梁 栩,朱麗蓉,葉長青,3

(1.海南大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，?？?570228； 2.海南大學(xué) 旅游學(xué)院，?？?570228;3.海南省農(nóng)林環(huán)境過程與生態(tài)調(diào)控重點實驗室，?？?570228)

1 研究背景

水資源是21世紀最重要的資源，當(dāng)前正經(jīng)受嚴峻的考驗[1]。水資源不僅是生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)物質(zhì)，其開發(fā)利用更是與社會經(jīng)濟息息相關(guān)[2]。聯(lián)合國曾在環(huán)境大會上指出水資源安全將成為中東石油危機后另一大社會危機[3]，并在隨后的世界水資源報告中指出水安全問題可能導(dǎo)致國家沖突[4]。當(dāng)前，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，水資源安全保障和社會經(jīng)濟發(fā)展的平衡是學(xué)術(shù)界的熱點問題。如何在穩(wěn)定的GDP增長速度下滿足區(qū)域用水安全以及社會經(jīng)濟和諧發(fā)展是當(dāng)下迫切需要解決的問題。目前南渡江流域在氣候變化、人類活動的影響下，流域水資源負荷與日俱增，呈現(xiàn)出獨特的復(fù)雜性與不確定性，使水資源在此系統(tǒng)中的脆弱性逐漸得到關(guān)注。水資源脆弱性是指在外界壓力下區(qū)域水資源所受不利影響的程度[5-6]。Mirauda等[7]與Padowski等[8]分別對美國大中城市群和意大利北部流域水資源脆弱性進行了研究，結(jié)果都表明，研究水資源脆弱性可以反映區(qū)域水資源供需能力與水環(huán)境安全并維系流域健康可持續(xù)發(fā)展。Albinet等[9]研究了地下水脆弱性，認為地下水脆弱性指自然條件下污染物從地表滲透至地下水的可能性。此后，Perveen等[10]構(gòu)建了評價體系并對復(fù)雜的流域進行了水資源脆弱性研究；Kulshreshtha[11]研究了地表水脆弱性并對全球水資源脆弱性作出宏觀預(yù)測；Asadi等[12]研究了復(fù)雜城市系統(tǒng)含水層的脆弱性并進行了評價。國內(nèi)學(xué)者對水資源脆弱性做出進一步研究[13],凌紅波等[14]對瑪納斯河水資源脆弱度進行了定量評價，并提出了水資源管理措施；林鐘華等[15]對珠三角城市群水資源脆弱性進行了研究，認為水資源脆弱度與其對社會經(jīng)濟的不利影響呈正相關(guān)關(guān)系。水資源脆弱性的研究在不斷發(fā)展中得到完善，從起初單一的水量、水質(zhì)的研究逐步發(fā)展到注重氣候變化、自然災(zāi)害下人類活動與水資源脆弱性的聯(lián)系[16]。然而，從水資源脆弱性研究成果上看，目前對指標體系的構(gòu)建和定量評價研究較多，對其預(yù)測和動態(tài)模擬研究較少，且缺乏水資源脆弱性的成因及機理研究。流域有著獨特的非線性、隨機性、模糊性及動態(tài)性的特點，筆者從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，建立水資源-水環(huán)境-社會經(jīng)濟模型，構(gòu)建南渡江流域水資源脆弱性評價指標體系與評價標準，模擬不同情景下的發(fā)展趨勢并進行評價，探究水資源脆弱性成因及機理，旨在為流域水資源健康可持續(xù)發(fā)展提供參考和建議。

2 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

海南省南渡江是我國唯一一條大型熱帶河流，其光照、水文等自然條件與我國其他大型河流存在較大差異。南渡江維系著全省近一半的人口與超過60%的GDP總量，河流全長333.8 km，流域面積7 033 km2，建有松濤水庫、龍?zhí)了畨蔚却笮凸こ?，具有豐富的陽光和熱能，流域目前耕地面積約1 000 km2，水能理論蘊儲存量2.2×105kW。全流域?qū)儆跓釒Ъ撅L(fēng)氣候，受臺風(fēng)雨影響，9—10月份為汛期，多年平均降水量1 900 mm，蒸發(fā)量1 490 mm，其巨大的蒸發(fā)量使得流域出現(xiàn)明顯的缺水現(xiàn)象。南渡江當(dāng)前存在的問題主要有：①以COD排放超標為主的水質(zhì)性問題；②黑臭水體治理效果較差引起的水環(huán)境問題；③季節(jié)性缺水，水土保持功能下降[17]。

研究中各項指標及參數(shù)的原始數(shù)據(jù)主要來源于海南省環(huán)境統(tǒng)計公報與海南省環(huán)境狀況公報(http:∥hnsthb.hainan.gov.cn/)、海南省水資源公報(http:∥swt.hainan.gov.cn/)、相關(guān)水資源管理制度指標等；社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于海南省統(tǒng)計年鑒[18]、海南省人口發(fā)展規(guī)劃、相關(guān)成果[19]等。

3 研究方法

3.1 技術(shù)路線

對研究對象南渡江流域進行模型分析，確立系統(tǒng)動力學(xué)邊界。根據(jù)水資源的復(fù)雜性特征，建立水資源、水環(huán)境、社會經(jīng)濟3個子系統(tǒng)。選取總需水量、總供水量、城鎮(zhèn)化率、污水回用率等64個相關(guān)參數(shù)，確立因果回路，其實質(zhì)是具有時滯性的一階微分方程組，用于描述各狀態(tài)變量的變化速率及輸入輸出關(guān)系的系統(tǒng)行為；分析各子系統(tǒng),建立系統(tǒng)流圖，輸入方程和數(shù)據(jù)，調(diào)試、檢驗?zāi)Ｐ?。確保模型有效之后進一步進行系統(tǒng)仿真、利用層次分析法建立水資源脆弱性評價指標體系，確定權(quán)重，設(shè)置常規(guī)、技術(shù)革新型、經(jīng)濟優(yōu)先型、綜合發(fā)展模式4種情景，采用綜合指數(shù)法對2010—2035年間南渡江流域水資源脆弱性進行評價并探究水資源脆弱性成因及機理，提出最適合的流域未來發(fā)展模式，以此保障南渡江流域水資源安全。

系統(tǒng)動力學(xué)(System Dynamics,SD)是一種能模擬定量、復(fù)雜、非線性系統(tǒng)的理論與方法[20]，通過反饋機制可探究參數(shù)影響因子，適合情況復(fù)雜的流域系統(tǒng)。SD的建模步驟為[21]：①確定系統(tǒng)邊界；②提出動態(tài)假設(shè)；③繪制系統(tǒng)內(nèi)部流圖；④模型方程輸入；⑤模型有效性檢驗；⑥設(shè)計和評估。

3.2 南渡江流域水資源系統(tǒng)流

根據(jù)流域現(xiàn)狀以及發(fā)展規(guī)劃，將2010—2035年設(shè)置為系統(tǒng)模擬邊界，將2010—2017年作為歷史驗證年份。其系統(tǒng)流如圖1所示。

注：在SD中表示對應(yīng)的變量與時間有關(guān)，如城鎮(zhèn)化率和GDP變化率隨不同年份有所變化，本身無意義，在SD中不可更改；箭頭指向的變量受前一個變量影響，與之有方程關(guān)系，如農(nóng)村人口=總?cè)丝?城鎮(zhèn)人口，農(nóng)村生活需水量=農(nóng)村人口×農(nóng)村生活需水定額。圖1 水資源安全系統(tǒng)流

3.3 模型有效性檢驗

3.3.1 運行檢驗

運行檢驗是對模型結(jié)構(gòu)的整體系統(tǒng)性檢驗，對模型中的方程以及單位的正確性進行檢測。對模型進行運行檢驗，待出現(xiàn)“Units are OK.”“Model is OK.”，則模型通過運行檢驗。

3.3.2 歷史檢驗

采用歷史檢驗的方法，通過模型仿真預(yù)測值與歷史值比較，驗證仿真數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的符合程度。由于本模型參數(shù)較多，選取總?cè)丝?、GDP、污水總量、城鎮(zhèn)化率、污水處理率與工業(yè)用水量6個指標進行驗證。將2010—2017年仿真值與歷史值比較，計算誤差，其結(jié)果如表1所示。得出仿真值和歷史值誤差絕對值均<10%，說明模型可信度較高，可用于系統(tǒng)實際模擬。

表1 歷史驗證結(jié)果

3.3.3 靈敏度分析

水資源安全系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其不確定性往往影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，從而影響仿真結(jié)果。因此，對模型進行有效性檢測，可檢測模型是否穩(wěn)定且有效，符合預(yù)期。本文對模型進行靈敏度分析，判斷模型能否有效運作。擬對南渡江流域水資源安全系統(tǒng)模型中部分參數(shù)進行調(diào)節(jié)(對應(yīng)模型中的速率變量)，得出模型部分輸出值的響應(yīng)值。因水資源安全系統(tǒng)中各變量復(fù)雜，只選取模型中比較重要的5個變量和5個參數(shù)對2010—2015年序列進行分析。利用控制變量原則，每次只改變一個參數(shù)的10%，求對其他5個變量的響應(yīng)值，其中，S為平均靈敏度。由表2得知只有污水處理率參數(shù)對模型的靈敏度達到10%，其余均低于10%，說明該模型穩(wěn)定性較高，適用性強。再綜合歷史檢驗結(jié)果，證明該模型可實際用于南渡江水資源安全系統(tǒng)模擬。

表2 靈敏度檢驗結(jié)果

4 水資源脆弱性評價指標體系

4.1 指標體系與評分標準的確定

水資源脆弱性指標體系的構(gòu)建應(yīng)能反映流域復(fù)雜性與多變性,在SD建模平臺基礎(chǔ)上，其指標的選取也應(yīng)定性與定量結(jié)合，科學(xué)性與可操作性并存，并盡可能完整地反映出流域的特點[22]。本文從水資源、水環(huán)境、社會經(jīng)濟3個子系統(tǒng)出發(fā)，根據(jù)相關(guān)研究成果[23-26]，選取以下指標作為南渡江流域水資源脆弱性評價指標，評價標準結(jié)合本地實際情況以及現(xiàn)有成果，見表3[27-28]。

表3 南渡江流域水資源脆弱性評價指標體系與評價標準

水資源子系統(tǒng)選擇3個評價指標，分別為人均水資源量(X1)、三產(chǎn)增值用水量(X2)、缺水程度(X3)。人均水資源量是該流域總水資源量與總?cè)丝诘谋戎?；三產(chǎn)增值用水量是第三產(chǎn)業(yè)每增加一萬元生產(chǎn)總值所需水量；缺水程度是供需缺口與水資源總供水量的比值，反映一個區(qū)域的缺水嚴重性程度。

水環(huán)境子系統(tǒng)選擇2個評價指標，分別是污水處理率(X4)和COD排放強度(X5)。污水處理率是該區(qū)域總體的出水處理的能力；COD排放強度是COD排放總量與GDP的比值，反映對經(jīng)濟的影響。

社會經(jīng)濟子系統(tǒng)選擇3個評價指標，分別為人均GDP(X6)、城鎮(zhèn)化率(X7)、GDP變化率(X8)。人均GDP是該流域GDP與總?cè)丝诘谋戎?；城?zhèn)化率是流域城市化的程度；GDP變化率反映每年GDP的增長速率。

4.2 指標體系權(quán)重確定

將系統(tǒng)分為3個層次，分別為目標層A、準則層B、指標層C。南渡江流域水資源脆弱性為目標層，其3個子系統(tǒng)為準則層，評價指標為指標層。用倒數(shù)標度法構(gòu)造判斷矩陣A=(aij)，其中aij表示準則層中的指標ai對aj的重要程度，其值域取1—9，表示同等重要至極端重要不等，若重要程度介于兩者中間，可取2、4、6、8[29]。指標權(quán)重采用層次分析法(AHP)確定，構(gòu)造判斷矩陣，取其均值，進行一致性檢驗，為確保矩陣的滿意度，其計算過程見文獻[14]，本文不再一一闡述。計算A的最大特征值λmax和特征向量W，其次對一致性比率CR進行檢驗，計算公式為[14]：

CR=CI/RI ；

(1)

(2)

式中：CR為判斷矩陣的隨機一致性比率；CI是判斷矩陣的一致性指標；RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標；n為判斷矩陣的階數(shù)。當(dāng)CR<0.1或λmax=n且CI=0時，其結(jié)果具有一致性。由式(1)和式(2)計算的結(jié)果見表4。在表4中，準則層(A)和指標層(B)中的評價結(jié)果均滿足一致性檢驗(即CR<0.1)，權(quán)重分配合理。

表4 各指標權(quán)重及一致性檢驗結(jié)果

表5 不同情景設(shè)置方案

表6 不同情景設(shè)置值

5 水資源脆弱性評價

5.1 水資源脆弱度計算

基于系統(tǒng)動力學(xué)，設(shè)置常規(guī)發(fā)展模式等4種情景進行模擬，具體方案及不同情景設(shè)置值見表5和表6。采用綜合指數(shù)加權(quán)法分別計算4種情景下2010—2035年水資源脆弱度，計算公式[30]為

(3)

式中：V為水資源脆弱度；fi為指標所得分數(shù)；wi為評價指標優(yōu)先級。V值越高，表示脆弱度越高，反之則越低，分值在0～100之間。

5.2 結(jié)果分析

傳統(tǒng)分類方法中水資源脆弱性分為5個等級：不脆弱(0,40]、輕微脆弱(40,50]、中等脆弱(50,60]、強烈脆弱(60,70]和極端脆弱(70,100][29]。結(jié)合南渡江流域水資源脆弱性評價指標體系與評價標準對4種情景下26 a間南渡江流域水資源脆弱度進行統(tǒng)計，結(jié)果見圖2。

圖2 4種情景水資源脆弱度分值及分級

5.2.1 情景1

常規(guī)發(fā)展模式即保持現(xiàn)有發(fā)展水平，相關(guān)指標根據(jù)流域?qū)嶋H規(guī)劃與發(fā)展目標在SD平臺模擬，其水資源脆弱度和分級如圖2(a)?？芍隙山饔蛩Y源脆弱性呈現(xiàn)連年下降的趨勢，模擬期內(nèi)起始年(2010年)分值最高，為54.37；終止年(2035年)分值最低，為33.56。26 a間流域水資源脆弱性跨越3個等級，2010—2013年為中等脆弱，其平均值為52.08；2014—2022年為輕微脆弱，平均值為43.99；2023—2035年處于不脆弱，平均值為36.23，整體平均值為41.35?？梢姵Ｒ?guī)發(fā)展模式下，水資源系統(tǒng)隨時間呈現(xiàn)愈穩(wěn)定的趨勢。

5.2.2 情景2

技術(shù)革新發(fā)展模式是在常規(guī)發(fā)展的基礎(chǔ)上，突出節(jié)水的重要性，通過技術(shù)革新減少各產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)用水和城鄉(xiāng)用水，并盡可能提高污水處理率使之更多地回收利用。由圖2(b)可知，較常規(guī)發(fā)展模式，水資源脆弱性更早地到達不脆弱，且下降趨勢更為明顯。26 a間水資源脆弱度最高為2010年的54.37，最低為2030年的20.01。2010—2013年為中等脆弱，其平均值為52.01；2014—2020年為輕微脆弱，平均值為44.68；2021—2035年處于不脆弱，平均值為28.29，下降最為明顯，整體平均值為36.36。可見，各產(chǎn)業(yè)用水、城鄉(xiāng)需水定額以及污水處理率為水資源脆弱性的主要因子，此模式較常規(guī)發(fā)展模式對水資源脆弱度的降低以及水資源系統(tǒng)穩(wěn)定有積極的促進作用。

5.2.3 情景3

經(jīng)濟優(yōu)先發(fā)展模式是指在常規(guī)發(fā)展模式的基礎(chǔ)上，更加突出社會經(jīng)濟發(fā)展的重要性，即增加流域內(nèi)GDP的變化率、城鎮(zhèn)化率以及人口變化率，各產(chǎn)業(yè)的增長速度也保持提高，使重心向社會經(jīng)濟發(fā)展方向偏移。其水資源脆弱度及分級如圖2(c)所示。較常規(guī)發(fā)展模式，水資源脆弱性有所提高，且不脆弱年份在模擬期內(nèi)由常規(guī)發(fā)展模式的13 a銳減到4 a。水資源脆弱度最高為2010年的54.37，最低為2030年的37.22。2010—2013年為中等脆弱，其平均值為52.08；2014—2031年為輕微脆弱，平均值為43.15，且從2022—2025年水資源脆弱性有增加的趨勢；2032—2035年處于不脆弱，平均值為38.50，整體平均值為43.81，較前2種發(fā)展模式提高，水資源問題較為突出?？梢姵擎?zhèn)化率、GDP增長率、人口增長率、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)增長率影響著水資源脆弱性，此模式下水資源脆弱性增加，系統(tǒng)較前2種模式不穩(wěn)定。

5.2.4 情景4

綜合發(fā)展模式是在常規(guī)發(fā)展的基礎(chǔ)上，綜合了情景2與情景3的一種發(fā)展模式，即既要倡導(dǎo)技術(shù)革新，也要滿足社會經(jīng)濟的發(fā)展。如圖2(d)所示，較常規(guī)發(fā)展模式與技術(shù)革新模式，水資源脆弱性有所下降，且不脆弱年份在模擬期內(nèi)由常規(guī)發(fā)展模式的13 a上升到16 a。水資源脆弱度最高為2010年的52.84，最低為2030年的16.89。2010—2013年為中等脆弱，其平均值為52.01；2014—2019年為輕微脆弱，平均值為43.77；2020—2035年處于不脆弱，平均值為25.39，整體平均值為33.48，較前3種發(fā)展模式均下降，水資源脆弱性下降，系統(tǒng)較前三者穩(wěn)定，水資源問題得到緩解?？梢娋C合情景2、3中各產(chǎn)業(yè)用水、城鄉(xiāng)用水，提高污水處理率以及社會經(jīng)濟層面相關(guān)指標并進行調(diào)控對綜合模式下水資源系統(tǒng)的穩(wěn)定有更為積極的意義。

圖3揭示了4種情景下2010—2035年間水資源脆弱性的走勢，結(jié)果表明，情景3整體水資源脆弱性最高，其次為情景1、情景2與情景4。4種情景下水資源脆弱性均有下降趨勢，但情景3下2022—2025年間其脆弱度有上升趨勢。由此可見，過于強調(diào)社會經(jīng)濟的發(fā)展會導(dǎo)致水資源的不穩(wěn)定，而技術(shù)革新模式和綜合發(fā)展模式均有利于流域內(nèi)水資源的穩(wěn)定和安全，且綜合模式為4種情景下最有利于流域水資源的發(fā)展模式。通過設(shè)置4種情景及相應(yīng)參數(shù)對系統(tǒng)8個指標進行計算，結(jié)果表明各產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)用水、城鄉(xiāng)用水、GDP增長率與流域水資源脆弱度呈正相關(guān)，而污水處理率、第三產(chǎn)業(yè)/工業(yè)比例與流域水資源脆弱度呈負相關(guān)。

圖3 4種情景下水資源脆弱性走勢

6 結(jié) 論

應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)建南渡江流域水資源系統(tǒng)模型，采用層次分析法構(gòu)建水資源脆弱性評價指標體系與評價標準，設(shè)置常規(guī)、技術(shù)革新型、經(jīng)濟優(yōu)先型、綜合發(fā)展模式4種情景，采用綜合指數(shù)加權(quán)法對2010—2035年南渡江流域水資源脆弱性進行評價并探究其影響機理，得出如下結(jié)論。

(1) 2005—2035年在4種情景下26 a間均跨越3個脆弱等級：中等脆弱、輕微脆弱和不脆弱。其中中等脆弱年數(shù)均為4 a，且脆弱度平均值基本相同；輕微脆弱等級分別為情景1為9 a，情景2為7 a，情景3為18 a，情景4為6 a；不脆弱等級分別為情景1為13 a，情景2為15 a，情景3為4 a，情景4為16 a，其中情景4平均值最低，為25.39；從整體來看，情景3整體脆弱度最高，均值為43.81，情景4整體脆弱度最低，均值為33.48。

(2) 通過情景設(shè)置及參數(shù)擾動分析，綜合4種情景結(jié)果，各產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)用水、城鄉(xiāng)用水、GDP增長率與流域水資源脆弱度呈正相關(guān)，污水處理率、三產(chǎn)/工業(yè)比例與水資源脆弱度呈負相關(guān)。

(3)4種情景模式逐年脆弱度在整體上均有下降趨勢，情景4、情景2、情景1和情景3下降趨勢依次降低，可見技術(shù)革新、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及水資源分配調(diào)控等對于水資源系統(tǒng)的穩(wěn)定都起到積極作用。但綜合發(fā)展模式最適合于南渡江流域的發(fā)展，表明今后在南渡江流域發(fā)展社會經(jīng)濟的同時，應(yīng)注重水資源管理與開發(fā)，提倡技術(shù)革新型社會。