岩溶生态脆弱区水安全动态模拟及其演变机制

苏 印, 官冬杰, 苏维词

(1.重庆交通大学 建筑与城市规划学院, 重庆 400074;2.重庆师范大学 地理与旅游学院, 重庆 400047; 3.贵州科学院 山地资源研究所, 贵州 贵阳 550001)



岩溶生态脆弱区水安全动态模拟及其演变机制

苏 印1, 官冬杰1, 苏维词2,3

(1.重庆交通大学 建筑与城市规划学院, 重庆 400074;2.重庆师范大学 地理与旅游学院, 重庆 400047; 3.贵州科学院 山地资源研究所, 贵州 贵阳 550001)

[目的] 揭示影响贵州省城市水安全的主要驱动因子，为贵州省相关部门提供参考和科学依据。 [方法] 基于系统动力学方法建立水安全系统模型，仿真模拟贵州省水安全系统的贵阳模式、遵义模式、毕节模式和协调型模式4种不同模式下的水资源子系统、水环境子系统、水灾害子系统的发展演变规律。 [结果] 农业灌溉用水定额、水土流失面积比、水质达标率和环境资本投资率是贵州省水安全系统的主要驱动因子；在协调型模式下，贵州省水安全系统在2025年以前处于最佳状态，比其他3种模式优越。 [结论] 在不同情景模式的模拟下，只有在协调型模式下水资源子系统、水环境子系统、水灾害子系统处于最佳状态，能够获得最大的经济效益和环境效益。

水安全系统; 系统动力学; 情景参数; 贵州省

文献参数： 苏印, 官冬杰, 苏维词.岩溶生态脆弱区水安全动态模拟及其演变机制[J].水土保持通报，2016,36(4)：9-15.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.002

中国西南地区拥有世界上最典型的热带到亚热带岩溶景观，尽管西南岩溶地区降水丰富，但由于特殊的地质背景和环境特征，导致水资源赋存和分布规律十分复杂，开发利用难度大，工程性缺水严重[1]。随着国家“西部大开发”战略的实施，贵州省城市用水量和污水排放量急剧增加，以水资源短缺和水污染严重为特征的水危机已成为贵州省各大城市发展中突出的制约因素[2]，水安全问题威胁着我国西南岩溶地区社会经济环境的发展[3]。国外学者从不同角度对水安全给予关注，如Martijnvanden等[4]研究了英国的水安全；Godwin等[5]对水安全和水利用做了研究；Phillips[6]对水管理的研究；Lucija[7]研究了区域水安全和大气的关系； Bassi[8]进行了区域水循环的研究；Martin[9]研究了水安全对区域生态系统的影响；Yakimenko[10-11]和Shchedrin等[12]分别就水质和水安全的发展计划做了研究。以往的研究主要集中在对水资源问题[13]或水环境问题[14]的单一要素的评价上，并且忽略了水灾害产生的影响。本研究从系统论的角度出发，分别从水资源子系统、水环境子系统和水灾害子系统了解贵州省近几年水安全发展模式，找出水安全问题较为严重的区域，以及影响贵州省城市水安全的主要因素，提出切实可行的水安全保障措施，为决策者和管理者提供科学依据。

1　研究区概况

贵州省地处云贵高原东部，地势西高东低，平均海拔1 100 m左右。国土面积1.76×105km2，其中山地占61.7%，丘陵占30.8%，山间坝子占7.5%，是全国唯一没有平原支撑的内陆山区省份。该省岩溶分布广泛、发育强烈，岩溶出露面积1.1×105km2，占该省国土面积的62%。特殊的地形地貌，造成贵州石多土少，易受侵蚀，水土流失严重。省内河流以中部偏南的苗岭为分水岭，北部属长江流域，包括乌江水系、洞庭湖(沅江)水系、牛栏江和横江水系、赤水河和綦江水系；南部属珠江流域，包括南盘江水系、北盘江水系、红水河水系和都柳江水系，全省河流顺地势由西部、中部向北、东、南三面分流。

2　研究方法

系统动力学SD(system dynamics)模型是建立在控制论、系统论和信息论基础上研究反馈系统结构、功能和动态行为的一类模型，其突出特点是能够反映复杂系统结构、功能与动态行为之间的相互作用关系，对复杂系统进行动态仿真试验，从而考察复杂系统在不同情景(不同参数或不同策略因素)下的变化行为和趋势，提供决策支持[15]。本研究使用的建模软件是Vensim，模型运行时间为2005—2025年，仿真步长为1 a。主要的数据来源于《贵州统计年鉴(2005—2012年)》《贵州省水资源公报(2005—2012年)》《贵州省环境统计公报(2005—2012年)》《城市居民生活用水量标准GB/T50331-2002》。

2.1模型结构

贵州省水安全模型作为一个动态、复杂的系统，涉及到的变量因子种类复杂多变，但尚能通过5个基本子系统来全面涵盖贵州水安全系统的全部内容，即水资源子系统、水环境子系统、水灾害子系统、人口子系统、经济子系统。

水资源子系统的主要研究内容是观察全省水资源量方面的变化，通过研究社会经济的发展对水资源量的改变，进而了解水资源承载力对全省社会经济发展的承载情况。水环境子系统主要研究贵州省水质方面的情况，预测未来贵州省水质变化情况，进而观察水环境承载力对全省社会经济发展的承载情况。水灾害子系统主要研究洪涝灾害对该省经济社会的影响，随着社会经济的发展，对水利设施的建设加大投入，增强了抵御水灾害的能力，减少经济损失，降低水灾害的风险。

人口子系统在水安全这个巨系统中占有重要地位，反映人口对贵州省岩溶地区水资源和水环境造成的压力，反映人口对生态环境破坏造成的水灾害影响，反映人口对社会经济发展的影响。经济子系统主要研究的是通过水资源、水环境和水灾害的不断输入，研究经济产出与各输入系统之间的关系。反映研究地区的经济发展水平，反映经济发展对研究区水资源水环境的影响。

2.2模型有效性验证

水安全SD模型建立后，为确保其仿真结果和实际系统相符，模型应用前需要对模型有效性进行检验。SD模型的检验方法一般分为4种：直观检验、运行检验、历史检验和灵敏度分析。其中直观检验和运行检验已在建模过程中实现，这里主要针对历史检验和灵敏度分析对模型进行有效性验证。

2.2.1历史检验对模型进行历史检验，将仿真计算出的总人口、GDP与2005—2010年的实际值进行对比验证，发现仿真值和历史值误差均小于10%(图1)，说明模型具有较高的可信度。

2.2.2灵敏度分析灵敏度分析是验证模型有效性的重要方法，一个稳定性好且有效的模型应具有较低的灵敏度。灵敏度分析是通过调节模型中的参数，来分析参数变化对模型变量输出结果产生的影响[16]。本研究采用灵敏度模型对系统灵敏度进行分析，其公式为[17]：

(1)

式中：t——时间；SQ——状态变量Q对参数X的灵敏度；Q(t)，X(t)——Q和X在t时刻的值； ΔQ(t)，ΔX(t)——Q和X在t时刻的增加量。

对于n个状态变量(Q1，Q2，…，Qn)，任一参数X在时刻t的灵敏度平均值为：

(2)

式中：n——状态变量个数；SQi——Qi的灵敏度；S——参数X对n个状态变量的平均灵敏度。

因水安全系统中涉及较多参数和变量，只选取系统内较为关键的6个参数和6个变量根据其2005—

2010年数据进行分析。每次变化其中一个参数(增加10%)，分析其对6个变量的影响。灵敏度分析结果详见表1。

由表1可知，只有工业废水排放达标率参数对系统的灵敏度达到10%，其余参数对系统灵敏度均低于10%，表明系统对参数的灵敏度较低，稳定性较强。综合历史检验结果，该模型可以用于贵州省水安全实际系统模拟。

表1　贵州省水安全系统关键参数的灵敏度分析结果

3　贵州省水安全系统模型分析

3.1贵州省水安全系统调控参数的选择

通过分析制约因素，确定模型主要影响因子，对主要影响因子进行参数调节。分析比较不同影响因子变化对系统趋势影响的程度，明确影响水安全系统特征的主要驱动因子。选择水安全系统的14个主要参数，分别变化了3%，2%，1%,-1%,-2%,-3%，观察各个参数对水安全综合指数这一变量的影响，从而根据灵敏度斜率确定影响贵州省水安全的主要驱动参数(表2)。

经研究分析可知，所有常数参数对2025年水安全综合指数的灵敏度都在合理范围之内(小于10%)，模型行为模式并没因为参数的微小变动而出现异常变动，因此模型是可信的，而且表明模型可以应用政策实验室进行模拟分析。14个常数参数中，人口自然增长率、GDP年增长率、农业灌溉用水定额、林牧渔畜用水定额、城市人均生活配水额、城市化率、水土流失面积比、石漠化面积比8个参数的灵敏度斜率为正，而水资源利用率、水质达标率、工业废水排放达标率、生活污水处理率、环境资本投资率、水利投资比6个参数的灵敏度斜率则为负。灵敏度斜率为正值说明参数值的增加将引起2025年水安全综合指数的上升，灵敏度斜率为负值则相反。

水安全综合指数是驱动力指数、压力指数、状态指数、影响指数和响应指数的代数和的综合表现。综合指数为零，表明水资源系统处于平衡状态，综合指数大于零，水资源变的不安全，综合指数值越大，则代表水资源状态越不安全；综合指数小于零，水资源是安全的，综合指数值越小，水资源状态就越安全。利用灵敏度斜率的正负特性，提高灵敏度斜率为负的参数值，或者降低灵敏度斜率为正的参数值，可以达到降低水安全综合指数的目的，使城市水安全综合状态越来越安全；相反，会使城市水安全综合状态越来越不安全。这些参数对2025年水安全综合指数的影响程度大小(灵敏度斜率绝对值)依次为：农业灌溉用水定额>水土流失面积比>水质达标率>环境资本投资率>GDP年增长率>水资源利用率、城市人均生活配水额、水利投资比、城市化率、林牧渔畜用水定、工业废水排放达标率>生活污水处理率、石漠化面积比、人口自然增长率。灵敏度斜率绝对值越大，说明参数灵敏性越强。即改变灵敏度斜率绝对值大的参数，在参数改变相同比率前提下，比改变灵敏度斜率绝对值小的参数更容易达到影响目的。

表2　各参数对贵州省2025年水安全综合指数的变化

利用灵敏度正负特性以及灵敏度斜率绝对值大小特性，我们可以分析得出降低水安全综合指数，保障贵州省城市水安全的途径为：降低农业灌溉用水、人均生活配水，提高水土流失治理面积、水质达标率和环境资本投资率。

3.2不同情景参数的设定

根据以上分析，收集相关资料，在计算机上用系统动力学专用模拟分析软件VENSIM PLE对贵州省“水安全”模型进行模拟运行，检验模型与实际情况的吻合程度，对存在的问题进行改进，在对历史数据的模拟结果和灵敏度检验达到误差允许的范围之内后，开始对贵州省“水安全”进行仿真模拟。本文在得到调控参数的基础上，设定了代表贵州省城市水安全发展的3种模式：贵阳模式、遵义模式、毕节模式，以及调试后的协调型模式，具体相关参数详见表3。

表3　贵州省不同水安全发展模式情景参数值

3.3贵州省水安全系统模拟特征分析

水资源缺口为水资源供应量与水资源需求量的差值，用来表征水安全系统下的水资源子系统的安全状况。从图2可以得知，贵阳模式从2005—2017年水资源缺口为负值，表示水资源供应量低于水资源需求量，水资源供应不足，缺口较小，但是水资源缺口从2017年开始持续增大，增大的速度越来越快，到2025年贵州省水资源缺口值将达到1.02×1010m3；遵义和毕节模式2005—2017年水资源缺口为正值，表示水资源供应量高于需求量，水资源供应盈余，但是遵义模式从2020年开始变成负值，并逐渐增大；毕节模式从2019年开始出现负值并增大；协调型模式下，分别降低农业灌溉用水定额和城市人均配水额10%，到2025年协调型模式水资源缺口比贵阳模式提高30%，比遵义模式提高了4%，比毕节模式提高了15%，水资源缺口值是最低的，并且延缓了水资源缺口继续增大的这种趋势。

污水排放量表征水安全系统下水环境子系统的安全状况。从图3可以看出，从2011年开始，贵阳、遵义、毕节3种模式下的污水排放量都在逐渐增大，毕节模式下的污水排放量最多，污水排放量的增长速度也是最快，其次是遵义模式，然后是贵阳模式。到2025年贵阳模式下污水排放量为3.70×108t，遵义模式下是6.60×108t，毕节模式下是9.90×108t，在协调型模式下，提高了工业废水排放达标率2%，排放量为3.00×108t，协调型模式污水排放量比贵阳模式降低18.9%，比遵义模式降低了54.5%，比毕节模式降低了69.7%，污水排放量是最少的，并且污水排放量的增长速度也是最慢的，是环境友好型的发展模式。

图2　贵州省不同模式水资源缺口的变化

图3　贵州省不同模式污水排放量的变化

以贵州为中心，涉及云南、川南、重庆、湖南、广西等省(市、区)部分县份的西南岩溶地区，从2009年以来连续3 a均出现大旱，造成上千万人口的饮水困难和大量耕地绝收，严重影响当地居民的正常生活和生产。造成岩溶地区频繁大旱、人畜饮水困难的主要原因，虽与近几年降水偏少、岩溶地区特殊的地质地貌有关，但与过去很长一段时间在水利工程规划建设和资金投入上受重视不足有很大关系。水利建设投资用来表征水安全系统下的水灾害子系统的安全状况，图4显示在2009年贵阳、遵义、毕节模式下的水利建设投资均较低。从2015年开始，水利投资建设均加大了投资力度，贵阳模式到2025年将达到150亿元，遵义其次，毕节模式增长最低。在协调型模式下，分别提高环境资本投资率和降低水土流失面积比约10%，到2025年相应的水利建设投资比贵阳模式提高了10%，比遵义模式提高了78.7%，比毕节模式提高了186.2%。

水安全综合指数代表了水安全系统的综合安全状态，是水资源子系统、水环境子系统、水灾害子系统的综合反映。图5显示，贵阳模式下水资源是安全的，到2018年综合指数开始大于零，水资源状态出现不安全，逐渐有向不安全发展的趋势；遵义模式下水资源状态是不安全的，水安全综合指数大于零，经历了先上升后下降的趋势，安全级别低于贵阳模式；而毕节模式下的水资源不安全级别高于前两种模式，从2005年开始水安全综合指数大于零并在不断升高。在协调型模式下，分别降低农业灌溉用水、人均生活配水，提高水土流失治理面积、水质达标率和环境资本投资率，到2025年相应的水安全综合指数比贵阳模式降低了45.5%，比遵义模式降低了50%，比毕节模式降低了80.3%，水安全综合指数是4种模式中最低的，水安全系统安全级别是最高的。

图4　贵州省不同模式水利建设投资的变化

图5　贵州省不同模式水安全综合指数的变化

4　讨 论

4.1贵州省水安全演变机制分析

贵州省水安全系统演变驱动因子主要表现在两方面：一是自然条件下的气候变化和岩溶脆弱的生态地貌约束。气候变化导致降水异常变化，而夏季降水的增加，也在一定程度上加大了该地区洪涝灾害发生的频率。有研究[2]表明，年降水微弱增加甚至减少时，洪涝灾害发生的概率也加大；贵州省在2025年前，水资源缺口会保持持续增大这一演变趋势，且从2019年开始各种模式下，水资源缺口演变的速率在加快。主要由于贵州省以岩溶洼地为主体，多年平均降雨量在900～1 300 mm，水资源丰富，人均水资源占有量为2 829 m3，是全国人均的1.26倍，但岩溶洼地具有“山(地)高水低”、“雨多地漏”等特点。形成特殊的“岩溶干旱”现象，使湿润的贵州岩溶洼地成了典型的“缺水区”。二是人类用水活动，主要体现在水利建设、农业灌溉用水、生活配水和工业废水排放达标率。有研究指出，到2020年毕节城镇生活废水处理率和工业废水排放达标率将提高到85%，废水排放量日趋减少，生态环境向着良性方向发展[18]。同时人们对水灾害适应性对策研究不足，“山(地)高水低”是岩溶洼地的高原面与深切峡谷河流高差大，大都为200～800 m，峡谷河流水流湍急，水量丰富，而需要供水的林耕地和村寨，大多分布在相对破碎的高原面上，兴建高扬程的提水泵站供水，投入大、经济效益差，投入远大于产出。水灾害的演变有一定的不确定性，但在水利设施的保障下，水灾害的发生将会减少。有研究[19]表明，该地区洪旱灾害发生的频率增大将加剧区域水资源利用及生态环境保护的难度。

4.2最优化模式选择

贵阳市地处黔中经济区核心圈，是西南地区的交通枢纽，是贵州省政治、经济与文化的中心，经济社会发展各项指标位居该省前列。经过贵州省水安全系统模拟分析，认为贵阳市水安全系统的重点布局为：以提高水资源子系统的安全级别为首要任务，兼顾水环境和水灾害子系统的投入，应合理规划取水工程，可进行跨区域调水来补充缺乏的水资源，应积极开发已查明的地下河和地下水测点，以增加地下库容及调蓄能力。这与《贵州省十二五水利规划》中关于贵阳市提出的“优先保障工业化、城镇化需水，加快节水型社会建设。”是一致的。

遵义市地处黔中经济区，属于国家提出规划的长江中上游综合开发区主要区域和成渝经济区重要辐射区，是中国西部重镇之一。经过贵州省水安全系统模拟分析，认为遵义市水安全系统的重点布局为：以提高水环境和水灾害子系统的安全级别为主，应加强水利设施的建设，增加水利投资经费，防洪抗旱，做好应对水灾害的措施。这与《贵州省十二五水利规划》中关于遵义市提出的“以大江大河支流和中小河流治理为重点，全面提高防洪减灾能力，大力实施坡耕地综合整治，尽快启动革命老区水土保持综合治理。”是相符的。

毕节市地处毕水兴经济带，是1988年6月国务院建立的“开发扶贫、生态建设”试验区，也是水利部水利重点扶持地区。经过贵州省水安全系统模拟分析，认为毕节市水安全系统的重点布局为：在水安全系统的各个方面都要加强管理的措施，首先要合理调度水资源，同时改善生态环境和水环境，防止岩溶地区土壤石漠化，提高岩溶山区的旱涝灾害抵抗能力。这与《贵州省十二五水利规划》中关于毕节市提出的“保障工业化、城镇化需水；加大中小河流治理的力度，全面提高防洪减灾抗旱能力，以草海、冷水河雨帽山草本沼泽湿地生态保护为重点，结合水源地保护措施，积极开展湿地保护与建设。”相吻合。

协调型模式综合调控了水资源子系统、水环境子系统、水灾害子系统，是另外3种模式的最优组合。其他模式可参照协调型模式进行调控，以达到各种模式下的最佳水安全状态。

5　结 论

(1) 影响贵州省水安全系统的主要驱动因子一是自然条件，二是人类的用水活动。

(2) 当前贵州省水安全的3种发展模式：贵阳模式、遵义模式、毕节模式在水安全系统的各个方面均存在不同程度的隐患，贵阳模式主要表现在水资源供需方面；遵义模式体现在水环境和水灾害方面；毕节模式在水资源、水环境和水灾害都表现出了危机。

(3) 基于贵州省水安全4种模式下的模拟分析，在协调型模式下，水资源子系统、水环境子系统、水灾害子系统都是最佳状态，在2025年以内水资源供给基本能够满足社会经济发展的需求，且能够获得最大的经济效益和环境效益。

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Development Simulation of Water Security and Its Evolvement Law in Karst Ecological Fragile Area

SU Yin1， GUAN Dongjie1， SU Weici2,3

(1.SchoolofArchitectureandUrbanPlanning,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China; 2.CollegeofGeographyandTourism,ChongqingNormalUniversity,Chongqing400047,China;3.InstituteofMountainResources,GuizhouAcademyofSciences,Guiyang,Guizhou550001,China)

[Objective] The impact factors of urban water security in Guizhou Province were studied to provide basis for policy-making of local government. [Methods] A water security system model for Guizhou Province, China was established using system dynamics(SD) method. In the model, data of water security system from 2005 to 2025 were used and four scenarios(Guiyang model, Zunyi model, Bijie model and concerted development model) were analyzed. [Results] The major driving factors of the water security system in Guizhou Province included the agricultural irrigation water quota, soil and water losses area, ratio up to the standard of water quality and the investment of environmental protection. The concerted development model is the best solution for water security system by 2025 in Guizhou Province for the four scenarios. [Conclusion] In terms of water resource, water environment and water disaster, the concerted development model was proved to be a profitable solution both in economy and environment.

water security； system dynamics； scenario parameters； Guizhou Province

2015-08-28

2015-10-08

国家自然科学基金项目“三峡库区生态安全后续发展动态模拟及其可视化预警评价”(41201546)； 国家十二五科技支撑计划项目(2012BAJ25B09)； 重庆市自然科学基金项目(cstc2012jjA20010)； 重庆市研究生科研创新项目(CYS14159)

苏印(1990—),男(汉族),山西省大同市人,硕士研究生,研究方向为喀斯特地区水资源利用与保护。E-mail:sy736291845@163.com。

官冬杰(1980—),女(汉族),黑龙江省富锦市人,博士,教授,主要从事生态环境监测和保护方面的研究。E-mail:guandongjie_2000@163.com。

B

1000-288X(2016)04-0009-07

P641.8