水資源承載力系統動力學模擬及研究

徐凱莉，呂海深,2，朱永華,2

(1.河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

近年來，受到氣候變化、極端天氣以及人類活動的影響，水資源問題日益嚴重[1-3]，對于水資源承載力的相關研究受到廣泛關注[4]。水資源承載力指的是區域可供水量所能維持的最大人口和經濟規模[5]。當前，研究水資源承載力的學者中國內學者居多，相對而言國外學者更多是與可持續發展理論結合進行研究[6-7]。

王晶等[8]采用主成分分析法對新疆阿克蘇地區的水資源承載力進行了評價；范嘉煒等[9]采用子系統熵權法模擬分析了珠江三角洲各市的水資源承載力差異；Xin等[10]基于模糊綜合評價法，分析了菏澤市的水資源承載力。此外，生態足跡模型[11]和神經網絡模型[12]等新興方法也被應用到了水資源承載力的模擬中。但是，這些方法存在易受主觀性影響、不利于動態模擬、計算過程復雜、不利于可視化等缺點[13]。相比之下，系統動力學模型以流量存量圖的形式展現，使水資源系統之間的關系更加明確，這種模型消除了線性約束，借助對模型參數的動態調整來更好地模擬多要素影響下的水資源發展態勢，更易于實際應用操作[14-15]。因其將政策選擇、管理決策、社會參與等潛在要素納入考量，系統動力學模型已被大量應用于水資源承載力分析[16-17]。例如，Zhang等[18]基于系統動力學方法評估了四平地區能夠承載的最大人口和社會經濟規模；Yang等[19]將系統動力學方法和層次分析法結合，構建了西安水資源承載力的多標準評價體系和水資源可持續發展模型。

周口市作為河南省重要的農業區，可用水資源量十分有限，對水資源的管理十分重要[20]。目前針對周口市的已有相關研究[21-22]均未考慮社會經濟因素與水資源承載力間的動態響應，且未考慮引江濟淮這一開源工程。本文考慮了未來引江濟淮工程調水的影響，并細致的探討了不同的節水方案和調水方案下周口市的水資源承載力狀況；使用系統動力學方法建立了當地的水資源承載力預測動態模型，模擬了2018-2030年水資源承載力發展趨勢。通過本研究以期尋求解決周口市水資源供需矛盾的方法，為周口市的水資源管理和可持續發展政策的制定提供依據。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區概況

周口市位于河南省東部，面積11 959 km2，轄區內共有10個區縣，常住人口約868萬人。該市多年平均降水量為765.4 mm。2015年測得周口市水資源總量為21.91×108m3，人均248.7 m3，僅為河南省人均水資源量的1/2，約是全國水平的12%[21]。此外，當地社會經濟發展相對滯后，城鎮化率低，但農業相對發達，是我國重要的農業區。較大的農作物種植面積和較低的農業用水效率導致農業用水占比高達67%，這是導致周口市水資源供需矛盾的主要因素。自2018年起，周口市借助南水北調工程調水，以增加水資源供應。預計工程全線通水后，周口市將得到每年1.03×108m3的用水配額，但這依舊不足以解決當地的水資源短缺問題。目前該地區正在開展引江濟淮工程，預計2021年可為周口市供水。

2.2 數據來源

本研究在模型構建和有效性驗證中采用了周口市2010-2017年的人口、經濟、水資源資料，其中，人口資料來自《周口市統計年鑒》，經濟數據來源于《河南省統計年鑒》和《周口市統計年鑒》。此外，當地水資源相關數據取自《河南省水資源公報》。

2.3 研究方法

2.3.1 系統動力學原理 系統動力學方法通過建立仿真模型反饋復雜系統的結構和行為[23]。系統動力學模型往往由大量非線性微分方程組成，通過計算機仿真求解[15]。其中，模型的核心是被用于描述系統動態變化情況的狀態方程[15]，該方程可以表示為：

(1)

式中：Xi(t)為系統第i個狀態變量在t時間的值；Ri為速率變化向量；Ai為輔助向量；Ci為參數；f( )為向量值函數。

在模型應用中，方程式(1)被調整為以下格式進行迭代獲取數值解：

Xi(t+Δt)=Xi+f(Xi,Ri,Ai,Ci)Δt

(2)

式中：Δt為迭代的時間步長。

2.3.2 系統動力學模型構建 水資源承載力系統動力學預測模型建立前需劃定模型邊界，在邊界范圍內選取與水資源承載力有動態關系的影響因素，將這些因素作為重要變量引入模型[5]。本研究的空間邊界為周口市的行政邊界，迭代間隔為1 a，模擬了2010-2030年的承載力動態變化。在模型中，以2010年為基準，2010-2017年為歷史檢驗時段，2018-2030年為預測時段。

本研究通過對周口市水資源承載力系統進行分析，遴選出合適的模型變量，確立了社會經濟子系統、需水子系統、供水子系統共三大子系統，利用Vensim軟件構建了周口市水資源承載力模型。該模型基于現狀延續型、節水型、開源型、開源節流型4種情景，給出了周口市水資源承載力模擬結果。

社會經濟子系統主要受常住人口和第一、二、三產業增加值共4個方面的影響。其中，常住人口又分為城鎮人口和農村人口；第一、二、三產業增加值則由增長率控制。需水子系統考慮生活、農業、第二產業、第三產業和城市環境這5個方面的需水。供水子系統包括地表水資源、地下水資源、南水北調工程和引江濟淮工程這4個方面的供水。由于引江濟淮工程的供水量暫未公布，本研究假定了不同的供水方案。

通過對周口市水資源承載力影響要素的分析，遴選出了常住人口、第一、二、三產業增加值、大牲畜存量、小牲畜存量、農作物播種面積7個狀態變量，以及54個模型參數，繪制了周口市水資源承載力系統動力學模型流圖，見圖1。

圖1 周口市水資源承載力系統動力學模型流圖

2.3.3 情景方案設計 本研究設定了4種情景，通過模擬不同情景在2010-2030年的水資源承載力，尋找出現有社會經濟發展趨勢下，周口市水資源承載力的變化趨勢。

(1)現狀延續型情景。現狀延續型情景假設在預測期內，地區的發展規劃策略和產業結構均不會進行大的調整。相對于2010-2017年的數據，在該情景中城鎮化率、各方面增長率以及各類用水定額均維持不變或按照歷史趨勢變化。

(2)節水型情景。節水型情景是通過節約水資源來提高地區的水資源承載力。該情景又分為4個方案：一是農業灌溉節水，二是第二產業節水，三是城鄉生活和第三產業的節水，四是以上三者的綜合節水。4個方案中對應的用水定額各減少20%，分類探討各方面節水措施對周口市水資源承載力的改善效果。

(3)開源型情景。開源指得益于引江濟淮工程而增加的額外供水，由于周口市存在引江濟淮工程供水量這一不確定性因素，所以本研究設定了調水量分別為2×108、3×108和4×108m3這3種方案。

(4)開源節流型情景。此情景是節水型情景中的綜合節水方案和開源型情景的結合。

2.3.4 模型有效性驗證 模型的有效性驗證主要基于2010-2017年共8年的歷史數據進行，以歷史數據與模擬數據的相對誤差絕對值(ARE)表示，ARE的計算公式為：

(3)

選取常住人口、農作物播種面積、第一、二、三產業增加值和總用水量共6個變量進行模型歷史有效性檢驗，前5個變量代表了周口市社會經濟發展水平，總用水量代表了對水資源的需求程度，結果如圖2所示。從圖2可以看出，由模型模擬得出的6個變量值與實際值間的ARE均小于10%。由此可見，本研究確定的模型與現實情況的吻合程度良好，可信度高，可以用來模擬周口市的水資源承載力的未來發展情況。

圖2 歷史檢驗時段各變量模型模擬值與實際值的相對誤差絕對值

3 結果與分析

根據現有趨勢得出的2010-2030年周口市經濟社會指標發展狀況如圖3所示。

由圖3可以看出，如果周口市常住人口按現有趨勢減少，至2030年該市常住人口將減少到842萬人(圖3(a))。與此同時，城鎮化率會不斷提高，將于2030年達到60%。因為農業的發展空間及增長潛力較小，并且歷史數據表明2014-2017年的第一產業增加值已基本保持穩定，所以在預測年份令第一產業增加值大致保持為2017年的449×108元不變(圖3(b))。此外，第三產業增加值迅速增大，將自2025年起高于第二產業，2030年第二、三產業增加值將分別達到3 819×108和4 369×108元。

圖3 2010-2030年周口市經濟社會指標發展狀況

基于上述社會經濟發展趨勢，本研究模擬了4種情景下周口市水資源承載力的變化趨勢，如圖4所示，其中圖4(a)、4(b)為現狀延續型情景下的模擬結果；圖4(c)為節水型情景中4種節水方案的模擬結果與現狀延續型情景的對比，4(d)～4(f)分別為節水型情景、開源型情景、開源節水型情景與現狀延續型情景下的水資源供需比的對比。

圖4 2010-2030年周口市在4種情景下的需水總量及水資源供需比模擬結果

3.1 現狀延續型情景

在社會經濟發展的同時，如果保持現有供水能力和水資源利用效率不變，由圖4(a)可以看出，到2030年周口市需水總量將增加至26.12×108m3；由圖4(b)可以看出，不斷增長的用水需求會導致水資源供需比不斷降低。由于2018年南水北調工程開始為周口市供水1.3×108m3，所以水資源供需比有小幅增漲，但依舊滿足不了未來經濟社會發展帶來的用水需求的增長。在該情景下，2022年周口市的水資源將達到供不應求的狀態，到2030年水資源供需比將降低至0.82，周口市將有18%的用水得不到有效供給。

3.2 節水型情景

由圖4(c)和4(d)可以看出，4個節水方案中，綜合節水方案效果最優，2030年的模擬需水總量為21.18×108m3，與現狀延續情景下的模擬結果相比降低幅度明顯，并能在2030年之前始終維持水資源供大于求的情況。此外，因總用水量中農業用水量占的比例最大，所以灌溉節水方案僅次于綜合節水方案。灌溉節水方案下2030年模擬需水總量為23.74×108m3，該方案能將水資源供大于求的狀態維持到2027年。生活節水方案和第二產業節水方案對周口市現有水資源承載力發展趨勢的影響較小，均只能將水資源供不應求現象的出現延遲到2023年。4個節水方案下預測的2030年的水資源供需比由大到小分別為1.01、0.91、0.88和0.85。

3.3 開源型情景

由圖4(e)可以看出，引江濟淮工程的額外供水可以在很大程度上緩解當地的水資源矛盾。根據假設的2×108、3×108和4×108m3這3種調水量方案，可以分別將水資源供不應求情況的出現推遲至2026、2028和2029年，預測2030年的水資源供需比將分別達到0.90、0.94和0.96。后兩種調水量方案下的周口市水資源承載力均優于灌溉節水方案，并且接近于綜合節水方案，充分說明了引江濟淮工程開展的必要性。但是，僅依靠調水依然無法滿足周口市2030年左右的用水需求。

3.4 開源節流型情景

由圖4(f)可以看出，在綜合節水方案的基礎上，調水量分別為2×108、3×108和4×108m3時，至2030年分別可將周口市的水資源供需比提高到1.11、1.16和1.20，皆優于前兩種方案。

3.5 討 論

本研究的模擬結果表明，即使是借助工程措施從外界調水，到2030年也只能將周口市的水資源供需比提高到1.11～1.20。照此趨勢，之后的幾年依然會出現水資源供不應求的情況。因此，當地要更加注重用水需求方面的管理。雖然修建節水工程或引入節水措施會增加經濟支出，但有利于社會的長遠發展。

由于污水排放、處理以及重復利用的數據不足，本研究只模擬了周口市的社會經濟系統、需水系統和供水系統的響應，忽略了水資源的污染和污水的重復利用對水資源供需的影響。但是鑒于目前水資源的重復利用率不斷提高，今后的研究可以增加污水治理和回用子系統[14,19]。

此外，在氣候變化條件下極端天氣頻頻發生，對地表水資源量的年際分配有很大的影響。如何合理利用洪水資源以及如何應對極端干旱狀況可作為今后的重點研究方向[1]。

4 結 論

本研究選取了周口市水資源承載力的主要影響因素，使用系統動力學方法建立了水資源承載力預測模型，模擬了現狀延續型、節水型、開源型、開源節流型4種情景下周口市2018-2030年水資源承載力的發展趨勢。根據模擬結果，得到了以下結論：

(1)周口市面臨嚴峻的水資源短缺局面，若維持現狀不變，到2022年，周口市會陷入水資源供不應求的局面，到2030年，該市水資源需求的缺口將達到18%。

(2)如需在2030年前保持水資源可持續發展的局面，推進節水技術是必要選擇。周口市是農業用水占比極高的重要農業區，農業節水灌溉技術的推廣尤為重要，可以極大地提高周口市的水資源承載力水平。此外，還應加強工業節水，鼓勵節約生活用水，如此才能保證該地區的長遠發展。

(3)跨流域調水能夠大大提高周口市的水資源供給能力，不同的調水方案均能在一定程度上將水資源供不應求狀況延緩至2025年以后。因此，當地需加快推動引江濟淮工程的建設。

(4)節水與調水同步進行是最佳發展方案，在現有態勢下能夠極大地滿足發展需要，保證周口市資源承載力適應該市不斷發展的需求。通過雙管齊下，理想情況下可保證當地具有20%的水資源富余量，為2030年后的進一步發展保留可用的水資源空間。