基于SD模型的保定市主城区水资源供需模拟

张 彦，寇利卿

（河北省保定水文勘测研究中心，河北 保定 071000）

水资源供需系统是一个复杂的大系统，涉及水资源系统、经济社会系统和生态环境系统［1］。目前根据预测方法的特点，水资源供需预测可分为时间序列法、直观法和模拟模型法［2］，而系统动力学（SD）法是模拟模型法中应用最广泛的方法。系统动力学是一门研究系统内部信息反馈结构和行为的学科，通过计算机进行信息的模拟仿真［3］。系统动力学于1956年由美国麻省理工学院的Jay W．Forrester教授创立后，被广泛运用于环境科学、企业管理决策等研究领域［4］。由于系统动力学方法能够动态模拟各要素间的关系及水资源供需的演化特征，并能明确分析出各因素对水资源供需的影响力度，可操作性强［5］，近年来在水资源供需模拟预测中得到广泛应用。本文从系统的理论观点出发，结合保定市主城区水资源供需特点和经济社会发展状况，以实现水资源供需平衡为目标，构建了区域水资源系统供需安全模型，通过参数敏感性分析找出影响该系统供需安全的敏感参数，在此基础上设计不同政策调控方案，通过运行模型对比不同方案的仿真模拟结果，从而得出改善保定市主城区水资源供需平衡的最佳发展模式。

1 研究区域概况

保定市位于河北省中西部地区，与北京、天津构成黄金三角，地理位置非常重要。全市属暖温带大陆性季风气候，多年平均降雨量498.9mm。本次所研究区域为保定市的主城区，由现在的莲池区和竞秀区（含高新区）组成，面积312km2，人口119.4万，多年人均水资源量远低于全国平均水平。随着城区人口的持续增长，以及经济社会的不断发展，水资源供需矛盾更加突出，水资源安全形势相对严峻。因此，开展保定市主城区的水资源供需安全研究，对保定市城市经济、社会和生态环境的可持续发展具有十分重要的现实意义。

2 区域水资源供需SD模型构建

2.1 区域水资源供需系统模型结构

围绕解决研究区域水资源供需安全问题，在分析研究区域水资源开发利用系统内部各要素间的相互作用和反馈机制的基础上，将研究区域水资源系统划分为供水子系统、需水子系统、经济子系统、人口子系统、生态环境子系统等5个子系统。

供水子系统，按照供水来源将总可供水量分为地表水可供水量、地下水可供水资源量、再生水回用量、跨区域引调水量。其中再生水回用量主要是城镇污水处理厂处理的工业废水和生活污水的回用量。

需水子系统，是本文中最为复杂、庞大的子系统，也是水资源安全调控的主要部分。本子系统包括第一产业用水量、第二产业用水量、第三产业用水量、生活用水量和生态用水量。其中，第一产业用水量由农田灌溉用水量和林牧渔畜用水量构成，第二产业用水量由工业用水量和建筑业用水量构成，第三产业用水量由第三产业增加值和万元三产增加值用水量计算而得。

经济子系统，包括第一产业增加值、第二产业增加值和第三产业增加值。其中第二产业增加值由工业增加值和建筑业增加值组成，三个产业的增加值均是通过年增长率计算而得。

人口子系统，人口数量对水资源系统有着明显影响。本文的人口类型分为城镇人口和农村人口。总人口数量通过人口增长率计算，城镇人口数量通过城镇化率计算，农村人口数量则为两者的差值。

生态环境子系统，包括河道内生态需水量和河道外生态需水量。河道内生态需水量采用市区内主要河流非汛期多年平均流量；河道外生态需水量采用定额预测法，以城镇生活需水的15%［6］计算而得。

2.2 区域水资源供需SD模型流程图

本文将保定市主城区的行政边界作为系统的空间边界，时间边界为2009—2035年，基准年为2018年，预测和规划时段为2019—2035年，规划时间步长为1年。在明确了研究区域水资源供需系统构成和功能结构之后，开始应用Vensim DSS软件绘制研究区域水资源供需SD模型的流程如图1。

图1 保定市主城区水资源供需SD流程

绘制完流程图以后，再对系统的各要素进行量化分析，建立各要素间的量化关系方程，从而最终建立了保定市主城区水资源供需SD模型。模型共包含63个变量，其中状态变量6个，速率变量6个，辅助变量33个，常量4个，表函数14个。模型所用数据来源于《保定经济统计年鉴》《保定市水资源公报》及保定市人民政府官方网站等。

2.3 模型验证与敏感性分析

构建完成SD模型之后，需要对模型进行合理性和有效性检验，以保证模型运行结果尽量接近现实［7-8］。本文选用历史检验的方法来验证模型模拟结果与历史真实值结果之间的相对误差，以评估模型的可靠性。本文选用人口数量、工业增加值、城镇生活用水量、GDP等参数进行检验，通过对比2009—2018年的模拟值和真实值的相对误差来进行验证。检验结果如表1。由表1可知，模型模拟值和历史真实值基本吻合，相对误差均低于10%，认为模型与实际情况有较好的一致性，可用于实际水资源供需预测模拟演化。

表1 模拟结果与历史数据对比

参数敏感性检验是分析模型中的参数变化对系统中所要研究的变量的影响程度。通过分析寻找敏感参数，对敏感参数进行调控，从而提高政策制定的有效性。本文应用Vensim DSS软件中的Monte Carlo参数敏感性测试功能来寻找敏感性参数。通过敏感性测试，确定了对水资源供需系统敏感的参数有单位农田灌溉用水量、三产年增长率、工业年增长率、城镇居民用水定额、再生水回用率等参数。

3 保定市主城区水资源供需模拟与调控

在确定对水资源供需比敏感的参数以后，通过对这些敏感参数进行调整，来制定保定市主城区水资源供需调控方案，以期找到适合保定市主城区水资源供需安全的发展模式。

3.1 方案1：延续现状发展模式

保持现有经济发展水平、人口增长率趋势及供用水水平，不做任何政策调整，模拟水资源供需发展趋势。主要调控参数如表2。

表2 方案1调控参数取值

3.2 方案2：生态环境优先，治污减排模式

在方案1基础上，提高河道外生态用水量，将河道外生态用水量占城镇生活用水量的比例提高到20%，减少城镇生活污水排放量，将城镇污水排放系数调整为0.66，同时提高再生水回用率，到2025年为62%，2030年为80%，2035年为90%。

3.3 方案3：节水控制，提高再生水回用力度模式

在方案1基础上，通过宣传提高居民节水意识，降低生活用水量；通过改进灌溉设施，提高农业灌溉节水水平；提高再生水的回用率到方案2的水平。主要调控参数如表3。

表3 方案3调控参数取值

3.4 方案4：产业结构调整，保持经济稳定增长模式

该方案强调在保持GDP稳步增长的前提下，通过调整产业结构来达到减少水资源利用量的目的。在方案1的基础上，保持第一产业的平稳发展，大力提高工业水平，控制第三产业的发展速度。主要调控参数如表4。

表4 方案4调控参数取值

3.5 方案5：综合调控模式

该方案强调在倡导高效节水的背景下，保持经济社会的协调发展。本方案将方案3和方案4整合，提高再生水回用率，提高农田灌溉节水水平，调整产业结构，提高工业化水平，控制第三产业的发展速度。主要调控参数如表5。

表5 方案5调控参数取值

4 结果与分析

按照预设的5种不同调控方案，模拟运行保定市主城区水资源供需系统模型，对模拟结果进行分析。从水资源总体的供需平衡看（图2），方案5的综合调控模式明显优于其他的4种方案。模拟过程显示从2019年供需比逐年上升，到2021年水资源供需达到平衡，并能持续维持水资源的供需平衡。

图2 水资源供需比

方案1延续现状发展模式不变，参数未经过任何调整，模拟结果显示，水资源供需比（图2）由2019年逐年上升至2021年达到峰值0.96，而后逐年下降，预计到2035年主城区的供水系统只能满足区域内用水的61%，水资源短缺量（图3）将高达1.4亿m3，供需严重失衡，将会对主城区的经济社会可持续发展带来很大阻碍。

图3 水资源余缺量

方案2是以改善生态环境为优先发展目标。模拟结果显示，水资源供需比变化趋势与方案1相近，水资源的短缺量稍高于方案1，说明生态需水量的变化对总需水量的影响不大。

方案3为节水控制模式。模拟结果显示，水资源供需比变化趋势与方案1和方案2相似，但水资源的短缺程度要略好于两者（图2、图3）。方案3降低了城镇居民的用水定额和单位农田灌溉用水量，同时随着城镇生活用水量的减少，虽然提高了再生水回用率，但再生水的回用量呈现下降趋势（图4），因此该方案对水资源供需比影响不明显。

图4 再生水回用量

方案4通过调整产业结构来达到降低水资源利用量。模拟结果显示，三产用水量（图5）从2022年开始增长幅度明显低于方案1；工业用水量（图6）从2031年开始有升高趋势，但变化幅度不大；而与方案1相比，总需水量（图7）和三产用水量变化趋势相似，由此可以看出，三产用水量的变化对总需水量影响明显。另外，方案4水资源供需比明显高于前3个方案，但从2021年后仍呈现下降趋势，水资源短缺量到2035年达0.45亿m3，所以方案4仍不是最优方案。

图5 三产用水量

图6 工业用水量

图7 总需水量

方案5综合了方案3和方案4，实行节水控制与调整产业结构相结合的调控方案，最大限度降低水资源的利用量。模拟结果显示，水资源在2021年达到供需平衡，并能维持水资源供需平衡的趋势，使水资源供需安全状况得到明显改善。与方案1相比，虽然通过产业结构的调整，减缓了GDP的增速（如图8），但从水资源可持续利用和保障经济社会和环境可持续协调发展的系统考虑，此方案应为5种方案中的最佳方案。

图8 GDP

5 结论与建议

在充分分析保定市主城区水资源供需系统结构和功能的基础上，构建了保定市主城区水资源供需SD模型。应用敏感性测试方法，确定了对水资源供需系统敏感的参数。通过对敏感参数设定不同量化取值，设计了5种不同的水资源发展模式，经过对比分析模拟的结果得出，通过降低城镇居民用水定额和农田灌溉用水定额，提高再生水回用率，控制第三产业的发展速度，提高工业增加值比重的综合方案才是改善保定市主城区水资源供需平衡的最佳发展模式。本模型对不同的调控措施进行了定量化处理，为保定市主城区水资源管理的决策提供依据。

为进一步提升保定市主城区水资源供需与社会经济、生态环境和谐发展，结合模型的模拟结果分析以及研究区域社会经济、生态环境发展现状提出以下几点建议：

（1）加大节水力度，减少水资源消耗。提高各个行业的用水效率和节水水平，大力宣传节水理念，提高居民节水意识，加快推进节水器具普及，有效控制城市供水管网漏失，推广节水率高的农田灌溉设施，调整种植结构，改进和提高工业生产工业，提高生产用水重复利用率。

（2）提高非常规水的利用程度。加强海绵城市建设，逐步提高雨水资源的利用水平。提高再生水回用率，提高水资源的重复利用水平。

（3）高效利用引江水，加大非常规水利用程度。保定市主城区水资源量较为匮乏，跨流域引调水资源对于保定市城市经济社会高质量发展至关重要，高效利用引江水，大力推进供水置换，减少地下水开采量，解决地下水大漏斗问题，提高河道生态用水量，逐步恢复河道生态功能。

（4）调整产业结构，严格控制第三产业用水量。随着城镇化进程的加速，保定市主城区第三产业近年来发展迅猛，随着而来的用水量也逐年增加。第三产业涉及面比较广，节水管理难度大，用水管理部门应加强这方面的管控。同时，在逐步提高工业节水水平的前提下，大力发展工业，提高工业产值在GDP中的比重。