長江經濟帶“四水”與社會經濟SD模型構建及應用Ⅰ

楊麗 劉海軍 王紅瑞 張睿齊 趙自陽

摘要：長江經濟帶高質量發展，需要處理好水資源、水環境、水生態和水災害“四水”與社會經濟的耦合關系。利用2008～2019年長江經濟帶“四水”以及社會經濟數據，運用系統動力學方法，構建了“四水”與社會經濟系統動力學模型（SD模型），并進行了參數敏感性分析;基于目前發展態勢和相關經濟社會發展規劃，模擬預測了2035年長江經濟帶“四水”與社會經濟發展的變化趨勢。研究結果表明：① 在保持當前發展趨勢和滿足規劃的條件下，長江經濟帶社會經濟穩步發展，2035年長江經濟帶GDP將是2019年的2.83倍;② 水生態環境條件有所改善，相較于2019年，2035年濕地面積、浮游動植物多樣性指數平均、COD、氨氮和總磷排放量將分別下降15%，26%，8%，10%和11%，但廢水排放總量將增加27%;③ 與2019年相比，2035提水災害風險降低，洪旱災害直接經濟損失占地區GDP比例將下降0.18%;④ 供水量和用水總量分別增加了288億m ?3 和310億m ?3 ，到2035年基本保持供需平衡。針對模擬結果，提出了“四水”與社會經濟協調發展情勢下的治理建議，包括加強污水處理設施建設、調整產業結構、加強科研創新和推行節水行動。

關 鍵 詞：長江經濟帶; 社會經濟; “四水”; 系統動力學模型; 模型構建

中圖法分類號： ?F205

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.001

0 引 言

長江經濟帶沿線包含9個省份和2個直轄市，2019年，長江經濟帶地區 GDP超過了全國總GDP的 46% ?[1] ，為國家和地區經濟社會發展提供了重要保障。然而，長江經濟帶的過度開發也導致這一地區生態退化以及環境污染問題日益嚴重，水資源短缺、水環境惡化、水生態損害和水旱災害（稱之為“四水”，下同）頻發問題突出 ?[2-5] 。“高質量發展”在十九大中首次提出，同時在十九大報告中也明確指出：“以共抓大保護、不搞大開發為導向推動長江經濟帶發展。”因此，如何兼顧長江經濟帶發展和保護，是目前亟待解決的問題。

系統動力學（System Dynamics，簡稱SD），由美國麻省理工學院的Forrester教授于1956年始創 ?[6] 。該方法能夠處理具有非線形和時變現象的系統問題，并能對其進行長期性、動態性、戰略性的定量仿真分析 ?[7] ，現在已經廣泛應用于企業管理 ?[8] 、建筑工程 ?[9] 和區域規劃 ?[10] 等領域。SD模型結合定性與定量分析，對多學科交叉和時變性的系統進行模擬仿真，可對模型中部分缺失數據自動進行線性差分，并通過不同情景的動態分析，為決策提供科學依據。目前，SD在“四水”與社會經濟協調發展方面也有相關研究。比如秦鐘等 ?[11] 利用系統動力學模型，模擬了廣東省經濟、資源和環境污染的變化情況。薛冰等 ?[12] 建立了天津市水資源承載力系統動力學模型，對天津市的水資源承載力進行了評價。秦劍 ?[13] 構建了北京市水資源供需平衡的系統動力學模型，對北京市水資源的供需狀況進行了預測。Zare等 ?[14] 構建了以水資源管理為核心的可持續發展的綜合模型。Yin等 ?[15] 利用系統動力學方法，對貴州省喀斯特地區的水安全開展了研究，并探討了水文氣候變化對水安全的影響。

長江經濟帶“四水”與社會經濟系統是一個包含經濟、社會、水資源、水環境、水生態和水災害的復雜系統，系統內各因素之間共同作用、相互影響。因此，本次研究利用Vensim DSS軟件建立系統動力學模型，根據長江經濟帶目前的發展態勢和經濟社會相關規劃，模擬預測了2035年長江經濟帶社會經濟與“四水”的相關指標數據。在此基礎上，根據模擬結果所暴露出來的問題提出了相關建議，可為長江經濟帶高質量發展規劃提供決策依據。

1 數據來源及研究區概況

1.1 數據來源

本文的研究數據主要來源于《中國統計年鑒》《中國環境統計年鑒》《中國農村統計年鑒》《中國民政統計年鑒》《中國水利統計年鑒》《中國城鄉建設統計年鑒》《水資源公報》以及《中國漁業生態環境狀況公報》等。

1.2 研究區概況

長江經濟帶總面積約為205萬km ?2 ，約占中國國土總面積的21%。由年鑒和公報數據可知：到2019年，長江經濟帶常住人口數為6.02億人，城鎮化率為 60.6% ，GDP為4.6×10 ?5 億元。位于長江經濟帶東部地區的上海市、江蘇省和浙江省3省（市）GDP占長江經濟帶總GDP的44%，而西部的四川省、云南省和貴州省3個省份GDP僅占總GDP的19%。2019年，長江經濟帶水資源總量為1.28×10 ?4 億m ?3 ，供水總量為2 645億m ?3 ，主要由地表水構成。用水量主要由農業用水、工業用水和生活用水組成，三者各占用水總量的53%，30%和16%，生態用水僅占用水總量的1%。各省之間人均水資源總量差異較大，2019年，上海市人均水資源量僅為江西省人均水資源量的4.5%。2018年，長江經濟帶廢水排放總量為318億t，COD排放總量為264萬t，NH ?3 -N排放總量為22.7萬t。11個省（市）中，廢水排放總量、COD排放總量和NH ?3 -N排放總量均為江蘇省最大。2019年，長江經濟帶濕地面積為1 154萬hm 2，城鎮綠化覆蓋面積為144萬hm 2。水利建設投資合計為3 379億元，其中，防洪投資占比最大，約占水利建設投資的1/3。2019年，長江經濟帶洪災直接經濟損失達到1 005億元。

2 模型構建

2.1 系統邊界確定

長江經濟帶“四水”與社會經濟系統動力學模型設置有社會經濟、水資源、水環境、水生態和水災害5個子系統。系統空間邊界為長江經濟帶11個省（市）的行政邊界，即重慶市、四川省、貴州省、云南省、江西省、湖北省、湖南省、上海市、江蘇省、浙江省和安徽省的行政邊界;時間邊界為 2008～2035年，其中，2008～2019年為模型驗證期，2020～2035年為模型預測期，2025，2030年和2035年為規劃水平年，模型的時間步長為1 a。

2.2 系統流圖建立

社會經濟子系統分為人口和經濟2個部分，主要反映長江經濟帶的人口和經濟變化情況，包括常住人口、城鎮化率和地區GDP等變量。水資源子系統主要由供水部分和需水部分構成，主要反映長江經濟帶的水資源供需情況。水環境子系統主要由廢水排放量、COD排放量、NH ?3 -N排放量和總磷排放量4個部分構成，主要反映長江經濟帶的水環境情況。水生態子系統由生態用水、濕地面積和浮游動植物多樣性指數平均3個部分組成，主要反映長江經濟帶的水生態狀況;水災害子系統分為洪旱治理投資和洪旱災害直接經濟損失2個部分，主要反映長江經濟帶水災害損失和投資情況。各個子系統之間相互耦合，構建的系統動力學系統流程圖如圖1所示。

2.3 模型參數及主要方程確定

模型中預測年份參數的設定依據為《國家人口發展規劃（2016～2030年）》《長江流域綜合規劃（2012～2030年）》《長江經濟帶生態環境保護規劃》《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》和《國家節水行動方案》等關于“四水”與社會經濟的相關規劃，以及根據歷史數據進行擬合。參數設定情況如表1所列。依據長江經濟帶統計數據及其真實邏輯關系，得到長江經濟帶“四水”與社會經濟系統的模型方程。但由于方程較多，因此只展示主要變量方程，如表2所列。

3 模型檢驗

3.1 結構一致性檢驗

結構一致性檢驗就是檢驗模型中的變量設置、因果關系、變量方程是否合理，以及方程兩邊的量綱是否一致，該檢驗可以直接在建模時實現。經VensimDSS軟件檢驗，長江經濟帶“四水”與社會經濟系統動力學模型通過了結構一致性檢驗，滿足模型運行要求，可以進行系統仿真。

3.2 歷史檢驗

選取2008～2019年研究區域內人均GDP、總用水量和廢水排放總量的模擬值與實際值進行比較，以驗證模型的可靠性和準確性，檢驗結果如表3所列。通過比較可以發現：模擬值與實際值基本吻合，相對誤差的絕對值均小于5%，滿足模型的精度要求。因此，模型通過了歷史檢驗，具有較高的可靠性。

3.3 靈敏度檢驗

一個結構穩定、強壯性良好的模型對大多數參數的變化是不靈敏的 ?[16] 。本文研究通過調節參數的輸入值，觀察參數變化對模型輸出變量的影響來分析模型的靈敏度。靈敏度計算公式如下 ?[17] ：

S= ?Δ Q X ??0 ??Q ??0 ?Δ X? （1）

式中：S為輸出變量Q對參數X的靈敏度;X ?0 和Q ?0 分別為初始條件下X和Q的值; Δ X和 Δ Q分別為X改變量的絕對值和對應的Q改變量的絕對值。

在實際計算中，存在多個狀態變量（即多個時間節點），同時，為了提高靈敏度的準確度，選取k組參數改變量ΔX分別計算靈敏度再取平均。因此，定義任意參數X在不同狀態下的平均靈敏度如下 ：

S ??X = 1 k? 1 T ???k ??i=1 ????T ??j=1 ??S ??i，j ??X ?（2）

式中： S ??X 是參數 X的平均靈敏度;k為參數改變次數;T是時間階數，即時間節點的數量; S ??i，j ??X 表示參數 X在第 i組參數中時間節點為第 j個時候的靈敏度。

選擇模型的最終輸出變量來檢驗參數改變時的靈敏度情況。在模型運行歷史時段內（2008～2019年），每次變化其中一個參數（逐年增加和減少10%和20%），運行模型，加上原始情況，共得到5組數據，再根據公式（1）和公式（2）來計算靈敏度。

由此，公式（2）中參數的選擇如下：時間階數 T =12，其中2008年對應第1個時間節點，2009年對應第2個時間節點以此類推;參數的改變次數 k =4。

計算結果如圖2所示。由圖2可以看出：33個參數中僅有常住人口、城鎮化率、二產增加值增長率、萬元工業增加值用水量和城鎮污水排放系數5個參數靈敏度達到或超過10%，說明系統對大多數參數不敏感，穩定性較強，也說明這5個參數對模型影響較大，為影響長江經濟帶“四水”社會經濟的決定因子。

綜合結構一致性檢驗、歷史檢驗和靈敏度檢驗，可以認為該模型有效性較好，可以用于長江經濟帶“四水”與社會經濟系統動力學模擬。

4 模型運行結果分析

4.1 社會經濟子系統

經濟社會子系統的預測結果如圖3（a）所示。到2035年，預計一產增加值達到4.74×10 ?4 億元，二產增加值達到3.66×10 ?5 億元，三產增加值達到9.12×10 ?5 億元，地區GDP達到1.33×10 ?6 億元，人均GDP達到21.49萬元。一產、二產、三產增加值和地區GDP、人均GDP分別為2019年的1.55，2.01，3.73，2.90倍和2.83倍。地區GDP以及人均GDP直接反映了區域經濟發展程度的高低。由圖1以及利用Vensim軟件查看原因圖可以發現：地區GDP和人均GDP的增加主要是由于三產增加值的增加，說明服務業的增加對長江經濟帶經濟發展影響較大。

4.2 水資源子系統

水資源子系統的供用水量和水資源供需指數變化趨勢如圖3（b）所示。用水量主要來源于地表水供水量、地下水供水量和再生水回用量，用水量主要包括工業用水、農業用水、生活用水和生態用水。水資源供需指數為供水量與用水量的比值，水資源供需指數大于1時，基本能保障充足用水。到2035年，預計供水量和用水總量將分別達到2 952億m ?3 和2 985億m ?3 ，與2019年相比，供水量和用水總量分別增加了288億m ?3 和310億m ?3 。利用Vensim軟件查看原因圖和靈敏度分析結果可以發現：總用水量的增加主要是由于工業增加值的增加使得工業用水量增加，而工業用水量的增加則是由于二產增加值的增加導致了工業增加值的增加，供水量的增加主要是增加了地表水供水量。由此可知，2035年之前，水資源基本能達到供需平衡。

4.3 水生態子系統

生態用水主要為人工生態環境補水，濕地面積由自然濕地和人工濕地組成，浮游動植物多樣性指數平均為地區浮游動物多樣性指數和浮游植物多樣性指數的平均值。當生態用水、濕地面積和浮游動植物多樣性指數平均指標升高時，表示區域水生態條件更好。如圖3（c）所示，預計到2035年，生態用水將達到47億m ?3 ，比2019年增加82%。2035年濕地面積將達到1 320萬hm 2，浮游動植物多樣性指數平均達到 3.5 ，分別比2019年增加了15%和26%，說明長江經濟帶的水生態條件有所改善。

4.4 水災害子系統

水災害子系統洪旱治理投資和洪旱災害直接經濟損失變化趨勢如圖3（d）所示。洪旱治理投資包括洪澇治理投資和灌溉投資，洪旱治理投資的增加可以降低區域受到水災害時的損失。洪旱災害直接經濟損失包括洪災直接經濟損失和旱災直接經濟損失。到2035年，洪旱治理投資將達到5 728億元，為2019年的3.3倍;洪旱災害直接經濟損失預計為775億元，為2019年的0.7倍。洪旱治理投資的增加主要是由于地區GDP的增加，投入相應增加。2035年，洪旱治理投資和洪旱災害直接經濟損失占地區GDP比例分別為0.43%和 0.06% ，洪旱治理投資占地區GDP比例和2019年相比增加了0.05個百分點，洪旱災害直接經濟損失占地區GDP比例和2019年相比下降了0.18個百分點。

4.5 水環境子系統

水環境子系統的預測結果如圖3（e）所示。水環境子系統各項指標越低，代表區域水環境質量越好。預計到2035年，廢水排放量將達到4.11×10 ?6 萬t。與2019年相比，廢水排放量增加了27%，廢水排放量增加主要是由于人口增加以及二產增加值增加導致的工業用水增加;COD、氨氮和總磷排放量分別達到2.41×10 ?6 ，2.12×10 ?5 ，2.75×10 ?4 ?t，比2019年分別低8%，10%和11%。在廢水排放量增加的情況下，COD、氨氮和總磷排放量仍減少，說明單位廢水中污染物排放量顯著降低。

5 討 論

長江經濟帶包括中國11個省（市），雖然國土面積只占全中國的21%，但2019年人口數和GDP分別達到了全中國的43%和46%，水資源總量也達到了全中國的44% ?[1] 。近年來，國家針對長江經濟帶的高質量發展出臺了一系列措施，比如2016年發布了《長江經濟帶發展規劃綱要》、2017年發布了《長江經濟帶生態環境保護規劃》、2020年頒布了《中華人民共和國長江保護法》等，這些都說明了中國對于長江經濟帶的發展非常重視。

從目前來看，國家的一系列政策都起到了非常積極的作用，長江經濟帶在穩步發展的同時，生態環境狀況得到了明顯改善。從模型運行結果可以看出：到2035年，長江經濟帶的經濟進一步穩定提升，預計2035年長江經濟帶人均GDP為2019年的2.83倍。習近平總書記在關于《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》的說明中指出：“到2035年實現經濟總量或人均收入翻一番，是完全有可能的”。長江經濟帶作為中國重要的經濟發展圈，其天然資源、工業基礎和運輸條件優越 ?[18] ，對中國經濟目標的實現具有重大意義。

2035年水生態環境條件有所改善，濕地面積和浮游動植物多樣性指數平均值都有一定提高，COD、氨氮和總磷排放量相較于2019年分別下降8%、10%和11%，下降幅度較小，但要看到隨著長江經濟帶經濟的發展，廢水排放總量較2019年增加了27%。孫才志等 ?[19] 研究表明，2000～2013年，中國水風險呈現出由高向低的發展態勢。Pan等 ?[20] 也研究表明，由于生態保護政策的實施，2008～2015年長江中游山區生態明顯改善，但是在農業和工業地區，生態系統仍處于衰退狀態。Zhou等 ?[21] 也研究表明，環境管控和經濟合作，使得2000～2018年長江經濟帶水污染物減少，但是城市化發展過快使得水污染物排放減少有限。

模型研究結果表明：隨著國家對于洪旱治理投資的加大，水利基礎設施和水災害預警系統日趨完善，水災害風險越來越小。Peng等 ?[22] 研究了2000～2015年長江經濟帶的水災害風險特征，發現該地區的水災害平均危害、暴露性和脆弱性分別增加了3.62%、 1.28% 和2.07%，但城市的韌性可以使長江經濟帶與水相關的災害風險降低14%～25%，說明相關措施可以有效降低水災害風險。但值得注意的是，隨著經濟的發展，用水量增幅明顯。楊倩等 ?[23] 也研究表明，長江經濟帶10%的區域面臨高水資源壓力。習近平總書記在黨的十九大報告中指出：“以共抓大保護、不搞大開發為導向推動長江經濟帶發展”，應控制長江經濟帶的水資源開發利用率。因此，基于長江經濟帶目前的發展趨勢以及國家相關規劃，長江經濟帶社會經濟與“四水”整體朝著更好的態勢發展，但仍有改善的空間。本文研究利用SD模型，將長江經濟帶作為整體進行分析，對于不同省份之間經濟社會和“四水”的問題差異，將會在下一步的研究中逐步展開。

6 結 論

本文針對到2035年長江經濟帶的“四水”和社會經濟發展存在的問題，開展了模擬分析和研究，根據研究結果提出了相應的建議。

（1） 加強污水處理設施建設。長江經濟帶在經濟高速發展的同時，要同時兼顧環境的可持續發展。從目前來看，若保持規劃中的經濟增速，廢水排放量將顯著上升（比2019年高27%），廢水中主要污染物排放量雖然有所下降，但是下降幅度不大（COD、氨氮和總磷排放量分別比2019年低8%，10%和11%）。說明基于現在的發展規劃，污水處理水平有限。

（2） 調整優化產業結構。從目前來看，預計到2035年，用水總量顯著增加，雖然未出現明顯的供需缺口，但隨著經濟的進一步發展，用水量進一步增加。因此，為了保證經濟增速，在保障糧食安全和工業發展的基礎上，優化產業結構，優先發展用水量較低的高科技產業和第三產業，增加水重復利用率，降低單位產值的耗水率。

（3） 加強科研創新。針對目前萬元工業增加值用水量和耕地實際灌溉畝均用水量較高的情況，有效利用科研單位的研究成果，推行節水技術和工藝，提高水資源利用效率。同時尋求更便利有效的污水處理措施，降低廢水中所含的污染物質。

（4） 推行節水行動。由于長江經濟帶水資源豐富，而導致當地居民節水意識較為淡薄。但從研究結果來看，隨著經濟社會的發展，長江經濟帶也會出現水資源供需缺口。因此，政府可以開展節水宣傳或通過調控水價，來提高當地居民的節水意識。

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（編輯：趙秋云）

Construction and application of system dynamic model for ‘four water and socio-economic ?in the Yangtze River Economic Belt Ⅰ：model construction and verification

YANG Li 1，LIU Haijun 1，WANG Hongrui 1，ZHANG Ruiqi 2，ZHAO Ziyang 1

（ 1.Beijing Key Laboratory of Urban Hydrological Cycle and Sponge City Technology，College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China; 2.School of Mathematical Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China ）

Abstract：

Based on the coupling relationship between four-water （water resources，water environment，water ecology，water disasters） and socio-economics，a system dynamics model for four-water and socio-economic system was constructed using the four-water and socio-economic data of Yangtze River Economic Belt from 2008～2019，and some parameters of four-water and social development of Yangtze River Economic Belt in 2035 were simulated and predicted based on the current development trend and some plans.The study results show that under the conditions of maintaining the current development trend and planning，the GDP of Yangtze River Economic Belt is expected to be 2.83 times that of 2019 by 2035.Water eco-environment conditions would be improved，compared to 2019 wetland area，average phytoplankton and zooplankton diversity index，COD，NH3-N，and total phosphorus emissions decreasing by 15%，26%，8%，10% and 11% respectively in 2035，but total wastewater emissions increasing by 27% compared to 2019.Water disaster risk would reduce，and direct economic losses due to floods and droughts as a percentage of regional GDP would decrease by 0.18 percentage points compared to 2019.The total water supply and water consumption would increase by 28.8 billion m3 and 31 billion m3 respectively，the supply and demand would basically be balanced by 2035.Finally，in response to the simulation results，four suggestions were made，including strengthening the construction of sewage treatment facilities，adjusting the industrial structure，strengthening scientific research and innovation，and implementing water conservation actions.

Key words：

Yangtze River Economic Belt;socio-economics;four-water;system dynamics （SD） model;model construction