協調模式下的吐魯番地區水資源合理供求模式

伏吉芮+瓦哈甫·哈力克+姚一平

摘要：系統動力學基于系統理論，能夠將用水子系統和供水子系統納入到水資源供需系統中，并且可以分析每個子系統中各因素的變化對于整體系統的影響。而系統動力學軟件Stella可以通過情景模擬來預測水資源供需的發展趨勢。運用系統動力學的方法，結合吐魯番社會經濟發展和生態需水的實際情況，構建了吐魯番水資源供需系統模型，設定四種不同的情景，仿真模擬了2013年-2030年吐魯番地區水資源供需變化趨勢，進而對該地區水資源供需平衡進行分析。研究結果表明：為實現水資源的優化利用，保證吐魯番地區的可持續發展，還必須加大水利建設，增加水利投資，進一步實施節水措施，巧妙合理的利用水資源。

關鍵詞：水資源供需系統；系統動力學；吐魯番地區

中圖分類號：TV213文獻標志碼：A文章編號：1672-1683（2017）01-0067-05

Abstract：System dynamics is based on the system theory.It can incorporate the water use sub-system and water supply sub-system into the water resources supply and demand system，and can be used to analyze the influence of the factors in each subsystem on the overall system.The system dynamics software Stella can predict the development trend of water supply and demand through scenario simulation.Turpan water resources supply and demand system model was constructed using the system dynamics method based on the actual situation of Turpan social economic development and ecological water demand.Four different scenarios were set to simulate the variation trend of water resources supply and demand in Turpan area in 2013-2030.Then analysis was conducted on the balance of water resources supply and demand in the region.Research results showed that in order to achieve optimal use of water resources to ensure sustainable development of Turpan area，we must intensify water conservancy construction，increase investment in water conservancy，further implement water-saving measures，and use water resources smartly and reasonably.

Key words：water resources supply and demand syste；system dynamics；Turpan area

近年來，隨著工農業活動強度加劇，耗水量迅速增長，而水資源更新速度卻落后于水資源消耗的速度，水資源安全所面臨的威脅與日俱增[1-2]。基于此，專家學者們對水資源研究的出發點集中在如何充分合理利用水資源，以及協調經濟發展，工農業生產活動和水資源之間的關系，實現經濟、生態和資源效益的最大化，以達到可持續發展的目標。王友貞等[3-9]從水資源安全的角度出發對水資源承載力及水資源脆弱性進行量化分析，得出水資源安全利用的閾值范圍，保證水資源的可持續使用。馮文琦[10]模擬了深圳市水資源配置；張衍廣等[11-15]運用系統動力學對山東、北京、大連、崇明島，寶雞的水資源承載力進行了模擬研究。這些研究將系統動力學方法運用到水資源的模擬研究中，模擬了水資源的配置和水資源的承載力，將水資源和經濟發展、工農業生產之間的關系進行了分析。高彥春[16]以漢中盆地為例進行了區域水資源的仿真模擬和決策優化，該研究將經濟社會等方面的因素與水資源使用現狀納入一個總系統，進行系統模擬并得出最優的水資源使用決策。這些研究涉及地區雖較多，涉及水資源的承載力和脆弱性等多個方面，但運用系統動力學對干旱區的水資源進行仿真模擬研究的較少。

吐魯番是典型的干旱區破碎綠洲，綠洲作為一個獨立存在的生態系統，具有唯水性，如果沒有水，綠洲將不復存在。吐魯番水資源極度缺乏，水資源對綠洲區域經經濟的發展有著至關重要的作用[17]，如何配置有限的水資源來確保可持續發展是該地區面臨的難題。本文以吐魯番地區為例，對該地區的水資源供需系統進行動態仿真模擬。結合該地區的實際情況，分析研究水資源的需求狀況，從而實施適當的調控，使水資源得到合理利用，實現水資源的高效配置，從而實現該地區的可持續發展。

1 研究區概況

吐魯番地區位于中國新疆維吾爾自治區東部，是中國內地連接中國新疆、中亞地區及南北疆的交通樞紐[18]。吐魯番盆地是我國海拔最低的盆地，區內艾丁湖海拔為-154 m。該地區屬于典型的干旱區破碎綠洲，氣候是獨特的暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候，因地處盆地之中，四周高山環抱、增熱迅速、散熱慢，形成了日照長、氣溫高、晝夜溫差大、降水少、風力強五大特點，素有“火州”、“風庫”之稱。年均降水量16.4 bmm，由于炎熱干燥，蒸發量特別大，因此該地區水資源十分匱乏。近年來，該地區經濟發展迅速，旅游、工礦企業規模迅速增長，因此有必要對該區水資源的供需平衡進行分析，以便更有效地利用水資源，促進吐地區合理發展。

2 研究方法

2.1 系統動力學方法

系統動力學（system dynamics）簡稱SD，是美國麻省理工學院福瑞斯特教授1956年創立的，系統的基本結構單元是反饋回路，即系統的狀態、速率（決策）與信息的回路。系統動力學的基本方法包括因果關系流圖、流圖、方程和仿真平臺。通過對系統的分析，確定變量之間的關系、構建方程、建立模型，將模型輸入計算機進行仿真模擬，可以設定不同的情景，對系統進行仿真。文中所采用的系統動力學軟件是Stella。2.2 水資源供需系統模型構建

2.2.1 子系統分析

（1）需水子系統。需水子系統由工業需水、農業需水、生活需水和生態需水構成。在吐魯番綠洲內，農業用水的比例是最大的，有的年份高達98%，一般年份也會在95%以上。在2013年時生態需水為0.66億 m3，農業需水和生態需水較多，工業用水為0.51億 m3，生活用水為0.21億 m3。

（2）供水子系統。供水子系統主要包括本地常規水資源和再生水的回用。吐魯番地區的常規水資源主要是冰雪融水，由于廢污水處理技術和設備限制，再生水回用量也不多，占水資源總量的0.8%。近年來，隨著氣候變化，冰雪融水也在不斷減少，2013年只有10.6億 m3。水質性缺水，季節性缺水在該地區也較為明顯。

（3）社會經濟子系統。該系統主要由人口、GDP、城市化水平和產業規模等構成。人口總量由人口增長率決定，城市人口和農村人口的數量由城市化率決定，GDP和產業規模反映的是該地區的經濟水平，由各產業的增長率決定，水利投資由地區生產總值決定。

（4）水環境子系統。該系統主要由廢污水排放、處理及再生水回用量組成。吐魯番地區的廢污水處理技術和廢污水處理設施滯后于整個產業的發展，這也是該地區中水利用率低的一個重要原因。

2.2.2 模型構建

根據吐魯番地區水資源供需的實際情況，建立水資源供需系統仿真模型（圖 1）。模型中的變量如下（因變量名稱較長，因此用變量全名拼音的第一個字母組合來代替）。

（1）狀態變量 （L）。總人口（ZRK）、農田灌溉面積（NTGGMJ）、農田灌溉單位面積用水量（NTGGDWMJYSL）等9個狀態變量。

（2）速率變量 （R）。人口增量（RKZL）、灌溉面積增量（GGMJZL）、農田單位面積灌溉用水增量（NTDWMJGGYSZL）等9個速率變量；

（3）輔助變量 （A）。城鎮人口（CZRK）、農村人口（NCRK）、農村生活需水量（NCSHXSL）、城鎮生活需水量（CZSHXSL）、城鎮生態需水量（CZSTXSL）、生產需水量（SCXSL）等22個變量。

（4）常量 （C）。模型中所包含的常數、表函數和初始值。

該模型共包含40個系統動力學方程：22個輔助方程、9個狀態變量方程、9個速率變量方程。用Stella軟件對模型進行運行，檢驗結果表明該模型構建合理，以2013年為基準年，模擬2009年-2013年吐魯番地區的人口、GDP和總需水量，模擬結果與實際數據誤差均小于5%（見表1），符合要求，說明該模型的模擬結果可信。

3 情景模擬及結果

3.1 情景設計

以2013年為基準年，對吐魯番地區的社會發展、人口變化與水資源供需平衡情況進行模擬分析，（步長為1 a），終止年為2030年。水資源供需系統調控參數及方案見表2。

（1）情景一。假設在人口、經濟發展水平、水資源承載力維持現有狀況下的發展，將這種情景下的發展模式稱其為現狀延續模式。

（2）情景二。假設主要突出經濟發展，以提高各產業的增加值的增長率，產業規模擴大為目標的發展，將這種情景下的發展模式稱其為經濟發展模式。

（3）情景三。假設重點在于提高水資源的管理技術，旨在構建節水型社會，形成節水型生產生活方式。在模擬過程中，減少城鄉人均生活用水定額、萬元產業增加值用水定額增長率，提高有效灌溉系數等。將這種情景下的發展模式稱其為節水模式。

（4）情景四。假設在節水模式的基礎上，對經濟發展速度和產業結構進行調整，在水資源短缺的情況下，使該地區社會經濟和生態協調發展。同時，提高污水處理率和再生水回用率，適當增加在水利建設方面的資金投入。我們將這種情景下的發展模式稱為協調發展模式。

3.2 模擬結果

選取GDP、人口變化、供需壓力、總需水量等主要指標來說明模型的仿真模擬結果及其變化趨勢比較見圖 2。

在情景一中，2030年吐魯番地區GDP為0.056×1012元，總需水量16.1億 m3，水資源供需壓力達到1.5，水資源供需缺口大，水利投資隨著社會經的發展逐漸增加，污染影響系數為0.755，水環境污染嚴重。如果延續這種現狀，水資源短缺將日益嚴重。

在情景二中，2030年吐魯番地區GDP為0.083×1012 元，總需水量17.3億 m3，水資源供需壓力高達1.79，遠遠超過情景一。雖然在這種情景下，生產總值升幅很大，但是水資源壓力非常大，而且由于產業規模迅速擴大，廢污水的排放量也增加，對吐魯番極度脆弱的生態環境來說，這種具有高經濟效益的發展是以生態環境的破壞和資源的枯竭為代價的。這種發展是不可持續的發展。

在情景三中，2030年吐魯番地區GDP將達到0.09×1012 元，總需水量達到15.3億 m3，水利投資逐年遞增，達到1.55×108元；水資源供需壓力雖然呈現緩慢穩定增長狀態，但小于情景一和情景二；污染影響系數為0.73，這說明水資源污染問題依然較為嚴重。預測結果說明，節水措施對于緩解水資源供需矛盾起到了一定作用，但是水資源污染的問題依然存在。

在情景四中，水資源供需處于一個可持續發展狀態，發展到2030 年，水資源的供需壓力為0.98，比情景一的1.5、情景二的1.79都小，這說明水資源供給能力可以支撐當地的可持續發展。

情景三雖然達到了節水的目的，但對于經濟發展有制約，因此不是最優選擇，情景二突出經濟發展，但是是一種不可持續的發展，情景一是在沒有任何調控下延續現狀的發展，這種發展對生態環境和水資源的壓力較大，難以維持長久。吐魯番地區在情景四（協調發展模式）下，實行再生水利用、將再生水、地表水，地下水進行統一配置。水資源供給基本能夠實現可持續發展的要求，關鍵在于以消耗較少的水資源，獲得了較高的經濟效益，因此在該情景下，水資源的使用效率最高。隨著吐魯番地區城鎮化的快速發展，水資源的需求量將不斷增加，到2030年，總需水量依然是增長的趨勢。隨著城市化率的提高，農村人口大量向城市轉移，導致城市生活人口增加，從而需水量增加，而農村生活用水有所減少，城鎮生態需水總量略有增長。由于節水措施和有效灌溉系數的提高，農田有效灌溉面積增長，但是由于吐魯番地區的農業屬于灌溉農業，用水量大，所以農業用水并沒有減少，反而是略有增長。由于產業規模擴大的需要，工業需水量會繼續增長，第三產業需水量會隨著產業規模的逐漸擴大而穩定增長。

4 結語

隨著人口數量增加，人們生活水平提高，吐魯番水資源的供需矛盾日益強化。在模擬時間段內，水資源的需求會不斷增長，但是水資源的更新卻趕不上需求增長的腳步。在新絲綢之路經濟帶建設的背景下，吐魯番地區的經濟發展顯得尤為重要，水資源安全所面臨的威脅就是城市發展所面臨的威脅。在全球變暖的大環境下，該地區的雪山融水供應能力有限，要緩解水資源的緊張狀況，就必須做到優化產業結構，合理布局各產業，在招商引資的過程中拒絕耗水企業進駐吐魯番，已進駐該地區的企業，盡量要求升級生產設備，以減少污染，減少水資源消耗；農業方面，全面發展滴灌技術，實現節水農業，保證地區的可持續發展。（本文數據來源于《吐魯番統計年鑒（2002-2014）》 、《新疆水資源公報》和《吐魯番地區國民經濟和社會發展統計公報》。同時結合了課題組2012年-2015年在研究區的野外調查數據）

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