系統動力學模型在吉林省水資源承載力的仿真應用

劉 童，楊曉華，薛淇芮，宋 帆

(北京師范大學環境學院 水環境模擬國家重點實驗室，北京 100875)

東北地區得益于豐富的自然資源和較好的工業基礎，在20世紀90年代以前長期作為我國最重要的工業基地，經濟發展水平在全國位于前列[1]。然而受限于體制和結構矛盾，東北地區經濟自上世紀末以來呈現出嚴峻的衰落現象[2]。近些年，伴隨著振興東北策略的實施，東北地區對水資源的需求不斷增加，區域水資源荷載均衡逐漸偏移[3]。吉林省作為東北三省之一，研究其水資源承載力對東北地區可持續發展具有重要的現實意義。

目前國內學者對水資源承載力研究，多集中于指標體系的構建和研究方法的選擇。在指標體系構建上，主要可以分為兩類：一是將水資源細分為資源、環境、社會、經濟等要素，從各要素入手建立復合指標體系[4,5]；二是按各指標在水資源承載系統中所屬的壓力、狀態、響應等類型，建立基于PSR理論的綜合指標體系[6,7]。在研究方法上則多采用綜合評價法，其包括模糊綜合評價法[8]、層次分析法[9]、集對分析法[10,11]、突變級數法[12]等。總體上，上述研究方法通過賦予各指標不同權重來獲得較為全面的綜合評價結果，但忽略了各指標、要素間的交互關系。系統動力學方法(System Dynamics，SD)通過正反饋、負反饋模擬各要素間的因果關系，具備處理高階次、非線性等復雜系統問題的能力，而逐漸被學者用于水資源承載力研究[13,14]。基于此，本文通過Vensim PLE軟件建立吉林省水資源承載力系統動力學模型，實現對多情景下水資源承載力動態變化的定性分析和定量預測。通過不同情景的比較，得到最適合吉林省的社會經濟發展模式，提出改善吉林省水資源承載力的相關建議。

1 研究區概況

吉林省位于東經121°38′～131°19′和北緯40°50′～46°19′之間，全省土地面積為18.74 萬km2，包含8個地級市和1個自治州，屬于溫帶大陸性氣候，雨熱同期，其降雨在時間和空間上分布不均。據統計，2016年各市州的汛期降水量占全年降水量的比例在60%～80%之間；在空間分布上，東部長白山山區降雨量在900～1 770 mm之間，西部平原區僅有400 mm。

隨著振興東北計劃的穩步推進，吉林省經濟增速在2013年之前長期保持在10%以上，城市化率在2016年達到55.3%，經濟增長和城市化進程均以足夠的水資源為支撐。除此之外，吉林省水環境污染依然嚴重。2016年吉林省廢污水排放總量達到11.52 億t，其中COD的排放總量為72.21 萬t，氨氮的排放總量為5.31萬t，造成在6 050 km監測評價河長中劣于III類水質的占37.2%。由此可見，吉林省水資源形勢不容樂觀，還有一系列急需解決的問題，有必要對其水資源承載力進行研究。

2 吉林省水資源承載力SD模型的構建

2.1 模型數據來源

本文所建立的吉林省水資源承載力系統動力學模型數據來源于以下數據集：《吉林省統計年鑒》(2006-2016)、《吉林省水資源公報》(2005-2015)、《吉林省環境狀況公報》(2005-2015)、《吉林省用水定額》、《吉林省“十三五”節能減排綜合實施方案》和國務院關于推進新一輪東北振興戰略加快推動東北地區經濟企穩向好若干重要舉措的意見(2016)。

2.2 模型邊界及基準年的確定

本文以水資源承載力為研究對象，所建立的系統模型邊界為吉林省行政邊界。同時，模型的模擬年限包含歷史數據檢驗和預測調控兩個時段，分別為2005-2015年和2016-2025年。模型的歷史數據基準年為2005年，預測基準年為2016年，模擬的時間步長為1 a。

2.3 模型結構

水資源系統作為復雜系統，其承載力的變化受多種指標的影響，需要建立一個包含不同要素的系統動力學模型對其進行仿真。本文將吉林省水資源系統細分為5個子系統，即人口子系統、經濟子系統、生態子系統、水資源子系統和水環境子系統。各子系統間以水量和水質為橋梁，相互連接成一個影響水資源承載力的復合系統。其中，若供水量超過需水量，即供需比例大于1，則水量要素承載狀態良好；若污染物排放量下降，則水質要素承載狀態得到改善。按照短板原則，只有雙要素均得到改善，水資源承載力才提高；其余情形下，水資源承載力均下降。

2.4 繪制流程圖

根據對5個子系統的分析，經過反復調整，繪制出吉林省水資源承載力系統動力學模型結構圖(圖1)。

圖1 吉林省水資源承載力SD模型結構圖

2.5 模型的方程及參數

基于上述對水資源系統的劃分，各子系統中的方程見表1。

表1 吉林省水資源承載力SD模型主要方程

2.6 模型有效性檢驗

為驗證本文建立的吉林省水資源承載力系統動力學模型的有效性，將2005-2015年間的數據用于歷史檢驗。SD模型同時由多個子系統耦合而成，需要對各個模塊中具有代表性的指標的實際值和模擬值之間進行誤差分析，若相對誤差在10%以內，則認為該模型有效。本文在上述5個子系統中分別選取1個指標用于檢驗，分別為總人口數量、GDP、生態用水率、供水量、COD排放總量，檢驗結果見表2。通過對比，表2中5個指標在2005-2015年間的相對誤差均低于10%，其中低于5%的頻次為53，占比達96.36%，模型的精確度高，可以用于模擬吉林省水資源承載力系統。

3 吉林省水資源承載力SD模型的仿真

本文采用系統動力學方法的主要目的是分析吉林省水資源承載力在不同情境下的發展趨勢，其中情景設置則是通過調整模型中的表函數和常數變量等決策變量來實現。結合吉林省水資源現狀和社會經濟發展模式，選取城鎮化率、城鎮居民用水定額、農村居民用水定額、城鎮居民環境用水定額、農田灌溉用水定額、地表水開發率、地下水開發率、萬元工業產值用水量、GDP增長率、生活污水處理率、工業污水處理率、再生水利用率、其他COD排放源和其他氨氮排放源等作為決策變量。基于以上決策變量，本文從供給側優化配置、經濟發展結構優化、科技水平提高、公眾環保節水意識增強等多角度、設計了現狀延續型、節約水量型、環境保護型、綜合協調型等多種未來發展情景。

3.1 多情景模擬

(1)現狀延續型。此方案以2005-2015年吉林省社會、經濟、資源和環境等各方面的發展趨勢為基礎，不做任何人為調參，運行系統動力學模型，得到2016-2025年的吉林省水資源承載力模擬結果。

表2 2005-2015年模擬檢驗結果

注：表2中H為實際值，S為模擬值，E為相對誤差。

(2)節約水量型。在水資源短缺依然嚴峻的形勢下，相關部門陸續頒布了《實行最嚴格水資源管理制度考核辦法》、《“十三五”節能減排綜合實施方案》等文件，其中明確給出了吉林省2020年的用水總量和相關行業的單位產值用水控制目標。對此，以2015年為基準年，將2025年萬元工業產值用水量下調35%，降至33.15 m3/萬元，提高再生水利用率至15%，降低農田灌溉用水定額至3 000 m3/hm2。除此之外，隨著人們節水意識的提高，將城鎮居民和農村居民生活用水定額分別降至120和90 L/(人·d)。

(3)環境保護型。根據吉林省在十三五期間的節能減排計劃，到2020年，全省規模化畜禽養殖比重達到90%以上，并要求配備廢棄物處理設施的養殖場比例高于75%；對于種植業，要求主要農作物化肥和農藥施用量零增長。對此，吉林省將新建污水處理廠40座，將城市生活污水集中處理率提高至95%，以實現COD和氨氮排放總量比2015年分別下降4.8%和6.4%的目標。基于上述內容，在2015-2025年間，將生活污水處理率逐漸提高至95%，工業污水處理率提高至100%，城鎮居民環境用水定額較基準年提高30%，其他污染源排放的COD和氨氮總量逐年降至2015年的50%。

(4)綜合協調型。將現狀延續型、節約水量型和環境保護型3種方案中的變量調整綜合實施，分析節水和治污并行模式下的水資源承載力發展情景。

3.2 模擬結果分析

按照4種方案中的參數調整，運行吉林省水資源承載力系統動力學模型，得到不同情境的運行結果。本文從水量和水質兩個要素來評價不同方案的效果，其中水量要素包含需水總量、生產需水量、供水總量和供需比例，水質要素包含COD排放量和氨氮排放量。4種方案下6個指標在2016-2025年間的變化趨勢見圖2。

(1)水量要素。需水總量的模擬結果[圖2(a)]中，現狀延續型和環境保護型需水總量持續攀升，節約水量型和綜合協調型需水總量逐年降低。對比圖2(a)、圖2(b)，可以發現生產需水量占需水總量的比例均高于85%，且其與需水總量的變化趨勢高度一致，說明未來主要的用水需求依然來自于生產活動，提高生產過程中的水資源利用率對吉林省水資源可持續開發至關重要。就需水量而言，4種方案的排序為節約水量型≈綜合協調型<現狀延續型≈環境保護型。面對逐年遞增的需水壓力，提高供水量和節約用水是兩條最直接的緩解措施。

供水總量的模擬結果如圖2(c)所示，其排序為綜合協調型≈節約水量型>環境保護型≈現狀延續型。另外，4種方案的供水總量逐年提高，在預測階段的增幅低于10 億m3，能在一定程度上緩解需水壓力。到2025年，現狀延續型和環境保護型的需水總量分別達到185.12和185.95 億m3，兩者與2016年相比，增幅分別為34.18和34.93 億m3，可以看出供水增加量并不能滿足現狀延續型和環境保護型兩種方案下的用水需求，供需比例將不斷走低；節約水量型和綜合協調型的情景模擬，2025年需水總量分別降至130.22和131.05 億m3，節水效果顯著，能有效緩解吉林省水資源短缺問題。圖2(d)中所示的供需比例模擬結果中，現狀延續型和環境保護型的供需比例不斷降低，到2025年，兩者降至0.75左右，水資源供需矛盾凸顯；節約水量型和綜合協調型的供需比例不斷提高，并于2022年超過1，水資源供需危機得到基本解決。這說明緩解吉林省需水壓力應以節水為先，增供為輔。

由于環境保護型是以現狀延續型為基礎，致力于提高污水處理率和減少污染物排放，沒有考慮節約用水，造成環境保護型與現狀延續型之間、綜合協調型與節約水量型之間在水量模擬上很接近，如圖2(a)～圖2(d)所示。

(2)水質要素。COD和氨氮的模擬結果圖2(e)～圖2(f)中，現狀延續型>節約水量型>環境保護型>綜合協調型，四種方案的COD和氨氮排放量均呈單調變化。到2025年，現狀延續型的COD和氨氮排放量在預測時段逐年遞增至78.48和5.41 萬t，水環境污染持續加重；節約水量型的COD和氨氮排放量則分別穩定在72和4.9 萬t左右，水質惡化的趨勢得到一定程度遏制；環境保護型和綜合協調型COD和氨氮排放量逐年降低，環境保護效果顯著。根據吉林省在十三五期間的節能減排計劃，COD和氨氮排放量在2020年的控制目標分別為68.92和4.78 萬t。對比圖2(e)～圖2(f)，可以發現僅有環境保護型和綜合協調型達標。

綜上所述，吉林省延續現有發展模式，其水資源危機將會持續加劇；針對水資源短缺設計的節約水量型，節水效果顯著，在2022年基本實現水資源供需平衡，但是改善水環境質量的效果有限；環境保護型則側重于污染控制，在緩解水資源供需矛盾上建樹甚微；綜合協調型同時考慮水量和水質，其模擬結果優異，在2022年實現COD與氨氮排放達標和水資源供需平衡的“雙同時”目標。可以看出4種方案的優劣結果，現狀延續型為最劣方案，節水水量型和環境保護型為非劣方案，綜合協調型為最優方案。由此可見，僅在綜合協調型中，吉林省水資源承載力提高，在其余3種中均降低。同時，對水量和水質要素各賦予0.5的權重，將雙要素指標中供需比例和污染物排放量歸一化作為評價指標，得到2025年四種方案的水資源承載力排序為綜合協調型(0.99)>環境保護型(0.70)>節約水量型(0.30)>現狀延續型(0.01)。

4 結 論

根據系統動力學方法，建立了包含人口、經濟、生態、水資源和水環境等5個子系統的水資源承載力系統動力學模型，通過調整模型參數，對2016-2025年吉林省在現狀延續型、節約水量型、環境保護型和綜合協調型等4種情景下的水資源承載力發展情況進行模擬分析，發現在現狀延續型下，水資源供需矛盾加劇，水環境污染物容納量攀升，節約水量型和環境保護型分別在改善水資源供需平衡和水環境質量上有所成效，但均不能同時滿足振興東北老工業基地和生態文明建設背景下吉林省對水資源量和水環境質量的要求。而綜合協調型通過降低生產和生活用水定額，提高污水處理率和再生水利用率，加強農業面源污染控制，能有效解決吉林省水資源短缺和水環境污染問題，實現社會經濟與水資源的協調發展。

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