艾比湖流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與自然生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真研究

來風(fēng)兵， 陳蜀江（1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆烏魯木齊830054；2.陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西西安710119）

艾比湖流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與自然生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真研究

來風(fēng)兵1，2， 陳蜀江2?
（1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆烏魯木齊830054；2.陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西西安710119）

文章以艾比湖流域?yàn)檠芯繀^(qū)，以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的理論、方法、模型為主要框架，綜合運(yùn)用計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)、資源與環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)、可持續(xù)發(fā)展等多種理論和方法，使用目前最新版本的SD建模軟件Vensim，建立了艾比湖流域資源、環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型。模型分為有機(jī)聯(lián)系在一起的三個(gè)子系統(tǒng)：資源子系統(tǒng)、環(huán)境子系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)。結(jié)果顯示：（1）全流域耕作面積繼續(xù)擴(kuò)大，由2000年的432.5×103hm2，增長(zhǎng)到2015年的499.6×103hm2和2020年的534.9×103hm2。（2）工業(yè)用水總量處于增加的趨勢(shì)。（3）在人口增長(zhǎng)預(yù)測(cè)方面，未來20年，流域人口以20.86‰的平均增長(zhǎng)率增加。（4）隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水的增加，艾比湖流域生態(tài)用水呈現(xiàn)逐年減少的態(tài)勢(shì)。（5）流域工業(yè)污染較低，農(nóng)業(yè)污染嚴(yán)重。

PRED系統(tǒng)；SD模型；艾比湖流域

PRED系統(tǒng)，是指人口（Population）、資源（Resource）、環(huán)境（Environment）與發(fā)展（Development）4個(gè)子系統(tǒng)通過相互作用、相互影響和相互制約，在一個(gè)具體的區(qū)域上復(fù)合而成的一個(gè)緊密聯(lián)系的統(tǒng)一體。由人口、資源、環(huán)境與發(fā)展構(gòu)成的流域PRED系統(tǒng)是一個(gè)具有高度復(fù)雜性、不確定性、多層次性的復(fù)雜開放巨系統(tǒng)［1－8］，協(xié)調(diào)PRED系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)間的關(guān)系已經(jīng)成為當(dāng)前重要的科學(xué)課題。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（SD）方法是研究PRED系統(tǒng)的最有效方法之一。PRED－SD模型（Population－Resource－En?vironment－Development Dynamic Model）是基于流域協(xié)調(diào)發(fā)展的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)之間的相互作用關(guān)系，結(jié)合流域產(chǎn)業(yè)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，以及生態(tài)環(huán)境綜合防護(hù)體系模式，根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，利用Vensim軟件模擬流域綜合治理和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過程，既可以進(jìn)行時(shí)間上的動(dòng)態(tài)分析，又可以進(jìn)行部門間的協(xié)調(diào)，它能對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)內(nèi)外因素的互相關(guān)系予以明確的認(rèn)識(shí)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所隱含的反饋回路予以清晰的體現(xiàn)，從而能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)［9－13］，為流域合理開發(fā)實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù)，為干旱區(qū)相應(yīng)研究提供研究方法參考。

1 艾比湖流域可持續(xù)發(fā)展SD動(dòng)態(tài)仿真模型構(gòu)建與模擬

1.1 研究區(qū)概況

艾比湖流域位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，準(zhǔn)噶爾盆地西南。流域包括博爾塔拉蒙古自治州（賽里木湖集水區(qū)除外）、烏蘇市、奎屯市、克拉瑪依市的獨(dú)山子區(qū)、托里縣南部，流域面積50621km2。流域西、南、北三面環(huán)山，中間為谷地平原。東部為尾閭艾比湖，宏觀上與準(zhǔn)噶爾盆地連為一體。艾比湖流域氣候干燥，降水稀少，年均降水量90.9mm。

艾比湖流域自古就是歐亞的交通要道。唐代開辟的“絲綢之路”北道，就是經(jīng)過此地越過天山到達(dá)歐洲，現(xiàn)今該流域已是北疆地區(qū)重要的糧食基地、棉花基地、畜牧業(yè)基地和石油化工基地，第二亞歐大陸橋——北疆鐵路出阿拉山口與哈薩克斯坦接軌，使艾比湖流域成為是我國(guó)向西開放的通道。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，艾比湖流域脆弱的生態(tài)環(huán)境也付出了巨大的代價(jià)。從1975年開始流域單位面積人口數(shù)量超出聯(lián)合國(guó)確定的干旱、半干旱地區(qū)臨界值7人／km2的水平。2005年，單位面積人口數(shù)量達(dá)到17.2人／km2，每平方公里超出聯(lián)合國(guó)確定的干旱、半干旱地區(qū)臨界值10人。流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日益突出，甚至尖銳化。

1.2 流域SD建模與數(shù)據(jù)處理

1.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

按照流域內(nèi)系統(tǒng)的功能，把流域生態(tài)系統(tǒng)分為環(huán)境系統(tǒng)、資源系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。艾比湖流域環(huán)境系統(tǒng)屬于典型的干旱區(qū)綠洲環(huán)境系統(tǒng)。綠洲是人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)干預(yù)最強(qiáng)、對(duì)自然景觀改變最為明顯的區(qū)域。艾比湖流域?qū)ψ匀毁Y源的利用與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)關(guān)系較為密切的主要體現(xiàn)在土地資源、水資源和生物資源的利用方面，這三種資源的利用結(jié)構(gòu)，直接控制流域物質(zhì)、能量和信息的時(shí)空分配和生態(tài)系統(tǒng)的平衡。社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的物質(zhì)、能量關(guān)系主要考慮兩個(gè)方面，一是人類從自然界中的獲取，二是人類向自然界的排放。在艾比湖流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對(duì)自然資源的利用結(jié)構(gòu)和利用強(qiáng)度在資源系統(tǒng)的構(gòu)建中已得到體現(xiàn)，該部分主要考慮人類生產(chǎn)、生活對(duì)環(huán)境系統(tǒng)造成的污染。艾比湖流域人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的污染主要表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)污染、城市生活污染和部分工業(yè)污染三個(gè)方面。

1.2.2 系統(tǒng)反饋關(guān)系

根據(jù)對(duì)艾比湖流域PRED系統(tǒng)的分析，選擇其中各子系統(tǒng)的組成要素，并對(duì)其相關(guān)變量的主要因果關(guān)系鏈進(jìn)行分析，確定各子系統(tǒng)之間及系統(tǒng)內(nèi)部的反饋關(guān)系，繪制反饋關(guān)系圖，如圖1所示。

圖1 艾比湖流域PRED系統(tǒng)因果關(guān)系反饋圖

1.2.3 系統(tǒng)變量

系統(tǒng)變量是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)支撐，因此用數(shù)學(xué)函數(shù)形式表達(dá)的系統(tǒng)變量務(wù)必接近真實(shí)系統(tǒng)。同時(shí)，有時(shí)由于數(shù)據(jù)不足或函數(shù)關(guān)系復(fù)雜，很難對(duì)各變量之間的關(guān)系用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系加以表達(dá)，因此，必須采用簡(jiǎn)化、近似、概括等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，來確定系統(tǒng)變量及其之間的關(guān)系［16－17］。本文模型參數(shù)的確定過程中采用了幾何平均值法、加權(quán)平均值法等方法，模型的主要參數(shù)見表1。

表1 艾比湖流域SD模型主要參數(shù)指標(biāo)

1.3 流域SD模型

艾比湖流域?qū)儆诟珊蛋敫珊档貐^(qū)，水資源的合理開發(fā)和利用是艾比湖流域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，在建立流域SD模型的過程中，對(duì)水資源開發(fā)利用的仿真模擬是模型的核心，所以，本研究將流域水資源相關(guān)變量作為流域系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)的接口變量，鏈接各子系統(tǒng)，使艾比湖流域環(huán)境系統(tǒng)、資源系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)組成一個(gè)以水資源為核心的生態(tài)系統(tǒng)。

依據(jù)SD建模原則和建模方法，艾比湖流域可持續(xù)發(fā)展SD模型空間邊界包括3市1區(qū)1縣，時(shí)間邊界從2000年到2020年，2000～2010年間的各項(xiàng)數(shù)據(jù)用來校準(zhǔn)和調(diào)試模型。在模型通過有效性驗(yàn)證后，將2000年作為模擬的基準(zhǔn)年，參考艾比湖流域未來社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃方案，仿真模擬2010年到2020年艾比湖流域環(huán)境、資源和經(jīng)濟(jì)各子系統(tǒng)變量數(shù)據(jù)。主要?dú)v史數(shù)據(jù)取自2000～2010年的統(tǒng)計(jì)年鑒，部分?jǐn)?shù)據(jù)參考相關(guān)文獻(xiàn)和研究區(qū)其他規(guī)劃文件，構(gòu)成了艾比湖流域可持續(xù)發(fā)展的SD動(dòng)態(tài)仿真模型，如圖2所示。

圖2 艾比湖流域PRED系統(tǒng)SD模型流圖

1.4 艾比湖流域PRED系統(tǒng)SD模型運(yùn)行結(jié)果分析

1.4.1 流域農(nóng)業(yè)用水仿真及預(yù)測(cè)

艾比湖流域內(nèi)，農(nóng)業(yè)需水預(yù)測(cè)包括種植業(yè)、林業(yè)和灌溉草場(chǎng)三類，通過選取代表性農(nóng)作物進(jìn)行農(nóng)業(yè)需水量的預(yù)測(cè)。根據(jù)灌溉面積、田間灌溉定額、渠系水綜合利用系數(shù)預(yù)測(cè)，進(jìn)行種植業(yè)、林業(yè)和草場(chǎng)需水量預(yù)測(cè)，如圖3所示。

圖3 艾比湖流域農(nóng)林灌溉用水量模擬預(yù)測(cè)

1.4.2 流域工業(yè)用水仿真及預(yù)測(cè)

目前艾比湖流域工業(yè)萬元產(chǎn)值用水量為55.8m3。考慮到流域的工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，獨(dú)山子、奎屯灌區(qū)工業(yè)萬元產(chǎn)值取用水量到2020年時(shí)接近發(fā)達(dá)地區(qū)水平，其他地區(qū)2020年達(dá)到我國(guó)用水效率較高地區(qū)的21世紀(jì)初期的水平。以此為依據(jù)，預(yù)測(cè)出的工業(yè)用水量及工業(yè)產(chǎn)值，如圖4所示。

圖4 艾比湖流域工業(yè)用水量模擬預(yù)測(cè)

1.4.3 流域生活用水仿真及預(yù)測(cè)

生活需水預(yù)測(cè)分為城鎮(zhèn)和農(nóng)村兩部分。城鎮(zhèn)生活需水量不含城鎮(zhèn)綠化用水量。農(nóng)村生活用水為農(nóng)村居民生活用水。艾比湖流域現(xiàn)狀年人口城市化率達(dá)到37%，隨著城市人口的加劇，預(yù)計(jì)2020年這一比例上升到56%。到2020年，城鎮(zhèn)生活需水定額由現(xiàn)狀的203升／人·天增長(zhǎng)到245升／人·天。農(nóng)村生活需水定額由現(xiàn)狀的74升／人·天增長(zhǎng)到102升／人·天。流域生活需水具體預(yù)測(cè)結(jié)果，如圖5所示。

圖5 艾比湖流域生活用水量模擬預(yù)測(cè)

1.4.4 流域生態(tài)用水的仿真及預(yù)測(cè)

艾比湖流域預(yù)期生態(tài)需水量為13.05×108m3，本研究仿真預(yù)測(cè)的艾比湖實(shí)際生態(tài)用水，如圖6所示。

圖6 艾比湖流域生態(tài)用水模擬預(yù)測(cè)與預(yù)期生態(tài)用水對(duì)比

1.4.5 流域環(huán)境污染的仿真與預(yù)測(cè)

艾比湖流域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)相對(duì)封閉，對(duì)污染的自凈能力低，易造成污染的積累。目前艾比湖流域的工業(yè)污染和生活污染環(huán)境污染的貢獻(xiàn)較低；而農(nóng)業(yè)由于農(nóng)藥，化肥的大量使用，其殘留對(duì)水體和土壤造成的污染，以及地膜的大量使用和回收率不高，在土壤中的殘留量大，造成土地的白色污染。農(nóng)業(yè)污染的仿真與預(yù)測(cè)，如圖7所示。

圖7 艾比湖流域農(nóng)業(yè)污染模擬預(yù)測(cè)

2 結(jié)論

通過對(duì)艾比湖流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與自然生態(tài)的模擬，文章主要得到以下結(jié)論：

2.1 全流域耕作面積繼續(xù)擴(kuò)大，將由現(xiàn)狀年的432.5×103hm2，增長(zhǎng)到2015年的499.6×103hm2和2020年的

534.9×103hm2。無疑將增加灌溉用水的總量。隨著節(jié)水措施的加強(qiáng)，艾比湖流域種植業(yè)用水量在2010年達(dá)到26.20×108m3的峰值后，開始出現(xiàn)減少態(tài)勢(shì)。種植業(yè)退出的水量可以用于發(fā)展林業(yè)灌溉和草場(chǎng)灌溉。對(duì)艾比湖流域農(nóng)林各用水戶需水量進(jìn)行綜合，預(yù)計(jì)艾比湖流域農(nóng)林需水量將由現(xiàn)狀年的29.76×108m3增加到

2020年的33.39×108m3。

2.2 工業(yè)用水總量小，但一直在處于增加的趨勢(shì)。結(jié)合工業(yè)發(fā)展指標(biāo)，對(duì)工業(yè)需水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，全流域2010年、2015年和2020年工業(yè)需水將分別達(dá)到0.91×108m3、1.14×108m3和1.38×108m3。全流域工業(yè)需水量新增量近0.5×108m3。

2.3 未來20年，流域人口以20.86‰的平均增長(zhǎng)率增加。2000年艾比湖流域總?cè)丝?5×104人，預(yù)計(jì)2015年為121.32×104人，2020年為134.51×104人，20年預(yù)計(jì)累計(jì)新增39.55×104人。相應(yīng)的，全流域生活需水呈上升趨勢(shì)，由現(xiàn)狀年生活總用水量為0.42×108m3，預(yù)計(jì)2015年和2020年分別達(dá)到0.72×108m3和0.87×108m3。

2.4 隨著農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水，生活用水等社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水的增加，艾比湖流域生態(tài)用水呈現(xiàn)逐年減少的態(tài)勢(shì)，與預(yù)期生態(tài)用水的差距越來越大。2000年，其生態(tài)用水為12.03×108m3，2010年為9.52×108m3，2015年為8.55×108m3，2020年為7.19×108m3，20年累計(jì)生態(tài)缺水達(dá)14.92×108m3，照此發(fā)展下去，艾比湖流域生態(tài)環(huán)境將繼續(xù)退化，甚至惡化到艾比湖干涸、消失，流域成為新疆繼塔里木河之后的第二大生態(tài)退化區(qū)。

2.5 流域工業(yè)污染較低，農(nóng)業(yè)污染嚴(yán)重。艾比湖流域的經(jīng)濟(jì)屬于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響和污染主要體現(xiàn)在化肥的過量使用，和農(nóng)用地膜的高殘留率。艾比湖流域的污染物總量、化肥及地膜殘留量處于不斷增加的趨勢(shì)，大量的使用化肥、地膜，致使耕地生產(chǎn)能力下降、耕地鹽漬化，加劇流域生態(tài)環(huán)境的惡化。艾比湖流域工業(yè)主要集中在奎屯河流域2000年，其工業(yè)產(chǎn)值占到整個(gè)流域的89.6%。但對(duì)艾比湖流域來說，工業(yè)化程度還比較低，工業(yè)污染較輕。

3 討論

3.1 在充分考慮艾比湖流域PRED的各項(xiàng)指標(biāo)變量、綜合各部門因果反饋關(guān)系情況下，本研究建立流域SD模型，經(jīng)過有效性和真實(shí)性檢驗(yàn)，模型能較為真實(shí)的模擬流域現(xiàn)狀，并合理的預(yù)測(cè)流域未來。但流域PRED系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，其涉及的關(guān)系和變量一直處于發(fā)展變化當(dāng)中，故模型模擬和預(yù)測(cè)出現(xiàn)偏差在所難免。下一步研究中，將通過深入分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、結(jié)合其他預(yù)測(cè)方法優(yōu)化模型，增加流域SD模型的可信度。

3.2 SD方法被譽(yù)為是“政策實(shí)驗(yàn)室”，在接下來的研究中，將調(diào)節(jié)模型中各相關(guān)變量的參數(shù)，提出流域可持續(xù)發(fā)展方案，為解決流域PRED問題提供依據(jù)。

3.3 用SD軟件Vensim編程建模，“編程”實(shí)際上并不存在，只有建模的概念，模擬結(jié)果具有較高的仿真性，擬合程度較好，支持中文，模型閱讀直觀，是PRED理想的建模工具。

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System Dynam ic Simulation Study of Econom ic Resource and Environment in Ebinur Lake Basin

LAIFeng－bing1，2， CHEN Shu－jiang2
（1.College ofGeography and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi，Xinjiang，830054，China；2.College of Tourism and Environment Science，Shanxi Normal University，Xi’an，Shanxi，710119，China）

The PRED in The Ebinur Lake Basin is studied in this paper by SD，and based on it the SD linear models are constructed and simulated by Vensim software.The results show that：（1）the whole basin farming area continues to expand from 432.5×103hm2in 2000 to 534.9×103hm2in 2020.（2）the total industrialwater is small，but it has been in a trend of increase.（3）the next 20 years，the basin population increased at an average rate of 20.86‰.（4）ecologicalwater in the Ebinur Lake Basin shows a decreasing trend because amount of the water was used by industry，agriculture and living.（5）the industrial pollution of the basin is low，but the agricultural pollu?tion is serious.

PRED system；SD model；Ebinur Lake Basin

X21

A

1008?9659（2015）02?001?07

2015－03－14

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目：艾比湖流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與自然生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展SD動(dòng)態(tài)仿真研究（2011211B18）

來風(fēng)兵（1977－），男，新疆烏魯木齊人，博士研究生，講師，主要從事干旱區(qū)資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展研究。

?［通訊作者］陳蜀江（1960－），男，四川宜賓人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事遙感和地理信息系統(tǒng)方面的教學(xué)和科研工作。