基于系統(tǒng)動力學(xué)模型的南渡江流域水資源脆弱性評價

梁 栩,朱麗蓉,葉長青,3

(1.海南大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，?？?570228； 2.海南大學(xué) 旅游學(xué)院，?？?570228;3.海南省農(nóng)林環(huán)境過程與生態(tài)調(diào)控重點實驗室，?？?570228)

1 研究背景

水資源是21世紀(jì)最重要的資源，當(dāng)前正經(jīng)受嚴(yán)峻的考驗[1]。水資源不僅是生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)物質(zhì)，其開發(fā)利用更是與社會經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)[2]。聯(lián)合國曾在環(huán)境大會上指出水資源安全將成為中東石油危機(jī)后另一大社會危機(jī)[3]，并在隨后的世界水資源報告中指出水安全問題可能導(dǎo)致國家沖突[4]。當(dāng)前，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源安全保障和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的平衡是學(xué)術(shù)界的熱點問題。如何在穩(wěn)定的GDP增長速度下滿足區(qū)域用水安全以及社會經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展是當(dāng)下迫切需要解決的問題。目前南渡江流域在氣候變化、人類活動的影響下，流域水資源負(fù)荷與日俱增，呈現(xiàn)出獨特的復(fù)雜性與不確定性，使水資源在此系統(tǒng)中的脆弱性逐漸得到關(guān)注。水資源脆弱性是指在外界壓力下區(qū)域水資源所受不利影響的程度[5-6]。Mirauda等[7]與Padowski等[8]分別對美國大中城市群和意大利北部流域水資源脆弱性進(jìn)行了研究，結(jié)果都表明，研究水資源脆弱性可以反映區(qū)域水資源供需能力與水環(huán)境安全并維系流域健康可持續(xù)發(fā)展。Albinet等[9]研究了地下水脆弱性，認(rèn)為地下水脆弱性指自然條件下污染物從地表滲透至地下水的可能性。此后，Perveen等[10]構(gòu)建了評價體系并對復(fù)雜的流域進(jìn)行了水資源脆弱性研究；Kulshreshtha[11]研究了地表水脆弱性并對全球水資源脆弱性作出宏觀預(yù)測；Asadi等[12]研究了復(fù)雜城市系統(tǒng)含水層的脆弱性并進(jìn)行了評價。國內(nèi)學(xué)者對水資源脆弱性做出進(jìn)一步研究[13],凌紅波等[14]對瑪納斯河水資源脆弱度進(jìn)行了定量評價，并提出了水資源管理措施；林鐘華等[15]對珠三角城市群水資源脆弱性進(jìn)行了研究，認(rèn)為水資源脆弱度與其對社會經(jīng)濟(jì)的不利影響呈正相關(guān)關(guān)系。水資源脆弱性的研究在不斷發(fā)展中得到完善，從起初單一的水量、水質(zhì)的研究逐步發(fā)展到注重氣候變化、自然災(zāi)害下人類活動與水資源脆弱性的聯(lián)系[16]。然而，從水資源脆弱性研究成果上看，目前對指標(biāo)體系的構(gòu)建和定量評價研究較多，對其預(yù)測和動態(tài)模擬研究較少，且缺乏水資源脆弱性的成因及機(jī)理研究。流域有著獨特的非線性、隨機(jī)性、模糊性及動態(tài)性的特點，筆者從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，建立水資源-水環(huán)境-社會經(jīng)濟(jì)模型，構(gòu)建南渡江流域水資源脆弱性評價指標(biāo)體系與評價標(biāo)準(zhǔn)，模擬不同情景下的發(fā)展趨勢并進(jìn)行評價，探究水資源脆弱性成因及機(jī)理，旨在為流域水資源健康可持續(xù)發(fā)展提供參考和建議。

2 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

海南省南渡江是我國唯一一條大型熱帶河流，其光照、水文等自然條件與我國其他大型河流存在較大差異。南渡江維系著全省近一半的人口與超過60%的GDP總量，河流全長333.8 km，流域面積7 033 km2，建有松濤水庫、龍?zhí)了畨蔚却笮凸こ蹋哂胸S富的陽光和熱能，流域目前耕地面積約1 000 km2，水能理論蘊儲存量2.2×105kW。全流域?qū)儆跓釒Ъ撅L(fēng)氣候，受臺風(fēng)雨影響，9—10月份為汛期，多年平均降水量1 900 mm，蒸發(fā)量1 490 mm，其巨大的蒸發(fā)量使得流域出現(xiàn)明顯的缺水現(xiàn)象。南渡江當(dāng)前存在的問題主要有：①以COD排放超標(biāo)為主的水質(zhì)性問題；②黑臭水體治理效果較差引起的水環(huán)境問題；③季節(jié)性缺水，水土保持功能下降[17]。

研究中各項指標(biāo)及參數(shù)的原始數(shù)據(jù)主要來源于海南省環(huán)境統(tǒng)計公報與海南省環(huán)境狀況公報(http:∥hnsthb.hainan.gov.cn/)、海南省水資源公報(http:∥swt.hainan.gov.cn/)、相關(guān)水資源管理制度指標(biāo)等；社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于海南省統(tǒng)計年鑒[18]、海南省人口發(fā)展規(guī)劃、相關(guān)成果[19]等。

3 研究方法

3.1 技術(shù)路線

對研究對象南渡江流域進(jìn)行模型分析，確立系統(tǒng)動力學(xué)邊界。根據(jù)水資源的復(fù)雜性特征，建立水資源、水環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)3個子系統(tǒng)。選取總需水量、總供水量、城鎮(zhèn)化率、污水回用率等64個相關(guān)參數(shù)，確立因果回路，其實質(zhì)是具有時滯性的一階微分方程組，用于描述各狀態(tài)變量的變化速率及輸入輸出關(guān)系的系統(tǒng)行為；分析各子系統(tǒng),建立系統(tǒng)流圖，輸入方程和數(shù)據(jù)，調(diào)試、檢驗?zāi)Ｐ汀４_保模型有效之后進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)仿真、利用層次分析法建立水資源脆弱性評價指標(biāo)體系，確定權(quán)重，設(shè)置常規(guī)、技術(shù)革新型、經(jīng)濟(jì)優(yōu)先型、綜合發(fā)展模式4種情景，采用綜合指數(shù)法對2010—2035年間南渡江流域水資源脆弱性進(jìn)行評價并探究水資源脆弱性成因及機(jī)理，提出最適合的流域未來發(fā)展模式，以此保障南渡江流域水資源安全。

系統(tǒng)動力學(xué)(System Dynamics,SD)是一種能模擬定量、復(fù)雜、非線性系統(tǒng)的理論與方法[20]，通過反饋機(jī)制可探究參數(shù)影響因子，適合情況復(fù)雜的流域系統(tǒng)。SD的建模步驟為[21]：①確定系統(tǒng)邊界；②提出動態(tài)假設(shè)；③繪制系統(tǒng)內(nèi)部流圖；④模型方程輸入；⑤模型有效性檢驗；⑥設(shè)計和評估。

3.2 南渡江流域水資源系統(tǒng)流

根據(jù)流域現(xiàn)狀以及發(fā)展規(guī)劃，將2010—2035年設(shè)置為系統(tǒng)模擬邊界，將2010—2017年作為歷史驗證年份。其系統(tǒng)流如圖1所示。

注：在SD中表示對應(yīng)的變量與時間有關(guān)，如城鎮(zhèn)化率和GDP變化率隨不同年份有所變化，本身無意義，在SD中不可更改；箭頭指向的變量受前一個變量影響，與之有方程關(guān)系，如農(nóng)村人口=總?cè)丝?城鎮(zhèn)人口，農(nóng)村生活需水量=農(nóng)村人口×農(nóng)村生活需水定額。圖1 水資源安全系統(tǒng)流

3.3 模型有效性檢驗

3.3.1 運行檢驗

運行檢驗是對模型結(jié)構(gòu)的整體系統(tǒng)性檢驗，對模型中的方程以及單位的正確性進(jìn)行檢測。對模型進(jìn)行運行檢驗，待出現(xiàn)“Units are OK.”“Model is OK.”，則模型通過運行檢驗。

3.3.2 歷史檢驗

采用歷史檢驗的方法，通過模型仿真預(yù)測值與歷史值比較，驗證仿真數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的符合程度。由于本模型參數(shù)較多，選取總?cè)丝?、GDP、污水總量、城鎮(zhèn)化率、污水處理率與工業(yè)用水量6個指標(biāo)進(jìn)行驗證。將2010—2017年仿真值與歷史值比較，計算誤差，其結(jié)果如表1所示。得出仿真值和歷史值誤差絕對值均<10%，說明模型可信度較高，可用于系統(tǒng)實際模擬。

表1 歷史驗證結(jié)果

3.3.3 靈敏度分析

水資源安全系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其不確定性往往影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，從而影響仿真結(jié)果。因此，對模型進(jìn)行有效性檢測，可檢測模型是否穩(wěn)定且有效，符合預(yù)期。本文對模型進(jìn)行靈敏度分析，判斷模型能否有效運作。擬對南渡江流域水資源安全系統(tǒng)模型中部分參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)(對應(yīng)模型中的速率變量)，得出模型部分輸出值的響應(yīng)值。因水資源安全系統(tǒng)中各變量復(fù)雜，只選取模型中比較重要的5個變量和5個參數(shù)對2010—2015年序列進(jìn)行分析。利用控制變量原則，每次只改變一個參數(shù)的10%，求對其他5個變量的響應(yīng)值，其中，S為平均靈敏度。由表2得知只有污水處理率參數(shù)對模型的靈敏度達(dá)到10%，其余均低于10%，說明該模型穩(wěn)定性較高，適用性強(qiáng)。再綜合歷史檢驗結(jié)果，證明該模型可實際用于南渡江水資源安全系統(tǒng)模擬。

表2 靈敏度檢驗結(jié)果

4 水資源脆弱性評價指標(biāo)體系

4.1 指標(biāo)體系與評分標(biāo)準(zhǔn)的確定

水資源脆弱性指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)能反映流域復(fù)雜性與多變性,在SD建模平臺基礎(chǔ)上，其指標(biāo)的選取也應(yīng)定性與定量結(jié)合，科學(xué)性與可操作性并存，并盡可能完整地反映出流域的特點[22]。本文從水資源、水環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)3個子系統(tǒng)出發(fā)，根據(jù)相關(guān)研究成果[23-26]，選取以下指標(biāo)作為南渡江流域水資源脆弱性評價指標(biāo)，評價標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合本地實際情況以及現(xiàn)有成果，見表3[27-28]。

表3 南渡江流域水資源脆弱性評價指標(biāo)體系與評價標(biāo)準(zhǔn)

水資源子系統(tǒng)選擇3個評價指標(biāo)，分別為人均水資源量(X1)、三產(chǎn)增值用水量(X2)、缺水程度(X3)。人均水資源量是該流域總水資源量與總?cè)丝诘谋戎?；三產(chǎn)增值用水量是第三產(chǎn)業(yè)每增加一萬元生產(chǎn)總值所需水量；缺水程度是供需缺口與水資源總供水量的比值，反映一個區(qū)域的缺水嚴(yán)重性程度。

水環(huán)境子系統(tǒng)選擇2個評價指標(biāo)，分別是污水處理率(X4)和COD排放強(qiáng)度(X5)。污水處理率是該區(qū)域總體的出水處理的能力；COD排放強(qiáng)度是COD排放總量與GDP的比值，反映對經(jīng)濟(jì)的影響。

社會經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)選擇3個評價指標(biāo)，分別為人均GDP(X6)、城鎮(zhèn)化率(X7)、GDP變化率(X8)。人均GDP是該流域GDP與總?cè)丝诘谋戎担怀擎?zhèn)化率是流域城市化的程度；GDP變化率反映每年GDP的增長速率。

4.2 指標(biāo)體系權(quán)重確定

將系統(tǒng)分為3個層次，分別為目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層B、指標(biāo)層C。南渡江流域水資源脆弱性為目標(biāo)層，其3個子系統(tǒng)為準(zhǔn)則層，評價指標(biāo)為指標(biāo)層。用倒數(shù)標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣A=(aij)，其中aij表示準(zhǔn)則層中的指標(biāo)ai對aj的重要程度，其值域取1—9，表示同等重要至極端重要不等，若重要程度介于兩者中間，可取2、4、6、8[29]。指標(biāo)權(quán)重采用層次分析法(AHP)確定，構(gòu)造判斷矩陣，取其均值，進(jìn)行一致性檢驗，為確保矩陣的滿意度，其計算過程見文獻(xiàn)[14]，本文不再一一闡述。計算A的最大特征值λmax和特征向量W，其次對一致性比率CR進(jìn)行檢驗，計算公式為[14]：

CR=CI/RI ；

(1)

(2)

式中：CR為判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率；CI是判斷矩陣的一致性指標(biāo)；RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)；n為判斷矩陣的階數(shù)。當(dāng)CR<0.1或λmax=n且CI=0時，其結(jié)果具有一致性。由式(1)和式(2)計算的結(jié)果見表4。在表4中，準(zhǔn)則層(A)和指標(biāo)層(B)中的評價結(jié)果均滿足一致性檢驗(即CR<0.1)，權(quán)重分配合理。

表4 各指標(biāo)權(quán)重及一致性檢驗結(jié)果

表5 不同情景設(shè)置方案

表6 不同情景設(shè)置值

5 水資源脆弱性評價

5.1 水資源脆弱度計算

基于系統(tǒng)動力學(xué)，設(shè)置常規(guī)發(fā)展模式等4種情景進(jìn)行模擬，具體方案及不同情景設(shè)置值見表5和表6。采用綜合指數(shù)加權(quán)法分別計算4種情景下2010—2035年水資源脆弱度，計算公式[30]為

(3)

式中：V為水資源脆弱度；fi為指標(biāo)所得分?jǐn)?shù)；wi為評價指標(biāo)優(yōu)先級。V值越高，表示脆弱度越高，反之則越低，分值在0～100之間。

5.2 結(jié)果分析

傳統(tǒng)分類方法中水資源脆弱性分為5個等級：不脆弱(0,40]、輕微脆弱(40,50]、中等脆弱(50,60]、強(qiáng)烈脆弱(60,70]和極端脆弱(70,100][29]。結(jié)合南渡江流域水資源脆弱性評價指標(biāo)體系與評價標(biāo)準(zhǔn)對4種情景下26 a間南渡江流域水資源脆弱度進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見圖2。

圖2 4種情景水資源脆弱度分值及分級

5.2.1 情景1

常規(guī)發(fā)展模式即保持現(xiàn)有發(fā)展水平，相關(guān)指標(biāo)根據(jù)流域?qū)嶋H規(guī)劃與發(fā)展目標(biāo)在SD平臺模擬，其水資源脆弱度和分級如圖2(a)。可知南渡江流域水資源脆弱性呈現(xiàn)連年下降的趨勢，模擬期內(nèi)起始年(2010年)分值最高，為54.37；終止年(2035年)分值最低，為33.56。26 a間流域水資源脆弱性跨越3個等級，2010—2013年為中等脆弱，其平均值為52.08；2014—2022年為輕微脆弱，平均值為43.99；2023—2035年處于不脆弱，平均值為36.23，整體平均值為41.35?？梢姵Ｒ?guī)發(fā)展模式下，水資源系統(tǒng)隨時間呈現(xiàn)愈穩(wěn)定的趨勢。

5.2.2 情景2

技術(shù)革新發(fā)展模式是在常規(guī)發(fā)展的基礎(chǔ)上，突出節(jié)水的重要性，通過技術(shù)革新減少各產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)用水和城鄉(xiāng)用水，并盡可能提高污水處理率使之更多地回收利用。由圖2(b)可知，較常規(guī)發(fā)展模式，水資源脆弱性更早地到達(dá)不脆弱，且下降趨勢更為明顯。26 a間水資源脆弱度最高為2010年的54.37，最低為2030年的20.01。2010—2013年為中等脆弱，其平均值為52.01；2014—2020年為輕微脆弱，平均值為44.68；2021—2035年處于不脆弱，平均值為28.29，下降最為明顯，整體平均值為36.36?？梢姡鳟a(chǎn)業(yè)用水、城鄉(xiāng)需水定額以及污水處理率為水資源脆弱性的主要因子，此模式較常規(guī)發(fā)展模式對水資源脆弱度的降低以及水資源系統(tǒng)穩(wěn)定有積極的促進(jìn)作用。

5.2.3 情景3

經(jīng)濟(jì)優(yōu)先發(fā)展模式是指在常規(guī)發(fā)展模式的基礎(chǔ)上，更加突出社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性，即增加流域內(nèi)GDP的變化率、城鎮(zhèn)化率以及人口變化率，各產(chǎn)業(yè)的增長速度也保持提高，使重心向社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向偏移。其水資源脆弱度及分級如圖2(c)所示。較常規(guī)發(fā)展模式，水資源脆弱性有所提高，且不脆弱年份在模擬期內(nèi)由常規(guī)發(fā)展模式的13 a銳減到4 a。水資源脆弱度最高為2010年的54.37，最低為2030年的37.22。2010—2013年為中等脆弱，其平均值為52.08；2014—2031年為輕微脆弱，平均值為43.15，且從2022—2025年水資源脆弱性有增加的趨勢；2032—2035年處于不脆弱，平均值為38.50，整體平均值為43.81，較前2種發(fā)展模式提高，水資源問題較為突出?？梢姵擎?zhèn)化率、GDP增長率、人口增長率、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)增長率影響著水資源脆弱性，此模式下水資源脆弱性增加，系統(tǒng)較前2種模式不穩(wěn)定。

5.2.4 情景4

綜合發(fā)展模式是在常規(guī)發(fā)展的基礎(chǔ)上，綜合了情景2與情景3的一種發(fā)展模式，即既要倡導(dǎo)技術(shù)革新，也要滿足社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。如圖2(d)所示，較常規(guī)發(fā)展模式與技術(shù)革新模式，水資源脆弱性有所下降，且不脆弱年份在模擬期內(nèi)由常規(guī)發(fā)展模式的13 a上升到16 a。水資源脆弱度最高為2010年的52.84，最低為2030年的16.89。2010—2013年為中等脆弱，其平均值為52.01；2014—2019年為輕微脆弱，平均值為43.77；2020—2035年處于不脆弱，平均值為25.39，整體平均值為33.48，較前3種發(fā)展模式均下降，水資源脆弱性下降，系統(tǒng)較前三者穩(wěn)定，水資源問題得到緩解?？梢娋C合情景2、3中各產(chǎn)業(yè)用水、城鄉(xiāng)用水，提高污水處理率以及社會經(jīng)濟(jì)層面相關(guān)指標(biāo)并進(jìn)行調(diào)控對綜合模式下水資源系統(tǒng)的穩(wěn)定有更為積極的意義。

圖3揭示了4種情景下2010—2035年間水資源脆弱性的走勢，結(jié)果表明，情景3整體水資源脆弱性最高，其次為情景1、情景2與情景4。4種情景下水資源脆弱性均有下降趨勢，但情景3下2022—2025年間其脆弱度有上升趨勢。由此可見，過于強(qiáng)調(diào)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展會導(dǎo)致水資源的不穩(wěn)定，而技術(shù)革新模式和綜合發(fā)展模式均有利于流域內(nèi)水資源的穩(wěn)定和安全，且綜合模式為4種情景下最有利于流域水資源的發(fā)展模式。通過設(shè)置4種情景及相應(yīng)參數(shù)對系統(tǒng)8個指標(biāo)進(jìn)行計算，結(jié)果表明各產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)用水、城鄉(xiāng)用水、GDP增長率與流域水資源脆弱度呈正相關(guān)，而污水處理率、第三產(chǎn)業(yè)/工業(yè)比例與流域水資源脆弱度呈負(fù)相關(guān)。

圖3 4種情景下水資源脆弱性走勢

6 結(jié) 論

應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)建南渡江流域水資源系統(tǒng)模型，采用層次分析法構(gòu)建水資源脆弱性評價指標(biāo)體系與評價標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置常規(guī)、技術(shù)革新型、經(jīng)濟(jì)優(yōu)先型、綜合發(fā)展模式4種情景，采用綜合指數(shù)加權(quán)法對2010—2035年南渡江流域水資源脆弱性進(jìn)行評價并探究其影響機(jī)理，得出如下結(jié)論。

(1) 2005—2035年在4種情景下26 a間均跨越3個脆弱等級：中等脆弱、輕微脆弱和不脆弱。其中中等脆弱年數(shù)均為4 a，且脆弱度平均值基本相同；輕微脆弱等級分別為情景1為9 a，情景2為7 a，情景3為18 a，情景4為6 a；不脆弱等級分別為情景1為13 a，情景2為15 a，情景3為4 a，情景4為16 a，其中情景4平均值最低，為25.39；從整體來看，情景3整體脆弱度最高，均值為43.81，情景4整體脆弱度最低，均值為33.48。

(2) 通過情景設(shè)置及參數(shù)擾動分析，綜合4種情景結(jié)果，各產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)用水、城鄉(xiāng)用水、GDP增長率與流域水資源脆弱度呈正相關(guān)，污水處理率、三產(chǎn)/工業(yè)比例與水資源脆弱度呈負(fù)相關(guān)。

(3)4種情景模式逐年脆弱度在整體上均有下降趨勢，情景4、情景2、情景1和情景3下降趨勢依次降低，可見技術(shù)革新、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及水資源分配調(diào)控等對于水資源系統(tǒng)的穩(wěn)定都起到積極作用。但綜合發(fā)展模式最適合于南渡江流域的發(fā)展，表明今后在南渡江流域發(fā)展社會經(jīng)濟(jì)的同時，應(yīng)注重水資源管理與開發(fā)，提倡技術(shù)革新型社會。