青海湖流域水資源系統(tǒng)動力學模型構(gòu)建及其應(yīng)用1)

王學全

(中國林業(yè)科學研究院，北京，100091)

青海湖流域生態(tài)環(huán)境問題集中表現(xiàn)在青海湖水量平衡和水位變化上［1］。由于人為活動相對較少，青海湖被認為是研究近代環(huán)境演化和氣候變化的良好地區(qū)之一，國內(nèi)許多學者利用水文、氣象實測資料，定量分析計算青海湖水量平衡要素及其與氣象因素的關(guān)系，預測未來可能的水位變化［2－4］。近幾十年，由于人類活動加劇和氣候變化的綜合影響，青海湖流域天然草地退化、沙化、河道侵蝕、濕地旱化，湖區(qū)沼澤面積逐年縮小，使青海湖流域水資源重新分配并影響其入湖水量［5］。為了恢復和保護青海湖流域生態(tài)，國家實施了退化草地綜合治理、河道整治、沙漠化土地治理、生態(tài)林建設(shè)、濕地保護等一系列的綜合措施［6］。但是，由于社會、經(jīng)濟、環(huán)境系統(tǒng)及其關(guān)系的復雜性和動態(tài)性，以及流域生態(tài)治理和水資源開發(fā)利用的不確定性和多目標性［7］，使得各種水資源政策對青海湖水安全格局的影響缺乏定量化的手段和方法［8］。因此有必要建立一個系統(tǒng)的、動態(tài)的水資源預測模型，以反映水資源供求、分配關(guān)系和不同政策的影響［9］。系統(tǒng)動力學方法可以動態(tài)反映復雜系統(tǒng)的組分關(guān)系，并具有定量預測的優(yōu)點［10－11］，是研究青海湖水量平衡和水資源承載力的理想工具。筆者在分析青海湖流域水資源和社會系統(tǒng)相關(guān)要素的基礎(chǔ)上，建立青海湖流域水資源系統(tǒng)動力學模型，對青海湖流域生態(tài)保護與綜合治理實施后，青海湖流域水資源環(huán)境承載力與承載狀況進行動態(tài)仿真及趨勢預測，為青海湖流域的社會經(jīng)濟與水資源之間尋求一種協(xié)調(diào)發(fā)展的有效途徑。

1 系統(tǒng)動力學模型構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)邊界

青海湖流域位于青藏高原東北隅，為四周群山環(huán)抱的封閉式山間內(nèi)陸盆地，流域面積29 661 km2，山區(qū)面積約占流域面積的68.6%。2000年底，青海湖流域擁有人口9.72萬人，其中農(nóng)村人口7.41萬人;各類牲畜共302.86萬頭(只)，其中大牲畜34.78萬頭，豬3.33萬頭，小牲畜264.75萬只;耕地面積約20 000 hm2，其中灌溉面積11 400 hm2。主要的農(nóng)作物有小麥、青稞、燕麥、豌豆及青飼料等，以油菜、青稞占主導地位;年產(chǎn)糧食3 600 t;工業(yè)產(chǎn)值1.19億元。2000年青海湖流域現(xiàn)狀總用水量0.49×1 08m3，其中工業(yè)用水0.0016×108m3，牲畜用水0.150 4×108m3，生活用水 0.014 2×108m3，灌溉用水0.321 6×108m3。模型的空間邊界是整個青海湖流域。模擬時間段為2001—2050年，以2001年為基準年，模擬步長為1 a。

1.2 系統(tǒng)反饋機制圖的構(gòu)建

青海湖流域水資源系統(tǒng)是一個復雜大系統(tǒng)，以青海湖水量平衡為核心，以整個流域為研究對象，通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和因素分析，確定與水資源相關(guān)的主要因素及其與水資源承載力的關(guān)系。青海湖水量平衡中來水量主要包括湖面降水、地表水入湖補給和地下水入湖補給3部分，耗水量包括青海湖水面蒸發(fā)、人類生活用水、牲畜飲用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水、工業(yè)耗水和生態(tài)環(huán)境用水，據(jù)此建立青海湖水量平衡方程如下:

式中:E為湖水面蒸發(fā)量，P為湖面降水量，Rs為地表水入湖補給量，Rg為地下水入湖補給量，Hu為人類活動耗水，ΔW為湖水儲量變化。

青海湖流域水資源系統(tǒng)因果反饋機制如圖1。

圖1 青海湖流域水資源系統(tǒng)因果圖

1.3 系統(tǒng)流圖的建立

在分析青海湖流域水資源系統(tǒng)特征和影響因素的基礎(chǔ)上，采用SD方法構(gòu)建青海湖水量平衡和水資源動態(tài)預測模型，從整體上反映政策、資源、人口和經(jīng)濟發(fā)展之間的相互關(guān)系，模擬不同生態(tài)治理措施對青海湖水量平衡和水資源承載力的影響及其長遠效果。青海湖水資源系統(tǒng)動力學模型由6個模塊組構(gòu)建成，分別是:工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水、生態(tài)環(huán)境用水、人口用水、牲畜飲用水和水量平衡模塊。運用SD專用建模軟件Vensim PLE來表示子系統(tǒng)間的相互聯(lián)系及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)關(guān)系，建立青海湖流域水資源系統(tǒng)流圖(圖2)。

圖2 青海湖流域水資源系統(tǒng)動力學模型流圖

1.4 數(shù)據(jù)來源及參變量的確定

系統(tǒng)流圖僅表明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與各變量間的邏輯關(guān)系，不能顯示其定量關(guān)系。通常情況下由于數(shù)據(jù)不足或函數(shù)關(guān)系復雜，變量間的關(guān)系難以用嚴格的數(shù)學函數(shù)關(guān)系量化，需采用簡化、近似、概括等方法進行處理。本研究采用了灰色系統(tǒng)預測、趨勢外推法及依據(jù)調(diào)查與統(tǒng)計數(shù)據(jù)估測參數(shù)，并進行必要的檢驗，將復雜的函數(shù)關(guān)系加以簡化，來確定模型中的參數(shù)值。模型數(shù)據(jù)主要來源于青海省統(tǒng)計年鑒，青海湖流域海北州剛察縣和海晏縣、海西州天峻縣、海南州共和縣及國有農(nóng)牧場(三角城種羊場、湖東種羊場、鐵卜加草改站和青海湖農(nóng)場)的調(diào)查資料。農(nóng)田和草地灌溉用水以及生活和牲畜用水來源于青海省用水定額。變量初始值以2001年為基準年，基準年以前的數(shù)據(jù)為模型檢驗數(shù)據(jù)，基準年以后的變量值分別采用了灰色模型預測、幾何平均值法、加權(quán)平均值法、趨勢外推等方法，部分變量值參考有關(guān)規(guī)劃和研究成果確定(表1)。

表1 青海省各水平年社會經(jīng)濟發(fā)展指標

有關(guān)參數(shù)和變量的說明:青海湖水資源系統(tǒng)動力學模型包含工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)環(huán)境用水、人口和牲畜用水和青海湖水量平衡模塊，其中工業(yè)用水以萬元GDP用水量與GDP總量的乘積計算，農(nóng)業(yè)用水以農(nóng)田(草地)灌溉定額與灌溉面積的乘積計算，生態(tài)環(huán)境用水以林地灌溉定額與林地面積的乘積計算，人口和牲畜用水以用水定額與地區(qū)人口和牲畜總量的乘積計算。模塊中GDP增速參考青海省“十二五”發(fā)展規(guī)劃成果，并采用了趨勢外推法確定，萬元GDP用水量、農(nóng)田(草地)灌溉定額、用水定額采用青海省用水定額標準，人口出生率和死亡率引用孫發(fā)平等的研究成果［12］。

2 系統(tǒng)動力學模型檢驗

在使用模型預測前，需進行模型有效性檢驗，以驗證構(gòu)造的模型與現(xiàn)實系統(tǒng)的吻合度，檢驗模型獲得的信息是否反映了現(xiàn)實系統(tǒng)的特征和變化規(guī)律。模型有效性檢驗分為直觀檢驗、運行檢驗、歷史檢驗和靈敏度分析。

2.1 模型的直觀檢驗與運行檢驗

用Vensim PLE軟件對模型進行直觀檢驗與運行檢驗，證明模型中變量設(shè)置、因果關(guān)系、流圖結(jié)構(gòu)以及方程表達式合理。方程的量綱檢驗表明，方程等式兩邊的量綱一致，模型試運行未產(chǎn)生病態(tài)結(jié)果。

2.2 模型的歷史檢驗

將青海湖流域水資源系統(tǒng)模型各種指標、參數(shù)代入仿真系統(tǒng)，對所建立的系統(tǒng)模型正確性進行檢驗。根據(jù)青海湖1959—2000年歷年水量平衡數(shù)據(jù)運行模型，得出1959—2000年各個變量時間序列數(shù)據(jù)并與實測數(shù)據(jù)比較，誤差均在6%以內(nèi)，其中實測水位與模型計算水位誤差均為4.3%(圖3)。表明模型能夠反映青海湖水量平衡系統(tǒng)的實際特征，因而可以用來預測未來各種流域治理方案實施后的動態(tài)發(fā)展過程。

3 青海湖水資源承載力和優(yōu)化配置

為了應(yīng)對青海湖流域日益嚴峻的生態(tài)環(huán)境和水資源問題，國家啟動實施了青海湖流域生態(tài)保護與綜合治理工程。工程實施年限為2008—2017年。工程的實施將對流域生態(tài)環(huán)境以及青海湖水量平衡與水資源承載力產(chǎn)生積極影響。規(guī)劃內(nèi)容涉及水資源承載力與優(yōu)化配置的核心政策和措施有5項:①實施人工增雨。通過人工增雨作業(yè)的實施，年均可增加降水量 9.2×108m3～13.8×108m3，可直接為青海湖增加1.9×108m3～2.9×108m3的水量。在模型中作為2017年工程完成后的直接入湖水量。②退化土地保護與治理。在荒漠化土地防治和生態(tài)林建設(shè)中，營造灌木林 1.08×104hm2，封山育林 2.83×104hm2。在模型中作為2017年工程完成后生態(tài)環(huán)境用水，以林地灌溉定額與林地面積的乘積計算。③改善農(nóng)牧民生產(chǎn)生活條件。通過建設(shè)生態(tài)畜牧業(yè)，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式和農(nóng)牧民生活方式，建立人工草地5.39×104hm2。全部為灌溉草地。在模型中作為2017年工程完成后草地灌溉用水，以草地灌溉定額與草地面積的乘積計算。④退耕還草工程。流域現(xiàn)有耕地面積1.79×104hm2。規(guī)劃退耕面積1.05×104hm2，種植多年生牧草。保留耕地面積0.74×104hm2。全部為灌溉耕地。在模型中作為2017年工程完成后農(nóng)田灌溉用水，以農(nóng)田灌溉定額與農(nóng)田面積的乘積計算。⑤實施人畜轉(zhuǎn)移和退化草地修復。流域現(xiàn)有草地面積213.65×104hm2?？衫貌莸孛娣e189.90×104hm2。通過退化草地修復增加牲畜飼養(yǎng)量62.1萬只。通過退牧還草減少牲畜飼養(yǎng)量99.6萬只。合計減少牲畜飼養(yǎng)量37.5萬只。2004年牲畜總數(shù)401.9萬只，因此規(guī)劃牲畜飼養(yǎng)量364.4萬只。在模型中作為2017年工程完成后牲畜飲用水，以用水定額與牲畜總量的乘積計算。

圖3 青海湖實測與模擬水位

將上述治理措施指標代入青海湖流域水資源系統(tǒng)動力學模型，運行結(jié)果與工程實施前比較，青海湖流域人類活動耗水從工程實施前2008年的0.48×108m3增加到工程完成后2017年的2.60×108m3(圖4)。另一方面，從青海湖的水量平衡角度考慮，在不進行青海湖流域生態(tài)保護與綜合治理工程的情況下，青海湖水位將從2000年的3 193.3 m下降到2050年的3187.0 m;實施青海湖流域生態(tài)保護與綜合治理工程后，由于人工降水增加入湖水量，2050年青海湖水位將達到的3 190.2 m，下降趨勢減緩(圖5)。

圖4 青海湖流域人類活動耗水預測

圖5 青海湖水位變化預測

4 結(jié)論與建議

青海湖流域水資源系統(tǒng)動力學模型較好地反映了流域內(nèi)水資源與社會經(jīng)濟的時空耦合關(guān)系，模擬結(jié)果所顯示的系統(tǒng)動態(tài)行為過程，為解決青海湖流域水資源分配問題和生態(tài)環(huán)境問題提供了直觀可靠的方法和依據(jù)，對地區(qū)發(fā)展具有一定的現(xiàn)實指導意義。模型模擬結(jié)果表明，按照目前的青海湖流域生態(tài)保護與綜合治理工程規(guī)劃，由于植被恢復過程中植物耗水增加，受農(nóng)田和草場水利化的影響，工程完成后，青海湖流域人類活動耗水顯著增加，對青海湖水量平衡將產(chǎn)生較為嚴重的負面影響，因此在植被恢復過程中應(yīng)該考慮流域水分承載力，避免大范圍的農(nóng)田和草場灌溉，這一點應(yīng)該引起決策者的重視。青海湖水量平衡受氣候變化影響顯著，未來人工降雨的實施效果各家存在不同意見，未來青海湖水位下降趨勢減緩仍有疑問。

由于流域人類活動和氣候變化加強，青海湖流域水資源—社會經(jīng)濟耦合系統(tǒng)在演化過程中，系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，但在系統(tǒng)動力學模型運行中各方案的結(jié)構(gòu)是不可改變的，另外，要素間函數(shù)關(guān)系的準確性也會隨著時間的推移而降低，這些都可能導致仿真結(jié)果和評價結(jié)論出現(xiàn)一定的偏差。因此，需要對模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)不斷更新，以使仿真和評價結(jié)果更具科學性。

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