基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的天山北坡城市群水資源優(yōu)化配置研究

(新疆維吾爾自治區(qū)水資源中心，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆是我國典型的干旱區(qū)和半干旱區(qū)，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，城鎮(zhèn)化進(jìn)程面臨著水資源約束的瓶頸問題。根據(jù)2016年《新疆水資源公報(bào)》，全疆經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水總量565.38億m3，其中農(nóng)業(yè)用水533.26億m3，占總用水量的94.3%；農(nóng)業(yè)用水比重過大，擠占了工業(yè)、城鎮(zhèn)生活和生態(tài)用水。天山北坡城市群是新疆人口與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)最為密集的區(qū)域，是干旱區(qū)人地關(guān)系最為敏感、水資源壓力日益突出的典型區(qū)域，歷來是學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域。烏魯木齊市、石河子市、吐魯番市、昌吉市和阜康市等城市地下水開發(fā)利用量占總用水量的30%以上，引發(fā)了地下水位持續(xù)下降、土地沙化、荒漠化加劇、草原品質(zhì)下降等生態(tài)問題。因此，對(duì)天山北坡城市群進(jìn)行水資源優(yōu)化配置，確保其城鎮(zhèn)化進(jìn)程顯得尤為迫切。

1 水資源配置研究概述

自20世紀(jì)40年代Masse提出水庫優(yōu)化調(diào)度問題后，各專家學(xué)者開始關(guān)注水資源配置問題[1]。20世紀(jì)70—90年代，水資源配置研究主要集中于水量配置[2]。21世紀(jì)以來，水資源配置的思路由單一部門單一目標(biāo)向整體水資源系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化配置轉(zhuǎn)變，并涉及到研究水資源配置對(duì)水資源承載力的影響等方面[3]。水資源配置的研究方法也由數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，擴(kuò)展到使用模糊數(shù)學(xué)、熵權(quán)法、混沌理論等方法。艾立剛等[4]運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，從用水量與經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，分析某水庫水資源最優(yōu)化分配的問題。盧興旺等[5]利用多目標(biāo)決策中TOPSIS方法，對(duì)區(qū)域水資源配置的不同方案進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，得出最優(yōu)配置方案。何國華等[6]建立基于熵權(quán)的水資源配置和諧性模糊綜合評(píng)價(jià)模型，評(píng)價(jià)西安市各縣區(qū)的水資源配置狀況。王建偉等[7]以寧夏石嘴山市為研究區(qū)，采用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，以農(nóng)田灌溉水質(zhì)要求、灌溉水量需求以及水資源管理用水紅線為約束條件，以取用引黃水量最小為目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算得出水資源優(yōu)化配置的模式。曹麗娟等[8]運(yùn)用主成分分析法對(duì)甘肅省水資源承載力從時(shí)間和空間兩個(gè)角度進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，得出水資源承載力的主要影響因子是經(jīng)濟(jì)發(fā)展因子、人口因子、水資源供需平衡因子和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水因子。俞祎波等[9]通過分析水資源承載能力與水資源優(yōu)化配置的基本內(nèi)涵，計(jì)算了水資源配置后南京市的水資源承載能力狀況。李春梅等[10]采用改進(jìn)的果蠅算法(FOA)對(duì)晉城市2020年20%、50%、75%和95%來水保證率的水資源進(jìn)行了配置。陸曉等[11]運(yùn)用改進(jìn)的多目標(biāo)布谷鳥算法(IMOCS)，引入混沌理論以保證初始種群的多樣性，將該方法運(yùn)用于山西同朔供水區(qū)，為該區(qū)域水資源配置提供了一定的依據(jù)。

上述關(guān)于水資源配置的相關(guān)研究對(duì)本文提供了有益的參考。但由于水資源配置問題的動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性，現(xiàn)有成果缺乏以不同社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)的多方案綜合比較。基于此，本文在分析天山北坡城市群用水現(xiàn)狀和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，構(gòu)建天山北坡城市群經(jīng)濟(jì)社會(huì)水資源配置的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)置高、中、低3種水資源配置方案，對(duì)天山北坡城市群8座城市2017—2043年的經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水量進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真預(yù)測(cè)分析，選出較優(yōu)方案，從而深化了該問題的研究，并且得出的結(jié)論與實(shí)際更為接近。

2 系統(tǒng)仿真預(yù)測(cè)因果反饋圖中變量之間的關(guān)系

2.1 研究區(qū)域選擇

天山北坡城市群地處歐亞腹心地段，東起吐魯番，西至克拉瑪依，天山北坡城市群規(guī)劃(2016—2020年)范圍包括烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉、吐魯番、阜康、石河子、五家渠、奎屯、烏蘇9市。數(shù)據(jù)來源于各縣市歷年的《統(tǒng)計(jì)年鑒》和《水資源公報(bào)》，其中，五家渠市的城鎮(zhèn)化和水資源的相關(guān)數(shù)據(jù)缺失，難以獲取，因此本文以除五家渠市外的8市作為研究區(qū)域。

2.2 系統(tǒng)流圖的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics，SD)可以很好地反饋系統(tǒng)內(nèi)部要素的相互作用，借助計(jì)算機(jī)建模，完成對(duì)復(fù)雜問題的思考與研究，特別適合分析解決社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)等一系列非線性復(fù)雜大系統(tǒng)問題[12]。為深入研究天山北坡城市群水資源優(yōu)化配置問題，構(gòu)建區(qū)域水資源配置系統(tǒng)模型，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。首先，構(gòu)建區(qū)域水資源配置系統(tǒng)模型的核心是選擇狀態(tài)變量、速率、輔助變量及其結(jié)構(gòu)，對(duì)輸入和輸出進(jìn)行積累的變量就是狀態(tài)變量，狀態(tài)變量方程中代表輸入和輸出的變量是速率，即在反饋系統(tǒng)中，幫助建立速率方程的變量為速率[13]；然后，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。經(jīng)過分析天山北坡城市群水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)的關(guān)系，設(shè)計(jì)出天山北坡城市群水資源配置的系統(tǒng)仿真預(yù)測(cè)因果反饋圖，見圖1，圖中設(shè)有生活用水量、城鎮(zhèn)人均綠地面積等16個(gè)狀態(tài)變量。

圖1 區(qū)域水資源配置的系統(tǒng)仿真預(yù)測(cè)因果反饋圖

2.3 常量及變量之間的關(guān)系

2.3.1 常量的設(shè)定

常量均為天山北坡城市群8市2016年的現(xiàn)狀值。經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于2017年新疆《統(tǒng)計(jì)年鑒》，水資源數(shù)據(jù)來源于2016年新疆《水資源公報(bào)》及天山北坡城市群8市《統(tǒng)計(jì)年鑒》，狀態(tài)變量的速率參考了8市的“國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要”。8市常量數(shù)值及狀態(tài)變量初始值見表1。

表1 2016年天山北坡城市群常量數(shù)值及狀態(tài)變量初始值

2.3.2 方案的設(shè)定

按照推動(dòng)綠色發(fā)展，促進(jìn)人與自然和諧共生的要求，統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展用水和生態(tài)用水，根據(jù)水資源利用現(xiàn)狀、各縣市水資源管理的“三條紅線”目標(biāo)、保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)需水的優(yōu)先性，設(shè)立水資源配置的3種方案:方案一，水資源配置維持現(xiàn)狀。人口增長(zhǎng)率、種植業(yè)增速、工業(yè)增速和第三產(chǎn)業(yè)增速、灌溉定額等用水指標(biāo)均按照2016年的現(xiàn)狀值，不作調(diào)整，城鎮(zhèn)化率每年按照一定的速度進(jìn)行調(diào)整，其他變量正常。方案二，適度提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水效率，將節(jié)余的少量水資源用于生態(tài)用水。減少產(chǎn)業(yè)用水和城鎮(zhèn)用水，增加生態(tài)用水量。方案三，大幅提高經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展用水效率，將節(jié)余的大量水資源用于保障生態(tài)。降低人口增長(zhǎng)、種植業(yè)增速、工業(yè)增速和第三產(chǎn)業(yè)增速的同時(shí)，調(diào)減灌溉定額和林地灌溉定額，提高有效灌溉系數(shù)和有效林灌系數(shù)，減少第一產(chǎn)業(yè)用水，調(diào)減工業(yè)用水定額和第三產(chǎn)業(yè)用水定額，減少三產(chǎn)用水；調(diào)減城鎮(zhèn)居民用水定額、綠化用水定額、公共用水定額等，減少城鎮(zhèn)用水；調(diào)減農(nóng)村居民用水量大的奎屯市、烏蘇市的農(nóng)村居民用水定額，減少農(nóng)村居民用水量；增加生態(tài)用水量。3種方案的具體常量設(shè)定見表2。

表2 基于3種方案的天山北坡城市群的速率及增量值

2.3.3 變量之間的關(guān)系

第一產(chǎn)業(yè)用水量及增加值計(jì)算公式為

M有效灌溉面積=M耕地面積X有效灌溉系數(shù)

(1)

W種植業(yè)灌溉用水=M有效灌溉面積D灌溉定額

(2)

M林業(yè)有效灌溉面積=M林地面積X有效林灌系數(shù)

(3)

W林業(yè)用水量=D林灌定額M林業(yè)有效灌溉面積

(4)

W第一產(chǎn)業(yè)用水量=W種植業(yè)灌溉用水+W林業(yè)用水量

(5)

Z種植業(yè)增加值=M耕地面積Z畝均種植業(yè)增加值

(6)

Z第一產(chǎn)業(yè)增加值=Z種植業(yè)產(chǎn)值a第一產(chǎn)業(yè)增加值與種植業(yè)產(chǎn)值的比

(7)

工業(yè)用水量及增加值計(jì)算公式為

W工業(yè)用水量=W萬元工業(yè)增加值用水量Z工業(yè)增加值

(8)

(9)

第三產(chǎn)業(yè)用水量及增加值計(jì)算公式為

W第三產(chǎn)業(yè)用水量=W萬元第三產(chǎn)業(yè)增加值用水量Z第三產(chǎn)業(yè)增加值

(10)

城鎮(zhèn)用水量計(jì)算公式為

W城鎮(zhèn)居民生活用水量=W城鎮(zhèn)居民生活用水量定額P城鎮(zhèn)人口數(shù)

(11)

W城鎮(zhèn)公共用水量=D城鎮(zhèn)公共用水量定額P城鎮(zhèn)人口數(shù)

(12)

W城鎮(zhèn)綠化用水量=M城鎮(zhèn)人均綠地面積D綠化用水定額P城鎮(zhèn)人口數(shù)

(13)

W城鎮(zhèn)用水量=W城鎮(zhèn)居民生活用水量+W城鎮(zhèn)綠化用水量+W城鎮(zhèn)公共用水量

(14)

農(nóng)村居民生活用水量計(jì)算公式為

W農(nóng)村居民生活用水量=P農(nóng)村人口數(shù)D農(nóng)村居民用水定額

(15)

3 分析過程

根據(jù)區(qū)域水資源配置的系統(tǒng)仿真預(yù)測(cè)因果反饋圖(見圖1)，按照3種方案進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析，得到2017—2043年天山北坡城市群8市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水量、第一產(chǎn)業(yè)用水量、工業(yè)用水量、第三產(chǎn)業(yè)用水量、城鎮(zhèn)用水量、農(nóng)村居民生活用水量、生態(tài)用水量及地區(qū)生產(chǎn)總值的預(yù)測(cè)值，因篇幅有限，僅列出部分?jǐn)?shù)值(見表3)。

方案一情景下，種植業(yè)、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)按2016年發(fā)展速度發(fā)展，人口和城鎮(zhèn)化率也按2016年速度增長(zhǎng)，耕地面積、農(nóng)業(yè)灌溉定額、林地灌溉定額、有效灌溉系數(shù)、有效林灌系數(shù)、綠化用水定額、公共用水定額、城鎮(zhèn)居民用水定額、農(nóng)村居民用水定額、萬元工業(yè)增加值用水量、萬元第三產(chǎn)業(yè)增加值用水量均保持2016年的數(shù)值不變，林地面積年均增加20畝。計(jì)算機(jī)仿真得出，8市經(jīng)濟(jì)社會(huì)總用水量由2017年的55.8985億m3增加到2043年的60.055億m3，增加了4.1565億m3。該種情景下，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水總量的不斷增加，必須要加大跨區(qū)域調(diào)水量，否則無法推進(jìn)城鎮(zhèn)化進(jìn)程。該情景下，天山北坡城市群地區(qū)生產(chǎn)總值也增加較快，由2017年的4589億元，增加到2043年的40829億元，增加了八九倍。

方案二情景下，種植業(yè)、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)按照2016年增長(zhǎng)率設(shè)置，人口和城鎮(zhèn)化率也按2016年速度增長(zhǎng)，耕地面積保持2016年的數(shù)值不變，逐年少量減少農(nóng)業(yè)灌溉定額、林地灌溉定額、綠化用水定額、公共用水定額、城鎮(zhèn)居民用水定額、萬元工業(yè)增加值用水量，適度減少萬元第三產(chǎn)業(yè)增加值用水量，逐年增加有效灌溉系數(shù)、有效林灌系數(shù)，林地面積年均增加10畝，逐年減少奎屯市、烏蘇市農(nóng)村居民用水定額(兩市農(nóng)村居民用水量較大)，烏魯木齊等6市的農(nóng)村居民用水定額仍保持2016年的數(shù)值。該方案情景下，8市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)總用水量由2017年的55.9600億m3增加到2043年的63.2200億m3，增加了7.2611億m3，較方案一多增加3.1046億m3；8市的地區(qū)生產(chǎn)總值與方案一的變化相同。在方案二情景下，保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，通過節(jié)約利用水資源，增加了生態(tài)環(huán)境用水量，但由于第一產(chǎn)業(yè)用水比重高，提高有效灌溉系數(shù)使第一產(chǎn)業(yè)用水量有增無減，8市經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水量持續(xù)增加，必須加大跨區(qū)域調(diào)水，才能保障城鎮(zhèn)化的可持續(xù)發(fā)展。

方案三情景下，降低種植業(yè)、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度，適度降低人口增長(zhǎng)率，耕地面積保持2016年的數(shù)值不變，與方案二相比，加大農(nóng)業(yè)灌溉定額、林地灌溉定額、綠化用水定額、公共用水定額的逐年減少量，城鎮(zhèn)居民用水定額、萬元工業(yè)增加值用水量的減少量與方案二相同，適度減少萬元第三產(chǎn)業(yè)增加值用水量，逐年增加有效灌溉系數(shù)、有效林灌系數(shù)，林地面積年均增加20畝，逐年減少奎屯市、烏蘇市農(nóng)村居民用水定額，烏魯木齊等6市的農(nóng)村居民用水定額仍保持2016年的數(shù)值。該方案下，8市經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水總量經(jīng)歷了先上升后下降的變化，由2017年的55.6858億m3下降到2043年的55.5382億m3，減少了0.1476億m3。8市的第三產(chǎn)業(yè)用水量、城鎮(zhèn)用水量和生態(tài)用水量呈不斷增加趨勢(shì)，第三產(chǎn)業(yè)用水總量由2017年的0.0532 億m3增加到2043年的0.2139億m3，城鎮(zhèn)用水總量由2017年的4.4915億m3增加到2043年的5.8869億m3，生態(tài)用水總量由2017年的2.7946億m3增加到2043年的3.8996 億m3。地區(qū)生產(chǎn)總值與方案一、方案二相比增速放緩，呈穩(wěn)步增長(zhǎng)趨勢(shì)，8市的地區(qū)生產(chǎn)總值的總和由2017年的4589億元增加到2043年的14858億元。在方案三情景下，不用實(shí)施跨區(qū)域調(diào)水，現(xiàn)有的水資源能夠滿足人口、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的需要，并且能夠節(jié)余部分水量，是一種可行的、優(yōu)化的方案。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，構(gòu)建區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)水資源配置的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)天山北坡城市群8市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)水資源配置進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真預(yù)測(cè)分析，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)水資源配置進(jìn)行動(dòng)態(tài)、模擬和優(yōu)化研究，得出了如下結(jié)論：方案一，水資源配置維持現(xiàn)狀的情景下，將難以保證城鎮(zhèn)化用水需求；方案二，保持現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度，適度調(diào)整用水方式，水資源仍難以保障城鎮(zhèn)化發(fā)展需求；方案三，大幅提升經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展用水效率，現(xiàn)有的水資源能夠保障城鎮(zhèn)化可持續(xù)發(fā)展的需要，該方案是天山北坡城市群水資源配置的較優(yōu)方案。

4.2 建議

要解決天山北坡城市群經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水短缺和生態(tài)環(huán)境問題，實(shí)現(xiàn)區(qū)域城鎮(zhèn)化可持續(xù)發(fā)展，必須堅(jiān)持以水定產(chǎn)、生態(tài)優(yōu)先，從“立足新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念、構(gòu)建新發(fā)展格局”角度出發(fā)。

a.保護(hù)好天山北坡城市群水生態(tài)。天山北坡城市群區(qū)域內(nèi)有烏魯木齊河、水磨河、頭屯河、瑪納斯河、奎屯河、金溝河等河流，河流是區(qū)域重要的水資源儲(chǔ)備區(qū)和水源涵養(yǎng)區(qū)，河流水資源是區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展最為珍貴的資源，應(yīng)繼續(xù)采取河長(zhǎng)制，落實(shí)最嚴(yán)格的水資源管理制度，保護(hù)好河流的水生態(tài)。

b.構(gòu)建有利于節(jié)約農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)和居民生活等用水的價(jià)格機(jī)制。低廉的水價(jià)是造成流域用水結(jié)構(gòu)不合理和利用效率不高的根本原因，在水資源價(jià)格中要加入供水成本、生態(tài)用水等成本，使農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水價(jià)格調(diào)整至補(bǔ)償成本并合理盈利水平，使居民用水價(jià)格不低于成本水平，構(gòu)建合理的水價(jià)體系，形成激勵(lì)節(jié)約利用水資源的價(jià)格體系。

c.大力推廣農(nóng)業(yè)和工業(yè)節(jié)水技術(shù)。繼續(xù)發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)，推行噴灌、微灌、滴灌等節(jié)水型灌溉形式，在灌區(qū)全面推廣渠道防滲技術(shù)，減少農(nóng)業(yè)灌溉定額，提高農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)，減少農(nóng)業(yè)用水。采取在水資源費(fèi)、 超定額超計(jì)劃累進(jìn)加價(jià)水費(fèi)中安排一定比例的基金等方式，推進(jìn)工業(yè)節(jié)水關(guān)鍵技術(shù)的研究及推廣，大力支持工業(yè)企業(yè)節(jié)水技術(shù)改造，減少工業(yè)用水量，提高工業(yè)用水效率。

d.加大雨水、生活污水和工業(yè)廢水的處理及回用。在烏魯木齊、昌吉、阜康和石河子等降雨量略多的城市，利用屋頂、道路、廣場(chǎng)等硬化地表匯集降雨，經(jīng)過輸水、凈水、儲(chǔ)存等方式，建立雨水收集與利用系統(tǒng)，用于綠化灌溉及地下水源補(bǔ)給。加大投入，完善各城市污水深度處理設(shè)施，對(duì)生活污水和工業(yè)廢水進(jìn)行集中處理，達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)后用于城市綠化、車輛沖洗等，減少城市綠化用水、公共用水和居民生活用水。