中國北方農牧交錯區水資源承載力動態仿真研究
——以內蒙古通遼市科爾沁區為例

徐冬平, 趙 波, 李同昇, 楊軍輝, 朱記偉

(1.西北大學 城市與環境學院， 陜西 西安710127； 2.西安理工大學 土木建筑工程學院， 陜西西安 710048； 3.西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室， 陜西 西安 710048；4.西安理工大學 教務處， 陜西 西安 710048； 5.西安外國語大學 旅游學院， 陜西 西安710128)

中國北方農牧交錯區水資源承載力動態仿真研究
——以內蒙古通遼市科爾沁區為例

徐冬平1,2,3, 趙 波4, 李同昇1, 楊軍輝5, 朱記偉2,3

(1.西北大學 城市與環境學院， 陜西 西安710127； 2.西安理工大學 土木建筑工程學院， 陜西西安 710048； 3.西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室， 陜西 西安 710048；4.西安理工大學 教務處， 陜西 西安 710048； 5.西安外國語大學 旅游學院， 陜西 西安710128)

[目的] 分析農牧交錯區水資源承載力的動態變化規律，為同類地區的可持續發展提供有益的理論參考。[方法] 以內蒙古自治區通遼市科爾沁區作為農牧交錯區典型案例地,運用系統動力學方法,建立科爾沁區有限水資源支撐下的“社會—經濟—生態”協同發展的仿真模型,并根據農牧交錯地區以及科爾沁區社會經濟發展的特點,提出區域“社會—經濟—生態”協同發展的自然增長模式、第一產業現代化模式、第二產業主導模式、第三產業引領模式、循環經濟發展模式這5種理論模式。[結果] 在系統動力學仿真的基礎上,運用遺傳投影尋蹤法對仿真結果進行優選,認為循環經濟發展模式是水資源承載力最優的發展模式。[結論] (1) 合理調配農、牧比例關系是節約農牧交錯地區有限水資源的關鍵舉措; (2) 農牧交錯地區致力發展傳統產業或將陷入水資源匱乏的窘境; (3) 發展循環經濟是提高農牧交錯地區水資源承載力的有效途徑; (4) 全面開展農牧交錯區的水資源承載力研究是增強區域可持續發展能力的保障。

農牧交錯區; 水資源; 承載力; 動態仿真; 科爾沁區

文獻參數： 徐冬平, 李同昇, 趙波, 等：中國北方農牧交錯區水資源承載力動態仿真研究[J].水土保持通報，2017,37(1)：262-269.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.046； Xu Dongping, Zhao Bo, Li Tongsheng, et al. Dynamic simulation of carrying capacity of water resources in agro-pastoral ecotone in Northern China[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：262-269.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.046

水資源的承載能力關系到地區和諧、穩定的發展，歷來受到眾多學者的關注。進入21世紀以來，隨著地區經濟社會快速發展，水資源迅速成為影響區域可持續發展的重要戰略資源，尤其在北方水資源匱乏地區地區，水資源決定著地方發展的未來。

自20世紀80年代施雅風提出水資源承載力概念以來，中國學者針對這一問題進行了大量的探索。21世紀初期，關于水資源承載力的研究主要集中在宏觀尺度，并取得了豐碩的研究成果，夏軍等[1]利用區域水循環模擬探索了區域水資源承載力的量化研究方法；徐中民等[2-3]利用多目標情景分析模型，對黑河流域水資源承載力進行了研究；王浩等[4]建立了水資源承載力的指標體系、邊界條件以及計算流程，探究了西北內陸干旱區水資源承載能力；閔慶文等[5]從水資源生態系統管理視角出發，提出水資源生態安全理論，并以西北地區為例研究了水資源安全與生態系統的互動機制，劉佳駿等[6]對中國水資源承載力進行了綜合評價研究，上述成果為水資源承載力的進一步研究奠定了堅實的理論基礎。近年來大量學者在宏觀尺度研究的基礎上，逐步在中觀尺度上開展了關于水資源承載力的實證研究，卜楠楠等[7]開展了省域范圍的水資源承載力研究；董雯等[8]、曾浩等[9]等開展了流域區域的水資源承載力研究。曾現進等[10]、陳威等[11]、宰松梅等[12]、馬峰等[13]開展了市域水資源承載力研究；田靜宜等[14]、馬金珠等[15]開展了干旱地區的水資源承載力研究。

縱觀眾多的研究成果，關于中國北方農牧交錯地區水資源承載力的研究成果較少。中國北方農牧交錯地區地理位置特殊，屬干旱地區向濕潤地區過渡地帶，水資源匱乏，生態環境敏感，近年的多起環境事件(如沙塵暴)均與農牧交錯區過度開發水資源而引起的環境破壞有著較大干系。長期以來中國北方農牧交錯區過度開發農業生產，“積極”的承擔起糧食生產基地的功能，這不僅消耗了大量的寶貴水資源，而且造成了農牧比例關系失衡，這種過分消耗有限水資源的生產方式，不但會降低其水資源固有的承載能力，并且為由破壞性開發水資源而引發的生態災難埋下了隱患。

本文擬基于農牧交錯地區農、牧業交雜發展的社會背景下，研究有限水資源的合理承載能力，描述水資源與社會經濟發展之間的互動關系，優化水資源的配置結構，揭示水資源約束下的區域發展的動態過程，對促進區域高質量可持續發展顯得尤為重要。本文擬構建農牧交錯地區系統動力學仿真模型，并以內蒙古自治區通遼市科爾沁區為例，分析農牧交錯區水資源承載力的動態變化規律，為同類地區的可持續發展提供有益的理論參考。

1 研究區概況

通遼市科爾沁區地處內蒙古自治區東部，位于北緯43°22′—43°58′，東經121°42′—123°02′，行政區域面積為3 212 km2，2013年總人口為75.63萬人。目前，科爾沁區水資源總量為9.0×108m3，可利用水資源總量為6.5×108m3，可利用水資源在各生產部門的配置極不均衡，農業生產用水占72%，二、三產業及生活用水部門分用余下水量，由于農業生產效率低下且占用水資源比例較多，導致目前科爾沁區水資源的承載力水平較低，2014年單方水資源僅承載91.15元產值，僅為發達國家的1/20左右。

通過將科爾沁區與北方農牧交錯地區進行對比(表1)，發現二者社會經濟發展狀況具有極大的相似性，雖然科區第二產業增長速度略高于北方農牧交錯區的平均水平，但是二者社會經濟綜合發展水平大致相仿，科爾沁區能夠作為北方農牧交錯地區的典型地區，具有研究的代表性。深入研究科爾沁區水資源承載能力，可為北方農牧交錯地區提高水資源承載力、涵養水源、保護生態環境、促進經濟社會的可持續發展，提供有益的理論和實踐依據。

表1 科爾沁區與北方農牧交錯區社會經濟發展對比

2 研究方法

2.1 系統動力學方法

系統動力學[16-17]方法在處理具有非線性、時變性、多重反饋等特點的“資源承載—社會發展”問題時具有獨特的優勢，與信息熵法[18]、模糊評價法[19]、主成分分析法[20]等方法相比，系統動力學方法能夠較好地反映經濟、社會、生態等子系統及其構成要素之間非線性的反饋關系，模擬不同發展情景下的需水訴求。本文以水資源作為承載農牧交錯地區經濟社會發展的制約性資源條件，建立“水資源—社會經濟系統”的動態響應關系[21]，提出農牧交錯區經濟發展的“自然增長模式”、“第一產業現代化”、“第二產業主導模式”、“第三產業引領模式”、“循環經濟模式”等模式，找尋最適合的農牧交錯地區水資源條件的經濟發展模式，為廣大農牧交錯地區在有限水資源條件下實現可持續發展提供理論依據。

2.2 研究邊界

本文以2014年為現狀年，建立通遼科爾沁區水資源承載力的系統動力學仿真模型，模擬科爾沁區的2014—2030年的水資源承載力狀況以及社會經濟系統的運行狀態，模型主要包括水資源供給子系統系統、社會經濟發展子系統、循環經濟發展子系統、地下水生態環境子系統。

系統動力學建模所需的數據資料包括水資源供給資料、社會經濟運行數據、地下水環境資料等，所需數據主要來源為通遼市統計年鑒(2005—2015)、通遼水利公報(2010—2015)以及作者在通遼市調研期間獲得的第一手資料。

2.3 系統動力學模型

本文以Vensim DSS為仿真平臺，建立了農牧交錯地區的系統動力學仿真模型，主要利用第一、二、三產業用水反饋回路、生活用水反饋回路以及循環產業用水反饋回路等5條主要的反饋回路刻畫了模型的系統關系。第一、二、三產業用水反饋回路見圖1，系統動力學模型圖如圖2所示。囿于篇幅關系，本文以第一產業用水反饋回路為例，闡明系統動力學反饋回路關系。

注：“+”表示正反饋關系； “-”表示負反饋關系。圖1 農牧交錯區水資源承載力系統動力學因果關系

第一產業用水反饋回路包涵的因果關系如下：① 農業用地面積+→農產品產量+→農產品加工量+→循環農業產業+→循環農業產業需水+→總需水量+→系統缺水+→第一產業發展調節-→農業用地面積； ② 農業用地面積+→農產品產量+→糧食產量； ③ 農業用地面積+→節水灌溉面積(傳統灌溉面積)+→農業需水量+→需水總量+→系統缺水+→農業發展調節-→農業用地面積； ④ 農業用地面積+→節水灌溉面積(傳統灌溉面積)+→農業需水量+→需水總量-→地下水生態環境。

2.5 模型檢驗

系統動力學模型建成后需要對其可靠性進行檢驗，目前系統動力學模型可靠性的檢驗方法大概有12種[22]，目前比較常用的方法包括敏感性系數法、極端情景檢測、量綱一致性檢測、結構行為檢測、歷史數據檢驗，本研究采用敏感系數法對模型進行雙重有效性檢驗，以驗證模型的可靠性。

選擇城鎮人口增長速度、有效灌溉面積增速、二產增長速度、養殖豬增長率、節水灌溉農地比例、城鎮用水普及率、有效灌溉單位需水量、農、牧業用地之比等變量作為輸入參數，選擇城鎮化水率、GDP總量、需水量、缺水度、總用水效率、生態用水量等指標作為輸出變量，對模型進行敏感性檢驗，結果見表2。結果顯示8項重要的指標對輸出的變量靈敏度最大為0.638 2，平均小于0.2，認為模型比較穩定，可以用來進行仿真模擬和情景分析。

表2 科爾沁區水資源承載力系統動力學模型靈敏度檢驗結果

注:①有效灌溉單位需水量中單位采用公頃為計量單位。

3 仿真研究

3.1 情景方案設計

本文設計的情景發展模式主要為自然增長模式、第一產業現代化、第二產業主導模式、第三產業引領模式、循環經濟發展模式，其中前4種模式屬傳統發展模式。

(1) 自然增長模式。任何地區社會經濟的發展都保持著一定程度的穩定狀態，這種穩定狀態一般稱為自然增長狀態。本文利用2005—2010年的科爾沁區社會經濟發展的歷史數據，采取灰色模型預測的方法、回歸分析法、指數平滑法等建立各指標基于歷史數據的趨勢關系，這些指標主要分為4大類，主要包括社會發展類指標、經濟發展類指標、生態環境類指標以及水資源支撐類指標，將各指標按照歷史趨勢確定的量化關系輸入系統動力學模型，系統模擬行為表達的結果即為科爾沁區自然發展狀態的仿真結果。

(2) 第一產業現代化。科爾沁區的第一產業部門發展屬于重要的發展部門，以種、養殖業發展為主，2014年第一產業產值占總GDP的9.66%，用水量占可利用水量70.99%，用水效率極低，說明水資源對農業生產的承載力水平較低[23]。本文響應十八屆五中全會關于加快農業現代化的發展理念，提出科爾沁區第一產業現代化的發展模式，即在自然增長模式的基礎上，加大對農業發展的扶持力度，保持農業耕地面積勻速增長，大力發展現代化農業，提高節水農業的面積比例，至2020年全部完成農業灌溉的節水改造，這對節約農業生產用水[24]，進而改善科爾沁農牧交錯地區的地下水生態環境具有重要的意義。

(3) 第二產業主導模式。以工業為主體的第二產業部門在科區經濟社會發展中具有舉足輕重的地位，其2014年總產值占GDP總量為61.27%，用水量占總供水量19.92%，用水效率為第一產業部門的22.6倍。為保證第二產業的主導地位，本文提出第二產業主導的發展模式[25]，即在自然增長模式的基礎上，穩步加大對工業發展部門的扶持力度，提高其用水保證率和固定資產投資保證率，提高其增長速度。第二產業主導模式確立了第二產業重點發展地位，將削弱對第一產業部門用水及投資保證，促使部分低效灌溉耕地轉化為牧業用地。由于牧業生產不需要大量抽取地下水進行灌溉，這在一定程度上緩解了地下水環境的生態壓力。

(4) 第三產業引領模式。以服務業為主導的第三產業部門是科區經濟社會發展可持續發展的有力保障，其2014年總產值占GDP總量為29.07%，用水量僅占總供水量1.92%，目前是科區社會經濟發展用水效率最高的生產部門。本文在自然發展模式的基礎上，提出第三產業引領模式來實現科區水資源匱乏條件下的可持續發展。由于第三產業發展的水資源高效率特性，可在促進經濟社會穩定發展的同時，減少大量水資源的消耗，這對降低地下水生態環境壓力大有裨益。

(5) 循環經濟發展模式。目前，循環經濟在通遼科爾沁區的社會經濟發展過程中還屬于新興事物，本文借鑒發達地區的發展經驗，認為在水資源缺乏的區發展循環經濟產業必將會起到帶動經濟發展、促進社會進步、提高水資源效率、降低水資源消耗、改善生態環境等一系列的良性效應。囿于科爾沁區資源條件的限制，發展循環經濟應立足于資源條件相對豐足的玉米循環產業、農牧循環產業等，以科爾沁玉米為原材料的循環產業為例，如玉米→玉米淀粉淀粉→變性淀粉→酶制品→其他系類衍生產品，玉米秸稈→木質素→纖維素→醇類其他系類衍生產品，玉米芯→糠醛→糠醇→紡織、塑料、軍工、航天等系列衍生產品。按照國內外發展循環經濟的成果經驗，建設科區循環產業部門會延長農業部門產業鏈條，促進工業部門內部協調發展，實現廢物循環利用，提高區域資源承載能力，促進科爾沁區的可持續發展。

3.2 仿真結果優選

分別運行上述5種發展模式的系統動力學模型，得到科爾沁區水資源承載力2014—2030年的仿真結果。表3列出2020年和2030年2個特征年的仿真結果。為避免主觀遴選的影響，本文選取遺傳投影尋蹤法對仿真結果進行優選。

表3 科爾沁區水資源承載力系統動力學仿真結果

注:自增模式：自然增長模式； 一現模式：第一產業現代化； 二主模式：第二產業主導模式； 三引模式：第三產業引領模式；循經模式：循環經濟發展模式。

本文利用Matlab完成上述5種方案的遺傳投影尋蹤的計算分析，選定種群個數為1000，交叉概率為0.5，變異概率為0.05，迭代次數為200次，投影方向的初值區間為[0，1]，經過計算后，優化的目標函數最優值為5.897 2，各方案2020，2030年的投影值：Z2020=(0.367 5，0.342 2，2.003 1，2.415 1，3.462 7)，Z2030=(0.348 1，0.332 9，2.121 8，2.332 4，3.598 7)，通過將2020年和2030年的投影值平均后得到各方案平均投影值為Z(i)=(0.357 8，0.337 55，2.062 45，2.373 75，3.526 2)由此得到各方案的優劣排序依次為：循環經濟發展模式>第三產業引領模式>第二產業主導模式>自然增長模式>第一產業現代化，故推薦模式為循環經濟發展模式。

循環經濟發展模式下，2030年科爾沁區水資源承載的總人口為89.8萬人，城鎮化水平為71%，人均生產總值為28.5萬元/人，GDP總量為2 560億元，GDP平均增速為9.0%，產業結構為5∶63∶32。達到上述經濟社會發展狀況的水資源需求量為7.22×108m3，用水效率為354元/m3。由于循環經濟發展模式的用水效率較高，至2030年，科爾沁區水資源供需基本平衡，并沒有出現用水缺口，生態用水量也得到了良好的保證。

4 結 論

(1) 合理調配農、牧比例關系是節約農牧交錯地區有限水資源的關鍵舉措。研究在第一產業現代化、自然增長模式、第二產業主導模式、第三產業引領模式和循環經濟發展模式這5種理論模式中依次降低農業用地在社會經濟系統中的比例，結果表明雖然農業生產總值在不同程度上降低，但是系統整體的用水效率確明顯提高，系統的缺水程度有所改善，生態用水也得到有效的補充。這說明在水資源缺乏的農牧交錯地區合理降低低效率的農業生產用水比例，是節約地區水資源、提高水資源效率、改善水生態環境的關鍵舉措。

(2) 農牧交錯地區致力發展傳統產業或將陷入水資源匱乏的窘境。在本文建立的4種傳統發展模式中，雖然第二產業主導模式和第三產業引領模式的社會經濟發展狀態較優，但是從整體看，這2種發展模式已經逐漸陷入水資源無以為繼的困境，主要表現為第二產業主導模式和第三產業引領模式分別在2025和2026年首次出現缺水的現象，且呈不斷擴大趨勢，至2030年分別為17%和11%，這將影響社會經濟發展的速度和水平。在既有可利用水資源無法滿足發展情況下，區域發展往往采取不斷擠占生態用水量的不當方式來彌補水資源的不足，必然會導致脆弱的水生態環境發生不可逆轉的改變，這種改變或許會是引發農牧交錯區生態災難的開端。因此，在農牧交錯地區如果繼續大力發展傳統產業，而不能大幅度提高水資源的承載質量，將至使區域“社會—經濟—生態”復合系統陷入水資源匱乏的窘境。

(3) 發展循環經濟是提高農牧交錯地區水資源承載力的有效途徑。通過對科爾沁區的案例研究表明，在保證率75%的水平年里，循環經濟模式下的水資源承載力數量(GDP總量、GDP增速等、生態用水量等)明顯高于其它發展模式，且水資源承載質量獨樹一幟，主要表現為水資源利用效率高出30%～90%，區域城鎮化率高出5%～20%，以及區域發展始終保持不缺水的狀態，這是區域水資源承載力水平不斷提高和可持續發展能力不斷增強的集中體現。因此，發展循環經濟是未來實現農牧交錯地區實現可持續發展的重要策略。

(4) 全面開展農牧交錯區的水資源承載力研究是增強區域可持續發展能力的保障。農牧交錯地區水資源承載力的全面研究涉及農牧關系、產業升級、水源地保護以及水生態等方面，涉及面廣、問題獨特、關系復雜，全面開展研究難度比較大。本文拋磚引玉的研究了提高科爾沁區的水資源承載力的基本問題，主要研究了農牧關系、產業升級和水生態環境問題，但在水環境承載力問題(如污染物排放、水環境容量方面)上還有不足，這是由于農牧地區水環境問題復雜，需要進行更大范圍的科研協作和更多學者的通力合作。因此，系統地、全面的開展農牧交錯地區的水資源承載力的研究是今后一段時期內需要研究的重要內容。

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Dynamic Simulation of Carrying Capacity of Water Resources in Agro-pastoral Ecotone in Northern China—A Case Study at Horqin District, Tongliao City in Inner Mongolia

XU Dongping1,2,3, ZHAO Bo4, LI Tongsheng1, YANG Junhui5, ZHU Jiwei2,3

(1.CollegeofUrbanandEnvironmentScience,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710127,China; 2.SchoolofCivilEngineeringandArchtecture,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China; 3.StateKeyLaboratoryofEcologicalWaterConservancyintheNorthwestAridArea,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China; 4.AcademicAffairsOffice,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China; 5.SchoolofTourism,Xi’anInternationalStudiesUniversity,Xi’an,Shaanxi710048,China)

[Objective] The dynamic changes of water resource carrying capacity in agro-pastoral ecotone is analyzed, which will provide a theoretical reference for the sustainable development of the similar areas. [Methods] The study selects the Horqin District, Tongliao City in Inner Mongolia as a case study area, which is characterized with typical characteristics of agro-pastoral ecotone. Through the method of system dynamics simulation, we established the system dynamic model for the coordinated development of “society-economy-ecology” based on the limited water resources in Horqin District. Meanwhile, according to the characteristics of agro-pastoral ecotone and social economic development in Horqin District, five theoretical models of regional “society-economy-ecology” coordinated development were put forward, including natural growth model, primary industry-modernization model, secondary industry-dominated model, tertiary industry-led model and recycling economic development model. [Results] On the basis of system dynamic simulation, we used genetic projection pursuit method to optimize the simulation results, and found that the recycling economic development model was the model with optimal water resources carrying capacity.[Conclusion] (1) The proper arrangement of agricultural and pastoral proportion is a key to saving limited water resources in agro-pastoral ecotone; (2) The development of traditional industries in agro-pastoral ecotone would cause water resources scarcity; (3) Recycling economy is an effective way to improve the carrying capacity of water resources in agro-pastoral ecotone; (4) The increasing investiment on researches on the carrying capacity of water resources in agro-pastoral ecotone will help to provide the support for regional sustainable development.

agro-pastoral transitional zone; water resources; carrying capacity; dynamic simulation; Horqin Distrct

2016-05-26

2016-06-07

水利部公益項目“半干旱區水循環與水生態安全關鍵技術研究”(201501031); 國家自然科學基金項目“面向生態城市的水土資源利用格局變化機制及適應性調控研究”(51479160)

徐冬平(1978—),男(漢族),吉林省松原市人,博士研究生,副教授,主要從事區域規劃與循環經濟研究。E-mail:379821411@qq.com。

李同昇(1960—),男(漢族),陜西省岐山縣人,博士,教授,博士生導師,主要從事經濟地理與區域發展研究。E-mail:leetang@nwu.edu.cn。

A

1000-288X(2017)01-0262-08

K901， TV211.1