馮 丹，宋孝玉，晁智龍

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，西安 710048； 2.陜西省水文水資源勘測局，西安 710068)

水資源已成為影響淳化縣社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因子之一。加強(qiáng)水資源的保護(hù)，提高水資源循環(huán)利用率以及加快節(jié)水防污型的社會建設(shè)是實現(xiàn)水資源與社會經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一[1,2]。水資源承載能力計算的方法主要包括規(guī)劃方法和系統(tǒng)動力學(xué)方法[3,4]。系統(tǒng)動力學(xué)操作起來較簡單，計算量也相對比較少，又因為水資源承載能力的研究涉及的因素比較多，而且具有多目標(biāo)、動態(tài)性以及極限性的特征，所以，為了更加客觀、準(zhǔn)確地對水資源承載力進(jìn)行研究，本文利用系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型，在不同方案下模擬了淳化縣水資源承載力的動態(tài)變化。經(jīng)過比較推薦了可行方案，供有關(guān)部門參考。

淳化縣處于陜西省中部偏西，咸陽市的北部，渭北黃土高原溝壑區(qū)的南緣，全縣的土地面積為983.81 km2，常住人口約為19.57萬人，2014年淳化縣實現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn)總值53.54億元，淳化縣多年平均降水量5.647 1 億m3。降雨量多集中在6-9月，約占年降水量的63%。水資源分區(qū)中，西部的涇河流域區(qū)降水量較東部石川河流域區(qū)小，受季風(fēng)和地形地貌影響，降水的空間分布變化較大，年內(nèi)分配不均勻，變差較大。七八月常有暴雨，九十月多連陰雨；而其余8個月則雨量較小，不到全年雨量40%。12月至次年1月的降水量極小，約占全年的1.5%。淳化縣年均自產(chǎn)徑流量為4 740 萬m3，其中涇河流域區(qū)2 169 萬m3，石川河流域區(qū)2 571 萬m3,淳化縣全縣地下水資源量為2 418 萬m3/a，其中涇河流域區(qū)地下水資源量為850 萬m3/a，石川河流域區(qū)地下水資源量1 568 萬m3/a。

1 淳化縣水資源承載力模型的構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)動力學(xué)簡介

系統(tǒng)動力學(xué)是20世紀(jì)50年代美國麻省理工學(xué)院的福雷斯特融控制論、系統(tǒng)論、信息論、計算機(jī)模擬技術(shù)、管理科學(xué)及決策論等學(xué)科的知識為一體而開發(fā)的系統(tǒng)分析方法[3-7]。這種方法是依靠系統(tǒng)的理論分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和層次，借助自動反饋控制原理對系統(tǒng)進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)，依靠信息論中得信息傳遞原理對系統(tǒng)進(jìn)行描述，使用計算機(jī)對系統(tǒng)動態(tài)行為進(jìn)行模擬，適當(dāng)分析和研究其動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)。

1.2 淳化縣水資源承載力SD模型系統(tǒng)流圖及主要反饋關(guān)系

根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部各因素間的關(guān)系設(shè)計系統(tǒng)流圖。系統(tǒng)流圖是系統(tǒng)動力學(xué)基本變量和符號的有機(jī)組合，主要反映系統(tǒng)各因果關(guān)系中未反映出的不同變量的性質(zhì)和特點，使系統(tǒng)內(nèi)部作用機(jī)制更加清晰，以實現(xiàn)政策仿真的目的[8]。淳化縣水資源承載力系統(tǒng)是一個包括人口、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生態(tài)和資源在內(nèi)的相互影響的復(fù)雜大系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)，采用SD專用建模軟件Vensim建立淳化縣水資源承載力SD模型流圖，如圖1所示。再根據(jù)系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)理論(即整體與局部關(guān)系原理)，并考慮現(xiàn)有的資料情況，將淳化縣水資源承載力大系統(tǒng)劃分為社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和水資源4個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系及每個子系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)流圖見圖1。

(1)社會子系統(tǒng)。社會是一個以人為主體的大系統(tǒng)，因此社會子系統(tǒng)主要考慮人口因素。包括農(nóng)村人口和城鎮(zhèn)人口,反饋關(guān)系(“+”正反饋,“-”為負(fù)反饋)為：總?cè)丝凇?城鎮(zhèn)人口→+城鎮(zhèn)生活需水量→+生活需水總量→+總需水量→+供需差額→+缺水程度→-人口增長速度→-總?cè)丝?；總?cè)丝凇?農(nóng)村人口→+農(nóng)村生活需水量→+生活需水總量→+總需水量→+供需差額→+缺水程度→-人口增長速度→-總?cè)丝凇?/p>

圖1 淳化縣水資源承載力SD模型流圖

(2)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)包括工業(yè)子系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)，工業(yè)子系統(tǒng)把工業(yè)產(chǎn)值作為狀態(tài)變量，農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)包括農(nóng)田灌溉和牲畜子系統(tǒng)，分別把農(nóng)田灌溉面積、大小牲畜數(shù)量作為狀態(tài)變量，反饋關(guān)系為：工業(yè)產(chǎn)值增長速度→+工業(yè)產(chǎn)值→+工業(yè)需水量→+總需水量→+供需差額→+缺水程度→-工業(yè)產(chǎn)值增長速度；工業(yè)產(chǎn)值→+工業(yè)需水量→+工業(yè)用水量→+工業(yè)廢水排放量→+污水總量→+污水回用量→+可利用水資源量→-缺水程度→+工業(yè)產(chǎn)值增長速度→+工業(yè)產(chǎn)值；農(nóng)田灌溉面積增長速度→+農(nóng)田灌溉面積→+農(nóng)業(yè)需水量→+總需水量→+供需差額→+缺水程度→-農(nóng)田灌溉面積增長速度。

(3)生態(tài)子系統(tǒng)。生態(tài)子系統(tǒng)一方面是各個子系統(tǒng)排污的承載體，另一方面生態(tài)自身功能也需要消耗一定的水量。生態(tài)用水是指為維持生態(tài)與環(huán)境功能和進(jìn)行生態(tài)與環(huán)境建設(shè)需要的水量，可分為河道外生態(tài)用水量及河道內(nèi)生態(tài)用水量。

(4)水資源子系統(tǒng)。水資源子系統(tǒng)包括地表水資源系統(tǒng)和地下水資源系統(tǒng)兩部分。缺水程度會直接影響到工業(yè)產(chǎn)值增長速度、人口增長速度、農(nóng)田灌溉面積的增長速度。反饋關(guān)系有：缺水程度→-工業(yè)產(chǎn)值增長速度→-工業(yè)產(chǎn)值→-工業(yè)需水量→-工業(yè)用水量→-工業(yè)廢水排放量→-污水總量→-污水回用量→-可利用水資源量→+缺水程度；供需差額→-缺水程度→+農(nóng)田灌溉面積增長速度→+農(nóng)田灌溉面積→+農(nóng)業(yè)需水量→+總需水量→+供需差額。

1.3 模型方程與檢驗

流圖只說明系統(tǒng)中各變量間的邏輯關(guān)系與系統(tǒng)構(gòu)造，不能顯示其定量關(guān)系，因此建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，把系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)“翻譯”成數(shù)學(xué)語言[9]。

本模型采用了6個狀態(tài)變量、6個速率變量、26個輔助變量、12個表函數(shù)，通過對反饋關(guān)系圖和各個子系統(tǒng)進(jìn)行各變量之間邏輯關(guān)系與結(jié)構(gòu)分析，構(gòu)建了6個狀態(tài)方程，以及大量的速率方程和輔助方程，用了12個表函數(shù)，其主要方程包括:狀態(tài)方程、速率方程和輔助方程，模型中主要變量的初始值采用淳化縣2014年統(tǒng)計數(shù)值(見表1)。

表1 淳化縣水資源承載力SD模型主要變量初始值

系統(tǒng)動力學(xué)模型使用前需進(jìn)行模型有效性檢驗，以驗證構(gòu)造模型與現(xiàn)實系統(tǒng)的吻合度，檢驗?zāi)Ｐ瞳@得的信息與行為是否反映了實際系統(tǒng)的特征和變化規(guī)律，以及通過模型的分析研究能否正確認(rèn)識與理解所要解決的問題[10]。

系統(tǒng)動力學(xué)模型有效性檢驗可以分為運行檢驗、直觀檢驗、靈敏度分析、歷史檢驗4種方法。本文采用了歷史性檢驗，將歷史參數(shù)輸入模型，將得到的仿真結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗證其吻合程度。僅對總?cè)丝谶M(jìn)行歷史驗證，檢驗時間為2010-2014年，結(jié)果見表2，可以看出，主要變量模擬值與實際值基本吻合，模擬值誤差低于5%，因此認(rèn)為模型模擬結(jié)果與實際數(shù)據(jù)擬合較好，模型有效性較好。

表2 人口真實性檢驗

2 仿真方案設(shè)計

本文模型選定2014年為基準(zhǔn)年，模擬時間步長為1 a，設(shè)置初始時間為2014年，結(jié)束時間為2030年。結(jié)合淳化縣水資源系統(tǒng)的詳細(xì)情況，本文選取地表可供水量和地下可供水量、規(guī)模以上工業(yè)產(chǎn)值增長速度、規(guī)模以上增加值需水量、規(guī)模以下工業(yè)產(chǎn)值增長速度、規(guī)模以下增加值需水量、建筑業(yè)選擇建筑面積增長速度、單位建筑面積需水量、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增長速度、第三產(chǎn)業(yè)萬元增加值需水量、菜田面積增長速度、菜田凈灌定額、水澆地面積增長速度、水澆地灌溉定額、林果面積增長速度、林果灌溉定額、大牲畜數(shù)量增長速度和小牲畜增長速度、人口自然增長率、人均生態(tài)環(huán)境用水定額作為決策變量，通過改變決策變量的值模擬淳化縣水資源承載力的動態(tài)變化。

研究淳化縣水資源承載力的主要目的是為了協(xié)調(diào)環(huán)境、資源和經(jīng)濟(jì)三者之間的動態(tài)關(guān)系，以最大程度來滿足各個行業(yè)的用水需求量，降低水資源的浪費量，使得水資源可以更好地為社會、經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)環(huán)境三者綜合有效協(xié)調(diào)發(fā)展服務(wù)。本文主要考慮人畜飲水的安全、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、水資源的利用效益以及改進(jìn)生態(tài)環(huán)境等。

(1)方案1：現(xiàn)狀發(fā)展型。此方案是維持現(xiàn)狀的發(fā)展情況，即淳化縣的規(guī)劃年2014-2030年內(nèi)經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)、生活各個方面根據(jù)現(xiàn)狀的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和發(fā)展情況發(fā)展，模型系統(tǒng)中的各個參數(shù)保持不變，使用實際值對未來的水資源以及社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展情況進(jìn)行模擬。

假定從現(xiàn)在到2030年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)依照2014年的三產(chǎn)比值42.7∶ 32.2∶ 25.1保持不變， 三產(chǎn)年增長率、污水處理率、工業(yè)的用水重復(fù)率按照現(xiàn)在的變化趨勢發(fā)展，人口增長率按照 0.45% 的速度增長。由于社會經(jīng)濟(jì)不斷地發(fā)展，人們的生活水平也隨之提高，人均需水量也不斷提高，農(nóng)村居民生活用水量從60 L/(人·d)提高到70 L/(人·d)，城鎮(zhèn)居民生活用水量從90 L/(人·d)提高到100 L/(人·d)，其他決策變量值根據(jù)相關(guān)資料來確定。

(2)方案2：經(jīng)濟(jì)發(fā)展型。根據(jù)淳化縣十三五國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的主要目標(biāo)，到2020年，農(nóng)業(yè)增速不減，但農(nóng)業(yè)增加值比重逐年下降；新型工業(yè)增加值所占比重達(dá)到40%以上 ，到2030年淳化縣主要強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。該方案是大量的開發(fā)并利用水資源，僅僅是追求經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，其設(shè)計思路為在方案1的基礎(chǔ)上，增大工業(yè)、農(nóng)業(yè)和建筑業(yè)的發(fā)展速度，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，污水處理率和污水回用率也相應(yīng)增大，其余變量取值與現(xiàn)狀發(fā)展型一致。

該方案是大量的開發(fā)并利用水資源，僅僅是追求經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，其設(shè)計思路為在方案1的基礎(chǔ)上，增大工業(yè)、農(nóng)業(yè)和建筑業(yè)的發(fā)展速度，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，污水處理率和污水回用率也相應(yīng)增大，其余變量取值與現(xiàn)狀發(fā)展型一致，對該方案進(jìn)行模擬，運行出結(jié)果，進(jìn)行結(jié)果分析。

涇河流域區(qū)沒有工業(yè)，該方案中快速發(fā)展的主要是建筑業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)。到2030年，在方案1的基礎(chǔ)上分別將建筑業(yè)面積增長速度、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增長的速度提高到0.03和0.11，菜田面積增長速度、林果面積增長速度提高到0.3和0.1，大牲畜數(shù)量增長速度和小牲畜數(shù)量增長速度提高到0.02和0.03。石川河流域區(qū)參數(shù)變化趨勢和涇河流域區(qū)一樣，除此之外把規(guī)模以上工業(yè)產(chǎn)值增長速度和規(guī)模以下工業(yè)產(chǎn)值增長速度增大到0.18和0.16，同時石川河流域區(qū)有工業(yè)發(fā)展，科技水平提高，污水處理和回用設(shè)備也逐漸更新先進(jìn)，增大污水處理率和污水回用率0.4和0.3。其余參數(shù)保持現(xiàn)狀發(fā)展型不變。

(3)方案3：資源環(huán)境保護(hù)型。根據(jù)淳化縣十三五國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的主要目標(biāo)， 到“十三五”末，單位GDP能耗5 a累計下降17.5%，城鎮(zhèn)污水集中處理率達(dá)到100%，城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理率達(dá)到100%。節(jié)能減排指標(biāo)高標(biāo)準(zhǔn)完成，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量保持良好，全國生態(tài)示范縣創(chuàng)建成功，生態(tài)品牌享譽(yù)國內(nèi)外。

本方案主要是把環(huán)境保護(hù)作為主要目的，進(jìn)而加大污染治理和節(jié)水的力度，把適當(dāng)開發(fā)水資源作為前提進(jìn)一步穩(wěn)步發(fā)展其經(jīng)濟(jì)。設(shè)計思路為在現(xiàn)狀發(fā)展型方案的基礎(chǔ)上降低經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度，提高污水處理率和污水回用率，加大治污力度。優(yōu)化生態(tài)環(huán)境建設(shè)，增大生態(tài)需水。

該方案將單位建筑面積需水量每年減少10%，第三產(chǎn)業(yè)增加值需水量每年減少0.000 1 萬m3/萬元，菜田灌溉需水定額每年減少75 m3/hm2，水澆地灌溉需水定額每年減少15 m3/hm2，魚塘需水定額不變，林果灌溉需水定額每年減少15 m3/hm2。污水處理率和污水回用率最高分別增加到0.9和0.5。人均生態(tài)環(huán)境用水定額每年增加1 m3/人，人均綠地面積每年增加1 m2/人。城鎮(zhèn)污水排放率和工業(yè)污水排放率分別降低到0.3和0.3。這些參數(shù)輸入模型中，得到運行結(jié)果，再進(jìn)行結(jié)果分析。

(4)方案4： 綜合發(fā)展型。該方案綜合考慮前三種方案的發(fā)展特征，設(shè)計思路是：在水資源合理利用和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的前提下，使淳化縣的生產(chǎn)、生活和生態(tài)各個方面均有發(fā)展。

將工業(yè)、建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度增大，介于現(xiàn)狀發(fā)展型和經(jīng)濟(jì)發(fā)展型之間，如將建筑面積增長速度、牲畜數(shù)量增長速度和第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增長速度每年增加1%，菜田灌溉面積每年增加5%，林果灌溉面積每年增加0.1%。提高灌溉水利用系數(shù)，最高達(dá)到0.85。人均綠地面積每年增大0.5m2/人。發(fā)展治污和節(jié)水，將污水處理率和污水回用率每年分別增加0.3和0.1，降低工業(yè)和城鎮(zhèn)生活污水排放率。提高人民生活水平，加快城市建設(shè)，增大城鎮(zhèn)化率和人均用水量，工業(yè)、建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)需水定額不變。

3 淳化縣水資源承載力模型仿真結(jié)果分析

按照方案1～4，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，運行淳化縣水資源承載力SD模型，仿真結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 4種方案下的水資源供需發(fā)展趨勢

圖3 4種方案下水資源供需差額趨勢

由圖2(a)可得，在規(guī)劃年內(nèi)淳化縣的總需水量和總供水量都隨著時間呈遞增趨勢，到2030年，工業(yè)需水為2 401.11 萬m3，是2014年工業(yè)需水量的5倍，由于淳化縣現(xiàn)階段以農(nóng)業(yè)為主，在主要的行業(yè)需水中，農(nóng)業(yè)需水量占主要的地位，水的利用效率和效益較低，造成了水資源的大量浪費。到2030年，總需水量大于總供水量，出現(xiàn)了缺水狀態(tài)，供需差額是12.89 m3，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行業(yè)用水量回持續(xù)上升，供需差額會進(jìn)一步擴(kuò)大。在這種趨勢條件下，水資源的供水量則不能夠達(dá)到社會經(jīng)濟(jì)的要求。

由圖2(b)可以看出，到2023年，總需水量大于總供水量，出現(xiàn)了缺水狀態(tài)，供需差額是97.93 m3，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，到2030年供需差額進(jìn)一步加大到6 047.76 m3，這必然反作用于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，由于水資源承載能力有限，工農(nóng)業(yè)處于缺水狀態(tài)，在一定程度上會影響經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

由圖2(c)可得，供水量和需水量基本持平，供水量始終大于需水量，沒有缺水現(xiàn)象，說明了研究區(qū)水資源供需平衡得到了較好的緩解。但是與經(jīng)濟(jì)發(fā)展方案相比較，工業(yè)產(chǎn)值減少了110億元，工業(yè)用水減少了2 197.29 萬m3，說明經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較緩慢，不滿足社會綜合協(xié)調(diào)發(fā)展的要求。

由圖2(d)和圖3可得，綜合發(fā)展方案的供需差額始終為正值，沒有缺水的狀況，供需差額得到了緩解，變化幅度小于趨勢發(fā)展型和經(jīng)濟(jì)發(fā)展型方案的幅度，使得工業(yè)、農(nóng)業(yè)、人民生活用水以及生態(tài)環(huán)境用水得到保障。工業(yè)產(chǎn)值增長較快，2030年達(dá)到65.4億元，高于趨勢發(fā)展型和環(huán)境保護(hù)型方案的工業(yè)產(chǎn)值。污水處理率和污水回用率較高，實現(xiàn)了水資源、生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)三者的協(xié)調(diào)發(fā)展。

4 結(jié) 論

本文所建立的水資源承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型可以清楚地給出人口、社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境相互之間的關(guān)系，通過制定不同的方案,改變模型參數(shù)，模擬了淳化縣水資源承載力2014-2030年的動態(tài)變化。通過4種方案的對比分析，明確地得出，趨勢發(fā)展型、經(jīng)濟(jì)發(fā)展型、資源環(huán)境保護(hù)型3種方案中，僅僅追求經(jīng)濟(jì)和人口的發(fā)展而不考慮水資源的承載能力，或者減緩經(jīng)濟(jì)的發(fā)展來保護(hù)環(huán)境，都不可取。

綜合發(fā)展型方案則是基于現(xiàn)狀發(fā)展型，又結(jié)合了經(jīng)濟(jì)發(fā)展型、資源環(huán)境保護(hù)型這兩種方案的特征。主要是采用治污和節(jié)水措施，充分合理地利用水資源，以此有效地緩解了研究區(qū)的水資源不足的情況。該方案即改善了淳化縣的生態(tài)環(huán)境，同時也促進(jìn)了淳化縣經(jīng)濟(jì)水平的提升，所以本文選擇綜合發(fā)展型方案作為淳化縣社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推薦方案。

根據(jù)仿真結(jié)果可以得出，淳化縣目前可以通過經(jīng)濟(jì)手段和行政干預(yù)手段的措施大力發(fā)展工業(yè)帶動經(jīng)濟(jì)、提高水資源利用率、發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)和節(jié)水工業(yè)；建立大型的污水處理廠，努力提高污水處理的能力和污水回用的能力，把處理后的污水用于農(nóng)業(yè)灌溉，努力提高工業(yè)、建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度增大，降低人均用水量、提高農(nóng)業(yè)用水重復(fù)利用 率、污水處理率、污水回用率等。只有在采取一系列節(jié)水和環(huán)境保護(hù)措施的基礎(chǔ)下，切實走新型工業(yè)化道路，才有可能實現(xiàn)淳化縣經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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