張忻+李佳薇+聶君宇

摘 要：系統(tǒng)動力學(xué)強調(diào)了系統(tǒng)、聯(lián)系、運動和發(fā)展的觀點，是定量研究趨勢問題的有效工具。運用系統(tǒng)動力學(xué)的原理，設(shè)定系統(tǒng)動力學(xué)模型的子系統(tǒng)并研究其相互關(guān)系，建立了吉林西部水資源復(fù)合系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學(xué)模型，并運用VensimPLE軟件進行了仿真模擬，以此探究吉林西部水資源的動態(tài)特征，便于預(yù)測未來該領(lǐng)域的水資源供需情況，采取有效舉措解決問題。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)動力學(xué)；水資源；供求平衡；VensimPLE

中圖分類號：TV213.4 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.020

文章編號：2095-6835（2016）20-0020-02

1 背景介紹

系統(tǒng)動力學(xué)是一種研究信息反饋系統(tǒng)的分析方法。它強調(diào)了系統(tǒng)、聯(lián)系、運動和發(fā)展的觀點，擅于解決社會系統(tǒng)中存在的反饋、時間延遲和非線性問題，是定量研究趨勢問題的有效工具。它利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、各環(huán)節(jié)的因果關(guān)系和反饋回路建立的綜合概念模型，通過仿真的方法來求解系統(tǒng)的性能。由于它涉及到微分方程或差分方程求解、控制理論應(yīng)用、經(jīng)濟技術(shù)分析以及計算機軟件等多種學(xué)科，因而屬于跨學(xué)科的新型理論和方法。

本文將根據(jù)系統(tǒng)動力學(xué)的原理，模擬吉林省西部地區(qū)“水資源—社會經(jīng)濟—生態(tài)環(huán)境”復(fù)合系統(tǒng)，探究各子系統(tǒng)間的動態(tài)關(guān)系，體現(xiàn)吉林西部水資源的動態(tài)特征。

2 系統(tǒng)動力學(xué)模型（SD模型）

2.1 系統(tǒng)動力學(xué)模型的假設(shè)

無需人工干預(yù)，系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型將自行發(fā)展。

系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型主要探求供給和需求的平衡，供給主要關(guān)注的是水資源總量，正常情況下水資源的變化不應(yīng)超過水資源的再生能力，否則會造成一系列的環(huán)境問題。

2.2 各子系統(tǒng)的因果關(guān)系及主要SD方程

根據(jù)系統(tǒng)理論的整體與局部關(guān)系原理，并考慮資料的占有情況，將吉林省西部復(fù)合系統(tǒng)劃分為4個子系統(tǒng)，即人口子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)和水資源子系統(tǒng)。

2.2.1 人口子系統(tǒng)

研究區(qū)域總?cè)丝谥饕紤]的是常住人口，它主要受機械變動人口、人口出生率和死亡率的影響。該子系統(tǒng)模塊主要研究人口數(shù)量的變化及其變化對生活需水量的影響，水資源供需平衡情況、經(jīng)濟規(guī)模及其增長速度對人口增長速度的影響。

人口子系統(tǒng)的主要的方程如下：

人口總量=INTEG（出生人口+機械增長-死亡人口，目前的總?cè)丝冢? （1）

生活用水=（人口×人均水消費量）/ 10 000. （2）

2.2.2 經(jīng)濟子系統(tǒng)

工業(yè)、農(nóng)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)對于水資源的需求量大，且相互之間需求結(jié)構(gòu)有明顯差異，因此主要研究這三個方面。生產(chǎn)活動需要消耗資源并將廢棄物排放到環(huán)境中，生產(chǎn)水平的提高又會促進資源利用效率的提高和單位產(chǎn)出污染排放量的降低，而且當(dāng)資源供不應(yīng)求時，也會制約生產(chǎn)規(guī)模的增長，刺激生產(chǎn)水平和資源利用效率的提高。

經(jīng)濟子系統(tǒng)的主要方程如下：

農(nóng)業(yè)耕地面積=INTEG（耕地面積改變量，農(nóng)業(yè)用地面積的現(xiàn)值）. （3）

工業(yè)總產(chǎn)值=INTEG（工業(yè)GDP增長值，工業(yè)生產(chǎn)總值現(xiàn)值）. （4）

第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值=INTEG（第三產(chǎn)業(yè)GDP增長值，第三產(chǎn)業(yè)GDP現(xiàn)值）. （5）

生產(chǎn)用水需求=農(nóng)業(yè)用水需求+工業(yè)用水需求+第三產(chǎn)業(yè)用水需求. （6）

公共服務(wù)=基礎(chǔ)設(shè)施維護+公共管理. （7）

2.2.3 生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)

生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)包括生態(tài)環(huán)境建設(shè)與污染治理兩大部分。生態(tài)建設(shè)是環(huán)境保護的重要內(nèi)容，生產(chǎn)投資回收期也較長。城市的生態(tài)建設(shè)能提高人們的生活質(zhì)量，提高城市對資金和人才的吸引力，促進城市經(jīng)濟的發(fā)展；同時，還會提高城市周邊農(nóng)業(yè)區(qū)的土地涵養(yǎng)水源的能力，防止水土流失，增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)抵抗水旱災(zāi)害的能力。城市的集中污染治理設(shè)施用于對工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活所排放的污染物進行治理。工廠自身對所排放污染物的治理力度對城市的環(huán)境質(zhì)量與污染物的集中處理量影響很大。

生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的主要方程如下：

廢水排放總量=城市生活污水排放量+工業(yè)廢水排放量+農(nóng)業(yè)廢水排放量. （8）

污水處理量=工業(yè)廢水處理量+生活污水處理量. （9）

水質(zhì)=水資源管理程度+衛(wèi)生服務(wù)程度. （10）

2.2.4 水資源子系統(tǒng)

資源子系統(tǒng)在本次研究中主要研究的是淡水資源，即地表水資源、地下水資源、外調(diào)水資源和再生水資源。該子系統(tǒng)的主要變量為水資源可供量，包括常規(guī)水資源可供量和再生水資源可供量兩部分，其中，前者主要包括當(dāng)?shù)氐牡乇硭Y源、地下水資源和外調(diào)水資源。

資源子系統(tǒng)的主要的方程如下：

淡水資源量=地表水資源量+地下水資源+海水淡化量+降水. （11）

海水淡化=海水的使用量×海水淡化技術(shù)×海水淡化技術(shù)工廠量. （12）

水污染=（廢水排放總量-污水處理總量）/10 000.（13）

水污染率=水資源總污染量/水資源總需求量. （14）

因此，我們得出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

從而得出如圖2所示的系統(tǒng)因果反饋圖。

水為生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和生態(tài)用水共用一個水系統(tǒng)。也就是說，如果一個部門的供水量增加，就會影響到其他部門的供水量。所以，從水資源可持續(xù)發(fā)展的角度來看，我們應(yīng)該合理調(diào)整各部門的水分布結(jié)構(gòu)，充分利用有限的水資源，提高水的利用效率，維持合理的水資源開發(fā)利用速度，實現(xiàn)國家經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益的統(tǒng)一。

2.3 系統(tǒng)動力學(xué)流圖

一個系統(tǒng)的流圖主要反映因果關(guān)系圖中所沒能反映出來的不同變量的性質(zhì)和特點，使系統(tǒng)內(nèi)部的作用機制更加清晰，然后通過流圖中關(guān)系的進一步量化，實現(xiàn)政策仿真的目的。根據(jù)系統(tǒng)動力學(xué)對兩種變量的定義，結(jié)合大量歷史數(shù)據(jù)，在對圖中主要變量的變化特征進行深入細(xì)致分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計出系統(tǒng)動力學(xué)流圖，如圖3所示。

2.4 模型有效性檢驗

模型有效性檢驗包括：①直觀檢驗。建模者根據(jù)專業(yè)知識和所掌握的系統(tǒng)動力學(xué)建模方法，直觀地對模型的變量定義、邊界選擇、因果關(guān)系和系統(tǒng)方程進行檢驗，并作出正確的判斷。②建立系統(tǒng)動力學(xué)模型，并運用VensimPLE軟件進行模擬仿真，使用軟件的模型檢測和單位檢測功能來檢驗?zāi)Ｐ头匠痰恼_性、系統(tǒng)參數(shù)的合理性。③歷史檢驗，將模擬仿真部分結(jié)果與已有的歷史數(shù)據(jù)進行對比，檢驗其符合的程度，判別模型的可信度。④靈敏度分析。變化模型參數(shù)值，檢驗這種變化對模型行為的影響。

3 系統(tǒng)動力學(xué)模型的特點與展望

3.1 模型的特點

模型的特點主要有：①能明確認(rèn)識和體現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)外部因素的相互關(guān)系；②是定性與定量的結(jié)合與統(tǒng)一，以定性分析為先導(dǎo)，以定量分析為支持，兩者相輔相成；③對參數(shù)的要求和精度不高，其研究的重點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為；④能觀察系統(tǒng)在不同的參數(shù)、組織狀態(tài)和政策因素輸入時所表現(xiàn)的行為和趨勢；⑤能對系統(tǒng)的動態(tài)發(fā)展趨勢進行考察，可作系統(tǒng)的長期動態(tài)預(yù)測。

3.2 模型的展望

系統(tǒng)動力學(xué)模型考慮了每個變量的動態(tài)特性，可以很容易地處理非線性和隨時間變化的現(xiàn)象。該模型可以有效地預(yù)測未來研究領(lǐng)域的水資源供需情況，并指出進一步的發(fā)展趨勢，有助于用戶更好地了解系統(tǒng)，并采取正確的行動來解決問題。

參考文獻

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