基于系统动力学的天山北坡城市群水资源优化配置研究

(新疆维吾尔自治区水资源中心，新疆 乌鲁木齐 830000)

新疆是我国典型的干旱区和半干旱区，降水稀少，蒸发强烈，城镇化进程面临着水资源约束的瓶颈问题。根据2016年《新疆水资源公报》，全疆经济社会用水总量565.38亿m3，其中农业用水533.26亿m3，占总用水量的94.3%；农业用水比重过大，挤占了工业、城镇生活和生态用水。天山北坡城市群是新疆人口与经济活动最为密集的区域，是干旱区人地关系最为敏感、水资源压力日益突出的典型区域，历来是学者们关注的重点区域。乌鲁木齐市、石河子市、吐鲁番市、昌吉市和阜康市等城市地下水开发利用量占总用水量的30%以上，引发了地下水位持续下降、土地沙化、荒漠化加剧、草原品质下降等生态问题。因此，对天山北坡城市群进行水资源优化配置，确保其城镇化进程显得尤为迫切。

1 水资源配置研究概述

自20世纪40年代Masse提出水库优化调度问题后，各专家学者开始关注水资源配置问题[1]。20世纪70—90年代，水资源配置研究主要集中于水量配置[2]。21世纪以来，水资源配置的思路由单一部门单一目标向整体水资源系统多目标优化配置转变，并涉及到研究水资源配置对水资源承载力的影响等方面[3]。水资源配置的研究方法也由数学规划方法，扩展到使用模糊数学、熵权法、混沌理论等方法。艾立刚等[4]运用动态规划方法，从用水量与经济效益出发，分析某水库水资源最优化分配的问题。卢兴旺等[5]利用多目标决策中TOPSIS方法，对区域水资源配置的不同方案进行了综合评价，得出最优配置方案。何国华等[6]建立基于熵权的水资源配置和谐性模糊综合评价模型，评价西安市各县区的水资源配置状况。王建伟等[7]以宁夏石嘴山市为研究区，采用数学规划方法，以农田灌溉水质要求、灌溉水量需求以及水资源管理用水红线为约束条件，以取用引黄水量最小为目标函数，计算得出水资源优化配置的模式。曹丽娟等[8]运用主成分分析法对甘肃省水资源承载力从时间和空间两个角度进行了综合评价，得出水资源承载力的主要影响因子是经济发展因子、人口因子、水资源供需平衡因子和农业生产用水因子。俞祎波等[9]通过分析水资源承载能力与水资源优化配置的基本内涵，计算了水资源配置后南京市的水资源承载能力状况。李春梅等[10]采用改进的果蝇算法(FOA)对晋城市2020年20%、50%、75%和95%来水保证率的水资源进行了配置。陆晓等[11]运用改进的多目标布谷鸟算法(IMOCS)，引入混沌理论以保证初始种群的多样性，将该方法运用于山西同朔供水区，为该区域水资源配置提供了一定的依据。

上述关于水资源配置的相关研究对本文提供了有益的参考。但由于水资源配置问题的动态性和复杂性，现有成果缺乏以不同社会经济发展目标实现为基础的多方案综合比较。基于此，本文在分析天山北坡城市群用水现状和特点的基础上，根据系统动力学理论，构建天山北坡城市群经济社会水资源配置的系统动力学模型，设置高、中、低3种水资源配置方案，对天山北坡城市群8座城市2017—2043年的经济社会用水量进行计算机仿真预测分析，选出较优方案，从而深化了该问题的研究，并且得出的结论与实际更为接近。

2 系统仿真预测因果反馈图中变量之间的关系

2.1 研究区域选择

天山北坡城市群地处欧亚腹心地段，东起吐鲁番，西至克拉玛依，天山北坡城市群规划(2016—2020年)范围包括乌鲁木齐、克拉玛依、昌吉、吐鲁番、阜康、石河子、五家渠、奎屯、乌苏9市。数据来源于各县市历年的《统计年鉴》和《水资源公报》，其中，五家渠市的城镇化和水资源的相关数据缺失，难以获取，因此本文以除五家渠市外的8市作为研究区域。

2.2 系统流图的设计

系统动力学(System Dynamics，SD)可以很好地反馈系统内部要素的相互作用，借助计算机建模，完成对复杂问题的思考与研究，特别适合分析解决社会、经济和生态等一系列非线性复杂大系统问题[12]。为深入研究天山北坡城市群水资源优化配置问题，构建区域水资源配置系统模型，进行计算机仿真分析。首先，构建区域水资源配置系统模型的核心是选择状态变量、速率、辅助变量及其结构，对输入和输出进行积累的变量就是状态变量，状态变量方程中代表输入和输出的变量是速率，即在反馈系统中，帮助建立速率方程的变量为速率[13]；然后，进行计算机仿真分析。经过分析天山北坡城市群水资源与经济社会系统的关系，设计出天山北坡城市群水资源配置的系统仿真预测因果反馈图，见图1，图中设有生活用水量、城镇人均绿地面积等16个状态变量。

图1 区域水资源配置的系统仿真预测因果反馈图

2.3 常量及变量之间的关系

2.3.1 常量的设定

常量均为天山北坡城市群8市2016年的现状值。经济数据来源于2017年新疆《统计年鉴》，水资源数据来源于2016年新疆《水资源公报》及天山北坡城市群8市《统计年鉴》，状态变量的速率参考了8市的“国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要”。8市常量数值及状态变量初始值见表1。

表1 2016年天山北坡城市群常量数值及状态变量初始值

2.3.2 方案的设定

按照推动绿色发展，促进人与自然和谐共生的要求，统筹经济社会发展用水和生态用水，根据水资源利用现状、各县市水资源管理的“三条红线”目标、保障经济发展和生态需水的优先性，设立水资源配置的3种方案:方案一，水资源配置维持现状。人口增长率、种植业增速、工业增速和第三产业增速、灌溉定额等用水指标均按照2016年的现状值，不作调整，城镇化率每年按照一定的速度进行调整，其他变量正常。方案二，适度提高经济发展用水效率，将节余的少量水资源用于生态用水。减少产业用水和城镇用水，增加生态用水量。方案三，大幅提高经济社会发展用水效率，将节余的大量水资源用于保障生态。降低人口增长、种植业增速、工业增速和第三产业增速的同时，调减灌溉定额和林地灌溉定额，提高有效灌溉系数和有效林灌系数，减少第一产业用水，调减工业用水定额和第三产业用水定额，减少三产用水；调减城镇居民用水定额、绿化用水定额、公共用水定额等，减少城镇用水；调减农村居民用水量大的奎屯市、乌苏市的农村居民用水定额，减少农村居民用水量；增加生态用水量。3种方案的具体常量设定见表2。

表2 基于3种方案的天山北坡城市群的速率及增量值

2.3.3 变量之间的关系

第一产业用水量及增加值计算公式为

M有效灌溉面积=M耕地面积X有效灌溉系数

(1)

W种植业灌溉用水=M有效灌溉面积D灌溉定额

(2)

M林业有效灌溉面积=M林地面积X有效林灌系数

(3)

W林业用水量=D林灌定额M林业有效灌溉面积

(4)

W第一产业用水量=W种植业灌溉用水+W林业用水量

(5)

Z种植业增加值=M耕地面积Z亩均种植业增加值

(6)

Z第一产业增加值=Z种植业产值a第一产业增加值与种植业产值的比

(7)

工业用水量及增加值计算公式为

W工业用水量=W万元工业增加值用水量Z工业增加值

(8)

(9)

第三产业用水量及增加值计算公式为

W第三产业用水量=W万元第三产业增加值用水量Z第三产业增加值

(10)

城镇用水量计算公式为

W城镇居民生活用水量=W城镇居民生活用水量定额P城镇人口数

(11)

W城镇公共用水量=D城镇公共用水量定额P城镇人口数

(12)

W城镇绿化用水量=M城镇人均绿地面积D绿化用水定额P城镇人口数

(13)

W城镇用水量=W城镇居民生活用水量+W城镇绿化用水量+W城镇公共用水量

(14)

农村居民生活用水量计算公式为

W农村居民生活用水量=P农村人口数D农村居民用水定额

(15)

3 分析过程

根据区域水资源配置的系统仿真预测因果反馈图(见图1)，按照3种方案进行计算机仿真分析，得到2017—2043年天山北坡城市群8市的经济社会用水量、第一产业用水量、工业用水量、第三产业用水量、城镇用水量、农村居民生活用水量、生态用水量及地区生产总值的预测值，因篇幅有限，仅列出部分数值(见表3)。

方案一情景下，种植业、工业和第三产业按2016年发展速度发展，人口和城镇化率也按2016年速度增长，耕地面积、农业灌溉定额、林地灌溉定额、有效灌溉系数、有效林灌系数、绿化用水定额、公共用水定额、城镇居民用水定额、农村居民用水定额、万元工业增加值用水量、万元第三产业增加值用水量均保持2016年的数值不变，林地面积年均增加20亩。计算机仿真得出，8市经济社会总用水量由2017年的55.8985亿m3增加到2043年的60.055亿m3，增加了4.1565亿m3。该种情景下，随着经济社会用水总量的不断增加，必须要加大跨区域调水量，否则无法推进城镇化进程。该情景下，天山北坡城市群地区生产总值也增加较快，由2017年的4589亿元，增加到2043年的40829亿元，增加了八九倍。

方案二情景下，种植业、工业和第三产业增长按照2016年增长率设置，人口和城镇化率也按2016年速度增长，耕地面积保持2016年的数值不变，逐年少量减少农业灌溉定额、林地灌溉定额、绿化用水定额、公共用水定额、城镇居民用水定额、万元工业增加值用水量，适度减少万元第三产业增加值用水量，逐年增加有效灌溉系数、有效林灌系数，林地面积年均增加10亩，逐年减少奎屯市、乌苏市农村居民用水定额(两市农村居民用水量较大)，乌鲁木齐等6市的农村居民用水定额仍保持2016年的数值。该方案情景下，8市的经济社会总用水量由2017年的55.9600亿m3增加到2043年的63.2200亿m3，增加了7.2611亿m3，较方案一多增加3.1046亿m3；8市的地区生产总值与方案一的变化相同。在方案二情景下，保持经济发展的同时，通过节约利用水资源，增加了生态环境用水量，但由于第一产业用水比重高，提高有效灌溉系数使第一产业用水量有增无减，8市经济社会用水量持续增加，必须加大跨区域调水，才能保障城镇化的可持续发展。

方案三情景下，降低种植业、工业和第三产业发展速度，适度降低人口增长率，耕地面积保持2016年的数值不变，与方案二相比，加大农业灌溉定额、林地灌溉定额、绿化用水定额、公共用水定额的逐年减少量，城镇居民用水定额、万元工业增加值用水量的减少量与方案二相同，适度减少万元第三产业增加值用水量，逐年增加有效灌溉系数、有效林灌系数，林地面积年均增加20亩，逐年减少奎屯市、乌苏市农村居民用水定额，乌鲁木齐等6市的农村居民用水定额仍保持2016年的数值。该方案下，8市经济社会用水总量经历了先上升后下降的变化，由2017年的55.6858亿m3下降到2043年的55.5382亿m3，减少了0.1476亿m3。8市的第三产业用水量、城镇用水量和生态用水量呈不断增加趋势，第三产业用水总量由2017年的0.0532 亿m3增加到2043年的0.2139亿m3，城镇用水总量由2017年的4.4915亿m3增加到2043年的5.8869亿m3，生态用水总量由2017年的2.7946亿m3增加到2043年的3.8996 亿m3。地区生产总值与方案一、方案二相比增速放缓，呈稳步增长趋势，8市的地区生产总值的总和由2017年的4589亿元增加到2043年的14858亿元。在方案三情景下，不用实施跨区域调水，现有的水资源能够满足人口、经济和生态可持续发展的需要，并且能够节余部分水量，是一种可行的、优化的方案。

4 结论与建议

4.1 结论

本文利用系统动力学理论，构建区域经济社会水资源配置的系统动力学模型，对天山北坡城市群8市的经济社会水资源配置进行计算机仿真预测分析，对区域经济社会水资源配置进行动态、模拟和优化研究，得出了如下结论：方案一，水资源配置维持现状的情景下，将难以保证城镇化用水需求；方案二，保持现有的经济发展速度，适度调整用水方式，水资源仍难以保障城镇化发展需求；方案三，大幅提升经济社会发展用水效率，现有的水资源能够保障城镇化可持续发展的需要，该方案是天山北坡城市群水资源配置的较优方案。

4.2 建议

要解决天山北坡城市群经济社会用水短缺和生态环境问题，实现区域城镇化可持续发展，必须坚持以水定产、生态优先，从“立足新发展阶段、贯彻新发展理念、构建新发展格局”角度出发。

a.保护好天山北坡城市群水生态。天山北坡城市群区域内有乌鲁木齐河、水磨河、头屯河、玛纳斯河、奎屯河、金沟河等河流，河流是区域重要的水资源储备区和水源涵养区，河流水资源是区域经济社会发展最为珍贵的资源，应继续采取河长制，落实最严格的水资源管理制度，保护好河流的水生态。

b.构建有利于节约农业灌溉、工业和居民生活等用水的价格机制。低廉的水价是造成流域用水结构不合理和利用效率不高的根本原因，在水资源价格中要加入供水成本、生态用水等成本，使农业和工业用水价格调整至补偿成本并合理盈利水平，使居民用水价格不低于成本水平，构建合理的水价体系，形成激励节约利用水资源的价格体系。

c.大力推广农业和工业节水技术。继续发展高效节水农业，推行喷灌、微灌、滴灌等节水型灌溉形式，在灌区全面推广渠道防渗技术，减少农业灌溉定额，提高农田灌溉水有效利用系数，减少农业用水。采取在水资源费、 超定额超计划累进加价水费中安排一定比例的基金等方式，推进工业节水关键技术的研究及推广，大力支持工业企业节水技术改造，减少工业用水量，提高工业用水效率。

d.加大雨水、生活污水和工业废水的处理及回用。在乌鲁木齐、昌吉、阜康和石河子等降雨量略多的城市，利用屋顶、道路、广场等硬化地表汇集降雨，经过输水、净水、储存等方式，建立雨水收集与利用系统，用于绿化灌溉及地下水源补给。加大投入，完善各城市污水深度处理设施，对生活污水和工业废水进行集中处理，达到一定标准后用于城市绿化、车辆冲洗等，减少城市绿化用水、公共用水和居民生活用水。