王 翠，楊 廣，何新林，陳 思，李小龍，楊明杰(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000)

區(qū)域水資源的供需矛盾日益突出是城市化發(fā)展的必然瓶頸，城市化快速發(fā)展是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此如何高效的管理和運(yùn)用水資源是區(qū)域發(fā)展不可避免的難題[1]。隨著近來年不少學(xué)者利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(system dynamic，SD)模型對(duì)長(zhǎng)沙市、大連市、中山市、博爾塔拉河流域等[2-4]進(jìn)行了水資源承載力研究并取得了階段性成果，該方法不斷被認(rèn)可和改進(jìn)。本文通過SD模型結(jié)合Vensim語言編制程序確定研究需要的決策變量，計(jì)算不同情景下和田地區(qū)水資源承載力，研究和田地區(qū)水資源承載力在不同情景下的動(dòng)態(tài)變化，分析現(xiàn)狀水資源系統(tǒng)存在的問題，為后續(xù)和田地區(qū)水資源、城市化可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。本研究對(duì)于和田地區(qū)水資源調(diào)控以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

和田地區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)南隅，轄區(qū)包含1個(gè)縣級(jí)市、7個(gè)縣，國土面積24.78萬km2，屬干旱荒漠性氣候，多年平均降水量不足50 mm，年均蒸發(fā)量高達(dá)2 500 mm，四季多風(fēng)沙，典型缺水區(qū)域，水資源問題制約和田地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。該地區(qū)農(nóng)業(yè)人口占85%以上，現(xiàn)有耕地近21.67萬hm2，農(nóng)業(yè)耗水量大。加之人類活動(dòng)的不斷增加，國家政策支持和人民生活水平需求下，和田地區(qū)城市化建設(shè)不斷加快，各方面發(fā)展對(duì)水資源的需求不斷加大，水資源逐漸陷入?yún)T乏的境地，流域水資源的分布發(fā)生變化。這嚴(yán)重影響了和田地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)，水資源可持續(xù)利用與生態(tài)環(huán)境惡化等問題逐漸突出[5,6]?；诖耍疚耐ㄟ^計(jì)算不同情景下和田地區(qū)水資源承載力，研究和田地區(qū)水資源承載力，為后續(xù)的和田地區(qū)水資源、城市化可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立

作為一門認(rèn)識(shí)系統(tǒng)問題和解決系統(tǒng)問題的交叉綜合學(xué)科，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是分析、研究信息反饋系統(tǒng)的重要學(xué)科。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics,簡(jiǎn)稱SD)模型采用Vensim語言編制程序分析水資源承載力[7-9]。水資源承載力評(píng)價(jià)方法包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、主成分分析法、多目標(biāo)綜合分析法、常規(guī)趨勢(shì)法、背景分析法和密切值法[10-12]。本文運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的常規(guī)趨勢(shì)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)研究區(qū)的水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。模型構(gòu)建步驟見圖1。

圖1 水資源承載力SD模型構(gòu)建步驟

2.1 模型構(gòu)建目的

以和田地區(qū)2005年相關(guān)資料為依據(jù)，構(gòu)建模型，確定參數(shù)，經(jīng)過模型校正和有效性檢驗(yàn)，設(shè)置不同方案背景，模擬水資源承載力的定量變化。

2.2 模型邊界

模型模擬的空間邊界是和田地區(qū)，共涵蓋了一市七縣，時(shí)間邊界為2005-2020年，以2005年基準(zhǔn)年，時(shí)間間隔為1 a。

2.3 劃分子系統(tǒng)

由于和田地區(qū)的實(shí)際情況及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)水資源承載力模型的需要，和田地區(qū)復(fù)雜的水資源-社會(huì)經(jīng)濟(jì)-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)可以劃分為六個(gè)子系統(tǒng)，分別是：人口系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、需水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)和水環(huán)境系統(tǒng)。

2.4 因果關(guān)系圖、結(jié)構(gòu)流圖

上述6個(gè)子系統(tǒng)之間相互作用形成流程圖，構(gòu)成模型的基本結(jié)構(gòu)，見圖2。狀態(tài)變量是模型系統(tǒng)的核心，用它來表示系統(tǒng)在變化過程中某個(gè)具體時(shí)刻的狀態(tài)，設(shè)置具體的狀態(tài)變量有5個(gè)，分別是：總?cè)丝凇鴥?nèi)生產(chǎn)總值GDP、工業(yè)GDP、第3產(chǎn)業(yè)GDP、農(nóng)業(yè)灌溉面積，設(shè)置原則是包含邏輯關(guān)系，數(shù)據(jù)可查，避免重復(fù)等。同時(shí)，模型還包含相關(guān)變量及常數(shù)共計(jì)50余個(gè)，見圖2。

圖2 基于Vensim語言的和田地區(qū)水資源承載力SD模型

2.5 模型參數(shù)的確定

根據(jù)歷年的《和田地區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《和田地區(qū)水資源公報(bào)》、《和田地區(qū)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》等確定系統(tǒng)流程中初始值及參數(shù)(見表1)。

表1 模型參數(shù)取值

2.6 模型方程

模型主要變量方程見表2。

2.7 模型有效性檢驗(yàn)

模型在設(shè)置完成之后，投入實(shí)際使用，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析之前，為了保證模型的有效性和真實(shí)性須檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪M運(yùn)行結(jié)論和實(shí)際系統(tǒng)是否相符。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型常用檢驗(yàn)方法包括直觀檢驗(yàn)；使用軟件的模型檢測(cè)和單位檢測(cè)功能來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ头匠痰恼_性、系統(tǒng)參數(shù)的合理性；歷史檢驗(yàn)；靈敏度分析。以上檢驗(yàn)方法相輔相成，是一個(gè)不斷反復(fù)、不斷完善的過程。在建模和仿真過程中本文綜合運(yùn)用上述方法對(duì)模型進(jìn)行了反復(fù)的修改和完善[13]。

表2 模型主要變量方程

續(xù)表2 模型主要變量方程

下面對(duì)和田地區(qū)水資源SD模型的歷史檢驗(yàn)和靈敏度分析分別進(jìn)行討論。

2.7.1歷史檢驗(yàn)

選取2005-2011年為模型的歷史檢驗(yàn)期。被檢驗(yàn)的變量包括和田地區(qū)總?cè)丝?、工業(yè)GDP、工業(yè)用水量、工業(yè)廢水排放量、和田地區(qū)水資源需求總量等。經(jīng)檢驗(yàn)，模型模擬結(jié)果與歷史發(fā)展結(jié)果基本吻合，誤差均未超過10%，可以認(rèn)為模型基本符合研究系統(tǒng)。在此，以總?cè)丝跒槔鰴z驗(yàn)過程的介紹。

圖3 人口檢驗(yàn)擬合曲線

圖4 人口檢驗(yàn)相對(duì)誤差檢驗(yàn)曲線

從圖3、圖4可以看出，模型對(duì)于人口子系統(tǒng)的模型的仿真結(jié)果與實(shí)際值的擬合很好，和田地區(qū)常住人口的最大相對(duì)誤差為-0.021。

2.7.2靈敏度分析

靈敏度分析用來研究參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)行為的影響程度，這里通過不斷的修正參數(shù)，讓計(jì)算機(jī)一遍一遍地進(jìn)行模擬，來預(yù)測(cè)模型的各個(gè)參數(shù)的靈敏度。其分析公式如下：

(1)

式中：t為時(shí)間；Q(t)為狀態(tài)Q在t時(shí)刻的值；X(t)為參數(shù)X在t時(shí)刻的值；SQ為狀態(tài)變量Q對(duì)參數(shù)X的敏感度；ΔQ(t)和ΔX(t)分別為狀態(tài)變量Q和參數(shù)X在t時(shí)刻的增長(zhǎng)量。

對(duì)于從1到n的狀態(tài)變量(Q1，Q2，…，Qn)，靈敏度平均值可表示為：

(2)

式中：n為狀態(tài)變量數(shù)；Sqi為Qi的靈敏度；S為參數(shù)X的平均靈敏度。

檢驗(yàn)方法為：2005-2020 年各變化率參數(shù)(人口變化率、生活污水處理率、農(nóng)業(yè)灌溉用水變化率、農(nóng)業(yè)灌溉用水率、GDP變化率等)逐年變化10%，考查其對(duì)主變量(總?cè)丝?、國?nèi)生產(chǎn)總值GDP、生態(tài)環(huán)境用水量、工業(yè)用水量等)的影響。首先，依據(jù)公式(1)，每個(gè)狀態(tài)變量可以得到參數(shù)的變化靈敏度值，可代表某一特定變量對(duì)某一特定參數(shù)的靈敏度。之后，依據(jù)公式(2)可以計(jì)算出變量對(duì)某個(gè)特定參數(shù)的平均靈敏度，共可得到12 個(gè)數(shù)值。圖5為靈敏度分析結(jié)果的直觀圖。

圖5 靈敏度分析結(jié)果直觀圖 注：圖中1～12個(gè)參數(shù)分別代表人口變化率、城市化率、工業(yè)GDP增長(zhǎng)率、單位工業(yè)GDP用水量、城鎮(zhèn)人均日生活用水定額、農(nóng)村人均日生活用水定額、生態(tài)環(huán)境用水量、生活污水處理率、工業(yè)廢水排放系數(shù)、第三產(chǎn)業(yè)耗水系數(shù)、第三產(chǎn)業(yè)GDP變化率、單位工業(yè)GDP產(chǎn)生COD量。

由圖5可見，除工業(yè)GDP增長(zhǎng)率、生活污水處理率、第3產(chǎn)業(yè)GDP變化率靈敏度高于10%外，其他指標(biāo)低于10%，這說明系統(tǒng)對(duì)于大多數(shù)參數(shù)的變化是不敏感的。根據(jù)以上歷史檢驗(yàn)和靈敏度分析結(jié)果，認(rèn)為本文設(shè)計(jì)的基于Vensim語言的和田地區(qū)水資源承載力SD模型的有效性良好，能夠用于實(shí)際系統(tǒng)的模擬。

2.8 多情景模擬

模型建立后，通過結(jié)合和田地區(qū)的實(shí)際情況和未來城市化發(fā)展，本研究總結(jié)前人研究進(jìn)展，設(shè)計(jì)不同方案，對(duì)各方案進(jìn)行模擬，了解每個(gè)方案可能引起的和田地區(qū)水資源承載力變化趨勢(shì)。本文根據(jù)參數(shù)設(shè)置情況，分為現(xiàn)狀延續(xù)型、節(jié)水措施型、綜合型。

方案一：現(xiàn)狀延續(xù)型。保持和田地區(qū)水資源利用現(xiàn)況不變，不采取任何人為措施，各參數(shù)值均維持現(xiàn)有發(fā)展趨勢(shì)，得出和田地區(qū)水資源承載力變化趨勢(shì)。

方案二：?jiǎn)我蜃诱{(diào)控，節(jié)水措施型。在方案一的基礎(chǔ)上，考慮和田地區(qū)3大產(chǎn)業(yè)的節(jié)水情況，調(diào)整指標(biāo)變化趨勢(shì)，得出和田地區(qū)水資源承載力變化趨勢(shì)。

方案三：多因子調(diào)控，綜合型。在方案一的基礎(chǔ)上，從節(jié)水、治污及產(chǎn)業(yè)調(diào)整等多方面考慮對(duì)水資源承載力的影響。

3 不同方案下和田地區(qū)水資源承載力計(jì)算與對(duì)比

一般認(rèn)為參數(shù)的靈敏度越高，其對(duì)系統(tǒng)的影響也就越大。因此，可以根據(jù)參數(shù)靈敏度來設(shè)計(jì)和田地區(qū)水資源承載力計(jì)算方案。不同方案下的和田地區(qū)水資源承載力計(jì)算結(jié)果如下。

3.1 不同方案下的和田地區(qū)水資源承載力計(jì)算

通過對(duì)和田地區(qū)水資源承載力SD模型分別賦予現(xiàn)狀延續(xù)型、單因子調(diào)控，節(jié)水措施型、多因子調(diào)控，綜合型方案下的參數(shù)值后，運(yùn)行模型得出水資源供需比的模擬值，供需比越大，說明水資源承載能力越強(qiáng)。結(jié)果如圖6、7、8所示。

圖6 現(xiàn)狀延續(xù)型方案下和田地區(qū)水資源供需比發(fā)展趨勢(shì)

圖7 節(jié)水方案下和田地區(qū)水資源供需比發(fā)展趨勢(shì)

圖8 綜合型方案下和田地區(qū)水資源供需比發(fā)展趨勢(shì)

3.2 不同方案下供需比對(duì)比

方案二采用以節(jié)水為核心的調(diào)整方案。相較于方案一，和田地區(qū)的水資源承載力水平有了較大提升，且2種方案下的水資源供需比差異明顯，這說明方案二節(jié)水措施條件下和田地區(qū)水資源承載力能夠得到良性提升，見圖9。

圖9 3種方案下水資源供需比發(fā)展趨勢(shì)

方案三是在方案一的基礎(chǔ)上，額外考慮了節(jié)水、污水治理和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面。相較于方案一和田地區(qū)的水資源承載力提升明顯，提高了近8%。認(rèn)為該方案為最優(yōu)發(fā)展方案。

4 結(jié) 論

用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型研究和田地區(qū)水資源承載力，反映了和田地區(qū)水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境各子系統(tǒng)之間 的相互關(guān)系。

通過對(duì)和田地區(qū)2005-2030年水資源承載力模擬結(jié)果可看出：在現(xiàn)狀條件下，和田地區(qū)落后的水資源利用方式，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)過分依賴資源，不合理的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度，導(dǎo)致水資源承載力下降。另外當(dāng)?shù)厮Y源利用模式落后，科技發(fā)展水平低，在水環(huán)境保護(hù)和水污染治理幾乎沒有相關(guān)政策和措施實(shí)施，導(dǎo)致地區(qū)水體嚴(yán)重污染嚴(yán)重，加重了水環(huán)境負(fù)荷，對(duì)和田地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來不利影響，導(dǎo)致水資源供需不平衡。

在3種發(fā)展方案下對(duì)和田地區(qū)水資源承載力變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)分析表明：方案一現(xiàn)狀延續(xù)型模式下和田地區(qū)的水資源承載能力雖有所增長(zhǎng)但不顯著，整體效果并不樂觀；方案二節(jié)水方案發(fā)展模式下，單純依靠節(jié)約用水對(duì)于提高和田地區(qū)水資源承載力的作用不明顯；污水治理和節(jié)能減排同時(shí)采用可在一定程度上提高區(qū)域水環(huán)境承載能力；而調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加大第3產(chǎn)業(yè)比重可以很大程度的提高水資源承載能力；只有在方案三綜合型發(fā)展模式下，在提高節(jié)約用水、污水治理、節(jié)能減排的同時(shí)，結(jié)合調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的措施，才能大幅提高和田地區(qū)水資源承載能力，促進(jìn)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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