“三條紅線”約束下區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)仿真與模擬研究
——以菏澤市為例

張玲玲, 沈家耀, 王偉榮

(河海大學(xué) 公共管理學(xué)院,江蘇 南京 211100)

“三條紅線”約束下區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)仿真與模擬研究
——以菏澤市為例

張玲玲, 沈家耀, 王偉榮

(河海大學(xué) 公共管理學(xué)院,江蘇 南京 211100)

為了將最嚴(yán)格水資源管理制度落到實(shí)處，實(shí)現(xiàn)管理制度的可量化和可操作化，在綜合考慮用水需求、用水供給和用水特性的基礎(chǔ)上，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法構(gòu)建了包括人口、經(jīng)濟(jì)、用水、資源、環(huán)境等系統(tǒng)的水資源復(fù)合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型。并以菏澤市為例，模擬分析了其在現(xiàn)狀發(fā)展情景下和基于“三條紅線”目標(biāo)約束不同情景下，水資源利用的變化情況。計(jì)算結(jié)果顯示：在現(xiàn)狀發(fā)展情景下，2020年菏澤市將缺水1.5 億m3，水資源供需平衡比為0.94，水污染比為0.025 8；“三條紅線”目標(biāo)約束情景下，不同的模擬方案結(jié)果不同，其中綜合效益排名前20%的方案極大地緩解了菏澤市水資源的供需矛盾，減輕了水污染狀況，可為探討制定菏澤市合理的“三條紅線”目標(biāo)提供借鑒。

最嚴(yán)格水資源管理制度；“三條紅線”；水資源復(fù)合系統(tǒng)；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；模擬仿真

隨著人口的急劇增加以及工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的迅猛推進(jìn),我國水資源供需矛盾日益突出,水環(huán)境污染狀況不斷惡化,水資源系統(tǒng)承載能力逐漸減弱。以此為主要特征的水危機(jī)已經(jīng)使得我國部分地區(qū)喪失了發(fā)展的活力,嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。常規(guī)的水資源管理模式已很難解決當(dāng)前的水問題。

根據(jù)水利改革發(fā)展的新形勢(shì)和新要求,2012年1月,國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》,明確了水資源管理“三條紅線”的主要目標(biāo)[1]。眾多學(xué)者針對(duì)“三條紅線”也開展了有價(jià)值的研究。2010年，李原園[2]分析了水資源合理配置在實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度中的基礎(chǔ)性作用。2014年，劉曉等[3]以北京市為例,構(gòu)建了水資源管理“三條紅線”指標(biāo)體系,并提出了評(píng)價(jià)方法。但是由于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等系統(tǒng)的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性因素,目前缺乏定量評(píng)價(jià)“三條紅線”目標(biāo)對(duì)水資源利用系統(tǒng)影響的方法。因此，有必要建立一個(gè)反映水資源供求、分配關(guān)系的全面的水資源復(fù)合利用系統(tǒng)，來模擬分析“三條紅線”對(duì)該系統(tǒng)用水行為的政策影響。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics,SD)是美國學(xué)者J.W.Forrester建立的一種理解復(fù)雜動(dòng)態(tài)行為的方法,它通過信息反饋控制原理并結(jié)合因果關(guān)系邏輯分析,能夠有效地模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和行為之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系[4]。目前,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在水資源方面的應(yīng)用研究主要集中于區(qū)域需水預(yù)測(cè)、水資源承載力計(jì)算和水資源綜合利用方面。1994年，Ruth Matthias等[5]運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，針對(duì)美國佛羅里達(dá)州沿海地區(qū)的海水倒灌對(duì)水資源利用造成的影響進(jìn)行了模擬分析。2010年，陳南祥等[6]基于SD模型,建立了河南省的水資源模型,對(duì)河南省未來水資源的需求量進(jìn)行了模擬和預(yù)測(cè),并提出了水資源配置方案。2016年，張玲玲等[7]在描述用水系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了江蘇省用水結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、用水需求與社會(huì)發(fā)展指標(biāo)互動(dòng)反饋的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。

目前，學(xué)術(shù)界運(yùn)用SD方法模擬研究最嚴(yán)格水資源管理制度下的“三條紅線”還很罕見,但二者的結(jié)合能夠很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)因果分析法中單一描述的不足。因此，采用SD方法模擬“三條紅線”中用水總量、用水效率及污染排放的變化趨勢(shì),能夠比較全面地反映系統(tǒng)宏觀、長遠(yuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。

基于此,本文擬運(yùn)用SD方法對(duì)水資源、經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境等子系統(tǒng)間的耦合關(guān)系進(jìn)行綜合分析,構(gòu)建水資源復(fù)合系統(tǒng),并以菏澤市為例,結(jié)合“三條紅線”管理目標(biāo)進(jìn)行情景設(shè)計(jì),分析現(xiàn)狀發(fā)展情景下和“三條紅線”目標(biāo)約束不同情景下水資源系統(tǒng)的變化情況,最后優(yōu)選出前20%的情景方案,以期為菏澤市制定最嚴(yán)格水資源管理制度提供決策參考。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

菏澤市位于山東省境內(nèi),轄1個(gè)區(qū)、8個(gè)縣,總面積1.2萬km2，總?cè)丝诩s為843萬人。菏澤市屬淮河水系,地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),降水量分布極不均勻,夏季降水多,冬季降水少。2014年全市生產(chǎn)總值為2 222.19億元。同年，全市用水總量為22.85億m3,其中農(nóng)業(yè)用水量為18.62億m3,工業(yè)用水量為1.37億m3,生活和生態(tài)用水量分別為2.46億m3和0.40億m3。

由于近年來菏澤市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,當(dāng)?shù)赜盟枨蟪掷m(xù)增加,進(jìn)而導(dǎo)致其水資源供需矛盾日益加劇。當(dāng)前，菏澤市的水資源問題主要體現(xiàn)在:①水資源總量不足且地下水超采嚴(yán)重。2014年菏澤市水資源總量為18.44億m3,僅為山東省的7%,且由于工業(yè)發(fā)展迅速,加上降水量偏少,導(dǎo)致地下水超量開采,地面沉降幅度不斷增加。②用水效率低。菏澤市是一個(gè)農(nóng)業(yè)大市,農(nóng)業(yè)用水量巨大,但水的利用率僅在46%左右。③水污染嚴(yán)重。菏澤市的水資源開發(fā)利用中,化學(xué)需氧量(COD)入河量逐年增加,已大大超過了水體的自凈能力,水質(zhì)問題日益突出。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究所采用的數(shù)據(jù)來源于:《菏澤市統(tǒng)計(jì) 年鑒》(1978—2011)、“菏澤市水資源公報(bào)”(2001— 2012)、菏澤市“五年計(jì)劃”(2011)、《南水北調(diào)工程,山東省配套工程規(guī)劃》(2011)、“全國水資源綜合規(guī)劃技術(shù)計(jì)劃”(2002)、《山東省統(tǒng)計(jì)年鑒》(1980— 2011)、《山東省淮河流域綜合規(guī)劃報(bào)告》(2010)、《山東省調(diào)查評(píng)價(jià)》等。

2 SD模型的構(gòu)建

SD模型是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamic)模型的簡(jiǎn)稱，它由變量、參數(shù)和函數(shù)關(guān)系共3項(xiàng)要素構(gòu)成，主要研究復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)變問題。本次SD模型的構(gòu)建選取菏澤市作為空間區(qū)域，時(shí)間序列選取2008—2030年。其中2008年為基準(zhǔn)年，2008—2011年為檢驗(yàn)?zāi)M階段，2012—2030年為預(yù)測(cè)模擬階段，步長為1 a。

2.1 因果關(guān)系圖的建立

在建模過程中,需要通過因果關(guān)系圖來描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。因果關(guān)系圖是各元素之間因果關(guān)系的直接體現(xiàn)[8]。一個(gè)因果關(guān)系圖包含多個(gè)變量,變量的因果關(guān)系用箭頭來標(biāo)記,每一個(gè)因果鏈的極性或正(+)或負(fù)(-)。人口、水資源、經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境系統(tǒng)具有各自的內(nèi)部循環(huán),同時(shí)與其他子系統(tǒng)密不可分,并且相互影響。這種相互間的作用規(guī)律共同組成了一個(gè)復(fù)合的系統(tǒng)因果關(guān)系。荷澤市水資源復(fù)合系統(tǒng)的因果關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，水資源復(fù)合系統(tǒng)內(nèi)存在多條正、負(fù)反饋回路,其中R1、R2代表正反饋回路;B1、B2代表負(fù)反饋回路。

圖1 菏澤市水資源復(fù)合系統(tǒng)的因果關(guān)系

2.2 系統(tǒng)流圖的建立

菏澤市水資源系統(tǒng)是區(qū)域內(nèi)所有供水主體、用水主體及其間的相互作用構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng),層次和結(jié)構(gòu)都極其復(fù)雜。本文針對(duì)菏澤市水資源特征,結(jié)合各用水主體行為,將菏澤市水資源系統(tǒng)分為人口、經(jīng)濟(jì)、用水、資源、環(huán)境5個(gè)子系統(tǒng),以充分認(rèn)識(shí)各子系統(tǒng)中的反饋狀態(tài)和動(dòng)態(tài)性。運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)專用建模軟件Vensim構(gòu)建了菏澤市水資源復(fù)合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬模型,來反映各子系統(tǒng)之間的內(nèi)部響應(yīng)關(guān)系。菏澤市水資源復(fù)合系統(tǒng)流圖如圖2所示。

圖2 菏澤市水資源復(fù)合系統(tǒng)流圖

2.3 SD模型參數(shù)的選取

SD模型中涉及到的主要參數(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用整理得出的2008年菏澤市相關(guān)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)數(shù)值,而2020年和2030年的變量采用表函數(shù)的方式予以定義[9]。鑒于菏澤市某些指標(biāo)數(shù)據(jù)的缺失,本文運(yùn)用線性規(guī)劃法、插值處理法等得到各項(xiàng)變量的取值，SD模型中主要參數(shù)的取值情況見表1。

表1 菏澤市水資源SD模型的主要參數(shù)取值

2.4 SD模型的檢驗(yàn)

SD模型的檢驗(yàn)，即將模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相比較,檢驗(yàn)兩者是否相匹配或一致,可對(duì)SD模型模擬的可靠性和準(zhǔn)確性做出判斷[10]。本文從菏澤市水資源復(fù)合系統(tǒng)著手，分別從人口子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和用水子系統(tǒng)中選取總?cè)丝?、GDP和農(nóng)田灌溉用水量3項(xiàng)指標(biāo)，來判斷SD模型模擬結(jié)果的可靠性，檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 SD模型的檢驗(yàn)結(jié)果

由表2可知,被檢驗(yàn)指標(biāo)的模擬值與實(shí)際值相比較,最大誤差為6.90%未超過10%,表明SD模型的輸出結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)的符合性較高。從而說明SD模型可用于該3項(xiàng)指標(biāo)的預(yù)測(cè)和模擬。

3 結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)狀發(fā)展情景模擬

現(xiàn)狀發(fā)展情景是根據(jù)歷史發(fā)展水平來設(shè)置參數(shù)、直接通過模型運(yùn)行而不經(jīng)過人為調(diào)整而得到輸出結(jié)果的。根據(jù)菏澤市水資源SD模型,通過Vensim軟件對(duì)2012—2030年間菏澤市的水資源需求、社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)環(huán)境狀況的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行仿真模擬,結(jié)果如圖3—7所示。

圖3 2012—2030年菏澤市GDP和總?cè)丝谧兓闆r

圖4 2012—2030年菏澤市可供水量和需水量模擬

圖5 2012—2030年菏澤市水資源供需平衡比模擬

圖6 2012—2030年菏澤市各用水部門需水模擬

圖7 2012—2030年菏澤市水污染比變化趨勢(shì)

綜合分析2012—2030年菏澤市水資源復(fù)合系統(tǒng)的模擬結(jié)果可知：①現(xiàn)狀發(fā)展情景下，菏澤市未來的GDP總值將迅速增長。2012年菏澤市GDP為1 382.33億元,2030年將達(dá)到14 352.93 億元,年均增長率約為13%。②2012—2030年期間,菏澤市的需水總量處于持續(xù)增加的態(tài)勢(shì),到2020年需水總量將達(dá)到26.29億m3,屆時(shí)將超過菏澤市最嚴(yán)格水資源管理制度中用水總量控制紅線規(guī)定的范圍,缺水量為0.52億m3,水資源供需平衡比為0.94;到2030年，菏澤市需水總量更是高達(dá)44.96億m3,缺水量為18.87億m3,水資源供需平衡比僅為0.59,屆時(shí)將出現(xiàn)嚴(yán)重缺水的局面。③部門需水中，農(nóng)業(yè)需水量所占比例最高,占總需水量的65%左右,未來隨著農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的提高、農(nóng)田水利設(shè)施的改進(jìn),其用水比例將逐漸減少,而工業(yè)需水量、生活需水量和第三產(chǎn)業(yè)需水量在模擬期均將不斷增加。④2012—2030年，菏澤市的水污染比將持續(xù)增長,表明在未來20年內(nèi)，菏澤市的水污染狀況將持續(xù)加重,生態(tài)環(huán)境繼續(xù)惡化,將嚴(yán)重影響菏澤市水資源系統(tǒng)的良性發(fā)展。

3.2 基于“三條紅線”的模擬分析

由現(xiàn)狀發(fā)展情景的模擬結(jié)果可知,在未來20年內(nèi)，菏澤市將出現(xiàn)嚴(yán)重缺水、水資源供需平衡比嚴(yán)重失衡的狀況,菏澤市對(duì)水資源的供給量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。面對(duì)菏澤市嚴(yán)峻的水資源現(xiàn)狀,2011年以來,該市嚴(yán)格實(shí)施“三條紅線”目標(biāo)管理,增強(qiáng)水資源管理的硬性約束,通過轉(zhuǎn)變用水方式促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變,以水資源的可持續(xù)利用確保經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

3.2.1 指標(biāo)的選取

菏澤市最嚴(yán)格水資源管理制度“三條紅線”包括：用水總量控制紅線、用水效率控制紅線、水功能區(qū)限制納污控制紅線?！叭龡l紅線”從不同角度、不同層面對(duì)水資源的利用和保護(hù)進(jìn)行管理，三者互為支撐，互相關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成了水資源管理體系?！叭龡l紅線”涵蓋了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等不同層面的多維協(xié)調(diào)關(guān)系，是一個(gè)多目標(biāo)決策過程。因此，在選取指標(biāo)時(shí)必須遵循系統(tǒng)性原則，綜合考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、水資源承載力、水環(huán)境容量等要素，以準(zhǔn)確、全面地反映水資源管理“三條紅線”的控制情況?；诖耍疚脑谏鐣?huì)目標(biāo)、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)、環(huán)境目標(biāo)3個(gè)目標(biāo)層面選取了能夠表征“三條紅線”目標(biāo)約束的指標(biāo)。

社會(huì)目標(biāo)——用水總量控制紅線。區(qū)域缺水量的多少會(huì)直接影響到社會(huì)的穩(wěn)定和發(fā)展,是社會(huì)效益的一個(gè)側(cè)面反映。社會(huì)目標(biāo)是通過社會(huì)效益來體現(xiàn)的,而水資源供需平衡是我們追求的長遠(yuǎn)目標(biāo)。因此，可以選取區(qū)域總?cè)彼孔钚黹g接反映。

經(jīng)濟(jì)目標(biāo)——用水效率控制紅線。GDP是一項(xiàng)全面反映經(jīng)濟(jì)活動(dòng)水平的通用指標(biāo),可以反映一個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。因此選取GDP作為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，用供水產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益最大來表示經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。同時(shí)為了使GDP最大,降低萬元產(chǎn)值用水量是關(guān)鍵，可通過控制用水效率指標(biāo)來降低用水量并保證經(jīng)濟(jì)的正常發(fā)展。

環(huán)境目標(biāo)——水功能區(qū)限制納污控制紅線。不管以何種方式發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì),都不能毀壞生態(tài)環(huán)境,要保證廢水排放總量在可控制的范圍內(nèi),同時(shí)要滿足水質(zhì)達(dá)標(biāo)率?？梢酝ㄟ^污水處理來降低污染水量,水污染比可用來更好地詮釋環(huán)境問題。因此,選取水污染比最小作為環(huán)境目標(biāo)。

綜上所述,最終確定“三條紅線”的目標(biāo)為:①供需平衡比接近1;②地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)最大;③水污染比最小。

3.2.2 敏感性分析

根據(jù)菏澤市“三條紅線”目標(biāo)管理，結(jié)合菏澤市水資源SD流圖,初步選取6個(gè)變量:總?cè)丝凇⑿杷偭?、供需平衡比、GDP、排污量和水污染比。根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)敏感性分析,找出這些變量的關(guān)鍵影響參數(shù)。分析公式如下:

(1)

式中:t為時(shí)間;Q(t)為變量Q在t時(shí)刻的值;X(t)為參數(shù)X在t時(shí)刻的值;ΔQ(t)和ΔX(t)分別為變量Q和參數(shù)X在t時(shí)刻的增長量；SQ為變量Q對(duì)參數(shù)X的敏感度。

從1到n的變量(Q1,Q2,…,Qn)的敏感度平均值可以表示為:

(2)

式中：n為變量個(gè)數(shù);SQi為Qi的敏感度;S為參數(shù)X的平均敏感度。

2008—2030年期間,令每個(gè)影響參數(shù)逐年變化10%,分析其對(duì)6個(gè)變量的影響,并求出6個(gè)變量對(duì)某個(gè)影響參數(shù)的敏感度均值。敏感度分析結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,各參數(shù)的敏感度均值高低不一,選取對(duì)菏澤市水資源復(fù)合系統(tǒng)影響的敏感度均值大于5%的參數(shù)為關(guān)鍵影響因子，由高到低依次為灌溉水利用系數(shù)、城鎮(zhèn)人均日用水量、GDP增長率、水澆地用水定額、生活污水處理率、一般工業(yè)增長率、建筑業(yè)增長率、高用水工業(yè)用水定額、火電工業(yè)用水定額、工業(yè)水利用系數(shù)、第三產(chǎn)業(yè)用水定額、一般工業(yè)用水定額、水田用水定額、人口增長率。

圖8 參數(shù)敏感度均值

3.2.3 方案設(shè)計(jì)及模擬結(jié)果分析

菏澤市最嚴(yán)格水資源管理制度明確規(guī)定[11]:“到2020年萬元規(guī)模以上工業(yè)增加值取水量下降到18 m3以下;工業(yè)用水重復(fù)利用率提高到75%以上;城市節(jié)水器普及率提高到70%以上;農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.53;全市用水總量控制在24.75億m3以內(nèi)。”按照最嚴(yán)格水資源管理制度和“十三五”規(guī)劃的規(guī)定,確定此次方案設(shè)計(jì)的基本思路為:在其他變量的參數(shù)值保持不變的前提下，變動(dòng)某一變量,計(jì)算出其他變量隨之變動(dòng)的情況,從而得出其對(duì)目標(biāo)變量的沖擊作用,并分析每種方案下菏澤市的GDP、水資源供需平衡比和水污染比的變動(dòng)情況。

根據(jù)前文敏感度分析選出的關(guān)鍵影響因子,結(jié)合菏澤市“十三五” 規(guī)劃的指導(dǎo)思想，最終將方案定為：在常規(guī)發(fā)展模式的基礎(chǔ)上，每個(gè)影響因子提高或降低5%,且每次模擬只變動(dòng)1個(gè)參數(shù),其他參數(shù)值保持不變。計(jì)算結(jié)果詳見表3。

表3 菏澤市在“三條紅線”目標(biāo)約束下的模擬結(jié)果

由表3可知,若GDP增長率提高5%，菏澤市2020年GDP總量將達(dá)到4 408.733億元，較現(xiàn)狀發(fā)展情景的結(jié)果增加了318.023億元，但會(huì)導(dǎo)致水資源供需平衡比有所降低，不利于水資源供需矛盾的解決；若將人口增長率降低5%，由計(jì)算結(jié)果可知，在所有變化的參數(shù)中該項(xiàng)措施對(duì)2020年的水資源供需平衡比的影響程度最大,同時(shí)能夠最大程度地降低水污染比,但也會(huì)導(dǎo)致GDP幾乎零增長；提高生活污水處理率則會(huì)使得水污染比最低,但GDP和水資源供需平衡比卻不是最優(yōu)的。

由于GDP、水資源供需平衡比、水污染比3個(gè)指標(biāo)的度量單位不同,無法進(jìn)行比較。所以對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行歸一化處理,公式如下:

(3)

(4)

GDP是效益型指標(biāo),應(yīng)越大越好；水資源供需平衡比是水資源平衡的一個(gè)標(biāo)志,也應(yīng)越大越好；而水污染比是成本型目標(biāo),應(yīng)越小越好。因此,在歸一化處理時(shí),GDP和水資源供需平衡比選用越大越好型歸一化公式；水污染比選用越小越好型歸一化公式。最終選取綜合目標(biāo)為GDP、水資源供需平衡比與水污染比3項(xiàng)指標(biāo)歸一化后的值的總和。各參數(shù)的綜合目標(biāo)取值詳見表4。

表4 菏澤市“三條紅線”綜合目標(biāo)結(jié)果

由表4可知,2020年排在前20%的方案為：人口增長率(降低5%)、GDP增長率(提高5%)、水澆地用水定額(降低5%)。從長期發(fā)展的角度來看,高的經(jīng)濟(jì)增速勢(shì)必會(huì)帶來高的用水量,因經(jīng)濟(jì)的拉動(dòng)作用對(duì)綜合目標(biāo)及區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的影響較大,所以將來可能會(huì)導(dǎo)致水污染情況越來越嚴(yán)重,要達(dá)到綜合目標(biāo)的優(yōu)化,必須考慮讓污染控制更有成效。因此，2030年排在前20%的方案也相應(yīng)發(fā)生了變化,該年的優(yōu)選方案為：一般工業(yè)增長率(降低5%)、生活污水處理率(提高5%)、高用水工業(yè)用水定額(降低5%)。

由此可見,較高的經(jīng)濟(jì)增長速度能帶來較高的產(chǎn)值,但也伴隨著較高的用水需求,由此引起的缺水量和污水排放量擴(kuò)大，直接制約了流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。較低的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度雖然能一定程度上緩解區(qū)域的缺水狀況,但會(huì)對(duì)流域內(nèi)的居民生活水平、產(chǎn)業(yè)規(guī)模，甚至水資源供給造成不良影響,難以從根本上改變菏澤市水資源供需不平衡的現(xiàn)狀?！叭龡l紅線”目標(biāo)約束下的情景模擬使得菏澤市水資源供需矛盾得到很大程度的緩解,同時(shí)保證了該市經(jīng)濟(jì)的正常發(fā)展。綜合區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r與水資源約束條件和生態(tài)環(huán)境發(fā)展要求,最終分別選擇綜合效益排名前20%的方案作為2020年和2030年SD模型優(yōu)化的基礎(chǔ)方案。

4 結(jié)語

運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法,從分析研究區(qū)域的人口現(xiàn)狀、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、環(huán)境狀況和水資源利用現(xiàn)狀入手,并結(jié)合各子系統(tǒng)之間相互反饋?zhàn)饔玫膬?nèi)在機(jī)理,建立了菏澤市水資源復(fù)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,模擬菏澤市的用水需求變化趨勢(shì),分析水資源發(fā)展存在的問題。進(jìn)而對(duì)模型主要參數(shù)進(jìn)行敏感度分析,識(shí)別模型的主要影響因子,并根據(jù)菏澤市“三條紅線”目標(biāo)的各項(xiàng)指標(biāo),制定用水定額調(diào)整方案、人口和經(jīng)濟(jì)增長速度調(diào)整方案以及用水效率調(diào)整方案,量化不同調(diào)整方案對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、需水、環(huán)境的影響,得到以下結(jié)論:

現(xiàn)狀發(fā)展情景下,隨著人口和經(jīng)濟(jì)的增長,用水需求不斷增加,當(dāng)前水資源可供水量已達(dá)不到社會(huì)經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求,水資源供需矛盾日益突出,水污染問題也將成為制約菏澤市可持續(xù)發(fā)展的重要因素;“三條紅線”目標(biāo)約束下,菏澤市用水總量得到一定程度的控制,用水效率和限制納污排放也都取得較好成效。

要真正發(fā)揮“三條紅線”目標(biāo)的約束作用，山東省需要嚴(yán)格進(jìn)行用水總量控制，將控制農(nóng)業(yè)用水放在首位，降低單位面積用水量；提高用水效率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉從粗放型模式往高效型轉(zhuǎn)變，提高工業(yè)用水效率；在嚴(yán)格限制工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染物排放的同時(shí)，還應(yīng)加大對(duì)環(huán)保建設(shè)項(xiàng)目的投資。

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(責(zé)任編輯：張陵)

Study on Simulation of Regional Water Resources Composite System under the ″Three Red Lines″ Constraints: A Case Study of Heze City

ZHANG Lingling, SHEN Jiayao, WANG Weirong

(School of Public Administration, Hohai University, Nanjing 211100, China)

In order to implement the strict water resources management system and make it quantifiable and operational, on the basis of comprehensive consideration of water demand, water supply and water use characteristics, a dynamic model of water resources complex system including population, economy, water use, resources and environment was constructed by system dynamics method. Taking Heze City as an example, the changes of water resources utilization were simulated and analyzed under the scenarios of and the of current development ″three red lines″. The results show the water shortage of the current development situation of Heze City in 2010 is 1.5×108m3, the balance ratio of water resources supply and demand is 0.94 and water pollution ratio is 0.025 8. Different simulation scheme under ″three red lines″ constraints have different results. The comprehensive benefits of the top 20% programs greatly relieved the contradiction between supply and demand of water resources and reduced the water pollution situation of Heze City, which can provide a reference for the development of Heze City′s reasonable ″three red lines″.

most strict water management system; three red lines; water resources complex system; system dynamics; simulation

2016-09-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51579064，51279223，51479119);國家軟科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目(2014GXS4B047);水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201301003，201201022);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(2015B23314，2014B09414)。

張玲玲(1979—),女,山東濰坊人,教授,博士,主要從事水利經(jīng)濟(jì)、水資源管理、資源環(huán)境政策模擬方面的研究。E-mail:llzhang007@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.06.006

TV213

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1002-5634(2016)06-0030-08