北方半干旱地区水资源利用“零增长”研究——以内蒙古自治区通辽市为例

徐冬平 ， 李同昇 ， 赵 波 ， 杨军辉

(1.西北大学 城市与环境学院，西安 710127；2.西安理工大学 a.土木建筑工程学院，b.西北旱区生态水利工程国家重点实验室，c.教务处，西安 710048；3.西安外国语大学 旅游学院，西安 710128)

北方半干旱地区水资源利用“零增长”研究
——以内蒙古自治区通辽市为例

徐冬平1,2a,2b， 李同昇1， 赵 波2c， 杨军辉3

(1.西北大学 城市与环境学院，西安 710127；2.西安理工大学 a.土木建筑工程学院，b.西北旱区生态水利工程国家重点实验室，c.教务处，西安 710048；3.西安外国语大学 旅游学院，西安 710128)

水资源是制约区域发展特别是半干旱地区发展的决定性资源因素，合理配置有限水资源、实现水资源需求的“零增长”是促进半干旱地区可持续发展的关键。选取典型半干旱地区——内蒙古通辽市为案例地，利用系统动力学方法，研究其水资源的配置方式，找寻区域经济发展水资源需求“零增长”的时间节点，确定与之相对应的产业结构特点和发展趋势，为政府制定合理的经济社会发展政策提供理论参考。研究表明：通辽市社会经济发展将在2018年前后达到约束型的水资源“零增长”；“三产引领发展模式”是有利于实现区域可持续发展的最优模式；“一产现代化发展模式”是符合通辽市社会经济基础的最可能模式。

水资源；零增长；系统动力学；半干旱地区；通辽市

0 引言

水资源作为人类社会生存发展的根本性资源，其合理开发利用将推动经济发展和社会进步[1]。水资源的永续利用是自然资源可持续性研究的最重要问题之一，随着人类对水资源需求的快速增加，特别是进入21世纪以来，全球水资源开采量急剧攀升，众多国家和地区都出现了水资源危机，这不仅在全球范围内制约着经济发展、社会稳定，而且严重威胁着人类生存安全[2-3]。

在此背景下，合理配置有限的水资源、提高水资源承载力成为研究的热点，如区域水资源承载力研究[4-5]、流域水资源承载力研究[6-7]以及具有特殊地理特征地区(干旱地区、绿洲地区等)的水资源承载力研究[8-9]等。但已有研究主要集中在水资源宏观利用的空间格局上[10]，较少从中、微观角度探究水资源开发利用的时空特性对地区经济、社会发展的约束。在此背景下提出水资源利用“零增长”的发展模式，并以中国北方半干旱地区为对象开展研究。水资源“零增长”的研究主要集中于宏观用水结构方面，如牟海省[11]提出了中国水资源“零增长”的概念，何希吾等[12]利用产业结构分析法、刘昌明等[13]利用横向比较法探讨了中国用水总量出现“零增长”的可能性，魏鸿等[14]探讨了中国水资源实现“零增长”的发展模式。此类研究为中国水资源利用的可持续性提供了有益的理论探索，但尺度过于宏观难以为地方经济、社会发展提供具有实践意义的指导。

水资源利用“零增长”的发展模式主要可以概括为无约束零增长和约束零增长两种方式。前者可以分为用水无约束零增长和供水无约束零增长，后者可以分为水资源限制零增长和迫近零增长。无约束零增长方式一般在国家或者地区的水资源利用技术条件趋于成熟的条件下实现，是一种积极主动型水资源零增长方式，20世纪60—80年代诸多发达国家如荷兰、瑞典、美国等国家实现了水资源的“零增长”[15]。约束零增长主要受迫于水资源的开发极限或者开发法规(如水资源红线)的限制，无法扩大水资源的开发规模，是一种消极适应型水资源零增长方式。消极适应型水资源零增长方式更应该采取积极应对的措施，不断调整产业结构，依靠内涵式发展方式，提升增长质量，节约用水，在实现经济、社会的长足进步的同时不断提升水资源的利用效率，逐步实现水资源的无约束零增长。

中国北方半干旱地区特指东部季风区向西北干旱地区的过渡带，区别于川滇半干旱地区，通常年平均降水量在250～400 mm，降水量少，水资源短缺，限制了地区经济和社会的发展[16]。中国北方半干旱地区主要包括内蒙古中、东部地区及河北张北、山西雁北、陕西北部、宁夏南部的西海固、甘肃定西、榆中和青海的玉树、果洛以及西藏拉萨等地区在内的雨养农业区。考虑到中国北方半干旱地区东西跨度巨大，各地的自然资源以及社会经济发展条件相差悬殊[17]，本研究选取具有代表性的内蒙古自治区通辽市作为研究对象。

进入21世纪以来，内蒙古的社会经济发展取得了长足的进步，特别是通辽市已成为内蒙古经济增长的一个重要增长极，对内蒙古的经济发展具有重要的带动作用。然而，通辽市地处半干旱地区，水资源总量及人均拥有量都处于较低水平，未来经济发展出现缺水的局面不可避免，这已在发达地区和发达国家得到印证[18]。因此，揭示半干旱地区水资源开发利用的规律，探究区域水资源实现“零增长”的可能性，探究水资源“零增长”条件下的社会经济发展特征，这对于促进半干旱地区实现社会、经济、生态的可持续发展具有长远的战略意义。

1 系统动力学仿真研究

1.1 系统动力学方法

研究水资源可持续利用的常用方法有生态足迹[19]、情景分析[20]、投影寻踪[21]、VAR模型[22]、系统动力学[23]等方法，其中系统动力学的优势是能够较好地处理非线性、时变、多重反馈等问题。采用SD模型对水资源“零增长”研究，能够较好地反映经济、社会各需水子系统及子系统内部各要素之间非线性的反馈关系，可模拟得到在不同经济社会发展情景下的需水诉求。

利用系统动力学方法建立通辽市水资源利用“零增长”仿真模型，研究边界为通辽市行政区划范围，目的是通过系统动力学模型来模拟不同的社会、经济发展情景下通辽市社会、经济、生态等子系统在发展过程中的需水状况，找寻通辽市水资源系统出现“零增长”的时间节点，给出这一时间节点相对应的经济、社会和生态的发展状态。利用系统动力学仿真软件Vensim建立系统动力学模型(图1)，以水资源的缺乏程度(缺水度)作为约束机制，通过长时间序列(2001—2014年)统计资料建立水资源与各子系统的约束关系，表达水资源对社会经济发展的制约程度。以第二产业子系统为例，当水资源系统缺乏时，即缺水度大于零时，系统缺水触发二产发展调整系数，二产发展调整系数根据缺水程度调整二产发展增速调节，二产发展增速调节通过增速调节改变二产产值增长，实现缺水对二产产值的约束过程，约束的结果是二产需水量降低，进而改变总需水量，完成二产用水子系统的反馈约束过程。本研究的第一产业用水子系统、第三产业用水子系统存在类似的“反馈—调节”回路，诸多回路的共同作用保证社会经济发展系统是在水资源总量约束下合理发展。

由于实际系统存在不可预知的因素，导致不能完全模拟现实系统运转情况，本研究建立的模型也存在如此的瑕疵，如在研究第二产业用水过程中，参照发达国家和地区的二产进步和用水变化情况，逐步降低研究区域的用水定额，但是其技术进步的过程和程度存在着不可预测性，在总体能够反映区域用水趋势的情况下会出现局部模拟失真情况，这是未来需要进一步研究的问题。

图1 通辽市系统动力学模型Fig.1 System dynamics model of Tongliao City

1.2 基础数据

与水资源支撑系统具有直接相关关系的有生活子系统、生产子系统、生态子系统三大子系统，本研究分别确定各子系统的代表性指标并建立系统动力学模型。生活子系统指标有城镇生活需水量、农村生活需水量、标准羊需水量(为简化模型，将区内普遍养殖的牲畜，如牛、猪等换算成标准羊计量)、农村人口数量、城镇人口数量、标准羊数量等指标；生产子系统主要包括一产需水量[24]、二产需水量、三产需水量、一产总产值、农田面积、二产总产值、三产总产值等主要指标；生态系统主要包括1个指标，即生态用水量，表明生态系统可用水量的丰度情况。同时，利用多年的统计数据确定生活、生产两大子系统中各部分用户的用水定额，作为模型建立各子系统与水资源总量的关联关系的基础，运行系统动力学模型，模拟得出区域未来经济、社会、生态发展的态势。由于某一地区的降水保证率在某种程度上存在不可预测性，综合考虑近年来通辽的降水保证率情况，本研究拟以75%水平年作为研究的降水保证水平。研究数据主要来源于《通辽统计年鉴》(2001—2015年)、《通辽市水利公报》(2010—2015年)。

1.3 模型检验

系统动力学模型仿真模拟结果一般与现实的系统存在一定的误差，如果误差能控制在合理范围内，一般认为系统动力学模型仿真结果反映的经济、社会发展趋势比较客观。以2011年作为模型的运行起点，以2013，2014年的运行数据作为模型的检验数据，选取主要的经济技术指标作为检验对象，主要包括一产需水量、总需水量、一产总产值、三产总产值、人均生产总值、城镇总人口等指标，指标涵盖面较广，涉及到用水、生产、社会发展等各方面，较真实地反映了模型运行结果的误差范围(表1)。2013年与2014年的计算值与实际值之间的误差率基本控制在5%之内，并且误差方向基本保持一致，说明建立的系统动力学模型比较可靠，能够用来模拟通辽市用水以及社会经济发展的运行状况。

表1 误差比对表Tab.1 Table of error ratio

说明：供水量是指当年实际供水值，需水量是指模型计算模拟值。

2 水资源系统动力学情景分析

2.1 自然增长模式

自然增长模型是研究过程中的基础模型，主要研究通辽市社会经济发展在不受水资源短缺影响下的发展状态。随着社会经济的发展，产业结构和用水结构都发生着巨大的变化。在自然增长模型下，2020年产业结构为16∶47∶37，用水结构为62∶28∶3∶6(第一产业用水∶第二产业用水∶第三产业用水∶生活用水)，此时第一产业需水份额较大，相对应产值较低，第二产业和第三产业的用水较少，产值相对较高；2030年，产业结构为9∶38∶53，用水结构为43∶41∶8∶7，此时由于节水技术的采用，一产需水量稍减，但是在总需水量中的份额骤减，减少了19%，而二产需水量激增了将近1倍，份额飞涨了13%，三产需水量的份额也发生了一定的变化，达到8%，生活需水量的份额基本保持不变，与用水结构同向变化的是其产值，一产产值在降低，二产和三产在增加；2030年时生态用水量已经被生产用水和生活用水完全挤占，不能满足需要。在自然增长模式下，经济保持高速的发展，通辽市的缺水程度也发生了变化，模拟显示在2018年，首次出现缺水的现象，随后缺水的情况越来越严重，至2030年缺水度达到28.9%，这表明通辽市现有的水资源总量已经不足以支撑经济社会的高速发展了，水资源是制约其发展的重要瓶颈因素(表2)。因此，调整发展速度及产业结构，使经济社会保持快速发展的同时水资源能够保持“零增长”的开发利用态势具有一定理论和现实意义。

2.2 一产现代化发展模式

作为玉米商品粮的重要产地，保证国家粮食安全是通辽市重要的职责，在面临缺水的局面下，如何分配水资源、调整产业结构将是通辽市政府面临的重大抉择。因此，建立“一产现代化发展模式”的系统动力学模型，在用水配给时，优先保证农业生产用水，并且不断提高农业现代化水平，减少亩均用水定额[25]，提升农业灌溉系数[26]。运行系统动力学模型结果表明：在一产现代化发展模式下，总需水量不断减少，接近通辽市可利用水资源的阈值，在2018年后基本实现了水资源利用的“零增长”(2018年总需水量31.35亿m3)；农业生产虽因节水灌溉技术的应用需水量在降低，但仍是需水大户，这种水资源配置方式保障了粮食生产的需要，第二产业用水、第三产业用水增长率不大，年均分别在3%和5%左右；从产值来看，GDP增速保持在7%左右，一产产值增速达到10%，快于二产和三产增速，但是一产生产的附加值较低，其在产业结构中的份额仍低于二产和三产，二产虽然在三次产业结构中占绝对优势，但至2030年已呈下滑趋势，说明经济发展的动力已呈疲态(表2)。

一产现代化发展模式虽然保障了粮食生产，但是水资源过多地配给第一产业,限制了二、三产业的发展，致使二、三产业发展速度较慢。

2.3 二产主导发展模式

第二产业是社会经济的发动机，2014年通辽市的产业结构是15∶51∶34，经济发展正处于罗斯托所说的“走向成熟阶段”，此阶段需要为第二产业发展提供大量的资源保证和政策扶持。考虑到水资源约束的条件，建立二产主导发展模式，将有限的水资源优先保证第二产业发展，对一产和三产进行一定程度的限制。二产主导型发展模式下的通辽市在2019年后将实现水资源的“零增长”(2019年总需水量31.36亿m3)，其后的社会经济发展对水资源的需求基本保持在水资源供给阈值内；用水结构发生了改变，第一产业部门用水虽然在绝对量上仍然保持最大，但其用水增长率持续下降，年均增长率为-1.8%，二产用水需求逐年增加，增速保持在5.6%，用水比例逐渐加大，至2030年达到38%；相比较于一产现代化发展模式，二产主导发展模式中的GDP保持了较高的増速，年均增速达到8.8%，产业结构的质量大幅度提高，由一产现代化发展模式的22∶47∶31提升为7∶63∶30，产业结构提升效果明显(表2)。

2.4 三产引领发展模式

通过提高第三产业的用水支持力度，建立通辽市经济社会“三产引领发展模式”的系统动力学模型。通辽市总用水在2019年后基本保持“零增长”的态势(2019年总需水量31.40亿m3)，三次产业的用水结构发生了变化，第一产业需水主导地位不变，第二产业用水略有降低，第三产业需水量同比一产现代化发展模式和二产主导发展模式增加明显；由于第三产业的水资源利用效率较高，三产引领发展模式带动了通辽市GDP的快速增长，年均增速保持在10.37%，促进了产业结构发生了质的变化，实现了产业结构由“二、三、一”向“三、二、一”的转变，实现了产业结构的优化升级。总体来说，三产引领发展模式合理配置了水资源，大幅度提高水资源综合利用效率，更加有利地促进了地方经济的快速发展，是一种优先选择的经济社会发展模式(表2)。

表2 4种发展模式的社会经济发展预测Tab.2 The social and economic development forecast of four development models

说明：需水结构中不含生态用水比例；*自然增长模式在2030年的用水效率315.69元·m-3，为缺水状态下的模拟值，实际不可能发生。

3 结论

通过对通辽市水资源配置的系统动力学研究，发现除自然增长模式不受水资源数量限制外，其余3种发展模式均在2018年前后实现水资源的“零增长”发展模式，但这种“零增长”的模式属于“约束型零增长”模式，说明水资源已经成为约束通辽市社会经济发展的制约因素。因此，区外调水将是缓解半干旱地区今后经济、社会发展对水资源大量需求的有效方案。

除自然发展模式外，一产现代化发展模式、二产主导发展模式以及三产引领发展模式都是现实中可行的发展模式，通过分析水资源利用总量可知，3种模式均已达到水资源可利用的上限，没有继续上升的空间；从3种模式今后的GDP总量和水资源利用效率角度分析，三产引领发展模式的GDP总量和水资源利用效率均为最高值，是最优发展模式，二产主导发展模式次之，一产现代化发展模式发展效果较差。因此，从发展角度看，三产引领发展模式是有利于实现区域发展的最优模式。

从案例地的现实条件分析，虽然三产引领发展模式是最优发展模式，但并不适合通辽市经济社会的发展，近期难以实现；二产主导发展模式是经济社会发展的次优选择，但通辽市工业基础薄弱，不能提供工业快速发展所需的必要的技术、人员、资金等条件，近期内也较难实现；一产现代化发展模式虽然用水量较大，但却符合通辽市的社会经济发展基础，是一种合理的发展模式。因此，大力发展节水农业，提升水资源在第一产业部门的利用效率，是提高区域水资源支撑能力的重要举措。

人地关系地域系统是具有动态性、多层次性和耗散性特点的复杂开放巨系统[27]。目前，该领域的研究侧重于人地关系的某一方面或者某些方面，缺乏全方位、多角度的综合。囿于人地关系系统的复杂性，现阶段较为综合的研究无法将区域内产业发展过程的技术采用问题进行细致的刻画，这种局限性在局部范围内一定程度上影响研究的精度，但不影响全局范围水资源开发利用趋势的模拟仿真，今后需要与经济学、社会学等领域合作，克服这种系统的局限性，提高模型仿真研究的精度，丰富人地关系地域系统的理论和实践。

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Zero Growth of Water Resource Utilization in the Northern Semi-arid Area Based on the System Dynamics Model:A Case Study in Tongliao City of Inner Mongolia Autonomous Region

Xu Dongping1,2a,2b, Li Tongsheng1， Zhao Bo2c， Yang Junhui3

(1.CollegeofUrbanandEnvironmentScience,NorthwestUniversity,Xi’an710127,China; 2a.SchoolofCivilEngineeringandArchtecture, 2b.StateKeyLaboratoryofEcologicalWaterConservancyintheNorthwestAridArea, 2c.AcademicAffairsOffice,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048,China; 3.SchoolofTourism,Xi’anInternationalStudiesUniversity,Xi’an710128,China)

In this paper, a case study was made by taking Tongliao City as a typical semi-arid city. The method of system dynamics was used to analyze its allocation of water resources in order to seek the time node for “zero growth” of water resources demand in regional economic development as well as to clarify structural characteristics and development trend of the corresponding industry, and provide useful theoretical reference to regional governments to formulate reasonable economic and social development policies. Along with its social and economic development, Tongliao will achieve “zero growth” of water demand under binding force around 2025; the “tertiary industry-led development mode” is the best mode to achieve the regional sustainable development; the “primary industry modernized development mode” is most likely to accord with the social-economic situation of Tongliao.

water resources； zero growth； system dynamics; semi-arid region; Tongliao City

2015-11-20；

2016-10-24

水利部公益基金项目(201501031)；国家自然科学基金项目(51479160)；西安理工大学科学研究计划(104-256210922)

徐冬平，男(1978-)，吉林松原市人，讲师，博士，主要从事人文地理与区域发展研究，(E-mail)379821411@qq.com。

李同昇(1960-)，男，陕西岐山县人，教授，博士生导师，博士，主要从事经济地理与区域发展研究，(E-mail)leetang@nwu.edu.cn。

F127.41

A

1003-2363(2016)06-0092-05