基于系統動力學的水資源承載力可持續發展研究
——以贛州市為例

王宵君，楊 歡，李楨萍，嚴文鳳，藍四嬌，杜 超

(贛南師范大學地理與環境工程學院，江西 贛州 341000)

水資源承載力(Water Resources Carrying Capacity)是以可預見的人口、環境、經濟發展水平為依據，以尋求環境經濟平衡發展為前提，經過資源的合理優化配置，對該地區社會經濟與人口規模發展所能提供的最大支撐能力預測[1-2]。因此，水資源承載力研究涉及一個復雜巨系統，包括社會經濟系統、水資源系統、水環境系統[3]。水資源承載力的可持續發展不僅涉及生態安全問題，也關系到一個區域的經濟發展與社會穩定[2]。目前，水資源承載力與區域社會經濟發展的耦合研究已成為當今地理科學與區域經濟學的一個熱點話題。

目前，關于水資源承載力的研究，已有較多報道：①在研究內容上，多集中于水資源承載力定義、水資源承載力影響因素、水資源承載力評價指標體系確立、水資源承載力模型構建等方面；②研究尺度上，目前的研究多集中在流域、區域、城市3個不同的空間尺度[3]，而且這些區域多是缺水或者生態環境脆弱地區，對于水資源相對豐富的區域研究較少；③研究方法上，代表性研究方法主要有常規趨勢法[4-5]、模糊綜合評價法[6]、多目標分析法[7]、主成分分析法[8-9]及系統動力學法等[10-11]。其中，系統動力學(System Dynamic，SD)方法是以計算機仿真為框架，研究復雜系統內部的動態演化行為的工具[12]，它在復雜的非線性系統研究中具有不可替代的優勢，目前已經廣泛應用于工業、農業、生態、環境等諸多領域，在水資源系統中的應用也日益凸顯其優勢[13-15]。利用系統動力學模型能夠綜合影響水資源承載力的人口、經濟、社會、生態等因素，充分刻畫影響水資源承載力的演化機理，突出經濟發展、資源與人口的耦合關系，凸顯了水資源承載力評估管理的重要性[2]。贛州市作為江西省唯一的省域副中心城市，擁有九百多萬人口，地處江西省南部，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，基本屬于富水區，但近年來，隨著贛州社會經濟迅速發展，水資源消耗日趨增加，且因工業發展、稀土開采等造成水資源污染日趨嚴重。另一方面，贛州作為贛江、東江和北江三江源頭所在地區，保持它的水資源、水環境安全對于長江經濟帶和粵港澳大灣區建設意義重大。因此，科學評估贛州市水資源承載力具有重要的研究意義。目前學者們對贛州市水資源承載力的研究主要是用模糊綜合評價法[16]、因子分析和熵權法[17]，而采用系統動力學法研究其水資源承載力可持續發展目前還沒有相關報道。因此，本文采用系統動力學方法，通過構建贛州市水資源承載力可持續發展SD模型，對不同情景下水資源承載力進行模擬仿真，探索贛州市水資源承載力可持續發展的最佳模式，為緩解贛州市水資源矛盾和建立統一的水資源管理體制提供理論參考與現實依據，以促進贛州市的社會發展。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域

贛州市(24°29′～27°09′N、113°54′～116°38′E)位于江西省南部(圖1)，贛江上游，簡稱贛南，是江西省最大的行政區。贛州市屬亞熱帶季風性濕潤氣候，基本屬于富水區。贛州是江西的母親河——贛江的源頭，也是廣東、香港同胞飲用水水源東江、北江的源頭，承擔著“一江清水給下游”的重任。

近年來，贛州市的社會經濟得到飛速發展。根據贛州市國民經濟和社會發展統計公報，2018年，贛州市地區生產總值(GDP)2 807.24億元，比2017年增長9.3%。其中，第一產業增加值340.30億元，增長3.7%；第二產業增加值1 194.24億元，增長8.9%；第三產業增加值1 272.70億元，增長11.5%。但是，隨著經濟和工業的發展，以及水資源自身條件的變化，加上現有水利設施和水利管理體制的局限性，贛州市在水資源、水環境等方面都存在一些問題[18]。首先，近年來隨著社會經濟發展速度提升，贛州市廢水排放量增多，水環境問題日益凸顯。贛州市水資源公報顯示，2018年，贛州廢污水排放量為54 300萬t，其中城鎮居民生活廢水排放量達18 900萬t，占總排放量34.8%；第二產業廢水29 300萬t，占總排放量54.0%；第三產業廢水6 100萬t，占總排放量11.2%。其次，水資源問題也更加突出。根據贛州市水資源公報顯示，2018年贛州市地表水資源量222.92億m3，比2017年減少19.1%，比多年平均減少33.8%；地下水資源量68.92億m3，比2017年減少14.8%，比多年平均減少22.4%。此外，近年來臍橙種植業的發展也使得一些地區水土流失嚴重；農業灌溉和工業生活用水方面的水資源利用率也較低，而區域水資源的自然稟賦和調控狀況將直接影響贛州市的社會經濟發展和科學技術水平[19]。因此，為了確保贛江、東江和北江源頭及其流域的水資源、水環境安全，促進贛州市社會經濟的進一步發展，有必要對其水資源承載力進行研究分析。

圖1 贛州市區位

1.2 數據來源

所建立的贛州市水資源承載力SD模型數據來源于以下數據集：《江西省統計年鑒》(2011—2016)、《江西省水資源公報》(2011—2016)、《江西省環境統計年報》(2011—2016)、DB 36-T 419—2017《江西省生活用水定額》《贛州市“十三五”節能減排綜合工作方案》《贛州市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綱要》《江西省節水行動實施方案》《贛州市城市總體規劃》(2017—2035年)等。

2 材料與方法

水資源承載力研究涉及一個復雜巨系統，包括社會經濟系統、水資源系統、水環境系統，重在水資源承載力與區域社會經濟發展各要素的耦合。利用系統動力學方法，以贛州市為研究區，在Vensim? PLE軟件支持下，建立水資源承載力因果關系圖，并構建水資源承載力SD仿真模擬模型，通過進行不同情景下的模擬分析和預測，分析水資源能夠承載的最佳可持續發展模式。具體方法流程見圖2。

圖2 研究路線

2.1 模型的構建及檢驗

2.1.1模型的構建

SD模型是一種從系統內部關系入手的系統與綜合的研究方法，適合研究多變量、非線性、高階次、多回路的復雜系統，通過分析系統作用機制，可全面反映事物發展過程及動因[20]，是模擬預測水資源承載力動態發展的有效方法。根據贛州市的水資源水環境特征，構建模型結構和反饋關系(圖3)。由于研究區域屬于富水區域，因此，在建立系統流程圖時，以反映贛州市主要因果關系，選擇影響贛州市水資源承載力問題的核心因子，最終確定參數。

SD系統模擬使用Vensim?PLE軟件建模，確定贛州市水資源承載力系統的邊界，空間邊界為贛州市，模型運行時間為2011—2035年，模擬時間步長為1年，其中，2020年為預測基準年。系統由社會經濟子系統、水資源子系統和水環境子系統組成，研究內容主要集中于贛州市水資源供需水量和水環境污染2個方面。確定贛州市水資源承載力系統的主要水平變量(贛州市人口、GDP等)、速率變量(人口增長率、GDP增長率)及輔助變量(工業用水量、生活用水量、COD排放量等)。SD模型的系統流程見圖4，并確定模型的主要方程和反饋關系。

圖3 贛州市水資源承載力系統基本反饋回路

圖4 贛州市水資源承載力系統動力學模型

2.1.2模型的檢驗

為驗證建立的系統動力學模型的有效性，可通過直接將模擬值與歷史值進行誤差分析來評估模型結構的準確性。與2012—2016年的實際值進行對比，系統模擬結果的整體變化趨勢與歷史結果相吻合，與贛州市實際情況基本相符，變量的相對誤差基本在±10%以內，說明該模型有效。表1所示為3個子系統中總人口、GDP總量、生態用水量、總供水量、COD排放總量5個關鍵性的指標的歷史檢驗數據。對比相關研究成果[2-3,23]，模型可以用于模擬預測贛州市2020—2035年水資源承載力系統的可持續發展情況。

表1 歷史性檢驗數據 %

2.2 不同情景參數的設定及模擬

2.2.1情景設計

本研究中水資源承載能力最佳模式的確定將是在考慮贛州市未來發展趨勢和特征的基礎上，通過比較不同發展方案情景下SD模型的模擬結果，提出符合研究區水資源承載力可持續發展的最佳模式。因此，確定合適的系統模擬方案，并根據需要選擇模擬參數是本文的重要任務之一。

為了更好地實現贛州市水生態的可持續發展，參照前人研究基礎，確定的4種模擬方案分別為正常發展型、經濟優先型、環境優先型、綜合協調型。情景1：正常發展型，即現狀延續型。該模式根據研究區發展現狀和未來發展規劃設定指標數據，為延續現狀的發展模式。情景2：經濟優先型，即重點發展經濟。突出社會經濟發展的目標，將更多的資源投入到社會經濟發展中，在現狀發展的基礎上，上調社會經濟指標數據。情景3：環境優先型，即重點抓生態環境保護，突出環境保護目標，政策制定優先考慮環境因素，降低經濟發展速度和強度，污水排放和處理率降低。情景4：綜合協調型，既重視社會經濟發展，又關注生態環境保護。具體方案設計見表2。

表2 SD模型情景設計

2.2.2參數的設定

在系統動力學模型中，通過調整相關的參數，可以模擬承載力的提升以及其他年份的預測。在前人[21-22]研究基礎上，參考《江西省節水行動實施方案》《贛州市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綱要》《贛州市2020年國民經濟和社會發展計劃》《贛州市水資源公報》《贛州市水污染防治工作計劃》等重要文件，設置各參考方案的參數。

a)情景1：正常發展型。該方案為現狀延續型，以近年來贛州市資源、環境、社會和經濟等各方面的發展現狀和近遠期發展規劃為基礎，將人口增長率定為4.8‰，城鎮化率定為0.53%，GDP增長率定為7.5%，萬元工業增加值用水量設置為41萬m3，工業污水排放系數設為0.27，生活污水排放系數設為0.49。

b)情景2：經濟優先型。以經濟發展為重點，即根據相關規劃中較高水平調控參數設置為較高數值，均在情景1的基礎上，上調20%。

c)情景3：環境優先型。該方案以環境保護為主，即調控參數設置為較低數值，在情景1的基礎上除城鎮化率響應國家新型城鎮化戰略保持不變，其他參數均下調20%。

d)情景4：綜合協調型。調控參數中社會經濟數據、水環境、水資源等參數均取最佳值，其中社會經濟參數在情景1基礎上上調10%，水環境、水資源參數與環境優先型保持一致。具體模擬方案主要參數設定見表3。

表3 方案及調控參數設定

3 結果分析

將SD模型中的4種方案中的相關參數按照上述步驟進行設置，重新運行系統動力學模型，得到不同方案下的模擬數據。本文所建立的系統動力學模型中，GDP、總人口數量可作為社會經濟評價數據；工業污水COD排放量、COD排放總量作為水環境評價數據；工業用水量和生產用水量作為水資源評價數據。以上這些數據均可作為評價方案優越性的主要參考數據，2025、2035年主要變量仿真結果見表4。

表4 主要變量仿真結果

3.1 社會經濟發展情況

4種情景下，2020—2035年社會經濟發展情況為：經濟優先型>綜合協調型>正常發展型>環境優先型。在國內生產總值方面，其中經濟優先型GDP增幅最高，2025、2035年，GDP總量分別達5 608.59億、13 277.60億元；環境優先型的GDP增幅最低，將分別達到4 878.10億、8 735.93億元；綜合協調型增幅高于正常發展型，低于經濟優先型，2025、2035年，綜合協調型的GDP總量分別達5 418.27億、11 971.30億元。4種方案GDP動態仿真結果見圖5。在人口增長方面，經濟優先型呈現人口高速增長，至2025、2035年，總人口將分別達到923.13萬、977.71萬人，環境優先型呈現人口低速增長，至2025、2035年，總人口將分別達到914.36萬、950.08萬人。而綜合協調型人口增幅雖低于經濟優先型，但高于正常發展型，至2025、2035年，總人口將分別達到920.93萬、970.73萬人。4種方案總人口數量動態仿真結果見圖6。

圖5 GDP動態仿真結果

圖6 總人口數量動態仿真結果

3.2 水資源情況

4種情景下，2020—2035年水資源情況為：環境優先型>綜合協調型>正常發展型>經濟優先型。在用水量方面，其中經濟優先型用水量增幅最高，2025、2035年，其工業用水量分別達9.71億、19.11億m3，生產用水量分別達到34.31億、44.48億m3；環境優先型的用水量增幅最低，2025、2035年，其工業用水量將分別達到5.63億、8.38億m3，生產用水量分別達到30.23億、33.76億m3；綜合協調型用水量增幅略高于環境優先型，但低于正常發展型，2025和2035年，綜合協調型的工業用水量分別達6.25億、11.49億m3，生產用水量分別達到30.86億、36.86億m3。4種方案工業用水量動態仿真結果見圖7，生產用水量動態仿真結果見圖8。

圖7 工業用水量動態仿真結果

圖8 生產用水量動態仿真結果

3.3 水環境情況

4種情景下，2020—2035年水環境情況為：環境優先型>綜合協調型>正常發展型>經濟優先型。在COD排放總量方面，其中經濟優先型COD排放總量增幅最高，2025、2035年，其COD排放量分別達17.97萬、25.17萬t；環境優先型的COD排放總量增幅最低，2025、2035年，其COD排放總量將分別達到9.62萬、11.21萬t；綜合協調型COD排放總量增幅略高于環境優先型，但低于正常發展型，2025、2035年，綜合協調型的COD排放總量分別達10.39萬、13.29萬t。4種方案COD排放總量動態仿真結果見圖9。

圖9 COD排放總量動態仿真結果

3.4 動態仿真結果分析

綜上所述，在4種模擬方案中，從2020—2035年，社會經濟發展趨勢來看，經濟優先型>綜合協調型>正常發展型>環境優先型；從水資源、水環境發展情況趨勢來看，環境優先型>綜合協調型>正常發展型>經濟優先型。這就表明，在延續現狀發展的正常發展模式和經濟優先發展模式下，贛州市社會經濟高速增長時若不采取嚴格的節水、治理污水措施，工業用水量、污水排放量將大幅增加，違背我國資源節約、環境友好發展戰略。而在其環境優先型發展模式下，經濟規模增加趨勢較小，無法達到社會經濟發展要求。根據系統預測結果，在綜合協調型模式下，至2035年，COD排放量保持較低水平，為13.29萬t；而經濟發展處于相對較高水平，其中GDP達到11 971.3億元。即只有在綜合協調發展模式下，既保證社會經濟維持中高速增長態勢，符合社會經濟發展要求，又使得水資源水生態得到最大程度的保護，方可確保贛州市能夠實現可持續發展。

4 結論

通過構建贛州市水資源承載力系統動力學模型，對贛州市的水資源承載力發展狀況進行了情景模擬，在研究過程中，通過對社會經濟、水資源和水環境3個子系統中的主要參數進行調整，對比分析了2020—2035年正常發展型、經濟優先型、環境優先型和綜合協調型4種方案下的發展狀況。研究表明：①在4種模擬方案中，從2020—2035年，社會經濟發展趨勢來看，經濟優先型>綜合協調型>正常發展型>環境優先型；②從水資源、水環境發展情況趨勢來看，環境優先型>綜合協調型>正常發展型>經濟優先型。不顧水資源的承受能力單純追求經濟與人口的高速增長，或是為了減少水資源消耗而犧牲經濟與人口的增長，都無法保證水資源與經濟社會的可持續發展。正常發展型和經濟優先型發展模式下，供需比例在2035年將分別下降至0.89、0.78，而且在未來還將持續下降，使贛州市水資源承載力壓力越來越大；環境優先型對水體污染有緩解作用，但將在一定程度上影響社會經濟的發展；而綜合協調型則同時考慮了經濟和環境等各方面的要素，模擬結果較好，符合贛州市對實現社會經濟與水資源的協調發展的要求，能夠更好地保障贛州市的水資源承載力得以持續健康發展。

因此，根據情景模擬的結果，在今后的水資源開發利用中，有關部門應多管齊下，從多個方面綜合管理水資源，不僅要提高生產生活中水的利用效率，還要提高各種污水的處理能力，促進污水的再利用，從而降低需水總量和生產用水量的漲幅，提高供需比例。同時，要對企業進行嚴格的管控，促使企業根據法律法規集中合理排放廢水，對惡意排放廢水的企業必須采取措施立即停止生產，令行禁止；加大城鄉水污染集中處理力度，加快城市及農村生活污水集中處理設施建設與改造，實現城市、重點鄉鎮以及沿湖農村污水處理設施建設全覆蓋，從而在保證經濟發展的同時降低COD排放總量的增速，實現贛州市社會經濟可持續發展。