張 彥，寇利卿

（河北省保定水文勘測(cè)研究中心，河北 保定 071000）

水資源供需系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，涉及水資源系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)［1］。目前根據(jù)預(yù)測(cè)方法的特點(diǎn)，水資源供需預(yù)測(cè)可分為時(shí)間序列法、直觀法和模擬模型法［2］，而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（SD）法是模擬模型法中應(yīng)用最廣泛的方法。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是一門研究系統(tǒng)內(nèi)部信息反饋結(jié)構(gòu)和行為的學(xué)科，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息的模擬仿真［3］。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)于1956年由美國(guó)麻省理工學(xué)院的Jay W．Forrester教授創(chuàng)立后，被廣泛運(yùn)用于環(huán)境科學(xué)、企業(yè)管理決策等研究領(lǐng)域［4］。由于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法能夠動(dòng)態(tài)模擬各要素間的關(guān)系及水資源供需的演化特征，并能明確分析出各因素對(duì)水資源供需的影響力度，可操作性強(qiáng)［5］，近年來(lái)在水資源供需模擬預(yù)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。本文從系統(tǒng)的理論觀點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合保定市主城區(qū)水資源供需特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r，以實(shí)現(xiàn)水資源供需平衡為目標(biāo)，構(gòu)建了區(qū)域水資源系統(tǒng)供需安全模型，通過(guò)參數(shù)敏感性分析找出影響該系統(tǒng)供需安全的敏感參數(shù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)不同政策調(diào)控方案，通過(guò)運(yùn)行模型對(duì)比不同方案的仿真模擬結(jié)果，從而得出改善保定市主城區(qū)水資源供需平衡的最佳發(fā)展模式。

1 研究區(qū)域概況

保定市位于河北省中西部地區(qū)，與北京、天津構(gòu)成黃金三角，地理位置非常重要。全市屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量498.9mm。本次所研究區(qū)域?yàn)楸６ㄊ械闹鞒菂^(qū)，由現(xiàn)在的蓮池區(qū)和競(jìng)秀區(qū)（含高新區(qū)）組成，面積312km2，人口119.4萬(wàn)，多年人均水資源量遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平。隨著城區(qū)人口的持續(xù)增長(zhǎng)，以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，水資源供需矛盾更加突出，水資源安全形勢(shì)相對(duì)嚴(yán)峻。因此，開(kāi)展保定市主城區(qū)的水資源供需安全研究，對(duì)保定市城市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 區(qū)域水資源供需SD模型構(gòu)建

2.1 區(qū)域水資源供需系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

圍繞解決研究區(qū)域水資源供需安全問(wèn)題，在分析研究區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用系統(tǒng)內(nèi)部各要素間的相互作用和反饋機(jī)制的基礎(chǔ)上，將研究區(qū)域水資源系統(tǒng)劃分為供水子系統(tǒng)、需水子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、人口子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)等5個(gè)子系統(tǒng)。

供水子系統(tǒng)，按照供水來(lái)源將總可供水量分為地表水可供水量、地下水可供水資源量、再生水回用量、跨區(qū)域引調(diào)水量。其中再生水回用量主要是城鎮(zhèn)污水處理廠處理的工業(yè)廢水和生活污水的回用量。

需水子系統(tǒng)，是本文中最為復(fù)雜、龐大的子系統(tǒng)，也是水資源安全調(diào)控的主要部分。本子系統(tǒng)包括第一產(chǎn)業(yè)用水量、第二產(chǎn)業(yè)用水量、第三產(chǎn)業(yè)用水量、生活用水量和生態(tài)用水量。其中，第一產(chǎn)業(yè)用水量由農(nóng)田灌溉用水量和林牧漁畜用水量構(gòu)成，第二產(chǎn)業(yè)用水量由工業(yè)用水量和建筑業(yè)用水量構(gòu)成，第三產(chǎn)業(yè)用水量由第三產(chǎn)業(yè)增加值和萬(wàn)元三產(chǎn)增加值用水量計(jì)算而得。

經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)，包括第一產(chǎn)業(yè)增加值、第二產(chǎn)業(yè)增加值和第三產(chǎn)業(yè)增加值。其中第二產(chǎn)業(yè)增加值由工業(yè)增加值和建筑業(yè)增加值組成，三個(gè)產(chǎn)業(yè)的增加值均是通過(guò)年增長(zhǎng)率計(jì)算而得。

人口子系統(tǒng)，人口數(shù)量對(duì)水資源系統(tǒng)有著明顯影響。本文的人口類型分為城鎮(zhèn)人口和農(nóng)村人口?？?cè)丝跀?shù)量通過(guò)人口增長(zhǎng)率計(jì)算，城鎮(zhèn)人口數(shù)量通過(guò)城鎮(zhèn)化率計(jì)算，農(nóng)村人口數(shù)量則為兩者的差值。

生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)，包括河道內(nèi)生態(tài)需水量和河道外生態(tài)需水量。河道內(nèi)生態(tài)需水量采用市區(qū)內(nèi)主要河流非汛期多年平均流量；河道外生態(tài)需水量采用定額預(yù)測(cè)法，以城鎮(zhèn)生活需水的15%［6］計(jì)算而得。

2.2 區(qū)域水資源供需SD模型流程圖

本文將保定市主城區(qū)的行政邊界作為系統(tǒng)的空間邊界，時(shí)間邊界為2009—2035年，基準(zhǔn)年為2018年，預(yù)測(cè)和規(guī)劃時(shí)段為2019—2035年，規(guī)劃時(shí)間步長(zhǎng)為1年。在明確了研究區(qū)域水資源供需系統(tǒng)構(gòu)成和功能結(jié)構(gòu)之后，開(kāi)始應(yīng)用Vensim DSS軟件繪制研究區(qū)域水資源供需SD模型的流程如圖1。

圖1 保定市主城區(qū)水資源供需SD流程

繪制完流程圖以后，再對(duì)系統(tǒng)的各要素進(jìn)行量化分析，建立各要素間的量化關(guān)系方程，從而最終建立了保定市主城區(qū)水資源供需SD模型。模型共包含63個(gè)變量，其中狀態(tài)變量6個(gè)，速率變量6個(gè)，輔助變量33個(gè)，常量4個(gè)，表函數(shù)14個(gè)。模型所用數(shù)據(jù)來(lái)源于《保定經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》《保定市水資源公報(bào)》及保定市人民政府官方網(wǎng)站等。

2.3 模型驗(yàn)證與敏感性分析

構(gòu)建完成SD模型之后，需要對(duì)模型進(jìn)行合理性和有效性檢驗(yàn)，以保證模型運(yùn)行結(jié)果盡量接近現(xiàn)實(shí)［7-8］。本文選用歷史檢驗(yàn)的方法來(lái)驗(yàn)證模型模擬結(jié)果與歷史真實(shí)值結(jié)果之間的相對(duì)誤差，以評(píng)估模型的可靠性。本文選用人口數(shù)量、工業(yè)增加值、城鎮(zhèn)生活用水量、GDP等參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比2009—2018年的模擬值和真實(shí)值的相對(duì)誤差來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。檢驗(yàn)結(jié)果如表1。由表1可知，模型模擬值和歷史真實(shí)值基本吻合，相對(duì)誤差均低于10%，認(rèn)為模型與實(shí)際情況有較好的一致性，可用于實(shí)際水資源供需預(yù)測(cè)模擬演化。

表1 模擬結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比

參數(shù)敏感性檢驗(yàn)是分析模型中的參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)中所要研究的變量的影響程度。通過(guò)分析尋找敏感參數(shù)，對(duì)敏感參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，從而提高政策制定的有效性。本文應(yīng)用Vensim DSS軟件中的Monte Carlo參數(shù)敏感性測(cè)試功能來(lái)尋找敏感性參數(shù)。通過(guò)敏感性測(cè)試，確定了對(duì)水資源供需系統(tǒng)敏感的參數(shù)有單位農(nóng)田灌溉用水量、三產(chǎn)年增長(zhǎng)率、工業(yè)年增長(zhǎng)率、城鎮(zhèn)居民用水定額、再生水回用率等參數(shù)。

3 保定市主城區(qū)水資源供需模擬與調(diào)控

在確定對(duì)水資源供需比敏感的參數(shù)以后，通過(guò)對(duì)這些敏感參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，來(lái)制定保定市主城區(qū)水資源供需調(diào)控方案，以期找到適合保定市主城區(qū)水資源供需安全的發(fā)展模式。

3.1 方案1：延續(xù)現(xiàn)狀發(fā)展模式

保持現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口增長(zhǎng)率趨勢(shì)及供用水水平，不做任何政策調(diào)整，模擬水資源供需發(fā)展趨勢(shì)。主要調(diào)控參數(shù)如表2。

表2 方案1調(diào)控參數(shù)取值

3.2 方案2：生態(tài)環(huán)境優(yōu)先，治污減排模式

在方案1基礎(chǔ)上，提高河道外生態(tài)用水量，將河道外生態(tài)用水量占城鎮(zhèn)生活用水量的比例提高到20%，減少城鎮(zhèn)生活污水排放量，將城鎮(zhèn)污水排放系數(shù)調(diào)整為0.66，同時(shí)提高再生水回用率，到2025年為62%，2030年為80%，2035年為90%。

3.3 方案3：節(jié)水控制，提高再生水回用力度模式

在方案1基礎(chǔ)上，通過(guò)宣傳提高居民節(jié)水意識(shí)，降低生活用水量；通過(guò)改進(jìn)灌溉設(shè)施，提高農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水水平；提高再生水的回用率到方案2的水平。主要調(diào)控參數(shù)如表3。

表3 方案3調(diào)控參數(shù)取值

3.4 方案4：產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，保持經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長(zhǎng)模式

該方案強(qiáng)調(diào)在保持GDP穩(wěn)步增長(zhǎng)的前提下，通過(guò)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到減少水資源利用量的目的。在方案1的基礎(chǔ)上，保持第一產(chǎn)業(yè)的平穩(wěn)發(fā)展，大力提高工業(yè)水平，控制第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。主要調(diào)控參數(shù)如表4。

表4 方案4調(diào)控參數(shù)取值

3.5 方案5：綜合調(diào)控模式

該方案強(qiáng)調(diào)在倡導(dǎo)高效節(jié)水的背景下，保持經(jīng)濟(jì)社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。本方案將方案3和方案4整合，提高再生水回用率，提高農(nóng)田灌溉節(jié)水水平，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高工業(yè)化水平，控制第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。主要調(diào)控參數(shù)如表5。

表5 方案5調(diào)控參數(shù)取值

4 結(jié)果與分析

按照預(yù)設(shè)的5種不同調(diào)控方案，模擬運(yùn)行保定市主城區(qū)水資源供需系統(tǒng)模型，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。從水資源總體的供需平衡看（圖2），方案5的綜合調(diào)控模式明顯優(yōu)于其他的4種方案。模擬過(guò)程顯示從2019年供需比逐年上升，到2021年水資源供需達(dá)到平衡，并能持續(xù)維持水資源的供需平衡。

圖2 水資源供需比

方案1延續(xù)現(xiàn)狀發(fā)展模式不變，參數(shù)未經(jīng)過(guò)任何調(diào)整，模擬結(jié)果顯示，水資源供需比（圖2）由2019年逐年上升至2021年達(dá)到峰值0.96，而后逐年下降，預(yù)計(jì)到2035年主城區(qū)的供水系統(tǒng)只能滿足區(qū)域內(nèi)用水的61%，水資源短缺量（圖3）將高達(dá)1.4億m3，供需嚴(yán)重失衡，將會(huì)對(duì)主城區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)很大阻礙。

圖3 水資源余缺量

方案2是以改善生態(tài)環(huán)境為優(yōu)先發(fā)展目標(biāo)。模擬結(jié)果顯示，水資源供需比變化趨勢(shì)與方案1相近，水資源的短缺量稍高于方案1，說(shuō)明生態(tài)需水量的變化對(duì)總需水量的影響不大。

方案3為節(jié)水控制模式。模擬結(jié)果顯示，水資源供需比變化趨勢(shì)與方案1和方案2相似，但水資源的短缺程度要略好于兩者（圖2、圖3）。方案3降低了城鎮(zhèn)居民的用水定額和單位農(nóng)田灌溉用水量，同時(shí)隨著城鎮(zhèn)生活用水量的減少，雖然提高了再生水回用率，但再生水的回用量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（圖4），因此該方案對(duì)水資源供需比影響不明顯。

圖4 再生水回用量

方案4通過(guò)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到降低水資源利用量。模擬結(jié)果顯示，三產(chǎn)用水量（圖5）從2022年開(kāi)始增長(zhǎng)幅度明顯低于方案1；工業(yè)用水量（圖6）從2031年開(kāi)始有升高趨勢(shì)，但變化幅度不大；而與方案1相比，總需水量（圖7）和三產(chǎn)用水量變化趨勢(shì)相似，由此可以看出，三產(chǎn)用水量的變化對(duì)總需水量影響明顯。另外，方案4水資源供需比明顯高于前3個(gè)方案，但從2021年后仍呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，水資源短缺量到2035年達(dá)0.45億m3，所以方案4仍不是最優(yōu)方案。

圖5 三產(chǎn)用水量

圖6 工業(yè)用水量

圖7 總需水量

方案5綜合了方案3和方案4，實(shí)行節(jié)水控制與調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的調(diào)控方案，最大限度降低水資源的利用量。模擬結(jié)果顯示，水資源在2021年達(dá)到供需平衡，并能維持水資源供需平衡的趨勢(shì)，使水資源供需安全狀況得到明顯改善。與方案1相比，雖然通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，減緩了GDP的增速（如圖8），但從水資源可持續(xù)利用和保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)和環(huán)境可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展的系統(tǒng)考慮，此方案應(yīng)為5種方案中的最佳方案。

圖8 GDP

5 結(jié)論與建議

在充分分析保定市主城區(qū)水資源供需系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了保定市主城區(qū)水資源供需SD模型。應(yīng)用敏感性測(cè)試方法，確定了對(duì)水資源供需系統(tǒng)敏感的參數(shù)。通過(guò)對(duì)敏感參數(shù)設(shè)定不同量化取值，設(shè)計(jì)了5種不同的水資源發(fā)展模式，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析模擬的結(jié)果得出，通過(guò)降低城鎮(zhèn)居民用水定額和農(nóng)田灌溉用水定額，提高再生水回用率，控制第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，提高工業(yè)增加值比重的綜合方案才是改善保定市主城區(qū)水資源供需平衡的最佳發(fā)展模式。本模型對(duì)不同的調(diào)控措施進(jìn)行了定量化處理，為保定市主城區(qū)水資源管理的決策提供依據(jù)。

為進(jìn)一步提升保定市主城區(qū)水資源供需與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展，結(jié)合模型的模擬結(jié)果分析以及研究區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境發(fā)展現(xiàn)狀提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）加大節(jié)水力度，減少水資源消耗。提高各個(gè)行業(yè)的用水效率和節(jié)水水平，大力宣傳節(jié)水理念，提高居民節(jié)水意識(shí)，加快推進(jìn)節(jié)水器具普及，有效控制城市供水管網(wǎng)漏失，推廣節(jié)水率高的農(nóng)田灌溉設(shè)施，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，改進(jìn)和提高工業(yè)生產(chǎn)工業(yè)，提高生產(chǎn)用水重復(fù)利用率。

（2）提高非常規(guī)水的利用程度。加強(qiáng)海綿城市建設(shè)，逐步提高雨水資源的利用水平。提高再生水回用率，提高水資源的重復(fù)利用水平。

（3）高效利用引江水，加大非常規(guī)水利用程度。保定市主城區(qū)水資源量較為匱乏，跨流域引調(diào)水資源對(duì)于保定市城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要，高效利用引江水，大力推進(jìn)供水置換，減少地下水開(kāi)采量，解決地下水大漏斗問(wèn)題，提高河道生態(tài)用水量，逐步恢復(fù)河道生態(tài)功能。

（4）調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制第三產(chǎn)業(yè)用水量。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，保定市主城區(qū)第三產(chǎn)業(yè)近年來(lái)發(fā)展迅猛，隨著而來(lái)的用水量也逐年增加。第三產(chǎn)業(yè)涉及面比較廣，節(jié)水管理難度大，用水管理部門應(yīng)加強(qiáng)這方面的管控。同時(shí)，在逐步提高工業(yè)節(jié)水水平的前提下，大力發(fā)展工業(yè)，提高工業(yè)產(chǎn)值在GDP中的比重。