基于SD模型的甘肅省水資源承載力及結構性需水預測

宗 鑫

（北方民族大學經濟學院，銀川 750021）

0 引 言

甘肅省作為我國西北內陸重要省區，70%的國土面積為干旱半干旱區，特殊的自然地理環境和氣候條件決定其是我國水資源最緊缺的區域之一，全省多年平均水資源總量為259 億m3，居全國倒數第四，人均和耕地平均水資源量分別是全國平均的1/2 和1/4。為貫徹落實習近平總書記視察甘肅重要講話及在黃河流域生態保護與高質量發展座談會上的重要講話精神，甘肅省立足省情水情，把水資源作為最大的剛性約束，從著力保障水資源安全等方面出發，分別制定了《甘肅省節水行動實施方案》、《甘肅省水安全保障規劃》，規劃了到2035年的節水目標及水安全保障目標。但從目前現狀看，水資源的供需矛盾比較突出，用水的結構不優、效率不高，仍加劇缺水形勢，致使水資源承載能力不足。為此，研究甘肅省水資源承載能力及結構性需水，為縮小水資源供需矛盾、改善用水結構、提升水資源使用效率、保障水安全等方面提供合理化建議則十分必要。

目前，關于水資源承載力的研究成果日益增多，其研究方法主要有生態足跡法［1］、主成分分析法［2］、BP 神經網絡模型［3］、常規趨勢法［4］、投影尋蹤方法［5］、模糊綜合評價法［6-10］、多目標分析決策法［11］、系統動力學方法［12-18］等。綜合對比以上方法，發現相較于其他方法或多或少具有靜態分析、未能全面反映因素間相互作用與制約關系、局限于單因素表現、主觀性等缺陷，系統動力學方法因具有多變量、非線性、高階次、多反饋的特點，可以較好地反映系統的各種因果反饋關系，不僅能夠對現狀進行評價，而且可以對未來的發展趨勢進行預測，還可以對不同的情景進行仿真模擬，從而優選出最佳的情景及相應的承載力狀態。

基于此，立足省情水情，把水資源作為最大的剛性約束，運用系統動力學方法，借助VensimPLE8.2.0 軟件，在構建甘肅省水資源承載力SD 模型的基礎上，對模型中影響經濟社會發展的主要決策變量進行調整，設計5種情景，分別對每種情景進行仿真預測，研究結果可以為甘肅省水資源可持續利用和水安全保障提供決策參考。

1 SD模型構建及數據來源

1.1 模型構建

1.1.1 模型構建基本框架

本系統共包含社會與水資源、經濟與水資源、環境與水資源3 個因果反饋關系。各子系統之間的相互作用關系及構建SD模型的基本框架如圖1所示。

1.1.2 模型邊界及因果反饋回路

借助VensimPLE8.2.0 軟件，以甘肅省行政區域為空間邊界，以2012-2035年為時間邊界，時間間隔為1年。在Vensim-PLE8.2.0 中繪制因果關系反饋回路圖（如圖2所示），有利于更加清楚模型中各變量之間的因果反饋關系。

1.1.3 模型系統流圖與主要方程

借助VensimPLE8.2.0軟件，繪制了甘肅省水資源承載力SD模型系統流圖（如圖3所示）。本系統中所包含的社會、經濟、環境3 個子系統共有85 個變量，其中包含10 個水平變量（L）、10個速率變量（R）、32 個輔助變量（A）和33 個表函數。各子系統中所包含的10個速率變量（R）和32個輔助變量（A）主要方程如表1所示。

表1 速率變量及輔助變量表Tab.1 Rate variable and auxiliary variable table

1.2 數據來源

數據均來源于2012-2018年《甘肅省水資源公報》、2013-2019年《甘肅統計年鑒》、2012-2018年甘肅省國民經濟與社會發展統計公報、《甘肅省行業用水定額（2017 版）》（甘政發［2017］45 號）、《甘肅省節水行動實施方案》（2019年12月24日）、《甘肅省水安全保障規劃》（甘政發［2020］30號）。

2 結果與分析

2.1 模型檢驗

2.1.1 結構性檢驗

借助VensimPLE8.2.0 軟件自帶的“Check Model”和“Unites Check”兩個功能，驗證結果顯示模型系統邊界、因果關系、結構流圖、方程式、量綱通過檢驗。

2.1.2 歷史性檢驗

選取2012-2018年甘肅省總人口數量、第一產業增加值、工業增加值、建筑業增加值、服務業增加值、供水總量6 個關鍵變量對模型進行歷史性檢驗，與2012-2018年七年的歷史數據進行對比（如表2所示），結果表明模擬值與實際值基本相符，6 個代表性變量誤差基本控制在±1%以內，精度較高，且二者變化趨勢基本一致，通過歷史性檢驗，說明模型有效，可以用來預測2018-2035年甘肅省的水資源承載力狀況。

表2 歷史性檢驗結果Tab.2 Historical test results

2.2 情景仿真模擬與預測

根據《甘肅省水安全保障規劃》（甘政發［2020］30號）（以下簡稱《規劃》）可知，預計到2035年甘肅省供水總量需達132.3億m3，其中本地地表水87.0 億m3、外調18.8 億m3、地下水21.1億m3、其他工程5.3 億m3，需水總量控制在141.7 億m3，水資源供需比達到0.933 7，要達到或接近此目標需對模型中的決策變量進行不同的設計，以明確社會、經濟、環境子系統與水資源之間的動態發展關系。

2.2.1 情景與方案設計

在2035年供水總量《規劃》目標既定和需水總量控制的情況下，模型選取2018年為初始年，通過情景設計，綜合對比不同情景，為甘肅省水資源可持續利用和水安全保障提供有力支撐。為此，設計了5種情景（如表3所示）。

表3 情景主要決策變量設置Tab.3 Setting of main decision variables in the model scenario

續表3 情景主要決策變量設置

（1）現狀型，假設到2035年甘肅省經濟社會發展的政策維持現狀，所有決策變量保持現有發展情況不變，初始值以2018年的參數值為基礎，進行2018-2035年的水資源承載力模擬仿真。

（2）發展型，在現狀型的基礎上，單純追求經濟社會發展，保持中高速發展，主要調整產業間增長比例，假設第一產業增加值增長率、工業增加值增長率、建筑業增加值增長率、服務業增加值增長率維持中高速發展，分別設定為8%、8%、9%、12%，并且設定人口增長率、城鎮化率、農田有效灌溉面積增長率、林果灌溉面積增長率、草場灌溉面積增長率、牲畜數量增長率、城鎮環境用水量、農村生態用水量到2035年均比2018年（現狀型）增加30%，魚塘補水面積增長率不變；同時，考慮生態環境保護需求，假設生活污水排放系數、工業廢水排放系數、生活污水COD 排放系數、工業廢水COD 排放系數均比2018年（現狀型）降低10%，污水廢水處理率達到98%，污水廢水處理回用率達到29%。

（3）節約型，在現狀型和發展型基礎上，既要考慮整個經濟社會中高速發展，又注重水資源保護與節約。因此，設定第一產業增加值增長率、工業增加值增長率、建筑業增加值增長率、服務業增加值增長率、人口增長率、城鎮化率與發展型保持一致，并且設定農田有效灌溉面積增長率、林果灌溉面積增長率、草場灌溉面積增長率、牲畜數量增長率、城鎮環境用水量、農村生態用水量到2035年均比2018年（現狀型）增加15%，魚塘補水面積增長率不變；在水資源保護與節約方面，設定城鎮人均生活用水定額、農村人均生活用水定額、農田灌溉用水定額、林果灌溉用水定額、草場灌溉用水定額、魚塘補水用水定額、牲畜頭均用水定額、萬元工業增加值用水量、萬元建筑業增加值用水量、萬元服務業增加值用水量均比2018年（現狀型）降低10%，同時設定生活污水排放系數、工業廢水排放系數、生活污水COD 排放系數、工業廢水COD 排放系數均比2018年（現狀型）降低20%，污水廢水處理率達到99%，污水廢水處理回用率達到38%。

綜合型，既要保持經濟發展的中高速、平穩發展，又要注重水資源的保護與節約、高效利用以及污水廢水回用量的增加，以此達到綜合協調發展的效果。

（4）綜合型1，綜合考慮發展型與節約型，綜合型1 下經濟社會發展的主要決策變量數值除第一產業增加值增長率、工業增加值增長率、建筑業增加值增長率、服務業增加值增長率分別降低到7%、7%、8%、11%外，人口增長率、城鎮化率、農田有效灌溉面積增長率、林果灌溉面積增長率、草場灌溉面積增長率、魚塘補水面積增長率、牲畜數量增長率、城鎮環境用水量、農村生態用水量與發展型保持一致；水資源保護與節約方面，城鎮人均生活用水定額、農村人均生活用水定額、農田灌溉用水定額、林果灌溉面積用水定額、草場灌溉用水定額、魚塘補水用水定額、牲畜頭均用水定額、萬元工業增加值用水量、萬元建筑業增加值用水量、萬元服務業增加值用水量、生活污水排放系數、工業廢水排放系數、生活污水COD 排放系數、工業廢水COD 排放系數、污水廢水處理率、污水廢水處理回用率與節約型保持一致。

（5）綜合型2，依據《規劃》目標，預計到2035年甘肅省常住人口將增加至約3 000 萬人，城鎮化率達到68%，工業增加值預計超過7 600 億元，農田灌溉用水量5 700 m3/hm2，農田退減灌溉面積4.47 萬hm2，新增林果面積8.33 萬hm2，萬元工業增加值用水量21 m3，城鎮人均生活用水定額38.325 m3，農村人均生活用水定額29.2 m3，再生水回用率超過30%，及其他《規劃》目標。為此，在綜合考慮現狀型、發展型、節約型、綜合型1 的基礎上，對所有決策變量數值又進一步做了相應調整。

2.2.2 情景模擬仿真結果

通過決策變量的設定與調整，可以得到五種情景下甘肅省2018-2035年水資源可承載經濟規模、供水總量、需水總量、水資源供需比、居民生活需水量、農田灌溉需水量、林牧漁畜需水量、工業需水量、城鎮公共需水量、生態環境需水量的變化趨勢圖（如圖4～6所示）。

（1）水資源可承載經濟規模。水資源可承載經濟規模越大說明承載能力越強，由圖4可知，五種情景2018-2035年承載能力均在增強。對比發現，到2035年，現狀型水資源可承載經濟規模達到22 018.6 億元；發展型水資源可承載經濟規模為21 316 億元，比現狀型減少了702.6 億元；節約型水資源可承載經濟規模為23 864.1 億元，均比現狀型和發展型有所改善；綜合型1 水資源可承載經濟規模達到22 406.6 億元，比現狀型、發展型承載規模大，但比節約型承載規模小1 457.5 億元；綜合型2 水資源可承載經濟規模達到25 757.6 億元，均比以上4 種情景好。

（2）水資源供需比。《規劃》預計到2035年供水總量需達132.3 億m3，圖5（a）顯示2018-2035年現狀型、發展型、節約型、綜合型1、綜合型2供水總量仿真預測值基本一致，且到2035年預測值分別為131.96、132.59、132.79、132.65、132.35 億m3，與《規劃》預計值基本接近。可以假定在供水總量目標確定的情況下，結合2018-2035年需水總量仿真預測值（到2035年現狀型、發展型、節約型、綜合型1、綜合型2 預測值分別為144.38、160.40、143.50、141.89、141.29 億m3），便可得到水資源供需比，其值大于1 說明供給大于需求，小于1 說明供給小于需求。由圖5（c）可知，甘肅省2018-2035年水資源供需比均小于1，說明水資源存在一定程度的供需矛盾，其中綜合型2供需矛盾最小，發展型供需矛盾最大。5 種情景中，綜合型2 變化趨勢均好于其余四種情景，并于2030年達到峰值0.989 0，到2035年達到0.936 8，與《規劃》預期目標0.933 7 較為接近。雖然，綜合型1到2035年達到0.934 9，與《規劃》預期目標值也比較接近，但其2018-2035年整體變化趨勢卻劣于綜合型2。

（3）結構性需水量。需水結構包含居民生活（城鎮、農村）、農田灌溉、林牧漁畜（林果、草場、魚塘、牲畜）、工業、城鎮公共（建筑業、服務業）、生態環境（城鎮環境、農村生態）6 個指標12個層面。由圖6可知，5種情景2018-2035年除農田灌溉需水量整體呈下降趨勢外，其余均呈不同幅度上升趨勢，其中現狀型生態環境需水量不變，各年均為4.673 億m3。

對比5 種情景，圖6（a）顯示綜合型2 居民生活需水量變化趨勢均高于其余4 種情景，到2035年達10.622 5 億m3，占需水總量7.52%，這與《規劃》預計到2035年總人口數量將達到3000萬人左右、城鎮化率達到68%、農村人均生活用水定額上浮至29.2 m3有關，其次為發展型，而現狀型、節約型、綜合型1 則最低，變化趨勢基本一致；圖6（b）顯示綜合型2 農田灌溉需水量變化趨勢及下降幅度最大，到2035年降至70.462 6 億m3，占需水總量49.87%，這與《規劃》農田灌溉用水定額降至5 700 m3/hm2，大力發展節水灌溉有關，其余4 種情景下降幅度均小于綜合型2；圖6（c）顯示綜合型2 林牧漁畜需水量從2026年開始呈顯著上升趨勢，到2035年增至25.169 3 億m3，占需水總量17.81%，這與《規劃》新增林果、魚塘補水面積有關，其余4 種情景上升幅度趨緩；圖6（d）顯示綜合型2 工業需水量變化趨勢及上升幅度最小，到2035年增至15.970 8 億m3，占需水總量11.30%，這與工業發展及《規劃》萬元工業增加值用水量降至21 m3，大力發展工業節水有關，其余四種情景上漲幅度均高于綜合型2；圖6（e）顯示城鎮公共需水量從2022年開始上升幅度均小于其余4 種情景，到2035年增至13.687 7 億m3，占需水總量9.69%，這同樣與建筑業和服務業大力發展節水有關；圖6（f）顯示綜合型2生態環境需水量變化趨勢及上升幅度與節約型一致，到2035年增至5.374 0 億m3，占需水總量3.80%，發展型、綜合型1 變化趨勢及上升幅度最大，趨于一致，而現狀型則維持2018年現狀不變。

整體上來看，綜合型2 中除農田灌溉需水量屬下降外，比2018年減少了21.827 7 億m3，其余五種結構性需水量均呈上漲趨勢，相比2018年居民生活、林牧漁畜、工業、城鎮公共、生態環境需水量分別增加了3.284 0、13.270 1、5.154 4、9.758 2、0.701 0億m3。按照占需水總量比例從大到小，依次為農田灌溉、林牧漁畜、工業、城鎮公共、居民生活、生態環境。

3 結 論

運用系統動力學方法，借助VensimPLE8.2.0 軟件，在構建甘肅省水資源承載力SD 模型的基礎上，設計了現狀型、發展型、節約型、綜合型1、綜合型2 五種情景，分別對每種情景進行仿真預測，研究結論如下：

第一，現狀型、發展型、節約型到2035年的需水總量均大于《規劃》目標，水資源供需比均小于《規劃》目標，說明維持2018年經濟社會發展現狀不變的政策及單純追求經濟社會中高速發展不注重節約的情景均會增加水資源的供需矛盾，且不利于水資源的高效利用與節約，而適度考慮經濟社會中高速發展又注重水資源節約與保護的節約型可緩解以上兩種情景的不足，但與《規劃》總目標尚有一定差距。

第二，綜合型1情景下水資源供需比比較接近《規劃》目標，但與《規劃》中所預計的到2035年的總人口數量、城鎮化率、工業增加值、農村人均生活用水定額、萬元工業增加值用水量、農田灌溉用水量等目標尚有一定差距，故又設計了綜合型2，通過對比發現綜合型2 比綜合型1 更優，既能滿足供水總量、需水總量、水資源供需比與《規劃》總目標比較接近，又能滿足《規劃》具體目標。

第三，按照綜合型2 情景，甘肅省預計到2035年總人口數量將達到3 000.28 萬人，供水總量、需水總量分別為132.35、141.289 億m3，水資源供需比0.936 8，水資源可承載經濟規模達到25 757.6 億元，居民生活、農田灌溉、林牧漁畜、工業、城鎮公共、生態化境需水量分別達到10.622 5、70.462 6、25.169 3、15.970 8、13.687 7、5.374 0 億m3，第一產業、工業、建筑業、服務業增加價值分別達到5 350.58、7 605.16、1 853.81、12 686.6 億元，污水廢水排放總量、污水廢水COD 排放總量分別降低到9.573 0、0.000 9 億t。□