基于宏觀經濟模型和系統動力學的張掖盆地水資源供需研究

秦歡歡， 鄭春苗

(1.東華理工大學 省部共建核資源與環境教育部重點實驗室培育基地， 江西 南昌330013； 2.南方科技大學 環境科學與工程學院， 廣東 深圳 518055)

1 研究背景

人類長期以來對水資源的浪費、污染及不合理利用與管理，導致水資源供需矛盾日益嚴峻，水資源短缺已成為制約中國社會可持續發展最重要的因素之一[1-5]。中國已被聯合國列為13個貧水國家之一[6]，中國水資源安全形勢嚴峻，水資源供需矛盾突出[7]。中國乃至世界的水資源供需矛盾將隨人口與經濟的增長進一步加劇，正如聯合國在1997年《對世界淡水資源的全面評價》報告中指出的：“缺水問題將嚴重制約21世紀經濟和社會的發展，并可能導致國家間的沖突”[8]。因此，為加強水資源管理、維持水資源可持續發展，必須針對區域需水量進行準確合理的預測，掌握區域水資源的需求狀況，科學評價區域水資源的供需平衡，有針對性地采取“開源”與“節流”相結合的方式，有效地保證水資源的可持續利用與管理，進而保證社會經濟健康、可持續發展。

需水量預測是水資源規劃與供水系統優化調度管理的重要組成部分，準確合理預測需水量在解決水資源短缺問題中發揮著決定性的作用[9-10]。黑河中游張掖盆地集中了全流域88.47%的人口和87.93%的GDP，是干旱半干旱流域的典型代表，具有晝夜溫差大、降雨量小(年均降雨量僅190 mm)、蒸發量大(平均潛在蒸散發為1 325 mm)等特點[11-12]。隨著社會經濟的發展，張掖盆地的水資源利用量飛速增長，水資源承載能力逐漸不足。因此，只有在充分掌握需水量發展趨勢的基礎上，才能采取更有針對性的措施，保障張掖盆地水資源承載力，保證社會經濟與生態環境的和諧發展。

然而，傳統的需水量預測方法依賴于歷史數據來建立需水量和相關因素之間的定量關系[13-14]，忽略了需水量預測中的宏觀經濟、社會、技術和工程等因素之間相互影響、相互反饋的關系，無法捕獲需水量的系統行為[15]。系統動力學(System Dynamics，SD)是美國麻省理工學院福瑞斯特教授于1958年為分析生產管理及庫存管理等企業問題而提出的系統仿真方法。SD是一門分析研究信息反饋系統的學科，也是一門認識系統問題和解決系統問題的交叉綜合學科。它基于系統論，吸收了控制論、信息論的精髓，是一門綜合自然科學和社會科學的橫向學科[16-17]。系統動力學方法和宏觀經濟因素相結合，綜合了社會經濟因素和區域水文過程，為需水量預測提供了一個新的系統思路，能較準確預測需水量，為決策者處理水資源可持續利用問題提供科學的依據和建議。

近些年，尤其是2000年國家實施分水政策以來，黑河流域引起了眾多專家和學者的關注，做了大量的研究工作。其中針對張掖盆地的研究，主要集中在土地利用、景觀格局、水資源、植被覆蓋和沙漠化與綠洲化等方面[18-22]。毛彥成等[19]分析了張掖市甘州區土地利用/覆被變化的社會經濟與自然驅動力，認為綠洲土地利用/覆被變化驅動力因子具有綜合性與復雜性，其中社會經濟驅動力在甘州區LUCC(Land-Use and Land-Cover Change)中起到主導作用，自然驅動力相對來說作用較小。石敏俊等[21]通過分析張掖市水資源供需時空變化及影響因素，揭示了黑河分水后張掖市水資源供需格局變化的驅動因素及經濟學機制。總體而言，目前針對黑河中游需水量預測的研究，并沒有系統考慮影響需水量的社會經濟、工程技術等因素，沒能在一個模型中定量模擬這些因素及其之間相互作用、相互反饋的關系，因而這些研究都有一定的局限性。

本文以張掖盆地為研究區域，定量化考慮影響需水量的各種因素，構建張掖盆地水資源需求系統動力學模型，采用情景分析法，對張掖盆地各部門的需水量進行預測，研究不同情景下張掖盆地水資源供需平衡問題，據此提出緩解張掖盆地水資源供需矛盾的發展情景，為決策者提供科學可靠的依據和參考。

2 研究區域與研究方法

2.1 研究區概況

張掖盆地(圖1)位于河西走廊中段、黑河中游，農牧業開發歷史悠久，享有“金張掖”之美譽，面積近9 000 km2，東起民樂永固隆起，西止于清水-鹽池斷陷盆地，與酒泉盆地相接。南北夾于祁連山和合黎山、龍首山之間，是一個沿SE-NW向展布的半封閉大型山間斷陷盆地[23-24]。從地貌上看，研究區屬流域中游走廊平原，包括盆地南部由黑河、梨園河等河流沖積形成的山前傾斜礫石平原，中部沖洪積細土平原及北部龍首山山前緩傾斜戈壁平原，是重要的農耕區。研究區2012年人口約127×104，約占全流域人口的88%，其中農牧民人口92.3×104，GDP總額約266×108元，約占全流域GDP的72%，大牲畜91.3×104頭，羊285.9×104只，豬146×104頭，家禽1087.7×104只，農田面積17.33×104hm2，糧食總產量90×104t。

圖1 研究區概況圖

2.2 研究方法

需水量分為生活需水量(Domestic Water Demand，DWD)、工業需水量(IndustrialWaterDemand，IWD)、灌溉需水量(IrrigationWaterDemand，IrrWD)、牲畜需水量(LivestockWaterDemand，LWD)、林漁需水量(ForestryandFisheryWaterDemand，FFWD)和環境需水量(EnvironmentalWaterDemand，EWD)。其中LWD采用用水定額法計算，FFWD和EWD是輸入變量，DWD、IWD和IrrWD采用基于宏觀經濟模型的方法計算。

(1)生活需水量。DWD的預測與人口及人均收入增長有關：

(1)

式中：φDWD是生活需水量年增長率;φT_Pop是總人口年增長率;φGDPC是人均國內生產總值(GDPC，GDP per capita)年增長率;ηDWD是生活需水量收入彈性，衡量居民用水量隨人均收入增加而改變的傾向性，用來捕捉由于技術和管理的變化而對生活用水所產生的直接收入影響及節水效應；DWD(t)和DWD(t-Δt)分別是t及t-Δt時刻的生活需水量，m3;Δt是時間步長，a;φDWD(t-Δt)是t-Δt時刻的生活需水量年增長率。

(2)工業需水量。IWD的預測取決于收入和用水技術的進步，與此相關的是工業需水強度(IWDI，industrial water demand intensity)，由Cai Ximing等[25]及World Bank[26]根據歷史數據回歸而得到：

(2)

式中：IWDI為工業需水強度，m3/104元；IWD為工業需水量，m3； GDP為國內生產總值，104元；IWP為工業水價，元/m3；IWPE為工業水價彈性；GDPC為人均GDP,104元；T為是時間變量，a,1995年T設為95，2000年T設為100，之后按線性關系外推;α為回歸關系的截距,m3/104元;βIWD為收入系數,(m3·人)/(104元)2，反映工業需水強度如何隨人均GDP的變化而變化;γ為時間系數,m3/(104元·a)，反映用水技術隨技術進步而產生的變化。

(3)灌溉需水量。IrrWD指根據作物的水文及農學特征來計算的作物需水量：

(3)

式中：cp為作物指數，表示有多少種作物；st為作物生長階段指數，表示作物從播種到收獲共有多少個階段；kc為作物指數；A為作物面積，hm2；ET0為參考蒸散發，mm/d；LR為鹽分浸出因素，一般由土壤鹽度和灌溉水鹽度來刻畫，通常取值為灌溉水量的10%～15%；BE為流域效率系數；ER為有效降水，mm；NIrrWD為作物凈灌溉需水量，m3。

ER是指下滲到根區且可被作物利用的降水，取決于總降水、土壤含水量、作物參考蒸散發和土壤性質，可按美國農業部推薦的方法計算：

(4)

式中：TR是總降水量，mm；ER*是中間量，mm；ETc是作物蒸散發，mm。

3 張掖盆地水資源供需模型

3.1 概念模型

圖2是張掖盆地水資源系統概念模型圖，表達了供需水之間的定性關系。需水系統由農業、生活、工業、環境與林漁需水組成，農業需水受氣象條件、灌溉面積、牲畜數量及用水定額的影響，生活需水由總人口及人口的用水習慣決定，工業需水取決于工業總產值和用水技術。供水系統由地表水、地下水及污廢水回用組成，水資源現狀決定了地表水和地下水可供水量，污廢水處理與回用技術決定了其回用量。供需不平衡會造成缺水問題，而缺水在一定程度上影響農業、生活和工業需水。缺水程度可以反映張掖盆地水資源短缺的嚴重程度，以定量的方式衡量張掖盆地水資源利用狀況。

3.2 模型的系統流圖

系統流圖是系統動力學基本變量和符號的有機組合[27]，根據系統內部各因素之間因果關系設計流圖，可將系統內部各因果關系中未能反映出來的不同變量的性質和特點反映出來，通過流圖中關系的定量化就能達到政策模擬的目的。張掖盆地水資源系統是一個復雜系統，與人口、經濟、社會等因素關系密切，因此把它劃分為人口、農業、工業、水環境和水資源5個子系統，各子系統相互聯系、相互影響，共同構成了張掖盆地的水資源系統(圖3)。

圖2 張掖盆地水資源系統概念模型

圖3 張掖盆地SD模型流圖

3.3 模型的設定與校準

本文的研究區是張掖盆地，包括5個區縣(甘州、民樂、臨澤、高臺和山丹)。模擬時間(2000-2050年)分為校準階段(2000-2012年)和預測階段(2013-2050年)，前者對模型進行校準，獲得模型參數，以供后者使用；后者利用前者獲得的參數，對研究區需水量進行預測；時間步長和結果的輸出間隔都是1a。模型中參數的種類有常數、表函數和初始值，估計方法有：(1)經調查獲得第一手材料；(2)從部分變量間關系中確定；(3)分析已掌握的系統知識估計；(4)根據模型的參考行為特性估計。表1是模型校準階段的常數和初始值。

表2是主要流位變量的校準結果，對于絕大多數年份，流位變量的相對誤差均小于5%，說明校準是比較成功的，結果能比較準確刻畫模型的系統行為。圖4是生活、工業、牲畜和灌溉需水量的模擬結果與歷史數據比較圖。總體來說，除灌溉需水量外，其余需水量模擬結果與歷史數據擬合較好，但在某些年份這二者還存在差異。生活、工業及牲畜需水量占比較小，且均表現出增長趨勢，這與研究區社會經濟發展的客觀情況相吻合。而灌溉需水量則受到氣象條件、灌溉方式影響，表現出一定的波動性，模擬結果與歷史數據還有一定的差異，但模擬結果能刻畫出灌溉需水量的變化趨勢。

表1 模型中參數的常數值和初始值

表2 主要流位變量的校準結果 106人，104元，頭，%

總體來說，將這4者與環境、林漁需水量相加，總需水量模擬結果與歷史數據吻合較好，說明模型是有效的，能較準確刻畫、模擬研究區的系統行為，可用于下一階段的預測。

4 結果與分析

4.1 情景設計

在進行情景設計之前，必須提煉出合理的假設條件：(1)氣象數據以2000-2012年的歷史數據為基礎，采用重復使用的形式，生成2013-2050年的數據；(2)牲畜和作物的種類保持不變；(3)各作物生長過程保持不變，各作物的面積采用2012年的值且保持不變，各牲畜用水定額也保持不變；(4)2012年的模擬結果作為情景分析的初始輸入數據。在此基礎上，本文設計了5類情景：

(1)S1：現狀保持型。S1假設常參數保持和校準階段相同，表函數則根據現狀階段系統的結構和發展政策，假設有一個適度的發展趨勢。根據研究區實際狀況，2030和2050年的經濟增長率分別設定為5%和3%，城鎮化率分別設定為55%和70%，總人口增長率分別設定為2‰和1‰。

(2)S2：經濟發展型。S2假設經濟發展是未來的重中之重，GDP增速保持較高水平，人口增長也有相應的提高。2030和2050年GDP增速設定為10%和12%，總人口增速設定為5‰和7‰，其余參數保持和S1相同。

(3)S3：城鎮化發展型。在“一帶一路”倡議下，地處“絲綢之路經濟帶”的張掖盆地，必將迎來社會經濟全面發展的良機，而在此過程中，城鎮化必然是社會各界及政府決策層討論的熱點。城鎮化的加快，將使很大一部分農業用地轉變為工業及生活、居住用地，由此帶來農業需水量的減少及工業、生活需水量的增加。S3將作物面積各減少30%，2030和2050年GDP增速設定為7%和10%，總人口增速設定為5‰和7‰，其余參數保持和S1相同。

(4)S4：水資源節約型。S4主要從節約用水、采取節水措施的角度來進行預測，將4種牲畜的用水定額均減少40%，其余參數保持和S1相同。

(5)S5：可持續發展型。S5同時考慮經濟發展、“一帶一路”倡議下的城鎮化加速、水資源節約措施的實施。具體來說，2030和2050年GDP增速設定為7%和10%，總人口增速設定為4.5‰和6.0‰，作物面積各減少30%，4種牲畜的用水定額均減少40%，其余參數保持和S1相同。

4.2 模擬結果分析

需水量是模型中最重要的模擬結果，預測期內各種情景下生活和工業需水量均呈現增長趨勢，而農業需水量呈現隨氣象條件變化而變化的波動性，受此影響，總需水量也呈現類似波動性。總需水量大小關系是S2>S1>S4>S3>S5，即S5所需用來支撐社會經濟發展的水最少，而S2則最多。到2050年，S2的生活和工業需水量分別為0.98×108和6.99×108m3，在所有情景中最大；S4的生活和工業需水量分別為0.72×108和2.59×108m3，在所有情景中最小，而S5結果處于中間水平。預測期內平均來說(圖5)，S1的生活、工業、農業和總需水量分別為0.62×108、1.75×108、26.21×108和28.58×108m3，S2的相應結果分別為0.69×108、3.24×108、26.21×108和30.14×108m3，S3的相應結果分別為0.65×108、2.15×108、19.51×108和22.31×108m3，S4的相應結果分別為0.62×108、1.71×108、25.77×108和28.10×108m3，S5的相應結果分別為0.64×108、2.16×108、19.07×108和21.87×108m3。

圖5 預測期內5種情景下的平均需水量

農業是張掖盆地最主要的用水部門，圖6列出了5種情景下2013-2050年生活、工業和農業需水量占總需水量的比例。從圖6中可看出，農業需水量所占比重呈下降趨勢，而生活和工業需水量所占比重則呈上升趨勢。S1～S5下，生活需水量所占比重的平均值分別為2.24%、2.33%、2.97%、2.28%和3.03%，工業需水量的該值分別為6.26%、10.42%、9.57%、6.23%和9.86%，而農業需水量的該值分別為91.50%、87.25%、87.46%、91.49%和87.11%。預測末期相比于初期，3種需水量所占比重的變化率是不同的：從S1到S5，生活需水量所占比重變化率分別是40.88%、62.58%、90.28%、43.09%和92.73%，工業需水量的該值分別是320.20%、845.44%813.37%、315.24%和841.70%，而農業需水量的該值分別是-8.5%、-21.63%、-21.39%、-8.57%和-22.43%。這說明了農業需水量所占比重在下降，而生活和工業需水量所占比重則在上升。

缺水指數是缺水量與總需水量之比，衡量缺水量占總需水量的比值，其值為正說明存在缺水問題，大小表示缺水的嚴重程度；而若不存在缺水，則其值為零。圖7列出了2013-2050年各情景下的缺水指數，從圖7中可看出，缺水指數曲線呈現出與總需水量類似的波動性，各情景下缺水指數大小總體的關系為S2>S1>S4>S3>S5，S5具有最小的缺水指數。表3統計了5種情景下缺水的年數及相關數據，可看出，S1～S5中缺水年數分別為34、35、12、32和12，占總模擬年數的比重分別為89.5%、92.1%、31.6%、84.2%和31.6%，即S1下有89.5%的時間是缺水的，而S5下只有31.6%的時間是缺水的，相比而言下降了58%。由于灌溉需水量計算受氣象條件制約，農業需水量總是會表現出較大波動性，導致需要徹底解決缺水問題幾乎不可能。因此，能大幅減少缺水的時間，是非常令人興奮的結果。同時從表3可看出，S1～S5下缺水年份的平均缺水量分別是6.66×108、7.64×108、4.50×108、6.58×108和4.03×108m3，相應的缺水指數分別是0.2019、0.2217、0.1559、0.2008和0.1413，S5的缺水量和缺水指數均是最小的。雖無法徹底解決缺水問題，但S5較好地降低了缺水的程度，將缺水的影響降到了最低。

綜上所述，在預測期內S5每年平均需水量為21.87×108m3，小于其余情景(分別為28.58×108、30.14×108、22.31×108及28.10×108m3)；農業需水所占比重為87.11%，小于其余情景(分別為91.50%、87.25%、87.46%和91.49%)；缺水時間占比為31.6%，缺水年平均缺水量為4.03×108m3，缺水年平均缺水指數為0.1413，這幾項與缺水有關的指標均是5種情景里最低的。綜合比較來看，綜合考慮社會經濟發展、“一帶一路”倡議下城鎮化的影響和水資源節約的情景S5，是最符合可持續發展內涵和原則的情景，也是研究區在未來應該采取的發展方案。

圖6 2013-2050年各種情景下生活、工業和農業需水量占總需水量的比例

圖7 2013-2050年預測期內各情景下的缺水指數

項目S1S2S3S4S5預測年數3838383838缺水年數3435123212缺水年數占預測年數比例/%89.592.131.684.231.6缺水年平均缺水量/108m36.667.644.506.584.03缺水年平均缺水指數0.20190.22170.15590.20080.1413

張掖盆地地處西北干旱半干旱區，降水量少、蒸發量大導致的缺水問題會極大制約當地社會經濟的發展。“一帶一路”倡議的提出和國家相關扶持政策的出臺，給張掖盆地各區縣提供了良好的發展機遇。在現有水資源的狀況下，一味發展經濟而不顧水資源的承載能力，必然是不可持續的，也與黨中央的政策初衷相違背。張掖盆地未來發展模式的選擇，既要考慮經濟的發展速度和規模，又要保護水資源等自然資源。本文中的情景S5既保證了人口和經濟有一個適當的增速，又采取了一定措施來保護水資源，可極大減緩缺水程度及影響，是符合可持續發展理念和內涵的發展模式，適合研究區未來的發展，可以給政策制定者提供科學有效的參考。

5 結 論

地處西北干旱半干旱區的張掖盆地的發展，受到水資源的制約。對于未來需水量的預測和缺水問題的研究，是解決張掖盆地水資源可持續發展的重要和有效途徑。

本文通過將系統動力學方法和宏觀經濟模型相結合，細化了需水量的計算方法，在此基礎上建立張掖盆地水資源利用系統動力學模型。對該模型進行了定量化的處理，獲得了模型中各變量之間的定量化方程。通過對各情景模擬結果的比較和分析，選出最符合可持續發展內涵的原則的發展情景，為政策制定者提供科學有效的參考。本文主要得出以下幾點結論：

(1)基于宏觀經濟模型的需水量計算方法考慮了影響需水量的各種社會經濟因素，將它與系統動力學方法結合，能更好地刻畫研究區的系統行為，準確合理地預測未來的需水量。

(2)伴隨著社會經濟的發展，張掖盆地需水量會越來越大。預測期內(2013-2050)，5種情景(S1～S5)下每年平均總需水量分別是28.58×108、30.14×108、22.31×108、28.10×108和21.87×108m3，缺水時間占總時間的比例分別為89.5%、92.1%、31.6%、84.2%和31.6%，缺水年的平均缺水量分別為6.66×108、7.64×108、4.50×108、6.58×108和4.03×108m3，缺水年的平均缺水指數分別為0.2019、0.2217、0.1559、0.2008和0.1413。因此，綜合考慮經濟社會發展、城鎮化的影響和水資源節約的情景S5是最符合可持續發展內涵和原則的情景，是研究區未來應該采取的發展方案。研究區的決策者在制定經濟社會發展及水資源保護等政策時，應該考慮情景S5所提出的方案。

(3)水資源的可持續發展，不僅需要政府的政策引導，更需要社會公眾的參與。政府在“開源”方面的作用比較大，而公眾則更多地充當“節流”的主力軍。只有政府與公眾的協調一致，才能保證水資源和經濟社會的可持續發展。

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