系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型在吉林省水資源承載力的仿真應(yīng)用

劉 童，楊曉華，薛淇芮，宋 帆

(北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院 水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875)

東北地區(qū)得益于豐富的自然資源和較好的工業(yè)基礎(chǔ)，在20世紀(jì)90年代以前長(zhǎng)期作為我國(guó)最重要的工業(yè)基地，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平在全國(guó)位于前列[1]。然而受限于體制和結(jié)構(gòu)矛盾，東北地區(qū)經(jīng)濟(jì)自上世紀(jì)末以來(lái)呈現(xiàn)出嚴(yán)峻的衰落現(xiàn)象[2]。近些年，伴隨著振興東北策略的實(shí)施，東北地區(qū)對(duì)水資源的需求不斷增加，區(qū)域水資源荷載均衡逐漸偏移[3]。吉林省作為東北三省之一，研究其水資源承載力對(duì)東北地區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)水資源承載力研究，多集中于指標(biāo)體系的構(gòu)建和研究方法的選擇。在指標(biāo)體系構(gòu)建上，主要可以分為兩類：一是將水資源細(xì)分為資源、環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等要素，從各要素入手建立復(fù)合指標(biāo)體系[4,5]；二是按各指標(biāo)在水資源承載系統(tǒng)中所屬的壓力、狀態(tài)、響應(yīng)等類型，建立基于PSR理論的綜合指標(biāo)體系[6,7]。在研究方法上則多采用綜合評(píng)價(jià)法，其包括模糊綜合評(píng)價(jià)法[8]、層次分析法[9]、集對(duì)分析法[10,11]、突變級(jí)數(shù)法[12]等?？傮w上，上述研究方法通過(guò)賦予各指標(biāo)不同權(quán)重來(lái)獲得較為全面的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，但忽略了各指標(biāo)、要素間的交互關(guān)系。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法(System Dynamics，SD)通過(guò)正反饋、負(fù)反饋模擬各要素間的因果關(guān)系，具備處理高階次、非線性等復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的能力，而逐漸被學(xué)者用于水資源承載力研究[13,14]?；诖耍疚耐ㄟ^(guò)Vensim PLE軟件建立吉林省水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)多情景下水資源承載力動(dòng)態(tài)變化的定性分析和定量預(yù)測(cè)。通過(guò)不同情景的比較，得到最適合吉林省的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，提出改善吉林省水資源承載力的相關(guān)建議。

1 研究區(qū)概況

吉林省位于東經(jīng)121°38′～131°19′和北緯40°50′～46°19′之間，全省土地面積為18.74 萬(wàn)km2，包含8個(gè)地級(jí)市和1個(gè)自治州，屬于溫帶大陸性氣候，雨熱同期，其降雨在時(shí)間和空間上分布不均。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年各市州的汛期降水量占全年降水量的比例在60%～80%之間；在空間分布上，東部長(zhǎng)白山山區(qū)降雨量在900～1 770 mm之間，西部平原區(qū)僅有400 mm。

隨著振興東北計(jì)劃的穩(wěn)步推進(jìn)，吉林省經(jīng)濟(jì)增速在2013年之前長(zhǎng)期保持在10%以上，城市化率在2016年達(dá)到55.3%，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程均以足夠的水資源為支撐。除此之外，吉林省水環(huán)境污染依然嚴(yán)重。2016年吉林省廢污水排放總量達(dá)到11.52 億t，其中COD的排放總量為72.21 萬(wàn)t，氨氮的排放總量為5.31萬(wàn)t，造成在6 050 km監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)河長(zhǎng)中劣于III類水質(zhì)的占37.2%。由此可見(jiàn)，吉林省水資源形勢(shì)不容樂(lè)觀，還有一系列急需解決的問(wèn)題，有必要對(duì)其水資源承載力進(jìn)行研究。

2 吉林省水資源承載力SD模型的構(gòu)建

2.1 模型數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所建立的吉林省水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型數(shù)據(jù)來(lái)源于以下數(shù)據(jù)集：《吉林省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2006-2016)、《吉林省水資源公報(bào)》(2005-2015)、《吉林省環(huán)境狀況公報(bào)》(2005-2015)、《吉林省用水定額》、《吉林省“十三五”節(jié)能減排綜合實(shí)施方案》和國(guó)務(wù)院關(guān)于推進(jìn)新一輪?wèn)|北振興戰(zhàn)略加快推動(dòng)?xùn)|北地區(qū)經(jīng)濟(jì)企穩(wěn)向好若干重要舉措的意見(jiàn)(2016)。

2.2 模型邊界及基準(zhǔn)年的確定

本文以水資源承載力為研究對(duì)象，所建立的系統(tǒng)模型邊界為吉林省行政邊界。同時(shí)，模型的模擬年限包含歷史數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和預(yù)測(cè)調(diào)控兩個(gè)時(shí)段，分別為2005-2015年和2016-2025年。模型的歷史數(shù)據(jù)基準(zhǔn)年為2005年，預(yù)測(cè)基準(zhǔn)年為2016年，模擬的時(shí)間步長(zhǎng)為1 a。

2.3 模型結(jié)構(gòu)

水資源系統(tǒng)作為復(fù)雜系統(tǒng)，其承載力的變化受多種指標(biāo)的影響，需要建立一個(gè)包含不同要素的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行仿真。本文將吉林省水資源系統(tǒng)細(xì)分為5個(gè)子系統(tǒng)，即人口子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、生態(tài)子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)和水環(huán)境子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)間以水量和水質(zhì)為橋梁，相互連接成一個(gè)影響水資源承載力的復(fù)合系統(tǒng)。其中，若供水量超過(guò)需水量，即供需比例大于1，則水量要素承載狀態(tài)良好；若污染物排放量下降，則水質(zhì)要素承載狀態(tài)得到改善。按照短板原則，只有雙要素均得到改善，水資源承載力才提高；其余情形下，水資源承載力均下降。

2.4 繪制流程圖

根據(jù)對(duì)5個(gè)子系統(tǒng)的分析，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整，繪制出吉林省水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)圖(圖1)。

圖1 吉林省水資源承載力SD模型結(jié)構(gòu)圖

2.5 模型的方程及參數(shù)

基于上述對(duì)水資源系統(tǒng)的劃分，各子系統(tǒng)中的方程見(jiàn)表1。

表1 吉林省水資源承載力SD模型主要方程

2.6 模型有效性檢驗(yàn)

為驗(yàn)證本文建立的吉林省水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的有效性，將2005-2015年間的數(shù)據(jù)用于歷史檢驗(yàn)。SD模型同時(shí)由多個(gè)子系統(tǒng)耦合而成，需要對(duì)各個(gè)模塊中具有代表性的指標(biāo)的實(shí)際值和模擬值之間進(jìn)行誤差分析，若相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，則認(rèn)為該模型有效。本文在上述5個(gè)子系統(tǒng)中分別選取1個(gè)指標(biāo)用于檢驗(yàn)，分別為總?cè)丝跀?shù)量、GDP、生態(tài)用水率、供水量、COD排放總量，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)比，表2中5個(gè)指標(biāo)在2005-2015年間的相對(duì)誤差均低于10%，其中低于5%的頻次為53，占比達(dá)96.36%，模型的精確度高，可以用于模擬吉林省水資源承載力系統(tǒng)。

3 吉林省水資源承載力SD模型的仿真

本文采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法的主要目的是分析吉林省水資源承載力在不同情境下的發(fā)展趨勢(shì)，其中情景設(shè)置則是通過(guò)調(diào)整模型中的表函數(shù)和常數(shù)變量等決策變量來(lái)實(shí)現(xiàn)。結(jié)合吉林省水資源現(xiàn)狀和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，選取城鎮(zhèn)化率、城鎮(zhèn)居民用水定額、農(nóng)村居民用水定額、城鎮(zhèn)居民環(huán)境用水定額、農(nóng)田灌溉用水定額、地表水開(kāi)發(fā)率、地下水開(kāi)發(fā)率、萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值用水量、GDP增長(zhǎng)率、生活污水處理率、工業(yè)污水處理率、再生水利用率、其他COD排放源和其他氨氮排放源等作為決策變量?；谝陨蠜Q策變量，本文從供給側(cè)優(yōu)化配置、經(jīng)濟(jì)發(fā)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化、科技水平提高、公眾環(huán)保節(jié)水意識(shí)增強(qiáng)等多角度、設(shè)計(jì)了現(xiàn)狀延續(xù)型、節(jié)約水量型、環(huán)境保護(hù)型、綜合協(xié)調(diào)型等多種未來(lái)發(fā)展情景。

3.1 多情景模擬

(1)現(xiàn)狀延續(xù)型。此方案以2005-2015年吉林省社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境等各方面的發(fā)展趨勢(shì)為基礎(chǔ)，不做任何人為調(diào)參，運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，得到2016-2025年的吉林省水資源承載力模擬結(jié)果。

表2 2005-2015年模擬檢驗(yàn)結(jié)果

注：表2中H為實(shí)際值，S為模擬值，E為相對(duì)誤差。

(2)節(jié)約水量型。在水資源短缺依然嚴(yán)峻的形勢(shì)下，相關(guān)部門(mén)陸續(xù)頒布了《實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度考核辦法》、《“十三五”節(jié)能減排綜合實(shí)施方案》等文件，其中明確給出了吉林省2020年的用水總量和相關(guān)行業(yè)的單位產(chǎn)值用水控制目標(biāo)。對(duì)此，以2015年為基準(zhǔn)年，將2025年萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值用水量下調(diào)35%，降至33.15 m3/萬(wàn)元，提高再生水利用率至15%，降低農(nóng)田灌溉用水定額至3 000 m3/hm2。除此之外，隨著人們節(jié)水意識(shí)的提高，將城鎮(zhèn)居民和農(nóng)村居民生活用水定額分別降至120和90 L/(人·d)。

(3)環(huán)境保護(hù)型。根據(jù)吉林省在十三五期間的節(jié)能減排計(jì)劃，到2020年，全省規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖比重達(dá)到90%以上，并要求配備廢棄物處理設(shè)施的養(yǎng)殖場(chǎng)比例高于75%；對(duì)于種植業(yè)，要求主要農(nóng)作物化肥和農(nóng)藥施用量零增長(zhǎng)。對(duì)此，吉林省將新建污水處理廠40座，將城市生活污水集中處理率提高至95%，以實(shí)現(xiàn)COD和氨氮排放總量比2015年分別下降4.8%和6.4%的目標(biāo)。基于上述內(nèi)容，在2015-2025年間，將生活污水處理率逐漸提高至95%，工業(yè)污水處理率提高至100%，城鎮(zhèn)居民環(huán)境用水定額較基準(zhǔn)年提高30%，其他污染源排放的COD和氨氮總量逐年降至2015年的50%。

(4)綜合協(xié)調(diào)型。將現(xiàn)狀延續(xù)型、節(jié)約水量型和環(huán)境保護(hù)型3種方案中的變量調(diào)整綜合實(shí)施，分析節(jié)水和治污并行模式下的水資源承載力發(fā)展情景。

3.2 模擬結(jié)果分析

按照4種方案中的參數(shù)調(diào)整，運(yùn)行吉林省水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，得到不同情境的運(yùn)行結(jié)果。本文從水量和水質(zhì)兩個(gè)要素來(lái)評(píng)價(jià)不同方案的效果，其中水量要素包含需水總量、生產(chǎn)需水量、供水總量和供需比例，水質(zhì)要素包含COD排放量和氨氮排放量。4種方案下6個(gè)指標(biāo)在2016-2025年間的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。

(1)水量要素。需水總量的模擬結(jié)果[圖2(a)]中，現(xiàn)狀延續(xù)型和環(huán)境保護(hù)型需水總量持續(xù)攀升，節(jié)約水量型和綜合協(xié)調(diào)型需水總量逐年降低。對(duì)比圖2(a)、圖2(b)，可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)需水量占需水總量的比例均高于85%，且其與需水總量的變化趨勢(shì)高度一致，說(shuō)明未來(lái)主要的用水需求依然來(lái)自于生產(chǎn)活動(dòng)，提高生產(chǎn)過(guò)程中的水資源利用率對(duì)吉林省水資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。就需水量而言，4種方案的排序?yàn)楣?jié)約水量型≈綜合協(xié)調(diào)型<現(xiàn)狀延續(xù)型≈環(huán)境保護(hù)型。面對(duì)逐年遞增的需水壓力，提高供水量和節(jié)約用水是兩條最直接的緩解措施。

供水總量的模擬結(jié)果如圖2(c)所示，其排序?yàn)榫C合協(xié)調(diào)型≈節(jié)約水量型>環(huán)境保護(hù)型≈現(xiàn)狀延續(xù)型。另外，4種方案的供水總量逐年提高，在預(yù)測(cè)階段的增幅低于10 億m3，能在一定程度上緩解需水壓力。到2025年，現(xiàn)狀延續(xù)型和環(huán)境保護(hù)型的需水總量分別達(dá)到185.12和185.95 億m3，兩者與2016年相比，增幅分別為34.18和34.93 億m3，可以看出供水增加量并不能滿足現(xiàn)狀延續(xù)型和環(huán)境保護(hù)型兩種方案下的用水需求，供需比例將不斷走低；節(jié)約水量型和綜合協(xié)調(diào)型的情景模擬，2025年需水總量分別降至130.22和131.05 億m3，節(jié)水效果顯著，能有效緩解吉林省水資源短缺問(wèn)題。圖2(d)中所示的供需比例模擬結(jié)果中，現(xiàn)狀延續(xù)型和環(huán)境保護(hù)型的供需比例不斷降低，到2025年，兩者降至0.75左右，水資源供需矛盾凸顯；節(jié)約水量型和綜合協(xié)調(diào)型的供需比例不斷提高，并于2022年超過(guò)1，水資源供需危機(jī)得到基本解決。這說(shuō)明緩解吉林省需水壓力應(yīng)以節(jié)水為先，增供為輔。

由于環(huán)境保護(hù)型是以現(xiàn)狀延續(xù)型為基礎(chǔ)，致力于提高污水處理率和減少污染物排放，沒(méi)有考慮節(jié)約用水，造成環(huán)境保護(hù)型與現(xiàn)狀延續(xù)型之間、綜合協(xié)調(diào)型與節(jié)約水量型之間在水量模擬上很接近，如圖2(a)～圖2(d)所示。

(2)水質(zhì)要素。COD和氨氮的模擬結(jié)果圖2(e)～圖2(f)中，現(xiàn)狀延續(xù)型>節(jié)約水量型>環(huán)境保護(hù)型>綜合協(xié)調(diào)型，四種方案的COD和氨氮排放量均呈單調(diào)變化。到2025年，現(xiàn)狀延續(xù)型的COD和氨氮排放量在預(yù)測(cè)時(shí)段逐年遞增至78.48和5.41 萬(wàn)t，水環(huán)境污染持續(xù)加重；節(jié)約水量型的COD和氨氮排放量則分別穩(wěn)定在72和4.9 萬(wàn)t左右，水質(zhì)惡化的趨勢(shì)得到一定程度遏制；環(huán)境保護(hù)型和綜合協(xié)調(diào)型COD和氨氮排放量逐年降低，環(huán)境保護(hù)效果顯著。根據(jù)吉林省在十三五期間的節(jié)能減排計(jì)劃，COD和氨氮排放量在2020年的控制目標(biāo)分別為68.92和4.78 萬(wàn)t。對(duì)比圖2(e)～圖2(f)，可以發(fā)現(xiàn)僅有環(huán)境保護(hù)型和綜合協(xié)調(diào)型達(dá)標(biāo)。

綜上所述，吉林省延續(xù)現(xiàn)有發(fā)展模式，其水資源危機(jī)將會(huì)持續(xù)加??；針對(duì)水資源短缺設(shè)計(jì)的節(jié)約水量型，節(jié)水效果顯著，在2022年基本實(shí)現(xiàn)水資源供需平衡，但是改善水環(huán)境質(zhì)量的效果有限；環(huán)境保護(hù)型則側(cè)重于污染控制，在緩解水資源供需矛盾上建樹(shù)甚微；綜合協(xié)調(diào)型同時(shí)考慮水量和水質(zhì)，其模擬結(jié)果優(yōu)異，在2022年實(shí)現(xiàn)COD與氨氮排放達(dá)標(biāo)和水資源供需平衡的“雙同時(shí)”目標(biāo)?？梢钥闯?種方案的優(yōu)劣結(jié)果，現(xiàn)狀延續(xù)型為最劣方案，節(jié)水水量型和環(huán)境保護(hù)型為非劣方案，綜合協(xié)調(diào)型為最優(yōu)方案。由此可見(jiàn)，僅在綜合協(xié)調(diào)型中，吉林省水資源承載力提高，在其余3種中均降低。同時(shí)，對(duì)水量和水質(zhì)要素各賦予0.5的權(quán)重，將雙要素指標(biāo)中供需比例和污染物排放量歸一化作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到2025年四種方案的水資源承載力排序?yàn)榫C合協(xié)調(diào)型(0.99)>環(huán)境保護(hù)型(0.70)>節(jié)約水量型(0.30)>現(xiàn)狀延續(xù)型(0.01)。

4 結(jié) 論

根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，建立了包含人口、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、水資源和水環(huán)境等5個(gè)子系統(tǒng)的水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)，對(duì)2016-2025年吉林省在現(xiàn)狀延續(xù)型、節(jié)約水量型、環(huán)境保護(hù)型和綜合協(xié)調(diào)型等4種情景下的水資源承載力發(fā)展情況進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)狀延續(xù)型下，水資源供需矛盾加劇，水環(huán)境污染物容納量攀升，節(jié)約水量型和環(huán)境保護(hù)型分別在改善水資源供需平衡和水環(huán)境質(zhì)量上有所成效，但均不能同時(shí)滿足振興東北老工業(yè)基地和生態(tài)文明建設(shè)背景下吉林省對(duì)水資源量和水環(huán)境質(zhì)量的要求。而綜合協(xié)調(diào)型通過(guò)降低生產(chǎn)和生活用水定額，提高污水處理率和再生水利用率，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染控制，能有效解決吉林省水資源短缺和水環(huán)境污染問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水資源的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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