长江经济带“四水”与社会经济SD模型构建及应用Ⅱ

杨丽 张睿齐 刘海军 王红瑞 赵自阳

摘要：基于构建的长江经济带“四水”与社会经济系统动力学模型，选用灵敏度大于5%的参数设置了16个不同的发展情景，并对不同情景进行了模拟和评价。研究结果表明：不同情景之间人均GDP相差较小;在社会经济子系统优先发展、水资源和水生态环境子系统常规发展情景下，废水排放总量、COD排放总量和氨氮排放总量最大，分别为4.37×106万 t、2.56×106 t和2.26×105 t;在社会经济子系统常规发展、水资源和水生态环境子系统优先发展情景下，废水排放总量、COD排放总量和氨氮排放总量最小，分别为3.68×106万t、2.07×106 t和1.82×105 t;在社会经济子系统和水灾害子系统优先发展情景下，洪旱治理投资增加;在预测年份，区域整体水安全朝着更为安全的方向发展，在现状仿真情景下（情景1），到2035年水安全评价指数达到64分（等级4）;对于单一子系统优先发展，它对区域整体水安全性的影响顺序由大到小排列依次为水生态环境>水资源>水灾害>社会经济。因此，社会经济子系统常规发展，水资源、水生态环境和水灾害子系统优先发展的模式为最优发展模式。

关 键 词：水生态; 水环境; 水资源; 水灾害; 系统动力学模型; 情景设置; 模拟评价; 长江经济带

中图法分类号： F205

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.001

0 引 言

2008年，长江经济带地区GDP为1.3×105亿元，常住人口为5.69亿人，分别占全国的40.7%和42.8%。2019年，长江经济带地区GDP为4.6×105亿元，常住人口为6.02亿人，分别占全国的46.2%和43.0% [1]。而2008年长江经济带水资源总量为1.25×104亿m3，占全国的45.5%;2019年水资源总量为1.28×104亿m3，占全国的44.1%。可以看出，2008～2019年间，长江经济带GDP和人口增速均高于全国平均水平，而水资源总量增长幅度却低于全国平均水平。随着长江经济带经济的快速发展和人口的聚集，使得该地区的社会经济与“四水”（水资源、水环境、水生态和水灾害）发展不匹配[2-5]。因此，如何正确把握长江经济带社会经济与“四水”之间的发展关系，对长江经济带的可持续发展至关重要。

关于长江经济带社会经济发展与水资源环境保护之间的关系，已有学者开展了相关研究。史安娜等[6]利用DPSIR框架模型展开的研究发现，长江经济带水资源保护的主要制约因素为单位产值耗水量、污水排放量、节水政策推广程度以及污水处理能力。李宁等[7]利用水足迹计算模型和水资源利用与经济协调发展脱钩评价模型进行的研究发现，2000～2015年，长江中游城市群农业用水量比重过大，水资源与经济增长基本处于相对脱钩的初级协调状态。沈晓梅等[8]借助于增长阻尼模型的研究发现，2000～2016年，长江经济带水资源对经济增长的约束作用减弱并逐漸稳定。何刚等[9]利用TOPSIS模型开展的研究发现，2007～2016年，长江经济带区域内各省（市）水资源承载力整体水平较低，而且各省（市）间的水资源承载力均衡性差异较大。此外，还有学者利用博弈模型[10]、面板平滑转换模型[11]等，对长江经济带“四水”问题与社会经济发展关系进行了研究。

系统动力学（System Dynamics，简称SD）的系统内部组成要素互为因果，能够对时变问题进行系统仿真[12]。因此，将长江经济带“四水”与社会经济利用SD进行耦合联系，建立了长江经济带“四水”与社会经济系统动力学模型，用以研究其内部的相互作用和影响机制。目前，已有的关于长江经济带的研究，仅分析了社会经济与“四水”部分因素之间的相互影响，并未研究所有因素的共同作用和相互影响机制。因此，本文研究通过建立的系统动力学模型，以“四水”问题为约束条件，对长江经济带发展模式的关键要素进行识别，对不同的发展情景进行仿真模拟预测，以为长江经济带高质量发展提供科学的参考和规划依据。

1 模型介绍

长江经济带“四水”与社会经济系统动力学模型包括社会经济、水资源、水环境、水生态和水灾害5个子系统，各子系统相互耦合。模型验证期为2008～2019年，预测期为2020～2035年。对模型进行结构性检验、历史检验和灵敏性检验，发现模型结构稳定，能够反映真实的历史情况。具体模型构建与验证过程详见文章《长江经济带“四水”与社会经济系统动力学模型构建及应用Ⅰ：模型构建与验证》[13]。

2 情景设计

2.1 调控参数的选择和情景设计

根据模型灵敏度检验结果，选择灵敏度大于5%的参数作为系统的主要驱动参数。主要驱动参数包括常住人口、城镇化率、二产增加值增长率、三产增加值增长率、地表水供水量、万元工业增加值用水量、耕地实际灌溉亩均用水量、工业污水排放系数、城镇污水排放系数、城镇生活污水氨氮浓度、城镇生活污水COD浓度、单位废水总磷排放、水利投资占GDP比例、防洪投资比例、洪灾直接经济损失以及平均浮游植物多样性指数等16个指数。

常规发展模式参数的设定依据为《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》以及《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》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。

长江经济带“四水”与社会经济系统包括5个子系统，但由于进行灵敏度检验时，水生态子系统仅一个指标灵敏度大于5%（平均浮游植物多样性指数）。因此，在情景设计时，将水生态和水环境子系统合并，即分别设置社会经济子系统、水资源子系统、水生态环境子系统和水灾害子系统的优先发展模式，将其与常规发展模式进行排列组合，考虑到新冠疫情等对社会经济发展产生重大影响的事件，设置一个社会经济滞后发展模式，共 17种发展情景，如图1所示。情景1为现状仿真情景。DDC5D8F5-9718-4828-9ACB-B6D6E2228C46

2.2 不同发展模式下参数的确定

社会经济优先发展模式主要调节社会经济子系统内的相关参数，具体为常住人口、城镇化率、二产增加值增长率以及三产增加值增长率等4个参数。水资源优先发展模式主要调节水资源子系统内的相关参数，具体为地表水供水量、万元工业增加值用水量和耕地实际灌溉亩均用水量3个参数。水生态环境优先发展模式主要调节水环境和水生态子系统内的相关参数，具体为工业污水排放系数、城镇污水排放系数、城镇生活污水氨氮浓度、城镇生活污水COD浓度、单位废水总磷排放以及平均浮游植物多样性指数等6个参数。水灾害减少优先发展模式主要调节水灾害子系统内的相关参数，具体为水利投资占GDP比例、防洪投资比例、洪灾直接经济损失3个参数。

考虑到长江经济带的发展状况，尽可能以不偏离相关规划来追求社会经济的高效益发展、減小水资源供需缺口、水生态环境进一步改善和降低水灾害损失为原则来进行优先发展模式下的参数确定。各子系统的优先发展模式均以常规发展模式为参考实行上下调节。

（1） 社会经济优先发展模式是在常规发展模式的基础上，考虑了较高的人口承载力、城镇化和经济发展水平。在参考长江经济带下游区域社会经济发展水平和三孩政策的驱动，以及考虑到长江经济带的人口承载力和经济发展潜力的基础上，将常住人口数上调2%，将城镇化率上调5%;同时，考虑到长江经济带2008～2019年三产增加值较二产增加值的增长速率更快，因此将二产增加值的增长率上调3%，将三产增加值的增长率上调5%。

（2） 水资源优先发展模式是在常规发展模式的基础上，能够更好地保证长江经济带用水安全。在参考水资源开发利用红线的基础上，将地表水供水量上调5%。根据常规发展模式下的模拟结果，到2035年，长江经济带用水量会显著增加，需要加强科研创新的措施来降低用水量，因此，本文研究假定在采取了相应措施的基础上，将万元工业增加值用水量和耕地实际灌溉亩均用水量均下调5%。

（3） 水生态环境优先发展模式是较常规发展模式有更少的污水和污水中污染物的排放量，以及生态条件得到改善。由常规发展模式模拟结果可知：目前，长江经济带污水处理水平有限，需要加强污水处理设施建设;假定加强污水处理设施建设后，工业和城镇污水排放量能下降10%，城镇生活污水中COD和氨氮浓度均能下降5%，由于目前磷污染为长江流域水质改善的主要制约因素，因此设置单位废水总磷排放下降幅度较大，下调10%。

（4） 增大水利投资可以降低区域受到水灾害时的损失，水灾害子系统优先发展需要增大水利投资，降低水灾害损失。因此，本文研究假定水利投资占GDP比例和防洪投资比例上调15%，洪灾直接经济损失受气候等变化影响较大，下降幅度有限，因此假定下降10%。

（5） 根据2021年《中国统计年鉴》中的相关指标，发现2020年由于受新冠肺炎的影响，二产和三产增加值分别较常规发展模式下的模拟值降低了8%和10%，考虑到2020年受新冠疫情影响较大，之后下降比例会逐渐降低，因此设置社会经济滞后发展模式下二产和三产增加值的增长率分别下调4%和5%;考虑到社会经济滞后发展模式，相较于常规的发展模式，城镇化率增速会减缓，城镇化率增速较低，因此相对于常规发展情景，设置城镇化率下调3%。其他指标保持常规发展。

不同发展模式下参数的具体设置如表1所列。

3 不同情景模拟结果的评价方法

3.1 评价指标体系构建

结合长江经济带“四水”与社会经济的实际情况以及系统动力学模型，基于综合分析长江经济带社会经济、水资源、水生态环境和水灾害之间的联系以及系统整体的安全性，设置了目标层（A）、准则层（B）和指标层（C）来进行评级指标体系构建。目标层为区域整体水安全，准则层分别为社会经济安全、水资源安全、水生态环境安全和水灾害安全。指标层为系统动力学模型中的各具体指标。构建的指标体系如图2所示。

3.2 赋权方法

遵循指标层的数据离散程度越大，该指标对综合评价的影响越大的原则，采用熵值法对每个指标进行赋权。

对于每一个准则层Bk（k=1，2，3，4，5）有m个待评价样本，每个样本都有n个指标，则第i个待评价样本的第j个指标记为xij，其中，i =1，2，3，…，m;j=1，2，3，…，n。首先对每个指标进行归一化，正向指标线性映射至0到1，负向指标线性映射至1到0，计算得到每个样本中每个指标的归一数据，具体计算方法如下：

pij=xij-xjminxjmax-xjmin，正向指标

1-xij-xjminxjmax-xjmin，负向指标  （1）

式中：pij是xij归一的数据，xj max=max（x1j，x2j，…，xmj），xj min=min（x1j，x2j，…，xmj）。

其次，对标准化后的数据计算信息熵和信息效用值，具体计算方法如下：

fij=pijmi=1pij （2）

ej=-kmi=1（fijlnfij） （3）

式中：ej就是第j个指标的信息熵，k= 1/lnm。第j个指标的信息效用值dj= 1-ej。

利用信息效用值，计算得到第j个指标相对于准则层Bk的权重wj=dj/nj=1dj。

准则层Bk相对于目标层的权重是αk（假设每个准则层 αk对于目标层的权重均相等，即 α1=α2=…=α5=0.25），那么Bk下的第j个指标相对于目标层的权重为Wkj=αkwj。

各指标权重计算结果如表2所列。

3.3 评价指数及评价标准

假设对于准则层Bk下的每一个指标的测量值是xij，其中，j=1，2，3，…，m。依据每个准则层的测量值和每个指标相对于准则层和目标层的权重进行加权平均，得到准则层或目标层的评价指数。假设每个指标的测量值可以线性反映出整体安全中各个方面和层次状态的水平，因此每个指标通过线性变换将测量值映射到0～100分，基于正相关和负相关的区别映射如下：DDC5D8F5-9718-4828-9ACB-B6D6E2228C46

Scoreij=xij-xjminxjmax-xjmin×100，正向

100-（xij-xjmin）（xjmax-xjmin）×100，负向 （4）

其中：Scoreij是xij对应的分数，xj max=max（x1j，x2j，…，xmj），xjmin=min（x1j，x2j，…，xmj）。

此时，得到第j个指标修正后的得分值是Scoreij在0～100之间，而且和模型整体安全中各个方面和层次状态的水平呈正比例关系。再利用上文计算得到的指标的权重，即可得到准则层的评价指数Bk。

Bk=mj=1wjScoreij （5）

进而得到目标层评价指数A。

A=4k=1Bkαk （6）

由上式计算的长江经济带“四水”与社会经济系统安全性评价指数A在0～100分之间。因此，以20分为步长，将评价指数划分为 5 个等级，分别为0～20分是等级1，20～40分是等级2，40～60分是等级3，60～80分是等级4，80～100分是等级5。等级越高说明系统越安全。

4 结果与分析

4.1 不同情景运行结果分析

图3为2019～2035年不同情景下的模型模拟结果。由图3可以看出：人均GDP在预测年份一直呈增加趋势，在不同情景下相差较小。在社会经济子系统常规发展模式下，预计到2035年，人均GDP为21.49万元;在社会经济子系统优先发展模式下，人均GDP为21.73万元;在社会经济滞后发展模式下，人均GDP为20.81万元。在水资源子系统优先发展时，2035年水资源供需指数大于1;当水生态环境子系统优先发展时，生态用水增加，但由于生态用水占用水比例较小，因此水资源供需指数有小幅度降低;在社会经济滞后发展模式下，由于工业用水量降低，使得水资源供需指数略大于现状仿真情景（情景1）。废水排放总量、COD排放总量和氨氮排放总量在情景9和情景10最大，分别为4.37×106万t、2.56×106 t和2.26×105 t，即在社會经济子系统优先发展，水资源和水生态环境

子系统常规发展时最大;废水排放总量、COD排放总量和氨氮排放总量在情景7和情景8最小，分别为3.68×106万t、2.07×106 t和1.82×105 t，即在社会经济子系统常规发展，水资源和水生态环境子系统优先发展时最小。在水灾害子系统常规发展模式下，当社会经济子系统优先发展时，洪旱治理投资为5 908亿元;当社会经济子系统常规发展时，洪旱治理投资为5 728亿元。在水灾害子系统优先发展模式下，当社会经济子系统优先发展时，洪旱治理投资为7 579亿元;当社会经济子系统常规发展时，洪旱治理投资为7 348亿元;在社会经济滞后发展模式下，受较低的GDP影响，洪旱治理投资最低，为5 548亿元。

4.2 不同情景运行结果评价

图4为2019～2035年不同情景下的模型模拟结果评价指数。图4中阴影部分为情景1，即现状仿真情景时的评价指数。由图4可以看出：基于现状发展模式，区域整体水安全朝着更为安全的方向发展，2019～2027年，其评价指数位于等级2;2028～2033年，其评价指数位于等级3;2035年评价指数达到64.0分。其他15个情景中，仅情景9的评价指数低于情景1，2035年评价指数仅为62.0分，说明仅考虑社会经济子系统的优先发展对区域整体水安全最为不利。仅考虑水资源系统优先发展（情景5）时，2035年评价指数为70分;仅考虑水生态环境系统优先发展（情景3）时，2035年评价指数为72.0分;仅考虑水灾害系统优先发展（情景2）时，2035年评价指数为69.0分。

由此可以看出：仅单一系统优先发展时，到2035年区域整体水安全性均未到达等级5，说明单一子系统优先发展对区域整体水安全的提高作用有限。当社会经济与水资源子系统发展模式一致时，水生态环境子系统优先发展的评价指数显著高于水灾害子系统优先发展的评价指数（即情景2和情景3，情景6和情景7，情景10和情景11，情景14和情景15）;当社会经济与水生态环境子系统发展模式一致时，水资源子系统优先发展的评价指数要高于水灾害子系统优先发展的评价指数（即情景2和情景5，情景4和情景7，情景10和情景13，情景12和情景15）;当社会经济与水灾害子系统发展模式一致时，水生态环境子系统优先发展的评价指数要高于水资源子系统优先发展的评价指数（即情景3和情景5，情景4和情景6，情景11和情景13，情景12和情景14）。在社会经济滞后发展模式下，2035年评价指数为64.5分，略高于情景1，说明社会经济的滞后发展对长江经济带整体水安全影响较小，较低的经济发展速度有利于保障区域水资源安全和水生态环境修复。情景8评价指数最高，到2035年，其评价指数达到等级5，为83.0分，比情景1高19分，比情景9高21.0分，说明按照常规的社会经济发展速度，综合考虑水资源、水生态环境和水灾害的发展模式为最优发展模式。

5 讨 论

2019年，长江经济带水资源总量为1.28×104亿m3[1]，水资源总量大，但随着社会经济的发展，水资源供需指数逐渐降低。虽然中国及长江流域水资源利用效率总体呈增加的趋势，但大部分省区的水资源利用效率仍处于较低水平[14-15]。Kong等[16]分析长江经济带经济增长与用水关系时，同样发现减少用水、发展节水技术是实现长江经济带地区可持续发展的关键途径。在所有发展模式下，区域水安全综合评价指数在预测年份均不断升高，说明长江经济带朝着更为安全的态势发展。这与Luo等[17]和王晓宇等[18]的研究结论一致。

从不同情景模式区域的水安全综合评价指数可以看出：所有情景中，只有社会经济子系统优先发展时的评价指数小于现状仿真情景的评价指数。单一子系统优先发展时，水生态环境子系统优先发展对评价指数的提高幅度最大，说明水生态环境治理是长江经济带水安全性提高的关键。但是，长江经济带目前正处于城镇化进程快而生态环境不断受到损害的发展阶段[19]。因此，在长江经济带未来的发展中，若一味追求社会经济水平的提高，对区域的整体水安全不利。周侃等[20]研究表明：长江经济带水污染物排放的主要驱动因素包括人口规模和城镇化水平，水污染物排放量随着人均GDP的增加而增加。Zhang等[21]研究同样发现，人口规模和城市化是影响长江经济带污水排放的主要因素。Chang等[22]对长江经济带特大城市水安全的影响因素进行研究时，发现污水排放对所研究的特大城市水安全均具有负面影响。当社会经济子系统优先发展时，会导致水生态环境子系统安全性降低，而水生态环境子系统安全又是区域整体水安全的关键。因此，仅考虑社会经济发展的情景模式，其水安全综合评价指数最低。从社会经济滞后发展模式也可以看出，较低的社会经济发展水平并不会导致区域整体水安全降低。DDC5D8F5-9718-4828-9ACB-B6D6E2228C46

如果保持常规的社会经济发展速度，则综合考虑，水资源、水生态环境和水灾害的发展模式为长江经济带水安全的最优发展模式。因此，长江经济带在控制经济增速的同时，应做到节约用水、加大治污减排力度、做好生态恢复和减少水灾害损失，即“四水”协同发展，才能够有效提升区域整体的水安全性。

6 结 论

本文借助于SD模型，分析了长江经济带“四水”与社会经济的耦合关系，并分情景模拟和预测了2008～2035年长江经济带“四水”与社会经济发展状况，从而得出以下主要结论。

（1） 不同情景之间人均GDP相差较小。不同发展情景下，供水量基本能满足用水需求。废水排放总量、COD排放总量和氨氮排放总量在社会经济子系统优先发展、水资源和水生态环境子系统常规发展时最大，在社会经济常规发展、水资源和水生态环境优先发展时最小。社会经济和水灾害子系统优先发展均会使得洪旱治理投资增加。

（2） 基于当前的发展模式，区域整体水安全朝着更为安全的方向发展。到2035年评价指数可以达到等级4。

（3） 仅考虑社会经济子系统的优先发展时，评价指数下降，对区域整体水安全不利。

（4） 对于单一子系统优先发展，其对区域整体水安全性的影响顺序由大到小排列依次为水生态环境>水资源>水灾害>社会经济，说明对于长江经济带“四水”与社会经济系统整体安全性而言，水生态环境最为重要。

（5） 在社会经济子系统常规发展情况下，水资源、水生态环境和水灾害子系统优先发展的模式评价指数最高，可以到达等级5。因此，按照常规的社会经济发展速度，经综合考虑，水资源、水生态环境和水灾害的发展模式为最优发展模式。

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（编辑：赵秋云）

Construction and application of system dynamic model for ‘four-water and socio-economic

in Yangtze River Economic BeltⅡ：Scenario analysis of development model in 2035

YANG Li1，ZHANG Ruiqi2，LIU Haijun1，WANG Hongrui1，ZHAO Ziyang1

（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 constructed ‘four-water，namely the water ecology，water environment，water resources and water disaster，and socio-economic system dynamics model of the Yangtze River Economic Belt，16 different development scenarios were set up by selecting parameters with sensitivity greater than 5%，and the different scenarios were simulated and evaluated.The results show that the difference in GDP per capita between different scenarios is small.The total wastewater，total COD and total NH3-N emissions are the largest when the socio-economic subsystem is developed as a priority and the water resources and water eco-environment subsystems are developed as a routine，with 4.37×104 million t，2.56×106 t and 2.26×105 t，respectively，and the total wastewater，total COD and total NH3-N emissions are smallest when the socio-economic subsystem is developed as a routine and the water resources and eco-environment subsystems are developed as a priority，with 3.68×104 million t，2.07×106 t and 1.82×105 t，respectively.Under the priority development scenario of the socio-economic and water disasters subsystems，the investment in flood and drought management increases.In the forecast year，the overall regional water security moves to a safer direction，and in the status quo simulation scenario （Scenario 1），the water security level can reach Level 4 in 2035.For priority development of a single subsystem，its impact on the overall water security of the region has a descending order：water eco-environment>water resources>water disasters>socio-economic.The model of conventional development of socio-economic subsystem and priority development of water resources，water eco-environment and water disasters subsystem is the optimal development model.

Key words：

water ecology;water environment;water resources;water disaster;system dynamic model;scenario setting;simulation and evaluation;Yangtze River Economic BeltDDC5D8F5-9718-4828-9ACB-B6D6E2228C46