基于SD模型的铁岭市水资源循环经济研究

陈祖辉

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

对水资源承载力进行科学合理的研究评价是影响铁岭市水资源循环经济可持续发展的决定性因素。目前，结合循环经济发展模式的水资源供需能力的研究还相对较少，且往往将其作为其他相关利用，并未形成全面、科学的水承载力的研究理论体系。

目前用于水资源承载力研究的主要方法有多目标决策法、主成因分析法、模糊综合判断法以及系统动力学法，上述不同的计算方法各自具有不同的特点和优点，在不同的应用领域均具有一定的适用性，但同样存在一定的不足和缺陷，应结合研究区域的实际情况选择合适的评价方法[1- 3]。

1 铁岭市水资源及社会经济现状

1.1 水资源概况

铁岭市位于辽宁省北部，随着工农业的快速发展以及人口数量的急剧增大，其水资源供需矛盾日益紧张，城镇居民日常生活用水受到威胁，局部地区的用水紧张问题明显制约着人们生活质量的提高和生态经济的发展速率[4]。据气象资料研究表明，铁岭市多年平均降雨量在616～725mm之间。降雨在时空分布上明显不均匀，其中6～9月是降雨的旺季，降雨量占全年的68.2%以上，在空间上由东南向西北方向呈逐渐减少趋势[5]，目前铁岭市对地表径流的有效拦截利用率仅有22.8%。辽宁省用水现状调查结果显示，铁岭市的每年用水量仅有12.54亿m3，生活用水量约为0.47亿m3，按城镇人口算其人均占有量仅为426m3，明显低于全国平均水平；地下水资源的主要用途为农业灌溉用水和工业用水，工业用水为0.78亿m3，农业用水为11.5亿m3。该区域曾多次发生供水紧张的局面，并对经济的发展产生了不良影响，且因生活垃圾以及工业污水的处理不当产生的二次污染现象严重，不仅破坏了水系统的生态平衡，水资源系统也进入恶性循环[6]。

1.2 社会经济概况

铁岭市土地面积为12966km2，主要有3个市辖区和2个县级市、2个经济开发区，2010年的常住人口为305万人，其中非农业户口为100.1万人；农业户口为204.9万人，占总人口的67.2%。2015年铁岭市的GDP生产总值相比2014年其增长率分别为7.2%、15.8%和13.5%，三类产业增加值分别占GDP生产总值的比重为22.7%、48.6%和28.7%。然而其农业灌溉平均用水量、水资源占有量、万元工业增加值所需水量还低于有关平均用水量和用水效率的基本标准[7]。

2 构建水资源承载力SD模型

2.1 模型的建立

2.1.1 系统动力学简介

系统动力学即SD科学是结合了计算机仿真技术和反馈控制理论的综合科学，可用于对较大复杂系统的变化规律和发展趋势研究，并且能够对多个关联系统的过去实际情况、现在发展状况以及未来发展趋势进行定量和定性的分析计算，系统动力学基本理论体系是实现综合系统进行科学决策和现代化经营管理的主要技术手段。复杂系统一般具有周期性、长期性、时变性以及高阶非线性等特征，采取SD系统动力学可针对上述特点进行科学有效的计算分析，其基本原理是针对动态问题，系统所具有的变量可随时间的变化而改变，通过建立模型可对系统进行中长期的变化发展趋势进行准确的模拟[8]。当前SD系统动力学已在生态、经济和社会等多个复杂大系统中的决策研究和规律变化分析中得到广泛的应用。水资源承载力研究受多种因素影响，其内容较为复杂，且各因素之间作用关联，传统的方法已不能准确反馈各种动态参数之间的变化关系，只能做最优解处理。SD系统动力学利用层次化多目标划分基本理论可将错综复杂的大系统划分为多个子系统，并根据不同决策变量设定多种方案，利用子系统之间的相互作用关系进行水资源开发利用随子系统关系变化的发展趋势研究[9]。

2.1.2 设计思路

基于水资源承载力的SD模型其主要目的是探讨有效解决铁岭市水资源供应紧张，并达到生产生活发展的用水需求的根本途径，以探讨符合经济发展规律和趋势的用水途径和方法[10]。首先设定铁岭市城镇化发展水平呈快速发展趋势，其经济社会保持高速发展，在采取当前用水模式下即生态和生活用水保持当前的增加趋势、万元工业用水和万元GDP用水保持当前下降趋势等，对铁岭市未来的需水情况进行预测。通过对比分析未来需水量与可供水资源量之间的关系，判断当前用水模式下其水资源总量能否支撑其铁岭市未来经济的快速发展。

2.1.3 力学原理

系统动力学的基本组成主要包括一系列的线性方程组，且多为一阶微分方程，不同参数的水准和变量之间的发展趋势一般采用欧拉法数值积分进行表示，表达式如下：

L.K=L.J+DT(IR.IK-OR.JK)

(1)

式中，L.K，L.J—分别为参数在K和J时刻的不同状态变量；IR.IK，OR.JK—系统流入和流出速率；K—现在时刻；J—K时刻的前一时刻。

2.1.4 模型结构分析

结合铁岭市的实际情况和所研究问题的主要特点，并对特殊用水环节和领域进行系统分析后，将SD模型边界主要设定在铁岭市的土地范围内。然后利用SD模型中的Vensim编程建立包含人口、经济、环境和资源的水资源承载力SD流程图。速率和状态变量是模型计算过程中主要考虑的变量，其中速率变量与每个状态变量分别一一对应，而状态变量主要有道路设施占地面积、林地覆盖绿化面积、农业灌溉节水面积、工农业总产值、第三产业总产值等。机械增长率和自然增长率是影响人口系统的主要因素，文章中人口系统主要考虑的是铁岭市的常住人口，且主要包含农业人口和城镇人口。人口子系统变量主要有人口总数量、城镇人口数量以及农村人口数量，状态变量取人口总数量。人口系统模块的主要研究目的是为了探讨城镇生活需水量受人口数量变化的发展规律。

铁岭市第一产业、第二产业以及第三产业即构成了模型的经济子系统，其中以农业发展作为系统的第一产业，以工业发展作为系统的第二产业。农业灌溉、工业生产增加值、农业灌溉平均用水量、增加的耗水量、第三产业增长量、第三产业耗水量是经济子系统的主要参数变量[11]。

环境子系统主要包括城市环境和污水环境，其中城市绿化用水、市政道路清洗是城市环境用水的主要途径，而生活污水和工业废水的排放是城市污水的主要来源。污水排放量以及排污系数是决定城市污水量的重要参数，因此可采取污水回收利用率和处理率作为评价不同水资源管理制度的指标。水资源子系统主要供水来源包括地表水、地下水、降雨拦截利用水、回收处理水、其他河流的汇入水。

2.1.5 模型准确性的验证

文章建立了用于研究水资源循环经济的SD模型，首先对模型进行运行检验和程序检验，该过程由系统软件自主完成。然后选取2012年为模型运行基准年，并对铁岭市2013～2016年的总人口、城镇人口以及工业产值进行数值模拟，通过与研究区域的历史数据对比分析进行误差计算，当误差值在±5%以内时认为模型可靠，模拟结果符合实际情况，否则需重新修改或调整模型的参数和变量。模型的验证过程及误差计算结果见表1。

由表1可知，模型在验证期对人口数量模拟值一般小于实测值，而对工业生产总值的模拟值一般大于实测值，且各模拟数据的误差范围均在±5%以内。数据表明，文章所建立的SD模型其基本结构和相关参数设定较为合理，模型能够真实反应铁岭市水资源承载力基本特征，模拟结果与实际情况具有高度的一致性，基于水资源承载力的SD模型对水资源循环经济的模拟分析具有较高的适用性和良好的可靠度。

表1 SD模型的率定过程及模拟分析计算表

2.2 方案设计及结果分析

2.2.1 方案设计

设定了4种水资源经济发展方案即现状延续型、经济发展型、节水型以及协调发展型方案，对于铁岭市在未来20年的动态演变规律和发展趋势，不同发展方案的设定情况分别如下：

对于现状延续型即方案一，方案中各决策变量保持现状不变，并维持目前各变量指标的发展趋势，对当前水资源的开发利用现状不再采取任何附加措施。经济发展型即方案二，方案中把经济发展作为首要目标，主要侧重于经济的快速发展，据此，把工业产值增长率调整至铁岭市在2012～2016年的最大值即为25.1%，提高铁岭市在2030年的城镇化率至85%，方案中其他决策变量保持不变。节水型即方案三是以水资源和环境保护为经济发展的基本原则，降低方案一中的经济发展速度，并抑制人口的快速膨胀，提高污水处理率和回收率，并结合实际情况适当降低居民的生活用水量，并减少农业灌溉的用水定额，提高节约用水的农耕灌溉面积。在此方案下预测2030年铁岭市农业产值控制在12%，城镇化覆盖率为80%，工业循环用水覆盖率为95%，污水处理率为100%，污水回收率达75%，其他各参数保持不变。

协调发展型即方案四是结合节水型经济发展体系，综合考虑了上述三种方案中各自的特点，统筹处理好经济与环境的协调发展。方案四中的污水处理率、污水回收利用率、排污系数等相关参数与节水型方案相同，而经济发展、城镇化水平以及农业灌溉率有一定的增长，在2012～2015年的工业增长速度为15%，此后保持增速为7%，方案中其他各参数指标保持不变。

2.2.2 结果分析

文章通过分析水资源承载力所涉及到的相关系统，选取了具有一定代表性的4个参数变量进行不同方案的对比分析，即常住城镇居民人口、工业生产总产值、排污总量、水资源供需差值。4个主要变量在不同方案中的模拟计算结果见表2，通过对比分析模拟方案，可选取有利于提高铁岭市的水资源承载力的最佳方案。

表2 利用SD模型模拟不同方案下铁岭市的计算结果

通过分析上表各方案的模拟数据结果可知，对于现状延续型发展方案，其水资源供需矛盾问题日益紧张，污染排放量及环境污染等逐渐加重，经济发展受水资源紧缺、污水处理效率、工业废水排放等问题制约，经济增长速度放缓，提高水资源合理开采率、提高污水排放率和回收率、降低工业发展对用水的需求和依赖是保障未来基本用水和生活的主要方法；对于经济发展型方案，其经济增长量在2030年明显高于其他方案，工业生产总值以及人口数量的增加加重了对水资源的需求和依赖，且工业废水和生活污水的排放量显著增加，水资源供需差值明显增大，当前铁岭市水资源缺水更加严重，水资源承载力严重不足，该方案明显不可取；对于节水型方案，工业产值增速放慢，工业生产及生活用水量大幅度减少，污水回收率和处理率显著提高，供需差值明显降低且水资源有一定的盈余，该方案参数符合铁岭市水资源承载力合理开发利用的基本要求；协调发展方案是综合考虑发展和环境的共同作用，通过将二者统一协调处理，在一定程度上加大污水处理程度，并提高污水处理资金投入，在保证水资源合理开采利用的基础上适当发展经济，确保了未来水资源的盈余而且经济得到发展。方案四的工业产值和污水处理总量均高于节水型方案，故协调发展型是提高铁岭市水资源承载力的最佳方案。

3 构建循环经济模式

3.1 构建思路

发展循环经济应坚持“统筹兼顾、全面发展”的基本原则，并贯穿于水资源的供、用、排等过程。构建循环经济发展模式所考虑的因素和内容较多，主要有水资源的合理开采利用、水资源的优化配置、节约用水、保护水资源、水资源的有效利用率、提高污水排放标准、降低污水排放率等。综上所述，构建循环经济模式要兼顾水资源的科学开采、优化配置、污水排放和回收处理等过程。

3.2 构建方法

铁岭市循环经济的构建方法主要包括分质供水、废水利用、水资源信息处理等形式。结合铁岭市实际情况，将降雨集水以及地表径流进行水资源的梯级分类和分质利用，建立循环经济的动脉链；城市污水处理厂通过对各类废水进行统一的处理，然后将其应用于不同的供水系统如内部直接利用、内部处理又直接利用以及排入城市供水系统，对于其他污水经处理达标后排入自然系统，利用废水回收处理技术建立循环经济的静脉链；最后可通过构建水资源经济网络体系，最大限度地合理开采利用水资源，构建循环经济网络系统。

4 水资源循环经济发展途径

4.1 水资源利用量的减化

文章主要从农业、工业以及生活节水等方面展开具体的详细介绍，并指出相应的措施和发展趋势。农业节水途径主要有改变传统的农业漫溉的灌溉模式，建立喷淋灌或微灌的制度，发展高产出和低耗水的农产品、扩大高耐旱农作物面积、加大水利工程改造力度，从生物节水、工程节水以及管理节水等多种途径综合提高农业用水效率系数；工业节水方法有提高风力发电、水源热泵等10种节水产业的发展，发展高新技术产业，合理优化工业产业结构布局，以高新技术替代传统工艺，降低万元增加用水率，减少工业废水排放量；生活节水的途径和方法较多，主要有强化人们节约意识，建立节约制度，并引导改善生活中的不良用水习惯等。

4.2 引入新水源，实现水资源的再利用

为了缓解铁岭市水资源供需矛盾，可加大引水工程投资力度，加大外部水源的引入，提高水资源的蓄水量，以满足经济发展需要。随着经济的发展，水资源问题已成为铁岭市发展的主要矛盾，且铁岭市无大规模大范围的水利工程，当前水资源利用率已接近发展极限，故水资源的外源引入已成为铁岭市解决水问题的主要途径；水资源的循环利用途径主要有污水回收处理及降雨收集处理再利用等方法。在水资源利用“减量化”的前提下，将废污水进行回收处理，并根据不同的标准重新应用于相应系统，是缓解水资源供需矛盾的另一出路。雨水收集资源化处理是节水的一种新方法和途径，调研表明铁岭市每年的降雨量较大但被再利用效率低，无效径流和蒸散发导致降雨资源的浪费，故加大雨水收集处理工程建设，充分发挥水利工程的功能作用也是实现节水、提高水资源利用的重要方法。

5 结论

长期以来，水资源问题已成为制约铁岭市经济可持续发展的重要影响因素之一，供需矛盾紧张明显影响着人们的生活质量水平。为此，文章结合铁岭市实际发展状况，在详细分析了动力学系统特征和适用范围的基础之上，建立了基于水资源承载力的SD研究分析模型。然后通过设定4种不同的用水经济发展方案，选取了具有一定代表性的经济发展和用水特征的参数指标，分析2014～2030年的各参数特征的变化趋势，指出协调发展型是实现铁岭市水资源循环经济发展的最佳方案。同时文章结合相关结论，构建了循环经济的发展模式，并探讨分析了实现该模式发展的根本方法和途径。

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