系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在吉林西部水資源研究中的應(yīng)用

張忻+李佳薇+聶君宇

摘 要：系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)、聯(lián)系、運(yùn)動(dòng)和發(fā)展的觀點(diǎn)，是定量研究趨勢(shì)問(wèn)題的有效工具。運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理，設(shè)定系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的子系統(tǒng)并研究其相互關(guān)系，建立了吉林西部水資源復(fù)合系統(tǒng)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并運(yùn)用VensimPLE軟件進(jìn)行了仿真模擬，以此探究吉林西部水資源的動(dòng)態(tài)特征，便于預(yù)測(cè)未來(lái)該領(lǐng)域的水資源供需情況，采取有效舉措解決問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；水資源；供求平衡；VensimPLE

中圖分類(lèi)號(hào)：TV213.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.020

文章編號(hào)：2095-6835（2016）20-0020-02

1 背景介紹

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是一種研究信息反饋系統(tǒng)的分析方法。它強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)、聯(lián)系、運(yùn)動(dòng)和發(fā)展的觀點(diǎn)，擅于解決社會(huì)系統(tǒng)中存在的反饋、時(shí)間延遲和非線性問(wèn)題，是定量研究趨勢(shì)問(wèn)題的有效工具。它利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、各環(huán)節(jié)的因果關(guān)系和反饋回路建立的綜合概念模型，通過(guò)仿真的方法來(lái)求解系統(tǒng)的性能。由于它涉及到微分方程或差分方程求解、控制理論應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析以及計(jì)算機(jī)軟件等多種學(xué)科，因而屬于跨學(xué)科的新型理論和方法。

本文將根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理，模擬吉林省西部地區(qū)“水資源—社會(huì)經(jīng)濟(jì)—生態(tài)環(huán)境”復(fù)合系統(tǒng)，探究各子系統(tǒng)間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，體現(xiàn)吉林西部水資源的動(dòng)態(tài)特征。

2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型（SD模型）

2.1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的假設(shè)

無(wú)需人工干預(yù)，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型將自行發(fā)展。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型主要探求供給和需求的平衡，供給主要關(guān)注的是水資源總量，正常情況下水資源的變化不應(yīng)超過(guò)水資源的再生能力，否則會(huì)造成一系列的環(huán)境問(wèn)題。

2.2 各子系統(tǒng)的因果關(guān)系及主要SD方程

根據(jù)系統(tǒng)理論的整體與局部關(guān)系原理，并考慮資料的占有情況，將吉林省西部復(fù)合系統(tǒng)劃分為4個(gè)子系統(tǒng)，即人口子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)和水資源子系統(tǒng)。

2.2.1 人口子系統(tǒng)

研究區(qū)域總?cè)丝谥饕紤]的是常住人口，它主要受機(jī)械變動(dòng)人口、人口出生率和死亡率的影響。該子系統(tǒng)模塊主要研究人口數(shù)量的變化及其變化對(duì)生活需水量的影響，水資源供需平衡情況、經(jīng)濟(jì)規(guī)模及其增長(zhǎng)速度對(duì)人口增長(zhǎng)速度的影響。

人口子系統(tǒng)的主要的方程如下：

人口總量=INTEG（出生人口+機(jī)械增長(zhǎng)-死亡人口，目前的總?cè)丝冢? （1）

生活用水=（人口×人均水消費(fèi)量）/ 10 000. （2）

2.2.2 經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)

工業(yè)、農(nóng)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)對(duì)于水資源的需求量大，且相互之間需求結(jié)構(gòu)有明顯差異，因此主要研究這三個(gè)方面。生產(chǎn)活動(dòng)需要消耗資源并將廢棄物排放到環(huán)境中，生產(chǎn)水平的提高又會(huì)促進(jìn)資源利用效率的提高和單位產(chǎn)出污染排放量的降低，而且當(dāng)資源供不應(yīng)求時(shí)，也會(huì)制約生產(chǎn)規(guī)模的增長(zhǎng)，刺激生產(chǎn)水平和資源利用效率的提高。

經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的主要方程如下：

農(nóng)業(yè)耕地面積=INTEG（耕地面積改變量，農(nóng)業(yè)用地面積的現(xiàn)值）. （3）

工業(yè)總產(chǎn)值=INTEG（工業(yè)GDP增長(zhǎng)值，工業(yè)生產(chǎn)總值現(xiàn)值）. （4）

第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值=INTEG（第三產(chǎn)業(yè)GDP增長(zhǎng)值，第三產(chǎn)業(yè)GDP現(xiàn)值）. （5）

生產(chǎn)用水需求=農(nóng)業(yè)用水需求+工業(yè)用水需求+第三產(chǎn)業(yè)用水需求. （6）

公共服務(wù)=基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)+公共管理. （7）

2.2.3 生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)

生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)包括生態(tài)環(huán)境建設(shè)與污染治理兩大部分。生態(tài)建設(shè)是環(huán)境保護(hù)的重要內(nèi)容，生產(chǎn)投資回收期也較長(zhǎng)。城市的生態(tài)建設(shè)能提高人們的生活質(zhì)量，提高城市對(duì)資金和人才的吸引力，促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；同時(shí)，還會(huì)提高城市周邊農(nóng)業(yè)區(qū)的土地涵養(yǎng)水源的能力，防止水土流失，增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)抵抗水旱災(zāi)害的能力。城市的集中污染治理設(shè)施用于對(duì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活所排放的污染物進(jìn)行治理。工廠自身對(duì)所排放污染物的治理力度對(duì)城市的環(huán)境質(zhì)量與污染物的集中處理量影響很大。

生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的主要方程如下：

廢水排放總量=城市生活污水排放量+工業(yè)廢水排放量+農(nóng)業(yè)廢水排放量. （8）

污水處理量=工業(yè)廢水處理量+生活污水處理量. （9）

水質(zhì)=水資源管理程度+衛(wèi)生服務(wù)程度. （10）

2.2.4 水資源子系統(tǒng)

資源子系統(tǒng)在本次研究中主要研究的是淡水資源，即地表水資源、地下水資源、外調(diào)水資源和再生水資源。該子系統(tǒng)的主要變量為水資源可供量，包括常規(guī)水資源可供量和再生水資源可供量?jī)刹糠?，其中，前者主要包括?dāng)?shù)氐牡乇硭Y源、地下水資源和外調(diào)水資源。

資源子系統(tǒng)的主要的方程如下：

淡水資源量=地表水資源量+地下水資源+海水淡化量+降水. （11）

海水淡化=海水的使用量×海水淡化技術(shù)×海水淡化技術(shù)工廠量. （12）

水污染=（廢水排放總量-污水處理總量）/10 000.（13）

水污染率=水資源總污染量/水資源總需求量. （14）

因此，我們得出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

從而得出如圖2所示的系統(tǒng)因果反饋圖。

水為生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和生態(tài)用水共用一個(gè)水系統(tǒng)。也就是說(shuō)，如果一個(gè)部門(mén)的供水量增加，就會(huì)影響到其他部門(mén)的供水量。所以，從水資源可持續(xù)發(fā)展的角度來(lái)看，我們應(yīng)該合理調(diào)整各部門(mén)的水分布結(jié)構(gòu)，充分利用有限的水資源，提高水的利用效率，維持合理的水資源開(kāi)發(fā)利用速度，實(shí)現(xiàn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益的統(tǒng)一。

2.3 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖

一個(gè)系統(tǒng)的流圖主要反映因果關(guān)系圖中所沒(méi)能反映出來(lái)的不同變量的性質(zhì)和特點(diǎn)，使系統(tǒng)內(nèi)部的作用機(jī)制更加清晰，然后通過(guò)流圖中關(guān)系的進(jìn)一步量化，實(shí)現(xiàn)政策仿真的目的。根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)兩種變量的定義，結(jié)合大量歷史數(shù)據(jù)，在對(duì)圖中主要變量的變化特征進(jìn)行深入細(xì)致分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖，如圖3所示。

2.4 模型有效性檢驗(yàn)

模型有效性檢驗(yàn)包括：①直觀檢驗(yàn)。建模者根據(jù)專業(yè)知識(shí)和所掌握的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法，直觀地對(duì)模型的變量定義、邊界選擇、因果關(guān)系和系統(tǒng)方程進(jìn)行檢驗(yàn)，并作出正確的判斷。②建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并運(yùn)用VensimPLE軟件進(jìn)行模擬仿真，使用軟件的模型檢測(cè)和單位檢測(cè)功能來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ头匠痰恼_性、系統(tǒng)參數(shù)的合理性。③歷史檢驗(yàn)，將模擬仿真部分結(jié)果與已有的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)其符合的程度，判別模型的可信度。④靈敏度分析。變化模型參數(shù)值，檢驗(yàn)這種變化對(duì)模型行為的影響。

3 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的特點(diǎn)與展望

3.1 模型的特點(diǎn)

模型的特點(diǎn)主要有：①能明確認(rèn)識(shí)和體現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)外部因素的相互關(guān)系；②是定性與定量的結(jié)合與統(tǒng)一，以定性分析為先導(dǎo)，以定量分析為支持，兩者相輔相成；③對(duì)參數(shù)的要求和精度不高，其研究的重點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為；④能觀察系統(tǒng)在不同的參數(shù)、組織狀態(tài)和政策因素輸入時(shí)所表現(xiàn)的行為和趨勢(shì)；⑤能對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行考察，可作系統(tǒng)的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。

3.2 模型的展望

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型考慮了每個(gè)變量的動(dòng)態(tài)特性，可以很容易地處理非線性和隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。該模型可以有效地預(yù)測(cè)未來(lái)研究領(lǐng)域的水資源供需情況，并指出進(jìn)一步的發(fā)展趨勢(shì)，有助于用戶更好地了解系統(tǒng)，并采取正確的行動(dòng)來(lái)解決問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]趙春麗.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法在區(qū)域水資源承載力中的應(yīng)用研究——以山西省河津市為例[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2006.

[2]葉文虎.環(huán)境承載力理論及其科學(xué)意義[J].環(huán)境科學(xué)研究，1992（5）.

[3]周維博.水資源綜合利用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2013.

[4]Wang Qipan.System Dynamics[M].Beijing：Tsinghua University Press，1988.

[5]Lyla Mehta.Water and Human Development[J].World Development，2014，59（7）.

[6]Kalyan K.Mankala，Sunil K.Agrawal.Dynamic Modeling and Simulation of Impactin Tether Net/Gripper Systems[J].Multibody System Dynamics，2004，11（3）.