水资源承载力系统动力学模拟及研究

2021-01-29徐凯莉吕海深朱永华

水资源与水工程学报 2020年6期

徐凯莉，吕海深,2，朱永华,2

(1.河海大学水文水资源学院，江苏南京 210098；2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210098)

1 研究背景

近年来，受到气候变化、极端天气以及人类活动的影响，水资源问题日益严重[1-3]，对于水资源承载力的相关研究受到广泛关注[4]。水资源承载力指的是区域可供水量所能维持的最大人口和经济规模[5]。当前，研究水资源承载力的学者中国内学者居多，相对而言国外学者更多是与可持续发展理论结合进行研究[6-7]。

王晶等[8]采用主成分分析法对新疆阿克苏地区的水资源承载力进行了评价；范嘉炜等[9]采用子系统熵权法模拟分析了珠江三角洲各市的水资源承载力差异；Xin等[10]基于模糊综合评价法，分析了菏泽市的水资源承载力。此外，生态足迹模型[11]和神经网络模型[12]等新兴方法也被应用到了水资源承载力的模拟中。但是，这些方法存在易受主观性影响、不利于动态模拟、计算过程复杂、不利于可视化等缺点[13]。相比之下，系统动力学模型以流量存量图的形式展现，使水资源系统之间的关系更加明确，这种模型消除了线性约束，借助对模型参数的动态调整来更好地模拟多要素影响下的水资源发展态势，更易于实际应用操作[14-15]。因其将政策选择、管理决策、社会参与等潜在要素纳入考量，系统动力学模型已被大量应用于水资源承载力分析[16-17]。例如，Zhang等[18]基于系统动力学方法评估了四平地区能够承载的最大人口和社会经济规模；Yang等[19]将系统动力学方法和层次分析法结合，构建了西安水资源承载力的多标准评价体系和水资源可持续发展模型。

周口市作为河南省重要的农业区，可用水资源量十分有限，对水资源的管理十分重要[20]。目前针对周口市的已有相关研究[21-22]均未考虑社会经济因素与水资源承载力间的动态响应，且未考虑引江济淮这一开源工程。本文考虑了未来引江济淮工程调水的影响，并细致的探讨了不同的节水方案和调水方案下周口市的水资源承载力状况；使用系统动力学方法建立了当地的水资源承载力预测动态模型，模拟了2018-2030年水资源承载力发展趋势。通过本研究以期寻求解决周口市水资源供需矛盾的方法，为周口市的水资源管理和可持续发展政策的制定提供依据。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

周口市位于河南省东部，面积11 959 km2，辖区内共有10个区县，常住人口约868万人。该市多年平均降水量为765.4 mm。2015年测得周口市水资源总量为21.91×108m3，人均248.7 m3，仅为河南省人均水资源量的1/2，约是全国水平的12%[21]。此外，当地社会经济发展相对滞后，城镇化率低，但农业相对发达，是我国重要的农业区。较大的农作物种植面积和较低的农业用水效率导致农业用水占比高达67%，这是导致周口市水资源供需矛盾的主要因素。自2018年起，周口市借助南水北调工程调水，以增加水资源供应。预计工程全线通水后，周口市将得到每年1.03×108m3的用水配额，但这依旧不足以解决当地的水资源短缺问题。目前该地区正在开展引江济淮工程，预计2021年可为周口市供水。

2.2 数据来源

本研究在模型构建和有效性验证中采用了周口市2010-2017年的人口、经济、水资源资料，其中，人口资料来自《周口市统计年鉴》，经济数据来源于《河南省统计年鉴》和《周口市统计年鉴》。此外，当地水资源相关数据取自《河南省水资源公报》。

2.3 研究方法

2.3.1 系统动力学原理系统动力学方法通过建立仿真模型反馈复杂系统的结构和行为[23]。系统动力学模型往往由大量非线性微分方程组成，通过计算机仿真求解[15]。其中，模型的核心是被用于描述系统动态变化情况的状态方程[15]，该方程可以表示为：

(1)

式中：Xi(t)为系统第i个状态变量在t时间的值；Ri为速率变化向量；Ai为辅助向量；Ci为参数；f( )为向量值函数。

在模型应用中，方程式(1)被调整为以下格式进行迭代获取数值解：

Xi(t+Δt)=Xi+f(Xi,Ri,Ai,Ci)Δt

(2)

式中：Δt为迭代的时间步长。

2.3.2 系统动力学模型构建水资源承载力系统动力学预测模型建立前需划定模型边界，在边界范围内选取与水资源承载力有动态关系的影响因素，将这些因素作为重要变量引入模型[5]。本研究的空间边界为周口市的行政边界，迭代间隔为1 a，模拟了2010-2030年的承载力动态变化。在模型中，以2010年为基准，2010-2017年为历史检验时段，2018-2030年为预测时段。

本研究通过对周口市水资源承载力系统进行分析，遴选出合适的模型变量，确立了社会经济子系统、需水子系统、供水子系统共三大子系统，利用Vensim软件构建了周口市水资源承载力模型。该模型基于现状延续型、节水型、开源型、开源节流型4种情景，给出了周口市水资源承载力模拟结果。

社会经济子系统主要受常住人口和第一、二、三产业增加值共4个方面的影响。其中，常住人口又分为城镇人口和农村人口；第一、二、三产业增加值则由增长率控制。需水子系统考虑生活、农业、第二产业、第三产业和城市环境这5个方面的需水。供水子系统包括地表水资源、地下水资源、南水北调工程和引江济淮工程这4个方面的供水。由于引江济淮工程的供水量暂未公布，本研究假定了不同的供水方案。

通过对周口市水资源承载力影响要素的分析，遴选出了常住人口、第一、二、三产业增加值、大牲畜存量、小牲畜存量、农作物播种面积7个状态变量，以及54个模型参数，绘制了周口市水资源承载力系统动力学模型流图，见图1。

图1 周口市水资源承载力系统动力学模型流图

2.3.3 情景方案设计本研究设定了4种情景，通过模拟不同情景在2010-2030年的水资源承载力，寻找出现有社会经济发展趋势下，周口市水资源承载力的变化趋势。

(1)现状延续型情景。现状延续型情景假设在预测期内，地区的发展规划策略和产业结构均不会进行大的调整。相对于2010-2017年的数据，在该情景中城镇化率、各方面增长率以及各类用水定额均维持不变或按照历史趋势变化。

(2)节水型情景。节水型情景是通过节约水资源来提高地区的水资源承载力。该情景又分为4个方案：一是农业灌溉节水，二是第二产业节水，三是城乡生活和第三产业的节水，四是以上三者的综合节水。4个方案中对应的用水定额各减少20%，分类探讨各方面节水措施对周口市水资源承载力的改善效果。

(3)开源型情景。开源指得益于引江济淮工程而增加的额外供水，由于周口市存在引江济淮工程供水量这一不确定性因素，所以本研究设定了调水量分别为2×108、3×108和4×108m3这3种方案。

(4)开源节流型情景。此情景是节水型情景中的综合节水方案和开源型情景的结合。

2.3.4 模型有效性验证模型的有效性验证主要基于2010-2017年共8年的历史数据进行，以历史数据与模拟数据的相对误差绝对值(ARE)表示，ARE的计算公式为：

(3)

选取常住人口、农作物播种面积、第一、二、三产业增加值和总用水量共6个变量进行模型历史有效性检验，前5个变量代表了周口市社会经济发展水平，总用水量代表了对水资源的需求程度，结果如图2所示。从图2可以看出，由模型模拟得出的6个变量值与实际值间的ARE均小于10%。由此可见，本研究确定的模型与现实情况的吻合程度良好，可信度高，可以用来模拟周口市的水资源承载力的未来发展情况。

图2 历史检验时段各变量模型模拟值与实际值的相对误差绝对值

3 结果与分析

根据现有趋势得出的2010-2030年周口市经济社会指标发展状况如图3所示。

由图3可以看出，如果周口市常住人口按现有趋势减少，至2030年该市常住人口将减少到842万人(图3(a))。与此同时，城镇化率会不断提高，将于2030年达到60%。因为农业的发展空间及增长潜力较小，并且历史数据表明2014-2017年的第一产业增加值已基本保持稳定，所以在预测年份令第一产业增加值大致保持为2017年的449×108元不变(图3(b))。此外，第三产业增加值迅速增大，将自2025年起高于第二产业，2030年第二、三产业增加值将分别达到3 819×108和4 369×108元。

图3 2010-2030年周口市经济社会指标发展状况

基于上述社会经济发展趋势，本研究模拟了4种情景下周口市水资源承载力的变化趋势，如图4所示，其中图4(a)、4(b)为现状延续型情景下的模拟结果；图4(c)为节水型情景中4种节水方案的模拟结果与现状延续型情景的对比，4(d)～4(f)分别为节水型情景、开源型情景、开源节水型情景与现状延续型情景下的水资源供需比的对比。

图4 2010-2030年周口市在4种情景下的需水总量及水资源供需比模拟结果

3.1 现状延续型情景

在社会经济发展的同时，如果保持现有供水能力和水资源利用效率不变，由图4(a)可以看出，到2030年周口市需水总量将增加至26.12×108m3；由图4(b)可以看出，不断增长的用水需求会导致水资源供需比不断降低。由于2018年南水北调工程开始为周口市供水1.3×108m3，所以水资源供需比有小幅增涨，但依旧满足不了未来经济社会发展带来的用水需求的增长。在该情景下，2022年周口市的水资源将达到供不应求的状态，到2030年水资源供需比将降低至0.82，周口市将有18%的用水得不到有效供给。

3.2 节水型情景

由图4(c)和4(d)可以看出，4个节水方案中，综合节水方案效果最优，2030年的模拟需水总量为21.18×108m3，与现状延续情景下的模拟结果相比降低幅度明显，并能在2030年之前始终维持水资源供大于求的情况。此外，因总用水量中农业用水量占的比例最大，所以灌溉节水方案仅次于综合节水方案。灌溉节水方案下2030年模拟需水总量为23.74×108m3，该方案能将水资源供大于求的状态维持到2027年。生活节水方案和第二产业节水方案对周口市现有水资源承载力发展趋势的影响较小，均只能将水资源供不应求现象的出现延迟到2023年。4个节水方案下预测的2030年的水资源供需比由大到小分别为1.01、0.91、0.88和0.85。

3.3 开源型情景

由图4(e)可以看出，引江济淮工程的额外供水可以在很大程度上缓解当地的水资源矛盾。根据假设的2×108、3×108和4×108m3这3种调水量方案，可以分别将水资源供不应求情况的出现推迟至2026、2028和2029年，预测2030年的水资源供需比将分别达到0.90、0.94和0.96。后两种调水量方案下的周口市水资源承载力均优于灌溉节水方案，并且接近于综合节水方案，充分说明了引江济淮工程开展的必要性。但是，仅依靠调水依然无法满足周口市2030年左右的用水需求。