陳 威，周 鋮

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430065）

1 前言

水資源承載力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及資源、社會、環(huán)境、經(jīng)濟和水污染等諸多因素，為促進國民經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展，對水資源承載力進行正確評價，優(yōu)選出合理利用方案是城市化進程中非常重要的一環(huán)[1]。水資源承載力的影響因素眾多、關(guān)系復(fù)雜，具有多指標、多屬性的特點，且各因素間的影響程度不同，因此合理的綜合評價方法將直接影響到優(yōu)選結(jié)果。

近年來，不少學(xué)者運用模糊數(shù)學(xué)理論、灰色系統(tǒng)模型、back propagation（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法進行方案優(yōu)選，都取得了較好的效果。但是，上述方法的理論基礎(chǔ)復(fù)雜、計算過程繁瑣，而且評價結(jié)果受人為因素的影響較大[2]。針對以上問題，本文以系統(tǒng)動力學(xué)原理建立模型并用密切值法來分析模擬結(jié)果，將兩者有機結(jié)合引入到城市水資源承載力的評價與決策研究中，探尋一種簡單可行、科學(xué)可靠的水資源承載力綜合評價的新方法。

2 水資源承載力評價

水資源承載力所涉及的面比較廣，對其研究不能在單一的系統(tǒng)中來做分析，還需要全盤考慮資源、社會、環(huán)境、經(jīng)濟和水污染等因素之間的聯(lián)系，因此采用系統(tǒng)動力學(xué)的方法將所需要考慮的各種因素全部納入到模型中，來模擬獲取不同策略下的各項評判指標值；再使用密切值法對模擬得到的各項評判指標值進行綜合分析，進而得出不同策略對水資源承載力的影響[3～7]。

2.1 系統(tǒng)動力學(xué)建模

將各種因素納入系統(tǒng)動力學(xué)模型，并分成5個子系統(tǒng)：水資源子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)、水污染子系統(tǒng)[8～11]。通過分析模型各子系統(tǒng)內(nèi)各項指標之間的相互聯(lián)系和制約的關(guān)系，結(jié)合水資源承載力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析圖將各子系統(tǒng)聯(lián)系起來[12]，得到水資源—經(jīng)濟—社會—生態(tài)環(huán)境的耦合系統(tǒng)，構(gòu)建出了相對完整的水資源承載力系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型系統(tǒng)流圖。該系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型中包含5種變量：狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量、常數(shù)變量和表函數(shù)，這些變量之間由41個方程相互連接，構(gòu)成了10條反饋回路，用系統(tǒng)動力學(xué)專用軟件Vensim軟件建立模型，如圖1所示。

圖1 水資源承載力系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型流圖Fig.1 The carrying capacity of water resources system dynamics simulation model flow chart

其中，水資源子系統(tǒng)包括了一產(chǎn)需水量、二產(chǎn)需水量、三產(chǎn)需水量、生活需水量、需水總量、經(jīng)濟需水總量、長江引水量、供水總量、中水回用量、城市綠化用水量、澆灑道路用水量、生態(tài)需水量；經(jīng)濟子系統(tǒng)包括國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）、一產(chǎn)產(chǎn)值、二產(chǎn)產(chǎn)值、三產(chǎn)產(chǎn)值、萬元耗水量、農(nóng)田灌溉面積、用水定額；社會子系統(tǒng)包括人口數(shù)量、人口增長率、人均用水定額；生態(tài)子系統(tǒng)包括綠地面積、道路廣場面積、綠地面積增長速度、道路廣場面積增長率、綠地面積增長率；水污染子系統(tǒng)包括工業(yè)用水重復(fù)利用率、中水回用率、污水量、工業(yè)污水排放系數(shù)、污水集中處理率。

2.2 密切值法評價

對水資源承載力的評價是一種典型的多指標綜合性問題，目前采用的多種指標綜合計算模型存在著計算繁瑣等多種制約因素。為此，本文采用直接有效的多指標綜合法——密切值法[13]。

密切值法是多目標決策的一種優(yōu)選方法，將多個指標簡化成一個可從總體上衡量其優(yōu)劣的綜合指標[14]。其顯著的優(yōu)點在于可以對區(qū)域內(nèi)的可持續(xù)利用水平進行優(yōu)劣排序，目前廣泛地應(yīng)用于環(huán)境質(zhì)量評價等領(lǐng)域中，也是水資源承載力評價的理想方法[15]，該方法模型建立如下。

2.2.1 方案評價的指標矩陣

1）建立矩陣。

式（1）中，aij為第i個方案第j項指標值；m為方案數(shù)；n為目標數(shù)。

2）指標矩陣規(guī)范化。目標有正向和逆向之分，其各自的量綱各不相同。為便于矩陣分析比較，將逆向的目標轉(zhuǎn)化為正向目標，使得有量綱的數(shù)值變?yōu)闊o量綱的數(shù)值。

這樣得到了規(guī)范化指標矩陣：R=（rij）m×n。

2.2.2 求最優(yōu)點和最劣點

“最優(yōu)點”和“最劣點”分別為所有方案點集各個評價指標的最好和最差點的集合，求出各個方案點集與這些最優(yōu)和最劣點的距離，便可以為某一定時間水資源提供一個綜合評價的依據(jù)。

“最劣點”為

2.2.3 求各方案密切值

密切值計算公式為

式（5）中，與分別表示的是評價點Ai與A+之間的歐氏距離；d+與d-分別表示m個“最優(yōu)點距”的最小值和m個“最劣點距”的最大值，其表達式如式（6）～式（9）所示。

通過密切值的計算和排序可以得出各個方案的相對優(yōu)劣。密切值越小，方案越優(yōu)。

3 實例應(yīng)用

以武漢市歷年的統(tǒng)計年鑒和水資源公報提供的相關(guān)數(shù)據(jù)為對象，用系統(tǒng)動力學(xué)模型和密切值法聯(lián)合分析武漢市水資源狀況，根據(jù)《武漢市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年總體規(guī)劃綱要》以2015年為水平年，做出水資源承載力評價。

3.1 模型有效性檢驗

以歷史回顧檢驗法檢驗系統(tǒng)動力學(xué)模型的有效性。以武漢市2003年到2007年的統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)作為控制變量來預(yù)測2008年到2012年的人口、GDP與已有的2008年到2012年的數(shù)據(jù)進行比較（見表1和表2），預(yù)測值和實際值的誤差最大為4.64%＜5.0%，在合格范圍內(nèi)，說明所建立的系統(tǒng)動力學(xué)模型能有效反映實際系統(tǒng)，使用該方法合理，具有比較高的可靠性。

表1 模型歷史回顧檢驗結(jié)果Table 1 The historical test results of the model

表2 預(yù)測精度范圍標準Table 2 Standard precision scope

3.2 方案設(shè)計

設(shè)計現(xiàn)狀延續(xù)型、開源型、節(jié)流治污型、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整型和開源節(jié)流并調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)型（綜合型）5種方案，來分析未來武漢市水資源發(fā)展狀況。

1）現(xiàn)狀延續(xù)型，即以武漢市近五年（2008—2012年）的水資源狀況結(jié)合《武漢市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年總體規(guī)劃綱要》所確定的發(fā)展產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、工業(yè)用水重復(fù)利用率和城市化進程，設(shè)定該方案中的一、二、三產(chǎn)比例，用水定額，道路廣場面積增長率，人口增長率，中水回用率為平均增速變化。

2）開源型，在方案一的基礎(chǔ)上加大從長江的引水量。

3）節(jié)流治污型，包括節(jié)流和治污兩方面。節(jié)流為提高用水效率，推行節(jié)約用水和循環(huán)用水，降低人均用水定額，提高工業(yè)重復(fù)利用率，降低三產(chǎn)用水定額和二產(chǎn)萬元年耗水量；治污是提高污水集中處理率和中水回用率。

4）產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整型，在方案一的基礎(chǔ)上優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，降低一產(chǎn)和二產(chǎn)的比例，提高三產(chǎn)比例。

5）綜合型，綜合以上4種方案，考慮開源節(jié)流治污和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等綜合因素，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加大長江引水量，降低用水定額并提高工業(yè)用水重復(fù)利用率。

5種方案控制變量參數(shù)值如表3所示。

表3 5種方案控制變量參數(shù)值Table 3 Five kinds of plan control variable parameter value

3.3 系統(tǒng)動力學(xué)仿真結(jié)果

用系統(tǒng)動力學(xué)專用軟件Vensim軟件建立模型，代入5種方案的控制變量參數(shù)值，模擬得到2015年各方案變量的結(jié)果，如表4所示。

表4 5種方案模擬變量結(jié)果Table4 Five kinds of analog variable results

3.4 水資源承載力評價結(jié)果與分析

根據(jù)系統(tǒng)動力學(xué)模型分析得到的各方案變量結(jié)果，用密切值法對各方案水資源承載力做出評價。

按（2）、（3）、（4）式計算，求得了“最優(yōu)點”A+和“最劣點”A-。

由式（6）、（7）、（8）、（9）求得

由式（5）可求得5種方案的水資源承載力評價的密切值Ci，結(jié)果如表5所示。

表5 各方案密切值結(jié)果Table 5 Various options osculating value results

比較5種方案的優(yōu)劣：方案一在水平年的密切值是最大的，該方案所能承載的社會、經(jīng)濟規(guī)模為所有方案中最小，反映出水資源對社會經(jīng)濟發(fā)展的制約，表明現(xiàn)狀延續(xù)型的方案水資源承載能力弱；方案二下的水平年密切值要遠優(yōu)于方案一，可以看出開源措施大大提高了武漢市水資源承載力，由于武漢地處長江中游，水量較為豐富，提高長江引水量對緩解武漢市供需水壓力有相當(dāng)重大的作用；方案三條件下的水平年密切值在方案一與方案二之間，表明節(jié)流治污措施提高了用水效率、降低了耗水量，能帶來最小的環(huán)境污染，對于水資源承載力有一定的正面作用；方案四下的水平年密切值優(yōu)于方案一而略小于方案三，表明產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有助于提高城市水資源承載力，而單純的調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的效果還不夠明顯，需要考慮綜合方案；方案五下的水平年密切值為最優(yōu)，在調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的同時做到開源節(jié)流治污措施同步進行，能夠使武漢市的社會經(jīng)濟發(fā)展空間達到最大化。

3.5 對策和建議

為了保證武漢市社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，實現(xiàn)水資源的利用和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，對《武漢市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年總體規(guī)劃綱要》實施的過程提出以下建議。

1）加強建設(shè)供水工程，增強供水能力。武漢市的水資源總量豐富，但90%以上是過境水。為了滿足其經(jīng)濟大力發(fā)展的供水需要，必須要加強供水工程的建設(shè)，增強武漢市過境水利用能力，提高水資源承載力，促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

2）提高水資源的利用效率，推廣“循環(huán)經(jīng)濟”的概念，大力發(fā)展循環(huán)用水系統(tǒng)、串聯(lián)用水系統(tǒng)和回用水系統(tǒng)，加強污廢水和冷凝水的回收再利用。

3）進一步調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，控制高耗水行業(yè)的規(guī)模和布局，使得水資源供給轉(zhuǎn)向高效低耗型的產(chǎn)業(yè)；充分利用武漢市的旅游文化資源，大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)，預(yù)測到2015年GDP值為1.3萬億元，第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)的比例為2∶42∶56。

4）提高污水集中處理率，加強水環(huán)境綜合治理的力度，保證水環(huán)境安全。

[1] 牛志強，王延輝，劉明珠.河南省水資源承載能力系統(tǒng)動力學(xué)模型及其應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2009，27（1）：48-50.

[2] 王 雷，吳 明，賈馮睿，等.城市生態(tài)系統(tǒng)水資源利用的系統(tǒng)動力學(xué)分析[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報，2012，32（3）：33-36.

[3] 王武科，李同升，徐冬平，等.基于SD模型的渭河流域關(guān)中地區(qū)水資源調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化[J].資源科學(xué)，2008，30（7）：983-989．

[4] 宇 鵬.基于系統(tǒng)動力學(xué)水資源承載力評價研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2013，39（2）：38-41.

[5] 薛 冰，宋新山，嚴登華.基于系統(tǒng)動力學(xué)的天津市水資源模擬及預(yù)測[J].南水北調(diào)與水利科技，2011，9（6）：43-47.

[6] 黃莉新.江蘇省水資源承載能力評價[J].水科學(xué)進展，2007，18（6）：879-883.

[7] Srdjevic B，Medeiros Y D P，F(xiàn)aria A S.An objective multi-criteria evaluation of water management scenarios[J].Water Resources Management，2004，18：35-54.

[8] 程 莉，汪德爟.蘇州市水資源承載力研究[J].水文，2010，30（1）：47-55．

[9] 盧 超，王蕾娜，張東山，等.水資源承載力約束下小城鎮(zhèn)經(jīng)濟發(fā)展的系統(tǒng)動力學(xué)仿真[J].資源科學(xué)，2011，33（8）：1498-1504.

[10] 楊巧寧，孫希華，張 婧，等.濟南市水資源承載力系統(tǒng)動力學(xué)模擬研究[J].水利經(jīng)濟，2010，28（2）：16-20.

[11] 趙筱青，饒 輝，易 琦，等.基于SD模型的昆明市水資源承載力研究[J].中國人口·資源與環(huán)境，2011，21（12）：339-342.

[12] 童玉芬.北京市水資源人口承載力的動態(tài)模擬與分析[J].中國人口·資源與環(huán)境，2010，20（9）：42-47.

[13] 秦 成，王紅旗，田雅楠，等.資源環(huán)境承載力評價指標研究[J].中國人口·資源與環(huán)境，2011，21（12）：335-338.

[14] 丁 冉，肖偉華，于福亮，等.水資源質(zhì)量評價方法的比較與改進[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2011，27（3）：63-68．

[15] 王玉梅，丁俊新.山東省水環(huán)境承載力動態(tài)變化趨勢分析[J].水資源與水工程學(xué)報，2011，22（6）：50-55.