不同GDP增長率下的江蘇省用水結構模擬

沈家耀,張玲玲

(河海大學公共管理學院,江蘇 南京　210098)

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不同GDP增長率下的江蘇省用水結構模擬

沈家耀,張玲玲

(河海大學公共管理學院,江蘇 南京210098)

摘要：在全面了解江蘇省水資源利用現狀的基礎上,運用系統動力學方法,根據各子系統之間相互作用的情況,構建江蘇省用水結構系統動力學模型,將用水結構作為模型的輸出存量,通過對模型參數進行敏感度分析,找出影響用水結構的重要決策變量,并根據GDP高、中、低增長速度以及現狀經濟發展速度,設計并模擬了4種情景發展方案,分析了區域經濟增長速度、總用水量、用水結構之間的響應關系,為江蘇省合理制定經濟發展規劃、優化水資源配置提供決策參考。

關鍵詞：水資源;GDP增長率;用水結構;系統動力學;江蘇省

水資源是支撐社會、經濟系統存在和發展的基本因素。隨著城鎮化和工業化進程的不斷推進,水資源需求量不斷增加,由供需矛盾引起的經濟社會問題越來越尖銳,如何調控區域用水結構,提高用水效率與效益,取得區域經濟社會發展與總量控制約束下經濟發展與水資源之間的適應性,已成為江蘇省未來社會亟待解決的問題之一。

近年來,關于用水結構的研究已經取得了一定的成果,主要集中于利用投入產出、灰色系統理論、模糊數學等定量分析方法對產業用水系統進行量化研究和對用水結構演化過程的研究。如劉燕等[1]將信息熵引入水資源用水結構的研究,建立了用水結構特征的信息熵和均衡度定量計算公式,分析了渭河流域水資源用水系統結構演化的合理性和均衡性。潘雄鋒等[2]利用我國用水結構的成分數據建立灰色GM(1,1)模型,對未來用水結構進行短期預測。蔣桂芹等[3]以安徽省工業發展為例,對區域產業結構與用水結構協調度指標進行了綜合評價,并給出了促進其協調發展的調控對策。這些研究對于豐富用水結構理論具有重要的意義,但從系統仿真的角度對區域用水這種復雜系統進行深入研究的數量不多。筆者運用系統動力學方法,以江蘇省行政區域為系統邊界,以邊界內系統整體變化為研究核心,通過改變水資源利用系統的參數變量,分析邊界內各用水主體與區域內可供水量的相互作用關系。

系統動力學(System Dynamics)的研究始于1956年,是一種以計算機模擬技術為主要手段,通過結構、功能分析,研究和解決系統反饋結構與行為的一門科學,具有系統綜合分析與模擬的優點,可全面模擬各類復雜系統的結構,分析系統內在關系,擅長處理高階和非線性問題,較好地把握系統的各種反饋關系,對于分析和處理社會經濟系統具有獨特的優勢[4]。

運用系統動力學對江蘇省用水結構進行動態模擬仿真,主要有以下幾個步驟:①系統綜合分析,明確用水系統主要問題,初步劃定系統邊界;②系統結構分析,主要分析用水系統的反饋機制;③建立數學模型和用水結構方程,確定參數取值;④模型的檢驗與評估,包括模型結構適應性,行為適應性及模型結構、行為與實際系統的一致性。在此基礎上,對多種決策方案進行仿真模擬,得到有價值的預測性結果,并進行綜合結果分析[5]。

1　研究區概況及數據來源

江蘇省地處江淮沂沭泗五大河流流域,東瀕黃海,是長江三角洲地區的重要組成部分。地形以平原為主,多湖泊河流,面積10.26萬km2。至2014年末,江蘇省人口總數達7 960.06萬人,是中國人口密度最大的省份,其中城鎮人口為5 190.76萬人。2014年江蘇省GDP為65 088.32億元,人均GDP為81 874元。

近10年來江蘇省產業結構變動呈現兩種趨勢:第一產業增加值比例和第二產業增加值比例總體上呈平穩下降趨勢,年均下降率分別為3.4%和0.98%;第三產業增加值比例則一直保持上升趨勢,見圖1。圖中數據根據《江蘇省統計年鑒》(2003—2014)處理得到。

圖1　2003—2014年江蘇省產業結構狀況

億m3

為更直觀地分析江蘇省用水系統之間的關系,將用水量分為第一產業用水、第二產業用水、第三產業用水、居民生活用水和生態用水5類用水主體。其中第一產業用水量所占比例最大,且用水量多集中于農田灌溉用水;隨著技術的改進,第二產業用水量有明顯的下降;由于江蘇省產業結構的不斷調整轉型,第三產業用水量逐年增加,隨著人口的不斷增長和居民提高生活品質的訴求,生活、生態用水量未來均處于穩定增長的階段。2003—2014年江蘇省主要年份用水量數據見表1,表中數據根據江蘇省水資源公報(2003—2014)處理得出。

2　江蘇省用水結構系統動力學模型

2.1模型構建

為了描述江蘇省用水結構的演變過程及變化趨勢,揭示其對社會經濟的反饋作用,將模型的系統邊界確定為江蘇省行政分區,模型時間確定為2008—2025年,基準年為2008年,步長為1a。其中2008—2014年為檢驗模擬階段;2015—2025年是預測模擬階段。

根據系統分析理論中的協同原理,選取影響和構成江蘇省用水系統的各項要素,將江蘇省水資源利用系統劃分為經濟子系統、人口子系統、用水子系統及水資源子系統。從系統論的觀點來看,4個子系統、各變量之間存在著相互耦合和相互制約的關系,構成了一個復雜的動態反饋系統,共同作用于江蘇省水資源復合利用系統。

a. 人口子系統。人是水資源利用系統中的主要因素,選取總人口作為人口子系統的水平變量,其存量主要由城鎮人口、農村人口及人口增長率所決定。人口子系統通過居民生活用水量與用水子系統相聯系。

b. 經濟子系統。經濟子系統是江蘇省水資源復合利用系統的核心,其行為直接影響整個系統的狀態以及其余子系統的行為。將區域總GDP作為水平變量,其存量為區域GDP的增長率,經濟產值的變化會影響各用水部門的用水情況。

c. 用水子系統。江蘇省水資源復合利用系統共5類用水主體。各部門用水量通過萬元GDP增加值用水量或用水定額等值進行確定。

d. 水資源子系統。水資源子系統反映江蘇省水資源利用供需平衡情況,供水量由地下水資源和地表水資源組成,流域總用水量即5類用水主體用水之和。水資源子系統中的水資源供需平衡比是衡量區域水資源復合利用系統狀況的重要指標。

基于對江蘇省人口、經濟、用水以及水資源系統的具體分析[6],運用系統動力學專用建模軟件Vensim構建江蘇省用水結構系統動力學模型。模型包括57個系統動力學方程,其中初始值方程7個,表函數方程18個,結構方程32個。江蘇省水資源復合利用系統流圖如圖2所示,圖中的Time為時間,用于建立表函數。

2.2參數來源

相關數據主要來自《江蘇省水資源公報》(2003—2014)、《江蘇省統計年鑒》(2003—2014)、《江蘇省“十二五”規劃》、《江蘇省水資源綜合規劃》、《江蘇省土地利用總體規劃》(2006—2020)。模型中用到的主要狀態變量的初始值采用整理得出的江蘇省2008年的統計數值,模型參數取值見表2。

2.3模型檢驗

模型的歷史檢驗是將模型仿真計算得到的結果與現實結果相比照,檢驗兩者是否相匹配,從而判斷模型模擬的可靠性和準確性[7]。將模型模擬出的江蘇省總人口、區域 GDP總量、第一產業用水量輸出結果與現實數據進行一致性檢驗。由表3可知,相對誤差介于-0.03%～4.56%,說明擬合精度較高,模型可用于模擬和預測。

圖2　江蘇省水資源復合利用系統流圖

年份人口增長率/%城鎮化率/%農田灌溉面積變化率/%GDP增長率/%農田灌溉平均用水量/(m3·hm-2)萬元一般工業增加值用水量/m3萬元第三產業增加值用水量/m3生態用水量/億m3地表水供應量/億m3地下水供應量/億m320082.3054.31.019.0666036.08.943.08539.69.720152.5068.00.08.0645017.94.423.40490.08.020202.4073.00.46.4592513.43.503.60450.07.420252.3580.00.25.0525010.52.203.90430.06.4

表3　模型歷史檢驗結果

3　用水結構演變的情景方案設計

系統動力學模型原始運行只是基于現狀按照既有慣性進行模擬預測,需要借助情景設計,通過改變模型相關決策變量并進行模擬,以確定不同情景下系統狀態的相應變化,找到合適的發展方向[8]。

用水結構系統動力學模型調控變量的確定需要對主要變量進行靈敏度分析,以識別影響系統運行的關鍵因子,其計算公式如下:

(1)

式中:t為時間;q(t)為變量q在t時刻的值;x(t)為變量x在t時刻的值;Sq為x對參數的敏感度;Δq(t)和Δx(t)分別為q和x在t時刻的增長量。敏感度均值表示所有變量對某一參數的敏感度,具有更強的穩定性。從1～n的(q1,q2,…,qn),敏感度均值可表示為

(2)

式中:n為變量個數:Sqi為qi的敏感度;S為x的平均敏感度。本文主要分析模型用水結構反饋中總用水量和水資源供需平衡比2個變量對11個參數的變化敏感度。具體方法為:從 2008—2025年每個參數逐一逐年變化10%,求出每個參數的平均敏感度。敏感度分析結果見圖3。

圖3　江蘇省用水結構敏感度分析結果

由圖3可知,選取的11個影響江蘇省用水結構的參數中,農田灌溉平均用水量、第二產業增加值比例、萬元火電工業增加值用水量、GDP增長率的平均敏感度大于10%,說明這些參數對于江蘇省用水總量和水資源供需平衡比的影響程度較大;而人口增長率、萬元建筑業增加值用水量、生態用水量等參數甚至低于1%,表明這些參數對江蘇省總體用水結構影響程度不明顯。

3.1方案設定依據

保持其他變量不變,將平均敏感度超過10%的GDP增長率作為唯一決策變量,設定高、中、低以及現狀經濟增長率4種發展速度,繼而設計了現狀經濟發展方案、經濟高速發展方案、經濟中速發展方案、經濟低速發展方案進行模擬演示,分析其對區域主要用水主體用水行為的影響,得出區域經濟增長速度、總用水量、用水結構之間的響應關系,并最終優選出能夠保障江蘇省經濟社會可持續發展的方案[9]。

現狀經濟發展模式的GDP增長率是在既定參數取值下,按照根據參數設定的系統歷史發展水平,不對影響系統運行的參數進行調整的結果輸出;經濟中速發展方案中的GDP增長率依據江蘇省近10年GDP增長情況,并結合《江蘇省“十二五”規劃》中的指導思想和《江蘇省循環經濟發展規劃》相關數據計算得出,2015年和2025年經濟中速發展方案GDP年增長率分別為7.5 %和5.3%;高、低發展方案分別在中速發展方案取值的基礎上增加、減少 10%。

3.2各經濟發展方案用水量分析

社會發展的必然結果是水資源的不斷消耗。隨著江蘇省最嚴格水資源管理制度的落實,各用水部門將轉變用水行為,以水定需,量水而行,全面加強節水和用水定額管理,推行節水技術改造,提高用水效率。到2025年,江蘇省在4種經濟發展方案下的總用水量分別為469.48億m3、463.08億m3、474.42億m3和452.39億m3。制度成效的顯現往往需要一定的時間,現狀、中速和高速發展方案在2015—2017年間用水量繼續增加,隨后逐年下降;而經濟低速發展方案由于過于強調調低經濟發展速度,影響了產業良性發展,導致用水量一直保持下降的趨勢。由圖4可知,在現狀經濟發展方案下,2015—2017年是用水量的上升階段,由2015年的496.3億m3增加到2017年的498.08億m3;2017—2025年是用水量的下降階段,由498.08億m3下降到469.48億m3,年均下降率為0.71%;經濟中速發展和經濟高速發展方案在用水量上升階段,年均增加率分別為0.01%和0.26%,在用水量減少階段下降率為0.82%和0.62%;經濟低速發展方案下,用水量逐年下降,由2015年的495.45億m3減少到2025年的452.39億m3,年均減少量為4.20億m3,年均減少率為0.85%。通過模擬結果可以發現,在現狀、中速和高速發展方案總水量上升的模擬期,在其他參數變量保持既定的前提下,經濟發展速度越快,用水量增加越明顯;在用水量不斷下降的模擬期后期,經濟發展速度越慢,總用水量的下降越快。因此,合理制定經濟發展速度將有助于控制用水量的消耗。

圖4　不同經濟發展方案下用水量變化

3.3各經濟發展方案水資源供需比分析

水資源供需比反映的是該地區水資源的開發利用情況,供需比越大,表明水資源供給能力越強;供需比越小,則供給能力越弱;若供需缺口很大,供需矛盾愈發嚴重,水資源將成為社會經濟發展的制約因素。隨著未來江蘇省地表水和地下水供應量的減少,總用水量下降幅度緩慢,水資源供需矛盾依然嚴峻。由圖5可知,在現狀經濟發展方案和經濟中速發展方案下水資源供需比在2015—2024年間逐年下降,年均減少率分別為0.82%和0.69%,自2024年開始,水資源供需比逐漸增加,分別增加0.07%和0.13%,供需矛盾有所縮小;在經濟高速發展方案下水資源供需比呈現逐年下降的趨勢,10年間下降了8.2%,2025年達91.98%,供需缺口過大,將使經濟發展難以為繼;而經濟低速發展方案在2015—2023年水資源供需比不斷變小,由2015年的100.7%下降到2023年的96.05%,相較于其他3種發展方案下降幅度最小,說明經濟放緩對于水資源消耗具有明顯的抑制作用,而在模擬期的最后2年水資源供需比增加了0.41%,96.46%的供需比已基本能夠滿足經濟社會發展需求。

圖5　不同經濟發展方案下水資源供需比

用水部門年份用水結構/%經濟低速發展方案經濟中速發展方案經濟高速發展方案現狀經濟發展方案第一產業第二產業第三產業居民生活生態用水201557.7057.5857.4557.49202055.0354.2853.5253.80202554.3053.0451.7852.32201531.1131.3731.3731.19202032.8834.4834.4833.38202532.6735.2735.3833.5520153.033.063.053.0420203.283.443.443.3320253.133.393.403.2220157.477.467.447.4520208.057.947.837.8720259.048.838.628.7120150.680.690.600.6920200.730.750.700.7420250.820.840.700.83

3.4各經濟發展方案用水結構分析

由表4可知,4種方案的第一產業用水比例均呈現逐年下降趨勢,其中經濟高速發展方案降幅最大,10年下降5.67%;經濟低速發展方案降幅最小,10年減小了3.41%。第二產業用水、居民生活用水和生態用水量在各方案模擬期內均逐年增加,到2025年,居民生活用水和生態用水量比例在經濟高速發展方案下最低，在經濟低速發展方案下最高,第二產業用水量在經濟高速發展方案下增幅最為明顯,在經濟低速發展方案下增幅最小。經濟高速發展方案下，隨著萬元工業增加值用水量的降低,第二產業用水量增幅將趨于減緩；第三產業用水量在模擬前期由于萬元增加值用水量仍比較大,總體上仍呈現上升趨勢,模擬期后期,隨著萬元增加值用水量迅速減少,總用水量逐漸減少。采用不同的經濟發展方案將直接影響各用水主體間用水比例。在經濟高速發展方案下,為了完成經濟規劃目標,就必須大力發展第二、三產業,其用水量也將水漲船高,無形中會擠壓其他用水主體的用水份額,如造成居民生活和生態用水比例減少,不利于社會的協調發展;而在合理的經濟增長速度情況下,人們將著眼于社會可持續發展總體目標,綜合考慮并合理規劃確定各主體間用水比例,促進水資源優化配置,謀求在水資源約束條件下實現社會效益與經濟效益的最大化目標。

4　結論及建議

經濟高速增長發展方案能夠帶來較高的經濟產值,但逐年下降的水資源供需比會給社會協調發展帶來巨大的阻力,嚴重的可能會引起生態系統的崩潰;經濟低速發展方案雖然在一定程度上能夠緩解區域缺水狀況,但規劃年2025年119 229億元的區域GDP總值與江蘇省建立基本經濟現代化目標不相適應,必然會對居民收入水平、產業發展、社會穩定造成不良影響。綜合江蘇省社會經濟發展情況與水資源約束條件,最終選擇經濟中速發展方案作為模型優化的推薦方案。

綜合用水結構系統動力學模型結果分析,并結合江蘇省用水實際,對江蘇省用水結構調控提出建議:

a. 近10年來,江蘇省地下水供給量逐年減少,平均年下降率達2%,因此必須對地下水進行全面科學的規劃管理,建立嚴格的水資源論證和取水許可制度,適度開發地下水資源,加強水生態環境保護與修復。

b. 為實現《江蘇省水資源綜合規劃》中的在2020年將用水總量控制在600億m3左右,建立最嚴格的水資源管理制度的目標,江蘇省未來可通過設置一段時期內區域用水上限控制指標,抑制不合理用水、降低過度消耗等途徑來實現用水總量控制,盡快制定并實施區域各縣市的水量分配方案,合理確定各用水主體的用水量,在總量控制約束下,建立科學合理的用水和消費模式,提高水資源利用效率,充分挖掘用水潛力,逐步實現用水定額管理。

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基金項目：國家軟科學基金(2014GXS4B047);水利部公益性行業科研專項(201301003、201201022)

作者簡介：沈家耀(1991—),男,安徽合肥人,碩士研究生,主要從事水利行政管理研究。E-mail:958379523@qq.com 通信作者：張玲玲(1979—),女,山東濰坊人,教授,主要從事水利經濟、公共政策模擬、資源與環境管理等研究。E-mail:llzhang007@163.com

DOI：10.3880/j.issn.1003-9511.2016.04.006

中圖分類號：TV213

文獻標識碼：A

文章編號：1003-9511(2016)04-0021-05

(收稿日期：2015-12-03編輯：胡新宇)