江慧寧,閆寶偉,劉 昱,楊文發(fā),張 俊
(1.華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,武漢 430074;2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局,武漢 430010)
人類活動(dòng)對(duì)水資源及生態(tài)環(huán)境的影響不斷加強(qiáng),水資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之間的相互作用日益突出[1],而這些相互作用在傳統(tǒng)水文學(xué)模型[2,3]中常常被忽視[4]。從社會(huì)水文學(xué)的角度來(lái)說(shuō),水資源、社會(huì)及生態(tài)系統(tǒng)相互之間的互饋機(jī)制會(huì)隨著社會(huì)和自然條件的變化而變化,這些相互作用的演化規(guī)律和驅(qū)動(dòng)機(jī)制需要從整體和動(dòng)態(tài)的角度來(lái)探究[5]。諸多學(xué)者對(duì)人類活動(dòng)和水資源演變的互饋機(jī)制展開了研究,提出了各種概念模型及理論。Liu 等[6]對(duì)塔里木河流域展開研究,分析了人-水耦合系統(tǒng)的歷史協(xié)同演化,結(jié)合中國(guó)傳統(tǒng)哲學(xué)概念提煉出了太極-輪胎模型。Emmerik 等[7]研究了水資源-社會(huì)-生態(tài)之間的“鐘擺效應(yīng)”,即鐘擺模型,Kandasa[8]結(jié)合鐘擺效應(yīng)對(duì)澳大利亞?wèn)|部的Murrumbidge 流域進(jìn)行了案例研究,解釋了用水和糧食生產(chǎn)之間的動(dòng)態(tài)平衡規(guī)律。左其亭凝練了人水系統(tǒng)相互作用以及向和諧方向演變的基本規(guī)律,提出了人水和諧理論[9,10],并使用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamic,SD)模型進(jìn)行了人水系統(tǒng)演變模擬[11]。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是社會(huì)水文學(xué)最有效的研究手段之一,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)采用函數(shù)方程構(gòu)建變量之間的反饋關(guān)系,能夠表征系統(tǒng)內(nèi)部變量之間的互饋機(jī)制與協(xié)同演化關(guān)系,目前SD被廣泛用于探究水資源復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同演化軌跡和動(dòng)力機(jī)制,已經(jīng)形成了成熟的研究框架。Sivapalan[12]基于SD 用數(shù)學(xué)方法表示水資源和社會(huì)耦合系統(tǒng)的協(xié)同演化進(jìn)程,認(rèn)為不斷變化的人類價(jià)值觀是社會(huì)水文耦合系統(tǒng)的內(nèi)因。Jeong[13]使用SD 將概念水文模型和包含人口、土地利用、技術(shù)和政策維度的社會(huì)模型相結(jié)合,并應(yīng)用于韓國(guó)中部的Osan 流域,分析了農(nóng)業(yè)廢水回用的社會(huì)效益。Feng 等[14]將供水、發(fā)電及環(huán)境視為一個(gè)耦合系統(tǒng),即WPE 系統(tǒng),并采用SD 模擬WPE 內(nèi)部的行為機(jī)制,以更好的研究協(xié)同演化關(guān)系;Jia等[15]在此基礎(chǔ)上,在SD模型中了添加了氣候變化、計(jì)劃生育及人口老齡化等影響因素。
隨著人類活動(dòng)的逐步加強(qiáng),水利工程在漢江上游大規(guī)模開發(fā),特別是南水北調(diào)中線工程的實(shí)施[16],水資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)和環(huán)境之間的耦合程度不斷加深,共同支撐著社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此,為了促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,有必要對(duì)漢江流域水資源復(fù)合系統(tǒng)的供水、發(fā)電、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展及環(huán)境污染等要素進(jìn)行協(xié)同分析[17],以便充分了解水資源復(fù)合系統(tǒng)內(nèi)部要素的相互作用關(guān)系,為漢江上游經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源高效利用提供決策支持。
漢江上游水資源-社會(huì)-環(huán)境耦合模型包括水資源子系統(tǒng)、社會(huì)子系統(tǒng)及環(huán)境子系統(tǒng),在整個(gè)耦合系統(tǒng)中,水資源子系統(tǒng)是研究主體,環(huán)境子系統(tǒng)充當(dāng)媒介角色,社會(huì)子系統(tǒng)起到主要調(diào)節(jié)作用。在整個(gè)耦合系統(tǒng)中,人是最活躍、最主動(dòng)的要素,環(huán)保意識(shí)、生活水平、科技水平都是系統(tǒng)演化的主要驅(qū)動(dòng)力。這就意味著水資源子系統(tǒng)和環(huán)境子系統(tǒng)都會(huì)受到社會(huì)子系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié),同時(shí)也為社會(huì)子系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和人口發(fā)展服務(wù)。
從概念上講,漢江上游可以視為一個(gè)概念水庫(kù),其主要入流來(lái)自于降雨,可以儲(chǔ)存供人類利用的水。社會(huì)發(fā)展依賴于電能消耗,水力發(fā)電作為中國(guó)開發(fā)技術(shù)最為成熟的清潔能源,是電力供給的有力支撐[18]。水資源系統(tǒng)除了可以提供維持居民生存的水資源外,還可以通過(guò)水力發(fā)電供給電能。漢江上游的電力供給主要由火電和水電構(gòu)成,其中,水力發(fā)電假定是在流域出口斷面進(jìn)行的,其原理是將流域出流的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能,這一過(guò)程中,水是非消耗性的,而火電則需要消耗一部分水量。社會(huì)子系統(tǒng)受到水資源系統(tǒng)供給的水資源及電能,通過(guò)人類生產(chǎn)及生活活動(dòng)創(chuàng)造財(cái)富、發(fā)展科技,使社會(huì)不斷進(jìn)步。人類用水過(guò)程中,不可避免會(huì)排放污水導(dǎo)致環(huán)境惡化,環(huán)境子系統(tǒng)做出反饋,驅(qū)使人類環(huán)境意識(shí)增高,從而調(diào)整用水及用電需求,并通過(guò)科技手段來(lái)提高用水效率和污水處理能力,使環(huán)境得到改善。最終,水資源,社會(huì)及環(huán)境系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展,共同進(jìn)步,漢江上游水資源-社會(huì)-環(huán)境耦合模型概念示意圖如圖1所示。
根據(jù)上一節(jié)對(duì)水資源-社會(huì)-環(huán)境耦合模型的概念解析,可以從各個(gè)子系統(tǒng)中選取一些具有代表性的指標(biāo),來(lái)反映水資源、社會(huì)與生態(tài)環(huán)境之間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系,各個(gè)子系統(tǒng)之間互饋關(guān)系及選取的主要指標(biāo)如圖2所示。
水資源子系統(tǒng)模擬了漢江上游的水量平衡,流域蓄水量是該子系統(tǒng)最有代表性的指標(biāo),其變化在時(shí)間序列上有累積效應(yīng),為狀態(tài)變量。漢江上游的輸入水量主要來(lái)自于降雨,而輸出水量需要考慮發(fā)電、下游需水量及南水北調(diào)取水。水資源子系統(tǒng)對(duì)生態(tài)環(huán)境具有維持與控制的作用,并為社會(huì)子系統(tǒng)提供生活生產(chǎn)所需要的水資源及一部分電能。社會(huì)子系統(tǒng)獲取到所需資源后,進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)創(chuàng)造財(cái)富,并提高科技水平與生活水平。在用水過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生污染使生態(tài)環(huán)境退化,本研究選取人均污水排放量作為表征指標(biāo)。生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)受到的污染會(huì)引起人類環(huán)保意識(shí)的累積增加,對(duì)用水及用電需求做出調(diào)整[19],進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)水資源子系統(tǒng)做出反饋。
根據(jù)模型描述,可以做出漢江上游水資源-社會(huì)-環(huán)境耦合模型的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖,如圖3所示,圖中“→”代表信息鏈,代表了系統(tǒng)內(nèi)各要素間信息及物質(zhì)的轉(zhuǎn)移軌跡,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析反饋回路圖可以清晰的展示各個(gè)變量間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系。
模型所采用的降雨、水資源、人口、經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)資料均來(lái)自2006-2018年漢江上游內(nèi)各省市的水資源公報(bào)及統(tǒng)計(jì)年鑒中的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),電力數(shù)據(jù)來(lái)自于2006-2018年《中國(guó)電力年鑒》中的統(tǒng)計(jì)資料,2019-2050年的降雨數(shù)據(jù)為RCP4.5 情景下,由CanESM2 氣候模式經(jīng)SDSM 統(tǒng)計(jì)降尺度模型得出[20],另一些指標(biāo)通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法由已搜集的數(shù)據(jù)計(jì)算出結(jié)果代入模型中。
水資源-社會(huì)-環(huán)境耦合模型內(nèi)部各個(gè)要素之間的動(dòng)力方程描述了變量之間的正負(fù)反饋關(guān)系以及外部作用力的影響。在概念模型中,動(dòng)力方程的結(jié)構(gòu)常??梢酝ㄟ^(guò)研究者的經(jīng)驗(yàn)及對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的認(rèn)知確定,在數(shù)據(jù)資料合適時(shí)可以使用數(shù)據(jù)分析方法,也可以從相關(guān)研究文獻(xiàn)中獲取,或者基于共識(shí)原則(如logistic 增長(zhǎng))來(lái)概念化[12]。本文結(jié)合上述幾種方法,確定了各動(dòng)力方程的結(jié)構(gòu),并通過(guò)試錯(cuò)法及SCE-UA 優(yōu)化算法[21]來(lái)率定各個(gè)方程的參數(shù)。
(1)水量方程。水量方程描述了漢江上游的水量平衡,將流域蓄水量的變化描述為流域不同輸入和輸出水量的總和。漢江上游的入流主要來(lái)源于降雨,輸出水量包括流域內(nèi)用水、火電耗水量、南水北調(diào)取水及保證下游需水量的出流,公式如下:
式中:S為流域蓄水量,億m3;P為降雨,億m3;α為產(chǎn)水系數(shù);U為人均用水量,m3/人;N為總?cè)丝?,萬(wàn)人;G為人均用電量,kWh/人;γt為火電比例;f(γtGN)為火電耗水量,億m3;WD為南水北調(diào)取水量,枯水年為70 億m3,平水年和豐水年為95 億m3;O為滿足下游用水需求的出流,億m3;一般認(rèn)為,出流O與流域蓄水量S呈線性關(guān)系。
(2)人口方程。常用的人口方程有Malthusian 方程和logistic方程[22],本研究結(jié)合兩種方程的特點(diǎn),做出了適當(dāng)修正,模擬了人口的自然增長(zhǎng)狀態(tài)受到環(huán)保意識(shí)的抑制作用和生活水平的促進(jìn)作用后的動(dòng)態(tài)變化,具體如下:
式中:r為漢江上游人口自然增長(zhǎng)率;Nmax為流域內(nèi)資源所能承載的最大人口數(shù),萬(wàn)人;n(E)和n(L)分別為環(huán)保意識(shí)的抑制作用和生活水平的促進(jìn)作用,表達(dá)分別如下
(3)環(huán)保意識(shí)方程。環(huán)保意識(shí)反映了隨著污染增加,流域內(nèi)居民感受到環(huán)境惡化對(duì)社會(huì)子系統(tǒng)潛在的威脅,其變化率不是一成不變的,由于科技水平和用水效率的提高,環(huán)境意識(shí)的增長(zhǎng)率將逐漸減緩,故引入了logistic 方程,并做出了適當(dāng)修正,如下式:
式中:Emax為環(huán)保意識(shí)上限,即100;C為人均污染排放量,萬(wàn)t/人,主要與人均用水量及科技水平T有關(guān),表達(dá)式如下:
式中:T為科技水平,與流域生產(chǎn)總值息息相關(guān);D為水力發(fā)電赤字,參考文獻(xiàn)[14]中科技水平的計(jì)算公式,兩者表達(dá)式如下:
式中:γh為水電比例;GN為總用電量,kWh;Q為流域出口斷面流量,m3/s;H為漢江上游落差,本研究取227 m;k為出力系數(shù),取8.5;t為時(shí)長(zhǎng),取8 760 h。
根據(jù)優(yōu)化算法及試錯(cuò)法結(jié)果,g(T)、g(E)和g(D)的表達(dá)式如下:
(5)其他控制方程。通過(guò)擬合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),其他控制方程列于表1。人均用水量主要與環(huán)保有關(guān),當(dāng)環(huán)保意識(shí)小于臨界值Ecrit時(shí),人均用水呈增加趨勢(shì),當(dāng)環(huán)保意識(shí)累積到一定階段,超過(guò)Ecrit后,社會(huì)子系統(tǒng)開始對(duì)用水情況做出調(diào)整[14],隨著環(huán)保意識(shí)的逐漸累積,人均用水量將逐漸減少。流域生產(chǎn)總值、生活水平均由用水和用電情況決定。
表1 部分控制方程Tab.1 Some governing equations
主要狀態(tài)變量初始值由2006年相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料的實(shí)際值確定,見表2。
表2 模型主要狀態(tài)變量及初始值Tab.2 The main state variables and its initial values of the model
動(dòng)力方程內(nèi)部分參數(shù)根據(jù)收集到的實(shí)際數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置,并采用試錯(cuò)法進(jìn)行優(yōu)化,如表3所示。
表3 控制方程參數(shù)設(shè)置Tab.3 Equation parameters
(4)人均用電量方程。人均用電量方程與人口方程相似,需要考慮多個(gè)因素的影響,本研究使用科技水平、環(huán)保意識(shí)和水力發(fā)電赤字三個(gè)影響因子來(lái)表征,即:
模型運(yùn)行時(shí)間為2006年至2050年,時(shí)間步長(zhǎng)為1年,以2006年為基準(zhǔn)期,其中2006-2018年為歷史數(shù)據(jù)期,2019-2050年為模型模擬期。流域生產(chǎn)總值、人口、人均用電量、人均用水量、人均污染排放量和流域蓄水量等指標(biāo)模擬結(jié)果及歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示,各指標(biāo)模擬結(jié)果在大小和趨勢(shì)上的適應(yīng)度都是可以接受的。
水文模型一般采用納什效率系數(shù)(Nash-Sutcliffeefficiency coefficient,NSE)驗(yàn)證模擬結(jié)果的精度[23],本文采用NSE 對(duì)水資源-社會(huì)-環(huán)境耦合模型的模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,NSE 計(jì)算結(jié)果如表4所示。
由表4可知,人口、流域生產(chǎn)總值和人均用電量的NSE 位于0.849~0.956之間,模擬結(jié)果較好。人均用水量和人均污水排放量的NSE 分別為0.566 和0.569,也是可以接受的。而流域蓄水量的NSE 較小,僅為0.025,這是因?yàn)樵谶M(jìn)行概化時(shí),限于數(shù)據(jù)獲取途徑,只能使用《水資源公報(bào)》中的地表水資源量表征流域蓄水量,與實(shí)際可能有一定偏差。
表4 各代表變量模擬精度評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Simulation accuracy evaluation results of representative variables
由圖4可知,漢江上游GDP 雖有小幅度波動(dòng),但在總體上將保持穩(wěn)定上升的趨勢(shì),人口將在2030年左右達(dá)到峰值,隨后開始下降,與世衛(wèi)組織的中國(guó)人口預(yù)測(cè)結(jié)果相符合。在2019-2050年,人均用水量和人均污水排放量均會(huì)逐步減少,這是因?yàn)?011年中央一號(hào)文件,明確提出實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度,隨后用水效率顯著提高,人均用水量和污水排放量近年來(lái)不斷減少,在未來(lái)仍會(huì)保持減少的趨勢(shì)。
模型其他指標(biāo)模擬結(jié)果如圖5所示,結(jié)合圖4對(duì)水資源復(fù)合系統(tǒng)內(nèi)部組元鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理作進(jìn)一步分析。
各個(gè)子系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系是無(wú)法完全清楚的表達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系,單個(gè)要素受到干擾后,其振蕩狀態(tài)傳播及轉(zhuǎn)移具有連續(xù)性,因此就需要找出一個(gè)能全面反映系統(tǒng)中各個(gè)因素之間相互聯(lián)系并且能夠清晰明確地表達(dá)出整個(gè)系統(tǒng)中的所有因素的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理,本研究借助原因樹圖和結(jié)果樹圖進(jìn)行輔助分析,原因樹圖是指決定某個(gè)量的所有原因量的樹枝結(jié)構(gòu)圖;結(jié)果樹圖是指使用某個(gè)量引起的所有結(jié)果量的樹枝結(jié)構(gòu)圖,結(jié)合因果樹圖,可以向前或向后追溯模型內(nèi)某一要素所受干擾的來(lái)源以及之后轉(zhuǎn)移的去向。
在圖5(a)中,環(huán)保意識(shí)在2011年之前增長(zhǎng)較為迅速,隨后變緩,結(jié)合環(huán)保意識(shí)原因樹圖可以發(fā)現(xiàn),引起環(huán)保意識(shí)變化的量有人均污水排放量、人均用水和科技水平。從圖4(d)和圖4(f)可以看出,在2011年之前,漢江上游對(duì)水資源的利用較為粗放,人均用水量和人均污染排放量逐年增加,故環(huán)保意識(shí)增長(zhǎng)較快,并于2011年達(dá)到臨界值,社會(huì)子系統(tǒng)開始對(duì)用水量做出調(diào)節(jié),2011年中央一號(hào)文件,明確提出實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度,隨后用水效率逐步提高,人均用水量和污水排放量近年來(lái)不斷減少,在未來(lái)仍會(huì)保持減少的趨勢(shì)。人均用水量的結(jié)果樹圖如圖7所示,人均用水量的減少會(huì)驅(qū)動(dòng)人均污水排放量同步減少,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)環(huán)保意識(shí)改變?cè)俜答伣o人均用水,形成了一條閉環(huán);除此之外,人均用水的變化還會(huì)通過(guò)總用水反饋給流域蓄水量和流域生產(chǎn)總值,或通過(guò)生活水平反饋給人口。圖5(b)表明,2011年之前,生活水平增速較快,2011年后由于人均用水的調(diào)整,增速開始變緩,如圖4(a)所示,同樣的變化趨勢(shì)在流域生產(chǎn)總值上亦有體現(xiàn),與前述因果分析相一致。
由圖5(c)可以看出,在2014年之前,科技水平增長(zhǎng)成直線增加的趨勢(shì),而2014年后,增速變緩,并有輕微的波動(dòng)。結(jié)合圖8科技水平原因樹圖向前追溯,其變化來(lái)源為總用水、總用電和水力發(fā)電赤字。由圖5(d)可以看出,2014年之前,漢江上游水資源充足,水力發(fā)電充足,無(wú)赤字現(xiàn)象,2014年后,南水北調(diào)開始取水,而用電需求一直上升,故開始出現(xiàn)赤字,由于水資源的豐平枯交替而波動(dòng)上升。結(jié)合圖9可知,受到水力發(fā)電赤字的影響,流域生產(chǎn)總值會(huì)出現(xiàn)小幅度波動(dòng),但總體上保持上升趨勢(shì),并將此種變化傳遞了科技水平。
本文采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究方法,分析了漢江上游水資源-社會(huì)-環(huán)境耦合系統(tǒng)的演化規(guī)律及驅(qū)動(dòng)機(jī)制,主要結(jié)論如下。
(1)從社會(huì)水文學(xué)的角度出發(fā),在宏觀尺度上分析了水資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)及生態(tài)環(huán)境之間的復(fù)雜聯(lián)系,并將其轉(zhuǎn)換為各個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)數(shù)個(gè)變量的互饋關(guān)系,通過(guò)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立了水資源-社會(huì)-環(huán)境耦合模型,模擬了漢江上游2019-2050年的水資源、社會(huì)及環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)同演化。
(2)水資源-社會(huì)-環(huán)境耦合模型模擬結(jié)果顯示,漢江上游人口將于2030年左右達(dá)到峰值,隨后開始下降,GDP 受到水資源的豐枯交替,會(huì)受到一定擾動(dòng),但在總體保持著上升的趨勢(shì)。在“三條紅線”政策影響下,人均用水量及污染排放均會(huì)逐步減少。
(3)結(jié)合因果樹圖可知,復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)某個(gè)要素的干擾具有鏈?zhǔn)絺鞑サ奶攸c(diǎn),并可以結(jié)合因果樹圖追溯干擾的來(lái)源及去向。例如,環(huán)保意識(shí)的增速變緩,追溯其原因?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境子系統(tǒng)內(nèi)人均污水排放的減少,其變化會(huì)沿“環(huán)保意識(shí)——人均用水——總用水——流域蓄水量”反饋鏈向水資源系統(tǒng)轉(zhuǎn)移。
結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,能夠較好的仿真模擬出水資源、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境之間的相互之間的雙向反饋機(jī)制,能夠幫助觀測(cè)、理解和預(yù)測(cè)未來(lái)協(xié)同演化的軌跡。在經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷進(jìn)步的當(dāng)今時(shí)代,人水關(guān)系日益緊繃,我們應(yīng)當(dāng)重新審視在人類發(fā)展過(guò)程中水資源所起的作用,應(yīng)當(dāng)意識(shí)到人類除了利用水資源,還應(yīng)當(dāng)平衡人水關(guān)系,爭(zhēng)取可持續(xù)發(fā)展。政府應(yīng)當(dāng)重視流域的生態(tài)環(huán)境保護(hù),從完善管理政策和提高居民環(huán)保意識(shí)兩方面共同努力?,F(xiàn)代社會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步迅猛,我們應(yīng)當(dāng)將先進(jìn)的科技融入到水資源的開發(fā)及管理中去,提高用水效率、降低污染排放,以實(shí)現(xiàn)水資源、社會(huì)與環(huán)境的協(xié)同發(fā)展?!?/p>