库布齐沙漠社会经济系统动态仿真及其应用

2022-09-24卢方园贾德彬高瑞忠苏文旭杨丽娜

干旱区研究 2022年4期

卢方园，贾德彬，高瑞忠，苏文旭，赵航，杨丽娜

（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区水资源保护与利用重点实验室，内蒙古呼和浩特 010010）

在全球生态安全治理过程中，荒漠化是面临的最大挑战之一，不仅对生态造成恶劣影响，还对社会经济有重大影响，沙漠化是荒漠化的一种典型类型，也是危害最大的一种荒漠化类型［1-2］。近年来，沙漠化治理逐渐引起高度关注。因此，正确协调沙漠化防治的各方面关系十分关键。黄河流域是我国重要的生态防护带和经济发展区，对黄河流域的生态保护和高质量发展已成为国家重要部署，同时黄河流域又是生态环境脆弱带［3-5］。为此，本研究以典型荒漠化生态环境脆弱区——库布齐沙漠为研究区，采用系统动力学模型，分析库布齐沙漠地区社会经济用水时空变化特征以及动态模拟不同参数方案下水资源承载状态，为库布齐沙漠生态环境的改善与社会经济的可持续发展提供强有力的支撑。

水资源承载力是对区域水资源承载状态的重要衡量指标，正确评价区域水资源承载力，既是合理调控区域水资源配置的前提基础，也是实现水资源可持续发展的必要条件［6-8］。水资源承载力发展初期的研究方法多偏向于静态研究，例如层次分析法、模糊评价法等，该时期的研究方法往往忽略了人口-经济-水资源系统内部的关系［9-11］，因此，在后续研究中系统动力学（System Dynamics，SD）、多目标情景规划等动态研究方法逐步改善了初期研究方法的缺点，更综合、完整地考虑水资源承载力在整体系统中的变化［12-14］。系统动力学的优点就是在其研究过程中可用于分析多层次、非线性、复杂的系统问题，水资源承载力作为一个包含社会经济、水资源、生态环境等众多影响因素的复杂问题，需要可以处理多重复杂问题系统的研究方法来解决，系统动力学是应用于水资源承载力动态预测研究的重要方法［15］。但是，在运用系统动力学模型对水资源承载力进行仿真模拟时，仅考虑水资源供需补给关系容易忽略社会经济发展和人口等变量的影响［16］。因此，有研究逐渐考虑社会经济、生态环境、粮食能源等系统与水资源系统之间的相互作用。如利用区域的SD 模型，建立水环境承载力预警体系，并确定当前区域超载情况［17］。同时，也有学者运用系统动力学模型，预测水资源与经济、社会和环境的响应关系［18-20］。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

库布齐沙漠(39°30′28″～40°41′28″N，107°18′54″～111°30′46″E)位于黄河以南的鄂尔多斯高原北部边缘，沙漠总长约400 km，宽度为30～80 km，总面积约1.39×104km2。所处区域有杭锦旗、准格尔旗、达拉特旗3 个旗县，主要种植玉米、葵花、小麦等作物。1999—2019 年3 个旗的三产结构由36.8:39.7:23.4调整为9.5:53:37.5，且GDP 由29.94×108元上升至659.17×108元。该区域年均降水量约200～400 mm，年均蒸发量2162 mm，降水量分布不均，呈西北递减［21-23］。水资源总量稀少，区域用水结构中农业需水量最多，由于没有充足的水资源支撑，加之水资源开发利用过度，库布齐沙漠出现湖泊萎缩，绿洲土地沙化等问题。库布齐沙漠水资源承载状况复杂，是研究的重点区域。由于数据获取有限，本研究仅覆盖库布齐沙漠的行政区域（图1）。

图1 研究区地理位置示意图Fig.1 Location map of the study area

库布齐沙漠供水系统由3 部分组成：地表水供水、地下水供水和再生水供水（污水回用），其中地表用水量包括蓄水利用量、引提水量。图2 能够更加清晰地表明区域内的水资源系统与社会供需水系统之间的关系［24］。

图2 研究区水的社会循环过程Fig.2 Social cycle process of water in the study area

1.2 数据来源

数据包括社会经济数据和气象水文数据，时间序列为1999—2019 年。所有统计资料均以库布齐沙漠内3 个旗县为行政单元统计，具体数据来源参考《鄂尔多斯市统计年鉴》《鄂尔多斯市水资源公报》《全国第二次污染源普查生活源产排污系数手册》《内蒙古自治区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》《内蒙古自治区用水定额》《鄂尔多斯市城市总体规划（2011—2030）》。

1.3 研究方法

1.3.1 关键驱动指标识别方法运用Pearson 相关性分析、主成分分析法进行关键指标识别。Pearson相关性分析方法用于判别2 个变量间的相关性，变化范围在-1～1 之间，一般0.7 以上说明关系非常紧密；0.4～0.7 之间说明关系紧密；0.2～0.4 说明关系一般。主成分分析则是通过降维、正交变换等原理考虑多个变量的相关性。

1.3.2 系统动力学仿真模型（SD）系统动力学方法的原理是通过掌控系统各个指标之间的反馈关系进而对系统整体进行动态性和整体性分析［25］。本文运用系统动力学方法构建库布齐沙漠区域内各旗县水资源承载状态模拟模型，再利用整体建模方法，空间耦合各旗县模型，构建库布齐沙漠承载状态模拟模型。

水资源承载状态仿真模型由人口、经济、水资源和水污染排放子系统内变量组成，可充分明确该区域水资源与社会、生态环境的发展情况。构建该仿真模型的关键在于建立4 个子系统之间的联系，从而建立各变量与水资源承载状态值间的联系，从机理上揭示承载状态演变规律［26］。

1.3.3 数据与参数处理模型中选取的主要参数均通过常规数理统计计算方法确定，个别参数参考鄂尔多斯地区指标参数值，主要参数方程见表1。依据1999—2019 年各旗县总用水量及生活、工业、农业用水，结合人口、工业产值、灌溉面积计算居民生活用水定额、万元工业产值用水量和亩均灌溉用水量［27］。经计算，各旗县居民生活用水定额约为每人85～95 L·d-1，各旗县间无明显差异，其中城镇居民生活用水定额略高于农村，生活用水系统引入人口增长率、城市化率，确保合理计算生活用水量；各旗县万元工业增加值用水量通过工业用水量与工业产值比值计算得出［28］，区分不同旗县间工业产值增长率、单位工业产值耗水量；该区污水集中处理率≥85%，工业排污系数和生活污水排放系数均参考排污系数手册以及历年公开的排污系数数据，分别取均值0.5和0.8。

表1 SD模型主要参数及方程Tab.1 Main parameters and equations in the SD model

2 库布齐沙漠社会经济用水特征

2.1 库布齐沙漠社会经济发展分析

由图3 可知，1999—2019 年库布齐沙漠区域人口呈不断上升趋势，由72.03×104人上升至84.56×104人。准格尔旗、杭锦旗、达拉特旗分别占库布齐沙漠区域人口的39.1%、17%、43.9%（2019年），且库布齐沙漠区域以农村人口为主，各旗农村人口占比均在75%～85%之间。1999—2019 年库布齐沙漠区域的农作物播种面积由19.49×104hm2增至30.07×104hm2。由于2000 年当地政府退耕还林还牧的原因，2002年准格尔旗农作物播种面积下降了45%，2002年后农作物播种面积逐渐回升。1999—2019 年杭锦旗和达拉特旗农作物播种面积也呈现先逐步下降后上升的趋势，与准格尔旗趋势一致。1999—2019 年种植结构也发生了一定变化，玉米、向日葵成为主要种植作物，玉米作为3 个旗主要种植粮食作物，占比约65%～95%。库布齐沙漠1999—2019年GDP呈现逐步上升趋势，其中第二产业GDP占比最大，约占40%～60%之间，工业用水以火力发电和开采煤炭为主。达拉特旗与准格尔旗第二产业增速均最快，杭锦旗第二、三产业增速趋于一致。

由于连接器型预制光缆的插接衰减与连接器尺寸随芯数增多逐步增大，目前在工程中应用的连接器预制光缆主要包括4、8、12芯三种，单端损耗为0.25～0.75 dB，24芯预制光缆应用较少[5]。

图3 1999—2019年库布齐沙漠区域的人口、种植结构、播种面积和GDP产值变化Fig.3 Changes in population,planting structure,sown area and GDP output value in the Kubuqi Desert from 1999 to 2019

2.2 库布齐沙漠水资源现状分析

2019 年，库布齐沙漠区域供水量8.50×108m3，而实际需水量达到9.18×108m3，缺水量为0.68×108m3，区域水资源供需矛盾突出。农业灌溉方面，供给水源主要来源于地下水，占总用水量的82%，为缓解该区域干旱程度，2015年起实施了生态引水工程，在黄河凌汛高水位时将部分凌汛水引入库布齐沙漠北缘低洼地，每年连续引水使区域出现较多湖泊湿地，形成水生态治理区，缓解了该地区水分对植被生长的限制作用，从而极大改善了库布齐北缘生态环境。通过分水引流，不仅为黄河缓解了汛期压力，还将水害转变为水利，提高了洪水的利用程度，推进了水资源管理方案的实施。但是水资源紧缺问题依旧是困扰沙漠地区治理的重要问题，在库布齐沙漠水生态综合治理工程实施后，多年累计引黄河水2.94×10 m3。由于加大生态恢复力度以及推进节水建设，库布齐沙漠区域农业用水效率取得了明显提升，农田灌溉水利用系数由2015年的0.5078提高到了0.5520，但是目前高效节水普及率依旧不高，多以渠道节水为主，节水还有一定的提升空间，生活和工业用水也由1999年的7.6%增长至2019年的22.8%。运用Pearson 相关性分析、灰色关联度以及主成分分析法对该区域用水影响指标进行识别，由表2可知，在可利用水量指标内，地表水资源量对可利用水量影响较大；在负荷指标里，农业用水量及农业用水量的驱动指标对用水量影响最大。

表2 水资源承载状态关键驱动指标Tab.2 Key driving indicators of water resources carrying status

3 结果与分析

3.1 库布齐沙漠现状水资源系统仿真模拟

模型以1999—2019 年的各区域人口、土地、水资源、生态环境和经济发展状况等历史数据为基础，时间边界为1999—2035 年，其中1999—2019 年为历史边界，2020—2035 年为模型仿真预测时段，时间步长为1 a，以2019 年作为仿真模拟的预测基准年，系统动力学模型由初始参数值、常量以及表函数构成。根据模型的历史性检验结果，确定模型的有效性［25-26］。

3.1.1 SD 模型验证系统动力学模型有效性检验的目的在于判断模型是否能够准确合理地反映出系统的特征及变化规律，对模型进行历史性检验，是为了验证模型的运行结果是否符合实际情况［29-32］。通过系统动力学模型仿真模拟1999—2019 年的数据与真实获取的数据对比来验证模型的有效性，当误差小于10%时可认为模型是有效的。因本文变量较多，故列举部分指标进行验证，选取农业人口、工业用水量、有效灌溉面积、林牧渔畜业需水量以及用水总量作为检验指标。由模型验证结果（图4）可知，在所选取的变量中，达拉特旗林牧渔畜业需水量的相对误差绝对值相对较大，但超10%的年份个数较少，其他变量的相对误差绝对值都在10%以下，大多数小于5%。综合来看，模型拟合误差均在允许范围内，模型拟合效果较好。

图4 社会经济要素模拟结果与统计数据的相对误差及用水量模拟值与观测值对比Fig.4 Relative error between the simulation results of social economic factors and the statistical data,and the comparison of the simulated and observed water consumption values

3.1.2 基于SD 的社会水资源系统结构在建模过程中，通过对系统结构的分析掌握，确定系统内部主要变量之间的正负反馈关系，由此建立区域内的变量因果反馈关系图［33-34］。借助系统动力学方法建立库布齐沙漠所处行政区内的旗县社会经济用水模型，对县域用水情况进行全面了解。其中各旗县的总用水量包括生活、工业、农业以及生态用水，并考虑引入黄河水量对该区域供水总量的影响，因此，在模型建立过程中将引提水量加入到供水系统中；利用缺水系数反映该地区水资源短缺程度。由生活用水、工业用水、农业用水、供水以及排污子系统构成模型。

在旗县承载状态流图的基础上，选取81个变量建立库布齐沙漠区域社会经济用水系统模型（图5），以保证模型完整性与合理性。模型中包含状态变量12个，速率变量12个，辅助变量51个，固定量6个，模型主要参数及方程见表1。其中农业用水约占库布齐沙漠区域总用水量的82%，因此农业用水子系统是模型的重点。

图5 库布齐沙漠常规发展模式水资源承载力系统动力学流图Fig.5 Dynamic flow diagram of water resource carrying capacity system in Kubuqi Desert

3.1.3 库布齐沙漠常规发展模式下承载状态预测常规发展模式是在不改变库布齐沙漠水资源承载力模型中任何初始变量参数的前提条件下，维持目前的发展趋势，分析库布齐沙漠水资源承载力的变化情况。通过仿真模型运行后得出预测年份的主要指标预测值及指标变化趋势如表3 和图6 所示。根据表3 可知，依照常规模式发展模拟后，达拉特旗、准格尔旗和杭锦旗均在2025 年和2035 年呈现超载状态（缺水指数＞1），2019年准格尔旗处于承载临界状态。杭锦旗承载状态略高于达拉特旗，主要原因是库布齐沙漠地区的黄河引水工程是利用杭锦旗的独特地势特点将处于凌汛期的黄河水引入该地区，因此杭锦旗承载状态相对良好。

表3 常规发展模式下仿真模拟的承载状态值Tab.3 Simulation and simulation load-bearing state values in conventional development mode

图6 基于SD模型预测2000—2035年主要指标变化趋势Fig.6 Based on the SD model to predict the change trend of main indicators from 2000 to 2035

3.2 不同情景承载状态调控SD模型模拟结果分析

3.2.1 调控情景设计生活需水量参数的调控参照《内蒙古自治区行业用水定额》要求，2025年鄂尔多斯市城镇居民与农村居民人均生活需水定额分别为135 L·人-1·d-1和60 L·人-1·d-1，2035 年为150 L·人-1·d-1和80 L·人-1·d-1（表4）。考虑库布齐沙漠区域用水以农田灌溉用水为主，主要受灌溉面积、灌溉方式及亩均灌溉定额影响，因此根据《鄂尔多斯市国民经济发展第十四个五年规划纲要》《内蒙古自治区用水定额》及《全国水资源综合规划》，分别假定库布齐沙漠区域内的3个旗县农作物播种面积保持不变，在此条件下保持现状灌溉用水方式（S1）和实施滴灌不同灌溉普及率水平产生的用水变化（滴灌用水量是喷灌的1/3）；其他参数依据现状数据进行仿真模拟后得出，不做额外设定。

表4 库布齐沙漠区域需水情景及参数调控Tab.4 Regional water use scenarios and parameter adjustments in the Kubuqi Desert

3.2.2 不同情景模拟结果分析通过《鄂尔多斯市国民经济发展第十四个五年规划纲要》《鄂尔多斯市政府工作报告》等文件中的参数进行仿真模拟，至2035 年库布齐沙漠人口增长至101.73×104人，较2019 年增长20.3%。依据国民经济发展速度的预测，至2035 年库布齐沙漠GDP 较2019 年增加73.67%。在模拟过程中发现，该地区工业、生活两方面的需水量呈不断增加趋势，面对社会经济的迅速发展，这一结果呈必然趋势，因此在不断增长的趋势下只能通过提高工业用水效率、利用节水高效用水等措施降低用水量增长率。农业是库布齐沙漠区域最主要的用水部门，多用于灌溉用水，因此应加强用水效率管理，提高灌溉保证率、减少水资源浪费才能有效缓解该区域用水紧张局面。根据调控情景模拟结果如图7。

图7 S1～S4不同情景方案下模拟趋势Fig.7 Simulation trend under different scenarios of S1-S4

在S1 情景下，灌溉需水量维持现状不发生改变，2035 年库布齐沙漠需水量达9.76×108m3，较2019 年增加3.38×108m3，若按此方案发展，在可预见范围内水资源供需严重不平衡。在S2～S4情景下2035 年库布齐沙漠区域社会经济需水总量分别达8.73×108m3、7.80×108m3、6.87×108m3；由模拟结果可知，当实际条件达到S3情景条件即可呈现需水总量小于供水总量，呈现可载状态，若想实现2035 年库布齐沙漠呈现可载状态，2025 年滴灌普及率应≥25%，2035年达到50%。

依据假设的4 种情景预测结果，在农田灌溉面积维持不变条件下，滴灌普及率越高，灌溉需水量越低，社会经济需水量随之降低。在农作物种植面积占有量大的达拉特旗推广滴灌具有显著效果，在75%的滴灌普及率条件下，可为达拉特旗节约25%的用水量。库布齐沙漠农业节水需从提高滴灌普及率方面考虑。

综上所述，退耕还林等措施依旧是目前对该区域环境整治的重点措施，但能够采取节水的措施有限，不能仅仅依赖于节水成效，应该将研究重点放在水资源高效利用方面以及有效的水、能源和粮食管理体系，现状水资源用水管理制度对粮水之争的局面造成一定的加剧影响。因此，在未来研究中可深入地考虑更多对该地区水资源高效利用和生态恢复治理的影响。