河流水生態(tài)承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型軟件開發(fā)

王衛(wèi)軍，周孝德，周彬翀，程 文

（1.西安理工大學(xué) 環(huán)境研究所，陜西 西安 710048；2.杭州英瓦洛環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 310058）

河流健康可持續(xù)發(fā)展管理是國(guó)內(nèi)外研究者、政府和公眾持續(xù)關(guān)注的問(wèn)題，由此人們提出了各種不同的管理理論，并在實(shí)踐中運(yùn)用，其中基于河流水資源承載力，水環(huán)境承載力，水生態(tài)承載力的理論和實(shí)踐［1-5］的河流健康管理模式逐步被人們認(rèn)為是一種科學(xué)可行的河流管理方式。本研究是基于水生態(tài)承載力的理論，水生態(tài)承載力是社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展和水生態(tài)系統(tǒng)演變的耦合結(jié)果，對(duì)其演變趨勢(shì)分析的科學(xué)性是河流和相應(yīng)的區(qū)域管理決策支持的重要基礎(chǔ)。一直來(lái)人們認(rèn)為用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法模擬承載力變化是一種較好的方法，自從美國(guó)麻省理工學(xué)院的J.W．Forrester教授首創(chuàng)這套理論以來(lái)，SD模型（系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，簡(jiǎn)稱SD—System Dynamics）［6-10］在許多復(fù)雜的系統(tǒng)模擬中發(fā)揮了重要作用，包括流域管理流域。本文將用這種方法模擬河流水生態(tài)承載力的變化。目前國(guó)內(nèi)許多研究者選擇Vensim軟件作為SD模型平臺(tái)，事實(shí)表明Vensim軟件在運(yùn)用方面帶來(lái)極大便利。本研究考慮到國(guó)內(nèi)河流健康管理綜合信息決策支持系統(tǒng)的需求，開發(fā)了一套即可獨(dú)立使用，又可嵌入綜合系統(tǒng)的河流水生態(tài)承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型軟件。本文將對(duì)這套軟件的設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果做討論。

1 方法及原理

1.1 構(gòu)建水生態(tài)承載力SD模型

1.1.1 水生態(tài)承載力概念 本論文認(rèn)為水生態(tài)承載力是以一定時(shí)期人類社會(huì)一定的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平，生產(chǎn)生活水平為前提，基于流域水生態(tài)功能分區(qū)管理的戰(zhàn)略思想，結(jié)合一定時(shí)期切實(shí)可行的法律政策管理和技術(shù)控制手段，調(diào)控控制單元內(nèi)河流水生態(tài)系統(tǒng)未發(fā)生災(zāi)變，結(jié)構(gòu)和功能仍保持穩(wěn)定所能持續(xù)支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的最大能力。

1.1.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)概念 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（簡(jiǎn)稱SD—System Dynamics），是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的控制原理的學(xué)科，也是一門認(rèn)識(shí)系統(tǒng)問(wèn)題以及解決系統(tǒng)問(wèn)題的交叉綜合性學(xué)科。創(chuàng)始人是美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的福瑞斯特（J.W．Forrester）教授。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)有以下三大特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)將生命系統(tǒng)和非生命系統(tǒng)都作為信息反饋系統(tǒng)來(lái)研究，并且認(rèn)為，在每個(gè)系統(tǒng)之中都存在著信息反饋機(jī)制，而這恰恰是控制論的重要觀點(diǎn)，所以，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是以控制論為理論基礎(chǔ)的；（2）系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)把研究對(duì)象劃分為若干子系統(tǒng)，并且建立起各個(gè)子系統(tǒng)之間的因果關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，立足于整體以及整體之間的關(guān)系研究，以整體觀替代傳統(tǒng)的元素觀；（3）系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究方法是建立計(jì)算機(jī)模擬模型—流圖和構(gòu)造方程式，實(shí)行計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證模型的有效性，為戰(zhàn)略與決策的制定提供依據(jù)。

1.1.3 水生態(tài)承載力SD模型 本文水生態(tài)承載力SD模型是流域水資源環(huán)境生態(tài)狀態(tài)—支持能力因素與流域和區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展—壓力因素、流域和區(qū)域管理響應(yīng)—調(diào)控耦合因素耦合的模型。水生態(tài)承載力SD模型的框架如圖1所示。

圖1 水生態(tài)承載力SD模型框架

1.2 Envsim SD模型軟件簡(jiǎn)介Envsim SD模型軟件系杭州英瓦洛環(huán)境科技有限公司協(xié)助西安理工大學(xué)環(huán)境研究所開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，其開發(fā)意圖：一是滿足獨(dú)立的SD模擬的需要；二是能嵌套入河流動(dòng)力學(xué)模型軟件和GIS平臺(tái)中，成為河流水生態(tài)環(huán)境變化仿真模擬軟件系列中的重要環(huán)節(jié)。

1.2.1 使用Envsim軟件處理問(wèn)題的一般過(guò)程（見圖2）

圖2 Envsim軟件處理問(wèn)題流程

1.2.2 軟件特點(diǎn)

（1）利用圖示化編程建立模型。在Envsim中，“編程”實(shí)際上并不存在，只有建模的概念。只要在模型建立窗口畫出流程圖，再通過(guò)Equations輸入方程和參數(shù)，就可以直接進(jìn)行模擬了。如果用戶需要查看有關(guān)方程和參數(shù)，可使用Mode Document工具條。另外，Envsim提供以后綴名為xml的文本文件保存形式，這種文件可以用于模型的建立和修改。

本產(chǎn)品的主要圖形用戶界面運(yùn)用了兩個(gè)開源的項(xiàng)目：JHotDraw以及JFreeChat。

（2）運(yùn)行于Windows下，數(shù)據(jù)共享性強(qiáng)，提供豐富的輸出信息和靈活的輸出方式。由于采用了多種分析方法，因此Envsim的輸出信息是非常豐富的。其輸出兼容性較強(qiáng)。一般的模擬結(jié)果，除了即時(shí)顯示外，還提供保存文件和copy到剪切板。例如建立好的模型可以copy到剪貼板，再由剪貼板轉(zhuǎn)到MS Word的編輯文件中。

（3）對(duì)模型的多種分析方法。Envsim提供對(duì)于模型的結(jié)構(gòu)分析和數(shù)據(jù)集分析。其中結(jié)構(gòu)分析包括原因樹分析（逐層列舉作用于指定變量的變量）、結(jié)果樹分析（逐層列舉該變量對(duì)于其它變量的作用）和反饋列表。模型運(yùn)行后，可進(jìn)行數(shù)據(jù)集分析。對(duì)指定變量，可以給出它隨時(shí)間的變化圖，列出數(shù)據(jù)表；可以給出原因圖分析，列出所有作用于該變量的其它變量隨時(shí)間變化的比較圖；可以給出結(jié)果圖分析，列出該變量與所有它作用的變量隨時(shí)間變化的比較圖；同時(shí)可以將多次運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行比較。作為最終結(jié)果的圖形分析和輸出，可使用Graph，它不但可以列舉多個(gè)變量隨時(shí)間的變化圖，而且可以列舉變量之間的關(guān)系圖。

2 案例分析及結(jié)果

2.1 贛江袁河流域新余段概況袁河流域位于東經(jīng) 113°50′～115°45′，北緯 27°30′～28°10′之間，南鄰瀘水，西毗淥水，北靠錦江，東南入贛江。流域面積6 262km2，呈芭蕉葉形。流域主要涉及蘆溪、袁州、分宜、渝水、樟樹、新干6個(gè)縣（區(qū)）。本文展示基于Envsim平臺(tái)的袁河新余段（包含分宜縣和渝水區(qū)）的水生態(tài)承載力模擬的部分結(jié)果。

2.2 袁河新余段水生態(tài)承載力SD模型袁河新余段水生態(tài)承載力SD模型由兩個(gè)層次構(gòu)成，第一層次由水資源承載SD模型和水環(huán)境承載SD模型構(gòu)成，其邏輯結(jié)果見圖3、圖4、圖5所示。第二層次為水生態(tài)承載力綜合指數(shù)計(jì)算模型，見圖6所示。事實(shí)上各模塊獨(dú)立成系統(tǒng)后又連接成大系統(tǒng)，本論文限于文章版面的限制，以各模塊的邏輯關(guān)系展示。

3 軟件分析結(jié)果

研究中對(duì)新余（分宜渝水控制單元）設(shè)計(jì)了7個(gè)方案情景，以下是Envsim平臺(tái)上實(shí)時(shí)模擬分析得到的部分結(jié)果演示。

4 討論

（1）Envsim軟件系根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)自主開發(fā)的一套軟件，能穩(wěn)定地進(jìn)行SD模擬，具有良好的運(yùn)用前景，同時(shí)可以根據(jù)不同運(yùn)用對(duì)象需求，進(jìn)一步開發(fā)成專業(yè)領(lǐng)域的SD模擬軟件，本文中的河流水生態(tài)承載力SD模擬即為一典型案例，其最大的優(yōu)勢(shì)是為客戶提供實(shí)時(shí)模擬結(jié)果，且表現(xiàn)形式多元化，客戶在進(jìn)行河流水資源綜合調(diào)度和水環(huán)境污染治理規(guī)劃時(shí)，可以極其便捷地進(jìn)行各方案結(jié)果模擬，以選擇優(yōu)選方案。

（2）應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)目標(biāo)流域的河流特征及區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征的研究，進(jìn)一步加強(qiáng)重要變量變化規(guī)律的研究，使由此構(gòu)建的河流水生態(tài)承載力SD模型更具應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)下一步考慮將該軟件系統(tǒng)嵌入河流健康管理綜合信息決策支持系統(tǒng)中。

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