模型模擬系統(tǒng)與實際系統(tǒng)具有較好的一致性。設(shè)定時間邊界為2006-2020年，時間步長為1 a，進行近期( 2010年) 從丹江口水庫調(diào)水95億m3條件下的系統(tǒng)模擬。運用此系統(tǒng)對未來2006-2020年水資源需求量、水資源可供量預(yù)測，結(jié)果見圖4。

表2 2006-2012年仙桃工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值模擬檢驗結(jié)果

表3 2006-2012年武漢工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值模擬檢驗結(jié)果

圖4 仙桃市和武漢市水資源供求圖

由圖4可知， 2006-2020年，漢江中下游流域水資源供不應(yīng)求的趨勢不斷上升，其中武漢市水資源需求量增長幅度大于仙桃市，武漢市的水資源供需缺口也比仙桃市大。究其原因，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程的加快，近年來，武漢市的經(jīng)濟快速發(fā)展，武漢市的人口膨脹較大。同時南水北調(diào)中線工程的通水，又使得漢江中下游流域的可供水資源量減少，加劇了水資源的供需不平衡。因此，必須采取相應(yīng)措施，使水資源、社會經(jīng)濟可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

4 方案設(shè)計與模擬結(jié)果分析

4.1 方案設(shè)計

方案1：現(xiàn)狀延續(xù)。保持現(xiàn)在狀況和發(fā)展趨勢不變，不采取任何措施。

方案2：節(jié)水減排及污水再回生利用。提高人們的節(jié)水意識，降低生活用水定額，減少生活污水排放量，即降低生活污水排放系數(shù)，同時增大污水處理率和中水回用率。

方案3：企業(yè)工藝改造。制定優(yōu)惠政策，引導(dǎo)企業(yè)改進設(shè)備，提高水資源的利用效率并減少工業(yè)廢水排放系數(shù)，降低工業(yè)萬元產(chǎn)值耗水量(降低5%)。

方案4：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化。主要是將農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式逐步現(xiàn)代化，減少農(nóng)業(yè)萬元生產(chǎn)耗水量(降低5%)。

方案5：綜合方案。將方案1、2、3、4這4個方案結(jié)合起來，綜合治理。

4.2 結(jié)果分析

通過改變方案中的決策變量值(常數(shù)變量和表函數(shù))，進行模擬，以水資源短缺量在不同方案下的模擬結(jié)果為例對各個方案對比分析。具體結(jié)果見圖5。

圖5 不同方案下仙桃市和武漢市水資源短缺量變化趨勢

從圖5中曲線變化趨勢可以看出，首先，空間比較，各種方案下，仙桃市的水資源短缺量較武漢市波動較大。仙桃市在2006-2009年期間水資源短缺量呈降低的趨勢，2009年達到最低，之后快速增長，到2015年達到最大，之后緩慢下降，2017年開始緩慢增加。這主要與仙桃市人口增長速度有關(guān)。武漢市人口，經(jīng)濟發(fā)展比較平穩(wěn)，故水資源短缺量也呈緩慢增長趨勢。其次，方案比較，與方案1相比，其他4種方案都能有效減緩武漢市和仙桃市水資源短缺量，而方案5水資源短缺量最小，方案2、方案3和方案4次之。方案5不僅更能緩解水資源短缺量，并且同時更能促進工農(nóng)業(yè)增長。方案3和方案4比較，對于以工業(yè)區(qū)為主的城市，工業(yè)工藝改造后降低的萬元耗水量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化后降低萬元耗水量的百分比相同的情況下，減少工業(yè)用水比減少農(nóng)業(yè)用水更能減緩武漢市和仙桃市水資源短缺量。方案2和方案3、4比較發(fā)現(xiàn)，日常生活用水所占比重很大，可以減緩武漢市和仙桃市水資源短缺量。因此，對于漢江中下游以工業(yè)區(qū)為主的城市采取相應(yīng)措施減少生活用水和工業(yè)用水額度是緩解水資源短缺的關(guān)鍵。

5 結(jié) 語

(1)采用系統(tǒng)動力學(xué)法，建立了漢江中下游水資源短缺系統(tǒng)，運用Vensim PIE建模、仿真。研究發(fā)現(xiàn)，2006-2020年，漢江中下游流域水資源供不應(yīng)求的趨勢不斷上升，其中武漢市水資源需求量增長幅度大于仙桃市，武漢市的水資源供需缺口也比仙桃市大。特別是在2014年南水北調(diào)通水之后，水資源短缺速率不斷增高，水資源短缺越來越嚴(yán)重。

(2)空間比較，各種方案下，仙桃市的水資源短缺量較武漢市波動較大。方案比較，與方案1相比，其他4種方案都能有效減緩武漢市和仙桃市水資源短缺量，而方案5水資源短缺量最小，方案2、方案3和方案4次之。對于漢江中下游以工業(yè)區(qū)為主的城市采取相應(yīng)措施減少生活用水和工業(yè)用水額度是緩解水資源短缺的關(guān)鍵。

(3)建議積極鼓勵和引導(dǎo)企業(yè)通改造落后的制造工藝，降低萬元工業(yè)產(chǎn)值年耗水量；引進國內(nèi)外先進的節(jié)水灌溉技術(shù)，降低萬元農(nóng)業(yè)產(chǎn)值年耗水量，確定城鎮(zhèn)居民生活合理用水量，推廣節(jié)水型生活用水器具。

(4)建議把漢江中下游流域納入漢江生態(tài)保護體系中，積極爭取國家的財政投入，加大對流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境治理，切實保護漢江中下游各城市的水資源安全。

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[1] 劉丙軍，邵東國,許明祥，等. 南水北調(diào)中線與漢江中下游地區(qū)的水資源利用關(guān)系研究[J].南水北調(diào)與水利科技,2003,1(6):6-9.

[2] 胡志芳，張利平.南水北調(diào)對江漢中下游水環(huán)境影響分析[J].水利與建筑工程學(xué)報,2008,6(3):16-18.

[3] 陳姍姍,劉俊新,王國義，等.南水北調(diào)對江漢中下游水環(huán)境的影響與可持續(xù)發(fā)展研究[J]. 西北大學(xué)學(xué)報,2011,(6) :78-80.

[4] 肖 嬋, 謝 平, 唐 濤,等.南水北調(diào)中線工程對漢江中下游的水文情勢影響分析[J].水文，2009,29(1):26-29.

[5] 高永年，高俊峰.南水北調(diào)中線工程對漢江中下游流域生態(tài)環(huán)境影響的綜合評價[J].地理科學(xué)進展，2010,1(29):59-64.

[6] 蔡 林.系統(tǒng)動力學(xué)在可持續(xù)發(fā)展研究中的應(yīng)用[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2008.

[7] 陳成鮮，嚴(yán)廣樂.我國水資源可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)動力學(xué)模型研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報,2000,22(2):154-159.

[8] 王武科，李同升，徐冬平，等.基于SD模型的渭河流域關(guān)中地區(qū)水資源調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化[J].資源科學(xué)，2008,30(7):984-989．