山东省龙口市水资源利用系统动力学模拟与分析

2021-08-23刘昕瑀秦欢欢

人民珠江 2021年8期

杨晓，刘昕瑀，秦欢欢,2*

(1.东华理工大学水资源与环境工程学院，江西南昌 330013； 2.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，江西南昌 330013)

水资源是促进人类生存和社会发展必不可少的资源，但中国在推进水资源综合利用中仍存在许多问题，如人均资源占有量少、水资源时空分布不均等。水资源的系统管理是关系到水资源能否保障社会经济可持续发展的重要依据，采用科学合理的评价方法与指标，定量分析区域水资源系统的可持续性，能为缺水地区水资源综合管理提供科学依据，对于有效规避水资源短缺风险、促进社会经济可持续发展及保障生态环境良性循环具有重要意义[1-4]。发展工农业、居民生活，对于水资源可持续利用都具有非常高的要求[5]。因此，水资源的合理规划与配置在解决缺水危机中发挥着至关重要的作用，而需水量预测是区域水资源合理规划与配置的前提条件和重要基础[6-7]，准确合理预测区域需水量对区域社会经济和水资源的可持续发展具有重要作用[8-9]。区域需水量预测涉及复杂的社会经济和工程技术因素，是水资源可持续管理和规划调度的重要依据[6]。一般来说，区域需水量预测方法可分为时间序列法、结构分析法和系统方法等[10-12]。然而，传统方法无法系统地刻画水资源供需之间复杂的动态反馈关系，亦无法在需水量预测中考虑诸多影响因素及其相互关系[13]，而系统动力学(System Dynamics,SD)是解决这一问题科学有效的方法[10,14-15]。SD模型既能反映社会经济与水资源之间复杂的动态反馈关系，又能完整展现需水量发展的动态过程[14]，因此，采用SD方法研究水资源短缺问题，可为水资源研究的科学决策提供可靠理论依据，有利于加快实现中国环境和经济的可持续发展[16]。

SD概念最初由Forrester引入，作为工业管理和决策的模拟方法[17]。20世纪70年代，Meadows通过构建世界SD模型将此方法引入水资源系统研究[18]。SD模型通过使用反馈回路、存量和流量来描述复杂系统。SD模型既有定性概念构建(通过因果关系图构建概念系统)，也有定量数据模拟(通过系统流图在可视化的基础上模拟概念系统中不同因素之间的影响)[19]。需水量预测SD模型从整体出发充分考虑影响需水量的各种自然、社会、经济、工程、技术等因素，能准确处理高阶次、非线性、多重反馈复杂时变系统的问题；对参数要求不高，着重研究系统的结构和动态行为，不需要特别精确的数字；可对系统的动态发展及趋势进行考察，可作长期的动态预测[20]，为可持续发展及水资源的合理规划利用提供科学依据。过去30年，SD方法在水资源工程与管理中的应用发展迅速[21]。在水资源SD模拟的研究中，有3种一般性的研究方法[22]，包括预测仿真模型(predictive simulation model)、描述性的集成模型(descriptive integrated model)以及参与和共同愿景模型(participatory and shared vision model)。

本文以龙口市为研究区域，采用情景分析方法，利用SD模型模拟龙口市2019—2050年不同情景下的需水量，反映龙口市未来水资源的利用情况。通过分析情景模拟结果，比较各种方法下龙口市需水量的动态变化趋势，为龙口市水资源的合理配置与利用及用水安全提供科学的依据。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

龙口市地处胶东半岛西北部，隶属于烟台市，处于东经120°13′～120°44′、北纬37°27′～37°47′，东与蓬莱市毗邻，南与栖霞市、招远市接壤，西、北濒渤海，隔海与天津、大连相望，是环渤海经济带上一个璀璨的明珠。东西最大横距46.08 km，南北最大纵距37.43 km，海岸线长68.38 km，全市总面积893.82 km2。龙口市地势东南高、西北低，与邻县、市多以山的分水岭为界，故境内河流皆源于东、南部山区，曲折西北行，共有大小23条河流，主要河流有黄水河、泳汶河、南栾河、龙口河、北马南河、八里沙河，均为季节性河流。除黄水河、八里沙河外，其余河流皆为境内河流，属季风雨源型。龙口市属温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温11.17℃，平均年降水量590.4 mm，四季分明，季风进退明显，湿热同季。因受海洋影响，气温适中，光照充足，年降水量的75%以上集中在5—9月，年无霜期190 d[23]。2018年，龙口市GDP 1 238.8亿元，同比增长5.9%；其中：第一产业增加值30.5亿元，同比增长3.9%；第二产业增加值694.9亿元，同比增长5.9%；第三产业增加值513.4亿元，同比增长6.1%。一、二、三产业结构比为2.5∶56.1∶41.4。

山东省龙口市目前面临着严峻的缺水问题：全市多年平均降水量为590.4 mm，多年平均水资源总量为30 296万m3，多年平均水资源可利用总量为16 140 万m3，人均用水量为152 m3/a(约为全国平均水平的1/3)，人均水资源量350 m3/人(为全国平均水资源量的1/6)，低于山东省平均水平，亦远低于世界人均水平(1 000 m3/人)，为水危机区，属于资源型缺水。龙口市水资源供需矛盾突出，争水矛盾激化，已经严重影响了城市的生产生活发展，对生态环境的发展也十分不利。根据《龙口市水资源公报》资料统计分析，龙口市近年平均城镇废水排放量为1 641.12万t，目前龙口市每年企业排放的废水达1 000万m3，生活排放污水800余万m3，城市对工业废水和生活污水的排放没有严格管制，使得地下水质急剧下降，这大大地减少了水资源的可利用量，也加剧了区域水资源的短缺[24]。

1.2 数据来源

本文的数据及其来源主要包括：①社会经济数据，包括人口、GDP、牲畜、灌溉面积等来源于2008—2019年的《山东省统计年鉴》[25]；②水资源数据，包括地表水供水量、地下水供水量和生态环境用水量等来源于2008—2019年的《山东省统计年鉴》[25]和《山东省水资源公报》[26]；③用水定额数据，包括生活用水定额、牲畜用水定额和灌溉定额等来源于2008—2019年的《山东省统计年鉴》[25]；④各类增长率数据，包括人口增长率、GDP增长率、牲畜增长率和灌溉面积增长率等来源于2008—2019年的《山东省统计年鉴》[25]。

2 龙口市需水量预测SD模型

2.1 模型结构与系统流图

龙口市水资源供给由三大部分共同组成，包括地表水、地下水和灌溉回归水；水资源需求由三大部分共同组成，包括生活需水量、工业需水量、农业需水量。模型研究着重于长期预测需水量的综合计算，探究龙口市社会经济状况与当地水资源供需的联系。图1展示了SD模型中决定缺水量、供水量以及衡量缺水程度的影响因素之间的相互作用关系。决定供水量的三大条件中，地表水、地下水主要由水资源现状决定，而灌溉回归水由农业需水量决定；缺水程度由供水量、缺水量决定，但缺水量也可以通过影响三大需水量来决定总需水量。各个因素间相互联系制约，在掌握这些定性的相互关系的基础上，通过SD模型的流图将其定量化并在VENSIM Professional版本的软件上实现，而后通过设定不同的情景便可以进行模拟和仿真。

图1 龙口市需水量预测SD模型概念模型

系统状态流图是基于系统动力学的基本状态变量和系统符号的有机组合。根据系统的内部各因素之间的不同因果变量关系设计系统流图，可以将整个系统内部各因果关系中未能准确反映出来的不同因果变量的基本性质和作用特点反映出来，通过流图中关系的量化就达到了预测模拟的主要目的[26]。此次模型的研究区域为山东省龙口市，模拟年限是2007—2050年，基准年是2007年，时间步长是1年。2007—2018年是模型校准期，2019—2050年是模型预测期。本文采用了SD专用建模软件VENSIM建立了一个包含人口、农业、工业、水环境和水资源5个子系统的龙口市水资源系统动力学流图，清晰地表现了各个子系统间的关系(图2)。

图2 龙口市需水量预测SD模型因果关系

2.2 SD模型校准

龙口市需水量预测SD模型的校准周期是2007—2018年，时间步长为1年。表1列出了四大需水量(生活、工业、农业和总需水量)模拟结果与历史数据的对比及相对误差。对于这4种需水量的模拟相对误差均在±5%以内。表明模型拟合结果基本符合实际情况，证明了模型的适用性，本文将利用此模型模拟未来年份内龙口市的需水量。

表1 需水量的模拟值与历史值的比较结果

2.3 需水量预测情景设计

龙口市需水量预测SD模拟的预测期为2019—2050年。此处设计了4个情景，分别是情景S1(保持现状型)、情景S2(经济发展型)、情景S3(节约用水型)及情景S4(综合发展型)，利用模型校准获得的参数，对龙口市未来的需水量及经济发展情况进行模拟预测，具体的情景设计方案如下。

a)趋势保持型情景S1。此情景下，假定龙口市的社会发展政策及社会结构不发生大的调整，城市人口、经济发展速度没有太大的变化，保持现有的发展速度。

b)经济发展型情景S2。此情景下，假定当下及未来的长时间内，龙口市重点发展经济建设。为此，将2035年和2050年的经济发展速度(工业GDP增长率)设定为6%和8%，其他参数与情景S1相同。

c)节约用水型情景S3。此情景下，假定龙口市重点保护水资源，将未来生活用水定额、灌溉定额和牲畜家禽用水定额均降低30%。其他参数与情景S1相同。

d)综合发展型情景S4。在此情景下，假定龙口市共同发展水资源保护与经济建设，2035年和2050年的经济增长速度为6%，生活用水定额、灌溉定额和牲畜用水定额均降低20%，其他参数与情景S1相同。

3 模拟结果分析

3.1 需水量预测结果

预测4种情景下龙口市2030年和2050年的生活、工业、农业和总需水量，见表2；并给出了龙口市在4种情景下总需水量随时间变化的曲线，见图3。从表2和图3可以看出，总需水量在4种情景下均呈上升的趋势。在预测期内，4种情景下平均总需水量分别为137.26亿、150.78亿、113.07亿、139.44亿m3。到预测末期(2050年)，4种情景下龙口市总需水量分别为183.92亿、242.71亿、159.75亿、224.48亿m3，其排序关系是S3

图3 不同情景下龙口市总需水量变化

3.2 水资源供需平衡分析

表3是4种情景下龙口市水资源供需平衡情况，图4是4种情景下龙口市缺水指数变化曲线。缺水指数是指缺水量占总需水量的比重，正值表示缺水，其余表示不缺水，缺水指数的值越大，表示缺水的程度越严重。在2030年，4种情景下龙口市只在节约用水型情况下不存在缺水的问题；到2050年，4种情景下龙口市均存在缺水的问题，严重程度排序为S3

表3 不同情景下龙口市水资源供需平衡情况单位：亿m3

图4 不同情景下龙口市缺水指数变化曲线

3.3 缺水情况分析

表4列出了与缺水指数有关的数据统计结果。结果表明4种情景下龙口市在预测期内出现缺水的年份比例分别为91.18%、91.18%、50.00%和67.65%，相应的平均缺水量分别为31.77亿、45.72亿、24.53亿、49.26亿m3，平均缺水指数分别为0.209 6、0.258 9、0.175 3和0.282 9。从这几项统计数据的对比来看，龙口市在预测期内不同发展情景下都会出现不同程度的缺水问题。保持现状的发展趋势(情景S1)或只考虑社会经济发展(情景S2)，龙口市在未来将出现较为严峻的缺水问题；只考虑节约用水措施(情景S3)，虽然龙口市水资源供需基本处于平衡状态，在模拟期中只出现17年的缺水问题，但这是以牺牲龙口市的经济发展为代价；如果综合考虑社会经济的发展和节约用水(情景S4)，龙口市仍可能出现缺水问题，但缺水的时间和程度都大为降低，总体来看该情景比较适合该地区的经济发展。所以情景S4可以作为龙口市未来社会发展所采用的发展方案。