基于SD模型的鐵嶺市水資源循環經濟研究

陳祖輝

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

對水資源承載力進行科學合理的研究評價是影響鐵嶺市水資源循環經濟可持續發展的決定性因素。目前，結合循環經濟發展模式的水資源供需能力的研究還相對較少，且往往將其作為其他相關利用，并未形成全面、科學的水承載力的研究理論體系。

目前用于水資源承載力研究的主要方法有多目標決策法、主成因分析法、模糊綜合判斷法以及系統動力學法，上述不同的計算方法各自具有不同的特點和優點，在不同的應用領域均具有一定的適用性，但同樣存在一定的不足和缺陷，應結合研究區域的實際情況選擇合適的評價方法[1- 3]。

1 鐵嶺市水資源及社會經濟現狀

1.1 水資源概況

鐵嶺市位于遼寧省北部，隨著工農業的快速發展以及人口數量的急劇增大，其水資源供需矛盾日益緊張，城鎮居民日常生活用水受到威脅，局部地區的用水緊張問題明顯制約著人們生活質量的提高和生態經濟的發展速率[4]。據氣象資料研究表明，鐵嶺市多年平均降雨量在616～725mm之間。降雨在時空分布上明顯不均勻，其中6～9月是降雨的旺季，降雨量占全年的68.2%以上，在空間上由東南向西北方向呈逐漸減少趨勢[5]，目前鐵嶺市對地表徑流的有效攔截利用率僅有22.8%。遼寧省用水現狀調查結果顯示，鐵嶺市的每年用水量僅有12.54億m3，生活用水量約為0.47億m3，按城鎮人口算其人均占有量僅為426m3，明顯低于全國平均水平；地下水資源的主要用途為農業灌溉用水和工業用水，工業用水為0.78億m3，農業用水為11.5億m3。該區域曾多次發生供水緊張的局面，并對經濟的發展產生了不良影響，且因生活垃圾以及工業污水的處理不當產生的二次污染現象嚴重，不僅破壞了水系統的生態平衡，水資源系統也進入惡性循環[6]。

1.2 社會經濟概況

鐵嶺市土地面積為12966km2，主要有3個市轄區和2個縣級市、2個經濟開發區，2010年的常住人口為305萬人，其中非農業戶口為100.1萬人；農業戶口為204.9萬人，占總人口的67.2%。2015年鐵嶺市的GDP生產總值相比2014年其增長率分別為7.2%、15.8%和13.5%，三類產業增加值分別占GDP生產總值的比重為22.7%、48.6%和28.7%。然而其農業灌溉平均用水量、水資源占有量、萬元工業增加值所需水量還低于有關平均用水量和用水效率的基本標準[7]。

2 構建水資源承載力SD模型

2.1 模型的建立

2.1.1 系統動力學簡介

系統動力學即SD科學是結合了計算機仿真技術和反饋控制理論的綜合科學，可用于對較大復雜系統的變化規律和發展趨勢研究，并且能夠對多個關聯系統的過去實際情況、現在發展狀況以及未來發展趨勢進行定量和定性的分析計算，系統動力學基本理論體系是實現綜合系統進行科學決策和現代化經營管理的主要技術手段。復雜系統一般具有周期性、長期性、時變性以及高階非線性等特征，采取SD系統動力學可針對上述特點進行科學有效的計算分析，其基本原理是針對動態問題，系統所具有的變量可隨時間的變化而改變，通過建立模型可對系統進行中長期的變化發展趨勢進行準確的模擬[8]。當前SD系統動力學已在生態、經濟和社會等多個復雜大系統中的決策研究和規律變化分析中得到廣泛的應用。水資源承載力研究受多種因素影響，其內容較為復雜，且各因素之間作用關聯，傳統的方法已不能準確反饋各種動態參數之間的變化關系，只能做最優解處理。SD系統動力學利用層次化多目標劃分基本理論可將錯綜復雜的大系統劃分為多個子系統，并根據不同決策變量設定多種方案，利用子系統之間的相互作用關系進行水資源開發利用隨子系統關系變化的發展趨勢研究[9]。

2.1.2 設計思路

基于水資源承載力的SD模型其主要目的是探討有效解決鐵嶺市水資源供應緊張，并達到生產生活發展的用水需求的根本途徑，以探討符合經濟發展規律和趨勢的用水途徑和方法[10]。首先設定鐵嶺市城鎮化發展水平呈快速發展趨勢，其經濟社會保持高速發展，在采取當前用水模式下即生態和生活用水保持當前的增加趨勢、萬元工業用水和萬元GDP用水保持當前下降趨勢等，對鐵嶺市未來的需水情況進行預測。通過對比分析未來需水量與可供水資源量之間的關系，判斷當前用水模式下其水資源總量能否支撐其鐵嶺市未來經濟的快速發展。

2.1.3 力學原理

系統動力學的基本組成主要包括一系列的線性方程組，且多為一階微分方程，不同參數的水準和變量之間的發展趨勢一般采用歐拉法數值積分進行表示，表達式如下：

L.K=L.J+DT(IR.IK-OR.JK)

(1)

式中，L.K，L.J—分別為參數在K和J時刻的不同狀態變量；IR.IK，OR.JK—系統流入和流出速率；K—現在時刻；J—K時刻的前一時刻。

2.1.4 模型結構分析

結合鐵嶺市的實際情況和所研究問題的主要特點，并對特殊用水環節和領域進行系統分析后，將SD模型邊界主要設定在鐵嶺市的土地范圍內。然后利用SD模型中的Vensim編程建立包含人口、經濟、環境和資源的水資源承載力SD流程圖。速率和狀態變量是模型計算過程中主要考慮的變量，其中速率變量與每個狀態變量分別一一對應，而狀態變量主要有道路設施占地面積、林地覆蓋綠化面積、農業灌溉節水面積、工農業總產值、第三產業總產值等。機械增長率和自然增長率是影響人口系統的主要因素，文章中人口系統主要考慮的是鐵嶺市的常住人口，且主要包含農業人口和城鎮人口。人口子系統變量主要有人口總數量、城鎮人口數量以及農村人口數量，狀態變量取人口總數量。人口系統模塊的主要研究目的是為了探討城鎮生活需水量受人口數量變化的發展規律。

鐵嶺市第一產業、第二產業以及第三產業即構成了模型的經濟子系統，其中以農業發展作為系統的第一產業，以工業發展作為系統的第二產業。農業灌溉、工業生產增加值、農業灌溉平均用水量、增加的耗水量、第三產業增長量、第三產業耗水量是經濟子系統的主要參數變量[11]。

環境子系統主要包括城市環境和污水環境，其中城市綠化用水、市政道路清洗是城市環境用水的主要途徑，而生活污水和工業廢水的排放是城市污水的主要來源。污水排放量以及排污系數是決定城市污水量的重要參數，因此可采取污水回收利用率和處理率作為評價不同水資源管理制度的指標。水資源子系統主要供水來源包括地表水、地下水、降雨攔截利用水、回收處理水、其他河流的匯入水。

2.1.5 模型準確性的驗證

文章建立了用于研究水資源循環經濟的SD模型，首先對模型進行運行檢驗和程序檢驗，該過程由系統軟件自主完成。然后選取2012年為模型運行基準年，并對鐵嶺市2013～2016年的總人口、城鎮人口以及工業產值進行數值模擬，通過與研究區域的歷史數據對比分析進行誤差計算，當誤差值在±5%以內時認為模型可靠，模擬結果符合實際情況，否則需重新修改或調整模型的參數和變量。模型的驗證過程及誤差計算結果見表1。

由表1可知，模型在驗證期對人口數量模擬值一般小于實測值，而對工業生產總值的模擬值一般大于實測值，且各模擬數據的誤差范圍均在±5%以內。數據表明，文章所建立的SD模型其基本結構和相關參數設定較為合理，模型能夠真實反應鐵嶺市水資源承載力基本特征，模擬結果與實際情況具有高度的一致性，基于水資源承載力的SD模型對水資源循環經濟的模擬分析具有較高的適用性和良好的可靠度。

表1 SD模型的率定過程及模擬分析計算表

2.2 方案設計及結果分析

2.2.1 方案設計

設定了4種水資源經濟發展方案即現狀延續型、經濟發展型、節水型以及協調發展型方案，對于鐵嶺市在未來20年的動態演變規律和發展趨勢，不同發展方案的設定情況分別如下：

對于現狀延續型即方案一，方案中各決策變量保持現狀不變，并維持目前各變量指標的發展趨勢，對當前水資源的開發利用現狀不再采取任何附加措施。經濟發展型即方案二，方案中把經濟發展作為首要目標，主要側重于經濟的快速發展，據此，把工業產值增長率調整至鐵嶺市在2012～2016年的最大值即為25.1%，提高鐵嶺市在2030年的城鎮化率至85%，方案中其他決策變量保持不變。節水型即方案三是以水資源和環境保護為經濟發展的基本原則，降低方案一中的經濟發展速度，并抑制人口的快速膨脹，提高污水處理率和回收率，并結合實際情況適當降低居民的生活用水量，并減少農業灌溉的用水定額，提高節約用水的農耕灌溉面積。在此方案下預測2030年鐵嶺市農業產值控制在12%，城鎮化覆蓋率為80%，工業循環用水覆蓋率為95%，污水處理率為100%，污水回收率達75%，其他各參數保持不變。

協調發展型即方案四是結合節水型經濟發展體系，綜合考慮了上述三種方案中各自的特點，統籌處理好經濟與環境的協調發展。方案四中的污水處理率、污水回收利用率、排污系數等相關參數與節水型方案相同，而經濟發展、城鎮化水平以及農業灌溉率有一定的增長，在2012～2015年的工業增長速度為15%，此后保持增速為7%，方案中其他各參數指標保持不變。

2.2.2 結果分析

文章通過分析水資源承載力所涉及到的相關系統，選取了具有一定代表性的4個參數變量進行不同方案的對比分析，即常住城鎮居民人口、工業生產總產值、排污總量、水資源供需差值。4個主要變量在不同方案中的模擬計算結果見表2，通過對比分析模擬方案，可選取有利于提高鐵嶺市的水資源承載力的最佳方案。

表2 利用SD模型模擬不同方案下鐵嶺市的計算結果

通過分析上表各方案的模擬數據結果可知，對于現狀延續型發展方案，其水資源供需矛盾問題日益緊張，污染排放量及環境污染等逐漸加重，經濟發展受水資源緊缺、污水處理效率、工業廢水排放等問題制約，經濟增長速度放緩，提高水資源合理開采率、提高污水排放率和回收率、降低工業發展對用水的需求和依賴是保障未來基本用水和生活的主要方法；對于經濟發展型方案，其經濟增長量在2030年明顯高于其他方案，工業生產總值以及人口數量的增加加重了對水資源的需求和依賴，且工業廢水和生活污水的排放量顯著增加，水資源供需差值明顯增大，當前鐵嶺市水資源缺水更加嚴重，水資源承載力嚴重不足，該方案明顯不可取；對于節水型方案，工業產值增速放慢，工業生產及生活用水量大幅度減少，污水回收率和處理率顯著提高，供需差值明顯降低且水資源有一定的盈余，該方案參數符合鐵嶺市水資源承載力合理開發利用的基本要求；協調發展方案是綜合考慮發展和環境的共同作用，通過將二者統一協調處理，在一定程度上加大污水處理程度，并提高污水處理資金投入，在保證水資源合理開采利用的基礎上適當發展經濟，確保了未來水資源的盈余而且經濟得到發展。方案四的工業產值和污水處理總量均高于節水型方案，故協調發展型是提高鐵嶺市水資源承載力的最佳方案。

3 構建循環經濟模式

3.1 構建思路

發展循環經濟應堅持“統籌兼顧、全面發展”的基本原則，并貫穿于水資源的供、用、排等過程。構建循環經濟發展模式所考慮的因素和內容較多，主要有水資源的合理開采利用、水資源的優化配置、節約用水、保護水資源、水資源的有效利用率、提高污水排放標準、降低污水排放率等。綜上所述，構建循環經濟模式要兼顧水資源的科學開采、優化配置、污水排放和回收處理等過程。

3.2 構建方法

鐵嶺市循環經濟的構建方法主要包括分質供水、廢水利用、水資源信息處理等形式。結合鐵嶺市實際情況，將降雨集水以及地表徑流進行水資源的梯級分類和分質利用，建立循環經濟的動脈鏈；城市污水處理廠通過對各類廢水進行統一的處理，然后將其應用于不同的供水系統如內部直接利用、內部處理又直接利用以及排入城市供水系統，對于其他污水經處理達標后排入自然系統，利用廢水回收處理技術建立循環經濟的靜脈鏈；最后可通過構建水資源經濟網絡體系，最大限度地合理開采利用水資源，構建循環經濟網絡系統。

4 水資源循環經濟發展途徑

4.1 水資源利用量的減化

文章主要從農業、工業以及生活節水等方面展開具體的詳細介紹，并指出相應的措施和發展趨勢。農業節水途徑主要有改變傳統的農業漫溉的灌溉模式，建立噴淋灌或微灌的制度，發展高產出和低耗水的農產品、擴大高耐旱農作物面積、加大水利工程改造力度，從生物節水、工程節水以及管理節水等多種途徑綜合提高農業用水效率系數；工業節水方法有提高風力發電、水源熱泵等10種節水產業的發展，發展高新技術產業，合理優化工業產業結構布局，以高新技術替代傳統工藝，降低萬元增加用水率，減少工業廢水排放量；生活節水的途徑和方法較多，主要有強化人們節約意識，建立節約制度，并引導改善生活中的不良用水習慣等。

4.2 引入新水源，實現水資源的再利用

為了緩解鐵嶺市水資源供需矛盾，可加大引水工程投資力度，加大外部水源的引入，提高水資源的蓄水量，以滿足經濟發展需要。隨著經濟的發展，水資源問題已成為鐵嶺市發展的主要矛盾，且鐵嶺市無大規模大范圍的水利工程，當前水資源利用率已接近發展極限，故水資源的外源引入已成為鐵嶺市解決水問題的主要途徑；水資源的循環利用途徑主要有污水回收處理及降雨收集處理再利用等方法。在水資源利用“減量化”的前提下，將廢污水進行回收處理，并根據不同的標準重新應用于相應系統，是緩解水資源供需矛盾的另一出路。雨水收集資源化處理是節水的一種新方法和途徑，調研表明鐵嶺市每年的降雨量較大但被再利用效率低，無效徑流和蒸散發導致降雨資源的浪費，故加大雨水收集處理工程建設，充分發揮水利工程的功能作用也是實現節水、提高水資源利用的重要方法。

5 結論

長期以來，水資源問題已成為制約鐵嶺市經濟可持續發展的重要影響因素之一，供需矛盾緊張明顯影響著人們的生活質量水平。為此，文章結合鐵嶺市實際發展狀況，在詳細分析了動力學系統特征和適用范圍的基礎之上，建立了基于水資源承載力的SD研究分析模型。然后通過設定4種不同的用水經濟發展方案，選取了具有一定代表性的經濟發展和用水特征的參數指標，分析2014～2030年的各參數特征的變化趨勢，指出協調發展型是實現鐵嶺市水資源循環經濟發展的最佳方案。同時文章結合相關結論，構建了循環經濟的發展模式，并探討分析了實現該模式發展的根本方法和途徑。

[1] 王薇, 雷學東, 余新曉, 等. 基于SD模型的水資源承載力計算理論研究——以青海共和盆地水資源承載力研究為例[J]. 水資源與水工程學報, 2005(03): 11- 15.

[2] 陳滋月. 氣候變化情景模式對流域水土流失影響的定量分析[J]. 水利規劃與設計, 2016(06): 32- 35.

[3] 汪躍軍. 淮河干流蚌埠水文站年徑流系列多時間尺度分析[J]. 水利技術監督, 2007(01): 37- 40.

[4] 全占東. 水足跡理論視角下遼河流域水資源評價[J]. 水土保持應用技術, 2017(01): 22- 24.

[5] 黃亮. 水資源可持續發展存在的問題及對策[J]. 水土保持應用技術, 2013(04): 32- 34.

[6] 王建華, 江東, 顧定法, 等. 水資源承載力的概念與理論[J]. 甘肅科學學報, 1999(02): 1- 4.

[7] 張海軍. 水資源保護監測存在問題及建設初探[J]. 水土保持應用技術, 2016(03): 40- 43.

[8] 曲錦艷. 遼寧省水資源存在的問題與保護對策[J]. 水土保持科技情報, 2002(06): 16- 17.

[9] 夏軍, 朱一中. 水資源安全的度量: 水資源承載力的研究與挑戰[J]. 自然資源學報, 2002(03): 262- 269.

[10] 左其亭, 陳曦. 面向可持續發展的水資源規劃與管理[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2003.

[11] 程海英. 錦州市城區水資源現狀及優化配置方案[J]. 水土保持應用技術, 2015(06): 22- 23, 32.