基于系統動力學模型的江西省水資源承載力評價

宋世強,馮 倩,王萍根,唐郭豪,熊夏暉,計 勇

(南昌工程學院水利與生態工程學院,江西 南昌 330099)

隨著經濟社會的發展,用水矛盾日益突出,在對水資源進行規劃利用時,必須考慮水資源系統的承載能力[1-2]。對水資源承載力進行合理評價可為區域可持續發展提供參考及理論依據[3]。水資源利用率低、水環境惡化、洪澇災害等問題已成為制約江西省經濟發展的重要因素[4]。如何解決經濟社會發展與水環境之間的供需矛盾,加強水資源利用的管理,實現水資源與社會、經濟和環境的可持續發展,為江西省經濟快速發展和人民幸福生活提供全面保障,是當前迫切需要解決的重大問題[5]。合理評價水資源承載力可為江西省水資源的可持續利用和社會的可持續發展提供決策指導[4]。對于區域水資源承載力的評估,國外研究并不多,大部分將其歸入可持續發展研究中,較為廣泛地應用于土地、旅游、環境領域。在水資源領域的具體應用,國外往往以“水資源供需比(Ratio of Water Supply to Water Demand)”[6]、“可利用水量(Water Availability)”[7]等概念出現。中國對水資源承載能力的研究起步于20世紀80年代,以新疆水資源軟科學課題研究組[8]為代表從水資源開發利用角度提出了水資源承載力的模糊概念;直至1992年,施雅風等[9]將水資源承載力這一概念明確定義。目前國內外還沒有統一的區域承載力評估方法,常見的大致可以分為四大類:一是生態足跡法,生態足跡理論在20世紀90年代初由William E.Rees[10]提出,以用來評估目前人類活動的永續性,但由于各評價要素間信息雜糅與主觀性人為判斷的影響,使結果偏離了實際情況[11];二是綜合評價法,該方法采用具體的評價指標、評價標準及評價方法,對水資源承載力情況進行量化評價[12-14],但通常會忽略評價指標之間的耦合關系[15]。主要包括了綜合指標評價法[16]、投影尋蹤法[14]、成分分析法[17]、層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)[18]等;三是經驗估算法,該方法根據供需平衡、水熱平衡等基本原理,對承載力大小進行估計[19],但難以對調控方案提供有效的技術支撐[19]。現階段的經驗公式法主要有背景分析法[20]、常規趨勢法[21]、經驗公式法[21]等;四是復雜系統分析法,該方法將一個復雜系統基于社會經濟、資源環境等方面劃分為多個子系統,并根據子系統間的聯系,模擬水資源的變化趨勢。但存在方程和模型建立不夠準確的問題[22],需通過檢驗確定模型的準確性。主要包括系統動力學法(system dynamics,SD)[22]、控制目標反推模型[23]、優化模型法[24]。因此,水資源承載力的研究得到學術界的高度關注[25]。

本研究將系統動力學與層次分析法相結合,考慮了水資源承載力定量分析過程中,各評價指標間的耦合關系,單一評價方法的局限性,并通過歷史性檢測來驗證模型的有效性。系統動力學由美國麻省理工學院Forrester[6]提出,是一種通過計算機模擬技術與反饋控制理論相結合,定性并定量分析復雜非線性系統的方法。1980 年,英國學者Sleeser[26]綜合考量人口、資源、環境和發展之間的關系,提出了用系統動力學模型計算資源環境承載力的新方法。通過在一些國家和地區的實際應用,該模型在實踐中取得了良好的效果,并通過了聯合國開發計劃署的批準。隨著系統動力學理論體系及研究方法的成熟,它已被廣泛應用于水資源承載力的研究[7,27]。以系統動力學為基礎,建立了由4個子系統組成的SD模型,利用2013—2020年的經濟、人口、水環境及水資源數據對水資源承載力模型進行率定,對江西省4種發展情境下的水資源承載力發展趨勢進行系統評價,以期為該地區水資源可持續利用以及水資源政策的制定提供借鑒。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域概況

江西省位于中國的東南部,全省總面積16.69萬km2,地處北緯24°29′14″—30°04′43″與東經113°34′18″—118°28′56″,屬于典型的亞熱帶季風性濕潤氣候,全省雨量充沛,多年平均降水量為1 638 mm[5]。隨著經濟發展,水資短缺成為制約江西省可持續發展的重要因素[4]。據統計,江西省2020年地表水資源總量1 685.56億m3,全省用水總量244.12億m3,占全年水資源總量的14.5%。從用水結構來看,農業用水占66.3%,工業用水占20.6%,居民生活用水占9.0%,城鎮公共用水占2.8%,生態環境用水占1.3%。本文以江西省為研究區域,分析研究未來江西省水資源承載力。

1.2 系統動力學模型構建

1.2.1模型結構

水資源承載力模型中主要包括經濟子系統、人口子系統、水環境子系統及水資源子系統。其中,經濟子系統中包括各產業的GDP增長值與需水量;人口子系統包括農村與城鎮的常住人口數量及生活用水定額;水環境子系統包括生態需水量、污水排放量、污水回用率、污水回用量等;水資源子系統中包括系統的需水總量及供水總量。根據各子系統間的相互關系和反饋作用,基于Vensim PLE 7.3.5軟件將4個子系統相互鏈接,得到整體的江西省水資源承載力SD模型系統流圖,見圖1。

圖1 江西省水資源承載力系統動力學模型系統流圖

1.2.2數據來源

研究所選取的指標數據主要包括生態環境和經濟社會兩方面,具體數據來源參考《2013—2020江西省水資源公報》《2014—2021江西省統計年鑒》、DB 36/T 419—2017《江西省生活用水定額》等政府公開數據,此類數據被前人多次引用[28-29],具有一定的有效性及可靠性。

1.2.3模型參數

系統動力學模型未提供參數估算方法,需借助其他方法來合理估算模型中的相關變量。本研究在前人的基礎上,采用3種估算方法[30]:①均值法,計算歷史數據的多年均值來確定參數;②回歸分析法,對于具有線性相關性的變量,線性回歸歷史數據來確定變量的參數;③表函數法,對于不具備線性相關性的變量,采用Vensim PLE 7.3.5中的表函數來確定變量的參數。本系統中部分參數的估算方法見表1。

表1 部分參數估算方法

1.3 水資源承載力評價體系構建

1.3.1評價指標選取

水資源承載力具有社會和自然雙重屬性[31],結合江西省社會經濟發展和生態環境保護情況[5],遵循評價指標的選取原則[17],參考相關文獻中使用的高頻指標[32-33],分析影響水資源承載力的主要因素,合理構建了由水資源、生態環境、社會、經濟4個子系統15個評價指標組成的指標體系,見表2。指標體系中水資源子系統主要考慮區域供水能力、水資源開發利用程度及水資源再利用水平;生態環境子系統重點考慮生態環境用水情況、水資源污染狀況及水環境保護力度;社會子系統主要考慮區域社會發展水平及生活用水量;經濟子系統主要反映區域經濟發展及用水水平[22]。

表2 江西省水資源承載力評價指標體系

1.3.2評價指標的標準化

在水資源承載力預警評價體系中,評價指標的選取多來自社會、經濟、水環境、水資源等不同領域,他們的單位和數值都有較大差異,不能直接進行比較[34],需要將所選指標進行標準化處理,使指標數值經過標準化處理后都處在0～1。

在水資源承載力評價體系內部,各指標對水資源承載力具有不同的影響,對水資源承載力具有積極影響的指標稱之為正向指標(如水資源供需差、污水回用率等);對水資源承載力具有消極影響的指標稱之為負向指標(如生活污水排放量、工業用水量等);數值越接近均值,越有利于水資源承載力的提高的指標稱之為協調指標(如總人口)。正向指標、負向指標及協調指標的計算見式(1)—(3):

正向指標:

(1)

負向指標:

(2)

協調指標:

(3)

1.3.3水資源承載力量化

在完成各指標的標準化處理后,將所有指標的標準化數據加權求和,得到區域水資源承載力綜合指數為:

(4)

式中,Uj為水資源承載力,wi為指標i的權重。綜合前人研究成果,將水資源承載力綜合指數值劃分到0～1,數值越大,表明水資源承載狀況越好,可支撐的社會經濟發展規模越高[35-36]。借鑒前人研究[37-38],具體水資源承載力狀況分級情況見表3。

表3 水資源承載力狀況分級

2 系統動力學模型計算分析

2.1 模型檢驗

選取2013—2020年江西省的供水量、第三產業增加值、生活用水量、工業用水量、農業灌溉用水、漁畜用水量6個關鍵變量在模型中模擬出的數據與歷史真實數據對比,分析誤差大小,誤差在一定范圍內即認為模型可靠。由表4可知,誤差均在10%以內,準確度較高,通過歷史性檢驗,說明模型擬合符合要求,可以預測2013—2025年江西省的水資源承載力狀況[31]。

表4 歷史性檢驗結果

2.2 發展情境設計

本研究設計了4種經濟社會發展情境,通過分析4種情境下的區域水資源承載力發展狀況,進而尋求提高水資源承載力的政策或技術性措施及建議。

a)現狀型。假設到2025年江西省保持現有的發展狀況,則模型中的所有參數保持不變,應用該情境與其他情境進行比較。

b)高速發展型。優先發展經濟,提高經濟發展速率。工業、第三產業凈增率及灌溉面積均達到最高水平,但也形成巨大的水資源需求,包括工業用水、第三產業用水、農業用水及生活用水,經濟發展會帶動當地居民的收入,從而推動城鎮化發展。

c)節水治污型。基于節約水資源和生態環境改善,提高用水效率,加大環境保護治理力度。在該模式下減少居民及各行業的生活用水定額,提高污水處理率及污水回用量,減少高耗水產業的產業規模。

d)綜合發展型。同時考慮調整產業結構、節約用水、污染治理等措施,相關參數取值在前三種方案基礎上綜合調整,其中節水力度、污水治理程度參照節水治污型,灌溉面積增長情況參照高速發展型,經濟發展速度介于現狀型和節水治污型之間。

各個情境在參考前人研究的基礎上[27,39-41],結合近八年江西省政府公布的《江西省水資源公報》《江西省統計年鑒》,主要變量到預測期末的取值情況見表5。

2.3 模型預測結果

通過對4種情境進行參數設定,經過模擬得到最終結果,見圖2。

圖2 不同情境下主要變量模擬結果

a)在現狀型的情境下,2025年江西省的工業及第三產業產值比2020年增加2 481億、11 442億元,工業、第三產業、第一產業、生活的需水量比2020年增加1.3億、7.0億、4.0億、0.5億m3,總需水量增加了12.8億m3,水資源供需比將由2020年的0.91降低至2025年的0.85。

b)在高速發展型的情境下,經濟效益最顯著,到2025年工業及第三產業產值比現狀型增加4 214億、13 605億元;與此同時,用水壓力也大大提高,工業、第三產業、第一產業、生活的需水量比現狀型的情境下分別提高15.7億、13.8億、3.8億、4.7億m3,總需水量提高了38億m3,水資源供需比降低至0.77。

c)在節水治污型的情境下,需水總量將在2025年達到257.4億m3,比現狀型共降低26.5億m3,供需比達到0.92;工業增加值在現狀型的基礎上降低了1 050.6億元,但第三產業增加值未發生明顯變化。

d)在綜合發展型的情境下,到2025年需水總量比現狀型降低4.9億m3,工業增加值及第三產業增加值分別提高了1 133.8億、3 521.4億元,GDP增加值高于除高速發現型情境的其他情境;水資源供需比在2025年達到0.87,高于除節水治污型情境外的其他情境。

3 水資源承載力模型分析

3.1 水資源承載力模型構建

本研究通過Yahhp 10.1軟件構建以指標體系為基礎的層次結構模型。在李林漢等[34]的基礎上,結合江西省實際情況與指標的相對重要性,構建了判斷矩陣[32,42]。在判斷矩陣通過一致性檢驗后,通過軟件計算得到指標的權重,見表6。

表6 水資源承載力評價指標及權重

3.2 不同情境下的水資源承載力

雖然設計的發展情境與區域真實發展狀況并不完全一致,但通過研究不同發展情境下的區域水資源承載力變化趨勢,可以探索最適合江西省的發展模式[43]。根據前文介紹的方法,分別計算出4種發展情境下的江西省水資源承載力,見圖3。

圖3 不同情境下的江西省水資源承載力

在現狀型的發展情境下,預測期內的水資源承載力總體呈下降趨勢,由2020年的0.600 3下降至2025年的0.565 2,下降了5.85%,處于輕微超載狀態,說明當前江西省的經濟社會發展方式不符合可持續發展的要求,此結果符合江西省水資源利用率低、水環境惡化、洪澇災害嚴重的現狀;在高速發展情境下,預測期內的水資源承載力呈高速下降趨勢,由2020年的0.600 3下降至2025年的0.461 4,下降了23.14%,處于輕微超載狀態,且有向超載狀態發展的趨勢,對比現狀型的發展情境,此情境下江西省的水資源承載力愈加惡化,說明只追求經濟高速發展會對江西省水資源承載力造成巨大壓力;在節水治污情境下,區域水資源承載力總體呈上升趨勢,由2020年的0.600 3上升至2025年的0.692 3,上升了15.33%,處于臨界超載狀態;在綜合發展情境下,區域水資源承載力呈高速上升趨勢,由2020年的0.600 3上升至2025年的0.714 7,上升了19.06%,且有向不超載發展的趨勢,說明在節水治污及綜合發展情境均有利于江西省的經濟發展和水資源的可持續利用。

節水治污及綜合發展情境對水資源承載力均有明顯的改善作用,但節水治污情境下的江西省經濟社會發展無法得到充分滿足。綜合發展情境同時考慮了經濟社會發展及生態環境保護,且水資源承載力的提高量居于最高水平,所以是最適宜江西省的發展情境。在此情境下江西省整體水資源承載力水平得到改善,但局部水資源承載力的改善水平與整體存在差異。在局部區域或某時段內水資源承載力處于嚴重超載時,需借助水資源調度才能緩解用水情況,以保證江西省經濟、社會及生態的安全。

4 結論

鑒于江西省存在水資源時空分布不均及來水與用水不同步等問題,本文基于水資源承載力評價理論體系,將層次分析法與系統動力學模型相結合,對江西省水資源承載力進行有效評價。在模型中設置4種情境進行仿真,并選擇出最優發展情境。研究結論如下:①在現階段的發展趨勢下,未來的可供水資源量將無法滿足經濟社會的發展需求,水資源短缺問題愈發嚴重;②在采取節水治污情境時,用水負載力最小,在該方案下水資源供需情況得到了明顯改善,但經濟增長量遠小于現階段下的發展情境;③在采取高速發展情境時,經濟發展速度遠高于其他情境,但用水供需嚴重不平衡;④在采取綜合發展情境時,區域水資源承載力得到最大程度的改善,說明綜合發展型情境綜合考慮了區域經濟發展與生態環境保護,是符合江西省可持續發展的最優發展模式。

本文結合研究結論就江西省水資源規劃管理提出以下兩方面的建議:①優化調整產業結構布局,在水資源承載力基礎上確定發展規模;②從多方面綜合管理水資源,不僅要提高用水效率,還應加強污水處理能力。