城鎮化進程中水資源供需關系的系統動力學仿真研究

摘要：水資源作為城鎮化發展的基礎性資源，對城鎮發展起到了決定性作用。其供需矛盾是城鎮化進程中需要解決的核心問題。利用系統動力學的相關原理，通過構建城鎮水資源供需系統模型來揭示城鎮水資源供需的內在機理，同時對模型進行仿真檢驗以預測中國高速城鎮化進程下水資源供需的發展趨勢，發現2020年城鎮水資源會面臨嚴重的供給不足的狀況，并基于預測結果對現行機制下水資源優化配置問題的提出了政策建議。

關鍵詞：城鎮化；水資源供需；系統動力學；優化配置

中圖分類號：TV21；F29 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4555-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.049

Abstract： As basic resources of the development of urbanization，water resources played a decisive role on town development，and contradictions between its supply and demand became a core issue needed to be resolved in the process of urbanization. By using relative theories of the system dynamics，constructing the supply-demand system model of urban water resources to reveal the inner mechanism，meanwhile a simulation test was carried out to predict the supply-demand development trend of water resources during rapid urbanization process in China. Results showed that，the urban water resources in 2020 should face severe situation of water supply deficiency，and based on the predication，some policy recommendations for the optimal allocation of water resources under current mechanism were put forward.

Key words： urbanization； supply and demand of water resources； system dynamics； optimal allocation

水資源作為人類生活與生產的基本核心資源，對人類的生存起到了至關重要的保障作用。水資源也是城鎮化發展中的基礎性資源、戰略性資源和公共性社會資源。隨著城鎮化進程的深入，城鎮對水資源的需求量日益增大，同時，產業間對于水資源的爭奪也越發激烈。供給無法與需求相匹配，進而發生水資源短缺、水污染、水資源惡性競爭等諸多問題。2008～2015年期間，中國城鎮化率以年均1.35%的速度高速增長，預計到2016年將超過60%[1]。伴隨著高速的城鎮化發展，關于水資源調配管理體制的缺失與意識的淡薄，都使得中國城鎮水資源的可持續利用與水安全受到嚴重威脅。因此，如何對城鎮水資源進行優化配置以保障城鎮化進程可持續發展已經成為國內外學者關注的核心命題。

水資源的供需問題涉及工業生產、農業灌溉、第三產業發展、生活與生態等諸多因素。各因素間互相推動亦互相制約，作用關系較為復雜。錢龍霞等[2]利用Logistic回歸模型模擬供水量和需水量系列的概率分布，對2020年北京市水資源供需風險進行定量評價，其結果表明北京市的水資源供給存在較大的風險性，且供給的平衡狀態較為脆弱；阮本清等[3]建立了模糊評價體系下的水資源短缺評價模型，嵌入風險率、脆弱性、重現期、可恢復性作為風險研究指標，并對此進行了實證分析；王富強等[4]建立水資源供需的SPA-VFS評價模型并進行了實證檢驗；孫青言等[5]對濟南市的水資源供需情況做了深入研究，發現2015～2020年的濟南市將處于水資源短缺的狀態，并就此預測給出了相應的政策建議；來晨霏等[6]利用劉易斯-費-拉尼斯模型對城鎮化進程中水資源流轉的過程做了階段性劃分，對水資源各個階段對城鎮化進程的作用做了深入并給出政策建議。胡彩虹等[7]研究了新鄭市水資源的供需情況，并以2007年為基年，預測未來新鄭市的水資源供需情況，并結合該市城鎮化發展的問題給出了政策建議。城鎮化進程中由于水資源的供需問題而導致的相關衍生問題也有大量研究[8-10]。在城鎮化進程中，確定合理的GDP增速與水利投資的規模以達到支撐城鎮化進程的目的，這就需要對水資源的供需關系進行全局性的整體分析與描述。系統動力學方法論可以從整體上研究城鎮化進程中水資源供需平衡的命題，與研究主題契合度較高。耿小娟等[11]研究在不同制約因素下水資源與經濟增長的演變情況，并做了系統動力學分析，找出較優方案模擬水資源對GDP增長模型，為區域經濟發展提供政策建議。袁汝華等[12]對北江流域下游的區域水資源做了系統仿真模擬并得出GDP增長受到水資源不足的制約，在追求經濟效益的同時必須考慮到水資源的可持續利用的結論。楊開宇[13]運用系統動力學分析方法構建了城鎮水資源供需系統與反饋路徑，并結合2008～2014年水資源相關數據對該系統進行模擬，得出城鎮化進程中水資源供需系統的關鍵性因素及關鍵要素對于水資源供需的影響程度。

1 城鎮水資源供需系統結構與反饋路徑

1.1 基于水資源供需的城鎮子系統劃分

城鎮水資源的供需系統是一個以水資源供給與需求為核心基礎構建起來的關聯性極強的系統，涉及城鎮人口、城鎮社會生活、城鎮經濟生活、城鎮環境等諸多方面。每一個方面都可歸納為一個子系統，子系統之間互相促進又互相制約，共生共息，共同發展。為了平衡建模的可解性并充分展現城鎮水資源供需系統的完整性，從城鎮人口、城鎮產業經濟、城鎮水資源與城鎮水環境4個方面進行闡述，這四大因素基本反映了城鎮水資源供需系統的諸多方面。同時，依據城鎮各子系統之間關聯性與子系統內部本身的運行規律構建出城鎮水資源供需系統的全貌，并利用系統動力學的模型解釋城鎮化進程中水資源供需系統的內在運行機理。綜上所述，城鎮水資源供需的系統動力學模型應包含四大子系統，如圖1所示。分別是人口子系統、經濟子系統、資源子系統與環境子系統。

人口子系統。人是構成城鎮的核心要素，人既本身影響著系統內部的運行同時又參與其他子系統的運行，其與經濟、資源、環境都有著密切的關系。由此可見，人口子系統的關聯性是四大系統中最強的。人的日常生活直接或間接參與經濟生活，消耗或調配城鎮水資源，對水環境起到推動或破壞作用。另一方面，人口遷移、人口規模與人口變化速率都直接或間接的影響著水資源的供需關系與水環境。

經濟子系統。一般而言，經濟子系統囊括農業、工業與第三產業，但城鎮化的過程中無論從人口流轉還是資源流轉層面來看，農業與工業的轉化是主要經濟矛盾，城鎮化的過程亦是工業化的工程，定義城鎮水資源供需系統動力學模型的第三產業并非研究重點。經濟生活需要大量的人力資源與水資源的投入，同時，經濟子系統的發展又給人口規模的發展帶來必要的供給。除此之外，城鎮經濟的發展也會消耗水資源，影響著水環境。

資源子系統。一方面，研究主題為水資源，另一方面資源種類過多，研究資源系統無法逐一窮舉，因此忽略其他資源對水資源的影響。該系統為本模型的核心子系統。水資源為人口系統的發展提供了基本保障，為經濟系統提供生產原料，為環境系統提供了良好的發展基礎。相對于資源子系統而言，其他子系統對水資源子系統起到抑制作用。人口與經濟規模的發展會增加水資源的消耗，會加大水資源的供給的負荷。生態系統的破壞也會影響水資源的質量與總量，進一步造成水資源的短缺與不合理配置。

環境子系統。水環境直接或間接影響著城鎮化進程的發展。水環境的破壞進一步加劇水資源的供給負荷；水環境的惡化導致人口的規模發展無法在區域上擴散；水環境的優劣是衡量城鎮可持續發展的重要標志之一。對水環境的整治，污水回收也是考驗城鎮發展的棘手難關。

1.2 城鎮水資源供需模型的因果關系分析

運用系統動力學建模的原理，需要對城鎮水資源供需系統中各個子系統之間存在的因果關系加以詮釋，并根據此種因果關系構建出具有閉合回路的反饋路徑。通過綜上設定的城鎮水資源供需的4大子系統，可以在各個子系統之間與子系統內部各要素的關系之間進行分析，即可得出因果關系圖，如圖2所示。該因果關系圖考慮到了影響水資源供給與需求的主要因素，其中包括農業、工業、生活、生態、污水排放與再利用以及COD排放等。子系統間構成了嚴格閉環的反饋路徑。

1）正反饋路徑：①總人口→城鎮人口→城鎮生活需水量→生活污水→污水排放量→水體污染總量。②總人口→農村人口→農村生活需水量→生活COD排放量→水體污染總量。③GDP→工業增加值→工業需水量→工業廢水→污水排放量→水體污染總量。④GDP→工業增加值→工業需水量→工業COD排放量→水體污染總量。⑤GDP→農業投資→農業需水量→需水總量。

2）負反饋路徑：①總人口→農村人口→農村生活需水量→需水總量。②總人口→城鎮人口→單位綠地面積生態用水→生態需水量→需水總量。③GDP→工業增加值→工業需水量→需水總量。④GDP→工業增加值→萬元工業增加值用水量→工業需水量→工業COD排放量→水體污染總量。⑤GDP→耕地面積→農業需水量→需水總量。

上述的正、負反饋路徑是基于設定的城鎮水資源供需系統的主要因素關系的因果關系進行基本描述，而非完全意義上的正負反饋路徑，但已可以基本反應子系統間與系統內部互相促進，互相抑制的關系網絡。

1.3 水資源供需系統模型方程

綜合上述的城鎮水資源供需系統劃分與因果關系，可以構造出城鎮水資源供需系統的動力學方程。如下所述：

1）可供水資源總量系統方程：可供水資源總量=可用水資源總量+污水再用總量；可用水資源總量=水資源利用率×水資源總量。

2）農業水資源需求量系統方程：農業水資源需求量=耕地面積×單位耕地面積水資源需求量；耕地面積=max{耕地面積初始值×（1-耕地面積年均遞減速率）^（年份-基期年份），12 0000}。

3）工業水資源需求量系統方程：工業水資源需求量=工業增加值×萬元工業增加值用水量；工業增加值=城鎮人口×城市人均工業增加值；城市人均工業增加值=城市人均工業增加值初始值×（1+城市人均工業增加值）^（年份-基期年份）；萬元工業增加值用水量=萬元工業增加值水資源需求量初始值×（1+萬元工業增加值用水量）^（年份-基期年份）。

4）生活水資源需求量系統方程：生活用水需求量=城鎮生活水資源需求量+農村生活水資源需求量；城鎮生活用水量=城鎮人口×城鎮人均水資源需求量；農村生活用水量=農村人口×農村人均水資源需求量。

5）生態水資源需求量系統方程：生態用水需求量=城鎮綠地面積×單位綠地面積水資源需求量；城鎮綠地面積=城鎮人口×城鎮人均綠地面積。

6）水環境系統方程：污水再用量=min{污水總量，城市污水處理能力}；污水總量=污水排放系數×水資源需求總量；城市污水處理能力=城市污水日處理能力×365。

7）城鎮水資源供需系統總方程：由各系統方程可以得出城鎮水資源供需系統的總方程。用水需求總量=農業水資源需求量+工業水資源需求量+生活水資源需求量；生活水資源需求量包含了生活水資源總量與生態水資源需求總量；水資源平衡指數=水資源需求總量/可供水總量。

基于楊開宇[13]的算法，引入水資源供需平衡指數，用以反映城鎮水資源的滿足程度。若平衡系數小于或等于1，則表明水資源供給滿足城鎮需求；反之，若平衡系數大于1，則表明水資源不能滿足城鎮需求。

2 模型的結果檢驗與分析

城鎮水資源供需的系統動力學模型中的相關參數的確定根據《中國統計年鑒》、《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》、《中國水資源公報》、《工業轉型升級規劃》以及相關網站發布的關于2008～2014年的相關數據，利用算術平均值法與趨勢外推法確定，并以此預測2008～2020年城鎮水資源供需情況。另一方面，基于模型主要研究的水資源供需的系統動力學問題，結合既定的四大子系統，選取農業水資源需求總量、工業水資源需求總量、生活與生態水資源需求總量4個變量，以2008年為基準年，模擬出2008～2014年的水資源數據并與實際值進行對比，用于檢驗模型的可靠性。結果見表1。

實際數據對比檢驗全部滿足誤差小于5%，即證明模擬值較為可靠。故可用上述數據進行系統動力學的仿真模擬對未來城鎮水資源供需系統加以說明與預測，其運行結果如表2所示。人口規模每增長0.72%，則人均工業增加值就會增長約8%，這就表明人口紅利拉動了經濟與城鎮化的發展。同時，到2020年，水資源供需平衡指數約為1.108>1.000，這就表明城鎮水資源供需系統缺水率約為10.8%，處于高度缺水狀態，這就會對城鎮化的進行構成潛在危險。綜上所述，中國城鎮水資源供給的系統存在著一定的弊端，而這種弊端有可能導致在未來可預見的時間里，將面臨著較為嚴重的水資源匱乏顯現，隨著城鎮化進程的深化，水資源流轉也會越發的明顯。

3 政策建議

1）城鎮水資源供需平衡涉及到社會生產與生活的諸多方面，表現出極為復雜的關聯性，解決城鎮水資源供給的緊張局面要從多方面入手，全局把控，以達到支撐中國城鎮化進程的最終目的。在處理水資源供需問題上不能僅考慮經濟利益，城鎮水資源供需問題涉及到社會生活、經濟生活、環境、生態等多方面因素。因此，需要從產業間，區域間有步驟地漸進式改善水資源的供需問題，以避免產業部門與區域間為爭奪水資源而引發的不良競爭行為，進而充分發揮水資源作為城鎮化進程的核心基礎性資源的價值。

2）水資源基礎設施的落后會導致城鎮化進程缺少調配水資源的物質基礎，進而影響城鎮化進程的深化發展。水資源的有效供給需考慮到產業與區域。減少水資源過剩的產業（區域）供給，同時增加水資源匱乏的產業（區域）供給，這都需要大量的引水工程作為物質基礎；產業與區域對于水資源利用效率的低下亦會造成大量的水資源浪費。因而，通過建造更多更好的節水、引水工程可以有效為水資源的產業與區域間調配提供物質基礎，對城鎮化進程起到保障作用。

3）水資源管理體制的缺失與城鎮居民水資源安全意識的淡薄會給水資源的供需系統造成潛在的負面影響。水資源供需要在政策上加以保障，完善用水額度和稅費標準法律規范與水資源流轉供給下的農業補償機制。現行體制下未對水資源浪費的部門或區域加以嚴格的懲罰措施，這就很難有效形成城鎮居民的節水意識。雖然近些年建立了水資源有償使用制度、水利投資體制改革、實行水價聽證等，但水資源管理體制與節水意識的養成還需要持續灌輸以達到期望的效果。

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