基于系統動力學的江蘇水資源系統安全仿真與控制

杜夢嬌,田貴良,吳　茜,蔣　詠

(1.河海大學商學院,江蘇 南京　211100; 2.江蘇省水資源服務中心,江蘇 南京　211100)

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基于系統動力學的江蘇水資源系統安全仿真與控制

杜夢嬌1,田貴良1,吳茜1,蔣詠2

(1.河海大學商學院,江蘇 南京211100; 2.江蘇省水資源服務中心,江蘇 南京211100)

摘要：在對區域水資源系統分析的基礎上,構建了江蘇水資源安全系統動力學模型,并進行了模擬仿真。結果表明2018年后江蘇省將出現水資源供需安全問題。通過定量分析找出影響江蘇省水資源安全系統的4大動力因素,并設計6種不同的解決方案,通過方案對比分析得出水資源可持續利用的最優方案是綜合型方案。最后,對江蘇省水資源可持續發展提出了相應的政策建議。

關鍵詞：水資源系統安全;系統動力學;仿真模擬;江蘇省

水資源是人類社會賴以生存和發展的基礎性資源,是維持區域和國家安全的戰略性資源，同時也是區域生態環境系統持續良性循環的控制性要素,保障水資源安全是社會可持續發展的前提。目前,水安全問題已引起了世界的廣泛關注。2000年海牙世界級部長會議以及斯德哥爾摩世界水討論會的主題都是“21世紀水安全”,世界水討論會提出要用創新的思想解決21世紀水安全問題。第14屆世界水大會探討了全球變化的背景下應對全球水危機,進行水的供給、需求管理和保障水基本衛生的途徑和方法。

各國專家學者也積極開展了這方面的研究,產生了許多建設性成果。Grey等[1]認為水安全與經濟社會發展息息相關,并且尚未實現水安全的國家比已經實現水安全的國家面臨著更大的挑戰,必須加強水管理。Zeitoun等[2]提出了“水安全網”,并認為為了實現國家水安全必須綜合考慮社會和生物物理的進程,從長遠來看,國家水安全的實現必須要遵循公平分配的原則。程國棟等[3-5]認為水安全與糧食安全、國家安全緊密相關,國家應構建虛擬水貿易的實施政策,拓展保障地區水安全、糧食安全的非工程途徑。

系統動力學是一門研究系統內部信息反饋機制的科學,被廣泛應用于經濟社會的各個領域,解決了很多實際問題。趙筱青等[6]運用系統動力學模型對昆明市水資源承載力進行情景模擬,提出了優化昆明市水資源承載力的相關對策。曾霞等[7]建立了武漢市城市圈系統動力學模型,通過定量分析探索武漢城市圈水資源科學管理的最佳方案。但是,以上研究都僅從發現問題然后解決問題的角度出發,而很少從深層次討論問題產生的根源。本文從系統的觀點出發,結合江蘇省水資源特點構建了區域水資源系統安全模型,并找出了影響該系統安全的幾大動力因素,在此基礎上設計了6種不同方案,提出了保障水資源安全的相關建議,以確保地區水資源安全并實現資源高效利用。

1　區域概況與方法分析

1.1研究區域概況

江蘇省地處長江中下游,是東部沿海的發達省份。隨著經濟的發展,江蘇人口也在穩步增加。截至2013年,江蘇地區生產總值59 753.37億元,其中第二產業增加值高達29 086.06億元,常住人口總量7 939.49萬人,其中城鎮人口占總人口的64.1%,隨著新型城鎮化進程的加快,城鎮化率將逐年上升。江蘇水域面積大,水系發達。全省水源主要來源于沂沭泗、淮河下游、長江和太湖水系等3大流域系統。此外,沂河、沭河、淮河、蘇北灌溉總渠、江南運河等主要水道縱橫貫通,形成了四通八達的水網體系。

經濟的發展、人口的增加以及城鎮化進程的加快必然導致江蘇在未來一段時期內用水需求增大,水資源供需矛盾日益凸顯。當前,江蘇省水資源安全主要面臨的問題有:①人口增加以及城鎮化進程加快使得生活用水不斷增多,人均水資源量越來越少；②污染排放量大，但污水處理能力的不足,使得水環境質量每況愈下。

1.2方法分析

系統動力學是以反饋控制理論為基礎，以仿真技術為手段，研究復雜系統的方法[8]。系統中各子系統都是由最基本的單元和一階反饋回路構成。反饋回路中包括積累變量、速率變量、輔助變量和常量。積累變量是最終決定系統行為的變量，隨著時間變化，當前時刻的值等于過去時刻的值加上一段時間的變化量；速率變量是直接改變積累變量的變量，反映積累變量的輸入和輸出的速度；輔助變量的值由系統中其他變量的計算獲得，當前時刻的值和歷史時刻的值相互獨立。根據系統結構和變量之間的定量關系構建狀態、速率以及輔助方程用以正確描述客觀系統的復雜變化，其數學描述如下：

(1)

(2)

輔助變量方程

(3)

式中：L(t)為t時刻積累變量值；L(t0)為t0時刻積累變量值；I(t)為積累變量的流入速率；O(t)為積累變量的流出速率；R(t)為t時刻速率變量值，數值上為L(t)的導數；A(t)為t時刻輔助變量值，其值由系統中其他變量計算獲得，L1(t)～Ln(t)為系統中n個積累變量；R1(t)～Rm(t)為系統中m個速率變量，C1～Cq為系統中q個常量。

2　區域水資源安全系統動力學模型構建

2.1區域水資源安全系統模型結構

區域水資源安全系統結構復雜,影響因素繁多,根據上文的分析,將區域水資源安全系統劃分為供水子系統、需水子系統、經濟子系統、水生態子系統以及人口子系統5個子系統,各系統之間通過相關要素進行相互影響與制約,共同構成水資源安全復雜系統。各個子系統結構如圖1所示。

圖1　水資源安全子系統結構

2.2水資源安全系統主要反饋回路

水資源安全系統主要反饋回路如下：

人口數量→+生活用水量→+總用水量→+水資源供需缺口→+缺水率→-人口增長量→-人口數量。

人口數量→+生活污水排放量→+污水排放總量→+污水回用量→+總供水量→-水資源供需缺口→-缺水率→+人口增長量→+人口數量。

一般工業總產值→+一般工業用水量→+工業用水量→+經濟生活用水量→+總用水量→+水資源供需缺口→+缺水率→-一般工業總產值變化值→-一般工業總產值。

圖2　區域水資源安全系統流程

一般工業總產值→+一般工業用水量→+工業用水量→+工業污水排放量→+污水回用量→+總供水量→-水資源供需缺口→-缺水率→+一般工業總產值變化值→+一般工業總產值。

第三產業增加值→+第三產業用水量→+經濟生活用水量→+總用水量→+水資源供需缺口→+缺水率→-第三產業產值增長量→-第三產業增加值。

2.3水資源安全系統流程

根據上文分析結果,應用Vensim軟件畫出區域水資源供需安全系統流程見圖2。

水資源供給不僅要求水資源數量上要滿足社會生產的需求,還要保證水資源的質量,即降低水污染,保護水生態。因此模型分為兩個部分:①用水資源供需缺口來研究水資源在數量上是否滿足江蘇省社會、經濟、生活及生態的用水數量;②用水體COD總量來研究水資源的質量安全。

3　江蘇省水資源安全系統動力學模型

3.1模型的邊界

將系統的空間邊界確定為江蘇省的地理邊界,為使系統更具有真實性,系統的空間邊界還把與江蘇省內水資源密切關聯的相關變量納入系統之中。時間上,選取2004—2013年為歷史數據統計時間段,2013—2020年為模擬時間段,分別將2004年和2013年作為歷史檢驗基準年和預測基準年,步長為1年。

3.2主要變量

a. 總用水量為生活用水量、城鎮綠化建設用水和經濟生產用水量的總和。

b. 經濟生產用水量為農業用水量、第三產業用水量和工業用水量的總和。

c. 工業用水量為一般工業用水量和電力工業用水量的總和。

d. 一般工業用水量為一般工業總產值與一般工業萬元GDP用水量的積。

e. 電力工業用水量為一般工業用水量和電力工業用水系數的積。

f. 總供水量為地下水供水量、地表水供水量、長江引水量、南水北調凈入境量和污水回用量的總和。

3.3模型檢驗

選用歷史檢驗的方法對江蘇省水資源供需安全系統動力學模型進行檢驗。由于模型涉及的變量較多,筆者對人口數量、生活用水總量、農業用水量、工業用水量、第三產業用水量、污水排放總量等參數進行檢驗,以2004—2013年的歷史數據為基礎,將模型仿真值與歷史數據進行比較,計算兩者的誤差。結果發現,所有被檢測的變量其仿真值與歷史(真實)值之間的誤差都低于10%(表1)，表明該模型通過了歷史檢驗。

表1　檢驗結果

3.4系統動力因素分析

將水資源供需缺口作為水資源安全的一個重要指標,當水資源供需缺口為負數時說明江蘇省存在水資源安全問題,當水資源供需缺口為正數時表示江蘇省水資源系統暫時安全。由于數據的可獲得性，本文以2014年《江蘇省水資源公報》的數據為準，以2013年為預測基準年,對2013—2020年的數據進行預測,以此判斷未來江蘇省水資源安全問題,并尋找影響江蘇省水資源安全的動力因素。

3.4.1水資源安全預測

圖3　水資源供需缺口預測

由圖3可知,江蘇省在2013—2018年期間,水資源供需缺口為負數,尚處于水資源供需安全狀態。但是,水資源供需缺口已由2013年的-83.328 3億m3變為-2.454 1億m3,總供水量與總用水量之間的差距在不斷縮小。從2019年開始,水資源供需缺口變為了正數,這說明江蘇省水資源供給已無法滿足需求,水資源將處于不安全狀態。水資源供需缺口從2019年的14.166 4億m3增長到2020年的30.033 6億m3，并且仍存在著上升趨勢。

從水污染的角度來看,江蘇省水體COD總量在未來有下降的趨勢,這和江蘇加大污水治理投資相關,但是從圖4看,下降幅度并不明顯,COD總量仍在100萬t以上,江蘇省在水資源短缺的情況也面臨著水污染問題,這將加劇水資源系統的不安全系數。

圖4　水體COD總量預測

3.4.2水資源系統動力因素分析

由于水安全系統中涉及的變量較多,對水安全的影響因素眾多，在眾多影響因素中有些因素對系統影響較小,有些影響相對較大。對系統涉及的參數變動10%,以此觀察水資源供需缺口的變化情況。若水資源供需缺口變化大于10%,則把此參數確定為系統的動力因素。通過定量分析,確定江蘇省水資源安全系統的動力因素有:單位農田灌溉用水量,萬元GDP一般工業用水量,一般工業增長率,電力一般工業用水比。雖然農田灌溉面積的變動會引起水資源供需缺口的大幅改變,但是由于農田灌溉面積未來基本上變化不大,所以不把它視為水資源安全系統的動力因素。表2描述了不同影響因素對水資源系統的影響。

表2　不同影響因子下水資源供需缺口的變化

目前,江蘇省總用水量中,農業用水占50%左右,而單位農田灌溉用水量是農業用水量的決定因素。但是,農業產值是在第一產業、第二產業、第三產業三者中產值最低的。未來,江蘇省可以通過農田灌溉技術進步降低單位農田灌溉用水量,將農業節水向單位用水產值較高的行業轉移。其次就是工業用水較多,由于江蘇省是電力大省,工業用水中較大一部分是電力工業用水。但是,電力工業產值較低,江蘇省在水資源供需短缺的情況下,可以調整電力一般工業用水比,在保證江蘇省電力使用的同時,盡可能減少電力工業用水,將節余的用水向一般工業或第三產業轉移。從表2還可以看到,萬元GDP第三產業用水量以及第三產業增長率的增加或減少,對水資源供需缺口的影響不大。目前,江蘇省地區GDP總值中,第三產業所占比重為45%左右,且在繼續增長。由于第三產業增長快,用水少,未來江蘇省應該重視第三產業的發展,成功實現產業結構升級,既能帶動地區經濟增長，也能緩解地區用水短缺的矛盾。城鎮綠化建設用水的變動幾乎不影響水資源供需缺口，但是,由于城鎮綠化問題關系到環境、居民的幸福指數等問題，從水資源的角度來看,良好的環境更有利于植被生長,這在一定程度上有利于水生態系統的穩定。所以,江蘇省不應在城市綠化建設用水上節約部分水資源,而應重視城鎮綠化建設。

4　水資源安全問題解決方案

由于江蘇省目前已存在水資源安全問題,并且根據以上已找出的影響江蘇省水資源安全的動力因素，可以通過調整動力因素的參數,給出解決目前困境的方案。

4.1解決方案

4.1.1維持現狀型方案

維持現狀型方案是將所有的參數保持不變,然后將該方案的模擬結果與其他方案模擬結果進行對比。根據模擬結果可知,雖然江蘇省水資源豐富,但如果按照目前的發展趨勢,水資源的需求量的增長速度大于水資源的供給速度,水資源的供需缺口不斷增大(負向增大)。根據預測，到2018年以后江蘇省將出現水資源短缺現象,短缺量約為30.033 6億m3。其中生活、生態、第三產業用水較少,而工業用水和農業用水較多,工業將代替農業成為用水大戶,其中電力工業用水量將占用水總量的28.5%。

2020年的污水排放總量為69.654 3億m3,比2013年污水排放量增加12.024 5億m3。雖然污水處理能力和污水回用量有所提高,但是與污水總量相比,污水處理能力和污水回用能力有很大的提升空間。

4.1.2節約用水型方案

節約用水型方案是從生活、農業和工業3個方面節約用水來減少水資源的使用量,從而達到水資源的可持續發展目的。生活用水可以通過降低城市人均日用水量來減少生活用水總量,農業用水的節約主要通過減少單位面積灌溉用水量來實現,工業用水的節約則通過降低一般工業GDP萬元用水量來實現。但生活用水量的剛性較強,降低幅度較小,且城鎮人均日用水量對水資源供需缺口的影響比單位面積農田灌溉用水量和萬元GDP一般工業用水量小得多,所以主要應通過降低單位面積灌溉用水和萬元GDP一般工業用水量來緩解水資源供需矛盾問題。可將單位灌溉面積用水量和萬元GDP一般工業用水量分別降低10%。經模擬可知,2020年的用水總量為516.942億m3,與改變前相比用水量減少了9.6%。水資源供需缺口為14.166 4億m3,水資源缺口減少了53.887 2億m3。

4.1.3產業調整型方案

產業調整型是在減緩工業發展速度同時，大力發展第三產業。工業結構調整一方面通過減少電力產業的發展,另一方面降低一般工業的發展速度,而電力產業的發展通過降低電力用水系數來進行調整,一般工業的發展通過降低一般工業的GDP增長率來進行調整。因此將電力用水系數從2.75降低為2,一般工業GDP增長率降低10%。加快第三產業的發展主要通過提高第三產業的GDP增長率來進行調整。因此將第三產業增長率提高10%,經過模擬可知,用水總量為494.118億m3,減少了77.798億m3,水資源供需缺口為-47.2167億m3,不存在水資源短缺問題。

4.1.4開源型方案

江蘇省的水資源供給主要包括地表水和地下水,其中絕大部分的水資源供給來源于地表水,其中部分來源于長江引提水。開源型是指以保護地下水為目的,充分利用污水處理后的水資源以及長江引提水量。污水回用量通過提高污水回用系數來進行調整,因此2020年將污水回用系數提高兩倍,同時將長江引提水量增加至130億m3。與未改變前相比,2020年江蘇省水資源供給量增加了6.2%,水資源量供需缺口由30.003 6億m3轉為-3.421 81億m3,不存在供需安全。

4.1.5污染治理型方案

污染治理型就是加快污水的治理,實現水生態安全。一方面減少污水的排放,通過降低生活和工業污水排放系數來減少污水的排放,將生活污水排放系數由0.998降低至0.8,工業污水排放系數由0.1343降低至0.12,將污水回用系數由0.05增加至0.1。經模擬可知,水體COD總量由106.418萬t降低為90.698 7萬t。

4.1.6綜合型方案

綜合型方案是將以上4種方案進行整合,在節水、產業調整、開源與污染治理的基礎上形成的方案。節水方面:單位面積耕地灌溉用水量降低9%,萬元GDP一般工業用水量降低8%;產業調整方面:將電力工業用水系數降為2.3,一般工業GDP增長率降低8%,第三產業增長率提高8%;開源方面:將污水回用系數提高至0.08,長江引體水量增加至120億m3;治污方面:生活污水排放系數降低5%,工業污水排放系數降低至0.12。經模擬可知，2020年用水總量為473.016億m3,供水總量為563.009億m3,充分實現了社會經濟對水資源的可持續利用及水生態環境的保護。

4.26種方案的對比分析

圖5　6種方案下的水資源供需缺口仿真結果

圖6　6種方案下水體COD總量仿真結果

水資源供需缺口是衡量水資源供需安全的最重要指標,它可以較為直觀地表現出江蘇省某一年的水資源短缺程度。6種方案下的水資源供需缺口仿真結果和水體COD總量仿真結果如圖5、圖6所示。從圖5中可以看出,江蘇省在未來的一兩年就會出現水資源短缺問題。如果維持現狀,2018年以后隨著經濟社會的發展,江蘇省將出現水資源缺口,并且缺口將進一步增大,各產業之間將出現用水競爭狀況,不利于江蘇省社會的發展。

節約用水型方案可以降低水資源供需缺口,但是單獨依靠降低單位用水量,當水量下降到一定程度后,由于單位水資源的剛性需求,水資源需求量很難有下降的空間,因此供水壓力是維持現狀型方案之后最大的,并且很快又會出現供需缺口。

產業調整型方案總體效果較節約型方案好。雖然,未來幾年在產業結構調整的方案下,江蘇省仍會出現供需缺口,但是,供水壓力明顯小于節約型方案。

開源型方案見效較好,能夠快速減小供水壓力,但是在2018年以后,隨著經濟生產的快速發展,一方面經濟生產需水量增加較快,另一方面,水資源供給量有限,因此供需缺口會進一步增大,但增大幅度比節約型方案小。

污染治理型方案只考慮了污水回用量的增大,對于其他因素沒有考慮,而污水回用量在總供水量所占比例較小,因此此方案效果較差。

綜合型方案在總體上效果最好,從模擬結果中可以知道,綜合性方案在未來一段時間內將不存在水資源供需缺口，而且發展趨勢較慢。從治污的角度來看,綜合性方案治理污染的成效僅次于污染治理方案,是最理想的方案。

5　結　語

水資源安全問題主要是在一段時間內由于區域水資源的質和量的供需矛盾所引發的。隨著經濟社會的發展和城鎮化進程的加快,江蘇省對水資源安全提出了更高的要求。筆者運用系統動力學方法綜合考慮了經濟、社會、環境、生態和水5個方面,構建了江蘇省水資源安全模型,提出了水資源安全問題的解決方案。綜合型方案的設計為解決江蘇省即將面臨的水資源安全問題提供了一種較為可行的途徑。在該方案下,未來的很長一段時間內江蘇省水資源供需缺口將不復存在,且水污染狀況不斷改善,充分實現了社會經濟對水資源的可持續利用及水生態環境的保護。

未來,江蘇省若要實現對水安全的嚴格控制,必須改變現狀,向節約用水、產業結構調整、開源、污染治理等方面綜合調整,并輔之以科學的管理,來提高水資源利用效率,減少水資源污染,保護水生態環境和水資源安全,實現區域水資源的可持續利用。

參考文獻：

[1] GREY D, SADOFF C W. Sink or swim? Water security for growth and development [J]. Water Policy, 2007, 9(6): 545-571.

[2] ZEITOUN M. The global web of national water security [J]. Global Policy, 2011, 2(3): 286-296.

[3] 程國棟.虛擬水:中國水資源安全戰略的新思路[J].中國科學院院刊, 2003, 4(1): 15-17.(CHENG Guodong. Virtual water:a strategic instrument to achieve water security [J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences,2003, 4 (1): 15-17. (in Chinese))

[4] 田貴良.虛擬水貿易影響水安全及糧食安全研究綜述[J].河海大學學報(哲學社會科學版), 2014, 16(1): 56-60.(TIAN Guiliang. Research overview on impact of virtual water trade concerning water security and food security[J].Journal of Hohai University (Philosophy and Social Sciences), 2014, 16 (1): 56-60. (in Chinese))

[5] 鐘華平,耿雷華. 虛擬水與水安全[J]. 中國水利, 2004(5): 22-23. (ZHONG Huaping, GENG Leihua.Virtual water and water safety [J].China Water Resources, 2004(5): 22-23. (in Chinese))

[6] 趙筱青,饒輝,易琦,等.基于SD模型的昆明市水資源承載力研究[J].中國人口資源與環境, 2011 (增刊2): 339-342.(ZHAO Xiaoqing, RAO Hui, YI Qi. Study on water resource carrying capacity in Kunming City based on SD model[J].China Population Resources and Environment, 2011 (sup2): 339-342. (in Chinese))

[7] 曾霞, 陸健華.區域水資源供需系統仿真及優化決策研究[J].統計與決策, 2015 (4): 64-67.(ZENG Xia, LU Jianhua. Regional water resource supply and demand system simulation and optimization decision [J]. Statistics and Decision, 2015 (4): 64-67. (in Chinese))

[8] 羅宇,姚幫松.基于SD模型的長沙市水資源承載力研究[J]. 中國農村水利水電,2015(1):42-46.(LUO Yu, YAO Bangsong. The water resources carrying capacity based on SD model in Changsha[J].China Rural Water and Hydropower, 2015(1):42-46. (in Chinese))

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.04.011

基金項目:江蘇省社會科學基金(10GLC013);國家自然科學基金(51279058)

作者簡介:杜夢嬌(1989—),女,碩士研究生,研究方向為水資源管理。E-mail：mengjiao9099@qq.com 通信作者:田貴良,副教授。E-mail:tianguiliang@hhu.edu.cn

中圖分類號：X24

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)04-0067-07

(收稿日期：2015-07-20編輯：徐娟)

Simulation and control of water resources system security in Jiangsu Province based on system dynamics

DU Mengjiao1, TIAN Guiliang1, WU Xi1, JIANG Yong2

(1.Business School, Hohai University, Nanjing 211100, China;2.JiangsuProvinceWaterResourcesServiceCenter,Nanjing211100,China)

Abstract：Based on quantitative analysis of a regional water resources system, a dynamic model was constructed for the water resources security system in Jiangsu Province. A simulation case study was conducted. The results show that Jiangsu Province will have water resources supply and demand security problems after the year 2018. Through quantitative analysis, four dynamic factors that influence the water resources security system of Jiangsu Province were determined, and six kinds of solutions were designed. Through comparison of these solutions, the comprehensive solution was determined to be the optimum solution for the sustainable utilization of water resources. In addition, corresponding recommendations for sustainable development of the water resources in Jiangsu Province are proposed.

Key words：water resources system security; system dynamics; simulation; Jiangsu Province