探析SD方法在水土資源管理與調節中的應用*

甘肅省科技發展促進中心 蒲彥君，王睿，韓建忠，嚴玉峰

水資源作為人類賴以生存的物質基礎，影響著人類的進步和社會的健康發展。我國水資源地區分布不均，年內分配不均、年際變化大，且天然來水與用水需求不匹配，導致水資源合理配置難度較大[1]。土地資源同樣作為自然要素之一，在經濟社會的發展過程中有著重要的作用。人口持續增長和經濟快速發展使土地資源的需求也隨之增長，導致后備土地資源不斷減少，我國土地資源的承載水平受到嚴重削弱[2]。水土資源系統是在限定的時空范圍內，由水資源、土地資源和經濟社會等要素組成，具有開放性、復雜性和動態性等特點[3]。目前，針對水土資源系統的研究集中于對其承載力的評價及優化配置等方面[4,5]。

系 統 動 力 學(System Dynamics, SD)的理論基礎是反饋控制理論，主要依據組成系統的內部各要素之間形成的關系和各種反饋閉合環構建模型，同時搜集與系統行為有關的數據進行仿真驗證，最后做出預測[6]。目前，基于SD方法的應用研究主要在環境保護、項目建設、糧食安全、信息管理等領域[7,8]。同時SD方法在水土資源系統模擬與評價方面也有廣泛應用[9,10]。

一、SD模型應用于水土資源系統

SD可以定量分析各類復雜系統的內部反饋環結構與系統功能內在特性的關系，具有能處理高階、非線性等復雜問題的優點，在客觀的長期動態趨勢研究中應用較廣。目前對于SD方法應用于水土資源系統的研究，主要是通過設置變速率方程表達系統內部各要素之間的關系，進而形成閉合反饋回路進行動態模擬，實現定量表達系統整體的行為表現。本文通過總結概述SD模型在水土資源系統中的應用，探討彼此的關聯與影響。

（一）SD模型應用于水資源供需平衡

從20世紀50年代末起，我國開展了對水資源供需平衡的研究[11]。隨著計算機技術的發展，數字模擬與仿真技術也得到快速發展，并被推廣應用于水資源領域。針對我國水資源地區分布不均，以及經濟社會發展的差異性，學者們設想在時間、空間和跨部門實現水資源優化配置，構建出了三維優化分配水資源的理論模型體系，從而實現解決多水源、多目標、多用戶和多保證率的配置問題[12,13]。這對區域生態系統循環、社會經濟健康發展起到重要作用。SD模型以水資源、社會、經濟、生態中的供需關系為要素因子，在構建模型時輸入各個要素，通過建立變速率方程表達各要素之間的相互作用，構建出可以實現交互作用的水資源供需平衡的SD模型，通過搜集該區域大量歷史與現有數據，進行各項指標的預測模型。目前在水資源供需平衡的應用研究中基于SD模型的適用性及有效性也得到了實際驗證[14-16]。以水資源供需差額為核心，構建SD模型，評價分析預測結果，從而發現水資源在利用過程中存在的問題[17]。

目前，基于SD模型的水資源供需平衡應用研究主要是對某一城市的水資源供需平衡預測模擬及系統優化[18,19]、工農業供用水預測[20]及生態需水預測[21]等方面的研究。根據我國區域生態經濟社會和區域生態物質文明協同發展，考慮全球氣候變化、水價調整機制、城鎮化建設進程等因素對區域水資源供需情況的影響，進一步完善區域水資源供需系統的SD應用模型。

（二）SD模型應用于土地利用的動態變化

土地利用系統受區域經濟發展程度、自然環境開發利用程度和政府決策等因素影響[3]。目前，國內許多學者主要采用的是基于計算機方法的數學模型和基于遙感與地理信息系統技術的研究方法來分析土地利用動態變化[22,23]。其中數學模型主要有傳統土地利用數量分析模型、綜合土地利用動態分析模型和土地利用空間格局分析模型等。

SD以系統內部閉合反饋環為研究基礎，以計算機仿真技術為手段，進行定性分析與定量研究復雜系統的動態發展。SD模型是土地資源配置的有效工具，用來研究區域人口發展、土地開發利用和區域社會經濟發展變化等之間的內在聯系。許端陽等[26]以鄂爾多斯為研究區，利用SD方法構建了耦合自然和人文因素的沙漠化動態系統動力學模型。任曉霞等利用從1994年到2009年的各項統計數據，在分析黑水縣土地利用現狀、變化規律和驅動力的基礎上，對黑水縣土地未來的發展進行了預測。曹祺文等將土地主控因子嵌入傳統中國城鎮化SD模型中，拓展出基于土地利用的中國城鎮化SD模型，開展了土地利用的多種情景模擬。錢國英等結合遙感技術與系統動力學對土地利用狀況進行仿真分析，較容易得出災害嚴重的土地類型，同時表明在一定時期內無法正確描述土地之間的轉換關系。

目前SD模型在土地利用系統中應用較為廣泛，但對于系統內部閉合反饋環之間的相互作用還難以定性表達，尚且無法準確描述和反映某個因素在空間分布上的具體變化。

（三）SD模型應用于水土資源承載力評價

水土資源承載力主要由環境、資源、經濟和人口等因子組成。由于其因子諸多，系統復雜，SD方法占據優勢。其作為區域經濟發展潛力的指標，對未來水土資源開發、生態環境保護和社會經濟發展有一定的科學參考價值。

利用SD模型開展水資源承載力方面的研究，主要集中在對社會經濟發展起著重要保障能力的地方自然資源的建模與評估。陳興鵬等利用SD理論基礎，建立了西北干旱地區水土資源承載力系統模型，同時以甘肅省河西地區為例，分析了該地區的水土資源承載力，并提出了相應對策。崔海升等以地方自然資源供需平衡理論為核心，建立了自然資源與環境約束下的哈爾濱地區自然資源承載力系統動力學模型，并模擬與預測出在哈爾濱地區將發生政策性的地方自然資源問題。梁栩等建立了自然資源、水環境與人類經濟社會關系的系統動力學模式，并運用層次分析法構建了自然資源的脆弱性評估系統，得出了有利于區域經濟健康發展的綜合模型。

采用SD模型對土地資源承載力研究重點則集中于社會經濟承載力和土地生產能力這兩個方面，通過動態模擬在長時間序列條件下的土地資源承載力變動狀況，選擇土地資源的最佳使用方法，為土地規劃研究提出新依據[3]。高新才等[34]從張掖市農作物的供需入手，構建了SD仿真模型預測干旱地區土地資源人口承載力。賈立斌等從安徽省鳳臺縣的主要矛盾入手，構建了該縣土地資源承載力系統動力學模型，利用3種情景模擬對其進行評價和預測，并做出警情判定。

運用SD方法對水土資源承載力的研究更多傾向于單一評估指標，但目前來看，單一評價指標方法不能滿足決策需要，也無法反映系統內部反饋機制，導致模型的模擬精度不夠，因此構建SD模型時需要綜合考慮各評價指標對水土資源數量和質量影響。

（四）SD模型應用于水土資源優化配置

基于SD模型的水土資源系統優化配置的研究現已成為學者們關注的熱點。通過蓄水方案實現水資源系統優化綜合分配，并通過與當前水資源系統供需驅動因子和內部各子系統的聯合建立蓄水庫容模式，按照優選時間序列分析水資源系統運行規律和方法。水資源系統調控理論采用構建因果鏈和反饋環，跟蹤水質的動態信息，通過模擬各種水文狀態和多方法環境下水資源優化配置結果，尋找自然資源的使用效益最佳方法[3]。在使用SD模型實現水資源系統運行與調度時，由于未充分考慮SD方法在優化時的局限，因此需要融合各知識領域的方法進行優選。土地資源作為不可再生資源，是整個社會的“財富之母”，對土地資源進行優化配置可提高土地利用的經濟效益。關于土地資源配置的模型和算法集中在線性規劃模型、多目標模型和利用貝葉斯數據同化技術構建土地優化模型。但基于SD模型對土地資源的研究主要是通過研究土地資源的供求關系、土地資源的利用結構調整以及土地資源配置的市場化長期發展演化等過程，構建土地利用層次結構模型，模擬不同方案的土地資源開發利用狀況。現有的SD模型關于土地資源系統的研究主要針對系統整體的動態運行變化，系統內部各因素（土地、經濟和社會子系統反饋）之間反饋機制的研究還相對較少，模型模擬精度缺乏準確性。

二、問題與展望

（一）SD模型應用于水土資源系統中的問題

SD模型應用于水土資源系統中的研究已取得了一些成果，但由于水土資源系統具有復雜性，仍有很多問題尚未解決，需要進一步研究。現如今將SD方法應用于水土資源系統的研究還處于初始階段，理論還未成熟，實際應用和成果并不多。目前存在以下幾點問題還需深入研究。

（1）研究體系有待完善。國內外學者進行的SD模型研究，應用領域廣泛。其中，在水資源方面的研究集中度偏低，缺少大范圍的水資源綜合研究模型；在土地資源方面的研究則側重于污染評價與土地規劃的單一層面，綜合模型也較少。總而言之，目前基于SD模型的研究集中在水資源和土地資源的單一系統，而在水土資源綜合系統中的研究較少。故及時建立完善的基于SD模型的水土資源系統研究體系很有必要。

（2）模型不具針對性。在水土資源系統的研究中，針對同一研究內容，不同學者提出多種SD模型。模型還停留在初始理論階段，模型預測也具有非常明顯的隨機性，且大多數模型缺乏驗證，基于SD方法的水土資源系統研究存在不足。因此，對應用于先前水土資源系統SD模型的不足進行改進，并積極探索創新更具針對性的SD模型，更好地對水土資源系統進行分析評價。

（二）SD模型應用于水土資源系統中的展望

目前基于SD模型的研究仍存在很多問題。基于水土資源系統的SD模型構建需要依靠大數據分析，通過各種相關變量計算和經驗數據所構成的微分方程，與代數方程相互聯系而成的。所以，我們處在大數據分析的背景下，這使SD模型與技術的融合產生了巨大的發展空間，未來可以通過獲取實時信息實現及時建模和預測系統的真實性，提高水土資源開發效率，提升模型數據處理的實效性和SD數據分析性能，為決策者做良好的技術基礎。

三、結束語

本文通過綜述SD在水資源供需平衡、土地資源利用動態變化、水土資源承載力評價和優化配置方面的應用研究現狀，提出了問題和展望，為利用SD模型反饋調節水土資源系統內部各個因素進而實現有效管理的研究以及在區域經濟社會健康發展方面提供科學依據。