基于SD模型的細(xì)河流域水資源承載能力研究

王 洋

(遼寧省本溪水文局，遼寧本溪117000)

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基于SD模型的細(xì)河流域水資源承載能力研究

王 洋

(遼寧省本溪水文局，遼寧本溪117000)

立足于水資源可持續(xù)發(fā)展的基本理念，分析細(xì)河流域水資源條件，以水資源—生態(tài)—社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)構(gòu)建指標(biāo)體系，從而創(chuàng)建基于系統(tǒng)動力學(xué)(SD)模型，來實現(xiàn)推求細(xì)河流域不同情勢下水資源承載能力，進(jìn)而分析提高該流域水資源承載力的途徑。

SD模型；水資源承載能力；細(xì)河流域

細(xì)河流域地處遼寧省本溪市西部，總面積1 047 km2，為中溫帶半濕潤和半干旱的季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為845.0 mm，多年平均地表水資源量為35 919.16萬m3，多年平均地下水資源量為7 804.39萬m3，多年平均水資源總量為35 974.69萬m3。細(xì)河流域是本溪市重要的鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展基地，隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源承載力已成為該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的控制因素。通過開展細(xì)河流域水資源承載能力研究工作，分析和給出細(xì)河流域不同水平年水資源推薦的配置方案、工程規(guī)模和水資源可承載的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展規(guī)模、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)水平等系列成果，可以為今后一定時期內(nèi)細(xì)河流域水資源開發(fā)利用和管理提供重要依據(jù)，為本溪市總體規(guī)劃提供參考，促進(jìn)和保障細(xì)河流域人口、資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 水資源承載能力定義及評價指標(biāo)構(gòu)建

1.1 水資源承載能力的定義

當(dāng)前，水資源承載能力無統(tǒng)一的定義，筆者傾向于：“在未來不同的時間尺度上，以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展水平為依據(jù)，以社會可持續(xù)發(fā)展和水資源可持續(xù)利用為原則，以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展為條件，在水資源得到合理開發(fā)利用和有效配置的前提下，區(qū)域內(nèi)水資源可支撐的水資源—生態(tài)—社會經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的規(guī)?！钡亩x。

1.2 水資源承載能力評價指標(biāo)構(gòu)建

區(qū)域水資源承載力具有自然、社會雙重屬性，既反映了水資源系統(tǒng)滿足社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的能力，也與社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)開發(fā)自然水資源系統(tǒng)的深度有關(guān)。其研究應(yīng)該兼顧社會、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和生態(tài)等方面。因此，細(xì)河流域水資源承載力研究必然涉及細(xì)河流域內(nèi)水資源、社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境。本研究把水資源、社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境4個子系統(tǒng)耦合而成的大系統(tǒng)作為細(xì)河流域水資源-生態(tài)-社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。

根據(jù)水資源承載力的定義、內(nèi)涵以及水資源承載力指標(biāo)體系的設(shè)計原則和設(shè)計方法，在充分分析、比較和借鑒的基礎(chǔ)上，本文最后確定了4個子系統(tǒng)10類36個具體指標(biāo)以構(gòu)成細(xì)河流域水資源承載力指標(biāo)體系。由于水循環(huán)一般以年為周期，所以指標(biāo)體系中涉及到的時間一般都是以年為單位的，如水資源數(shù)量、人均水資源量等都是以一年為周期的。社會經(jīng)濟(jì)壓力指標(biāo)有：總?cè)丝?、城?zhèn)人口、工業(yè)增加值、建筑業(yè)增加值、第三產(chǎn)業(yè)增加值、GDP、灌溉面積、牲畜數(shù)量等。生態(tài)環(huán)境壓力指標(biāo)有：綠化面積、環(huán)境衛(wèi)生面積、廢污水排放量等。社會經(jīng)濟(jì)狀態(tài)指標(biāo)有：總需水量、生活需水量、工業(yè)需水量、建筑業(yè)及第三產(chǎn)業(yè)需水量、農(nóng)業(yè)需水量等。生態(tài)環(huán)境狀態(tài)指標(biāo)有：河道外生態(tài)需水量、廢污水處理率等。社會經(jīng)濟(jì)響應(yīng)指標(biāo)：人口增長率、城鎮(zhèn)化率、工業(yè)增加值增長率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等。生態(tài)環(huán)境響應(yīng)指標(biāo)：廢污水排放率、廢污水處理投資等。

考慮到水資源承載力指標(biāo)所具有的區(qū)域性，在了解細(xì)河流域水資源及開發(fā)利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合以上水資源承載客體和承載主體的指標(biāo)，選用7個與水資源和水環(huán)境密切相關(guān)的綜合性變量作為承載力評價指標(biāo)。這些指標(biāo)從不同角度反映水資源系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)組成與人類社會經(jīng)濟(jì)活動之間的相互作用關(guān)系。詳見表1。

表1 水資源承載能力評價指標(biāo)

分類指標(biāo)指標(biāo)含義指標(biāo)作用水資源系統(tǒng)供水緊張程度供需比反映水資源豐缺狀態(tài)社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)工業(yè)增加值工業(yè)發(fā)展規(guī)模反映工業(yè)需求人口數(shù)量社會發(fā)展規(guī)模反應(yīng)社會需求農(nóng)田灌溉面積農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模反應(yīng)農(nóng)業(yè)需求三產(chǎn)增加值服務(wù)業(yè)發(fā)展規(guī)模反應(yīng)服務(wù)業(yè)需求牲畜數(shù)量畜牧業(yè)發(fā)展規(guī)模反映畜牧業(yè)需求生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)城市綠地面積生態(tài)環(huán)境質(zhì)量反映生態(tài)環(huán)境需求

2 系統(tǒng)動力學(xué)(SD)簡介

系統(tǒng)動力學(xué)是美國J.W.Forrester教授于1958年為分析生產(chǎn)管理及庫存管理等企業(yè)問題而提出的系統(tǒng)仿真方法。其不僅具有系統(tǒng)發(fā)展的觀點，而且具有分析速度快、模型構(gòu)造簡單、可以使用非線性方程等優(yōu)點。由于水資源系統(tǒng)是與社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、 生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)，因此必須通過建立一套能反映問題本質(zhì)、技術(shù)可行、有科學(xué)依據(jù)且能反映承載問題多元性、非線性、動態(tài)性、多重反饋等特征的模型來研究水資源承載力問題。而系統(tǒng)動力學(xué)能把社會經(jīng)濟(jì)、資源環(huán)境在內(nèi)的大量復(fù)雜因子作為一個整體，通過綜合考慮眾多因子的相互關(guān)系，實現(xiàn)對水資源承載能力的估算和動態(tài)變化過程的預(yù)測。故，本研究采用系統(tǒng)動力學(xué)仿真法(System Dynamics，簡稱“SD”)建立模型。

3 細(xì)河流域水資源承載能力SD模型

3.1 模型基本方程

SD 系統(tǒng)強調(diào)對系統(tǒng)整體性和非線性特性的描述。為了清晰地描述系統(tǒng)，一般是在盡量完整地描述系統(tǒng)內(nèi)各組成部分之間相互作用的非線性關(guān)系、復(fù)雜的因果反饋關(guān)系(Rjk)的基礎(chǔ)上，把系統(tǒng)劃分成若干個相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)(P)，其描述關(guān)系式為

S=(P，Rjk)；P={Pi|i∈I} ；

(1)

Rjk={rjk|j∈J，k∈K且J+K=I}

式中，S為整個系統(tǒng)；P為系統(tǒng)S中的子系統(tǒng)，它們可能屬于同一層次或不同層次；Rjk為關(guān)系矩陣，描述各子系統(tǒng)間的關(guān)系，一般是非線性的。

子系統(tǒng)一般由一個或若干個基本單元一階反饋回路組成，對它們的描述一般用流位變量、流率變量和輔助變量以及其他數(shù)學(xué)函數(shù)、邏輯函數(shù)、延遲函數(shù)以及常數(shù)等。根據(jù)SD模型變量與方程的特點，定義變量并給出數(shù)學(xué)描述

(2)

式中，L為流位變量向量；R為流率變量向量；A為輔助變量向量；為純速率向量；T為轉(zhuǎn)移矩陣；W為關(guān)系矩陣。微分方程

(3)

它是系統(tǒng)動力學(xué)的根本基本方程。式中，LET為流位變量；RAT為流率變量。

3.2 SD模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)

根據(jù)本地區(qū)特點，將細(xì)河流域水資源承載力系統(tǒng)劃分為7個子系統(tǒng)：水資源子系統(tǒng)、工業(yè)用水子系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)用水子系統(tǒng)、生活用水子系統(tǒng)、生態(tài)用水子系統(tǒng)、三產(chǎn)用水子系統(tǒng)和廢污水子系統(tǒng)(見圖1)。其中，水資源子系統(tǒng)和廢污水子系統(tǒng)中的中水回用部分是供水系統(tǒng)，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)和三產(chǎn)子系統(tǒng)是需水系統(tǒng)。供水系統(tǒng)與需水系統(tǒng)相互作用，相互限制。

圖1 SD模型子系統(tǒng)相互作用示意

從圖1可以看出，在系統(tǒng)構(gòu)建過程中，工業(yè)產(chǎn)值決定了工業(yè)需水量，三產(chǎn)產(chǎn)值決定了三產(chǎn)需水量，人口數(shù)量決定了生活需水量，農(nóng)田灌溉面積和牲畜數(shù)量決定了農(nóng)業(yè)需水量，城市綠地面積、水土流失面積決定了生態(tài)需水量；工業(yè)、三產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)五大需水系統(tǒng)和供水系統(tǒng)決定了區(qū)域的供需狀況，但供需狀況反過來又影響工業(yè)產(chǎn)值、三產(chǎn)產(chǎn)值、人口、農(nóng)業(yè)灌溉面積、牲畜數(shù)量和城市綠地面積等。

表2 各方案供需平衡分析 萬m3

4 方案設(shè)計與模擬結(jié)果分析

本次研究以根據(jù)不同的供需關(guān)系(見表2)來確定最優(yōu)化方案。

方案一：現(xiàn)狀延續(xù)型，即現(xiàn)狀規(guī)劃方案，工程可供水量按現(xiàn)狀取值，未來不發(fā)生變化，其余決策指標(biāo)如工業(yè)產(chǎn)值增加率、萬元產(chǎn)值用水量等按照以往情形順延。

方案二：開源型即根據(jù)現(xiàn)有工程規(guī)劃方案，逐年增加地表水源工程，直至與地表水資源可利用量持平，地下水源根據(jù)《遼寧省地下水保護(hù)規(guī)劃》，其供水量是逐年減少的，至遠(yuǎn)期規(guī)劃年供水量削減至零，其余決策指標(biāo)按照以往情形順延。

方案三：開源節(jié)流型即供水方案與開源型一致，各行業(yè)用水指標(biāo)與遼寧省實行最嚴(yán)格水資源管理制度“十二五”規(guī)劃指標(biāo)逐年接近，其余決策指標(biāo)按照以往情形順延。

方案四：節(jié)流回用型即供用水方案與開源節(jié)流型一致，新增加中水回用量，其余決策指標(biāo)按照以往情形順延。

由表2可見，在未來20年里，前3種方案均有不同程度的缺水，僅方案四可以保證經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展。本文將著重分析方案四的模擬結(jié)果。

節(jié)流回用型方案在前3個方案基礎(chǔ)上，考慮廢污水回用量來增加供水量，以滿足未來需水要求。經(jīng)過模型模擬，細(xì)河流域各個水平年供需平衡，本地水資源可以支撐未來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。

其各個時期決策變量取值見表3。將各決策變量代入模型，得到的最終模擬結(jié)果見表4。

通過層次分析法(AHP)對模擬結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，可得不同方案下細(xì)河流域水資源承載力(見圖2)。

方案四綜合了開源、節(jié)水、治污等措施，使得細(xì)河流域水資源承載力的提高大于上述每個方案的提高程度，而且提高的幅度越來越大。該方案全面考慮了開發(fā)地表水資源，節(jié)約用水和污水治理等主

表3 方案四各個時期決策變量取值

時間生活用水定額/L·人-1·d-1城市農(nóng)村城市化率/%灌溉定額7667.85m3/hm2的灌溉變量/%工業(yè)萬元增加值用水量66.48m3的變量/%面積變化率水利用系數(shù)增加值增長率用水重復(fù)利用率2011年74.6159.2655.351570.000.1502015年90.0070.0065.002085.000.15202020年95.0080.0075.001088.330.12502025年97.5085.0080.00591.670.11602030年100.0090.0085.00095.000.1070時間三產(chǎn)萬元增加值用水量/m3三產(chǎn)增加值增長率/%可供水量/萬m3地表水地下水污水處理率/%中水回用率/%2011年20.710.156351.62966.91002015年20.710.209528.00773.502030.02020年20.710.2012704.00309.405050.02025年20.710.1913739.50154.706567.52030年20.710.1814775.0008085.0

表4 方案四模擬結(jié)果

時間供水緊張程度工業(yè)增加值/萬元人口數(shù)量/人農(nóng)田灌溉面積/hm2三產(chǎn)增加值/萬元城市綠地面積/hm2牲畜數(shù)量/頭2011年1.441595843139591132.2726117320.00062672.02015年1.8101042130143541246.7248718141.47276178.22020年2.2221988720148636517.441212260103.19697224.92025年1.7393442610153911759.962966520256.784124086.02030年1.4325697140159374880.596960880638.960158369.0

圖2 各種方案下水資源承載力結(jié)果對比

要措施，既提高水資源的供應(yīng)量，又加強污水處理回用力度，使細(xì)河流域水資源承載力獲得了大幅提高，非常有利于細(xì)河流域經(jīng)濟(jì)、社會與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，良好地體現(xiàn)了區(qū)域水資源對地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境和人口的支撐作用，從而使細(xì)河流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展獲得較好的可持續(xù)性，所以該方案為最優(yōu)發(fā)展方案。

在節(jié)流回用型方案下，細(xì)河流域水資源承載力有最大幅度的提高。因此提高污水處理能力，增加中水回用量是提高細(xì)河流域水資源承載力的關(guān)鍵所在。目前細(xì)河流域僅有一處污水處理工程，中水回用率為零。因此，細(xì)河流域迫切需要加大投資力度，修建污水處理及回用工程，提高污水處理率和中水回用率，其具有保護(hù)水資源、水環(huán)境、增加供水量的多重效益，是解決目前細(xì)河流域水污染問題和提高水資源承載力的根本出路。

5 結(jié) 語

本研究采用系統(tǒng)動力學(xué)法建立SD模型來研究細(xì)河流域水資源承載能力。通過模型的試運行和檢驗，模型模擬仿真程度高，可合理預(yù)測未來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水資源的需求。通過模型運行整理四套未來水資源發(fā)展方案，模擬結(jié)果采用層次分析法(AHP)加以分析，結(jié)果顯示通過一系列措施，未來細(xì)河流域水資源可承載本地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，且認(rèn)為節(jié)水回用型方案是最優(yōu)選方案。

[1]程莉， 汪德爟. 蘇州市水資源承載力研究[J]. 水文， 2010， 30(1)： 47- 50．

[2]孫富行. 水資源承載力分析與應(yīng)用[D]. 南京： 河海大學(xué)， 2005．

[3]董哲仁， 陳明忠. 水資源及水環(huán)境承載能力[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2002．

[4]王友貞， 施國慶， 王德勝. 區(qū)域水資源承載力評價指標(biāo)體系的研究[J]. 自然資源學(xué)報， 2005， 20 (4)： 597- 604．

[5]朱一中， 夏軍， 談戈. 關(guān)于水資源承載能力理論與方法的研究[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展， 2002， 21(2)： 180- 188．

[6]魏斌， 張霞. 城市水資源合理利用分析與水資源承載力研究[J]. 城市環(huán)境與城市生態(tài)， 1995， 8(4)： 19- 24.

(責(zé)任編輯 陳 萍)

Study on Carrying Capacity of Water Resources in Xihe River Basin Based on SD Model

WANG Yang

(Benxi Hydrology Bureau of Liaoning Province，Benxi 117000，Liaoning，China)

Based on the idea of sustainable development of water resources，the water resources conditions in Xi River Basin are analyzed.The index system is constructed based on the system of water resources-ecology-society and economy，and then a model based on system dynamics (SD) is created to realize the carrying capacity of water resources of Xi River Basin in different situations.The ways to improve the carrying capacity of water resources in the river basin are also analyzed．

SD model; carrying capacity of water resources; Xi River Basin

2015- 10- 18

王洋(1979—)，男，黑龍江拜泉人，高級工程師，碩士，主要從事水文水資源工作．

TV211.1(231)

A

0559- 9342(2016)06- 0022- 04