基于SD模型的細(xì)河流域水資源承載能力研究

王 洋

(遼寧省本溪水文局，遼寧本溪117000)

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基于SD模型的細(xì)河流域水資源承載能力研究

王 洋

(遼寧省本溪水文局，遼寧本溪117000)

立足于水資源可持續(xù)發(fā)展的基本理念，分析細(xì)河流域水資源條件，以水資源—生態(tài)—社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)構(gòu)建指標(biāo)體系，從而創(chuàng)建基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SD)模型，來(lái)實(shí)現(xiàn)推求細(xì)河流域不同情勢(shì)下水資源承載能力，進(jìn)而分析提高該流域水資源承載力的途徑。

SD模型；水資源承載能力；細(xì)河流域

細(xì)河流域地處遼寧省本溪市西部，總面積1 047 km2，為中溫帶半濕潤(rùn)和半干旱的季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為845.0 mm，多年平均地表水資源量為35 919.16萬(wàn)m3，多年平均地下水資源量為7 804.39萬(wàn)m3，多年平均水資源總量為35 974.69萬(wàn)m3。細(xì)河流域是本溪市重要的鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展基地，隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源承載力已成為該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的控制因素。通過(guò)開(kāi)展細(xì)河流域水資源承載能力研究工作，分析和給出細(xì)河流域不同水平年水資源推薦的配置方案、工程規(guī)模和水資源可承載的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)模、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)水平等系列成果，可以為今后一定時(shí)期內(nèi)細(xì)河流域水資源開(kāi)發(fā)利用和管理提供重要依據(jù)，為本溪市總體規(guī)劃提供參考，促進(jìn)和保障細(xì)河流域人口、資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 水資源承載能力定義及評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建

1.1 水資源承載能力的定義

當(dāng)前，水資源承載能力無(wú)統(tǒng)一的定義，筆者傾向于：“在未來(lái)不同的時(shí)間尺度上，以可預(yù)見(jiàn)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展水平為依據(jù)，以社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和水資源可持續(xù)利用為原則，以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為條件，在水資源得到合理開(kāi)發(fā)利用和有效配置的前提下，區(qū)域內(nèi)水資源可支撐的水資源—生態(tài)—社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的規(guī)模”的定義。

1.2 水資源承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建

區(qū)域水資源承載力具有自然、社會(huì)雙重屬性，既反映了水資源系統(tǒng)滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的能力，也與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)自然水資源系統(tǒng)的深度有關(guān)。其研究應(yīng)該兼顧社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和生態(tài)等方面。因此，細(xì)河流域水資源承載力研究必然涉及細(xì)河流域內(nèi)水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境。本研究把水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境4個(gè)子系統(tǒng)耦合而成的大系統(tǒng)作為細(xì)河流域水資源-生態(tài)-社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。

根據(jù)水資源承載力的定義、內(nèi)涵以及水資源承載力指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法，在充分分析、比較和借鑒的基礎(chǔ)上，本文最后確定了4個(gè)子系統(tǒng)10類36個(gè)具體指標(biāo)以構(gòu)成細(xì)河流域水資源承載力指標(biāo)體系。由于水循環(huán)一般以年為周期，所以指標(biāo)體系中涉及到的時(shí)間一般都是以年為單位的，如水資源數(shù)量、人均水資源量等都是以一年為周期的。社會(huì)經(jīng)濟(jì)壓力指標(biāo)有：總?cè)丝凇⒊擎?zhèn)人口、工業(yè)增加值、建筑業(yè)增加值、第三產(chǎn)業(yè)增加值、GDP、灌溉面積、牲畜數(shù)量等。生態(tài)環(huán)境壓力指標(biāo)有：綠化面積、環(huán)境衛(wèi)生面積、廢污水排放量等。社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀態(tài)指標(biāo)有：總需水量、生活需水量、工業(yè)需水量、建筑業(yè)及第三產(chǎn)業(yè)需水量、農(nóng)業(yè)需水量等。生態(tài)環(huán)境狀態(tài)指標(biāo)有：河道外生態(tài)需水量、廢污水處理率等。社會(huì)經(jīng)濟(jì)響應(yīng)指標(biāo)：人口增長(zhǎng)率、城鎮(zhèn)化率、工業(yè)增加值增長(zhǎng)率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等。生態(tài)環(huán)境響應(yīng)指標(biāo)：廢污水排放率、廢污水處理投資等。

考慮到水資源承載力指標(biāo)所具有的區(qū)域性，在了解細(xì)河流域水資源及開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合以上水資源承載客體和承載主體的指標(biāo)，選用7個(gè)與水資源和水環(huán)境密切相關(guān)的綜合性變量作為承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)。這些指標(biāo)從不同角度反映水資源系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)組成與人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)之間的相互作用關(guān)系。詳見(jiàn)表1。

表1 水資源承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)

分類指標(biāo)指標(biāo)含義指標(biāo)作用水資源系統(tǒng)供水緊張程度供需比反映水資源豐缺狀態(tài)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)工業(yè)增加值工業(yè)發(fā)展規(guī)模反映工業(yè)需求人口數(shù)量社會(huì)發(fā)展規(guī)模反應(yīng)社會(huì)需求農(nóng)田灌溉面積農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模反應(yīng)農(nóng)業(yè)需求三產(chǎn)增加值服務(wù)業(yè)發(fā)展規(guī)模反應(yīng)服務(wù)業(yè)需求牲畜數(shù)量畜牧業(yè)發(fā)展規(guī)模反映畜牧業(yè)需求生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)城市綠地面積生態(tài)環(huán)境質(zhì)量反映生態(tài)環(huán)境需求

2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SD)簡(jiǎn)介

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是美國(guó)J.W.Forrester教授于1958年為分析生產(chǎn)管理及庫(kù)存管理等企業(yè)問(wèn)題而提出的系統(tǒng)仿真方法。其不僅具有系統(tǒng)發(fā)展的觀點(diǎn)，而且具有分析速度快、模型構(gòu)造簡(jiǎn)單、可以使用非線性方程等優(yōu)點(diǎn)。由于水資源系統(tǒng)是與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、 生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)，因此必須通過(guò)建立一套能反映問(wèn)題本質(zhì)、技術(shù)可行、有科學(xué)依據(jù)且能反映承載問(wèn)題多元性、非線性、動(dòng)態(tài)性、多重反饋等特征的模型來(lái)研究水資源承載力問(wèn)題。而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)能把社會(huì)經(jīng)濟(jì)、資源環(huán)境在內(nèi)的大量復(fù)雜因子作為一個(gè)整體，通過(guò)綜合考慮眾多因子的相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源承載能力的估算和動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的預(yù)測(cè)。故，本研究采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真法(System Dynamics，簡(jiǎn)稱“SD”)建立模型。

3 細(xì)河流域水資源承載能力SD模型

3.1 模型基本方程

SD 系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)對(duì)系統(tǒng)整體性和非線性特性的描述。為了清晰地描述系統(tǒng)，一般是在盡量完整地描述系統(tǒng)內(nèi)各組成部分之間相互作用的非線性關(guān)系、復(fù)雜的因果反饋關(guān)系(Rjk)的基礎(chǔ)上，把系統(tǒng)劃分成若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)(P)，其描述關(guān)系式為

S=(P，Rjk)；P={Pi|i∈I} ；

(1)

Rjk={rjk|j∈J，k∈K且J+K=I}

式中，S為整個(gè)系統(tǒng)；P為系統(tǒng)S中的子系統(tǒng)，它們可能屬于同一層次或不同層次；Rjk為關(guān)系矩陣，描述各子系統(tǒng)間的關(guān)系，一般是非線性的。

子系統(tǒng)一般由一個(gè)或若干個(gè)基本單元一階反饋回路組成，對(duì)它們的描述一般用流位變量、流率變量和輔助變量以及其他數(shù)學(xué)函數(shù)、邏輯函數(shù)、延遲函數(shù)以及常數(shù)等。根據(jù)SD模型變量與方程的特點(diǎn)，定義變量并給出數(shù)學(xué)描述

(2)

式中，L為流位變量向量；R為流率變量向量；A為輔助變量向量；為純速率向量；T為轉(zhuǎn)移矩陣；W為關(guān)系矩陣。微分方程

(3)

它是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的根本基本方程。式中，LET為流位變量；RAT為流率變量。

3.2 SD模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)

根據(jù)本地區(qū)特點(diǎn)，將細(xì)河流域水資源承載力系統(tǒng)劃分為7個(gè)子系統(tǒng)：水資源子系統(tǒng)、工業(yè)用水子系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)用水子系統(tǒng)、生活用水子系統(tǒng)、生態(tài)用水子系統(tǒng)、三產(chǎn)用水子系統(tǒng)和廢污水子系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。其中，水資源子系統(tǒng)和廢污水子系統(tǒng)中的中水回用部分是供水系統(tǒng)，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)和三產(chǎn)子系統(tǒng)是需水系統(tǒng)。供水系統(tǒng)與需水系統(tǒng)相互作用，相互限制。

圖1 SD模型子系統(tǒng)相互作用示意

從圖1可以看出，在系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中，工業(yè)產(chǎn)值決定了工業(yè)需水量，三產(chǎn)產(chǎn)值決定了三產(chǎn)需水量，人口數(shù)量決定了生活需水量，農(nóng)田灌溉面積和牲畜數(shù)量決定了農(nóng)業(yè)需水量，城市綠地面積、水土流失面積決定了生態(tài)需水量；工業(yè)、三產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)五大需水系統(tǒng)和供水系統(tǒng)決定了區(qū)域的供需狀況，但供需狀況反過(guò)來(lái)又影響工業(yè)產(chǎn)值、三產(chǎn)產(chǎn)值、人口、農(nóng)業(yè)灌溉面積、牲畜數(shù)量和城市綠地面積等。

表2 各方案供需平衡分析 萬(wàn)m3

4 方案設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果分析

本次研究以根據(jù)不同的供需關(guān)系(見(jiàn)表2)來(lái)確定最優(yōu)化方案。

方案一：現(xiàn)狀延續(xù)型，即現(xiàn)狀規(guī)劃方案，工程可供水量按現(xiàn)狀取值，未來(lái)不發(fā)生變化，其余決策指標(biāo)如工業(yè)產(chǎn)值增加率、萬(wàn)元產(chǎn)值用水量等按照以往情形順延。

方案二：開(kāi)源型即根據(jù)現(xiàn)有工程規(guī)劃方案，逐年增加地表水源工程，直至與地表水資源可利用量持平，地下水源根據(jù)《遼寧省地下水保護(hù)規(guī)劃》，其供水量是逐年減少的，至遠(yuǎn)期規(guī)劃年供水量削減至零，其余決策指標(biāo)按照以往情形順延。

方案三：開(kāi)源節(jié)流型即供水方案與開(kāi)源型一致，各行業(yè)用水指標(biāo)與遼寧省實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度“十二五”規(guī)劃指標(biāo)逐年接近，其余決策指標(biāo)按照以往情形順延。

方案四：節(jié)流回用型即供用水方案與開(kāi)源節(jié)流型一致，新增加中水回用量，其余決策指標(biāo)按照以往情形順延。

由表2可見(jiàn)，在未來(lái)20年里，前3種方案均有不同程度的缺水，僅方案四可以保證經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展。本文將著重分析方案四的模擬結(jié)果。

節(jié)流回用型方案在前3個(gè)方案基礎(chǔ)上，考慮廢污水回用量來(lái)增加供水量，以滿足未來(lái)需水要求。經(jīng)過(guò)模型模擬，細(xì)河流域各個(gè)水平年供需平衡，本地水資源可以支撐未來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。

其各個(gè)時(shí)期決策變量取值見(jiàn)表3。將各決策變量代入模型，得到的最終模擬結(jié)果見(jiàn)表4。

通過(guò)層次分析法(AHP)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，可得不同方案下細(xì)河流域水資源承載力(見(jiàn)圖2)。

方案四綜合了開(kāi)源、節(jié)水、治污等措施，使得細(xì)河流域水資源承載力的提高大于上述每個(gè)方案的提高程度，而且提高的幅度越來(lái)越大。該方案全面考慮了開(kāi)發(fā)地表水資源，節(jié)約用水和污水治理等主

表3 方案四各個(gè)時(shí)期決策變量取值

時(shí)間生活用水定額/L·人-1·d-1城市農(nóng)村城市化率/%灌溉定額7667.85m3/hm2的灌溉變量/%工業(yè)萬(wàn)元增加值用水量66.48m3的變量/%面積變化率水利用系數(shù)增加值增長(zhǎng)率用水重復(fù)利用率2011年74.6159.2655.351570.000.1502015年90.0070.0065.002085.000.15202020年95.0080.0075.001088.330.12502025年97.5085.0080.00591.670.11602030年100.0090.0085.00095.000.1070時(shí)間三產(chǎn)萬(wàn)元增加值用水量/m3三產(chǎn)增加值增長(zhǎng)率/%可供水量/萬(wàn)m3地表水地下水污水處理率/%中水回用率/%2011年20.710.156351.62966.91002015年20.710.209528.00773.502030.02020年20.710.2012704.00309.405050.02025年20.710.1913739.50154.706567.52030年20.710.1814775.0008085.0

表4 方案四模擬結(jié)果

時(shí)間供水緊張程度工業(yè)增加值/萬(wàn)元人口數(shù)量/人農(nóng)田灌溉面積/hm2三產(chǎn)增加值/萬(wàn)元城市綠地面積/hm2牲畜數(shù)量/頭2011年1.441595843139591132.2726117320.00062672.02015年1.8101042130143541246.7248718141.47276178.22020年2.2221988720148636517.441212260103.19697224.92025年1.7393442610153911759.962966520256.784124086.02030年1.4325697140159374880.596960880638.960158369.0

圖2 各種方案下水資源承載力結(jié)果對(duì)比

要措施，既提高水資源的供應(yīng)量，又加強(qiáng)污水處理回用力度，使細(xì)河流域水資源承載力獲得了大幅提高，非常有利于細(xì)河流域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，良好地體現(xiàn)了區(qū)域水資源對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境和人口的支撐作用，從而使細(xì)河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展獲得較好的可持續(xù)性，所以該方案為最優(yōu)發(fā)展方案。

在節(jié)流回用型方案下，細(xì)河流域水資源承載力有最大幅度的提高。因此提高污水處理能力，增加中水回用量是提高細(xì)河流域水資源承載力的關(guān)鍵所在。目前細(xì)河流域僅有一處污水處理工程，中水回用率為零。因此，細(xì)河流域迫切需要加大投資力度，修建污水處理及回用工程，提高污水處理率和中水回用率，其具有保護(hù)水資源、水環(huán)境、增加供水量的多重效益，是解決目前細(xì)河流域水污染問(wèn)題和提高水資源承載力的根本出路。

5 結(jié) 語(yǔ)

本研究采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法建立SD模型來(lái)研究細(xì)河流域水資源承載能力。通過(guò)模型的試運(yùn)行和檢驗(yàn)，模型模擬仿真程度高，可合理預(yù)測(cè)未來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的需求。通過(guò)模型運(yùn)行整理四套未來(lái)水資源發(fā)展方案，模擬結(jié)果采用層次分析法(AHP)加以分析，結(jié)果顯示通過(guò)一系列措施，未來(lái)細(xì)河流域水資源可承載本地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，且認(rèn)為節(jié)水回用型方案是最優(yōu)選方案。

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(責(zé)任編輯 陳 萍)

Study on Carrying Capacity of Water Resources in Xihe River Basin Based on SD Model

WANG Yang

(Benxi Hydrology Bureau of Liaoning Province，Benxi 117000，Liaoning，China)

Based on the idea of sustainable development of water resources，the water resources conditions in Xi River Basin are analyzed.The index system is constructed based on the system of water resources-ecology-society and economy，and then a model based on system dynamics (SD) is created to realize the carrying capacity of water resources of Xi River Basin in different situations.The ways to improve the carrying capacity of water resources in the river basin are also analyzed．

SD model; carrying capacity of water resources; Xi River Basin

2015- 10- 18

王洋(1979—)，男，黑龍江拜泉人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水文水資源工作．

TV211.1(231)

A

0559- 9342(2016)06- 0022- 04