水资源刚性约束下新余市水资源承载力系统动力学仿真分析

肖 洁，温天福，蔡付林，刘 鑫

(1.江西省水利科学院，江西 南昌 330029；2.河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210024；3.水利部鄱阳湖水资源水生态环境研究中心，江西 南昌 330029；4.江西省鄱阳湖水资源与环境重点实验室，江西 南昌 330029)

1 研究背景

水资源作为社会经济发展过程中的刚性约束性指标，可有效引导区域发展规模、产业结构的优化调整，使得当地经济社会与水资源相适应[1]。江西省提出“十四五”期间以水资源刚性约束为引领，全面提升水资源利用效率，促进全省经济社会高质量发展[2]。新余市作为江西省境内工业发展程度较高的城市，目前人口增长和经济发展较快，用水需求增长较多，同时存在着污染物排放量即将超载、季节性供水不足、用水效率不高等问题[3]。以新余市为例，分析水资源刚性约束下的社会经济发展方式，可进一步对比不同发展方式下水资源可承载当地社会经济能力的变化。

水资源承载力是在一定的社会经济发展水平下区域水资源支撑社会经济发展的最大规模[4]。而系统动力学方法可全面刻画社会经济复杂的系统行为和关系，实现对水资源承载状况的定量和定性的仿真模拟[5]，常用于分析区域水资源承载力[6]。国外学者在建立系统动力学模型方面做了大量研究，Chhipi-Shrestha等[7]利用系统动力学的方法，建立了城市水系统的水-能-碳(water-energy-carbon,WEC)综合关联模型，使得区域实现较好的水资源规划和管理。Furrer等[8]主要考虑气候变化和极端天气等影响因素对系统动力学模型模拟结果进行了分析，得出决策者需重视这种快速变化的现象造成的破坏。Huang等[9]对台北市某农场建立了农业水资源承载力模型，对气候变化如何影响种物的收成进行了研究。1989年国内学者阮本清等[10]首次在建立的社会经济-水资源系统动力学模型中得到了其可支撑的社会经济规模和人口载量。杨子江等[11]综合考虑污水再生利用、外地供水的影响因素建立了系统动力学模型，得出协调发展方案可实现昆明市水资源的供需平衡。刘夏等[12]重点考虑农业节水与产业转型等因素建立了水资源承载力模型，指出发展农业节水设施建设规模和灌溉技术等措施。陈文婷等[13]构建了包括17个细化工业类型在内的水资源承载力模型，得出发展高新产业和服务业，并抑制高耗水、重污染的产业发展规模可使社会经济、环境协调发展。

目前水资源承载力的研究主要集中在北方及西北地区，指标选取综合考虑非常规水源利用、城镇化率、建筑工业、旅游业等兼顾区域特性[14-16]，内容侧重于水资源可利用量和水资源承载力评价[17-20]，结合水资源刚性约束制度且充分考虑当地社会经济发展特点的相关研究较少。本文根据新余市社会经济发展的特点，以区域可供水量、行业用水效率、入河湖污水排放量3个方面量化为最大的刚性约束要求，构建水资源刚性约束下的系统动力学仿真模型，设置并模拟现状延续型、经济发展型、资源节约型和刚性约束型4种方案下2020-2035年新余市水资源承载力的变化，分析现状水资源利用和管理中存在的问题，可为新余市水资源刚性约束制度的落实提供科学参考，对于新余市社会经济的高质量发展具有重要的现实意义。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

新余市是位于江西省中部偏西的新兴工业城市，是长江中游城市群的重要成员，市域总面积为3 178 km2。2019年新余市总人口为119.34×104，城镇化率为70.08%，全市人均GDP为81 642元，位列江西省第2。新余市的经济主要以工业为主，新余市在“十四五”规划以及2021年的工作报告中，推进钢铁产业和锂电产业为优先发展的两大经济产业，同时加强光伏产业和麻纺布产业以及其他两大产业的结构升级。

新余市属于亚热带湿润性气候，四季分明，气候温和。全年平均气温为17.7 ℃，年平均降雨量为1 583.1 mm，多年平均地表水资源量为29.24×108m3。人均水资源量为2 200 m3，为全省人均值的60%左右。袁河是流经新余市的主要河流，为赣江一级支流，横贯东西，全市境内河段长度为116.9 km。新余市水系图见图1。

图1 新余市水系图

2.2 数据来源

社会经济数据来源于《新余统计年鉴(2015-2019年)》《新余市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纲要》。水资源统计数据来源于《新余市水资源公报(2015-2019年)》《新余市“十三五”节能减排综合方案》(余府发[2017]19号)、《江西省“十四五”节水型社会建设规划》(江西省水利厅，2021年)、《新余市水资源管理“三条红线”控制指标(2020年、2030年)》。用水定额数据来源于《江西省工业企业主要产品用水定额》(DB36/T 420—2019)、《江西省生活用水定额》(DB36/T 419—2017)。环保数据来源于《全国第二次污染源普查生活源产排污系数手册2020》《江西省地表水功能区纳污能力核定和分阶段限制排污总量控制意见》(江西省水利厅，2014年)。

2.3 研究范围与分析时段

本文研究范围为新余市，涉及渝水区和分宜县，模拟时间为2015-2035年，其中2015-2019年为模型率定期，2020-2035年为模拟预测期，模拟时间步长为1 a。

2.4 系统流程图绘制

从水资源供给侧和需求侧出发，充分考虑新余市生活、工业、农业取排水特点，将系统的层次关系划分为社会子系统、经济子系统、水资源子系统、水环境子系统4个子系统，子系统内部以及子系统之间通过数学方程建立层次或者因果关系，描述水资源系统与社会经济系统的互馈耦合关系[21]。新余市水资源承载力系统动力学仿真模型运用Vensim PLE软件来实现，如图2所示。

(1)社会子系统：表现为人口组成和人口规模，由总人口、城镇人口、农村人口、城镇化率等4个主要变量表征。

(2)经济子系统：表现为产业结构和经济规模，2018年钢铁、锂电、光伏、麻纺四大产业增加值大约占新余市规模工业70%的比重，经济子系统由新余市GDP、第一产业增加值、工业增加值、第三产业增加值、钢铁产业增加值、锂电产业增加值、光伏产业增加值、麻纺产业增加值等8个主要变量表征。

(3)水资源子系统：表现为社会经济水资源供需情况，由可供水总量、需水总量、居民生活用水量、农业用水量、工业用水量等5个主要变量表征。

(4)水环境子系统：表现为社会经济污染物排放量情况，由居民生活、工业和畜牧业所产生的COD排放量和氨氮排放量等2个主要变量表征。

2.5 模型主要变量和方程

系统动力学模型主要是根据水平变量、速率变量、表函数以及常量变量组成，模型主要涉及70个方程，11个状态变量、速率变量以及15个表函数。主要状态变量为总人口、播种面积、钢铁产量、锂盐产量、多晶硅产量、苎麻布产量、其他规模以上工业增加值、规模以下工业增加值、第三产业产值增加值、建筑业增加值、林牧渔业增加值等11个，其他为辅助变量。模型的主要状态变量初始值见表1，主要方程见表2。

表1 模型主要状态变量初始值

2.6 模型有效性检验

2.6.1 模型检验方法 模型检验方法是将模型的仿真模拟结果与历史数据进行比较，如果模拟结果与实际数据的误差小于10%，则表明模型与实际系统的拟合效果比较理想，即可认为构建的模型和设置的参数可行[21]。当模型误差不符合要求时，则需要分析误差来源，修正模型中变量的设置，从而使得模型模拟结果接近实际情况。相对误差δ计算公式如下：

(1)

式中：x′为指标模拟值；x为指标实际值。

2.6.2 模型检验结果 选取总人口数量、工业增加值、生产总值(GDP)、生活需水量、工业用水量、农业用水量6个代表性指标，将这些指标2015-2019年的预测模拟结果与历史数据进行对比(如表3所示)，结果中的6个代表性指标预测值和实际值的相对误差均小于10%，其中总人口数量的预测结果最好，最大相对误差未超过1%；工业增加值预测的误差稍大，但也控制在10%以内；其余指标的误差均在5%以内。说明该模型能够反映实际情况，可以满足仿真模拟预测要求。

表2 系统动力学模型主要方程

变量类型方程总人口/104L人口增长率×上一年总人口数居民生活需水量/108m3A城镇人口×城镇居民用水定额+农村人口×农村居民用水定额工业需水量/108m3A钢铁产业用水量+(其他规模以上工业增加值+规模以下工业增加值)×万元GDP工业增加值用水定额/10000+光伏产业用水量+锂盐产业用水量+麻纺产业用水量需水总量/108m3A居民生活需水量+工业产业用水量+第一产业需水量+城市公共需水量+生态需水量工业增加值/108m3A规模以下工业增加值+其他规模以上工业增加值+特色工业产值增加值GDP/108元A第一产业产值增加值+工业产值增加值+第三产业产值增加值+建筑业产值增加值缺水程度A(新余市用水总量红线-需水总量)/新余市用水总量红线水资源供需比A新余市用水总量红线/需水总量COD污染比ACOD纳污能力/COD排放量氨氮污染比A氨氮纳污能力/氨氮排放量

表3 2015-2019年预测模拟结果与历史数据对比

借助Vensim PLE软件的“模型检验”和“单位检验”功能，对构建的新余市系统动力学仿真模型进行验证，结果表明模型系统边界、因果关系、结构流图、方程式及量纲均通过检验。

3 新余市水资源承载力规模结果对比

(2)

(3)

3.1 发展方案设定

通过参考文献[23]中预测模型的设定，结合新余市水资源利用现状以及社会经济发展情况，设定现状延续型、经济发展型、资源节约型、刚性约束型4种方案(方案Ⅰ～Ⅳ)。社会子系统、经济子系统、水资源子系统和水环境子系统的决策变量输入参数值见表4～7。

表4 社会子系统决策变量调整方案

3.1.1 现状延续型 假设2020-2035年新余市发展依然维持现状，各主要变量参数参考2019年参数值，以此动态模拟预测新余市2020-2035年的水资源承载力。

3.1.2 经济发展型 在现状延续型的基础上，以经济发展为主要发展目标，将产业间增长调整为中高速发展。根据《2020年新余市政府工作报告》《新余市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纲要》，经济发展必须满足其他规模以上工业增加值增长率≥8.5%及第三产业增加值≥8.5%，参数见表5。

表5 经济子系统决策变量调整方案

3.1.3 资源节约型 在现状延续型的基础上，适当减缓经济发展速度，提升水资源利用效率并降低生活、工业、畜牧业等污水排放量，达到加大节流以及生态环境保护的目的。在落实国家水资源刚性约束政策下，江西省制定了《江西省“十四五”节水型社会建设规划》，规划中提出居民用水定额、城镇公共用水定额、粮食灌溉用水定额以及其他经济作物灌溉用水定额到2025年要达到比2020年减少10%的目标以加大水资源用水的节约能力。万元工业增加值用水量在2020-2025年中，每5年下降幅度为33%，参数见表6。同时2025和2030年分别降低城镇工业、畜牧业污水排放系数的30%和20%，参数见表7。钢材用水定额、锂盐用水定额、多晶硅用水定额分别降低至2.2、12、60 m3/t，苎麻布用水定额降低至41 m3/104m。

3.1.4 刚性约束型 通过对以上3种方案优缺点的分析，刚性约束型是从生活、工业、农业等方面，充分考虑在刚性约束下水资源用水效率的高效利用和新余市经济社会发展、新余市“十四五”规划中刚性约束要求下设计的方案。在现状延续型基础上提出每年人口增长率降低0.2‰，城镇化水平每年增速降低0.2%。居民用水定额、粮食灌溉用水定额、万元工业增加值用水定额以及城市居民、工业、畜牧业的污水排放系数与资源节约型中的参数保持一致。其它规模以上工业增长率，2025-2030年增长率保持在9%，规模以下工业增长率、第三产业增长率与经济发展型中的参数保持一致。

表6 水资源子系统决策变量调整方案

3.2 各方案结果分析

根据4种方案，运用构建的系统动力学仿真模型模拟新余市2020-2035年水资源承载力，选取了新余市2020-2035年的社会经济需水量、污染物排放量、污染比和水资源供需比、社会经济规模等4类指标反映其变化过程。

3.2.1 社会经济需水量 主要选取需水总量、居民生活需水量、工业需水量、农业需水量4个指标表征社会经济需水量，预测结果如图3所示。由图3(a)可见，各方案需水总量的变化趋势为经济发展型>现状延续型>刚性约束型>资源节约型。到2035年现状延续型、经济发展型方案的需水总量均超过其用水总量控制红线；相比前2种方案，资源节约型和刚性约束型方案2020-2035年均未超过其用水总量控制红线，可实现新余市社会经济可持续发展。图3(b)显示在4种方案下居民生活用水量逐年增加，人口持续增长使得降低居民用水定额的节水措施效果并不显著。图3(c)表明，至2035年现状延续型、经济发展型方案的工业需水量分别达到6.21×108、7.35×108m3。而在通过减少万元工业增加值用水量和主要工业产业用水定额后，资源节约型和刚性约束型方案的工业需水量约为3.08×108m3，相比现状延续型减少了50.4%，节水效果较为显著；从图3(d)可看出，在4种方案中，与前2种方案相比，提高农业用水效率的资源节约型和刚性约束型方案的第一产业需水量到2035年仅减少0.41×108m3，节水效果不显著。

表7 水环境子系统决策变量调整方案

3.2.2 污染排放量 主要选取COD、氨氮污染物排放量来表征污染物排放量，预测结果如图4所示。由图4(a)、4(b)可以看出，采取污染治理措施最少的现状延续型和经济发展型方案污染物排放量逐年上升，到2022年COD污染物排放量为18 500 t，氨氮污染物排放量为2 380 t，均超过河流的污染物纳污能力。而采取资源节约型和刚性约束型方案强化污染治理措施，则2025、2030和2035年COD污染物排放量相较于2020年分别减少了19%、25%和17%，氨氮污染物排放量相应分别减少了17%、19%和0。资源节约型和刚性约束型方案通过控制居民、工业、农业的排污系数可以有效地控制新余市社会经济COD和氨氮污染物的排放量，实现规划中污染物排放量不超过其允许排放量的目标，保障新余市河流水质达标率为98%以上。

3.2.4 社会经济规模 主要采用总人口数量、城镇人口数量、GDP、工业增加值4个指标反映社会经济规模[24]，其预测结果如图6所示。

结合图5(c)和图6可知，现状延续型和经济发展型方案的水资源供需比βt分别在2022、2020年达到1，此时水资源最大可承载总人口数量分别为121.36×104、120.01×104，城镇化率分别为71.79%、70.73%，相应的水资源最大可承载GDP分别为1 562.59×108、1 397.30×108元，其中工业增加值分别为736.10×108、686.16×108元。资源节约型和刚性约束型方案在2020-2035年均将实现水资源供需平衡，且满足环境目标。刚性约束型方案在通过提升经济发展速率、以节水指标为刚性约束条件、减缓城镇化进程和减少人口自然增长率方面实现水资源供需平衡，且保持污染物排污量不超过区域水环境容量。至2035年，资源节约型和刚性约束型方案下的新余市总人口数量分别为130.49×104、130.22×104人，城镇化率分别为81%、73%。可承载GDP分别为5 408.38×108、5 578.60×108元，其中工业增加值分别为3 102.69×108、3 159.64×108元。由图6总体来看，2020-2035年4种方案下新余市总人口数量差别不大；经济发展型方案加快了城镇化进程，使该方案城镇人口数量高于其他3种方案；4种方案GDP、工业增加值的大小排序为经济发展型>刚性约束型>现状延续型>资源节约型。

图3 各方案2020-2035年新余市社会经济需水量预测结果

图4 各方案2020-2035年新余市污染排放量预测结果

图5 各方案2020-2035年新余市水资源承载力指标预测结果

图6 2020-2035年社会经济规模变化

4 讨 论

在水资源承载力模型构建中，目前指标选取研究已在传统的社会经济-水资源-水环境系统基础上更多综合考虑兼顾区域特性的影响因素，如海绵城市中非常规水利用、工业强市中工业发展、旅游强市中旅游业发展等。王宵君等[25]以赣州市为例，将水资源承载力系统细分为社会经济、水资源和水环境3个子系统，得出考虑社会经济发展和环境保护等多因素的综合协调型，可实现较好的可持续发展模式。新余市与赣州市的水资源利用效率差异不大[26]，本文综合考虑新余市的四大产业的区域特色，建立了新余市水资源承载力系统动力学模型，提出更能反映新余市特色工业特点的水资源利用效率。

新余市“十四五”发展规划强调规模以上工业增加值速率保持在7%以上，同时城镇化率达到71%，城镇居民用水定额降低至145 L，农村用水定额取100 L。危文广等[27]基于理想点法对江西省水资源承载力进行了现状评价，得到新余市2011-2015年的水资源承载力均值为0.606，需要提高工业用水重复率和污水处理能力，同时提倡节约用水以缓解水资源需求压力。在落实水资源刚性约束制度的要求下，以提升新余市水资源承载力为目标，本文建议新余市2020-2035年应重点提升锂盐、麻纺布等重点工业产品的用水效率，同时钢铁、光伏等高耗水、高污染产业的污水排放系数每5年应合理降低调整20%～35%，以满足水环境条件的要求。此外，2025-2035年居民用水定额力争降低10%～15%，以支撑新余市节水型社会创建的要求。

本次研究构建的系统动力学模型未考虑非常规水源利用、特色种植业、外来供水等因素的影响，水资源可承载规模与实际情况还有一定的提升空间，可进一步以非常规水源利用为重点，完善水资源管理与利用制度，大力推动行业用水方式和效率的转变，为新余市合理规划人口、城市和产业发展提供有力支撑。

5 结 论

(1)水资源刚性约束对区域水资源承载力分析提出了更高的要求，通过社会、经济、水资源和水环境4个子系统构建的系统动力学模型流程图，能全面反映新余市社会经济、特色工业产业特点和资源环境之间的互馈耦合关系，构建的模型模拟结果与实际情况的误差小于10%，可用于分析评价水资源支撑当地社会经济的能力。

(2)针对现状延续型、经济发展型、资源节约型和刚性约束型4种方案，现状延续型或经济发展型方案不利于新余市社会经济可持续发展，资源节约型方案可缓解以上两种方案的不足，刚性约束型方案综合考虑了用水效率高效利用和社会经济合理发展，可承载总人口为130.22×104，可承载GDP规模为5 578.60×108元，是新余市未来一段时间的优先发展方式。