基于系統動力學的天山北坡城市群水資源優化配置研究

(新疆維吾爾自治區水資源中心，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆是我國典型的干旱區和半干旱區，降水稀少，蒸發強烈，城鎮化進程面臨著水資源約束的瓶頸問題。根據2016年《新疆水資源公報》，全疆經濟社會用水總量565.38億m3，其中農業用水533.26億m3，占總用水量的94.3%；農業用水比重過大，擠占了工業、城鎮生活和生態用水。天山北坡城市群是新疆人口與經濟活動最為密集的區域，是干旱區人地關系最為敏感、水資源壓力日益突出的典型區域，歷來是學者們關注的重點區域。烏魯木齊市、石河子市、吐魯番市、昌吉市和阜康市等城市地下水開發利用量占總用水量的30%以上，引發了地下水位持續下降、土地沙化、荒漠化加劇、草原品質下降等生態問題。因此，對天山北坡城市群進行水資源優化配置，確保其城鎮化進程顯得尤為迫切。

1 水資源配置研究概述

自20世紀40年代Masse提出水庫優化調度問題后，各專家學者開始關注水資源配置問題[1]。20世紀70—90年代，水資源配置研究主要集中于水量配置[2]。21世紀以來，水資源配置的思路由單一部門單一目標向整體水資源系統多目標優化配置轉變，并涉及到研究水資源配置對水資源承載力的影響等方面[3]。水資源配置的研究方法也由數學規劃方法，擴展到使用模糊數學、熵權法、混沌理論等方法。艾立剛等[4]運用動態規劃方法，從用水量與經濟效益出發，分析某水庫水資源最優化分配的問題。盧興旺等[5]利用多目標決策中TOPSIS方法，對區域水資源配置的不同方案進行了綜合評價，得出最優配置方案。何國華等[6]建立基于熵權的水資源配置和諧性模糊綜合評價模型，評價西安市各縣區的水資源配置狀況。王建偉等[7]以寧夏石嘴山市為研究區，采用數學規劃方法，以農田灌溉水質要求、灌溉水量需求以及水資源管理用水紅線為約束條件，以取用引黃水量最小為目標函數，計算得出水資源優化配置的模式。曹麗娟等[8]運用主成分分析法對甘肅省水資源承載力從時間和空間兩個角度進行了綜合評價，得出水資源承載力的主要影響因子是經濟發展因子、人口因子、水資源供需平衡因子和農業生產用水因子。俞祎波等[9]通過分析水資源承載能力與水資源優化配置的基本內涵，計算了水資源配置后南京市的水資源承載能力狀況。李春梅等[10]采用改進的果蠅算法(FOA)對晉城市2020年20%、50%、75%和95%來水保證率的水資源進行了配置。陸曉等[11]運用改進的多目標布谷鳥算法(IMOCS)，引入混沌理論以保證初始種群的多樣性，將該方法運用于山西同朔供水區，為該區域水資源配置提供了一定的依據。

上述關于水資源配置的相關研究對本文提供了有益的參考。但由于水資源配置問題的動態性和復雜性，現有成果缺乏以不同社會經濟發展目標實現為基礎的多方案綜合比較。基于此，本文在分析天山北坡城市群用水現狀和特點的基礎上，根據系統動力學理論，構建天山北坡城市群經濟社會水資源配置的系統動力學模型，設置高、中、低3種水資源配置方案，對天山北坡城市群8座城市2017—2043年的經濟社會用水量進行計算機仿真預測分析，選出較優方案，從而深化了該問題的研究，并且得出的結論與實際更為接近。

2 系統仿真預測因果反饋圖中變量之間的關系

2.1 研究區域選擇

天山北坡城市群地處歐亞腹心地段，東起吐魯番，西至克拉瑪依，天山北坡城市群規劃(2016—2020年)范圍包括烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉、吐魯番、阜康、石河子、五家渠、奎屯、烏蘇9市。數據來源于各縣市歷年的《統計年鑒》和《水資源公報》，其中，五家渠市的城鎮化和水資源的相關數據缺失，難以獲取，因此本文以除五家渠市外的8市作為研究區域。

2.2 系統流圖的設計

系統動力學(System Dynamics，SD)可以很好地反饋系統內部要素的相互作用，借助計算機建模，完成對復雜問題的思考與研究，特別適合分析解決社會、經濟和生態等一系列非線性復雜大系統問題[12]。為深入研究天山北坡城市群水資源優化配置問題，構建區域水資源配置系統模型，進行計算機仿真分析。首先，構建區域水資源配置系統模型的核心是選擇狀態變量、速率、輔助變量及其結構，對輸入和輸出進行積累的變量就是狀態變量，狀態變量方程中代表輸入和輸出的變量是速率，即在反饋系統中，幫助建立速率方程的變量為速率[13]；然后，進行計算機仿真分析。經過分析天山北坡城市群水資源與經濟社會系統的關系，設計出天山北坡城市群水資源配置的系統仿真預測因果反饋圖，見圖1，圖中設有生活用水量、城鎮人均綠地面積等16個狀態變量。

圖1 區域水資源配置的系統仿真預測因果反饋圖

2.3 常量及變量之間的關系

2.3.1 常量的設定

常量均為天山北坡城市群8市2016年的現狀值。經濟數據來源于2017年新疆《統計年鑒》，水資源數據來源于2016年新疆《水資源公報》及天山北坡城市群8市《統計年鑒》，狀態變量的速率參考了8市的“國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要”。8市常量數值及狀態變量初始值見表1。

表1 2016年天山北坡城市群常量數值及狀態變量初始值

2.3.2 方案的設定

按照推動綠色發展，促進人與自然和諧共生的要求，統籌經濟社會發展用水和生態用水，根據水資源利用現狀、各縣市水資源管理的“三條紅線”目標、保障經濟發展和生態需水的優先性，設立水資源配置的3種方案:方案一，水資源配置維持現狀。人口增長率、種植業增速、工業增速和第三產業增速、灌溉定額等用水指標均按照2016年的現狀值，不作調整，城鎮化率每年按照一定的速度進行調整，其他變量正常。方案二，適度提高經濟發展用水效率，將節余的少量水資源用于生態用水。減少產業用水和城鎮用水，增加生態用水量。方案三，大幅提高經濟社會發展用水效率，將節余的大量水資源用于保障生態。降低人口增長、種植業增速、工業增速和第三產業增速的同時，調減灌溉定額和林地灌溉定額，提高有效灌溉系數和有效林灌系數，減少第一產業用水，調減工業用水定額和第三產業用水定額，減少三產用水；調減城鎮居民用水定額、綠化用水定額、公共用水定額等，減少城鎮用水；調減農村居民用水量大的奎屯市、烏蘇市的農村居民用水定額，減少農村居民用水量；增加生態用水量。3種方案的具體常量設定見表2。

表2 基于3種方案的天山北坡城市群的速率及增量值

2.3.3 變量之間的關系

第一產業用水量及增加值計算公式為

M有效灌溉面積=M耕地面積X有效灌溉系數

(1)

W種植業灌溉用水=M有效灌溉面積D灌溉定額

(2)

M林業有效灌溉面積=M林地面積X有效林灌系數

(3)

W林業用水量=D林灌定額M林業有效灌溉面積

(4)

W第一產業用水量=W種植業灌溉用水+W林業用水量

(5)

Z種植業增加值=M耕地面積Z畝均種植業增加值

(6)

Z第一產業增加值=Z種植業產值a第一產業增加值與種植業產值的比

(7)

工業用水量及增加值計算公式為

W工業用水量=W萬元工業增加值用水量Z工業增加值

(8)

(9)

第三產業用水量及增加值計算公式為

W第三產業用水量=W萬元第三產業增加值用水量Z第三產業增加值

(10)

城鎮用水量計算公式為

W城鎮居民生活用水量=W城鎮居民生活用水量定額P城鎮人口數

(11)

W城鎮公共用水量=D城鎮公共用水量定額P城鎮人口數

(12)

W城鎮綠化用水量=M城鎮人均綠地面積D綠化用水定額P城鎮人口數

(13)

W城鎮用水量=W城鎮居民生活用水量+W城鎮綠化用水量+W城鎮公共用水量

(14)

農村居民生活用水量計算公式為

W農村居民生活用水量=P農村人口數D農村居民用水定額

(15)

3 分析過程

根據區域水資源配置的系統仿真預測因果反饋圖(見圖1)，按照3種方案進行計算機仿真分析，得到2017—2043年天山北坡城市群8市的經濟社會用水量、第一產業用水量、工業用水量、第三產業用水量、城鎮用水量、農村居民生活用水量、生態用水量及地區生產總值的預測值，因篇幅有限，僅列出部分數值(見表3)。

方案一情景下，種植業、工業和第三產業按2016年發展速度發展，人口和城鎮化率也按2016年速度增長，耕地面積、農業灌溉定額、林地灌溉定額、有效灌溉系數、有效林灌系數、綠化用水定額、公共用水定額、城鎮居民用水定額、農村居民用水定額、萬元工業增加值用水量、萬元第三產業增加值用水量均保持2016年的數值不變，林地面積年均增加20畝。計算機仿真得出，8市經濟社會總用水量由2017年的55.8985億m3增加到2043年的60.055億m3，增加了4.1565億m3。該種情景下，隨著經濟社會用水總量的不斷增加，必須要加大跨區域調水量，否則無法推進城鎮化進程。該情景下，天山北坡城市群地區生產總值也增加較快，由2017年的4589億元，增加到2043年的40829億元，增加了八九倍。

方案二情景下，種植業、工業和第三產業增長按照2016年增長率設置，人口和城鎮化率也按2016年速度增長，耕地面積保持2016年的數值不變，逐年少量減少農業灌溉定額、林地灌溉定額、綠化用水定額、公共用水定額、城鎮居民用水定額、萬元工業增加值用水量，適度減少萬元第三產業增加值用水量，逐年增加有效灌溉系數、有效林灌系數，林地面積年均增加10畝，逐年減少奎屯市、烏蘇市農村居民用水定額(兩市農村居民用水量較大)，烏魯木齊等6市的農村居民用水定額仍保持2016年的數值。該方案情景下，8市的經濟社會總用水量由2017年的55.9600億m3增加到2043年的63.2200億m3，增加了7.2611億m3，較方案一多增加3.1046億m3；8市的地區生產總值與方案一的變化相同。在方案二情景下，保持經濟發展的同時，通過節約利用水資源，增加了生態環境用水量，但由于第一產業用水比重高，提高有效灌溉系數使第一產業用水量有增無減，8市經濟社會用水量持續增加，必須加大跨區域調水，才能保障城鎮化的可持續發展。

方案三情景下，降低種植業、工業和第三產業發展速度，適度降低人口增長率，耕地面積保持2016年的數值不變，與方案二相比，加大農業灌溉定額、林地灌溉定額、綠化用水定額、公共用水定額的逐年減少量，城鎮居民用水定額、萬元工業增加值用水量的減少量與方案二相同，適度減少萬元第三產業增加值用水量，逐年增加有效灌溉系數、有效林灌系數，林地面積年均增加20畝，逐年減少奎屯市、烏蘇市農村居民用水定額，烏魯木齊等6市的農村居民用水定額仍保持2016年的數值。該方案下，8市經濟社會用水總量經歷了先上升后下降的變化，由2017年的55.6858億m3下降到2043年的55.5382億m3，減少了0.1476億m3。8市的第三產業用水量、城鎮用水量和生態用水量呈不斷增加趨勢，第三產業用水總量由2017年的0.0532 億m3增加到2043年的0.2139億m3，城鎮用水總量由2017年的4.4915億m3增加到2043年的5.8869億m3，生態用水總量由2017年的2.7946億m3增加到2043年的3.8996 億m3。地區生產總值與方案一、方案二相比增速放緩，呈穩步增長趨勢，8市的地區生產總值的總和由2017年的4589億元增加到2043年的14858億元。在方案三情景下，不用實施跨區域調水，現有的水資源能夠滿足人口、經濟和生態可持續發展的需要，并且能夠節余部分水量，是一種可行的、優化的方案。

4 結論與建議

4.1 結論

本文利用系統動力學理論，構建區域經濟社會水資源配置的系統動力學模型，對天山北坡城市群8市的經濟社會水資源配置進行計算機仿真預測分析，對區域經濟社會水資源配置進行動態、模擬和優化研究，得出了如下結論：方案一，水資源配置維持現狀的情景下，將難以保證城鎮化用水需求；方案二，保持現有的經濟發展速度，適度調整用水方式，水資源仍難以保障城鎮化發展需求；方案三，大幅提升經濟社會發展用水效率，現有的水資源能夠保障城鎮化可持續發展的需要，該方案是天山北坡城市群水資源配置的較優方案。

4.2 建議

要解決天山北坡城市群經濟社會用水短缺和生態環境問題，實現區域城鎮化可持續發展，必須堅持以水定產、生態優先，從“立足新發展階段、貫徹新發展理念、構建新發展格局”角度出發。

a.保護好天山北坡城市群水生態。天山北坡城市群區域內有烏魯木齊河、水磨河、頭屯河、瑪納斯河、奎屯河、金溝河等河流，河流是區域重要的水資源儲備區和水源涵養區，河流水資源是區域經濟社會發展最為珍貴的資源，應繼續采取河長制，落實最嚴格的水資源管理制度，保護好河流的水生態。

b.構建有利于節約農業灌溉、工業和居民生活等用水的價格機制。低廉的水價是造成流域用水結構不合理和利用效率不高的根本原因，在水資源價格中要加入供水成本、生態用水等成本，使農業和工業用水價格調整至補償成本并合理盈利水平，使居民用水價格不低于成本水平，構建合理的水價體系，形成激勵節約利用水資源的價格體系。

c.大力推廣農業和工業節水技術。繼續發展高效節水農業，推行噴灌、微灌、滴灌等節水型灌溉形式，在灌區全面推廣渠道防滲技術，減少農業灌溉定額，提高農田灌溉水有效利用系數，減少農業用水。采取在水資源費、 超定額超計劃累進加價水費中安排一定比例的基金等方式，推進工業節水關鍵技術的研究及推廣，大力支持工業企業節水技術改造，減少工業用水量，提高工業用水效率。

d.加大雨水、生活污水和工業廢水的處理及回用。在烏魯木齊、昌吉、阜康和石河子等降雨量略多的城市，利用屋頂、道路、廣場等硬化地表匯集降雨，經過輸水、凈水、儲存等方式，建立雨水收集與利用系統，用于綠化灌溉及地下水源補給。加大投入，完善各城市污水深度處理設施，對生活污水和工業廢水進行集中處理，達到一定標準后用于城市綠化、車輛沖洗等，減少城市綠化用水、公共用水和居民生活用水。