巖溶生態(tài)脆弱區(qū)水安全動(dòng)態(tài)模擬及其演變機(jī)制

蘇 印, 官冬杰, 蘇維詞

(1.重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 重慶 400074;2.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院, 重慶 400047; 3.貴州科學(xué)院 山地資源研究所, 貴州 貴陽 550001)

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巖溶生態(tài)脆弱區(qū)水安全動(dòng)態(tài)模擬及其演變機(jī)制

蘇 印1, 官冬杰1, 蘇維詞2,3

(1.重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 重慶 400074;2.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院, 重慶 400047; 3.貴州科學(xué)院 山地資源研究所, 貴州 貴陽 550001)

[目的] 揭示影響貴州省城市水安全的主要驅(qū)動(dòng)因子，為貴州省相關(guān)部門提供參考和科學(xué)依據(jù)。 [方法] 基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立水安全系統(tǒng)模型，仿真模擬貴州省水安全系統(tǒng)的貴陽模式、遵義模式、畢節(jié)模式和協(xié)調(diào)型模式4種不同模式下的水資源子系統(tǒng)、水環(huán)境子系統(tǒng)、水災(zāi)害子系統(tǒng)的發(fā)展演變規(guī)律。 [結(jié)果] 農(nóng)業(yè)灌溉用水定額、水土流失面積比、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率和環(huán)境資本投資率是貴州省水安全系統(tǒng)的主要驅(qū)動(dòng)因子；在協(xié)調(diào)型模式下，貴州省水安全系統(tǒng)在2025年以前處于最佳狀態(tài)，比其他3種模式優(yōu)越。 [結(jié)論] 在不同情景模式的模擬下，只有在協(xié)調(diào)型模式下水資源子系統(tǒng)、水環(huán)境子系統(tǒng)、水災(zāi)害子系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)，能夠獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

水安全系統(tǒng); 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué); 情景參數(shù); 貴州省

文獻(xiàn)參數(shù)： 蘇印, 官冬杰, 蘇維詞.巖溶生態(tài)脆弱區(qū)水安全動(dòng)態(tài)模擬及其演變機(jī)制[J].水土保持通報(bào)，2016,36(4)：9-15.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.002

中國(guó)西南地區(qū)擁有世界上最典型的熱帶到亞熱帶巖溶景觀，盡管西南巖溶地區(qū)降水豐富，但由于特殊的地質(zhì)背景和環(huán)境特征，導(dǎo)致水資源賦存和分布規(guī)律十分復(fù)雜，開發(fā)利用難度大，工程性缺水嚴(yán)重[1]。隨著國(guó)家“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略的實(shí)施，貴州省城市用水量和污水排放量急劇增加，以水資源短缺和水污染嚴(yán)重為特征的水危機(jī)已成為貴州省各大城市發(fā)展中突出的制約因素[2]，水安全問題威脅著我國(guó)西南巖溶地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的發(fā)展[3]。國(guó)外學(xué)者從不同角度對(duì)水安全給予關(guān)注，如Martijnvanden等[4]研究了英國(guó)的水安全；Godwin等[5]對(duì)水安全和水利用做了研究；Phillips[6]對(duì)水管理的研究；Lucija[7]研究了區(qū)域水安全和大氣的關(guān)系； Bassi[8]進(jìn)行了區(qū)域水循環(huán)的研究；Martin[9]研究了水安全對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的影響；Yakimenko[10-11]和Shchedrin等[12]分別就水質(zhì)和水安全的發(fā)展計(jì)劃做了研究。以往的研究主要集中在對(duì)水資源問題[13]或水環(huán)境問題[14]的單一要素的評(píng)價(jià)上，并且忽略了水災(zāi)害產(chǎn)生的影響。本研究從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，分別從水資源子系統(tǒng)、水環(huán)境子系統(tǒng)和水災(zāi)害子系統(tǒng)了解貴州省近幾年水安全發(fā)展模式，找出水安全問題較為嚴(yán)重的區(qū)域，以及影響貴州省城市水安全的主要因素，提出切實(shí)可行的水安全保障措施，為決策者和管理者提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

貴州省地處云貴高原東部，地勢(shì)西高東低，平均海拔1 100 m左右。國(guó)土面積1.76×105km2，其中山地占61.7%，丘陵占30.8%，山間壩子占7.5%，是全國(guó)唯一沒有平原支撐的內(nèi)陸山區(qū)省份。該省巖溶分布廣泛、發(fā)育強(qiáng)烈，巖溶出露面積1.1×105km2，占該省國(guó)土面積的62%。特殊的地形地貌，造成貴州石多土少，易受侵蝕，水土流失嚴(yán)重。省內(nèi)河流以中部偏南的苗嶺為分水嶺，北部屬長(zhǎng)江流域，包括烏江水系、洞庭湖(沅江)水系、牛欄江和橫江水系、赤水河和綦江水系；南部屬珠江流域，包括南盤江水系、北盤江水系、紅水河水系和都柳江水系，全省河流順地勢(shì)由西部、中部向北、東、南三面分流。

2　研究方法

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)SD(system dynamics)模型是建立在控制論、系統(tǒng)論和信息論基礎(chǔ)上研究反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和動(dòng)態(tài)行為的一類模型，其突出特點(diǎn)是能夠反映復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與動(dòng)態(tài)行為之間的相互作用關(guān)系，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn)，從而考察復(fù)雜系統(tǒng)在不同情景(不同參數(shù)或不同策略因素)下的變化行為和趨勢(shì)，提供決策支持[15]。本研究使用的建模軟件是Vensim，模型運(yùn)行時(shí)間為2005—2025年，仿真步長(zhǎng)為1 a。主要的數(shù)據(jù)來源于《貴州統(tǒng)計(jì)年鑒(2005—2012年)》《貴州省水資源公報(bào)(2005—2012年)》《貴州省環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)(2005—2012年)》《城市居民生活用水量標(biāo)準(zhǔn)GB/T50331-2002》。

2.1模型結(jié)構(gòu)

貴州省水安全模型作為一個(gè)動(dòng)態(tài)、復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到的變量因子種類復(fù)雜多變，但尚能通過5個(gè)基本子系統(tǒng)來全面涵蓋貴州水安全系統(tǒng)的全部?jī)?nèi)容，即水資源子系統(tǒng)、水環(huán)境子系統(tǒng)、水災(zāi)害子系統(tǒng)、人口子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)。

水資源子系統(tǒng)的主要研究?jī)?nèi)容是觀察全省水資源量方面的變化，通過研究社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)水資源量的改變，進(jìn)而了解水資源承載力對(duì)全省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的承載情況。水環(huán)境子系統(tǒng)主要研究貴州省水質(zhì)方面的情況，預(yù)測(cè)未來貴州省水質(zhì)變化情況，進(jìn)而觀察水環(huán)境承載力對(duì)全省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的承載情況。水災(zāi)害子系統(tǒng)主要研究洪澇災(zāi)害對(duì)該省經(jīng)濟(jì)社會(huì)的影響，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)水利設(shè)施的建設(shè)加大投入，增強(qiáng)了抵御水災(zāi)害的能力，減少經(jīng)濟(jì)損失，降低水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。

人口子系統(tǒng)在水安全這個(gè)巨系統(tǒng)中占有重要地位，反映人口對(duì)貴州省巖溶地區(qū)水資源和水環(huán)境造成的壓力，反映人口對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞造成的水災(zāi)害影響，反映人口對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響。經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)主要研究的是通過水資源、水環(huán)境和水災(zāi)害的不斷輸入，研究經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出與各輸入系統(tǒng)之間的關(guān)系。反映研究地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，反映經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)研究區(qū)水資源水環(huán)境的影響。

2.2模型有效性驗(yàn)證

水安全SD模型建立后，為確保其仿真結(jié)果和實(shí)際系統(tǒng)相符，模型應(yīng)用前需要對(duì)模型有效性進(jìn)行檢驗(yàn)。SD模型的檢驗(yàn)方法一般分為4種：直觀檢驗(yàn)、運(yùn)行檢驗(yàn)、歷史檢驗(yàn)和靈敏度分析。其中直觀檢驗(yàn)和運(yùn)行檢驗(yàn)已在建模過程中實(shí)現(xiàn)，這里主要針對(duì)歷史檢驗(yàn)和靈敏度分析對(duì)模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證。

2.2.1歷史檢驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行歷史檢驗(yàn)，將仿真計(jì)算出的總?cè)丝?、GDP與2005—2010年的實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)仿真值和歷史值誤差均小于10%(圖1)，說明模型具有較高的可信度。

2.2.2靈敏度分析靈敏度分析是驗(yàn)證模型有效性的重要方法，一個(gè)穩(wěn)定性好且有效的模型應(yīng)具有較低的靈敏度。靈敏度分析是通過調(diào)節(jié)模型中的參數(shù)，來分析參數(shù)變化對(duì)模型變量輸出結(jié)果產(chǎn)生的影響[16]。本研究采用靈敏度模型對(duì)系統(tǒng)靈敏度進(jìn)行分析，其公式為[17]：

(1)

式中：t——時(shí)間；SQ——狀態(tài)變量Q對(duì)參數(shù)X的靈敏度；Q(t)，X(t)——Q和X在t時(shí)刻的值； ΔQ(t)，ΔX(t)——Q和X在t時(shí)刻的增加量。

對(duì)于n個(gè)狀態(tài)變量(Q1，Q2，…，Qn)，任一參數(shù)X在時(shí)刻t的靈敏度平均值為：

(2)

式中：n——狀態(tài)變量個(gè)數(shù)；SQi——Qi的靈敏度；S——參數(shù)X對(duì)n個(gè)狀態(tài)變量的平均靈敏度。

因水安全系統(tǒng)中涉及較多參數(shù)和變量，只選取系統(tǒng)內(nèi)較為關(guān)鍵的6個(gè)參數(shù)和6個(gè)變量根據(jù)其2005—

2010年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。每次變化其中一個(gè)參數(shù)(增加10%)，分析其對(duì)6個(gè)變量的影響。靈敏度分析結(jié)果詳見表1。

由表1可知，只有工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的靈敏度達(dá)到10%，其余參數(shù)對(duì)系統(tǒng)靈敏度均低于10%，表明系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的靈敏度較低，穩(wěn)定性較強(qiáng)。綜合歷史檢驗(yàn)結(jié)果，該模型可以用于貴州省水安全實(shí)際系統(tǒng)模擬。

表1　貴州省水安全系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的靈敏度分析結(jié)果

3　貴州省水安全系統(tǒng)模型分析

3.1貴州省水安全系統(tǒng)調(diào)控參數(shù)的選擇

通過分析制約因素，確定模型主要影響因子，對(duì)主要影響因子進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。分析比較不同影響因子變化對(duì)系統(tǒng)趨勢(shì)影響的程度，明確影響水安全系統(tǒng)特征的主要驅(qū)動(dòng)因子。選擇水安全系統(tǒng)的14個(gè)主要參數(shù)，分別變化了3%，2%，1%,-1%,-2%,-3%，觀察各個(gè)參數(shù)對(duì)水安全綜合指數(shù)這一變量的影響，從而根據(jù)靈敏度斜率確定影響貴州省水安全的主要驅(qū)動(dòng)參數(shù)(表2)。

經(jīng)研究分析可知，所有常數(shù)參數(shù)對(duì)2025年水安全綜合指數(shù)的靈敏度都在合理范圍之內(nèi)(小于10%)，模型行為模式并沒因?yàn)閰?shù)的微小變動(dòng)而出現(xiàn)異常變動(dòng)，因此模型是可信的，而且表明模型可以應(yīng)用政策實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬分析。14個(gè)常數(shù)參數(shù)中，人口自然增長(zhǎng)率、GDP年增長(zhǎng)率、農(nóng)業(yè)灌溉用水定額、林牧漁畜用水定額、城市人均生活配水額、城市化率、水土流失面積比、石漠化面積比8個(gè)參數(shù)的靈敏度斜率為正，而水資源利用率、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率、生活污水處理率、環(huán)境資本投資率、水利投資比6個(gè)參數(shù)的靈敏度斜率則為負(fù)。靈敏度斜率為正值說明參數(shù)值的增加將引起2025年水安全綜合指數(shù)的上升，靈敏度斜率為負(fù)值則相反。

水安全綜合指數(shù)是驅(qū)動(dòng)力指數(shù)、壓力指數(shù)、狀態(tài)指數(shù)、影響指數(shù)和響應(yīng)指數(shù)的代數(shù)和的綜合表現(xiàn)。綜合指數(shù)為零，表明水資源系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，綜合指數(shù)大于零，水資源變的不安全，綜合指數(shù)值越大，則代表水資源狀態(tài)越不安全；綜合指數(shù)小于零，水資源是安全的，綜合指數(shù)值越小，水資源狀態(tài)就越安全。利用靈敏度斜率的正負(fù)特性，提高靈敏度斜率為負(fù)的參數(shù)值，或者降低靈敏度斜率為正的參數(shù)值，可以達(dá)到降低水安全綜合指數(shù)的目的，使城市水安全綜合狀態(tài)越來越安全；相反，會(huì)使城市水安全綜合狀態(tài)越來越不安全。這些參數(shù)對(duì)2025年水安全綜合指數(shù)的影響程度大小(靈敏度斜率絕對(duì)值)依次為：農(nóng)業(yè)灌溉用水定額>水土流失面積比>水質(zhì)達(dá)標(biāo)率>環(huán)境資本投資率>GDP年增長(zhǎng)率>水資源利用率、城市人均生活配水額、水利投資比、城市化率、林牧漁畜用水定、工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率>生活污水處理率、石漠化面積比、人口自然增長(zhǎng)率。靈敏度斜率絕對(duì)值越大，說明參數(shù)靈敏性越強(qiáng)。即改變靈敏度斜率絕對(duì)值大的參數(shù)，在參數(shù)改變相同比率前提下，比改變靈敏度斜率絕對(duì)值小的參數(shù)更容易達(dá)到影響目的。

表2　各參數(shù)對(duì)貴州省2025年水安全綜合指數(shù)的變化

利用靈敏度正負(fù)特性以及靈敏度斜率絕對(duì)值大小特性，我們可以分析得出降低水安全綜合指數(shù)，保障貴州省城市水安全的途徑為：降低農(nóng)業(yè)灌溉用水、人均生活配水，提高水土流失治理面積、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率和環(huán)境資本投資率。

3.2不同情景參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)以上分析，收集相關(guān)資料，在計(jì)算機(jī)上用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)專用模擬分析軟件VENSIM PLE對(duì)貴州省“水安全”模型進(jìn)行模擬運(yùn)行，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際情況的吻合程度，對(duì)存在的問題進(jìn)行改進(jìn)，在對(duì)歷史數(shù)據(jù)的模擬結(jié)果和靈敏度檢驗(yàn)達(dá)到誤差允許的范圍之內(nèi)后，開始對(duì)貴州省“水安全”進(jìn)行仿真模擬。本文在得到調(diào)控參數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)定了代表貴州省城市水安全發(fā)展的3種模式：貴陽模式、遵義模式、畢節(jié)模式，以及調(diào)試后的協(xié)調(diào)型模式，具體相關(guān)參數(shù)詳見表3。

表3　貴州省不同水安全發(fā)展模式情景參數(shù)值

3.3貴州省水安全系統(tǒng)模擬特征分析

水資源缺口為水資源供應(yīng)量與水資源需求量的差值，用來表征水安全系統(tǒng)下的水資源子系統(tǒng)的安全狀況。從圖2可以得知，貴陽模式從2005—2017年水資源缺口為負(fù)值，表示水資源供應(yīng)量低于水資源需求量，水資源供應(yīng)不足，缺口較小，但是水資源缺口從2017年開始持續(xù)增大，增大的速度越來越快，到2025年貴州省水資源缺口值將達(dá)到1.02×1010m3；遵義和畢節(jié)模式2005—2017年水資源缺口為正值，表示水資源供應(yīng)量高于需求量，水資源供應(yīng)盈余，但是遵義模式從2020年開始變成負(fù)值，并逐漸增大；畢節(jié)模式從2019年開始出現(xiàn)負(fù)值并增大；協(xié)調(diào)型模式下，分別降低農(nóng)業(yè)灌溉用水定額和城市人均配水額10%，到2025年協(xié)調(diào)型模式水資源缺口比貴陽模式提高30%，比遵義模式提高了4%，比畢節(jié)模式提高了15%，水資源缺口值是最低的，并且延緩了水資源缺口繼續(xù)增大的這種趨勢(shì)。

污水排放量表征水安全系統(tǒng)下水環(huán)境子系統(tǒng)的安全狀況。從圖3可以看出，從2011年開始，貴陽、遵義、畢節(jié)3種模式下的污水排放量都在逐漸增大，畢節(jié)模式下的污水排放量最多，污水排放量的增長(zhǎng)速度也是最快，其次是遵義模式，然后是貴陽模式。到2025年貴陽模式下污水排放量為3.70×108t，遵義模式下是6.60×108t，畢節(jié)模式下是9.90×108t，在協(xié)調(diào)型模式下，提高了工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率2%，排放量為3.00×108t，協(xié)調(diào)型模式污水排放量比貴陽模式降低18.9%，比遵義模式降低了54.5%，比畢節(jié)模式降低了69.7%，污水排放量是最少的，并且污水排放量的增長(zhǎng)速度也是最慢的，是環(huán)境友好型的發(fā)展模式。

圖2　貴州省不同模式水資源缺口的變化

圖3　貴州省不同模式污水排放量的變化

以貴州為中心，涉及云南、川南、重慶、湖南、廣西等省(市、區(qū))部分縣份的西南巖溶地區(qū)，從2009年以來連續(xù)3 a均出現(xiàn)大旱，造成上千萬人口的飲水困難和大量耕地絕收，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ詈蜕a(chǎn)。造成巖溶地區(qū)頻繁大旱、人畜飲水困難的主要原因，雖與近幾年降水偏少、巖溶地區(qū)特殊的地質(zhì)地貌有關(guān)，但與過去很長(zhǎng)一段時(shí)間在水利工程規(guī)劃建設(shè)和資金投入上受重視不足有很大關(guān)系。水利建設(shè)投資用來表征水安全系統(tǒng)下的水災(zāi)害子系統(tǒng)的安全狀況，圖4顯示在2009年貴陽、遵義、畢節(jié)模式下的水利建設(shè)投資均較低。從2015年開始，水利投資建設(shè)均加大了投資力度，貴陽模式到2025年將達(dá)到150億元，遵義其次，畢節(jié)模式增長(zhǎng)最低。在協(xié)調(diào)型模式下，分別提高環(huán)境資本投資率和降低水土流失面積比約10%，到2025年相應(yīng)的水利建設(shè)投資比貴陽模式提高了10%，比遵義模式提高了78.7%，比畢節(jié)模式提高了186.2%。

水安全綜合指數(shù)代表了水安全系統(tǒng)的綜合安全狀態(tài)，是水資源子系統(tǒng)、水環(huán)境子系統(tǒng)、水災(zāi)害子系統(tǒng)的綜合反映。圖5顯示，貴陽模式下水資源是安全的，到2018年綜合指數(shù)開始大于零，水資源狀態(tài)出現(xiàn)不安全，逐漸有向不安全發(fā)展的趨勢(shì)；遵義模式下水資源狀態(tài)是不安全的，水安全綜合指數(shù)大于零，經(jīng)歷了先上升后下降的趨勢(shì)，安全級(jí)別低于貴陽模式；而畢節(jié)模式下的水資源不安全級(jí)別高于前兩種模式，從2005年開始水安全綜合指數(shù)大于零并在不斷升高。在協(xié)調(diào)型模式下，分別降低農(nóng)業(yè)灌溉用水、人均生活配水，提高水土流失治理面積、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率和環(huán)境資本投資率，到2025年相應(yīng)的水安全綜合指數(shù)比貴陽模式降低了45.5%，比遵義模式降低了50%，比畢節(jié)模式降低了80.3%，水安全綜合指數(shù)是4種模式中最低的，水安全系統(tǒng)安全級(jí)別是最高的。

圖4　貴州省不同模式水利建設(shè)投資的變化

圖5　貴州省不同模式水安全綜合指數(shù)的變化

4　討 論

4.1貴州省水安全演變機(jī)制分析

貴州省水安全系統(tǒng)演變驅(qū)動(dòng)因子主要表現(xiàn)在兩方面：一是自然條件下的氣候變化和巖溶脆弱的生態(tài)地貌約束。氣候變化導(dǎo)致降水異常變化，而夏季降水的增加，也在一定程度上加大了該地區(qū)洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻率。有研究[2]表明，年降水微弱增加甚至減少時(shí)，洪澇災(zāi)害發(fā)生的概率也加大；貴州省在2025年前，水資源缺口會(huì)保持持續(xù)增大這一演變趨勢(shì)，且從2019年開始各種模式下，水資源缺口演變的速率在加快。主要由于貴州省以巖溶洼地為主體，多年平均降雨量在900～1 300 mm，水資源豐富，人均水資源占有量為2 829 m3，是全國(guó)人均的1.26倍，但巖溶洼地具有“山(地)高水低”、“雨多地漏”等特點(diǎn)。形成特殊的“巖溶干旱”現(xiàn)象，使?jié)駶?rùn)的貴州巖溶洼地成了典型的“缺水區(qū)”。二是人類用水活動(dòng)，主要體現(xiàn)在水利建設(shè)、農(nóng)業(yè)灌溉用水、生活配水和工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率。有研究指出，到2020年畢節(jié)城鎮(zhèn)生活廢水處理率和工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率將提高到85%，廢水排放量日趨減少，生態(tài)環(huán)境向著良性方向發(fā)展[18]。同時(shí)人們對(duì)水災(zāi)害適應(yīng)性對(duì)策研究不足，“山(地)高水低”是巖溶洼地的高原面與深切峽谷河流高差大，大都為200～800 m，峽谷河流水流湍急，水量豐富，而需要供水的林耕地和村寨，大多分布在相對(duì)破碎的高原面上，興建高揚(yáng)程的提水泵站供水，投入大、經(jīng)濟(jì)效益差，投入遠(yuǎn)大于產(chǎn)出。水災(zāi)害的演變有一定的不確定性，但在水利設(shè)施的保障下，水災(zāi)害的發(fā)生將會(huì)減少。有研究[19]表明，該地區(qū)洪旱災(zāi)害發(fā)生的頻率增大將加劇區(qū)域水資源利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)的難度。

4.2最優(yōu)化模式選擇

貴陽市地處黔中經(jīng)濟(jì)區(qū)核心圈，是西南地區(qū)的交通樞紐，是貴州省政治、經(jīng)濟(jì)與文化的中心，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展各項(xiàng)指標(biāo)位居該省前列。經(jīng)過貴州省水安全系統(tǒng)模擬分析，認(rèn)為貴陽市水安全系統(tǒng)的重點(diǎn)布局為：以提高水資源子系統(tǒng)的安全級(jí)別為首要任務(wù)，兼顧水環(huán)境和水災(zāi)害子系統(tǒng)的投入，應(yīng)合理規(guī)劃取水工程，可進(jìn)行跨區(qū)域調(diào)水來補(bǔ)充缺乏的水資源，應(yīng)積極開發(fā)已查明的地下河和地下水測(cè)點(diǎn)，以增加地下庫容及調(diào)蓄能力。這與《貴州省十二五水利規(guī)劃》中關(guān)于貴陽市提出的“優(yōu)先保障工業(yè)化、城鎮(zhèn)化需水，加快節(jié)水型社會(huì)建設(shè)?！笔且恢碌?。

遵義市地處黔中經(jīng)濟(jì)區(qū)，屬于國(guó)家提出規(guī)劃的長(zhǎng)江中上游綜合開發(fā)區(qū)主要區(qū)域和成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)重要輻射區(qū)，是中國(guó)西部重鎮(zhèn)之一。經(jīng)過貴州省水安全系統(tǒng)模擬分析，認(rèn)為遵義市水安全系統(tǒng)的重點(diǎn)布局為：以提高水環(huán)境和水災(zāi)害子系統(tǒng)的安全級(jí)別為主，應(yīng)加強(qiáng)水利設(shè)施的建設(shè)，增加水利投資經(jīng)費(fèi)，防洪抗旱，做好應(yīng)對(duì)水災(zāi)害的措施。這與《貴州省十二五水利規(guī)劃》中關(guān)于遵義市提出的“以大江大河支流和中小河流治理為重點(diǎn)，全面提高防洪減災(zāi)能力，大力實(shí)施坡耕地綜合整治，盡快啟動(dòng)革命老區(qū)水土保持綜合治理。”是相符的。

畢節(jié)市地處畢水興經(jīng)濟(jì)帶，是1988年6月國(guó)務(wù)院建立的“開發(fā)扶貧、生態(tài)建設(shè)”試驗(yàn)區(qū)，也是水利部水利重點(diǎn)扶持地區(qū)。經(jīng)過貴州省水安全系統(tǒng)模擬分析，認(rèn)為畢節(jié)市水安全系統(tǒng)的重點(diǎn)布局為：在水安全系統(tǒng)的各個(gè)方面都要加強(qiáng)管理的措施，首先要合理調(diào)度水資源，同時(shí)改善生態(tài)環(huán)境和水環(huán)境，防止巖溶地區(qū)土壤石漠化，提高巖溶山區(qū)的旱澇災(zāi)害抵抗能力。這與《貴州省十二五水利規(guī)劃》中關(guān)于畢節(jié)市提出的“保障工業(yè)化、城鎮(zhèn)化需水；加大中小河流治理的力度，全面提高防洪減災(zāi)抗旱能力，以草海、冷水河雨帽山草本沼澤濕地生態(tài)保護(hù)為重點(diǎn)，結(jié)合水源地保護(hù)措施，積極開展?jié)竦乇Ｗo(hù)與建設(shè)?！毕辔呛?。

協(xié)調(diào)型模式綜合調(diào)控了水資源子系統(tǒng)、水環(huán)境子系統(tǒng)、水災(zāi)害子系統(tǒng)，是另外3種模式的最優(yōu)組合。其他模式可參照協(xié)調(diào)型模式進(jìn)行調(diào)控，以達(dá)到各種模式下的最佳水安全狀態(tài)。

5　結(jié) 論

(1) 影響貴州省水安全系統(tǒng)的主要驅(qū)動(dòng)因子一是自然條件，二是人類的用水活動(dòng)。

(2) 當(dāng)前貴州省水安全的3種發(fā)展模式：貴陽模式、遵義模式、畢節(jié)模式在水安全系統(tǒng)的各個(gè)方面均存在不同程度的隱患，貴陽模式主要表現(xiàn)在水資源供需方面；遵義模式體現(xiàn)在水環(huán)境和水災(zāi)害方面；畢節(jié)模式在水資源、水環(huán)境和水災(zāi)害都表現(xiàn)出了危機(jī)。

(3) 基于貴州省水安全4種模式下的模擬分析，在協(xié)調(diào)型模式下，水資源子系統(tǒng)、水環(huán)境子系統(tǒng)、水災(zāi)害子系統(tǒng)都是最佳狀態(tài)，在2025年以內(nèi)水資源供給基本能夠滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，且能夠獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

[1]秦年秀,陳喜,薛顯武.等.氣候變化對(duì)烏江流域水文水資源的影響[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),2011,39(6):623-628.

[2]高彥春,劉昌明.區(qū)域水資源系統(tǒng)仿真預(yù)測(cè)及優(yōu)化決策研究:以漢中盆地平壩區(qū)為例[J].自然資源學(xué)報(bào),1996,11(1):23-32.

[3]劉昌明,陳志凱.中國(guó)水資源現(xiàn)狀評(píng)價(jià)和供需發(fā)展趨勢(shì)分析[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2001.

[4]Martijnvanden H, Ellen M, Sander M. Water safety and spatial development: An institutional comparison between the United Kingdom and the Netherlands [J]. Land Use Policy, 2014,36(1):416-426.

[5]Godwin S, Chen F, Stone R, et al. Microbiological Safety of water used for Irrigating Produce [J]. Journal of the American Dietetic Association, 2010,110(9):55-66.

[6]Pamm P, Paul T. Water management in sport [J]. Sport Management Review, 2014,17(3):376-389.

[7]Lucija Muehlenbachs, Mark A C, Todd G. The impact of water depth on safety and environmental performance in offshore oil and gas production[J]. Energy Policy, 2013,55(4):699-705.

[8]Bassi F, Crivellini A, Dossena V. Investigation of flow phenomena in air-water safety relief valves by means of a discontinuous Galerkin solver[J]. Computers & Fluids, 2014,90(10):57-64.

[9]Martin P, Andras H. Conservation concept for a river ecosystem impacted by flow abstraction in a large post mining area [J]. Landscape and Planning, 2000,51(2):165-176.

[10]Yakimenko A N. Estimation of water quality of the Kiev reservoir by indices of radiation safety [J]. Journal of Water Chemistry and Technology, 2013,35(4):189-193.

[11]Jishi Zhang, Yongqiu Zhang, Ruifeng Pu, et al. Safety analysis of water resources and eco-environment in Shiyang River Basin[J]. Chinese Geographical Science, 2005,15(3):238-244.

[12]Shchedrin V N, Kosichenko Y M. Safety problems of water-development works designed for land reclamation [J]. Power Technology and Engineering, 2011,45(4):264-269.

[13]熊鷹,李靜芝,蔣丁玲.基于仿真模擬的長(zhǎng)株潭城市群水資源供需系統(tǒng)決策優(yōu)化[J].地理學(xué)報(bào),2013,68(9):1225-1239.

[14]Tian HAO, Pengfei Du, Yun Gao. Water environment security indicator system for urban water management [J]. Frontiers of Environmental Science and Engineering in China, 2012,6(5):678-691.

[15]曹琦,陳興鵬,師滿江.基于DPSIR概念的城市水資源安全評(píng)價(jià)及調(diào)控[J].資源科學(xué),2012,34(8):1591-1599.

[16]陳雪,劉光有.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在阿什河流域水污染控制規(guī)劃中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2010,35(5):73-76.

[17]郭懷成.洛陽城市水污染控制系統(tǒng)研究[J].地理學(xué)報(bào),1988,43(4):318-328.

[18]何仁偉,劉邵權(quán),劉運(yùn)偉.基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的中國(guó)西南巖溶區(qū)的水資源承載力:以貴州省畢節(jié)地區(qū)為例[J].地理科學(xué),2011,31(11):1376-1382.

[19]黃曉亞,陳喜,張志才,等.西南巖溶地區(qū)降雨集中度及其變化特征分析:以烏江流域中上游為例[J].地球與環(huán)境,2013,41(3):203-208.

Development Simulation of Water Security and Its Evolvement Law in Karst Ecological Fragile Area

SU Yin1， GUAN Dongjie1， SU Weici2,3

(1.SchoolofArchitectureandUrbanPlanning,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China; 2.CollegeofGeographyandTourism,ChongqingNormalUniversity,Chongqing400047,China;3.InstituteofMountainResources,GuizhouAcademyofSciences,Guiyang,Guizhou550001,China)

[Objective] The impact factors of urban water security in Guizhou Province were studied to provide basis for policy-making of local government. [Methods] A water security system model for Guizhou Province, China was established using system dynamics(SD) method. In the model, data of water security system from 2005 to 2025 were used and four scenarios(Guiyang model, Zunyi model, Bijie model and concerted development model) were analyzed. [Results] The major driving factors of the water security system in Guizhou Province included the agricultural irrigation water quota, soil and water losses area, ratio up to the standard of water quality and the investment of environmental protection. The concerted development model is the best solution for water security system by 2025 in Guizhou Province for the four scenarios. [Conclusion] In terms of water resource, water environment and water disaster, the concerted development model was proved to be a profitable solution both in economy and environment.

water security； system dynamics； scenario parameters； Guizhou Province

2015-08-28

2015-10-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“三峽庫區(qū)生態(tài)安全后續(xù)發(fā)展動(dòng)態(tài)模擬及其可視化預(yù)警評(píng)價(jià)”(41201546)； 國(guó)家十二五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAJ25B09)； 重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(cstc2012jjA20010)； 重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CYS14159)

蘇印(1990—),男(漢族),山西省大同市人,碩士研究生,研究方向?yàn)榭λ固氐貐^(qū)水資源利用與保護(hù)。E-mail:sy736291845@163.com。

官冬杰(1980—),女(漢族),黑龍江省富錦市人,博士,教授,主要從事生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)方面的研究。E-mail:guandongjie_2000@163.com。

B

1000-288X(2016)04-0009-07

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