艾比湖流域社会经济与自然生态系统动力学仿真研究

来风兵， 陈蜀江（1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木齐830054；2.陕西师范大学旅游与环境学院，陕西西安710119）

艾比湖流域社会经济与自然生态系统动力学仿真研究

来风兵1，2， 陈蜀江2∗
（1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木齐830054；2.陕西师范大学旅游与环境学院，陕西西安710119）

文章以艾比湖流域为研究区，以系统动力学的理论、方法、模型为主要框架，综合运用计量经济学、资源与环境经济学、可持续发展等多种理论和方法，使用目前最新版本的SD建模软件Vensim，建立了艾比湖流域资源、环境和社会经济系统动态仿真模型。模型分为有机联系在一起的三个子系统：资源子系统、环境子系统和经济子系统。结果显示：（1）全流域耕作面积继续扩大，由2000年的432.5×103hm2，增长到2015年的499.6×103hm2和2020年的534.9×103hm2。（2）工业用水总量处于增加的趋势。（3）在人口增长预测方面，未来20年，流域人口以20.86‰的平均增长率增加。（4）随着社会经济用水的增加，艾比湖流域生态用水呈现逐年减少的态势。（5）流域工业污染较低，农业污染严重。

PRED系统；SD模型；艾比湖流域

PRED系统，是指人口（Population）、资源（Resource）、环境（Environment）与发展（Development）4个子系统通过相互作用、相互影响和相互制约，在一个具体的区域上复合而成的一个紧密联系的统一体。由人口、资源、环境与发展构成的流域PRED系统是一个具有高度复杂性、不确定性、多层次性的复杂开放巨系统［1－8］，协调PRED系统各个子系统间的关系已经成为当前重要的科学课题。

系统动力学（SD）方法是研究PRED系统的最有效方法之一。PRED－SD模型（Population－Resource－En⁃vironment－Development Dynamic Model）是基于流域协调发展的生态、经济和社会之间的相互作用关系，结合流域产业发展和循环经济发展模式，以及生态环境综合防护体系模式，根据系统动力学原理建立系统动力学模型，利用Vensim软件模拟流域综合治理和经济社会发展过程，既可以进行时间上的动态分析，又可以进行部门间的协调，它能对系统内部、系统内外因素的互相关系予以明确的认识，对系统内所隐含的反馈回路予以清晰的体现，从而能对系统进行模拟实验［9－13］，为流域合理开发实践提供科学依据，为干旱区相应研究提供研究方法参考。

1 艾比湖流域可持续发展SD动态仿真模型构建与模拟

1.1 研究区概况

艾比湖流域位于新疆维吾尔自治区西北部，准噶尔盆地西南。流域包括博尔塔拉蒙古自治州（赛里木湖集水区除外）、乌苏市、奎屯市、克拉玛依市的独山子区、托里县南部，流域面积50621km2。流域西、南、北三面环山，中间为谷地平原。东部为尾闾艾比湖，宏观上与准噶尔盆地连为一体。艾比湖流域气候干燥，降水稀少，年均降水量90.9mm。

艾比湖流域自古就是欧亚的交通要道。唐代开辟的“丝绸之路”北道，就是经过此地越过天山到达欧洲，现今该流域已是北疆地区重要的粮食基地、棉花基地、畜牧业基地和石油化工基地，第二亚欧大陆桥——北疆铁路出阿拉山口与哈萨克斯坦接轨，使艾比湖流域成为是我国向西开放的通道。在经济发展的同时，艾比湖流域脆弱的生态环境也付出了巨大的代价。从1975年开始流域单位面积人口数量超出联合国确定的干旱、半干旱地区临界值7人／km2的水平。2005年，单位面积人口数量达到17.2人／km2，每平方公里超出联合国确定的干旱、半干旱地区临界值10人。流域的经济发展与生态环境保护之间的矛盾日益突出，甚至尖锐化。

1.2 流域SD建模与数据处理

1.2.1 系统结构

按照流域内系统的功能，把流域生态系统分为环境系统、资源系统和社会经济系统。艾比湖流域环境系统属于典型的干旱区绿洲环境系统。绿洲是人类活动对生态环境系统干预最强、对自然景观改变最为明显的区域。艾比湖流域对自然资源的利用与生态环境系统关系较为密切的主要体现在土地资源、水资源和生物资源的利用方面，这三种资源的利用结构，直接控制流域物质、能量和信息的时空分配和生态系统的平衡。社会经济系统与生态环境系统的物质、能量关系主要考虑两个方面，一是人类从自然界中的获取，二是人类向自然界的排放。在艾比湖流域社会经济系统对自然资源的利用结构和利用强度在资源系统的构建中已得到体现，该部分主要考虑人类生产、生活对环境系统造成的污染。艾比湖流域人类活动对环境的污染主要表现在农业污染、城市生活污染和部分工业污染三个方面。

1.2.2 系统反馈关系

根据对艾比湖流域PRED系统的分析，选择其中各子系统的组成要素，并对其相关变量的主要因果关系链进行分析，确定各子系统之间及系统内部的反馈关系，绘制反馈关系图，如图1所示。

图1 艾比湖流域PRED系统因果关系反馈图

1.2.3 系统变量

系统变量是系统运行的基础支撑，因此用数学函数形式表达的系统变量务必接近真实系统。同时，有时由于数据不足或函数关系复杂，很难对各变量之间的关系用严格的数学关系加以表达，因此，必须采用简化、近似、概括等方法进行数据处理，来确定系统变量及其之间的关系［16－17］。本文模型参数的确定过程中采用了几何平均值法、加权平均值法等方法，模型的主要参数见表1。

表1 艾比湖流域SD模型主要参数指标

1.3 流域SD模型

艾比湖流域属于干旱半干旱地区，水资源的合理开发和利用是艾比湖流域可持续发展的关键，在建立流域SD模型的过程中，对水资源开发利用的仿真模拟是模型的核心，所以，本研究将流域水资源相关变量作为流域系统内各个子系统的接口变量，链接各子系统，使艾比湖流域环境系统、资源系统和社会经济系统组成一个以水资源为核心的生态系统。

依据SD建模原则和建模方法，艾比湖流域可持续发展SD模型空间边界包括3市1区1县，时间边界从2000年到2020年，2000～2010年间的各项数据用来校准和调试模型。在模型通过有效性验证后，将2000年作为模拟的基准年，参考艾比湖流域未来社会经济规划方案，仿真模拟2010年到2020年艾比湖流域环境、资源和经济各子系统变量数据。主要历史数据取自2000～2010年的统计年鉴，部分数据参考相关文献和研究区其他规划文件，构成了艾比湖流域可持续发展的SD动态仿真模型，如图2所示。

图2 艾比湖流域PRED系统SD模型流图

1.4 艾比湖流域PRED系统SD模型运行结果分析

1.4.1 流域农业用水仿真及预测

艾比湖流域内，农业需水预测包括种植业、林业和灌溉草场三类，通过选取代表性农作物进行农业需水量的预测。根据灌溉面积、田间灌溉定额、渠系水综合利用系数预测，进行种植业、林业和草场需水量预测，如图3所示。

图3 艾比湖流域农林灌溉用水量模拟预测

1.4.2 流域工业用水仿真及预测

目前艾比湖流域工业万元产值用水量为55.8m3。考虑到流域的工业发展现状，独山子、奎屯灌区工业万元产值取用水量到2020年时接近发达地区水平，其他地区2020年达到我国用水效率较高地区的21世纪初期的水平。以此为依据，预测出的工业用水量及工业产值，如图4所示。

图4 艾比湖流域工业用水量模拟预测

1.4.3 流域生活用水仿真及预测

生活需水预测分为城镇和农村两部分。城镇生活需水量不含城镇绿化用水量。农村生活用水为农村居民生活用水。艾比湖流域现状年人口城市化率达到37%，随着城市人口的加剧，预计2020年这一比例上升到56%。到2020年，城镇生活需水定额由现状的203升／人·天增长到245升／人·天。农村生活需水定额由现状的74升／人·天增长到102升／人·天。流域生活需水具体预测结果，如图5所示。

图5 艾比湖流域生活用水量模拟预测

1.4.4 流域生态用水的仿真及预测

艾比湖流域预期生态需水量为13.05×108m3，本研究仿真预测的艾比湖实际生态用水，如图6所示。

图6 艾比湖流域生态用水模拟预测与预期生态用水对比

1.4.5 流域环境污染的仿真与预测

艾比湖流域生态环境系统结构简单，系统相对封闭，对污染的自净能力低，易造成污染的积累。目前艾比湖流域的工业污染和生活污染环境污染的贡献较低；而农业由于农药，化肥的大量使用，其残留对水体和土壤造成的污染，以及地膜的大量使用和回收率不高，在土壤中的残留量大，造成土地的白色污染。农业污染的仿真与预测，如图7所示。

图7 艾比湖流域农业污染模拟预测

2 结论

通过对艾比湖流域社会经济与自然生态的模拟，文章主要得到以下结论：

2.1 全流域耕作面积继续扩大，将由现状年的432.5×103hm2，增长到2015年的499.6×103hm2和2020年的

534.9×103hm2。无疑将增加灌溉用水的总量。随着节水措施的加强，艾比湖流域种植业用水量在2010年达到26.20×108m3的峰值后，开始出现减少态势。种植业退出的水量可以用于发展林业灌溉和草场灌溉。对艾比湖流域农林各用水户需水量进行综合，预计艾比湖流域农林需水量将由现状年的29.76×108m3增加到

2020年的33.39×108m3。

2.2 工业用水总量小，但一直在处于增加的趋势。结合工业发展指标，对工业需水量进行预测，全流域2010年、2015年和2020年工业需水将分别达到0.91×108m3、1.14×108m3和1.38×108m3。全流域工业需水量新增量近0.5×108m3。

2.3 未来20年，流域人口以20.86‰的平均增长率增加。2000年艾比湖流域总人口95×104人，预计2015年为121.32×104人，2020年为134.51×104人，20年预计累计新增39.55×104人。相应的，全流域生活需水呈上升趋势，由现状年生活总用水量为0.42×108m3，预计2015年和2020年分别达到0.72×108m3和0.87×108m3。

2.4 随着农业用水、工业用水，生活用水等社会经济用水的增加，艾比湖流域生态用水呈现逐年减少的态势，与预期生态用水的差距越来越大。2000年，其生态用水为12.03×108m3，2010年为9.52×108m3，2015年为8.55×108m3，2020年为7.19×108m3，20年累计生态缺水达14.92×108m3，照此发展下去，艾比湖流域生态环境将继续退化，甚至恶化到艾比湖干涸、消失，流域成为新疆继塔里木河之后的第二大生态退化区。

2.5 流域工业污染较低，农业污染严重。艾比湖流域的经济属于农业经济，农业生产对环境的影响和污染主要体现在化肥的过量使用，和农用地膜的高残留率。艾比湖流域的污染物总量、化肥及地膜残留量处于不断增加的趋势，大量的使用化肥、地膜，致使耕地生产能力下降、耕地盐渍化，加剧流域生态环境的恶化。艾比湖流域工业主要集中在奎屯河流域2000年，其工业产值占到整个流域的89.6%。但对艾比湖流域来说，工业化程度还比较低，工业污染较轻。

3 讨论

3.1 在充分考虑艾比湖流域PRED的各项指标变量、综合各部门因果反馈关系情况下，本研究建立流域SD模型，经过有效性和真实性检验，模型能较为真实的模拟流域现状，并合理的预测流域未来。但流域PRED系统是一个复杂的巨系统，其涉及的关系和变量一直处于发展变化当中，故模型模拟和预测出现偏差在所难免。下一步研究中，将通过深入分析系统结构、结合其他预测方法优化模型，增加流域SD模型的可信度。

3.2 SD方法被誉为是“政策实验室”，在接下来的研究中，将调节模型中各相关变量的参数，提出流域可持续发展方案，为解决流域PRED问题提供依据。

3.3 用SD软件Vensim编程建模，“编程”实际上并不存在，只有建模的概念，模拟结果具有较高的仿真性，拟合程度较好，支持中文，模型阅读直观，是PRED理想的建模工具。

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System Dynam ic Simulation Study of Econom ic Resource and Environment in Ebinur Lake Basin

LAIFeng－bing1，2， CHEN Shu－jiang2
（1.College ofGeography and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi，Xinjiang，830054，China；2.College of Tourism and Environment Science，Shanxi Normal University，Xi’an，Shanxi，710119，China）

The PRED in The Ebinur Lake Basin is studied in this paper by SD，and based on it the SD linear models are constructed and simulated by Vensim software.The results show that：（1）the whole basin farming area continues to expand from 432.5×103hm2in 2000 to 534.9×103hm2in 2020.（2）the total industrialwater is small，but it has been in a trend of increase.（3）the next 20 years，the basin population increased at an average rate of 20.86‰.（4）ecologicalwater in the Ebinur Lake Basin shows a decreasing trend because amount of the water was used by industry，agriculture and living.（5）the industrial pollution of the basin is low，but the agricultural pollu⁃tion is serious.

PRED system；SD model；Ebinur Lake Basin

X21

A

1008⁃9659（2015）02⁃001⁃07

2015－03－14

新疆维吾尔自治区自然科学基金项目：艾比湖流域社会经济与自然生态协调发展SD动态仿真研究（2011211B18）

来风兵（1977－），男，新疆乌鲁木齐人，博士研究生，讲师，主要从事干旱区资源与环境可持续发展研究。

∗［通讯作者］陈蜀江（1960－），男，四川宜宾人，副教授，硕士生导师，主要从事遥感和地理信息系统方面的教学和科研工作。