长江经济带“四水”与社会经济SD模型构建及应用Ⅰ

杨丽 刘海军 王红瑞 张睿齐 赵自阳

摘要：长江经济带高质量发展，需要处理好水资源、水环境、水生态和水灾害“四水”与社会经济的耦合关系。利用2008～2019年长江经济带“四水”以及社会经济数据，运用系统动力学方法，构建了“四水”与社会经济系统动力学模型（SD模型），并进行了参数敏感性分析;基于目前发展态势和相关经济社会发展规划，模拟预测了2035年长江经济带“四水”与社会经济发展的变化趋势。研究结果表明：① 在保持当前发展趋势和满足规划的条件下，长江经济带社会经济稳步发展，2035年长江经济带GDP将是2019年的2.83倍;② 水生态环境条件有所改善，相较于2019年，2035年濕地面积、浮游动植物多样性指数平均、COD、氨氮和总磷排放量将分别下降15%，26%，8%，10%和11%，但废水排放总量将增加27%;③ 与2019年相比，2035提水灾害风险降低，洪旱灾害直接经济损失占地区GDP比例将下降0.18%;④ 供水量和用水总量分别增加了288亿m  3 和310亿m  3 ，到2035年基本保持供需平衡。针对模拟结果，提出了“四水”与社会经济协调发展情势下的治理建议，包括加强污水处理设施建设、调整产业结构、加强科研创新和推行节水行动。

关 键 词：长江经济带; 社会经济; “四水”; 系统动力学模型; 模型构建

中图法分类号：  F205

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.001

0 引 言

长江经济带沿线包含9个省份和2个直辖市，2019年，长江经济带地区 GDP超过了全国总GDP的 46%  [1] ，为国家和地区经济社会发展提供了重要保障。然而，长江经济带的过度开发也导致这一地区生态退化以及环境污染问题日益严重，水资源短缺、水环境恶化、水生态损害和水旱灾害（称之为“四水”，下同）频发问题突出  [2-5] 。“高质量发展”在十九大中首次提出，同时在十九大报告中也明确指出：“以共抓大保护、不搞大开发为导向推动长江经济带发展。”因此，如何兼顾长江经济带发展和保护，是目前亟待解决的问题。

系统动力学（System Dynamics，简称SD），由美国麻省理工学院的Forrester教授于1956年始创  [6] 。该方法能够处理具有非线形和时变现象的系统问题，并能对其进行长期性、动态性、战略性的定量仿真分析  [7] ，现在已经广泛应用于企业管理  [8] 、建筑工程  [9] 和区域规划  [10] 等领域。SD模型结合定性与定量分析，对多学科交叉和时变性的系统进行模拟仿真，可对模型中部分缺失数据自动进行线性差分，并通过不同情景的动态分析，为决策提供科学依据。目前，SD在“四水”与社会经济协调发展方面也有相关研究。比如秦钟等  [11] 利用系统动力学模型，模拟了广东省经济、资源和环境污染的变化情况。薛冰等  [12] 建立了天津市水资源承载力系统动力学模型，对天津市的水资源承载力进行了评价。秦剑  [13] 构建了北京市水资源供需平衡的系统动力学模型，对北京市水资源的供需状况进行了预测。Zare等  [14] 构建了以水资源管理为核心的可持续发展的综合模型。Yin等  [15] 利用系统动力学方法，对贵州省喀斯特地区的水安全开展了研究，并探讨了水文气候变化对水安全的影响。

长江经济带“四水”与社会经济系统是一个包含经济、社会、水资源、水环境、水生态和水灾害的复杂系统，系统内各因素之间共同作用、相互影响。因此，本次研究利用Vensim DSS软件建立系统动力学模型，根据长江经济带目前的发展态势和经济社会相关规划，模拟预测了2035年长江经济带社会经济与“四水”的相关指标数据。在此基础上，根据模拟结果所暴露出来的问题提出了相关建议，可为长江经济带高质量发展规划提供决策依据。

1 数据来源及研究区概况

1.1 数据来源

本文的研究数据主要来源于《中国统计年鉴》《中国环境统计年鉴》《中国农村统计年鉴》《中国民政统计年鉴》《中国水利统计年鉴》《中国城乡建设统计年鉴》《水资源公报》以及《中国渔业生态环境状况公报》等。

1.2 研究区概况

长江经济带总面积约为205万km  2 ，约占中国国土总面积的21%。由年鉴和公报数据可知：到2019年，长江经济带常住人口数为6.02亿人，城镇化率为 60.6% ，GDP为4.6×10  5 亿元。位于长江经济带东部地区的上海市、江苏省和浙江省3省（市）GDP占长江经济带总GDP的44%，而西部的四川省、云南省和贵州省3个省份GDP仅占总GDP的19%。2019年，长江经济带水资源总量为1.28×10  4 亿m  3 ，供水总量为2 645亿m  3 ，主要由地表水构成。用水量主要由农业用水、工业用水和生活用水组成，三者各占用水总量的53%，30%和16%，生态用水仅占用水总量的1%。各省之间人均水资源总量差异较大，2019年，上海市人均水资源量仅为江西省人均水资源量的4.5%。2018年，长江经济带废水排放总量为318亿t，COD排放总量为264万t，NH  3 -N排放总量为22.7万t。11个省（市）中，废水排放总量、COD排放总量和NH  3 -N排放总量均为江苏省最大。2019年，长江经济带湿地面积为1 154万hm 2，城镇绿化覆盖面积为144万hm 2。水利建设投资合计为3 379亿元，其中，防洪投资占比最大，约占水利建设投资的1/3。2019年，长江经济带洪灾直接经济损失达到1 005亿元。

2 模型构建

2.1 系统边界确定

长江经济带“四水”与社会经济系统动力学模型设置有社会经济、水资源、水环境、水生态和水灾害5个子系统。系统空间边界为长江经济带11个省（市）的行政边界，即重庆市、四川省、贵州省、云南省、江西省、湖北省、湖南省、上海市、江苏省、浙江省和安徽省的行政边界;时间边界为 2008～2035年，其中，2008～2019年为模型验证期，2020～2035年为模型预测期，2025，2030年和2035年为规划水平年，模型的时间步长为1 a。

2.2 系统流图建立

社会经济子系统分为人口和經济2个部分，主要反映长江经济带的人口和经济变化情况，包括常住人口、城镇化率和地区GDP等变量。水资源子系统主要由供水部分和需水部分构成，主要反映长江经济带的水资源供需情况。水环境子系统主要由废水排放量、COD排放量、NH  3 -N排放量和总磷排放量4个部分构成，主要反映长江经济带的水环境情况。水生态子系统由生态用水、湿地面积和浮游动植物多样性指数平均3个部分组成，主要反映长江经济带的水生态状况;水灾害子系统分为洪旱治理投资和洪旱灾害直接经济损失2个部分，主要反映长江经济带水灾害损失和投资情况。各个子系统之间相互耦合，构建的系统动力学系统流程图如图1所示。

2.3 模型参数及主要方程确定

模型中预测年份参数的设定依据为《国家人口发展规划（2016～2030年）》《长江流域综合规划（2012～2030年）》《长江经济带生态环境保护规划》《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》和《国家节水行动方案》等关于“四水”与社会经济的相关规划，以及根据历史数据进行拟合。参数设定情况如表1所列。依据长江经济带统计数据及其真实逻辑关系，得到长江经济带“四水”与社会经济系统的模型方程。但由于方程较多，因此只展示主要变量方程，如表2所列。

3 模型检验

3.1 结构一致性检验

结构一致性检验就是检验模型中的变量设置、因果关系、变量方程是否合理，以及方程两边的量纲是否一致，该检验可以直接在建模时实现。经VensimDSS软件检验，长江经济带“四水”与社会经济系统动力学模型通过了结构一致性检验，满足模型运行要求，可以进行系统仿真。

3.2 历史检验

选取2008～2019年研究区域内人均GDP、总用水量和废水排放总量的模拟值与实际值进行比较，以验证模型的可靠性和准确性，检验结果如表3所列。通过比较可以发现：模拟值与实际值基本吻合，相对误差的绝对值均小于5%，满足模型的精度要求。因此，模型通过了历史检验，具有较高的可靠性。

3.3 灵敏度检验

一个结构稳定、强壮性良好的模型对大多数参数的变化是不灵敏的  [16] 。本文研究通过调节参数的输入值，观察参数变化对模型输出变量的影响来分析模型的灵敏度。灵敏度计算公式如下  [17] ：

S=  Δ Q X   0   Q   0  Δ X  （1）

式中：S为输出变量Q对参数X的灵敏度;X  0 和Q  0 分别为初始条件下X和Q的值; Δ X和 Δ Q分别为X改变量的绝对值和对应的Q改变量的绝对值。

在实际计算中，存在多个状态变量（即多个时间节点），同时，为了提高灵敏度的准确度，选取k组参数改变量ΔX分别计算灵敏度再取平均。因此，定义任意参数X在不同状态下的平均灵敏度如下 ：

S   X = 1 k  1 T    k   i=1     T   j=1   S   i，j   X  （2）

式中： S   X 是参数 X的平均灵敏度;k为参数改变次数;T是时间阶数，即时间节点的数量; S   i，j   X 表示参数 X在第 i组参数中时间节点为第 j个时候的灵敏度。

选择模型的最终输出变量来检验参数改变时的灵敏度情况。在模型运行历史时段内（2008～2019年），每次变化其中一个参数（逐年增加和减少10%和20%），运行模型，加上原始情况，共得到5组数据，再根据公式（1）和公式（2）来计算灵敏度。

由此，公式（2）中参数的选择如下：时间阶数 T =12，其中2008年对应第1个时间节点，2009年对应第2个时间节点以此类推;参数的改变次数 k =4。

计算结果如图2所示。由图2可以看出：33个参数中仅有常住人口、城镇化率、二产增加值增长率、万元工业增加值用水量和城镇污水排放系数5个参数灵敏度达到或超过10%，说明系统对大多数参数不敏感，稳定性较强，也说明这5个参数对模型影响较大，为影响长江经济带“四水”社会经济的决定因子。

综合结构一致性检验、历史检验和灵敏度检验，可以认为该模型有效性较好，可以用于长江经济带“四水”与社会经济系统动力学模拟。

4 模型运行结果分析

4.1 社会经济子系统

经济社会子系统的预测结果如图3（a）所示。到2035年，预计一产增加值达到4.74×10  4 亿元，二产增加值达到3.66×10  5 亿元，三产增加值达到9.12×10  5 亿元，地区GDP达到1.33×10  6 亿元，人均GDP达到21.49万元。一产、二产、三产增加值和地区GDP、人均GDP分别为2019年的1.55，2.01，3.73，2.90倍和2.83倍。地区GDP以及人均GDP直接反映了区域经济发展程度的高低。由图1以及利用Vensim软件查看原因图可以发现：地区GDP和人均GDP的增加主要是由于三产增加值的增加，说明服务业的增加对长江经济带经济发展影响较大。

4.2 水资源子系统

水资源子系统的供用水量和水资源供需指数变化趋势如图3（b）所示。用水量主要来源于地表水供水量、地下水供水量和再生水回用量，用水量主要包括工业用水、农业用水、生活用水和生态用水。水资源供需指数为供水量与用水量的比值，水资源供需指数大于1时，基本能保障充足用水。到2035年，预计供水量和用水总量将分别达到2 952亿m  3 和2 985亿m  3 ，与2019年相比，供水量和用水总量分别增加了288亿m  3 和310亿m  3 。利用Vensim软件查看原因图和灵敏度分析结果可以发现：总用水量的增加主要是由于工业增加值的增加使得工业用水量增加，而工业用水量的增加则是由于二产增加值的增加导致了工业增加值的增加，供水量的增加主要是增加了地表水供水量。由此可知，2035年之前，水资源基本能达到供需平衡。

4.3 水生态子系统

生态用水主要为人工生态环境补水，湿地面积由自然湿地和人工湿地组成，浮游动植物多样性指数平均为地区浮游动物多样性指数和浮游植物多样性指数的平均值。当生态用水、湿地面积和浮游动植物多样性指数平均指标升高时，表示区域水生态条件更好。如图3（c）所示，预计到2035年，生态用水将达到47亿m  3 ，比2019年增加82%。2035年湿地面积将达到1 320万hm 2，浮游动植物多样性指数平均达到 3.5 ，分别比2019年增加了15%和26%，说明长江经济带的水生态条件有所改善。

4.4 水灾害子系统

水灾害子系统洪旱治理投资和洪旱灾害直接经济损失变化趋势如图3（d）所示。洪旱治理投资包括洪涝治理投资和灌溉投资，洪旱治理投资的增加可以降低区域受到水灾害时的损失。洪旱灾害直接经济损失包括洪灾直接经济损失和旱灾直接经济损失。到2035年，洪旱治理投资将达到5 728亿元，为2019年的3.3倍;洪旱灾害直接经济损失预计为775亿元，为2019年的0.7倍。洪旱治理投资的增加主要是由于地区GDP的增加，投入相应增加。2035年，洪旱治理投资和洪旱灾害直接经济损失占地区GDP比例分别为0.43%和 0.06% ，洪旱治理投资占地区GDP比例和2019年相比增加了0.05个百分点，洪旱灾害直接经济损失占地区GDP比例和2019年相比下降了0.18个百分点。

4.5 水环境子系统

水环境子系统的预测结果如图3（e）所示。水环境子系统各项指标越低，代表区域水环境质量越好。预计到2035年，废水排放量将达到4.11×10  6 万t。与2019年相比，废水排放量增加了27%，废水排放量增加主要是由于人口增加以及二产增加值增加导致的工业用水增加;COD、氨氮和总磷排放量分别达到2.41×10  6 ，2.12×10  5 ，2.75×10  4  t，比2019年分別低8%，10%和11%。在废水排放量增加的情况下，COD、氨氮和总磷排放量仍减少，说明单位废水中污染物排放量显著降低。

5 讨 论

长江经济带包括中国11个省（市），虽然国土面积只占全中国的21%，但2019年人口数和GDP分别达到了全中国的43%和46%，水资源总量也达到了全中国的44%  [1] 。近年来，国家针对长江经济带的高质量发展出台了一系列措施，比如2016年发布了《长江经济带发展规划纲要》、2017年发布了《长江经济带生态环境保护规划》、2020年颁布了《中华人民共和国长江保护法》等，这些都说明了中国对于长江经济带的发展非常重视。

从目前来看，国家的一系列政策都起到了非常积极的作用，长江经济带在稳步发展的同时，生态环境状况得到了明显改善。从模型运行结果可以看出：到2035年，长江经济带的经济进一步稳定提升，预计2035年长江经济带人均GDP为2019年的2.83倍。习近平总书记在关于《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》的说明中指出：“到2035年实现经济总量或人均收入翻一番，是完全有可能的”。长江经济带作为中国重要的经济发展圈，其天然资源、工业基础和运输条件优越  [18] ，对中国经济目标的实现具有重大意义。

2035年水生态环境条件有所改善，湿地面积和浮游动植物多样性指数平均值都有一定提高，COD、氨氮和总磷排放量相较于2019年分别下降8%、10%和11%，下降幅度较小，但要看到随着长江经济带经济的发展，废水排放总量较2019年增加了27%。孙才志等  [19] 研究表明，2000～2013年，中国水风险呈现出由高向低的发展态势。Pan等  [20] 也研究表明，由于生态保护政策的实施，2008～2015年长江中游山区生态明显改善，但是在农业和工业地区，生态系统仍处于衰退状态。Zhou等  [21] 也研究表明，环境管控和经济合作，使得2000～2018年长江经济带水污染物减少，但是城市化发展过快使得水污染物排放减少有限。

模型研究结果表明：随着国家对于洪旱治理投资的加大，水利基础设施和水灾害预警系统日趋完善，水灾害风险越来越小。Peng等  [22] 研究了2000～2015年长江经济带的水灾害风险特征，发现该地区的水灾害平均危害、暴露性和脆弱性分别增加了3.62%、 1.28% 和2.07%，但城市的韧性可以使长江经济带与水相关的灾害风险降低14%～25%，说明相关措施可以有效降低水灾害风险。但值得注意的是，随着经济的发展，用水量增幅明显。杨倩等  [23] 也研究表明，长江经济带10%的区域面临高水资源压力。习近平总书记在党的十九大报告中指出：“以共抓大保护、不搞大开发为导向推动长江经济带发展”，应控制长江经济带的水资源开发利用率。因此，基于长江经济带目前的发展趋势以及国家相关规划，长江经济带社会经济与“四水”整体朝着更好的态势发展，但仍有改善的空间。本文研究利用SD模型，将长江经济带作为整体进行分析，对于不同省份之间经济社会和“四水”的问题差异，将会在下一步的研究中逐步展开。

6 结 论

本文针对到2035年长江经济带的“四水”和社会经济发展存在的问题，开展了模拟分析和研究，根据研究结果提出了相应的建议。

（1） 加强污水处理设施建设。长江经济带在经济高速发展的同时，要同时兼顾环境的可持续发展。从目前来看，若保持规划中的经济增速，废水排放量将显著上升（比2019年高27%），废水中主要污染物排放量虽然有所下降，但是下降幅度不大（COD、氨氮和总磷排放量分别比2019年低8%，10%和11%）。说明基于现在的发展规划，污水处理水平有限。

（2） 调整优化产业结构。从目前来看，预计到2035年，用水总量显著增加，虽然未出现明显的供需缺口，但随着经济的进一步发展，用水量进一步增加。因此，为了保证经济增速，在保障粮食安全和工业发展的基础上，优化产业结构，优先发展用水量较低的高科技产业和第三产业，增加水重复利用率，降低单位产值的耗水率。

（3） 加强科研创新。针对目前万元工业增加值用水量和耕地实际灌溉亩均用水量较高的情况，有效利用科研单位的研究成果，推行节水技术和工艺，提高水资源利用效率。同时寻求更便利有效的污水处理措施，降低废水中所含的污染物质。

（4） 推行节水行动。由于长江经济带水资源丰富，而导致当地居民节水意识较为淡薄。但从研究结果来看，随着经济社会的发展，长江经济带也会出现水资源供需缺口。因此，政府可以开展节水宣传或通过调控水价，来提高当地居民的节水意识。

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（编辑：赵秋云）

Construction and application of system dynamic model for ‘four water and socio-economic  in the Yangtze River Economic Belt Ⅰ：model construction and verification

YANG Li 1，LIU Haijun 1，WANG Hongrui 1，ZHANG Ruiqi 2，ZHAO Ziyang 1

（ 1.Beijing Key Laboratory of Urban Hydrological Cycle and Sponge City Technology，College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China; 2.School of Mathematical Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China ）

Abstract：

Based on the coupling relationship between four-water （water resources，water environment，water ecology，water disasters） and socio-economics，a system dynamics model for four-water and socio-economic system was constructed using the four-water and socio-economic data of Yangtze River Economic Belt from 2008～2019，and some parameters of four-water and social development of Yangtze River Economic Belt in 2035 were simulated and predicted based on the current development trend and some plans.The study results show that under the conditions of maintaining the current development trend and planning，the GDP of Yangtze River Economic Belt is expected to be 2.83 times that of 2019 by 2035.Water eco-environment conditions would be improved，compared to 2019 wetland area，average phytoplankton and zooplankton diversity index，COD，NH3-N，and total phosphorus emissions decreasing by 15%，26%，8%，10% and 11% respectively in 2035，but total wastewater emissions increasing by 27% compared to 2019.Water disaster risk would reduce，and direct economic losses due to floods and droughts as a percentage of regional GDP would decrease by 0.18 percentage points compared to 2019.The total water supply and water consumption would increase by 28.8 billion m3 and 31 billion m3 respectively，the supply and demand would basically be balanced by 2035.Finally，in response to the simulation results，four suggestions were made，including strengthening the construction of sewage treatment facilities，adjusting the industrial structure，strengthening scientific research and innovation，and implementing water conservation actions.

Key words：

Yangtze River Economic Belt;socio-economics;four-water;system dynamics （SD） model;model construction