协调模式下的吐鲁番地区水资源合理供求模式

伏吉芮+瓦哈甫·哈力克+姚一平

摘要：系统动力学基于系统理论，能够将用水子系统和供水子系统纳入到水资源供需系统中，并且可以分析每个子系统中各因素的变化对于整体系统的影响。而系统动力学软件Stella可以通过情景模拟来预测水资源供需的发展趋势。运用系统动力学的方法，结合吐鲁番社会经济发展和生态需水的实际情况，构建了吐鲁番水资源供需系统模型，设定四种不同的情景，仿真模拟了2013年-2030年吐鲁番地区水资源供需变化趋势，进而对该地区水资源供需平衡进行分析。研究结果表明：为实现水资源的优化利用，保证吐鲁番地区的可持续发展，还必须加大水利建设，增加水利投资，进一步实施节水措施，巧妙合理的利用水资源。

关键词：水资源供需系统；系统动力学；吐鲁番地区

中图分类号：TV213文献标志码：A文章编号：1672-1683（2017）01-0067-05

Abstract：System dynamics is based on the system theory.It can incorporate the water use sub-system and water supply sub-system into the water resources supply and demand system，and can be used to analyze the influence of the factors in each subsystem on the overall system.The system dynamics software Stella can predict the development trend of water supply and demand through scenario simulation.Turpan water resources supply and demand system model was constructed using the system dynamics method based on the actual situation of Turpan social economic development and ecological water demand.Four different scenarios were set to simulate the variation trend of water resources supply and demand in Turpan area in 2013-2030.Then analysis was conducted on the balance of water resources supply and demand in the region.Research results showed that in order to achieve optimal use of water resources to ensure sustainable development of Turpan area，we must intensify water conservancy construction，increase investment in water conservancy，further implement water-saving measures，and use water resources smartly and reasonably.

Key words：water resources supply and demand syste；system dynamics；Turpan area

近年来，随着工农业活动强度加剧，耗水量迅速增长，而水资源更新速度却落后于水资源消耗的速度，水资源安全所面临的威胁与日俱增[1-2]。基于此，专家学者们对水资源研究的出发点集中在如何充分合理利用水资源，以及协调经济发展，工农业生产活动和水资源之间的关系，实现经济、生态和资源效益的最大化，以达到可持续发展的目标。王友贞等[3-9]从水资源安全的角度出发对水资源承载力及水资源脆弱性进行量化分析，得出水资源安全利用的阈值范围，保证水资源的可持续使用。冯文琦[10]模拟了深圳市水资源配置；张衍广等[11-15]运用系统动力学对山东、北京、大连、崇明岛，宝鸡的水资源承载力进行了模拟研究。这些研究将系统动力学方法运用到水资源的模拟研究中，模拟了水资源的配置和水资源的承载力，将水资源和经济发展、工农业生产之间的关系进行了分析。高彦春[16]以汉中盆地为例进行了区域水资源的仿真模拟和决策优化，该研究将经济社会等方面的因素与水资源使用现状纳入一个总系统，进行系统模拟并得出最优的水资源使用决策。这些研究涉及地区虽较多，涉及水资源的承载力和脆弱性等多个方面，但运用系统动力学对干旱区的水资源进行仿真模拟研究的较少。

吐鲁番是典型的干旱区破碎绿洲，绿洲作为一个独立存在的生态系统，具有唯水性，如果没有水，绿洲将不复存在。吐鲁番水资源极度缺乏，水资源对绿洲区域经经济的发展有着至关重要的作用[17]，如何配置有限的水资源来确保可持续发展是该地区面临的难题。本文以吐鲁番地区为例，对该地区的水资源供需系统进行动态仿真模拟。结合该地区的实际情况，分析研究水资源的需求状况，从而实施适当的调控，使水资源得到合理利用，实现水资源的高效配置，从而实现该地区的可持续发展。

1 研究区概况

吐鲁番地区位于中国新疆维吾尔自治区东部，是中国内地连接中国新疆、中亚地区及南北疆的交通枢纽[18]。吐鲁番盆地是我国海拔最低的盆地，区内艾丁湖海拔为-154 m。该地区属于典型的干旱区破碎绿洲，气候是独特的暖温带大陆性干旱荒漠气候，因地处盆地之中，四周高山环抱、增热迅速、散热慢，形成了日照长、气温高、昼夜温差大、降水少、风力強五大特点，素有“火州”、“风库”之称。年均降水量16.4 bmm，由于炎热干燥，蒸发量特别大，因此该地区水资源十分匮乏。近年来，该地区经济发展迅速，旅游、工矿企业规模迅速增长，因此有必要对该区水资源的供需平衡进行分析，以便更有效地利用水资源，促进吐地区合理发展。

2 研究方法

2.1 系统动力学方法

系统动力学（system dynamics）简称SD，是美国麻省理工学院福瑞斯特教授1956年创立的，系统的基本结构单元是反馈回路，即系统的状态、速率（决策）与信息的回路。系统动力学的基本方法包括因果关系流图、流图、方程和仿真平台。通过对系统的分析，确定变量之间的关系、构建方程、建立模型，将模型输入计算机进行仿真模拟，可以设定不同的情景，对系统进行仿真。文中所采用的系统动力学软件是Stella。2.2 水资源供需系统模型构建

2.2.1 子系统分析

（1）需水子系统。需水子系统由工业需水、农业需水、生活需水和生态需水构成。在吐鲁番绿洲内，农业用水的比例是最大的，有的年份高达98%，一般年份也会在95%以上。在2013年时生态需水为0.66亿 m3，农业需水和生态需水较多，工业用水为0.51亿 m3，生活用水为0.21亿 m3。

（2）供水子系统。供水子系统主要包括本地常规水资源和再生水的回用。吐鲁番地区的常规水资源主要是冰雪融水，由于废污水处理技术和设备限制，再生水回用量也不多，占水资源总量的0.8%。近年来，随着气候变化，冰雪融水也在不断减少，2013年只有10.6亿 m3。水质性缺水，季节性缺水在该地区也较为明显。

（3）社会经济子系统。该系统主要由人口、GDP、城市化水平和产业规模等构成。人口总量由人口增长率决定，城市人口和农村人口的数量由城市化率决定，GDP和产业规模反映的是该地区的经济水平，由各产业的增长率决定，水利投资由地区生产总值决定。

（4）水环境子系统。该系统主要由废污水排放、处理及再生水回用量组成。吐鲁番地区的废污水处理技术和废污水处理设施滞后于整个产业的发展，这也是该地区中水利用率低的一个重要原因。

2.2.2 模型构建

根据吐鲁番地区水资源供需的实际情况，建立水资源供需系统仿真模型（图 1）。模型中的变量如下（因变量名称较长，因此用变量全名拼音的第一个字母组合来代替）。

（1）状态变量 （L）。总人口（ZRK）、农田灌溉面积（NTGGMJ）、农田灌溉单位面积用水量（NTGGDWMJYSL）等9个状态变量。

（2）速率变量 （R）。人口增量（RKZL）、灌溉面积增量（GGMJZL）、农田单位面积灌溉用水增量（NTDWMJGGYSZL）等9个速率变量；

（3）辅助变量 （A）。城镇人口（CZRK）、农村人口（NCRK）、农村生活需水量（NCSHXSL）、城镇生活需水量（CZSHXSL）、城镇生态需水量（CZSTXSL）、生产需水量（SCXSL）等22个变量。

（4）常量 （C）。模型中所包含的常数、表函数和初始值。

该模型共包含40个系统动力学方程：22个辅助方程、9个状态变量方程、9个速率变量方程。用Stella软件对模型进行运行，检验结果表明该模型构建合理，以2013年为基准年，模拟2009年-2013年吐鲁番地区的人口、GDP和总需水量，模拟结果与实际数据误差均小于5%（见表1），符合要求，说明该模型的模拟结果可信。

3 情景模拟及结果

3.1 情景设计

以2013年为基准年，对吐鲁番地区的社会发展、人口变化与水资源供需平衡情况进行模拟分析，（步长为1 a），终止年为2030年。水资源供需系统调控参数及方案见表2。

（1）情景一。假设在人口、经济发展水平、水资源承载力维持现有状况下的发展，将这种情景下的发展模式称其为现状延续模式。

（2）情景二。假设主要突出经济发展，以提高各产业的增加值的增长率，产业规模扩大为目标的发展，将这种情景下的发展模式称其为经济发展模式。

（3）情景三。假设重点在于提高水资源的管理技术，旨在构建节水型社会，形成节水型生产生活方式。在模拟过程中，减少城乡人均生活用水定额、万元产业增加值用水定额增长率，提高有效灌溉系数等。将这种情景下的发展模式称其为节水模式。

（4）情景四。假设在节水模式的基础上，对经济发展速度和产业结构进行调整，在水资源短缺的情况下，使该地区社会经济和生态协调发展。同时，提高污水处理率和再生水回用率，适当增加在水利建设方面的资金投入。我们将这种情景下的发展模式称为协调发展模式。

3.2 模拟结果

选取GDP、人口变化、供需压力、总需水量等主要指标来说明模型的仿真模拟结果及其变化趋势比较见图 2。

在情景一中，2030年吐鲁番地区GDP为0.056×1012元，总需水量16.1亿 m3，水资源供需壓力达到1.5，水资源供需缺口大，水利投资随着社会经的发展逐渐增加，污染影响系数为0.755，水环境污染严重。如果延续这种现状，水资源短缺将日益严重。

在情景二中，2030年吐鲁番地区GDP为0.083×1012 元，总需水量17.3亿 m3，水资源供需压力高达1.79，远远超过情景一。虽然在这种情景下，生产总值升幅很大，但是水资源压力非常大，而且由于产业规模迅速扩大，废污水的排放量也增加，对吐鲁番极度脆弱的生态环境来说，这种具有高经济效益的发展是以生态环境的破坏和资源的枯竭为代价的。这种发展是不可持续的发展。

在情景三中，2030年吐鲁番地区GDP将达到0.09×1012 元，总需水量达到15.3亿 m3，水利投资逐年递增，达到1.55×108元；水资源供需压力虽然呈现缓慢稳定增长状态，但小于情景一和情景二；污染影响系数为0.73，这说明水资源污染问题依然较为严重。预测结果说明，节水措施对于缓解水资源供需矛盾起到了一定作用，但是水资源污染的问题依然存在。

在情景四中，水资源供需处于一个可持续发展状态，发展到2030 年，水资源的供需压力为0.98，比情景一的1.5、情景二的1.79都小，这说明水资源供给能力可以支撑当地的可持续发展。

情景三虽然达到了节水的目的，但对于经济发展有制约，因此不是最优选择，情景二突出经济发展，但是是一种不可持续的发展，情景一是在没有任何调控下延续现状的发展，这种发展对生态环境和水资源的压力较大，难以维持长久。吐鲁番地区在情景四（协调发展模式）下，实行再生水利用、将再生水、地表水，地下水进行统一配置。水资源供给基本能够实现可持续发展的要求，关键在于以消耗较少的水资源，获得了较高的经济效益，因此在该情景下，水资源的使用效率最高。随着吐鲁番地区城镇化的快速发展，水资源的需求量将不断增加，到2030年，总需水量依然是增长的趋势。随着城市化率的提高，农村人口大量向城市转移，导致城市生活人口增加，从而需水量增加，而农村生活用水有所减少，城镇生态需水总量略有增长。由于节水措施和有效灌溉系数的提高，农田有效灌溉面积增长，但是由于吐鲁番地区的农业属于灌溉农业，用水量大，所以农业用水并没有减少，反而是略有增长。由于产业规模扩大的需要，工业需水量会继续增长，第三产业需水量会随着产业规模的逐渐扩大而稳定增长。

4 结语

随着人口数量增加，人们生活水平提高，吐鲁番水资源的供需矛盾日益强化。在模拟时间段内，水资源的需求会不断增长，但是水资源的更新却赶不上需求增长的脚步。在新丝绸之路经济带建设的背景下，吐鲁番地区的经济发展显得尤为重要，水资源安全所面临的威胁就是城市发展所面临的威胁。在全球变暖的大环境下，该地区的雪山融水供应能力有限，要缓解水资源的紧张状况，就必须做到优化产业结构，合理布局各产业，在招商引资的过程中拒绝耗水企业进驻吐鲁番，已进驻该地区的企业，尽量要求升级生产设备，以减少污染，减少水资源消耗；农业方面，全面发展滴灌技术，实现节水农业，保证地区的可持续发展。（本文数据来源于《吐鲁番统计年鉴（2002-2014）》 、《新疆水资源公报》和《吐鲁番地区国民经济和社会发展统计公报》。同时结合了课题组2012年-2015年在研究区的野外调查数据）

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