基于SD模型的保定市主城區水資源供需模擬

張 彥，寇利卿

（河北省保定水文勘測研究中心，河北 保定 071000）

水資源供需系統是一個復雜的大系統，涉及水資源系統、經濟社會系統和生態環境系統［1］。目前根據預測方法的特點，水資源供需預測可分為時間序列法、直觀法和模擬模型法［2］，而系統動力學（SD）法是模擬模型法中應用最廣泛的方法。系統動力學是一門研究系統內部信息反饋結構和行為的學科，通過計算機進行信息的模擬仿真［3］。系統動力學于1956年由美國麻省理工學院的Jay W．Forrester教授創立后，被廣泛運用于環境科學、企業管理決策等研究領域［4］。由于系統動力學方法能夠動態模擬各要素間的關系及水資源供需的演化特征，并能明確分析出各因素對水資源供需的影響力度，可操作性強［5］，近年來在水資源供需模擬預測中得到廣泛應用。本文從系統的理論觀點出發，結合保定市主城區水資源供需特點和經濟社會發展狀況，以實現水資源供需平衡為目標，構建了區域水資源系統供需安全模型，通過參數敏感性分析找出影響該系統供需安全的敏感參數，在此基礎上設計不同政策調控方案，通過運行模型對比不同方案的仿真模擬結果，從而得出改善保定市主城區水資源供需平衡的最佳發展模式。

1 研究區域概況

保定市位于河北省中西部地區，與北京、天津構成黃金三角，地理位置非常重要。全市屬暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均降雨量498.9mm。本次所研究區域為保定市的主城區，由現在的蓮池區和競秀區（含高新區）組成，面積312km2，人口119.4萬，多年人均水資源量遠低于全國平均水平。隨著城區人口的持續增長，以及經濟社會的不斷發展，水資源供需矛盾更加突出，水資源安全形勢相對嚴峻。因此，開展保定市主城區的水資源供需安全研究，對保定市城市經濟、社會和生態環境的可持續發展具有十分重要的現實意義。

2 區域水資源供需SD模型構建

2.1 區域水資源供需系統模型結構

圍繞解決研究區域水資源供需安全問題，在分析研究區域水資源開發利用系統內部各要素間的相互作用和反饋機制的基礎上，將研究區域水資源系統劃分為供水子系統、需水子系統、經濟子系統、人口子系統、生態環境子系統等5個子系統。

供水子系統，按照供水來源將總可供水量分為地表水可供水量、地下水可供水資源量、再生水回用量、跨區域引調水量。其中再生水回用量主要是城鎮污水處理廠處理的工業廢水和生活污水的回用量。

需水子系統，是本文中最為復雜、龐大的子系統，也是水資源安全調控的主要部分。本子系統包括第一產業用水量、第二產業用水量、第三產業用水量、生活用水量和生態用水量。其中，第一產業用水量由農田灌溉用水量和林牧漁畜用水量構成，第二產業用水量由工業用水量和建筑業用水量構成，第三產業用水量由第三產業增加值和萬元三產增加值用水量計算而得。

經濟子系統，包括第一產業增加值、第二產業增加值和第三產業增加值。其中第二產業增加值由工業增加值和建筑業增加值組成，三個產業的增加值均是通過年增長率計算而得。

人口子系統，人口數量對水資源系統有著明顯影響。本文的人口類型分為城鎮人口和農村人口。總人口數量通過人口增長率計算，城鎮人口數量通過城鎮化率計算，農村人口數量則為兩者的差值。

生態環境子系統，包括河道內生態需水量和河道外生態需水量。河道內生態需水量采用市區內主要河流非汛期多年平均流量；河道外生態需水量采用定額預測法，以城鎮生活需水的15%［6］計算而得。

2.2 區域水資源供需SD模型流程圖

本文將保定市主城區的行政邊界作為系統的空間邊界，時間邊界為2009—2035年，基準年為2018年，預測和規劃時段為2019—2035年，規劃時間步長為1年。在明確了研究區域水資源供需系統構成和功能結構之后，開始應用Vensim DSS軟件繪制研究區域水資源供需SD模型的流程如圖1。

圖1 保定市主城區水資源供需SD流程

繪制完流程圖以后，再對系統的各要素進行量化分析，建立各要素間的量化關系方程，從而最終建立了保定市主城區水資源供需SD模型。模型共包含63個變量，其中狀態變量6個，速率變量6個，輔助變量33個，常量4個，表函數14個。模型所用數據來源于《保定經濟統計年鑒》《保定市水資源公報》及保定市人民政府官方網站等。

2.3 模型驗證與敏感性分析

構建完成SD模型之后，需要對模型進行合理性和有效性檢驗，以保證模型運行結果盡量接近現實［7-8］。本文選用歷史檢驗的方法來驗證模型模擬結果與歷史真實值結果之間的相對誤差，以評估模型的可靠性。本文選用人口數量、工業增加值、城鎮生活用水量、GDP等參數進行檢驗，通過對比2009—2018年的模擬值和真實值的相對誤差來進行驗證。檢驗結果如表1。由表1可知，模型模擬值和歷史真實值基本吻合，相對誤差均低于10%，認為模型與實際情況有較好的一致性，可用于實際水資源供需預測模擬演化。

表1 模擬結果與歷史數據對比

參數敏感性檢驗是分析模型中的參數變化對系統中所要研究的變量的影響程度。通過分析尋找敏感參數，對敏感參數進行調控，從而提高政策制定的有效性。本文應用Vensim DSS軟件中的Monte Carlo參數敏感性測試功能來尋找敏感性參數。通過敏感性測試，確定了對水資源供需系統敏感的參數有單位農田灌溉用水量、三產年增長率、工業年增長率、城鎮居民用水定額、再生水回用率等參數。

3 保定市主城區水資源供需模擬與調控

在確定對水資源供需比敏感的參數以后，通過對這些敏感參數進行調整，來制定保定市主城區水資源供需調控方案，以期找到適合保定市主城區水資源供需安全的發展模式。

3.1 方案1：延續現狀發展模式

保持現有經濟發展水平、人口增長率趨勢及供用水水平，不做任何政策調整，模擬水資源供需發展趨勢。主要調控參數如表2。

表2 方案1調控參數取值

3.2 方案2：生態環境優先，治污減排模式

在方案1基礎上，提高河道外生態用水量，將河道外生態用水量占城鎮生活用水量的比例提高到20%，減少城鎮生活污水排放量，將城鎮污水排放系數調整為0.66，同時提高再生水回用率，到2025年為62%，2030年為80%，2035年為90%。

3.3 方案3：節水控制，提高再生水回用力度模式

在方案1基礎上，通過宣傳提高居民節水意識，降低生活用水量；通過改進灌溉設施，提高農業灌溉節水水平；提高再生水的回用率到方案2的水平。主要調控參數如表3。

表3 方案3調控參數取值

3.4 方案4：產業結構調整，保持經濟穩定增長模式

該方案強調在保持GDP穩步增長的前提下，通過調整產業結構來達到減少水資源利用量的目的。在方案1的基礎上，保持第一產業的平穩發展，大力提高工業水平，控制第三產業的發展速度。主要調控參數如表4。

表4 方案4調控參數取值

3.5 方案5：綜合調控模式

該方案強調在倡導高效節水的背景下，保持經濟社會的協調發展。本方案將方案3和方案4整合，提高再生水回用率，提高農田灌溉節水水平，調整產業結構，提高工業化水平，控制第三產業的發展速度。主要調控參數如表5。

表5 方案5調控參數取值

4 結果與分析

按照預設的5種不同調控方案，模擬運行保定市主城區水資源供需系統模型，對模擬結果進行分析。從水資源總體的供需平衡看（圖2），方案5的綜合調控模式明顯優于其他的4種方案。模擬過程顯示從2019年供需比逐年上升，到2021年水資源供需達到平衡，并能持續維持水資源的供需平衡。

圖2 水資源供需比

方案1延續現狀發展模式不變，參數未經過任何調整，模擬結果顯示，水資源供需比（圖2）由2019年逐年上升至2021年達到峰值0.96，而后逐年下降，預計到2035年主城區的供水系統只能滿足區域內用水的61%，水資源短缺量（圖3）將高達1.4億m3，供需嚴重失衡，將會對主城區的經濟社會可持續發展帶來很大阻礙。

圖3 水資源余缺量

方案2是以改善生態環境為優先發展目標。模擬結果顯示，水資源供需比變化趨勢與方案1相近，水資源的短缺量稍高于方案1，說明生態需水量的變化對總需水量的影響不大。

方案3為節水控制模式。模擬結果顯示，水資源供需比變化趨勢與方案1和方案2相似，但水資源的短缺程度要略好于兩者（圖2、圖3）。方案3降低了城鎮居民的用水定額和單位農田灌溉用水量，同時隨著城鎮生活用水量的減少，雖然提高了再生水回用率，但再生水的回用量呈現下降趨勢（圖4），因此該方案對水資源供需比影響不明顯。

圖4 再生水回用量

方案4通過調整產業結構來達到降低水資源利用量。模擬結果顯示，三產用水量（圖5）從2022年開始增長幅度明顯低于方案1；工業用水量（圖6）從2031年開始有升高趨勢，但變化幅度不大；而與方案1相比，總需水量（圖7）和三產用水量變化趨勢相似，由此可以看出，三產用水量的變化對總需水量影響明顯。另外，方案4水資源供需比明顯高于前3個方案，但從2021年后仍呈現下降趨勢，水資源短缺量到2035年達0.45億m3，所以方案4仍不是最優方案。

圖5 三產用水量

圖6 工業用水量

圖7 總需水量

方案5綜合了方案3和方案4，實行節水控制與調整產業結構相結合的調控方案，最大限度降低水資源的利用量。模擬結果顯示，水資源在2021年達到供需平衡，并能維持水資源供需平衡的趨勢，使水資源供需安全狀況得到明顯改善。與方案1相比，雖然通過產業結構的調整，減緩了GDP的增速（如圖8），但從水資源可持續利用和保障經濟社會和環境可持續協調發展的系統考慮，此方案應為5種方案中的最佳方案。

圖8 GDP

5 結論與建議

在充分分析保定市主城區水資源供需系統結構和功能的基礎上，構建了保定市主城區水資源供需SD模型。應用敏感性測試方法，確定了對水資源供需系統敏感的參數。通過對敏感參數設定不同量化取值，設計了5種不同的水資源發展模式，經過對比分析模擬的結果得出，通過降低城鎮居民用水定額和農田灌溉用水定額，提高再生水回用率，控制第三產業的發展速度，提高工業增加值比重的綜合方案才是改善保定市主城區水資源供需平衡的最佳發展模式。本模型對不同的調控措施進行了定量化處理，為保定市主城區水資源管理的決策提供依據。

為進一步提升保定市主城區水資源供需與社會經濟、生態環境和諧發展，結合模型的模擬結果分析以及研究區域社會經濟、生態環境發展現狀提出以下幾點建議：

（1）加大節水力度，減少水資源消耗。提高各個行業的用水效率和節水水平，大力宣傳節水理念，提高居民節水意識，加快推進節水器具普及，有效控制城市供水管網漏失，推廣節水率高的農田灌溉設施，調整種植結構，改進和提高工業生產工業，提高生產用水重復利用率。

（2）提高非常規水的利用程度。加強海綿城市建設，逐步提高雨水資源的利用水平。提高再生水回用率，提高水資源的重復利用水平。

（3）高效利用引江水，加大非常規水利用程度。保定市主城區水資源量較為匱乏，跨流域引調水資源對于保定市城市經濟社會高質量發展至關重要，高效利用引江水，大力推進供水置換，減少地下水開采量，解決地下水大漏斗問題，提高河道生態用水量，逐步恢復河道生態功能。

（4）調整產業結構，嚴格控制第三產業用水量。隨著城鎮化進程的加速，保定市主城區第三產業近年來發展迅猛，隨著而來的用水量也逐年增加。第三產業涉及面比較廣，節水管理難度大，用水管理部門應加強這方面的管控。同時，在逐步提高工業節水水平的前提下，大力發展工業，提高工業產值在GDP中的比重。