基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的江蘇水資源系統(tǒng)安全仿真與控制

杜夢嬌,田貴良,吳　茜,蔣　詠

(1.河海大學(xué)商學(xué)院,江蘇 南京　211100; 2.江蘇省水資源服務(wù)中心,江蘇 南京　211100)

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基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的江蘇水資源系統(tǒng)安全仿真與控制

杜夢嬌1,田貴良1,吳茜1,蔣詠2

(1.河海大學(xué)商學(xué)院,江蘇 南京211100; 2.江蘇省水資源服務(wù)中心,江蘇 南京211100)

摘要：在對區(qū)域水資源系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了江蘇水資源安全系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,并進(jìn)行了模擬仿真。結(jié)果表明2018年后江蘇省將出現(xiàn)水資源供需安全問題。通過定量分析找出影響江蘇省水資源安全系統(tǒng)的4大動(dòng)力因素,并設(shè)計(jì)6種不同的解決方案,通過方案對比分析得出水資源可持續(xù)利用的最優(yōu)方案是綜合型方案。最后,對江蘇省水資源可持續(xù)發(fā)展提出了相應(yīng)的政策建議。

關(guān)鍵詞：水資源系統(tǒng)安全;系統(tǒng)動(dòng)力學(xué);仿真模擬;江蘇省

水資源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)性資源,是維持區(qū)域和國家安全的戰(zhàn)略性資源，同時(shí)也是區(qū)域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)持續(xù)良性循環(huán)的控制性要素,保障水資源安全是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的前提。目前,水安全問題已引起了世界的廣泛關(guān)注。2000年海牙世界級(jí)部長會(huì)議以及斯德哥爾摩世界水討論會(huì)的主題都是“21世紀(jì)水安全”,世界水討論會(huì)提出要用創(chuàng)新的思想解決21世紀(jì)水安全問題。第14屆世界水大會(huì)探討了全球變化的背景下應(yīng)對全球水危機(jī),進(jìn)行水的供給、需求管理和保障水基本衛(wèi)生的途徑和方法。

各國專家學(xué)者也積極開展了這方面的研究,產(chǎn)生了許多建設(shè)性成果。Grey等[1]認(rèn)為水安全與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展息息相關(guān),并且尚未實(shí)現(xiàn)水安全的國家比已經(jīng)實(shí)現(xiàn)水安全的國家面臨著更大的挑戰(zhàn),必須加強(qiáng)水管理。Zeitoun等[2]提出了“水安全網(wǎng)”,并認(rèn)為為了實(shí)現(xiàn)國家水安全必須綜合考慮社會(huì)和生物物理的進(jìn)程,從長遠(yuǎn)來看,國家水安全的實(shí)現(xiàn)必須要遵循公平分配的原則。程國棟等[3-5]認(rèn)為水安全與糧食安全、國家安全緊密相關(guān),國家應(yīng)構(gòu)建虛擬水貿(mào)易的實(shí)施政策,拓展保障地區(qū)水安全、糧食安全的非工程途徑。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是一門研究系統(tǒng)內(nèi)部信息反饋機(jī)制的科學(xué),被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域,解決了很多實(shí)際問題。趙筱青等[6]運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對昆明市水資源承載力進(jìn)行情景模擬,提出了優(yōu)化昆明市水資源承載力的相關(guān)對策。曾霞等[7]建立了武漢市城市圈系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,通過定量分析探索武漢城市圈水資源科學(xué)管理的最佳方案。但是,以上研究都僅從發(fā)現(xiàn)問題然后解決問題的角度出發(fā),而很少從深層次討論問題產(chǎn)生的根源。本文從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā),結(jié)合江蘇省水資源特點(diǎn)構(gòu)建了區(qū)域水資源系統(tǒng)安全模型,并找出了影響該系統(tǒng)安全的幾大動(dòng)力因素,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了6種不同方案,提出了保障水資源安全的相關(guān)建議,以確保地區(qū)水資源安全并實(shí)現(xiàn)資源高效利用。

1　區(qū)域概況與方法分析

1.1研究區(qū)域概況

江蘇省地處長江中下游,是東部沿海的發(fā)達(dá)省份。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,江蘇人口也在穩(wěn)步增加。截至2013年,江蘇地區(qū)生產(chǎn)總值59 753.37億元,其中第二產(chǎn)業(yè)增加值高達(dá)29 086.06億元,常住人口總量7 939.49萬人,其中城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诘?4.1%,隨著新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,城鎮(zhèn)化率將逐年上升。江蘇水域面積大,水系發(fā)達(dá)。全省水源主要來源于沂沭泗、淮河下游、長江和太湖水系等3大流域系統(tǒng)。此外,沂河、沭河、淮河、蘇北灌溉總渠、江南運(yùn)河等主要水道縱橫貫通,形成了四通八達(dá)的水網(wǎng)體系。

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快必然導(dǎo)致江蘇在未來一段時(shí)期內(nèi)用水需求增大,水資源供需矛盾日益凸顯。當(dāng)前,江蘇省水資源安全主要面臨的問題有:①人口增加以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快使得生活用水不斷增多,人均水資源量越來越少；②污染排放量大，但污水處理能力的不足,使得水環(huán)境質(zhì)量每況愈下。

1.2方法分析

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是以反饋控制理論為基礎(chǔ)，以仿真技術(shù)為手段，研究復(fù)雜系統(tǒng)的方法[8]。系統(tǒng)中各子系統(tǒng)都是由最基本的單元和一階反饋回路構(gòu)成。反饋回路中包括積累變量、速率變量、輔助變量和常量。積累變量是最終決定系統(tǒng)行為的變量，隨著時(shí)間變化，當(dāng)前時(shí)刻的值等于過去時(shí)刻的值加上一段時(shí)間的變化量；速率變量是直接改變積累變量的變量，反映積累變量的輸入和輸出的速度；輔助變量的值由系統(tǒng)中其他變量的計(jì)算獲得，當(dāng)前時(shí)刻的值和歷史時(shí)刻的值相互獨(dú)立。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和變量之間的定量關(guān)系構(gòu)建狀態(tài)、速率以及輔助方程用以正確描述客觀系統(tǒng)的復(fù)雜變化，其數(shù)學(xué)描述如下：

(1)

(2)

輔助變量方程

(3)

式中：L(t)為t時(shí)刻積累變量值；L(t0)為t0時(shí)刻積累變量值；I(t)為積累變量的流入速率；O(t)為積累變量的流出速率；R(t)為t時(shí)刻速率變量值，數(shù)值上為L(t)的導(dǎo)數(shù)；A(t)為t時(shí)刻輔助變量值，其值由系統(tǒng)中其他變量計(jì)算獲得，L1(t)～Ln(t)為系統(tǒng)中n個(gè)積累變量；R1(t)～Rm(t)為系統(tǒng)中m個(gè)速率變量，C1～Cq為系統(tǒng)中q個(gè)常量。

2　區(qū)域水資源安全系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

2.1區(qū)域水資源安全系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

區(qū)域水資源安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,影響因素繁多,根據(jù)上文的分析,將區(qū)域水資源安全系統(tǒng)劃分為供水子系統(tǒng)、需水子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、水生態(tài)子系統(tǒng)以及人口子系統(tǒng)5個(gè)子系統(tǒng),各系統(tǒng)之間通過相關(guān)要素進(jìn)行相互影響與制約,共同構(gòu)成水資源安全復(fù)雜系統(tǒng)。各個(gè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　水資源安全子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2水資源安全系統(tǒng)主要反饋回路

水資源安全系統(tǒng)主要反饋回路如下：

人口數(shù)量→+生活用水量→+總用水量→+水資源供需缺口→+缺水率→-人口增長量→-人口數(shù)量。

人口數(shù)量→+生活污水排放量→+污水排放總量→+污水回用量→+總供水量→-水資源供需缺口→-缺水率→+人口增長量→+人口數(shù)量。

一般工業(yè)總產(chǎn)值→+一般工業(yè)用水量→+工業(yè)用水量→+經(jīng)濟(jì)生活用水量→+總用水量→+水資源供需缺口→+缺水率→-一般工業(yè)總產(chǎn)值變化值→-一般工業(yè)總產(chǎn)值。

圖2　區(qū)域水資源安全系統(tǒng)流程

一般工業(yè)總產(chǎn)值→+一般工業(yè)用水量→+工業(yè)用水量→+工業(yè)污水排放量→+污水回用量→+總供水量→-水資源供需缺口→-缺水率→+一般工業(yè)總產(chǎn)值變化值→+一般工業(yè)總產(chǎn)值。

第三產(chǎn)業(yè)增加值→+第三產(chǎn)業(yè)用水量→+經(jīng)濟(jì)生活用水量→+總用水量→+水資源供需缺口→+缺水率→-第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增長量→-第三產(chǎn)業(yè)增加值。

2.3水資源安全系統(tǒng)流程

根據(jù)上文分析結(jié)果,應(yīng)用Vensim軟件畫出區(qū)域水資源供需安全系統(tǒng)流程見圖2。

水資源供給不僅要求水資源數(shù)量上要滿足社會(huì)生產(chǎn)的需求,還要保證水資源的質(zhì)量,即降低水污染,保護(hù)水生態(tài)。因此模型分為兩個(gè)部分:①用水資源供需缺口來研究水資源在數(shù)量上是否滿足江蘇省社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生活及生態(tài)的用水?dāng)?shù)量;②用水體COD總量來研究水資源的質(zhì)量安全。

3　江蘇省水資源安全系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

3.1模型的邊界

將系統(tǒng)的空間邊界確定為江蘇省的地理邊界,為使系統(tǒng)更具有真實(shí)性,系統(tǒng)的空間邊界還把與江蘇省內(nèi)水資源密切關(guān)聯(lián)的相關(guān)變量納入系統(tǒng)之中。時(shí)間上,選取2004—2013年為歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)間段,2013—2020年為模擬時(shí)間段,分別將2004年和2013年作為歷史檢驗(yàn)基準(zhǔn)年和預(yù)測基準(zhǔn)年,步長為1年。

3.2主要變量

a. 總用水量為生活用水量、城鎮(zhèn)綠化建設(shè)用水和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)用水量的總和。

b. 經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)用水量為農(nóng)業(yè)用水量、第三產(chǎn)業(yè)用水量和工業(yè)用水量的總和。

c. 工業(yè)用水量為一般工業(yè)用水量和電力工業(yè)用水量的總和。

d. 一般工業(yè)用水量為一般工業(yè)總產(chǎn)值與一般工業(yè)萬元GDP用水量的積。

e. 電力工業(yè)用水量為一般工業(yè)用水量和電力工業(yè)用水系數(shù)的積。

f. 總供水量為地下水供水量、地表水供水量、長江引水量、南水北調(diào)凈入境量和污水回用量的總和。

3.3模型檢驗(yàn)

選用歷史檢驗(yàn)的方法對江蘇省水資源供需安全系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。由于模型涉及的變量較多,筆者對人口數(shù)量、生活用水總量、農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量、第三產(chǎn)業(yè)用水量、污水排放總量等參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn),以2004—2013年的歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),將模型仿真值與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,計(jì)算兩者的誤差。結(jié)果發(fā)現(xiàn),所有被檢測的變量其仿真值與歷史(真實(shí))值之間的誤差都低于10%(表1)，表明該模型通過了歷史檢驗(yàn)。

表1　檢驗(yàn)結(jié)果

3.4系統(tǒng)動(dòng)力因素分析

將水資源供需缺口作為水資源安全的一個(gè)重要指標(biāo),當(dāng)水資源供需缺口為負(fù)數(shù)時(shí)說明江蘇省存在水資源安全問題,當(dāng)水資源供需缺口為正數(shù)時(shí)表示江蘇省水資源系統(tǒng)暫時(shí)安全。由于數(shù)據(jù)的可獲得性，本文以2014年《江蘇省水資源公報(bào)》的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，以2013年為預(yù)測基準(zhǔn)年,對2013—2020年的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測,以此判斷未來江蘇省水資源安全問題,并尋找影響江蘇省水資源安全的動(dòng)力因素。

3.4.1水資源安全預(yù)測

圖3　水資源供需缺口預(yù)測

由圖3可知,江蘇省在2013—2018年期間,水資源供需缺口為負(fù)數(shù),尚處于水資源供需安全狀態(tài)。但是,水資源供需缺口已由2013年的-83.328 3億m3變?yōu)?2.454 1億m3,總供水量與總用水量之間的差距在不斷縮小。從2019年開始,水資源供需缺口變?yōu)榱苏龜?shù),這說明江蘇省水資源供給已無法滿足需求,水資源將處于不安全狀態(tài)。水資源供需缺口從2019年的14.166 4億m3增長到2020年的30.033 6億m3，并且仍存在著上升趨勢。

從水污染的角度來看,江蘇省水體COD總量在未來有下降的趨勢,這和江蘇加大污水治理投資相關(guān),但是從圖4看,下降幅度并不明顯,COD總量仍在100萬t以上,江蘇省在水資源短缺的情況也面臨著水污染問題,這將加劇水資源系統(tǒng)的不安全系數(shù)。

圖4　水體COD總量預(yù)測

3.4.2水資源系統(tǒng)動(dòng)力因素分析

由于水安全系統(tǒng)中涉及的變量較多,對水安全的影響因素眾多，在眾多影響因素中有些因素對系統(tǒng)影響較小,有些影響相對較大。對系統(tǒng)涉及的參數(shù)變動(dòng)10%,以此觀察水資源供需缺口的變化情況。若水資源供需缺口變化大于10%,則把此參數(shù)確定為系統(tǒng)的動(dòng)力因素。通過定量分析,確定江蘇省水資源安全系統(tǒng)的動(dòng)力因素有:單位農(nóng)田灌溉用水量,萬元GDP一般工業(yè)用水量,一般工業(yè)增長率,電力一般工業(yè)用水比。雖然農(nóng)田灌溉面積的變動(dòng)會(huì)引起水資源供需缺口的大幅改變,但是由于農(nóng)田灌溉面積未來基本上變化不大,所以不把它視為水資源安全系統(tǒng)的動(dòng)力因素。表2描述了不同影響因素對水資源系統(tǒng)的影響。

表2　不同影響因子下水資源供需缺口的變化

目前,江蘇省總用水量中,農(nóng)業(yè)用水占50%左右,而單位農(nóng)田灌溉用水量是農(nóng)業(yè)用水量的決定因素。但是,農(nóng)業(yè)產(chǎn)值是在第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)三者中產(chǎn)值最低的。未來,江蘇省可以通過農(nóng)田灌溉技術(shù)進(jìn)步降低單位農(nóng)田灌溉用水量,將農(nóng)業(yè)節(jié)水向單位用水產(chǎn)值較高的行業(yè)轉(zhuǎn)移。其次就是工業(yè)用水較多,由于江蘇省是電力大省,工業(yè)用水中較大一部分是電力工業(yè)用水。但是,電力工業(yè)產(chǎn)值較低,江蘇省在水資源供需短缺的情況下,可以調(diào)整電力一般工業(yè)用水比,在保證江蘇省電力使用的同時(shí),盡可能減少電力工業(yè)用水,將節(jié)余的用水向一般工業(yè)或第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。從表2還可以看到,萬元GDP第三產(chǎn)業(yè)用水量以及第三產(chǎn)業(yè)增長率的增加或減少,對水資源供需缺口的影響不大。目前,江蘇省地區(qū)GDP總值中,第三產(chǎn)業(yè)所占比重為45%左右,且在繼續(xù)增長。由于第三產(chǎn)業(yè)增長快,用水少,未來江蘇省應(yīng)該重視第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí),既能帶動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長，也能緩解地區(qū)用水短缺的矛盾。城鎮(zhèn)綠化建設(shè)用水的變動(dòng)幾乎不影響水資源供需缺口，但是,由于城鎮(zhèn)綠化問題關(guān)系到環(huán)境、居民的幸福指數(shù)等問題，從水資源的角度來看,良好的環(huán)境更有利于植被生長,這在一定程度上有利于水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。所以,江蘇省不應(yīng)在城市綠化建設(shè)用水上節(jié)約部分水資源,而應(yīng)重視城鎮(zhèn)綠化建設(shè)。

4　水資源安全問題解決方案

由于江蘇省目前已存在水資源安全問題,并且根據(jù)以上已找出的影響江蘇省水資源安全的動(dòng)力因素，可以通過調(diào)整動(dòng)力因素的參數(shù),給出解決目前困境的方案。

4.1解決方案

4.1.1維持現(xiàn)狀型方案

維持現(xiàn)狀型方案是將所有的參數(shù)保持不變,然后將該方案的模擬結(jié)果與其他方案模擬結(jié)果進(jìn)行對比。根據(jù)模擬結(jié)果可知,雖然江蘇省水資源豐富,但如果按照目前的發(fā)展趨勢,水資源的需求量的增長速度大于水資源的供給速度,水資源的供需缺口不斷增大(負(fù)向增大)。根據(jù)預(yù)測，到2018年以后江蘇省將出現(xiàn)水資源短缺現(xiàn)象,短缺量約為30.033 6億m3。其中生活、生態(tài)、第三產(chǎn)業(yè)用水較少,而工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水較多,工業(yè)將代替農(nóng)業(yè)成為用水大戶,其中電力工業(yè)用水量將占用水總量的28.5%。

2020年的污水排放總量為69.654 3億m3,比2013年污水排放量增加12.024 5億m3。雖然污水處理能力和污水回用量有所提高,但是與污水總量相比,污水處理能力和污水回用能力有很大的提升空間。

4.1.2節(jié)約用水型方案

節(jié)約用水型方案是從生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)3個(gè)方面節(jié)約用水來減少水資源的使用量,從而達(dá)到水資源的可持續(xù)發(fā)展目的。生活用水可以通過降低城市人均日用水量來減少生活用水總量,農(nóng)業(yè)用水的節(jié)約主要通過減少單位面積灌溉用水量來實(shí)現(xiàn),工業(yè)用水的節(jié)約則通過降低一般工業(yè)GDP萬元用水量來實(shí)現(xiàn)。但生活用水量的剛性較強(qiáng),降低幅度較小,且城鎮(zhèn)人均日用水量對水資源供需缺口的影響比單位面積農(nóng)田灌溉用水量和萬元GDP一般工業(yè)用水量小得多,所以主要應(yīng)通過降低單位面積灌溉用水和萬元GDP一般工業(yè)用水量來緩解水資源供需矛盾問題。可將單位灌溉面積用水量和萬元GDP一般工業(yè)用水量分別降低10%。經(jīng)模擬可知,2020年的用水總量為516.942億m3,與改變前相比用水量減少了9.6%。水資源供需缺口為14.166 4億m3,水資源缺口減少了53.887 2億m3。

4.1.3產(chǎn)業(yè)調(diào)整型方案

產(chǎn)業(yè)調(diào)整型是在減緩工業(yè)發(fā)展速度同時(shí)，大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)。工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整一方面通過減少電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,另一方面降低一般工業(yè)的發(fā)展速度,而電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展通過降低電力用水系數(shù)來進(jìn)行調(diào)整,一般工業(yè)的發(fā)展通過降低一般工業(yè)的GDP增長率來進(jìn)行調(diào)整。因此將電力用水系數(shù)從2.75降低為2,一般工業(yè)GDP增長率降低10%。加快第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要通過提高第三產(chǎn)業(yè)的GDP增長率來進(jìn)行調(diào)整。因此將第三產(chǎn)業(yè)增長率提高10%,經(jīng)過模擬可知,用水總量為494.118億m3,減少了77.798億m3,水資源供需缺口為-47.2167億m3,不存在水資源短缺問題。

4.1.4開源型方案

江蘇省的水資源供給主要包括地表水和地下水,其中絕大部分的水資源供給來源于地表水,其中部分來源于長江引提水。開源型是指以保護(hù)地下水為目的,充分利用污水處理后的水資源以及長江引提水量。污水回用量通過提高污水回用系數(shù)來進(jìn)行調(diào)整,因此2020年將污水回用系數(shù)提高兩倍,同時(shí)將長江引提水量增加至130億m3。與未改變前相比,2020年江蘇省水資源供給量增加了6.2%,水資源量供需缺口由30.003 6億m3轉(zhuǎn)為-3.421 81億m3,不存在供需安全。

4.1.5污染治理型方案

污染治理型就是加快污水的治理,實(shí)現(xiàn)水生態(tài)安全。一方面減少污水的排放,通過降低生活和工業(yè)污水排放系數(shù)來減少污水的排放,將生活污水排放系數(shù)由0.998降低至0.8,工業(yè)污水排放系數(shù)由0.1343降低至0.12,將污水回用系數(shù)由0.05增加至0.1。經(jīng)模擬可知,水體COD總量由106.418萬t降低為90.698 7萬t。

4.1.6綜合型方案

綜合型方案是將以上4種方案進(jìn)行整合,在節(jié)水、產(chǎn)業(yè)調(diào)整、開源與污染治理的基礎(chǔ)上形成的方案。節(jié)水方面:單位面積耕地灌溉用水量降低9%,萬元GDP一般工業(yè)用水量降低8%;產(chǎn)業(yè)調(diào)整方面:將電力工業(yè)用水系數(shù)降為2.3,一般工業(yè)GDP增長率降低8%,第三產(chǎn)業(yè)增長率提高8%;開源方面:將污水回用系數(shù)提高至0.08,長江引體水量增加至120億m3;治污方面:生活污水排放系數(shù)降低5%,工業(yè)污水排放系數(shù)降低至0.12。經(jīng)模擬可知，2020年用水總量為473.016億m3,供水總量為563.009億m3,充分實(shí)現(xiàn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)對水資源的可持續(xù)利用及水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

4.26種方案的對比分析

圖5　6種方案下的水資源供需缺口仿真結(jié)果

圖6　6種方案下水體COD總量仿真結(jié)果

水資源供需缺口是衡量水資源供需安全的最重要指標(biāo),它可以較為直觀地表現(xiàn)出江蘇省某一年的水資源短缺程度。6種方案下的水資源供需缺口仿真結(jié)果和水體COD總量仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖5中可以看出,江蘇省在未來的一兩年就會(huì)出現(xiàn)水資源短缺問題。如果維持現(xiàn)狀,2018年以后隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,江蘇省將出現(xiàn)水資源缺口,并且缺口將進(jìn)一步增大,各產(chǎn)業(yè)之間將出現(xiàn)用水競爭狀況,不利于江蘇省社會(huì)的發(fā)展。

節(jié)約用水型方案可以降低水資源供需缺口,但是單獨(dú)依靠降低單位用水量,當(dāng)水量下降到一定程度后,由于單位水資源的剛性需求,水資源需求量很難有下降的空間,因此供水壓力是維持現(xiàn)狀型方案之后最大的,并且很快又會(huì)出現(xiàn)供需缺口。

產(chǎn)業(yè)調(diào)整型方案總體效果較節(jié)約型方案好。雖然,未來幾年在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的方案下,江蘇省仍會(huì)出現(xiàn)供需缺口,但是,供水壓力明顯小于節(jié)約型方案。

開源型方案見效較好,能夠快速減小供水壓力,但是在2018年以后,隨著經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的快速發(fā)展,一方面經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)需水量增加較快,另一方面,水資源供給量有限,因此供需缺口會(huì)進(jìn)一步增大,但增大幅度比節(jié)約型方案小。

污染治理型方案只考慮了污水回用量的增大,對于其他因素沒有考慮,而污水回用量在總供水量所占比例較小,因此此方案效果較差。

綜合型方案在總體上效果最好,從模擬結(jié)果中可以知道,綜合性方案在未來一段時(shí)間內(nèi)將不存在水資源供需缺口，而且發(fā)展趨勢較慢。從治污的角度來看,綜合性方案治理污染的成效僅次于污染治理方案,是最理想的方案。

5　結(jié)　語

水資源安全問題主要是在一段時(shí)間內(nèi)由于區(qū)域水資源的質(zhì)和量的供需矛盾所引發(fā)的。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,江蘇省對水資源安全提出了更高的要求。筆者運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法綜合考慮了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境、生態(tài)和水5個(gè)方面,構(gòu)建了江蘇省水資源安全模型,提出了水資源安全問題的解決方案。綜合型方案的設(shè)計(jì)為解決江蘇省即將面臨的水資源安全問題提供了一種較為可行的途徑。在該方案下,未來的很長一段時(shí)間內(nèi)江蘇省水資源供需缺口將不復(fù)存在,且水污染狀況不斷改善,充分實(shí)現(xiàn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)對水資源的可持續(xù)利用及水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

未來,江蘇省若要實(shí)現(xiàn)對水安全的嚴(yán)格控制,必須改變現(xiàn)狀,向節(jié)約用水、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、開源、污染治理等方面綜合調(diào)整,并輔之以科學(xué)的管理,來提高水資源利用效率,減少水資源污染,保護(hù)水生態(tài)環(huán)境和水資源安全,實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源的可持續(xù)利用。

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DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.04.011

基金項(xiàng)目:江蘇省社會(huì)科學(xué)基金(10GLC013);國家自然科學(xué)基金(51279058)

作者簡介:杜夢嬌(1989—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)樗Y源管理。E-mail：mengjiao9099@qq.com 通信作者:田貴良,副教授。E-mail:tianguiliang@hhu.edu.cn

中圖分類號(hào)：X24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2016)04-0067-07

(收稿日期：2015-07-20編輯：徐娟)

Simulation and control of water resources system security in Jiangsu Province based on system dynamics

DU Mengjiao1, TIAN Guiliang1, WU Xi1, JIANG Yong2

(1.Business School, Hohai University, Nanjing 211100, China;2.JiangsuProvinceWaterResourcesServiceCenter,Nanjing211100,China)

Abstract：Based on quantitative analysis of a regional water resources system, a dynamic model was constructed for the water resources security system in Jiangsu Province. A simulation case study was conducted. The results show that Jiangsu Province will have water resources supply and demand security problems after the year 2018. Through quantitative analysis, four dynamic factors that influence the water resources security system of Jiangsu Province were determined, and six kinds of solutions were designed. Through comparison of these solutions, the comprehensive solution was determined to be the optimum solution for the sustainable utilization of water resources. In addition, corresponding recommendations for sustainable development of the water resources in Jiangsu Province are proposed.

Key words：water resources system security; system dynamics; simulation; Jiangsu Province