基于系統(tǒng)動力學的天山北坡城市群水資源優(yōu)化配置研究

(新疆維吾爾自治區(qū)水資源中心，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆是我國典型的干旱區(qū)和半干旱區(qū)，降水稀少，蒸發(fā)強烈，城鎮(zhèn)化進程面臨著水資源約束的瓶頸問題。根據(jù)2016年《新疆水資源公報》，全疆經(jīng)濟社會用水總量565.38億m3，其中農(nóng)業(yè)用水533.26億m3，占總用水量的94.3%；農(nóng)業(yè)用水比重過大，擠占了工業(yè)、城鎮(zhèn)生活和生態(tài)用水。天山北坡城市群是新疆人口與經(jīng)濟活動最為密集的區(qū)域，是干旱區(qū)人地關系最為敏感、水資源壓力日益突出的典型區(qū)域，歷來是學者們關注的重點區(qū)域。烏魯木齊市、石河子市、吐魯番市、昌吉市和阜康市等城市地下水開發(fā)利用量占總用水量的30%以上，引發(fā)了地下水位持續(xù)下降、土地沙化、荒漠化加劇、草原品質(zhì)下降等生態(tài)問題。因此，對天山北坡城市群進行水資源優(yōu)化配置，確保其城鎮(zhèn)化進程顯得尤為迫切。

1 水資源配置研究概述

自20世紀40年代Masse提出水庫優(yōu)化調(diào)度問題后，各專家學者開始關注水資源配置問題[1]。20世紀70—90年代，水資源配置研究主要集中于水量配置[2]。21世紀以來，水資源配置的思路由單一部門單一目標向整體水資源系統(tǒng)多目標優(yōu)化配置轉(zhuǎn)變，并涉及到研究水資源配置對水資源承載力的影響等方面[3]。水資源配置的研究方法也由數(shù)學規(guī)劃方法，擴展到使用模糊數(shù)學、熵權(quán)法、混沌理論等方法。艾立剛等[4]運用動態(tài)規(guī)劃方法，從用水量與經(jīng)濟效益出發(fā)，分析某水庫水資源最優(yōu)化分配的問題。盧興旺等[5]利用多目標決策中TOPSIS方法，對區(qū)域水資源配置的不同方案進行了綜合評價，得出最優(yōu)配置方案。何國華等[6]建立基于熵權(quán)的水資源配置和諧性模糊綜合評價模型，評價西安市各縣區(qū)的水資源配置狀況。王建偉等[7]以寧夏石嘴山市為研究區(qū)，采用數(shù)學規(guī)劃方法，以農(nóng)田灌溉水質(zhì)要求、灌溉水量需求以及水資源管理用水紅線為約束條件，以取用引黃水量最小為目標函數(shù)，計算得出水資源優(yōu)化配置的模式。曹麗娟等[8]運用主成分分析法對甘肅省水資源承載力從時間和空間兩個角度進行了綜合評價，得出水資源承載力的主要影響因子是經(jīng)濟發(fā)展因子、人口因子、水資源供需平衡因子和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水因子。俞祎波等[9]通過分析水資源承載能力與水資源優(yōu)化配置的基本內(nèi)涵，計算了水資源配置后南京市的水資源承載能力狀況。李春梅等[10]采用改進的果蠅算法(FOA)對晉城市2020年20%、50%、75%和95%來水保證率的水資源進行了配置。陸曉等[11]運用改進的多目標布谷鳥算法(IMOCS)，引入混沌理論以保證初始種群的多樣性，將該方法運用于山西同朔供水區(qū)，為該區(qū)域水資源配置提供了一定的依據(jù)。

上述關于水資源配置的相關研究對本文提供了有益的參考。但由于水資源配置問題的動態(tài)性和復雜性，現(xiàn)有成果缺乏以不同社會經(jīng)濟發(fā)展目標實現(xiàn)為基礎的多方案綜合比較。基于此，本文在分析天山北坡城市群用水現(xiàn)狀和特點的基礎上，根據(jù)系統(tǒng)動力學理論，構(gòu)建天山北坡城市群經(jīng)濟社會水資源配置的系統(tǒng)動力學模型，設置高、中、低3種水資源配置方案，對天山北坡城市群8座城市2017—2043年的經(jīng)濟社會用水量進行計算機仿真預測分析，選出較優(yōu)方案，從而深化了該問題的研究，并且得出的結(jié)論與實際更為接近。

2 系統(tǒng)仿真預測因果反饋圖中變量之間的關系

2.1 研究區(qū)域選擇

天山北坡城市群地處歐亞腹心地段，東起吐魯番，西至克拉瑪依，天山北坡城市群規(guī)劃(2016—2020年)范圍包括烏魯木齊、克拉瑪依、昌吉、吐魯番、阜康、石河子、五家渠、奎屯、烏蘇9市。數(shù)據(jù)來源于各縣市歷年的《統(tǒng)計年鑒》和《水資源公報》，其中，五家渠市的城鎮(zhèn)化和水資源的相關數(shù)據(jù)缺失，難以獲取，因此本文以除五家渠市外的8市作為研究區(qū)域。

2.2 系統(tǒng)流圖的設計

系統(tǒng)動力學(System Dynamics，SD)可以很好地反饋系統(tǒng)內(nèi)部要素的相互作用，借助計算機建模，完成對復雜問題的思考與研究，特別適合分析解決社會、經(jīng)濟和生態(tài)等一系列非線性復雜大系統(tǒng)問題[12]。為深入研究天山北坡城市群水資源優(yōu)化配置問題，構(gòu)建區(qū)域水資源配置系統(tǒng)模型，進行計算機仿真分析。首先，構(gòu)建區(qū)域水資源配置系統(tǒng)模型的核心是選擇狀態(tài)變量、速率、輔助變量及其結(jié)構(gòu)，對輸入和輸出進行積累的變量就是狀態(tài)變量，狀態(tài)變量方程中代表輸入和輸出的變量是速率，即在反饋系統(tǒng)中，幫助建立速率方程的變量為速率[13]；然后，進行計算機仿真分析。經(jīng)過分析天山北坡城市群水資源與經(jīng)濟社會系統(tǒng)的關系，設計出天山北坡城市群水資源配置的系統(tǒng)仿真預測因果反饋圖，見圖1，圖中設有生活用水量、城鎮(zhèn)人均綠地面積等16個狀態(tài)變量。

圖1 區(qū)域水資源配置的系統(tǒng)仿真預測因果反饋圖

2.3 常量及變量之間的關系

2.3.1 常量的設定

常量均為天山北坡城市群8市2016年的現(xiàn)狀值。經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于2017年新疆《統(tǒng)計年鑒》，水資源數(shù)據(jù)來源于2016年新疆《水資源公報》及天山北坡城市群8市《統(tǒng)計年鑒》，狀態(tài)變量的速率參考了8市的“國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要”。8市常量數(shù)值及狀態(tài)變量初始值見表1。

表1 2016年天山北坡城市群常量數(shù)值及狀態(tài)變量初始值

2.3.2 方案的設定

按照推動綠色發(fā)展，促進人與自然和諧共生的要求，統(tǒng)籌經(jīng)濟社會發(fā)展用水和生態(tài)用水，根據(jù)水資源利用現(xiàn)狀、各縣市水資源管理的“三條紅線”目標、保障經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)需水的優(yōu)先性，設立水資源配置的3種方案:方案一，水資源配置維持現(xiàn)狀。人口增長率、種植業(yè)增速、工業(yè)增速和第三產(chǎn)業(yè)增速、灌溉定額等用水指標均按照2016年的現(xiàn)狀值，不作調(diào)整，城鎮(zhèn)化率每年按照一定的速度進行調(diào)整，其他變量正常。方案二，適度提高經(jīng)濟發(fā)展用水效率，將節(jié)余的少量水資源用于生態(tài)用水。減少產(chǎn)業(yè)用水和城鎮(zhèn)用水，增加生態(tài)用水量。方案三，大幅提高經(jīng)濟社會發(fā)展用水效率，將節(jié)余的大量水資源用于保障生態(tài)。降低人口增長、種植業(yè)增速、工業(yè)增速和第三產(chǎn)業(yè)增速的同時，調(diào)減灌溉定額和林地灌溉定額，提高有效灌溉系數(shù)和有效林灌系數(shù)，減少第一產(chǎn)業(yè)用水，調(diào)減工業(yè)用水定額和第三產(chǎn)業(yè)用水定額，減少三產(chǎn)用水；調(diào)減城鎮(zhèn)居民用水定額、綠化用水定額、公共用水定額等，減少城鎮(zhèn)用水；調(diào)減農(nóng)村居民用水量大的奎屯市、烏蘇市的農(nóng)村居民用水定額，減少農(nóng)村居民用水量；增加生態(tài)用水量。3種方案的具體常量設定見表2。

表2 基于3種方案的天山北坡城市群的速率及增量值

2.3.3 變量之間的關系

第一產(chǎn)業(yè)用水量及增加值計算公式為

M有效灌溉面積=M耕地面積X有效灌溉系數(shù)

(1)

W種植業(yè)灌溉用水=M有效灌溉面積D灌溉定額

(2)

M林業(yè)有效灌溉面積=M林地面積X有效林灌系數(shù)

(3)

W林業(yè)用水量=D林灌定額M林業(yè)有效灌溉面積

(4)

W第一產(chǎn)業(yè)用水量=W種植業(yè)灌溉用水+W林業(yè)用水量

(5)

Z種植業(yè)增加值=M耕地面積Z畝均種植業(yè)增加值

(6)

Z第一產(chǎn)業(yè)增加值=Z種植業(yè)產(chǎn)值a第一產(chǎn)業(yè)增加值與種植業(yè)產(chǎn)值的比

(7)

工業(yè)用水量及增加值計算公式為

W工業(yè)用水量=W萬元工業(yè)增加值用水量Z工業(yè)增加值

(8)

(9)

第三產(chǎn)業(yè)用水量及增加值計算公式為

W第三產(chǎn)業(yè)用水量=W萬元第三產(chǎn)業(yè)增加值用水量Z第三產(chǎn)業(yè)增加值

(10)

城鎮(zhèn)用水量計算公式為

W城鎮(zhèn)居民生活用水量=W城鎮(zhèn)居民生活用水量定額P城鎮(zhèn)人口數(shù)

(11)

W城鎮(zhèn)公共用水量=D城鎮(zhèn)公共用水量定額P城鎮(zhèn)人口數(shù)

(12)

W城鎮(zhèn)綠化用水量=M城鎮(zhèn)人均綠地面積D綠化用水定額P城鎮(zhèn)人口數(shù)

(13)

W城鎮(zhèn)用水量=W城鎮(zhèn)居民生活用水量+W城鎮(zhèn)綠化用水量+W城鎮(zhèn)公共用水量

(14)

農(nóng)村居民生活用水量計算公式為

W農(nóng)村居民生活用水量=P農(nóng)村人口數(shù)D農(nóng)村居民用水定額

(15)

3 分析過程

根據(jù)區(qū)域水資源配置的系統(tǒng)仿真預測因果反饋圖(見圖1)，按照3種方案進行計算機仿真分析，得到2017—2043年天山北坡城市群8市的經(jīng)濟社會用水量、第一產(chǎn)業(yè)用水量、工業(yè)用水量、第三產(chǎn)業(yè)用水量、城鎮(zhèn)用水量、農(nóng)村居民生活用水量、生態(tài)用水量及地區(qū)生產(chǎn)總值的預測值，因篇幅有限，僅列出部分數(shù)值(見表3)。

方案一情景下，種植業(yè)、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)按2016年發(fā)展速度發(fā)展，人口和城鎮(zhèn)化率也按2016年速度增長，耕地面積、農(nóng)業(yè)灌溉定額、林地灌溉定額、有效灌溉系數(shù)、有效林灌系數(shù)、綠化用水定額、公共用水定額、城鎮(zhèn)居民用水定額、農(nóng)村居民用水定額、萬元工業(yè)增加值用水量、萬元第三產(chǎn)業(yè)增加值用水量均保持2016年的數(shù)值不變，林地面積年均增加20畝。計算機仿真得出，8市經(jīng)濟社會總用水量由2017年的55.8985億m3增加到2043年的60.055億m3，增加了4.1565億m3。該種情景下，隨著經(jīng)濟社會用水總量的不斷增加，必須要加大跨區(qū)域調(diào)水量，否則無法推進城鎮(zhèn)化進程。該情景下，天山北坡城市群地區(qū)生產(chǎn)總值也增加較快，由2017年的4589億元，增加到2043年的40829億元，增加了八九倍。

方案二情景下，種植業(yè)、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)增長按照2016年增長率設置，人口和城鎮(zhèn)化率也按2016年速度增長，耕地面積保持2016年的數(shù)值不變，逐年少量減少農(nóng)業(yè)灌溉定額、林地灌溉定額、綠化用水定額、公共用水定額、城鎮(zhèn)居民用水定額、萬元工業(yè)增加值用水量，適度減少萬元第三產(chǎn)業(yè)增加值用水量，逐年增加有效灌溉系數(shù)、有效林灌系數(shù)，林地面積年均增加10畝，逐年減少奎屯市、烏蘇市農(nóng)村居民用水定額(兩市農(nóng)村居民用水量較大)，烏魯木齊等6市的農(nóng)村居民用水定額仍保持2016年的數(shù)值。該方案情景下，8市的經(jīng)濟社會總用水量由2017年的55.9600億m3增加到2043年的63.2200億m3，增加了7.2611億m3，較方案一多增加3.1046億m3；8市的地區(qū)生產(chǎn)總值與方案一的變化相同。在方案二情景下，保持經(jīng)濟發(fā)展的同時，通過節(jié)約利用水資源，增加了生態(tài)環(huán)境用水量，但由于第一產(chǎn)業(yè)用水比重高，提高有效灌溉系數(shù)使第一產(chǎn)業(yè)用水量有增無減，8市經(jīng)濟社會用水量持續(xù)增加，必須加大跨區(qū)域調(diào)水，才能保障城鎮(zhèn)化的可持續(xù)發(fā)展。

方案三情景下，降低種植業(yè)、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度，適度降低人口增長率，耕地面積保持2016年的數(shù)值不變，與方案二相比，加大農(nóng)業(yè)灌溉定額、林地灌溉定額、綠化用水定額、公共用水定額的逐年減少量，城鎮(zhèn)居民用水定額、萬元工業(yè)增加值用水量的減少量與方案二相同，適度減少萬元第三產(chǎn)業(yè)增加值用水量，逐年增加有效灌溉系數(shù)、有效林灌系數(shù)，林地面積年均增加20畝，逐年減少奎屯市、烏蘇市農(nóng)村居民用水定額，烏魯木齊等6市的農(nóng)村居民用水定額仍保持2016年的數(shù)值。該方案下，8市經(jīng)濟社會用水總量經(jīng)歷了先上升后下降的變化，由2017年的55.6858億m3下降到2043年的55.5382億m3，減少了0.1476億m3。8市的第三產(chǎn)業(yè)用水量、城鎮(zhèn)用水量和生態(tài)用水量呈不斷增加趨勢，第三產(chǎn)業(yè)用水總量由2017年的0.0532 億m3增加到2043年的0.2139億m3，城鎮(zhèn)用水總量由2017年的4.4915億m3增加到2043年的5.8869億m3，生態(tài)用水總量由2017年的2.7946億m3增加到2043年的3.8996 億m3。地區(qū)生產(chǎn)總值與方案一、方案二相比增速放緩，呈穩(wěn)步增長趨勢，8市的地區(qū)生產(chǎn)總值的總和由2017年的4589億元增加到2043年的14858億元。在方案三情景下，不用實施跨區(qū)域調(diào)水，現(xiàn)有的水資源能夠滿足人口、經(jīng)濟和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的需要，并且能夠節(jié)余部分水量，是一種可行的、優(yōu)化的方案。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文利用系統(tǒng)動力學理論，構(gòu)建區(qū)域經(jīng)濟社會水資源配置的系統(tǒng)動力學模型，對天山北坡城市群8市的經(jīng)濟社會水資源配置進行計算機仿真預測分析，對區(qū)域經(jīng)濟社會水資源配置進行動態(tài)、模擬和優(yōu)化研究，得出了如下結(jié)論：方案一，水資源配置維持現(xiàn)狀的情景下，將難以保證城鎮(zhèn)化用水需求；方案二，保持現(xiàn)有的經(jīng)濟發(fā)展速度，適度調(diào)整用水方式，水資源仍難以保障城鎮(zhèn)化發(fā)展需求；方案三，大幅提升經(jīng)濟社會發(fā)展用水效率，現(xiàn)有的水資源能夠保障城鎮(zhèn)化可持續(xù)發(fā)展的需要，該方案是天山北坡城市群水資源配置的較優(yōu)方案。

4.2 建議

要解決天山北坡城市群經(jīng)濟社會用水短缺和生態(tài)環(huán)境問題，實現(xiàn)區(qū)域城鎮(zhèn)化可持續(xù)發(fā)展，必須堅持以水定產(chǎn)、生態(tài)優(yōu)先，從“立足新發(fā)展階段、貫徹新發(fā)展理念、構(gòu)建新發(fā)展格局”角度出發(fā)。

a.保護好天山北坡城市群水生態(tài)。天山北坡城市群區(qū)域內(nèi)有烏魯木齊河、水磨河、頭屯河、瑪納斯河、奎屯河、金溝河等河流，河流是區(qū)域重要的水資源儲備區(qū)和水源涵養(yǎng)區(qū)，河流水資源是區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展最為珍貴的資源，應繼續(xù)采取河長制，落實最嚴格的水資源管理制度，保護好河流的水生態(tài)。

b.構(gòu)建有利于節(jié)約農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)和居民生活等用水的價格機制。低廉的水價是造成流域用水結(jié)構(gòu)不合理和利用效率不高的根本原因，在水資源價格中要加入供水成本、生態(tài)用水等成本，使農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水價格調(diào)整至補償成本并合理盈利水平，使居民用水價格不低于成本水平，構(gòu)建合理的水價體系，形成激勵節(jié)約利用水資源的價格體系。

c.大力推廣農(nóng)業(yè)和工業(yè)節(jié)水技術。繼續(xù)發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)，推行噴灌、微灌、滴灌等節(jié)水型灌溉形式，在灌區(qū)全面推廣渠道防滲技術，減少農(nóng)業(yè)灌溉定額，提高農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)，減少農(nóng)業(yè)用水。采取在水資源費、 超定額超計劃累進加價水費中安排一定比例的基金等方式，推進工業(yè)節(jié)水關鍵技術的研究及推廣，大力支持工業(yè)企業(yè)節(jié)水技術改造，減少工業(yè)用水量，提高工業(yè)用水效率。

d.加大雨水、生活污水和工業(yè)廢水的處理及回用。在烏魯木齊、昌吉、阜康和石河子等降雨量略多的城市，利用屋頂、道路、廣場等硬化地表匯集降雨，經(jīng)過輸水、凈水、儲存等方式，建立雨水收集與利用系統(tǒng)，用于綠化灌溉及地下水源補給。加大投入，完善各城市污水深度處理設施，對生活污水和工業(yè)廢水進行集中處理，達到一定標準后用于城市綠化、車輛沖洗等，減少城市綠化用水、公共用水和居民生活用水。