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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及資源、社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和水污染等諸多因素，為促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)水資源承載力進(jìn)行正確評(píng)價(jià)，優(yōu)選出合理利用方案是城市化進(jìn)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(biāo)、多屬性的特點(diǎn)，且各因素間的影響程度不同，因此合理的綜合評(píng)價(jià)方法將直接影響到優(yōu)選結(jié)果。

近年來(lái)，不少學(xué)者運(yùn)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(jìn)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(jì)算過(guò)程繁瑣，而且評(píng)價(jià)結(jié)果受人為因素的影響較大[2]。針對(duì)以上問(wèn)題，本文以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理建立模型并用密切值法來(lái)分析模擬結(jié)果，將兩者有機(jī)結(jié)合引入到城市水資源承載力的評(píng)價(jià)與決策研究中，探尋一種簡(jiǎn)單可行、科學(xué)可靠的水資源承載力綜合評(píng)價(jià)的新方法。

2 水資源承載力評(píng)價(jià)

水資源承載力所涉及的面比較廣，對(duì)其研究不能在單一的系統(tǒng)中來(lái)做分析，還需要全盤(pán)考慮資源、社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和水污染等因素之間的聯(lián)系，因此采用系統(tǒng)動(dòng)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(lái)模擬獲取不同策略下的各項(xiàng)評(píng)判指標(biāo)值；再使用密切值法對(duì)模擬得到的各項(xiàng)評(píng)判指標(biāo)值進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而得出不同策略對(duì)水資源承載力的影響[3～7]。

2.1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模

將各種因素納入系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并分成5個(gè)子系統(tǒng)：水資源子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、社會(huì)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(guò)分析模型各子系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)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(lái)[12]，得到水資源—經(jīng)濟(jì)—社會(huì)—生態(tài)環(huán)境的耦合系統(tǒng)，構(gòu)建出了相對(duì)完整的水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型系統(tǒng)流圖。該系統(tǒng)動(dòng)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(gè)方程相互連接，構(gòu)成了10條反饋回路，用系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)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(jì)需水總量、長(zhǎng)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(jì)子系統(tǒng)包括國(guó)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(wàn)元耗水量、農(nóng)田灌溉面積、用水定額；社會(huì)子系統(tǒng)包括人口數(shù)量、人口增長(zhǎng)率、人均用水定額；生態(tài)子系統(tǒng)包括綠地面積、道路廣場(chǎng)面積、綠地面積增長(zhǎng)速度、道路廣場(chǎng)面積增長(zhǎng)率、綠地面積增長(zhǎng)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(píng)價(jià)

對(duì)水資源承載力的評(píng)價(jià)是一種典型的多指標(biāo)綜合性問(wèn)題，目前采用的多種指標(biāo)綜合計(jì)算模型存在著計(jì)算繁瑣等多種制約因素。為此，本文采用直接有效的多指標(biāo)綜合法——密切值法[13]。

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

2.2.1 方案評(píng)價(jià)的指標(biāo)矩陣

1）建立矩陣。

式（1）中，aij為第i個(gè)方案第j項(xiàng)指標(biāo)值；m為方案數(shù)；n為目標(biāo)數(shù)。

2）指標(biāo)矩陣規(guī)范化。目標(biāo)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(biāo)轉(zhuǎn)化為正向目標(biāo)，使得有量綱的數(shù)值變?yōu)闊o(wú)量綱的數(shù)值。

這樣得到了規(guī)范化指標(biāo)矩陣：R=（rij）m×n。

2.2.2 求最優(yōu)點(diǎn)和最劣點(diǎn)

“最優(yōu)點(diǎn)”和“最劣點(diǎn)”分別為所有方案點(diǎn)集各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最好和最差點(diǎn)的集合，求出各個(gè)方案點(diǎn)集與這些最優(yōu)和最劣點(diǎn)的距離，便可以為某一定時(shí)間水資源提供一個(gè)綜合評(píng)價(jià)的依據(jù)。

“最劣點(diǎn)”為

2.2.3 求各方案密切值

密切值計(jì)算公式為

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

通過(guò)密切值的計(jì)算和排序可以得出各個(gè)方案的相對(duì)優(yōu)劣。密切值越小，方案越優(yōu)。

3 實(shí)例應(yīng)用

以武漢市歷年的統(tǒng)計(jì)年鑒和水資源公報(bào)提供的相關(guān)數(shù)據(jù)為對(duì)象，用系統(tǒng)動(dòng)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(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)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(píng)價(jià)。

3.1 模型有效性檢驗(yàn)

以歷史回顧檢驗(yàn)法檢驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的有效性。以武漢市2003年到2007年的統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)作為控制變量來(lái)預(yù)測(cè)2008年到2012年的人口、GDP與已有的2008年到2012年的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較（見(jiàn)表1和表2），預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的誤差最大為4.64%＜5.0%，在合格范圍內(nèi)，說(shuō)明所建立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型能有效反映實(shí)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(yàn)結(jié)果Table 1 The historical test results of the model

表2 預(yù)測(cè)精度范圍標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Standard precision scope

3.2 方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)現(xiàn)狀延續(xù)型、開(kāi)源型、節(jié)流治污型、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整型和開(kāi)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(lái)分析未來(lái)武漢市水資源發(fā)展?fàn)顩r。

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(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)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(jìn)程，設(shè)定該方案中的一、二、三產(chǎn)比例，用水定額，道路廣場(chǎng)面積增長(zhǎng)率，人口增長(zhǎng)率，中水回用率為平均增速變化。

2）開(kāi)源型，在方案一的基礎(chǔ)上加大從長(zhǎng)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(wàn)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(kāi)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(zhǎng)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(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

用系統(tǒng)動(dòng)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(píng)價(jià)結(jié)果與分析

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

按（2）、（3）、（4）式計(jì)算，求得了“最優(yōu)點(diǎn)”A+和“最劣點(diǎn)”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(píng)價(jià)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(huì)、經(jīng)濟(jì)規(guī)模為所有方案中最小，反映出水資源對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(yuǎn)優(yōu)于方案一，可以看出開(kāi)源措施大大提高了武漢市水資源承載力，由于武漢地處長(zhǎng)江中游，水量較為豐富，提高長(zhǎng)江引水量對(duì)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(lái)最小的環(huán)境污染，對(duì)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(shí)做到開(kāi)源節(jié)流治污措施同步進(jìn)行，能夠使武漢市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間達(dá)到最大化。

3.5 對(duì)策和建議

為了保證武漢市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)水資源的利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)《武漢市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年總體規(guī)劃綱要》實(shí)施的過(guò)程提出以下建議。

1）加強(qiáng)建設(shè)供水工程，增強(qiáng)供水能力。武漢市的水資源總量豐富，但90%以上是過(guò)境水。為了滿足其經(jīng)濟(jì)大力發(fā)展的供水需要，必須要加強(qiáng)供水工程的建設(shè)，增強(qiáng)武漢市過(guò)境水利用能力，提高水資源承載力，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(jì)”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(qiáng)污廢水和冷凝水的回收再利用。

3）進(jìn)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(cè)到2015年GDP值為1.3萬(wàn)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(qiáng)水環(huán)境綜合治理的力度，保證水環(huán)境安全。

[1] 牛志強(qiáng)，王延輝，劉明珠.河南省水資源承載能力系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)力學(xué)分析[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，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(dòng)力學(xué)水資源承載力評(píng)價(jià)研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2013，39（2）：38-41.

[5] 薛 冰，宋新山，嚴(yán)登華.基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的天津市水資源模擬及預(yù)測(cè)[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(píng)價(jià)[J].水科學(xué)進(jìn)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?tīng)?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(jì)發(fā)展的系統(tǒng)動(dòng)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(jì)南市水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬研究[J].水利經(jīng)濟(jì)，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(guó)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(dòng)態(tài)模擬與分析[J].中國(guó)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(píng)價(jià)指標(biāo)研究[J].中國(guó)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(píng)價(jià)方法的比較與改進(jìn)[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2011，27（3）：63-68．

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