系統動力學在吉林西部水資源研究中的應用

張忻+李佳薇+聶君宇

摘 要：系統動力學強調了系統、聯系、運動和發展的觀點，是定量研究趨勢問題的有效工具。運用系統動力學的原理，設定系統動力學模型的子系統并研究其相互關系，建立了吉林西部水資源復合系統的系統動力學模型，并運用VensimPLE軟件進行了仿真模擬，以此探究吉林西部水資源的動態特征，便于預測未來該領域的水資源供需情況，采取有效舉措解決問題。

關鍵詞：系統動力學；水資源；供求平衡；VensimPLE

中圖分類號：TV213.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.020

文章編號：2095-6835（2016）20-0020-02

1 背景介紹

系統動力學是一種研究信息反饋系統的分析方法。它強調了系統、聯系、運動和發展的觀點，擅于解決社會系統中存在的反饋、時間延遲和非線性問題，是定量研究趨勢問題的有效工具。它利用系統結構、各環節的因果關系和反饋回路建立的綜合概念模型，通過仿真的方法來求解系統的性能。由于它涉及到微分方程或差分方程求解、控制理論應用、經濟技術分析以及計算機軟件等多種學科，因而屬于跨學科的新型理論和方法。

本文將根據系統動力學的原理，模擬吉林省西部地區“水資源—社會經濟—生態環境”復合系統，探究各子系統間的動態關系，體現吉林西部水資源的動態特征。

2 系統動力學模型（SD模型）

2.1 系統動力學模型的假設

無需人工干預，系統動力學仿真模型將自行發展。

系統動力學仿真模型主要探求供給和需求的平衡，供給主要關注的是水資源總量，正常情況下水資源的變化不應超過水資源的再生能力，否則會造成一系列的環境問題。

2.2 各子系統的因果關系及主要SD方程

根據系統理論的整體與局部關系原理，并考慮資料的占有情況，將吉林省西部復合系統劃分為4個子系統，即人口子系統、經濟子系統、生態環境子系統和水資源子系統。

2.2.1 人口子系統

研究區域總人口主要考慮的是常住人口，它主要受機械變動人口、人口出生率和死亡率的影響。該子系統模塊主要研究人口數量的變化及其變化對生活需水量的影響，水資源供需平衡情況、經濟規模及其增長速度對人口增長速度的影響。

人口子系統的主要的方程如下：

人口總量=INTEG（出生人口+機械增長-死亡人口，目前的總人口）. （1）

生活用水=（人口×人均水消費量）/ 10 000. （2）

2.2.2 經濟子系統

工業、農業、第三產業對于水資源的需求量大，且相互之間需求結構有明顯差異，因此主要研究這三個方面。生產活動需要消耗資源并將廢棄物排放到環境中，生產水平的提高又會促進資源利用效率的提高和單位產出污染排放量的降低，而且當資源供不應求時，也會制約生產規模的增長，刺激生產水平和資源利用效率的提高。

經濟子系統的主要方程如下：

農業耕地面積=INTEG（耕地面積改變量，農業用地面積的現值）. （3）

工業總產值=INTEG（工業GDP增長值，工業生產總值現值）. （4）

第三產業生產總值=INTEG（第三產業GDP增長值，第三產業GDP現值）. （5）

生產用水需求=農業用水需求+工業用水需求+第三產業用水需求. （6）

公共服務=基礎設施維護+公共管理. （7）

2.2.3 生態環境子系統

生態環境子系統包括生態環境建設與污染治理兩大部分。生態建設是環境保護的重要內容，生產投資回收期也較長。城市的生態建設能提高人們的生活質量，提高城市對資金和人才的吸引力，促進城市經濟的發展；同時，還會提高城市周邊農業區的土地涵養水源的能力，防止水土流失，增加農業產量，提高農業生產抵抗水旱災害的能力。城市的集中污染治理設施用于對工業、農業和生活所排放的污染物進行治理。工廠自身對所排放污染物的治理力度對城市的環境質量與污染物的集中處理量影響很大。

生態環境子系統的主要方程如下：

廢水排放總量=城市生活污水排放量+工業廢水排放量+農業廢水排放量. （8）

污水處理量=工業廢水處理量+生活污水處理量. （9）

水質=水資源管理程度+衛生服務程度. （10）

2.2.4 水資源子系統

資源子系統在本次研究中主要研究的是淡水資源，即地表水資源、地下水資源、外調水資源和再生水資源。該子系統的主要變量為水資源可供量，包括常規水資源可供量和再生水資源可供量兩部分，其中，前者主要包括當地的地表水資源、地下水資源和外調水資源。

資源子系統的主要的方程如下：

淡水資源量=地表水資源量+地下水資源+海水淡化量+降水. （11）

海水淡化=海水的使用量×海水淡化技術×海水淡化技術工廠量. （12）

水污染=（廢水排放總量-污水處理總量）/10 000.（13）

水污染率=水資源總污染量/水資源總需求量. （14）

因此，我們得出系統的結構，如圖1所示。

從而得出如圖2所示的系統因果反饋圖。

水為生活、工業、農業、第三產業和生態用水共用一個水系統。也就是說，如果一個部門的供水量增加，就會影響到其他部門的供水量。所以，從水資源可持續發展的角度來看，我們應該合理調整各部門的水分布結構，充分利用有限的水資源，提高水的利用效率，維持合理的水資源開發利用速度，實現國家經濟、環境和社會效益的統一。

2.3 系統動力學流圖

一個系統的流圖主要反映因果關系圖中所沒能反映出來的不同變量的性質和特點，使系統內部的作用機制更加清晰，然后通過流圖中關系的進一步量化，實現政策仿真的目的。根據系統動力學對兩種變量的定義，結合大量歷史數據，在對圖中主要變量的變化特征進行深入細致分析的基礎上，設計出系統動力學流圖，如圖3所示。

2.4 模型有效性檢驗

模型有效性檢驗包括：①直觀檢驗。建模者根據專業知識和所掌握的系統動力學建模方法，直觀地對模型的變量定義、邊界選擇、因果關系和系統方程進行檢驗，并作出正確的判斷。②建立系統動力學模型，并運用VensimPLE軟件進行模擬仿真，使用軟件的模型檢測和單位檢測功能來檢驗模型方程的正確性、系統參數的合理性。③歷史檢驗，將模擬仿真部分結果與已有的歷史數據進行對比，檢驗其符合的程度，判別模型的可信度。④靈敏度分析。變化模型參數值，檢驗這種變化對模型行為的影響。

3 系統動力學模型的特點與展望

3.1 模型的特點

模型的特點主要有：①能明確認識和體現系統內部、系統外部因素的相互關系；②是定性與定量的結合與統一，以定性分析為先導，以定量分析為支持，兩者相輔相成；③對參數的要求和精度不高，其研究的重點是系統結構和動態行為；④能觀察系統在不同的參數、組織狀態和政策因素輸入時所表現的行為和趨勢；⑤能對系統的動態發展趨勢進行考察，可作系統的長期動態預測。

3.2 模型的展望

系統動力學模型考慮了每個變量的動態特性，可以很容易地處理非線性和隨時間變化的現象。該模型可以有效地預測未來研究領域的水資源供需情況，并指出進一步的發展趨勢，有助于用戶更好地了解系統，并采取正確的行動來解決問題。

參考文獻

[1]趙春麗.系統動力學方法在區域水資源承載力中的應用研究——以山西省河津市為例[D].西安：西安建筑科技大學，2006.

[2]葉文虎.環境承載力理論及其科學意義[J].環境科學研究，1992（5）.

[3]周維博.水資源綜合利用[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[4]Wang Qipan.System Dynamics[M].Beijing：Tsinghua University Press，1988.

[5]Lyla Mehta.Water and Human Development[J].World Development，2014，59（7）.

[6]Kalyan K.Mankala，Sunil K.Agrawal.Dynamic Modeling and Simulation of Impactin Tether Net/Gripper Systems[J].Multibody System Dynamics，2004，11（3）.