基于SD 的綠洲城市群水資源保障能力與發展模式研究

孫建光

(新疆財經大學 統計與數據科學學院，新疆 烏魯木齊 830012）

水資源短缺嚴重制約城市群城市化進程與社會經濟發展［1］,提升城市群水資源保障能力成為當務之急。為此,水利部強調“以水定城”,實行最嚴格水資源管理制度,城市水資源合理配置逐漸成為研究熱點［2-4］。國家城市群發展規劃推動了基于城市群的水資源優化配置研究［1,5］,但國內城市群水資源優化配置研究大多集中于較發達的環渤海、京津冀、長株潭和珠三角城市群,西北干旱區城市群的水資源系統合理配置研究較少。系統動力學(SD)方法因在處理水資源系統的非線性、復雜性、動態性等方面具有諸多優點而逐漸成為水資源系統配置研究的主要方法［2,6-8］,其中基于SD 模型的城市群水資源合理配置研究逐漸增多［5］,主要涉及水資源承載力［9］、需水預測［8］、水資源供需分析［2,4,6］和水資源優化配置［7］等方面。

在水資源剛性約束下,提高水資源保障能力對于推動干旱區綠洲城市群高質量發展具有重要意義。本文從水資源供需管理角度出發,以區域經濟、社會與生態和諧發展為目標,綜合考慮生產、生活和生態環境需水量,采用SD 模型,設計新疆烏(烏魯木齊市)昌(昌吉市)一體化綠洲城市群不同水資源配置方案,以期為城市群水資源系統合理配置與高質量發展模式選擇提供參考。

1 研究區概況與數據來源

烏昌一體化綠洲城市群包括新疆首府烏魯木齊市、昌吉市、阜康市、五家渠市,既是天山北坡城市群的核心區,也是“絲綢之路經濟帶”的核心區。流經該區域的頭屯河和烏魯木齊河水資源開發率超過80%,地下水嚴重超采,生態用水緊缺,城市群發展與水資源供需矛盾亟須解決。

本研究所用數據主要來源于烏昌一體化綠洲城市群各市的水資源公報、《中國水利年鑒》《新疆維吾爾自治區城市、縣城建設統計年報》《新疆統計年鑒》《烏魯木齊統計年鑒》《昌吉回族自治州統計年鑒》《阜康市統計年鑒》《新疆生產建設兵團第六師五家渠市統計年鑒》等資料。

2 研究方法

城市群水資源系統是一個由人口、經濟、生態、水資源等子系統構成的復合系統。基于城市群水資源系統結構和影響因素分析,首先確立城市群水資源系統各子系統之間的關系及各子系統內部結構,然后建立烏昌一體化綠洲城市群SD 仿真模型,模擬水資源系統的動態變化并進行結果分析。烏昌一體化綠洲城市群水資源系統涉及水資源供求、生活用水、生產用水、生態用水、廢污水排放、地區生產總值、總人口等主要影響因素,可通過建立SD 模型來定量描述。

人口子系統SD 方程:

式中:TP、BP、DP和MP分別為總人口、出生人口、死亡人口和遷移人口數量；P0為人口初始值；INTEG為SD 模型軟件VENSIM 中的函數；BR、DR和MR分別為出生率、死亡率和遷移率；UP和UR分別為城鎮人口和城鎮化率。

經濟子系統SD 方程:

式中:AI、AC分別為農業灌溉面積和灌溉面積變化量；IG、ΔIG、TG和ΔTG分別為工業生產總值、工業生產總值變化量、第三產業生產總值和第三產業生產總值變化量；RI和RT分別為工業和第三產業生產總值變化率；AI0、IG0和TG0分別為農業灌溉面積初始值、工業生產總值初始值和第三產業生產總值初始值。

生態子系統SD 方程:

式中:GA、ΔGA、GA0和RG分別為綠化面積、綠化面積變化量、綠化面積初始值和綠化面積變化率；WD、UD、ID和TD分別為污水年排放量、城鎮生活用水量、工業用水量和第三產業用水量；UC、IC和TC分別為城鎮生活、工業和第三產業污水排放系數；ST和TR分別為污水處理量和污水處理率。

水資源子系統SD 方程:

式中:WS、US、DS和MS分別為供水總量、地表水供水量、地下水供水量和中水利用量；WD、LD、PD和ED分別為需水總量、生活需水量、生產需水量和生態需水量；AD、ID和TD分別為農業需水量、工業需水量和第三產業需水量；LA、PI和IU分別為灌溉面積、單位灌溉面積用水量和灌溉水利用系數；GA和PA分別為綠化面積和單位綠化面積用水量。

3 基于SD 的烏昌一體化綠洲城市群的水資源保障能力模擬方案

參照烏昌一體化綠洲城市群烏魯木齊市、昌吉市、五家渠市和阜康市“十三五”規劃中的社會經濟發展目標,確定現狀延續型、經濟發展型、資源節約型、環境友好型和協調發展型5 種水資源保障能力模擬方案。

(1)現狀延續型方案。根據2020—2030 年烏昌一體化綠洲城市群發展戰略,到2030 年,城市群的城鎮化率將達到68%,工業生產總值年增長率穩定在8%,第三產業生產總值年增長率穩定在10%。

(2)經濟發展型方案。烏昌一體化綠洲城市群各城市“十三五”規劃中的社會經濟發展目標與現狀延續型方案相比,工業生產總值年增長率提高到10%,第三產業生產總值年增長率提高到13%,地區人口遷移變化率設定為1%；考慮技術進步因素,設定灌溉水利用系數為0.78,萬元GDP 工業用水量減少5%。

(3)資源節約型方案。與現狀延續型方案相比,主要通過減小灌溉面積、提高灌溉水利用系數減少農業需水量；在水資源高效利用的同時,減緩經濟發展速度,加大環境保護力度,將污水處理率和再生水回用率分別提高到99%和35%；工業生產總值和第三產業生產總值年增長率分別調整為7%和10%,萬元工業增加值用水量減少10%。

(4)環境友好型方案。盡量減少城市產生的污染,提高城市環境質量。與現狀延續型方案相比,將污水處理率提高到99%,生活和工業COD 排放濃度分別降為122.4、71.1 mg/L,綠化面積年增長率提高到3%,人口自然變化率設定為1%。

(5)協調發展型方案。以資源節約和環境友好型城市為目標,考慮技術進步、人口變化以及經濟發展,將城市群工業生產總值年增長率調整為10%,第三產業生產總值年增長率調整為13%,灌溉水利用系數提高到0.78,城市綠化覆蓋面積年增長率提高到3%,污水處理率提高到99%,中水利用率提高到30%,生活和工業COD 排放濃度分別降為122.4、71.1 mg/L。

4 結果分析

4.1 不同方案的城市群水資源保障能力分析

由烏昌一體化綠洲城市群各方案的水資源供需變化模擬結果(見表1)可知,2020—2030 年不同模擬方案需水總量均呈上升趨勢,供水總量均呈下降趨勢,水資源供需比也呈現下降趨勢,表明未來水資源保障能力逐漸降低。資源節約型方案2020—2030 年水資源供需比大于1,供需平衡且略有結余。協調發展型方案2020—2029 年水資源供需比大于1,供需平衡且略有結余；2030 年水資源供需比為0.98,供需差額為-0.35億m3,出現水資源短缺情況。環境友好型方案2020—2027 年水資源供需比大于1,供需平衡且略有結余；2028 年及以后水資源供需比小于1,供需差額為-0.35 億～-1.36 億m3,出現水資源短缺情況。現狀延續型和經濟發展型方案2020—2027 年水資源供需比不小于1,水資源供需平衡且略有結余；2028 年及以后水資源供需比小于1,現狀延續型和經濟發展型方案水資源供需差額分別為-0.27 億～-1.37 億m3和-0.66億～-2.21 億m3,出現水資源短缺情況。不同方案的水資源保障能力大小排序為資源節約型＞協調發展型＞環境友好型＞現狀延續型＞經濟發展型。各模擬方案的水資源保障能力都大于2030 年75%保證率下的水資源供需比預測結果0.85,資源節約型方案和協調發展型方案水資源保障能力也都大于2030 年50%保證率下的城市群水資源供需比預測結果0.95。因此,總體上烏昌一體化綠洲城市群基于SD 模擬方案中資源節約型方案和協調發展型方案水資源保障能力較大。

表1 基于SD 的2020—2030 年烏昌一體化綠洲城市群水資源供需不同方案模擬結果 億m3

與現狀延續型方案相比,資源節約型、環境友好型和協調發展型方案的水資源供需矛盾均有所緩和,其中:資源節約型方案2030 年需水總量比現狀延續型方案下降13.00%,水資源供給能夠滿足需求；環境友好型與協調發展型方案2030 年需水總量比現狀延續型方案分別下降0.51%、3.30%。可以看出,烏昌一體化綠洲城市群的資源節約型、協調發展型和環境友好型方案2030 年水資源供需比均接近1,基本可實現水資源供需平衡；資源節約型方案水資源保障能力最大,經濟發展型方案最小。

4.2 不同模擬方案的城市群產業用水結構優化及其用水效率分析

基于SD 的2020—2030 年烏昌一體化綠洲城市群各產業需水量不同方案模擬結果見表2。2020—2030年,烏昌一體化綠洲城市群各模擬方案第一產業用水量年增長率平均下降2.78%,這得益于節水技術應用使得用水效率逐漸提高,但2030 年第一產業用水量仍有8.55 億～9.31 億m3,占總用水量的37.3%～40.5%；城市群用水結構調整仍有較大空間。環境友好型方案第一產業用水量與現狀延續型方案差別不大,其他方案第一產業用水量明顯減少；2025 年前其他各方案差別不大,2025 年后資源節約型方案節水效果逐漸與其他方案差別明顯。2030 年,資源節約型方案第一產業需水量比現狀延續型方案減少0.76 億m3,降低8.2%；經濟發展型與協調發展型方案第一產業需水量比現狀延續型方案均減少0.35 億m3,降低3.76%。烏昌一體化綠洲城市群不同模擬方案工業需水量與第三產業需水量均呈上升趨勢,其中:經濟發展型方案的工業需水量和第三產業需水量最高,與現狀延續型方案相比,2030 年分別增長18.39%和25.00%；其次是協調發展型方案,2030 年第三產業用水量比現狀延續型方案增加11.54%、工業需水量比現狀延續型方案增加0.53%；資源節約型和環境友好型方案的工業需水量比現狀延續型方案分別下降19.44%和10.58%,第三產業用水量變化不大。總之,烏昌一體化綠洲城市群的各模擬方案第一產業用水量持續降低,工業和第三產業需水量持續增加,產業用水結構不斷優化。與現狀延續方案相比,協調發展型方案第一產業需水量降低最大且供需水缺口最小；資源節約型和環境友好型方案次之；經濟發展型方案的工業和第三產業需水量增加最多,會導致供需水缺口增大,加重水資源短缺。

表2 2020—2030 年烏昌一體化綠洲城市群各產業需水量不同方案模擬結果 億m3

2020—2030 年烏昌一體化綠洲城市群工業和第三產業生產總值不同方案模擬結果見表3。2020—2030 年,較現狀延續型方案,經濟發展型方案工業生產總值增速最大,為24.63%；協調發展型方案增長11.71%；資源節約型方案和環境友好型方案增速均下降。各產業用水效率各不相同:經濟發展型方案需水量與工業和第三產業生產總值變化幅度最大,資源節約型和環境友好型方案需水量與工業和第三產業生產總值變化幅度最小；協調發展型方案工業、第三產業生產總值與其需水量都呈增長趨勢,其中協調發展型方案2030 年工業生產總值增長11.71%、工業需水量增加0.53%,第三產業生產總值增長11.69%、第三產業需水量增加11.54%,表明調整產業結構能提高生產用水效率。顯然,烏昌一體化綠洲城市群協調發展型方案用水效率最高,資源節約型和環境友好型方案用水效率最低。

表3 2020—2030 年烏昌一體化綠洲城市群工業和第三產業生產總值不同方案模擬結果 萬元

4.3 不同模擬方案的城市群生活需水量與生態需水量

2020—2030 年烏昌一體化綠洲城市群生活需水量和生態需水量不同方案模擬結果見表4。2020—2030 年,烏昌一體化綠洲城市群各模擬方案的生活需水量年均增長率為1.26%～1.62%,均呈上升趨勢。與現狀延續型方案相比,經濟發展型方案生活需水量僅下降6.70%,下降幅度最小；其他各方案生活需水量下降20.00%左右,因此烏昌一體化綠洲城市群的資源節約型、環境友好型和協調發展型方案都能夠保證總人口穩定增長的生活需水量要求。烏昌一體化綠洲城市群各方案生態需水量大小排序為現狀延續型＞經濟發展型＞協調發展型＞資源節約型＞環境友好型。各模擬方案的生態需水量年均增長率為1.29%～1.41%。與現狀延續型方案相比,經濟發展型和協調發展型方案生態需水量較大,兩方案綠化覆蓋面積都增加14.21%；而環境友好型和資源節約型方案生態需水量則較低,兩方案綠化覆蓋面積都變化不大。2030 年烏昌一體化綠洲城市群COD 排放不同方案模擬結果見表5。2030 年經濟發展型方案的COD 排放量比現狀延續型方案增加8.67%,環境友好型、資源節約型和協調發展型方案COD 排放量分別降低23.01%、19.69%和16.42%。因此,烏昌一體化綠洲城市群的經濟發展型方案會使生態環境惡化,而環境友好型、資源節約型和協調發展型方案對生態環境都有改善作用,其中環境友好型方案和資源節約型方案較優。

表4 2020—2030 年烏昌一體化綠洲城市群生活需水量和生態需水量不同方案模擬結果 億m3

表5 2030 年烏昌一體化綠洲城市群COD 排放不同方案模擬結果

綜合考慮生產、生活和生態環境模擬效果,協調發展型方案是烏昌一體化城市群水資源配置的最優方案。

5 結語

綜合考慮生產、生活和生態環境,協調發展型方案的水資源綜合保障能力最大,資源節約型和環境友好型方案次之。烏昌一體化綠洲城市群在水資源剛性約束下的未來發展最優模式是基于資源節約和環境友好的資源環境和經濟協調發展。協調發展型方案2030年的水資源供需比為0.98,基本能夠保障未來城市群發展的水資源需求；第一產業用水量降低,工業和第三產用水量增加,用水結構不斷優化；用水效率得到提高,生活用水得到保障,生態環境得到改善。未來可利用多目標規劃模型,在協調發展型方案的基礎上,進一步對敏感性參數進行優化調整,確定更理想的模擬方案,更好地保障烏昌一體化綠洲城市群的水資源供給,優化用水結構,實現水資源高效配置。