長江經濟帶“四水”與社會經濟SD模型構建及應用Ⅱ

楊麗 張睿齊 劉海軍 王紅瑞 趙自陽

摘要：基于構建的長江經濟帶“四水”與社會經濟系統動力學模型，選用靈敏度大于5%的參數設置了16個不同的發展情景，并對不同情景進行了模擬和評價。研究結果表明：不同情景之間人均GDP相差較小;在社會經濟子系統優先發展、水資源和水生態環境子系統常規發展情景下，廢水排放總量、COD排放總量和氨氮排放總量最大，分別為4.37×106萬 t、2.56×106 t和2.26×105 t;在社會經濟子系統常規發展、水資源和水生態環境子系統優先發展情景下，廢水排放總量、COD排放總量和氨氮排放總量最小，分別為3.68×106萬t、2.07×106 t和1.82×105 t;在社會經濟子系統和水災害子系統優先發展情景下，洪旱治理投資增加;在預測年份，區域整體水安全朝著更為安全的方向發展，在現狀仿真情景下（情景1），到2035年水安全評價指數達到64分（等級4）;對于單一子系統優先發展，它對區域整體水安全性的影響順序由大到小排列依次為水生態環境>水資源>水災害>社會經濟。因此，社會經濟子系統常規發展，水資源、水生態環境和水災害子系統優先發展的模式為最優發展模式。

關 鍵 詞：水生態; 水環境; 水資源; 水災害; 系統動力學模型; 情景設置; 模擬評價; 長江經濟帶

中圖法分類號： F205

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.001

0 引 言

2008年，長江經濟帶地區GDP為1.3×105億元，常住人口為5.69億人，分別占全國的40.7%和42.8%。2019年，長江經濟帶地區GDP為4.6×105億元，常住人口為6.02億人，分別占全國的46.2%和43.0% [1]。而2008年長江經濟帶水資源總量為1.25×104億m3，占全國的45.5%;2019年水資源總量為1.28×104億m3，占全國的44.1%。可以看出，2008～2019年間，長江經濟帶GDP和人口增速均高于全國平均水平，而水資源總量增長幅度卻低于全國平均水平。隨著長江經濟帶經濟的快速發展和人口的聚集，使得該地區的社會經濟與“四水”（水資源、水環境、水生態和水災害）發展不匹配[2-5]。因此，如何正確把握長江經濟帶社會經濟與“四水”之間的發展關系，對長江經濟帶的可持續發展至關重要。

關于長江經濟帶社會經濟發展與水資源環境保護之間的關系，已有學者開展了相關研究。史安娜等[6]利用DPSIR框架模型展開的研究發現，長江經濟帶水資源保護的主要制約因素為單位產值耗水量、污水排放量、節水政策推廣程度以及污水處理能力。李寧等[7]利用水足跡計算模型和水資源利用與經濟協調發展脫鉤評價模型進行的研究發現，2000～2015年，長江中游城市群農業用水量比重過大，水資源與經濟增長基本處于相對脫鉤的初級協調狀態。沈曉梅等[8]借助于增長阻尼模型的研究發現，2000～2016年，長江經濟帶水資源對經濟增長的約束作用減弱并逐漸穩定。何剛等[9]利用TOPSIS模型開展的研究發現，2007～2016年，長江經濟帶區域內各省（市）水資源承載力整體水平較低，而且各省（市）間的水資源承載力均衡性差異較大。此外，還有學者利用博弈模型[10]、面板平滑轉換模型[11]等，對長江經濟帶“四水”問題與社會經濟發展關系進行了研究。

系統動力學（System Dynamics，簡稱SD）的系統內部組成要素互為因果，能夠對時變問題進行系統仿真[12]。因此，將長江經濟帶“四水”與社會經濟利用SD進行耦合聯系，建立了長江經濟帶“四水”與社會經濟系統動力學模型，用以研究其內部的相互作用和影響機制。目前，已有的關于長江經濟帶的研究，僅分析了社會經濟與“四水”部分因素之間的相互影響，并未研究所有因素的共同作用和相互影響機制。因此，本文研究通過建立的系統動力學模型，以“四水”問題為約束條件，對長江經濟帶發展模式的關鍵要素進行識別，對不同的發展情景進行仿真模擬預測，以為長江經濟帶高質量發展提供科學的參考和規劃依據。

1 模型介紹

長江經濟帶“四水”與社會經濟系統動力學模型包括社會經濟、水資源、水環境、水生態和水災害5個子系統，各子系統相互耦合。模型驗證期為2008～2019年，預測期為2020～2035年。對模型進行結構性檢驗、歷史檢驗和靈敏性檢驗，發現模型結構穩定，能夠反映真實的歷史情況。具體模型構建與驗證過程詳見文章《長江經濟帶“四水”與社會經濟系統動力學模型構建及應用Ⅰ：模型構建與驗證》[13]。

2 情景設計

2.1 調控參數的選擇和情景設計

根據模型靈敏度檢驗結果，選擇靈敏度大于5%的參數作為系統的主要驅動參數。主要驅動參數包括常住人口、城鎮化率、二產增加值增長率、三產增加值增長率、地表水供水量、萬元工業增加值用水量、耕地實際灌溉畝均用水量、工業污水排放系數、城鎮污水排放系數、城鎮生活污水氨氮濃度、城鎮生活污水COD濃度、單位廢水總磷排放、水利投資占GDP比例、防洪投資比例、洪災直接經濟損失以及平均浮游植物多樣性指數等16個指數。

常規發展模式參數的設定依據為《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》以及《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》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。

長江經濟帶“四水”與社會經濟系統包括5個子系統，但由于進行靈敏度檢驗時，水生態子系統僅一個指標靈敏度大于5%（平均浮游植物多樣性指數）。因此，在情景設計時，將水生態和水環境子系統合并，即分別設置社會經濟子系統、水資源子系統、水生態環境子系統和水災害子系統的優先發展模式，將其與常規發展模式進行排列組合，考慮到新冠疫情等對社會經濟發展產生重大影響的事件，設置一個社會經濟滯后發展模式，共 17種發展情景，如圖1所示。情景1為現狀仿真情景。DDC5D8F5-9718-4828-9ACB-B6D6E2228C46

2.2 不同發展模式下參數的確定

社會經濟優先發展模式主要調節社會經濟子系統內的相關參數，具體為常住人口、城鎮化率、二產增加值增長率以及三產增加值增長率等4個參數。水資源優先發展模式主要調節水資源子系統內的相關參數，具體為地表水供水量、萬元工業增加值用水量和耕地實際灌溉畝均用水量3個參數。水生態環境優先發展模式主要調節水環境和水生態子系統內的相關參數，具體為工業污水排放系數、城鎮污水排放系數、城鎮生活污水氨氮濃度、城鎮生活污水COD濃度、單位廢水總磷排放以及平均浮游植物多樣性指數等6個參數。水災害減少優先發展模式主要調節水災害子系統內的相關參數，具體為水利投資占GDP比例、防洪投資比例、洪災直接經濟損失3個參數。

考慮到長江經濟帶的發展狀況，盡可能以不偏離相關規劃來追求社會經濟的高效益發展、減小水資源供需缺口、水生態環境進一步改善和降低水災害損失為原則來進行優先發展模式下的參數確定。各子系統的優先發展模式均以常規發展模式為參考實行上下調節。

（1） 社會經濟優先發展模式是在常規發展模式的基礎上，考慮了較高的人口承載力、城鎮化和經濟發展水平。在參考長江經濟帶下游區域社會經濟發展水平和三孩政策的驅動，以及考慮到長江經濟帶的人口承載力和經濟發展潛力的基礎上，將常住人口數上調2%，將城鎮化率上調5%;同時，考慮到長江經濟帶2008～2019年三產增加值較二產增加值的增長速率更快，因此將二產增加值的增長率上調3%，將三產增加值的增長率上調5%。

（2） 水資源優先發展模式是在常規發展模式的基礎上，能夠更好地保證長江經濟帶用水安全。在參考水資源開發利用紅線的基礎上，將地表水供水量上調5%。根據常規發展模式下的模擬結果，到2035年，長江經濟帶用水量會顯著增加，需要加強科研創新的措施來降低用水量，因此，本文研究假定在采取了相應措施的基礎上，將萬元工業增加值用水量和耕地實際灌溉畝均用水量均下調5%。

（3） 水生態環境優先發展模式是較常規發展模式有更少的污水和污水中污染物的排放量，以及生態條件得到改善。由常規發展模式模擬結果可知：目前，長江經濟帶污水處理水平有限，需要加強污水處理設施建設;假定加強污水處理設施建設后，工業和城鎮污水排放量能下降10%，城鎮生活污水中COD和氨氮濃度均能下降5%，由于目前磷污染為長江流域水質改善的主要制約因素，因此設置單位廢水總磷排放下降幅度較大，下調10%。

（4） 增大水利投資可以降低區域受到水災害時的損失，水災害子系統優先發展需要增大水利投資，降低水災害損失。因此，本文研究假定水利投資占GDP比例和防洪投資比例上調15%，洪災直接經濟損失受氣候等變化影響較大，下降幅度有限，因此假定下降10%。

（5） 根據2021年《中國統計年鑒》中的相關指標，發現2020年由于受新冠肺炎的影響，二產和三產增加值分別較常規發展模式下的模擬值降低了8%和10%，考慮到2020年受新冠疫情影響較大，之后下降比例會逐漸降低，因此設置社會經濟滯后發展模式下二產和三產增加值的增長率分別下調4%和5%;考慮到社會經濟滯后發展模式，相較于常規的發展模式，城鎮化率增速會減緩，城鎮化率增速較低，因此相對于常規發展情景，設置城鎮化率下調3%。其他指標保持常規發展。

不同發展模式下參數的具體設置如表1所列。

3 不同情景模擬結果的評價方法

3.1 評價指標體系構建

結合長江經濟帶“四水”與社會經濟的實際情況以及系統動力學模型，基于綜合分析長江經濟帶社會經濟、水資源、水生態環境和水災害之間的聯系以及系統整體的安全性，設置了目標層（A）、準則層（B）和指標層（C）來進行評級指標體系構建。目標層為區域整體水安全，準則層分別為社會經濟安全、水資源安全、水生態環境安全和水災害安全。指標層為系統動力學模型中的各具體指標。構建的指標體系如圖2所示。

3.2 賦權方法

遵循指標層的數據離散程度越大，該指標對綜合評價的影響越大的原則，采用熵值法對每個指標進行賦權。

對于每一個準則層Bk（k=1，2，3，4，5）有m個待評價樣本，每個樣本都有n個指標，則第i個待評價樣本的第j個指標記為xij，其中，i =1，2，3，…，m;j=1，2，3，…，n。首先對每個指標進行歸一化，正向指標線性映射至0到1，負向指標線性映射至1到0，計算得到每個樣本中每個指標的歸一數據，具體計算方法如下：

pij=xij-xjminxjmax-xjmin，正向指標

1-xij-xjminxjmax-xjmin，負向指標? （1）

式中：pij是xij歸一的數據，xj max=max（x1j，x2j，…，xmj），xj min=min（x1j，x2j，…，xmj）。

其次，對標準化后的數據計算信息熵和信息效用值，具體計算方法如下：

fij=pijmi=1pij （2）

ej=-kmi=1（fijlnfij） （3）

式中：ej就是第j個指標的信息熵，k= 1/lnm。第j個指標的信息效用值dj= 1-ej。

利用信息效用值，計算得到第j個指標相對于準則層Bk的權重wj=dj/nj=1dj。

準則層Bk相對于目標層的權重是αk（假設每個準則層 αk對于目標層的權重均相等，即 α1=α2=…=α5=0.25），那么Bk下的第j個指標相對于目標層的權重為Wkj=αkwj。

各指標權重計算結果如表2所列。

3.3 評價指數及評價標準

假設對于準則層Bk下的每一個指標的測量值是xij，其中，j=1，2，3，…，m。依據每個準則層的測量值和每個指標相對于準則層和目標層的權重進行加權平均，得到準則層或目標層的評價指數。假設每個指標的測量值可以線性反映出整體安全中各個方面和層次狀態的水平，因此每個指標通過線性變換將測量值映射到0～100分，基于正相關和負相關的區別映射如下：DDC5D8F5-9718-4828-9ACB-B6D6E2228C46

Scoreij=xij-xjminxjmax-xjmin×100，正向

100-（xij-xjmin）（xjmax-xjmin）×100，負向 （4）

其中：Scoreij是xij對應的分數，xj max=max（x1j，x2j，…，xmj），xjmin=min（x1j，x2j，…，xmj）。

此時，得到第j個指標修正后的得分值是Scoreij在0～100之間，而且和模型整體安全中各個方面和層次狀態的水平呈正比例關系。再利用上文計算得到的指標的權重，即可得到準則層的評價指數Bk。

Bk=mj=1wjScoreij （5）

進而得到目標層評價指數A。

A=4k=1Bkαk （6）

由上式計算的長江經濟帶“四水”與社會經濟系統安全性評價指數A在0～100分之間。因此，以20分為步長，將評價指數劃分為 5 個等級，分別為0～20分是等級1，20～40分是等級2，40～60分是等級3，60～80分是等級4，80～100分是等級5。等級越高說明系統越安全。

4 結果與分析

4.1 不同情景運行結果分析

圖3為2019～2035年不同情景下的模型模擬結果。由圖3可以看出：人均GDP在預測年份一直呈增加趨勢，在不同情景下相差較小。在社會經濟子系統常規發展模式下，預計到2035年，人均GDP為21.49萬元;在社會經濟子系統優先發展模式下，人均GDP為21.73萬元;在社會經濟滯后發展模式下，人均GDP為20.81萬元。在水資源子系統優先發展時，2035年水資源供需指數大于1;當水生態環境子系統優先發展時，生態用水增加，但由于生態用水占用水比例較小，因此水資源供需指數有小幅度降低;在社會經濟滯后發展模式下，由于工業用水量降低，使得水資源供需指數略大于現狀仿真情景（情景1）。廢水排放總量、COD排放總量和氨氮排放總量在情景9和情景10最大，分別為4.37×106萬t、2.56×106 t和2.26×105 t，即在社會經濟子系統優先發展，水資源和水生態環境

子系統常規發展時最大;廢水排放總量、COD排放總量和氨氮排放總量在情景7和情景8最小，分別為3.68×106萬t、2.07×106 t和1.82×105 t，即在社會經濟子系統常規發展，水資源和水生態環境子系統優先發展時最小。在水災害子系統常規發展模式下，當社會經濟子系統優先發展時，洪旱治理投資為5 908億元;當社會經濟子系統常規發展時，洪旱治理投資為5 728億元。在水災害子系統優先發展模式下，當社會經濟子系統優先發展時，洪旱治理投資為7 579億元;當社會經濟子系統常規發展時，洪旱治理投資為7 348億元;在社會經濟滯后發展模式下，受較低的GDP影響，洪旱治理投資最低，為5 548億元。

4.2 不同情景運行結果評價

圖4為2019～2035年不同情景下的模型模擬結果評價指數。圖4中陰影部分為情景1，即現狀仿真情景時的評價指數。由圖4可以看出：基于現狀發展模式，區域整體水安全朝著更為安全的方向發展，2019～2027年，其評價指數位于等級2;2028～2033年，其評價指數位于等級3;2035年評價指數達到64.0分。其他15個情景中，僅情景9的評價指數低于情景1，2035年評價指數僅為62.0分，說明僅考慮社會經濟子系統的優先發展對區域整體水安全最為不利。僅考慮水資源系統優先發展（情景5）時，2035年評價指數為70分;僅考慮水生態環境系統優先發展（情景3）時，2035年評價指數為72.0分;僅考慮水災害系統優先發展（情景2）時，2035年評價指數為69.0分。

由此可以看出：僅單一系統優先發展時，到2035年區域整體水安全性均未到達等級5，說明單一子系統優先發展對區域整體水安全的提高作用有限。當社會經濟與水資源子系統發展模式一致時，水生態環境子系統優先發展的評價指數顯著高于水災害子系統優先發展的評價指數（即情景2和情景3，情景6和情景7，情景10和情景11，情景14和情景15）;當社會經濟與水生態環境子系統發展模式一致時，水資源子系統優先發展的評價指數要高于水災害子系統優先發展的評價指數（即情景2和情景5，情景4和情景7，情景10和情景13，情景12和情景15）;當社會經濟與水災害子系統發展模式一致時，水生態環境子系統優先發展的評價指數要高于水資源子系統優先發展的評價指數（即情景3和情景5，情景4和情景6，情景11和情景13，情景12和情景14）。在社會經濟滯后發展模式下，2035年評價指數為64.5分，略高于情景1，說明社會經濟的滯后發展對長江經濟帶整體水安全影響較小，較低的經濟發展速度有利于保障區域水資源安全和水生態環境修復。情景8評價指數最高，到2035年，其評價指數達到等級5，為83.0分，比情景1高19分，比情景9高21.0分，說明按照常規的社會經濟發展速度，綜合考慮水資源、水生態環境和水災害的發展模式為最優發展模式。

5 討 論

2019年，長江經濟帶水資源總量為1.28×104億m3[1]，水資源總量大，但隨著社會經濟的發展，水資源供需指數逐漸降低。雖然中國及長江流域水資源利用效率總體呈增加的趨勢，但大部分省區的水資源利用效率仍處于較低水平[14-15]。Kong等[16]分析長江經濟帶經濟增長與用水關系時，同樣發現減少用水、發展節水技術是實現長江經濟帶地區可持續發展的關鍵途徑。在所有發展模式下，區域水安全綜合評價指數在預測年份均不斷升高，說明長江經濟帶朝著更為安全的態勢發展。這與Luo等[17]和王曉宇等[18]的研究結論一致。

從不同情景模式區域的水安全綜合評價指數可以看出：所有情景中，只有社會經濟子系統優先發展時的評價指數小于現狀仿真情景的評價指數。單一子系統優先發展時，水生態環境子系統優先發展對評價指數的提高幅度最大，說明水生態環境治理是長江經濟帶水安全性提高的關鍵。但是，長江經濟帶目前正處于城鎮化進程快而生態環境不斷受到損害的發展階段[19]。因此，在長江經濟帶未來的發展中，若一味追求社會經濟水平的提高，對區域的整體水安全不利。周侃等[20]研究表明：長江經濟帶水污染物排放的主要驅動因素包括人口規模和城鎮化水平，水污染物排放量隨著人均GDP的增加而增加。Zhang等[21]研究同樣發現，人口規模和城市化是影響長江經濟帶污水排放的主要因素。Chang等[22]對長江經濟帶特大城市水安全的影響因素進行研究時，發現污水排放對所研究的特大城市水安全均具有負面影響。當社會經濟子系統優先發展時，會導致水生態環境子系統安全性降低，而水生態環境子系統安全又是區域整體水安全的關鍵。因此，僅考慮社會經濟發展的情景模式，其水安全綜合評價指數最低。從社會經濟滯后發展模式也可以看出，較低的社會經濟發展水平并不會導致區域整體水安全降低。DDC5D8F5-9718-4828-9ACB-B6D6E2228C46

如果保持常規的社會經濟發展速度，則綜合考慮，水資源、水生態環境和水災害的發展模式為長江經濟帶水安全的最優發展模式。因此，長江經濟帶在控制經濟增速的同時，應做到節約用水、加大治污減排力度、做好生態恢復和減少水災害損失，即“四水”協同發展，才能夠有效提升區域整體的水安全性。

6 結 論

本文借助于SD模型，分析了長江經濟帶“四水”與社會經濟的耦合關系，并分情景模擬和預測了2008～2035年長江經濟帶“四水”與社會經濟發展狀況，從而得出以下主要結論。

（1） 不同情景之間人均GDP相差較小。不同發展情景下，供水量基本能滿足用水需求。廢水排放總量、COD排放總量和氨氮排放總量在社會經濟子系統優先發展、水資源和水生態環境子系統常規發展時最大，在社會經濟常規發展、水資源和水生態環境優先發展時最小。社會經濟和水災害子系統優先發展均會使得洪旱治理投資增加。

（2） 基于當前的發展模式，區域整體水安全朝著更為安全的方向發展。到2035年評價指數可以達到等級4。

（3） 僅考慮社會經濟子系統的優先發展時，評價指數下降，對區域整體水安全不利。

（4） 對于單一子系統優先發展，其對區域整體水安全性的影響順序由大到小排列依次為水生態環境>水資源>水災害>社會經濟，說明對于長江經濟帶“四水”與社會經濟系統整體安全性而言，水生態環境最為重要。

（5） 在社會經濟子系統常規發展情況下，水資源、水生態環境和水災害子系統優先發展的模式評價指數最高，可以到達等級5。因此，按照常規的社會經濟發展速度，經綜合考慮，水資源、水生態環境和水災害的發展模式為最優發展模式。

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（編輯：趙秋云）

Construction and application of system dynamic model for ‘four-water and socio-economic

in Yangtze River Economic BeltⅡ：Scenario analysis of development model in 2035

YANG Li1，ZHANG Ruiqi2，LIU Haijun1，WANG Hongrui1，ZHAO Ziyang1

（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 constructed ‘four-water，namely the water ecology，water environment，water resources and water disaster，and socio-economic system dynamics model of the Yangtze River Economic Belt，16 different development scenarios were set up by selecting parameters with sensitivity greater than 5%，and the different scenarios were simulated and evaluated.The results show that the difference in GDP per capita between different scenarios is small.The total wastewater，total COD and total NH3-N emissions are the largest when the socio-economic subsystem is developed as a priority and the water resources and water eco-environment subsystems are developed as a routine，with 4.37×104 million t，2.56×106 t and 2.26×105 t，respectively，and the total wastewater，total COD and total NH3-N emissions are smallest when the socio-economic subsystem is developed as a routine and the water resources and eco-environment subsystems are developed as a priority，with 3.68×104 million t，2.07×106 t and 1.82×105 t，respectively.Under the priority development scenario of the socio-economic and water disasters subsystems，the investment in flood and drought management increases.In the forecast year，the overall regional water security moves to a safer direction，and in the status quo simulation scenario （Scenario 1），the water security level can reach Level 4 in 2035.For priority development of a single subsystem，its impact on the overall water security of the region has a descending order：water eco-environment>water resources>water disasters>socio-economic.The model of conventional development of socio-economic subsystem and priority development of water resources，water eco-environment and water disasters subsystem is the optimal development model.

Key words：

water ecology;water environment;water resources;water disaster;system dynamic model;scenario setting;simulation and evaluation;Yangtze River Economic BeltDDC5D8F5-9718-4828-9ACB-B6D6E2228C46