基于系統動力學的南陽市水資源供需平衡分析

郝光玲,王 烜,李春暉,張力小,朱 潔

(1.北京師范大學環境學院,北京 100875； 2.北京師范大學水沙科學教育部重點實驗室,北京 100875;3.北京師范大學水環境模擬國家重點實驗室,北京 100875)

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基于系統動力學的南陽市水資源供需平衡分析

郝光玲1,2,3,王 烜1,2,3,李春暉1,2,張力小3,朱 潔1,2,3

(1.北京師范大學環境學院,北京 100875； 2.北京師范大學水沙科學教育部重點實驗室,北京 100875;3.北京師范大學水環境模擬國家重點實驗室,北京 100875)

利用系統動力學模型定量模擬了南水北調中線工程渠首所在地南陽市的水資源供需情況，并在分析水資源供需平衡影響因子的基礎上，假定了傳統發展模式、強調經濟增長的發展模式、經濟發展與環境相協調模式等3種南陽市社會經濟發展模式，對未來水資源的供需平衡狀況進行分析。結果表明，按照傳統發展模式，未來幾年南陽市將面臨嚴峻的水資源短缺形勢；強調經濟增長的發展模式則會使水資源短缺問題進一步加劇；在協調型模式下，水資源供求矛盾最小。指出為解決水資源供需矛盾、保障南水北調工程的供水安全，必須盡快轉變經濟發展方式，依靠節水投資、科技進步、水資源管理等手段來提高水資源利用率，從根本上減少水資源需求量，維持水資源供需平衡和社會經濟持續健康發展。

水資源;供需平衡;系統動力學模型;經濟發展模式;南陽市

水資源是人類生存和社會生產所必需的基礎性資源,水資源的供需矛盾嚴重制約著區域社會經濟的發展。隨著人口的增加和社會經濟的發展,淡水資源的供需矛盾變得日益突出,水資源需求預測已經成為近年來各個國家和地區開展水資源規劃的首要任務。城市水資源需求量涉及人們生產和生活的各個方面,且各部分之間相互作用,是一個復雜系統。水資源供需系統的主要反饋回路是：區域社會經濟發展→社會經濟發展需水→供需差值→區域社會經濟發展。它可以用來定性和定量地描述一定時域內復雜的系統行為。系統動力學(system dynamics)以反饋控制理論為基礎,擅于處理高階次、非線性、時變的問題,目前已經成功用于社會、經濟和生態等復雜大系統的許多分析與管理決策中,在水資源承載力、需水量預測等方面的應用也越來越廣泛[1-2]。運用系統動力學模型進行水資源供需平衡預測是一個行之有效的方法。

南陽市是南水北調中線工程的渠首所在地和重要水源地,是丹江口水庫的主要淹沒區和移民搬遷安置區,在整個南水北調中線工程建設中占有非常重要的地位。近幾年,一方面,隨著南陽市國民經濟的高速發展和人口的增長,對淡水資源的需求不斷增加;另一方面,南陽市屬于水資源缺乏地區,結構性缺水問題突出，同時,水資源浪費和水污染加劇了南陽市水資源供需矛盾[3]。為此,對南陽市未來幾年的水資源需求進行預測,深入分析南陽市水資源供需矛盾,研究水資源與社會經濟發展的長期相互作用和影響,不僅能為南陽市科學高效配置水資源、促進水資源的可持續利用和節水型社會建設提供技術支持,而且對南水北調中線工程實施后的供水安全保障具有舉足輕重的戰略意義。

本文基于系統動力學原理,運用STELLA軟件,綜合考慮影響水資源需求的第一、二、三產業子系統,以及人口和社會發展子系統等,建立南陽市水資源供需系統模型,分析未來10年水資源的需求量和供給量,并依據模型的敏感性分析結果假定南陽市未來的社會經濟發展方案。在擬定的發展方案下,對南陽市水資源供需平衡進行預測,從而找到加強水資源科學管理、促進用水合理化、節約水資源和維持水資源可持續利用的有效途徑,為南陽市水資源合理配置與經濟政策制定提供參考[4]。

1 南陽市水資源概況

南陽市位于河南省西南部,年平均降水量為709～1 168 mm,多年平均水資源總量為68.43億m3,人均水資源占有量為642.5 m3,僅為全國人均水資源占有量的28%。根據富肯·瑪克的“水緊缺指標”,南陽市屬于重度缺水地區[5]。

南陽市水資源開發利用中存在諸多問題,主要表現在:①降水分布極度不均。首先是時間分布不均,南陽市降水主要集中在6—9月,降水量占全年降水量的60%～70%,其他月份則雨水稀少;其次是水資源區域分布不均,水資源分布與經濟發展程度極不相稱。水資源時空分布不均,極大地限制了對水資源的開發利用[6]。②水資源量呈減少趨勢,且過度開采,導致出現降落漏斗。南陽市城市供水主要依靠開采淺層地下水,大規模地下水開采導致白河南岸等地區出現地下漏斗并進一步擴展[5]。③水資源浪費嚴重。目前,南陽市工農業生產多為傳統生產方式,生產方式落后、用水方式粗放、效率不高致使水資源浪費現象十分嚴重,進一步加劇了水資源短缺的局面。④水環境污染。南陽市河流污染嚴重,工業廢水是重點污染源,商業污水和生活污水未經處理排放也加劇了水環境污染。

由于南陽市水資源量減少，且全民節水和環境保護意識不強,水資源浪費和污染現象嚴重,在未來幾年中,水資源問題將制約南陽市社會經濟可持續發展,并為南水北調供水安全帶來隱患。

2 系統動力學模型構建

2.1 模型邊界條件

基于系統動力學原理，運用STELLA軟件,建立南陽市水資源供需系統模型(圖1),定量模擬南陽市水資源供需平衡情況。根據系統結構和系統邊界劃分原則,將直接參與或對水資源環境和經濟系統有較大影響的因素劃分在邊界之內,而將間接參與或雖然直接參與但影響相對較小的因素劃分在邊界之外。本模型以南陽市的行政邊界作為空間研究邊界,時間邊界取2006—2030年,時間步長為1年。人口數量、灌溉面積、各產業的水資源需求量、生活需水量和各產業產值等對整個系統有較大的影響,因而包含在內容邊界內。政策制定方面,由于側重于研究社會經濟政策的影響效果,因此只考慮了水利投資等一些主要因素。

2.2 模型結構

圖1 南陽市水資源供需系統模型

模型主要分析了人口、經濟和社會子系統對南陽市水資源供需的影響。南陽市水資源供需系統中各要素相互影響、相互制約,形成具有多重反饋的因果關系,涉及的反饋回路主要有:①人口→水資源需求量→水資源供需比→人口;②工業產值→工業用水量→水資源供需比→工業產值增長率→工業產值;③總產值→節水投資→水資源需求量→水資源供需比→總產值。

2.3 模型參數確定

模型所采用的社會經濟發展、水資源量和水資源供需等數據資料均引自《河南省統計年鑒》(2006—2012年)、《南陽市水資源公報》(2006—2012年)、《南陽市國民經濟和社會發展統計公報》(2006—2012年)等,或經計算整理獲得;模型的參數也從統計年鑒、統計公報和水資源公報中直接引用,或通過數學、統計學方法計算出結果,再代入模型中。

2.4 模型驗證

表1 2008—2009年南陽市水資源供需系統模擬結果

表2 南陽市水資源系統主要參數的初始值

該模型以2006年為基準年進行歷史檢驗，跨度考慮2007—2010年。表1中列出了系統模型2008年、2009年的一些主要參數的模擬結果。與實際系統的歷史數據進行比較,結果表明，絕大部分的相對誤差小于10%,最大相對誤差為19.35%。由此可見,構建的模型所描述的系統行為與實際系統行為基本相符,可以用于未來系統的模擬。

3 模擬方案

3.1 主要變量及初始值

根據南陽市水資源供需系統中各個影響因子的反饋關系,設定模型的主要參數的初始值如表2所示。

3.2 敏感性分析

為了找出對水資源供需量平衡影響較大的影響因子,需要對參數進行敏感性分析。分析時每次只改變一個參數,其他所有參數保持不變。以2006年為計算基準年,定義敏感性:

(1)

式中:S為參數敏感性;ΔY為供需比變化量;ΔX為參數變化量。

到2015年時,影響因子的取值范圍及其敏感性見表3。

表3 影響因子的取值范圍及敏感性

表4 3種方案下的模型主要參數及取值

注:投資百分比是指節水投資在工業生產總值中所占的比例。

對不同影響因子進行分析發現,污水處理投資增長率、城鎮生活用水定額變化率、工業用水定額變化率、水利投資率、農村生活用水定額變化率和農業需水定額變化率等都不同程度地對水資源供需平衡產生影響。敏感性值為負說明增大影響因子的取值會使水資源供需比減小,敏感性值為正則說明增大影響因子取值使得水資源供需比增大。其中水利投資率對水資源供需比的靈敏性為15.67,對水資源供需系統的影響最為敏感;其次是農業需水定額變化率,其對水資源供需比敏感性為-2.10,說明南陽市農業用水占很大比重,農業節水能夠較為有效地減少水資源需求量。污水處理投資增長率和城鎮生活用水定額變化率敏感性分別為0.40和-0.27,對水資源供需比影響最小,在制定模擬方案時,應充分考慮影響因子的敏感程度,并根據影響因子的敏感程度確定其取值范圍。

3.3 方案介紹

以2012年為現狀年，對南陽市水資源供需平衡情況進行模擬分析，模擬步長為1年，模擬時間到2030年。根據控制變量的確定原則，提取部分決策變量。通過調整幾種變量的組合，確定傳統發展模式、強調經濟增長的發展模式和經濟發展與環境協調的發展模式3種發展方案。方案中的參數主要依據影響因子的敏感性分析結果及參考文獻來確定[7]。同時，南水北調工程2014年12月正式通水，南陽市作為南水北調中線工程河南段的11個受水省轄市之一，計劃每年分配到城市用水4.9億m3，在一定程度上緩解了供水壓力。本研究中的供需水模擬也相應地從2015年開始考慮了調水后供水量增加對南陽市可利用水資源的影響。

方案一:傳統發展模式。假定經濟發展速度、投資水平及現狀用水量增長情況等決策變量維持現狀不變,運行模型來分析水資源的供需趨勢。

方案二:強調經濟增長的發展模式。該發展模式強調經濟增長的重要性,相比方案一,在方案二中提高各產業產值增長率,各產業用水量增加;同時提高農村和鄉鎮生活用水及生態用水增長率。

方案三:經濟發展與環境相協調的發展模式。對經濟發展速度進行調整,盡量滿足居民生活用水(適當提高農村生活用水和減少城市生活用水),提高水利投資率,減少農灌用水定額和工業用水定額,同時增加環境生態用水,確保生態需水。

4 模擬結果分析

依據表4確定的參數值運行南陽市水資源供需系統模型，得到了南陽市3種發展方案下的水資源供需比(圖2)。在3種假定的發展方案下，水資源供需比都不大于1(方案三中，至2030年水資源供需比達到1)，即水資源供小于需，且第一、第二種方案下水資源供需比在持續減小。方案一中，經濟發展、投資水平及用水量維持現狀時，水資源供需比年均減少0.6%，追求經濟發展的方案二比方案一中水資源供需比下降得更快，年均減少1.28%。如果按照現有發展模式發展，至2014年底，全市將缺水約5億t，且地下水超采嚴重，將給南陽市生態環境帶來嚴重影響。到2030年底，南陽市水資源供需比為0.67，水資源短缺形勢非常嚴峻。相比傳統發展模式，強調經濟增長的發展模式提高了經濟增長速度，盡管在水利投資和生態環境方面也加大了投入，但水資源緊張形勢依然加劇，說明經濟增長速率對水資源供需敏感性較強。到2030年，水資源供需比僅為0.6，城市將面臨嚴重的供水困難，威脅人類生存和社會經濟及生態環境的健康發展，所以一味追求經濟增長的發展模式不可持續，是必須要摒棄的經濟發展方式。“經濟發展與環境相協調的發展模式”不單純追求經濟的增長，將經濟增長速率放緩；提倡在盡量滿足居民生活用水的同時注意節水，減少工農業用水定額和城鎮居民用水量，適當增加農村居民生活用水量；依靠增加科技投入和節水基礎建設來減少工農業用水需求；同時加大對生態環境的重視程度，保障生態需水供給，增加生態環境用水量。在3種方案中，經濟發展與環境相協調的模式的水資源緊張程度最小，且水資源短缺形勢會逐步緩解，至2030年，水資源供需或可達到平衡。由此說明，加大投入，減少工農業生產用水定額，減少生活用水，建設節水型社會是實現水資源供需平衡的重要保障。

圖2 3種模擬方案下的南陽市水資源供需比

5 結 語

本文運用系統動力學方法對南陽市水資源供需系統進行了模擬,結果表明模擬期內南陽市水資源供需矛盾十分突出。為實現南陽市水資源供需平衡,緩解水資源危機,維持社會經濟的健康發展,必須轉變現有落后的經濟發展方式,提高各行業用水效率,加大節水投資,構建節水型產業體系,提高全民節水意識,加強水利基礎設施建設和重要水源工程建設,加快水資源循環利用,以保證水資源供需平衡和實現水資源可持續發展[8-9]。由于水資源供需系統的反饋關系復雜,要提高模擬精度,還需要對影響水資源供需系統的社會經濟、資源和環境子系統之間的相互關系作更加深入的研究。

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Analysis of water supply and demand balance in Nanyang City based on system dynamics

HAO Guangling1,2,3, WANG Xuan1,2,3, LI Chunhui1,2, ZHANG Lixiao3, ZHU Jie1,2,3

(1.SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.KeyLaboratoryofWaterandSedimentSciencesofMinistryofEducation,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;3.StateKeyLaboratoryofWaterEnvironmentSimulation,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

In this paper,the water supply and demand situation in Nanyang City, Which is the location of the head of the Middle Route Project of South-to-North Water Diversion, was simulated using system dynamics model.Based on the analysis of the factors affecting the balance of water supply and demand, three social and economic development programs of Nanyang City, that is, “traditional development mode”, “emphasized economic growth development mode” and “economic and environmental coordination development mode” were assumed.Meanwhile, future water resources supply and demand balance were analyzed.The results showed that under the “traditional development mode”, Nanyang City would face severe water shortages in the future years; under the “emphasized economic growth development mode”, water shortages in Nanyang City would be further intensified; under the “economic and environmental coordination development mode”, there would be a minimum conflict between water supply and demand.Therefore, in order to solve the contradiction between water supply and demand and ensure water supply security of South to North Water Diversion Project, the economic development mode should be changed as soon as possible and some effective measures, such as relying on water-saving investment, technological progress, water resources management and other means, should be taken to improve the utilization of water resources.Only in this way can we fundamentally reduce the amount of water resources, maintain water supply and demand balance water resources and can the social economy develop continuously and healthily.

water resources; balance of supply and demand; system dynamics model; economic development model; Nanyang City

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.04.003

“十二五”國家科技支撐計劃(12011BAC12B02)

郝光玲(1990—),女,碩士研究生,研究方向為流域水資源安全評價與管理。E-mail:hgl370@163.com

王烜,教授,E-mail:wangx@bnu.edu.cn

TV213.4

A

1004-6933(2015)04-0015-05