山東省龍口市水資源利用系統動力學模擬與分析

楊 曉，劉昕瑀，秦歡歡,2*

(1.東華理工大學水資源與環境工程學院，江西 南昌 330013； 2.東華理工大學核資源與環境國家重點實驗室，江西 南昌 330013)

水資源是促進人類生存和社會發展必不可少的資源，但中國在推進水資源綜合利用中仍存在許多問題，如人均資源占有量少、水資源時空分布不均等。水資源的系統管理是關系到水資源能否保障社會經濟可持續發展的重要依據，采用科學合理的評價方法與指標，定量分析區域水資源系統的可持續性，能為缺水地區水資源綜合管理提供科學依據，對于有效規避水資源短缺風險、促進社會經濟可持續發展及保障生態環境良性循環具有重要意義[1-4]。發展工農業、居民生活，對于水資源可持續利用都具有非常高的要求[5]。因此，水資源的合理規劃與配置在解決缺水危機中發揮著至關重要的作用，而需水量預測是區域水資源合理規劃與配置的前提條件和重要基礎[6-7]，準確合理預測區域需水量對區域社會經濟和水資源的可持續發展具有重要作用[8-9]。區域需水量預測涉及復雜的社會經濟和工程技術因素，是水資源可持續管理和規劃調度的重要依據[6]。一般來說，區域需水量預測方法可分為時間序列法、結構分析法和系統方法等[10-12]。然而，傳統方法無法系統地刻畫水資源供需之間復雜的動態反饋關系，亦無法在需水量預測中考慮諸多影響因素及其相互關系[13]，而系統動力學(System Dynamics,SD)是解決這一問題科學有效的方法[10,14-15]。SD模型既能反映社會經濟與水資源之間復雜的動態反饋關系，又能完整展現需水量發展的動態過程[14]，因此，采用SD方法研究水資源短缺問題，可為水資源研究的科學決策提供可靠理論依據，有利于加快實現中國環境和經濟的可持續發展[16]。

SD概念最初由Forrester引入，作為工業管理和決策的模擬方法[17]。20世紀70年代，Meadows通過構建世界SD模型將此方法引入水資源系統研究[18]。SD模型通過使用反饋回路、存量和流量來描述復雜系統。SD模型既有定性概念構建(通過因果關系圖構建概念系統)，也有定量數據模擬(通過系統流圖在可視化的基礎上模擬概念系統中不同因素之間的影響)[19]。需水量預測SD模型從整體出發充分考慮影響需水量的各種自然、社會、經濟、工程、技術等因素，能準確處理高階次、非線性、多重反饋復雜時變系統的問題；對參數要求不高，著重研究系統的結構和動態行為，不需要特別精確的數字；可對系統的動態發展及趨勢進行考察，可作長期的動態預測[20]，為可持續發展及水資源的合理規劃利用提供科學依據。過去30年，SD方法在水資源工程與管理中的應用發展迅速[21]。在水資源SD模擬的研究中，有3種一般性的研究方法[22]，包括預測仿真模型(predictive simulation model)、描述性的集成模型(descriptive integrated model)以及參與和共同愿景模型(participatory and shared vision model)。

本文以龍口市為研究區域，采用情景分析方法，利用SD模型模擬龍口市2019—2050年不同情景下的需水量，反映龍口市未來水資源的利用情況。通過分析情景模擬結果，比較各種方法下龍口市需水量的動態變化趨勢，為龍口市水資源的合理配置與利用及用水安全提供科學的依據。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

龍口市地處膠東半島西北部，隸屬于煙臺市，處于東經120°13′～120°44′、北緯37°27′～37°47′，東與蓬萊市毗鄰，南與棲霞市、招遠市接壤，西、北瀕渤海，隔海與天津、大連相望，是環渤海經濟帶上一個璀璨的明珠。東西最大橫距46.08 km，南北最大縱距37.43 km，海岸線長68.38 km，全市總面積893.82 km2。龍口市地勢東南高、西北低，與鄰縣、市多以山的分水嶺為界，故境內河流皆源于東、南部山區，曲折西北行，共有大小23條河流，主要河流有黃水河、泳汶河、南欒河、龍口河、北馬南河、八里沙河，均為季節性河流。除黃水河、八里沙河外，其余河流皆為境內河流，屬季風雨源型。龍口市屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫11.17℃，平均年降水量590.4 mm，四季分明，季風進退明顯，濕熱同季。因受海洋影響，氣溫適中，光照充足，年降水量的75%以上集中在5—9月，年無霜期190 d[23]。2018年，龍口市GDP 1 238.8億元，同比增長5.9%；其中：第一產業增加值30.5億元，同比增長3.9%；第二產業增加值694.9億元，同比增長5.9%；第三產業增加值513.4億元，同比增長6.1%。一、二、三產業結構比為2.5∶56.1∶41.4。

山東省龍口市目前面臨著嚴峻的缺水問題：全市多年平均降水量為590.4 mm，多年平均水資源總量為30 296萬m3，多年平均水資源可利用總量為16 140 萬m3，人均用水量為152 m3/a(約為全國平均水平的1/3)，人均水資源量350 m3/人(為全國平均水資源量的1/6)，低于山東省平均水平，亦遠低于世界人均水平(1 000 m3/人)，為水危機區，屬于資源型缺水。龍口市水資源供需矛盾突出，爭水矛盾激化，已經嚴重影響了城市的生產生活發展，對生態環境的發展也十分不利。根據《龍口市水資源公報》資料統計分析，龍口市近年平均城鎮廢水排放量為1 641.12萬t，目前龍口市每年企業排放的廢水達1 000萬m3，生活排放污水800余萬m3，城市對工業廢水和生活污水的排放沒有嚴格管制，使得地下水質急劇下降，這大大地減少了水資源的可利用量，也加劇了區域水資源的短缺[24]。

1.2 數據來源

本文的數據及其來源主要包括：①社會經濟數據，包括人口、GDP、牲畜、灌溉面積等來源于2008—2019年的《山東省統計年鑒》[25]；②水資源數據，包括地表水供水量、地下水供水量和生態環境用水量等來源于2008—2019年的《山東省統計年鑒》[25]和《山東省水資源公報》[26]；③用水定額數據，包括生活用水定額、牲畜用水定額和灌溉定額等來源于2008—2019年的《山東省統計年鑒》[25]；④各類增長率數據，包括人口增長率、GDP增長率、牲畜增長率和灌溉面積增長率等來源于2008—2019年的《山東省統計年鑒》[25]。

2 龍口市需水量預測SD模型

2.1 模型結構與系統流圖

龍口市水資源供給由三大部分共同組成，包括地表水、地下水和灌溉回歸水；水資源需求由三大部分共同組成，包括生活需水量、工業需水量、農業需水量。模型研究著重于長期預測需水量的綜合計算，探究龍口市社會經濟狀況與當地水資源供需的聯系。圖1展示了SD模型中決定缺水量、供水量以及衡量缺水程度的影響因素之間的相互作用關系。決定供水量的三大條件中，地表水、地下水主要由水資源現狀決定，而灌溉回歸水由農業需水量決定；缺水程度由供水量、缺水量決定，但缺水量也可以通過影響三大需水量來決定總需水量。各個因素間相互聯系制約，在掌握這些定性的相互關系的基礎上，通過SD模型的流圖將其定量化并在VENSIM Professional版本的軟件上實現，而后通過設定不同的情景便可以進行模擬和仿真。

圖1 龍口市需水量預測SD模型概念模型

系統狀態流圖是基于系統動力學的基本狀態變量和系統符號的有機組合。根據系統的內部各因素之間的不同因果變量關系設計系統流圖，可以將整個系統內部各因果關系中未能準確反映出來的不同因果變量的基本性質和作用特點反映出來，通過流圖中關系的量化就達到了預測模擬的主要目的[26]。此次模型的研究區域為山東省龍口市，模擬年限是2007—2050年，基準年是2007年，時間步長是1年。2007—2018年是模型校準期，2019—2050年是模型預測期。本文采用了SD專用建模軟件VENSIM建立了一個包含人口、農業、工業、水環境和水資源5個子系統的龍口市水資源系統動力學流圖，清晰地表現了各個子系統間的關系(圖2)。

圖2 龍口市需水量預測SD模型因果關系

2.2 SD模型校準

龍口市需水量預測SD模型的校準周期是2007—2018年，時間步長為1年。表1列出了四大需水量(生活、工業、農業和總需水量)模擬結果與歷史數據的對比及相對誤差。對于這4種需水量的模擬相對誤差均在±5%以內。表明模型擬合結果基本符合實際情況，證明了模型的適用性，本文將利用此模型模擬未來年份內龍口市的需水量。

表1 需水量的模擬值與歷史值的比較結果

2.3 需水量預測情景設計

龍口市需水量預測SD模擬的預測期為2019—2050年。此處設計了4個情景，分別是情景S1(保持現狀型)、情景S2(經濟發展型)、情景S3(節約用水型)及情景S4(綜合發展型)，利用模型校準獲得的參數，對龍口市未來的需水量及經濟發展情況進行模擬預測，具體的情景設計方案如下。

a)趨勢保持型情景S1。此情景下，假定龍口市的社會發展政策及社會結構不發生大的調整，城市人口、經濟發展速度沒有太大的變化，保持現有的發展速度。

b)經濟發展型情景S2。此情景下，假定當下及未來的長時間內，龍口市重點發展經濟建設。為此，將2035年和2050年的經濟發展速度(工業GDP增長率)設定為6%和8%，其他參數與情景S1相同。

c)節約用水型情景S3。此情景下，假定龍口市重點保護水資源，將未來生活用水定額、灌溉定額和牲畜家禽用水定額均降低30%。其他參數與情景S1相同。

d)綜合發展型情景S4。在此情景下，假定龍口市共同發展水資源保護與經濟建設，2035年和2050年的經濟增長速度為6%，生活用水定額、灌溉定額和牲畜用水定額均降低20%，其他參數與情景S1相同。

3 模擬結果分析

3.1 需水量預測結果

預測4種情景下龍口市2030年和2050年的生活、工業、農業和總需水量，見表2；并給出了龍口市在4種情景下總需水量隨時間變化的曲線，見圖3。從表2和圖3可以看出，總需水量在4種情景下均呈上升的趨勢。在預測期內，4種情景下平均總需水量分別為137.26億、150.78億、113.07億、139.44億m3。到預測末期(2050年)，4種情景下龍口市總需水量分別為183.92億、242.71億、159.75億、224.48億m3，其排序關系是S3

圖3 不同情景下龍口市總需水量變化

3.2 水資源供需平衡分析

表3是4種情景下龍口市水資源供需平衡情況，圖4是4種情景下龍口市缺水指數變化曲線。缺水指數是指缺水量占總需水量的比重，正值表示缺水，其余表示不缺水，缺水指數的值越大，表示缺水的程度越嚴重。在2030年，4種情景下龍口市只在節約用水型情況下不存在缺水的問題；到2050年，4種情景下龍口市均存在缺水的問題，嚴重程度排序為S3

表3 不同情景下龍口市水資源供需平衡情況 單位：億m3

圖4 不同情景下龍口市缺水指數變化曲線

3.3 缺水情況分析

表4列出了與缺水指數有關的數據統計結果。結果表明4種情景下龍口市在預測期內出現缺水的年份比例分別為91.18%、91.18%、50.00%和67.65%，相應的平均缺水量分別為31.77億、45.72億、24.53億、49.26億m3，平均缺水指數分別為0.209 6、0.258 9、0.175 3和0.282 9。從這幾項統計數據的對比來看，龍口市在預測期內不同發展情景下都會出現不同程度的缺水問題。保持現狀的發展趨勢(情景S1)或只考慮社會經濟發展(情景S2)，龍口市在未來將出現較為嚴峻的缺水問題；只考慮節約用水措施(情景S3)，雖然龍口市水資源供需基本處于平衡狀態，在模擬期中只出現17年的缺水問題，但這是以犧牲龍口市的經濟發展為代價；如果綜合考慮社會經濟的發展和節約用水(情景S4)，龍口市仍可能出現缺水問題，但缺水的時間和程度都大為降低，總體來看該情景比較適合該地區的經濟發展。所以情景S4可以作為龍口市未來社會發展所采用的發展方案。

表4 不同情景下缺水指數統計數據

4 結論

本文構建了龍口市需水量預測的系統動力學模型，通過情景分析，對4種情景下龍口市2019—2050年的需水量進行預測，由此分析龍口市水資源供需平衡情況，得到以下結論。

a)預測期內，4種情景下龍口市的平均總需水量分別為137.26億、150.78億、113.07億、139.44億m3。預測末期(2050年)，4種情景下龍口市總需水量分別為183.92億、242.71億、159.75億、224.48億m3，大小排序關系是S3

b)2030年，4種情景下龍口市只在節約用水型情況下不存在缺水的問題；而到2050年，4種情景下龍口市均存在缺水的問題，嚴重程度排序為S3

c)為了在發展經濟的同時維持水資源的供需平衡及可持續發展，龍口市應該加大宣傳力度，從“開源”和“節流”這2個角度出發，增強全市市民節約用水、保護水資源的意識，進而在促進經濟發展的同時維持當地水資源的供需平衡，保障龍口市的日后發展。