張掖盆地水資源二次供需平衡系統(tǒng)動力學(xué)分析

陳益平，秦歡歡，2

(1.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國家重點實驗室，江西 南昌 330013；2.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

通訊作者：秦歡歡(1986-)，男，博士，講師，主要從事水文學(xué)與水資源研究工作。

1 概述

黑河流域是我國第二大內(nèi)陸河流域，發(fā)源于祁連山中段北麓，氣候干旱，水資源嚴(yán)重匱乏[1-2]，造成了一系列諸如湖泊萎縮、土地沙化、植被退化等生態(tài)環(huán)境問題，也讓黑河流域為此付出了巨大的代價[3]。黑河流域以鶯落峽和正義峽為上中下游的分界點，鶯落峽至正義峽為中游，張掖盆地是流域中游東部最大的構(gòu)造盆地，集中了整個流域88%的人口和GDP，是黑河流域最主要的經(jīng)濟區(qū)和用水區(qū)[4]，其用水量占黑河流域用水總量的70%[5]。黑河中游地區(qū)用水以引用地表水和泉水為主，河泉引水量占總用水量的84.1%，其中72.7%集中在張掖盆地[5]。隨著人口的劇增和經(jīng)濟的發(fā)展，水資源逐漸成為內(nèi)陸干旱區(qū)張掖盆地社會經(jīng)濟和資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵制約因素之一[6-8]。因此，針對黑河中游張掖盆地水資源的供需平衡問題進(jìn)行研究，掌握水資源供需之間相互反饋的關(guān)系，對張掖盆地以及整個黑河流域水資源的可持續(xù)利用及經(jīng)濟社會的發(fā)展具有十分重要的意義[9]。黑河中游張掖盆地地處“絲綢之路經(jīng)濟帶”，近年來我國提出了一系列利好政策，這對于張掖盆地未來社會經(jīng)濟的發(fā)展將具有較大的促進(jìn)作用。以農(nóng)牧業(yè)為主的張掖盆地經(jīng)濟的發(fā)展必然會擠占農(nóng)牧業(yè)的用地、用水以及生態(tài)環(huán)境的用水，亦會加劇水資源供需之間的矛盾，如何協(xié)調(diào)經(jīng)濟的加速發(fā)展和資源環(huán)境的保護(hù)成為張掖盆地急需解決好的重要議題。

針對區(qū)域用水過程中需求和供給之間的平衡及余缺關(guān)系進(jìn)行分析，揭示水資源供給和需求之間的矛盾，可以達(dá)到掌握水資源的開發(fā)潛力和途徑，為水資源可持續(xù)利用與管理提供科學(xué)的指導(dǎo)[9-10]，有許多學(xué)者進(jìn)行這方面的研究[11-16]，取得了一定的研究成果，如秦劍[11]和曾發(fā)琛[12]分別研究了北京市和西安市的水資源供需平衡問題，為這兩個城市水資源的可持續(xù)發(fā)展提供了定量化的科學(xué)指導(dǎo)。然而，區(qū)域水資源供給和需求之間存在復(fù)雜的動態(tài)反饋關(guān)系，并且與諸多的經(jīng)濟、技術(shù)和工程等因素有著相互影響的定量關(guān)系，傳統(tǒng)的研究方法無法系統(tǒng)地刻畫這種關(guān)系，也無法捕獲水資源供給和需求內(nèi)在的系統(tǒng)行為[17-18]，而系統(tǒng)動力學(xué)(System Dynamics，SD)是研究、解決這一問題的有效方法[19-20]。SD在定量處理水資源系統(tǒng)動態(tài)變化和反饋關(guān)系中具有優(yōu)勢[19]，在諸多領(lǐng)域都有著成功的應(yīng)用[4，11，21-23]，也因此獲得了長足發(fā)展。

本文在校準(zhǔn)的SD模型基礎(chǔ)上模擬黑河中游張掖盆地2019—2050年的水資源需求和供給，定量描述張掖盆地水資源供需之間的平衡和余缺關(guān)系，采用二次供需平衡分析法，探討張掖盆地水資源供需的現(xiàn)狀和平衡缺口，為張掖盆地水資源的利用和管理提供科學(xué)的依據(jù)，基于模擬的結(jié)果，為張掖盆地缺水問題的解決提供有效的方案和建議。

2 研究區(qū)與研究方法

2.1 研究區(qū)

張掖盆地位于黑河流域中游，農(nóng)牧業(yè)開發(fā)歷史悠久，面積近9 000 km2，包括民樂、山丹、甘州、臨澤和高臺5個縣區(qū)，是黑河流域主要經(jīng)濟區(qū)和用水區(qū)，2017年人口約129.60萬，GDP總額約353.68億元，農(nóng)作物播種面積為25.18萬hm2，糧食總產(chǎn)量為131.43萬t。除了黑河干流之外，人工水系已經(jīng)逐漸取代了天然水系，人工綠洲也已經(jīng)取代了天然綠洲[24]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，原有的人工綠洲已不能滿足人們的需要，擴大人工綠洲面積便成為必然之勢。人工綠洲的規(guī)模逐漸擴大，隨之而來的是水資源利用量的飛速增長，水資源的承載能力漸漸不足，總用水量占到全流域的近87%，以地表水和泉水為主；地下水開采量在1990—2000年為1.88億m3/a，2000年后為2.96億m3/a。而且人工綠洲的擴大以綠洲荒漠過渡帶的消失為代價。過渡帶對水土保持和防風(fēng)固沙有重要作用，一旦被破壞則帶來的損失不可估量[24]。

2.2 需水量計算方法

張掖盆地需水量可分為生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)需水量，其中農(nóng)業(yè)需水量又可以劃分為灌溉、牲畜和林漁需水量。在這些需水量中，生活、工業(yè)和灌溉需水量的計算需要綜合考慮經(jīng)濟、工程、技術(shù)、水文、氣象等各種影響因素，牲畜需水量的計算采用定額法，而林漁及生態(tài)需水量是輸入變量。影響生活需水量的因素包括人口、GDP、水價等；影響工業(yè)需水量的因素包括GDP、收入、技術(shù)等；灌溉需水量與作物的水文及農(nóng)學(xué)特征相關(guān)，涉及的影響因素包括作物的種類、生長階段、面積、參考蒸散發(fā)、有效降水等。這些中間變量以及需水量的具體計算方法在文獻(xiàn)[4]已有較詳細(xì)的描述和說明。

本研究數(shù)據(jù)的來源如下：

① 從歷年甘肅省水資源公報中可搜集到相關(guān)的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、水資源數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、污水回用數(shù)據(jù)等；

② 從歷年甘肅省統(tǒng)計年鑒可搜集到相關(guān)的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等；

③ 根據(jù)種類和生長周期來確定模型中農(nóng)作物的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3 二次供需平衡分析法

二次供需平衡分析法是指對研究區(qū)水資源供需平衡態(tài)勢進(jìn)行兩次分析的方法，其中一次供需平衡分析是指在保持現(xiàn)狀的發(fā)展結(jié)構(gòu)和模式的情景下對研究區(qū)未來的水資源供需進(jìn)行研究，獲得保持現(xiàn)狀下研究區(qū)的水資源供需平衡及余缺水情況；二次供需平衡分析是在一次平衡分析的基礎(chǔ)上，通過采取節(jié)約用水或增加供水的相關(guān)措施，再次對研究區(qū)的水資源供需平及余缺情況進(jìn)行研究和分析[9]。通過結(jié)果對比能夠揭示水資源供需平衡中的問題并深入地進(jìn)行剖析，在此基礎(chǔ)上給出解決水資源供需不平衡問題的相關(guān)政策建議。

3 張掖盆地水資源供需SD模型

3.1 模型的結(jié)構(gòu)

根據(jù)研究區(qū)的實際情況，張掖盆地水資源需求部分包括生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)等4個組成部分，供給部分則包括地表水、地下水和污水回用等3個組成部分(如圖1所示)。

圖1 張掖盆地系統(tǒng)動力學(xué)模型概念示意

水資源供給和需求的不平衡會造成張掖盆地的缺水問題，進(jìn)而會影響張掖盆地社會經(jīng)濟的發(fā)展和資源環(huán)境的保護(hù)。在此基礎(chǔ)上，通過建立相關(guān)變量和因素之間的因果關(guān)系并將這些關(guān)系進(jìn)行定量化處理，之后便可通過VENSIM Professional軟件建立張掖盆地水資源供需SD模型的系統(tǒng)流圖(見圖2)，用于下一步的校準(zhǔn)和預(yù)測。系統(tǒng)流圖是概念模型的定量化，是通過系統(tǒng)動力學(xué)軟件將概念模型中變量之間的所有關(guān)系都定量化處理，并在系統(tǒng)動力學(xué)軟件中實現(xiàn)。根據(jù)研究區(qū)的實際情況，將其劃分為相互關(guān)聯(lián)及影響的五個子系統(tǒng)，包括人口子系統(tǒng)、工業(yè)子系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)、水資源子系統(tǒng)和環(huán)境子系統(tǒng)。

圖2 張掖盆地系統(tǒng)動力學(xué)模型示意

3.2 模型的校準(zhǔn)

表1 擬合結(jié)果衡量標(biāo)準(zhǔn)的計算值

3.3 二次供需平衡情景設(shè)計

根據(jù)張掖盆地社會經(jīng)濟和水資源利用的現(xiàn)狀，地處“絲綢之路經(jīng)濟帶”的張掖盆地，城鎮(zhèn)化進(jìn)程必然會隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展而加快，這將使得張掖盆地的土地利用類型中一部分農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)及生活、居住用地。有鑒于此，城鎮(zhèn)化加快會對張掖盆地未來的經(jīng)濟和人口增長、土地利用產(chǎn)生較大影響，同時有可能對于水資源利用產(chǎn)生一定的影響，因此從這幾方面對張掖盆地水資源二次供需平衡進(jìn)行研究和分析就很有必要了。本文考慮了節(jié)約用水和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快這兩大影響用水的因素，由此設(shè)計二次供需平衡方案對研究區(qū)水資源供需分析(見表2)。考慮到城鎮(zhèn)化加快會導(dǎo)致研究區(qū)部分土地的利用類型由農(nóng)地轉(zhuǎn)化為工業(yè)及生活用地，由此導(dǎo)致農(nóng)作物種植面積的減少。為了定量模擬這種變化對張掖盆地水資源利用的影響，同時結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)方法和模型的具體情況，本文考慮采取減少農(nóng)業(yè)用水量的措施來進(jìn)行定量模擬。具體來說，一方面，將牲畜(大牲畜、豬、羊和家禽)的用水量分別減少40%，農(nóng)作物(玉米、小麥、棉花、薯類、蔬菜、油料和水果)的種植面積分別減少30%；另一方面，適當(dāng)提高張掖盆地GDP和人口的增長速度，2030年這兩者分別為7%和5‰，2050年分別為10%和7‰，其它參數(shù)的數(shù)值保持和現(xiàn)狀情景一致。

表2 二次供需平衡分析方案設(shè)計

4 結(jié)果與分析

根據(jù)以上設(shè)計的方案，對張掖盆地2019—2050年水資源進(jìn)行一次及二次供需平衡分析，結(jié)果見表3，圖3是預(yù)測期內(nèi)張掖盆地總需水量和余缺水量的時間序列示意。

表3 張掖盆地水資源供需平衡分析結(jié)果

4.1 一次平衡結(jié)果

在現(xiàn)有社會經(jīng)濟發(fā)展模式下，張掖盆地水資源一次供需平衡分析(表3)顯示，規(guī)劃水平年2020年、2040年和2050年分別缺水14.70億m3、6.44億m3和4.03億m3，缺水率分別為64.39%、27.63%和17.10%；2030 年有3.15億m3的水富余，余水率13.67%。這說明在未來大部分時間里張掖盆地的水資源不能滿足其社會經(jīng)濟用水的要求，水資源短缺的問題將伴隨社會經(jīng)濟發(fā)展的大部分時間。從圖3可以看出，在現(xiàn)有條件下，除了2030和2043年外，其余時間里張掖盆地將將一直處于水資源短缺的狀態(tài)，水資源供需不平衡的矛盾在90%以上的時間里都是存在的，水資源將成為阻礙張掖盆地社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

4.2 二次平衡結(jié)果

張掖盆地水資源供需二次平衡分析結(jié)果(見表3)顯示，通過采取節(jié)水措施(模擬期內(nèi)農(nóng)業(yè)用水量平均減少30.62%)以及考慮城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快的影響，在規(guī)劃水平年2020年、2030年、2040年和2050年張掖盆地用水量分別減少12.52億m3、5.64億m3、7.32億m3和4.08億m3。由此導(dǎo)致的結(jié)果是，2030年、2040年和2050年分別有8.78億m3、1.02億m3和0.84億m3的水富余，余水率分別為38.11%、4.35%和3.45%；而2020年則依然缺水2.19億m3，缺水率為9.6%。從圖3中可以看出，張掖盆地在模擬期內(nèi)有6 a(2020年、2041年、2046—2049年)依然存在水資源短缺的問題，但在采取節(jié)水措施和考慮城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快的影響后，張掖盆地水資源短缺的局面得到根本的改善，水資源供需不平衡的矛盾基本能夠得到解決。

4.3 結(jié)果討論

水資源供需二次平衡分析的結(jié)果說明，在采取節(jié)水措施(模擬期內(nèi)農(nóng)業(yè)用水量平均減少30.62%)和考慮城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速的情況下，張掖盆地水資源供需不平衡的問題基本可以得到解決。鑒于農(nóng)業(yè)用水量在張掖盆地總用水量中占據(jù)了絕對的比例，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速帶來的土地利用類型的改變，不僅使得農(nóng)業(yè)用水量大幅減少，而且有助于張掖盆地經(jīng)濟的發(fā)展，這正是國家相關(guān)扶持政策給地處黑河中游的張掖盆地所帶來的最大利好。但是，在響應(yīng)國家政策的同時，不能無限制地改變土地利用的類型，亦不能隨意壓減灌溉及牲畜的用水；不能只看到城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速給經(jīng)濟發(fā)展帶來的機遇，亦要看到它給張掖盆地糧食及用水安全所帶來的潛在隱患。只有既保持經(jīng)濟的快速發(fā)展，又維持資源環(huán)境的保護(hù)，從“挖潛”和“節(jié)流”兩方面多下功夫，才能保證張掖盆地水資源供需的長期平衡，也才能從根源上解決張掖盆地水資源短缺的問題，保障和促進(jìn)經(jīng)濟的發(fā)展和社會的安定。

5 結(jié)語

通過構(gòu)建考慮諸多影響因素的系統(tǒng)動力學(xué)模型，考慮節(jié)水措施(模擬期內(nèi)農(nóng)業(yè)用水量平均減少30.62%)和城鎮(zhèn)化加速的影響，對黑河中游張掖盆地水資源進(jìn)行了兩次供需平衡分析，結(jié)果表明：

1)一次供需平衡分析時，張掖盆地水資源供需矛盾十分突出，除2030年外，2020年、2040年和2050年分別缺水14.70億m3、6.44億m3和4.03億m3，缺水率分別為64.39%、27.63%和17.10%，張掖盆地的水資源不能滿足社會經(jīng)濟發(fā)展和用水要求，90%的時間里都會存在水資源短缺的危機。

2)通過二次供需分析可以得出，張掖盆地水資源供需矛盾得到了較大程度的改善，2020年、2030年、2040年和2050年用水量分別減少12.52億m3、5.64億m3、7.32億m3和4.08億m3；2030年、2040年和2050年分別有8.78億m3、1.02億m3和0.84億m3的水富余，余水率分別為38.11%、4.35%和3.45%；而2020年則依然缺水2.19億m3，缺水率為9.6%。

3)二次供需平衡分析的結(jié)果說明，在采取節(jié)水措施(模擬期內(nèi)農(nóng)業(yè)用水量平均減少30.62%)和考慮城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速的情況下，張掖盆地水資源供需不平衡的問題基本可以得到解決，但不能威脅到糧食和用水的安全。只有既保持經(jīng)濟的快速發(fā)展，又維持資源環(huán)境的保護(hù)，從“挖潛”和“節(jié)流”兩方面多下功夫，才能保證張掖盆地水資源供需的長期平衡，從根源上解決張掖盆地水資源短缺的問題，保障和促進(jìn)經(jīng)濟的發(fā)展和社會的安定。