摘要：水資源作為城鎮(zhèn)化發(fā)展的基礎性資源，對城鎮(zhèn)發(fā)展起到了決定性作用。其供需矛盾是城鎮(zhèn)化進程中需要解決的核心問題。利用系統(tǒng)動力學的相關原理，通過構建城鎮(zhèn)水資源供需系統(tǒng)模型來揭示城鎮(zhèn)水資源供需的內(nèi)在機理，同時對模型進行仿真檢驗以預測中國高速城鎮(zhèn)化進程下水資源供需的發(fā)展趨勢，發(fā)現(xiàn)2020年城鎮(zhèn)水資源會面臨嚴重的供給不足的狀況，并基于預測結果對現(xiàn)行機制下水資源優(yōu)化配置問題的提出了政策建議。

關鍵詞：城鎮(zhèn)化；水資源供需；系統(tǒng)動力學；優(yōu)化配置

中圖分類號：TV21；F29 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4555-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.049

Abstract： As basic resources of the development of urbanization，water resources played a decisive role on town development，and contradictions between its supply and demand became a core issue needed to be resolved in the process of urbanization. By using relative theories of the system dynamics，constructing the supply-demand system model of urban water resources to reveal the inner mechanism，meanwhile a simulation test was carried out to predict the supply-demand development trend of water resources during rapid urbanization process in China. Results showed that，the urban water resources in 2020 should face severe situation of water supply deficiency，and based on the predication，some policy recommendations for the optimal allocation of water resources under current mechanism were put forward.

Key words： urbanization； supply and demand of water resources； system dynamics； optimal allocation

水資源作為人類生活與生產(chǎn)的基本核心資源，對人類的生存起到了至關重要的保障作用。水資源也是城鎮(zhèn)化發(fā)展中的基礎性資源、戰(zhàn)略性資源和公共性社會資源。隨著城鎮(zhèn)化進程的深入，城鎮(zhèn)對水資源的需求量日益增大，同時，產(chǎn)業(yè)間對于水資源的爭奪也越發(fā)激烈。供給無法與需求相匹配，進而發(fā)生水資源短缺、水污染、水資源惡性競爭等諸多問題。2008～2015年期間，中國城鎮(zhèn)化率以年均1.35%的速度高速增長，預計到2016年將超過60%[1]。伴隨著高速的城鎮(zhèn)化發(fā)展，關于水資源調(diào)配管理體制的缺失與意識的淡薄，都使得中國城鎮(zhèn)水資源的可持續(xù)利用與水安全受到嚴重威脅。因此，如何對城鎮(zhèn)水資源進行優(yōu)化配置以保障城鎮(zhèn)化進程可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為國內(nèi)外學者關注的核心命題。

水資源的供需問題涉及工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉、第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展、生活與生態(tài)等諸多因素。各因素間互相推動亦互相制約，作用關系較為復雜。錢龍霞等[2]利用Logistic回歸模型模擬供水量和需水量系列的概率分布，對2020年北京市水資源供需風險進行定量評價，其結果表明北京市的水資源供給存在較大的風險性，且供給的平衡狀態(tài)較為脆弱；阮本清等[3]建立了模糊評價體系下的水資源短缺評價模型，嵌入風險率、脆弱性、重現(xiàn)期、可恢復性作為風險研究指標，并對此進行了實證分析；王富強等[4]建立水資源供需的SPA-VFS評價模型并進行了實證檢驗；孫青言等[5]對濟南市的水資源供需情況做了深入研究，發(fā)現(xiàn)2015～2020年的濟南市將處于水資源短缺的狀態(tài)，并就此預測給出了相應的政策建議；來晨霏等[6]利用劉易斯-費-拉尼斯模型對城鎮(zhèn)化進程中水資源流轉(zhuǎn)的過程做了階段性劃分，對水資源各個階段對城鎮(zhèn)化進程的作用做了深入并給出政策建議。胡彩虹等[7]研究了新鄭市水資源的供需情況，并以2007年為基年，預測未來新鄭市的水資源供需情況，并結合該市城鎮(zhèn)化發(fā)展的問題給出了政策建議。城鎮(zhèn)化進程中由于水資源的供需問題而導致的相關衍生問題也有大量研究[8-10]。在城鎮(zhèn)化進程中，確定合理的GDP增速與水利投資的規(guī)模以達到支撐城鎮(zhèn)化進程的目的，這就需要對水資源的供需關系進行全局性的整體分析與描述。系統(tǒng)動力學方法論可以從整體上研究城鎮(zhèn)化進程中水資源供需平衡的命題，與研究主題契合度較高。耿小娟等[11]研究在不同制約因素下水資源與經(jīng)濟增長的演變情況，并做了系統(tǒng)動力學分析，找出較優(yōu)方案模擬水資源對GDP增長模型，為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展提供政策建議。袁汝華等[12]對北江流域下游的區(qū)域水資源做了系統(tǒng)仿真模擬并得出GDP增長受到水資源不足的制約，在追求經(jīng)濟效益的同時必須考慮到水資源的可持續(xù)利用的結論。楊開宇[13]運用系統(tǒng)動力學分析方法構建了城鎮(zhèn)水資源供需系統(tǒng)與反饋路徑，并結合2008～2014年水資源相關數(shù)據(jù)對該系統(tǒng)進行模擬，得出城鎮(zhèn)化進程中水資源供需系統(tǒng)的關鍵性因素及關鍵要素對于水資源供需的影響程度。

1 城鎮(zhèn)水資源供需系統(tǒng)結構與反饋路徑

1.1 基于水資源供需的城鎮(zhèn)子系統(tǒng)劃分

城鎮(zhèn)水資源的供需系統(tǒng)是一個以水資源供給與需求為核心基礎構建起來的關聯(lián)性極強的系統(tǒng)，涉及城鎮(zhèn)人口、城鎮(zhèn)社會生活、城鎮(zhèn)經(jīng)濟生活、城鎮(zhèn)環(huán)境等諸多方面。每一個方面都可歸納為一個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間互相促進又互相制約，共生共息，共同發(fā)展。為了平衡建模的可解性并充分展現(xiàn)城鎮(zhèn)水資源供需系統(tǒng)的完整性，從城鎮(zhèn)人口、城鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟、城鎮(zhèn)水資源與城鎮(zhèn)水環(huán)境4個方面進行闡述，這四大因素基本反映了城鎮(zhèn)水資源供需系統(tǒng)的諸多方面。同時，依據(jù)城鎮(zhèn)各子系統(tǒng)之間關聯(lián)性與子系統(tǒng)內(nèi)部本身的運行規(guī)律構建出城鎮(zhèn)水資源供需系統(tǒng)的全貌，并利用系統(tǒng)動力學的模型解釋城鎮(zhèn)化進程中水資源供需系統(tǒng)的內(nèi)在運行機理。綜上所述，城鎮(zhèn)水資源供需的系統(tǒng)動力學模型應包含四大子系統(tǒng)，如圖1所示。分別是人口子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)、資源子系統(tǒng)與環(huán)境子系統(tǒng)。

人口子系統(tǒng)。人是構成城鎮(zhèn)的核心要素，人既本身影響著系統(tǒng)內(nèi)部的運行同時又參與其他子系統(tǒng)的運行，其與經(jīng)濟、資源、環(huán)境都有著密切的關系。由此可見，人口子系統(tǒng)的關聯(lián)性是四大系統(tǒng)中最強的。人的日常生活直接或間接參與經(jīng)濟生活，消耗或調(diào)配城鎮(zhèn)水資源，對水環(huán)境起到推動或破壞作用。另一方面，人口遷移、人口規(guī)模與人口變化速率都直接或間接的影響著水資源的供需關系與水環(huán)境。

經(jīng)濟子系統(tǒng)。一般而言，經(jīng)濟子系統(tǒng)囊括農(nóng)業(yè)、工業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)，但城鎮(zhèn)化的過程中無論從人口流轉(zhuǎn)還是資源流轉(zhuǎn)層面來看，農(nóng)業(yè)與工業(yè)的轉(zhuǎn)化是主要經(jīng)濟矛盾，城鎮(zhèn)化的過程亦是工業(yè)化的工程，定義城鎮(zhèn)水資源供需系統(tǒng)動力學模型的第三產(chǎn)業(yè)并非研究重點。經(jīng)濟生活需要大量的人力資源與水資源的投入，同時，經(jīng)濟子系統(tǒng)的發(fā)展又給人口規(guī)模的發(fā)展帶來必要的供給。除此之外，城鎮(zhèn)經(jīng)濟的發(fā)展也會消耗水資源，影響著水環(huán)境。

資源子系統(tǒng)。一方面，研究主題為水資源，另一方面資源種類過多，研究資源系統(tǒng)無法逐一窮舉，因此忽略其他資源對水資源的影響。該系統(tǒng)為本模型的核心子系統(tǒng)。水資源為人口系統(tǒng)的發(fā)展提供了基本保障，為經(jīng)濟系統(tǒng)提供生產(chǎn)原料，為環(huán)境系統(tǒng)提供了良好的發(fā)展基礎。相對于資源子系統(tǒng)而言，其他子系統(tǒng)對水資源子系統(tǒng)起到抑制作用。人口與經(jīng)濟規(guī)模的發(fā)展會增加水資源的消耗，會加大水資源的供給的負荷。生態(tài)系統(tǒng)的破壞也會影響水資源的質(zhì)量與總量，進一步造成水資源的短缺與不合理配置。

環(huán)境子系統(tǒng)。水環(huán)境直接或間接影響著城鎮(zhèn)化進程的發(fā)展。水環(huán)境的破壞進一步加劇水資源的供給負荷；水環(huán)境的惡化導致人口的規(guī)模發(fā)展無法在區(qū)域上擴散；水環(huán)境的優(yōu)劣是衡量城鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展的重要標志之一。對水環(huán)境的整治，污水回收也是考驗城鎮(zhèn)發(fā)展的棘手難關。

1.2 城鎮(zhèn)水資源供需模型的因果關系分析

運用系統(tǒng)動力學建模的原理，需要對城鎮(zhèn)水資源供需系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)之間存在的因果關系加以詮釋，并根據(jù)此種因果關系構建出具有閉合回路的反饋路徑。通過綜上設定的城鎮(zhèn)水資源供需的4大子系統(tǒng)，可以在各個子系統(tǒng)之間與子系統(tǒng)內(nèi)部各要素的關系之間進行分析，即可得出因果關系圖，如圖2所示。該因果關系圖考慮到了影響水資源供給與需求的主要因素，其中包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)、污水排放與再利用以及COD排放等。子系統(tǒng)間構成了嚴格閉環(huán)的反饋路徑。

1）正反饋路徑：①總人口→城鎮(zhèn)人口→城鎮(zhèn)生活需水量→生活污水→污水排放量→水體污染總量。②總人口→農(nóng)村人口→農(nóng)村生活需水量→生活COD排放量→水體污染總量。③GDP→工業(yè)增加值→工業(yè)需水量→工業(yè)廢水→污水排放量→水體污染總量。④GDP→工業(yè)增加值→工業(yè)需水量→工業(yè)COD排放量→水體污染總量。⑤GDP→農(nóng)業(yè)投資→農(nóng)業(yè)需水量→需水總量。

2）負反饋路徑：①總人口→農(nóng)村人口→農(nóng)村生活需水量→需水總量。②總人口→城鎮(zhèn)人口→單位綠地面積生態(tài)用水→生態(tài)需水量→需水總量。③GDP→工業(yè)增加值→工業(yè)需水量→需水總量。④GDP→工業(yè)增加值→萬元工業(yè)增加值用水量→工業(yè)需水量→工業(yè)COD排放量→水體污染總量。⑤GDP→耕地面積→農(nóng)業(yè)需水量→需水總量。

上述的正、負反饋路徑是基于設定的城鎮(zhèn)水資源供需系統(tǒng)的主要因素關系的因果關系進行基本描述，而非完全意義上的正負反饋路徑，但已可以基本反應子系統(tǒng)間與系統(tǒng)內(nèi)部互相促進，互相抑制的關系網(wǎng)絡。

1.3 水資源供需系統(tǒng)模型方程

綜合上述的城鎮(zhèn)水資源供需系統(tǒng)劃分與因果關系，可以構造出城鎮(zhèn)水資源供需系統(tǒng)的動力學方程。如下所述：

1）可供水資源總量系統(tǒng)方程：可供水資源總量=可用水資源總量+污水再用總量；可用水資源總量=水資源利用率×水資源總量。

2）農(nóng)業(yè)水資源需求量系統(tǒng)方程：農(nóng)業(yè)水資源需求量=耕地面積×單位耕地面積水資源需求量；耕地面積=max{耕地面積初始值×（1-耕地面積年均遞減速率）^（年份-基期年份），12 0000}。

3）工業(yè)水資源需求量系統(tǒng)方程：工業(yè)水資源需求量=工業(yè)增加值×萬元工業(yè)增加值用水量；工業(yè)增加值=城鎮(zhèn)人口×城市人均工業(yè)增加值；城市人均工業(yè)增加值=城市人均工業(yè)增加值初始值×（1+城市人均工業(yè)增加值）^（年份-基期年份）；萬元工業(yè)增加值用水量=萬元工業(yè)增加值水資源需求量初始值×（1+萬元工業(yè)增加值用水量）^（年份-基期年份）。

4）生活水資源需求量系統(tǒng)方程：生活用水需求量=城鎮(zhèn)生活水資源需求量+農(nóng)村生活水資源需求量；城鎮(zhèn)生活用水量=城鎮(zhèn)人口×城鎮(zhèn)人均水資源需求量；農(nóng)村生活用水量=農(nóng)村人口×農(nóng)村人均水資源需求量。

5）生態(tài)水資源需求量系統(tǒng)方程：生態(tài)用水需求量=城鎮(zhèn)綠地面積×單位綠地面積水資源需求量；城鎮(zhèn)綠地面積=城鎮(zhèn)人口×城鎮(zhèn)人均綠地面積。

6）水環(huán)境系統(tǒng)方程：污水再用量=min{污水總量，城市污水處理能力}；污水總量=污水排放系數(shù)×水資源需求總量；城市污水處理能力=城市污水日處理能力×365。

7）城鎮(zhèn)水資源供需系統(tǒng)總方程：由各系統(tǒng)方程可以得出城鎮(zhèn)水資源供需系統(tǒng)的總方程。用水需求總量=農(nóng)業(yè)水資源需求量+工業(yè)水資源需求量+生活水資源需求量；生活水資源需求量包含了生活水資源總量與生態(tài)水資源需求總量；水資源平衡指數(shù)=水資源需求總量/可供水總量。

基于楊開宇[13]的算法，引入水資源供需平衡指數(shù)，用以反映城鎮(zhèn)水資源的滿足程度。若平衡系數(shù)小于或等于1，則表明水資源供給滿足城鎮(zhèn)需求；反之，若平衡系數(shù)大于1，則表明水資源不能滿足城鎮(zhèn)需求。

2 模型的結果檢驗與分析

城鎮(zhèn)水資源供需的系統(tǒng)動力學模型中的相關參數(shù)的確定根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》、《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》、《中國水資源公報》、《工業(yè)轉(zhuǎn)型升級規(guī)劃》以及相關網(wǎng)站發(fā)布的關于2008～2014年的相關數(shù)據(jù)，利用算術平均值法與趨勢外推法確定，并以此預測2008～2020年城鎮(zhèn)水資源供需情況。另一方面，基于模型主要研究的水資源供需的系統(tǒng)動力學問題，結合既定的四大子系統(tǒng)，選取農(nóng)業(yè)水資源需求總量、工業(yè)水資源需求總量、生活與生態(tài)水資源需求總量4個變量，以2008年為基準年，模擬出2008～2014年的水資源數(shù)據(jù)并與實際值進行對比，用于檢驗模型的可靠性。結果見表1。

實際數(shù)據(jù)對比檢驗全部滿足誤差小于5%，即證明模擬值較為可靠。故可用上述數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)動力學的仿真模擬對未來城鎮(zhèn)水資源供需系統(tǒng)加以說明與預測，其運行結果如表2所示。人口規(guī)模每增長0.72%，則人均工業(yè)增加值就會增長約8%，這就表明人口紅利拉動了經(jīng)濟與城鎮(zhèn)化的發(fā)展。同時，到2020年，水資源供需平衡指數(shù)約為1.108>1.000，這就表明城鎮(zhèn)水資源供需系統(tǒng)缺水率約為10.8%，處于高度缺水狀態(tài)，這就會對城鎮(zhèn)化的進行構成潛在危險。綜上所述，中國城鎮(zhèn)水資源供給的系統(tǒng)存在著一定的弊端，而這種弊端有可能導致在未來可預見的時間里，將面臨著較為嚴重的水資源匱乏顯現(xiàn)，隨著城鎮(zhèn)化進程的深化，水資源流轉(zhuǎn)也會越發(fā)的明顯。

3 政策建議

1）城鎮(zhèn)水資源供需平衡涉及到社會生產(chǎn)與生活的諸多方面，表現(xiàn)出極為復雜的關聯(lián)性，解決城鎮(zhèn)水資源供給的緊張局面要從多方面入手，全局把控，以達到支撐中國城鎮(zhèn)化進程的最終目的。在處理水資源供需問題上不能僅考慮經(jīng)濟利益，城鎮(zhèn)水資源供需問題涉及到社會生活、經(jīng)濟生活、環(huán)境、生態(tài)等多方面因素。因此，需要從產(chǎn)業(yè)間，區(qū)域間有步驟地漸進式改善水資源的供需問題，以避免產(chǎn)業(yè)部門與區(qū)域間為爭奪水資源而引發(fā)的不良競爭行為，進而充分發(fā)揮水資源作為城鎮(zhèn)化進程的核心基礎性資源的價值。

2）水資源基礎設施的落后會導致城鎮(zhèn)化進程缺少調(diào)配水資源的物質(zhì)基礎，進而影響城鎮(zhèn)化進程的深化發(fā)展。水資源的有效供給需考慮到產(chǎn)業(yè)與區(qū)域。減少水資源過剩的產(chǎn)業(yè)（區(qū)域）供給，同時增加水資源匱乏的產(chǎn)業(yè)（區(qū)域）供給，這都需要大量的引水工程作為物質(zhì)基礎；產(chǎn)業(yè)與區(qū)域?qū)τ谒Y源利用效率的低下亦會造成大量的水資源浪費。因而，通過建造更多更好的節(jié)水、引水工程可以有效為水資源的產(chǎn)業(yè)與區(qū)域間調(diào)配提供物質(zhì)基礎，對城鎮(zhèn)化進程起到保障作用。

3）水資源管理體制的缺失與城鎮(zhèn)居民水資源安全意識的淡薄會給水資源的供需系統(tǒng)造成潛在的負面影響。水資源供需要在政策上加以保障，完善用水額度和稅費標準法律規(guī)范與水資源流轉(zhuǎn)供給下的農(nóng)業(yè)補償機制。現(xiàn)行體制下未對水資源浪費的部門或區(qū)域加以嚴格的懲罰措施，這就很難有效形成城鎮(zhèn)居民的節(jié)水意識。雖然近些年建立了水資源有償使用制度、水利投資體制改革、實行水價聽證等，但水資源管理體制與節(jié)水意識的養(yǎng)成還需要持續(xù)灌輸以達到期望的效果。

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