山東省龍口市水資源利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬與分析

楊 曉，劉昕瑀，秦歡歡,2*

(1.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 330013； 2.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013)

水資源是促進(jìn)人類生存和社會(huì)發(fā)展必不可少的資源，但中國在推進(jìn)水資源綜合利用中仍存在許多問題，如人均資源占有量少、水資源時(shí)空分布不均等。水資源的系統(tǒng)管理是關(guān)系到水資源能否保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要依據(jù)，采用科學(xué)合理的評價(jià)方法與指標(biāo)，定量分析區(qū)域水資源系統(tǒng)的可持續(xù)性，能為缺水地區(qū)水資源綜合管理提供科學(xué)依據(jù)，對于有效規(guī)避水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展及保障生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)具有重要意義[1-4]。發(fā)展工農(nóng)業(yè)、居民生活，對于水資源可持續(xù)利用都具有非常高的要求[5]。因此，水資源的合理規(guī)劃與配置在解決缺水危機(jī)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而需水量預(yù)測是區(qū)域水資源合理規(guī)劃與配置的前提條件和重要基礎(chǔ)[6-7]，準(zhǔn)確合理預(yù)測區(qū)域需水量對區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)和水資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用[8-9]。區(qū)域需水量預(yù)測涉及復(fù)雜的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和工程技術(shù)因素，是水資源可持續(xù)管理和規(guī)劃調(diào)度的重要依據(jù)[6]。一般來說，區(qū)域需水量預(yù)測方法可分為時(shí)間序列法、結(jié)構(gòu)分析法和系統(tǒng)方法等[10-12]。然而，傳統(tǒng)方法無法系統(tǒng)地刻畫水資源供需之間復(fù)雜的動(dòng)態(tài)反饋關(guān)系，亦無法在需水量預(yù)測中考慮諸多影響因素及其相互關(guān)系[13]，而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics,SD)是解決這一問題科學(xué)有效的方法[10,14-15]。SD模型既能反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水資源之間復(fù)雜的動(dòng)態(tài)反饋關(guān)系，又能完整展現(xiàn)需水量發(fā)展的動(dòng)態(tài)過程[14]，因此，采用SD方法研究水資源短缺問題，可為水資源研究的科學(xué)決策提供可靠理論依據(jù)，有利于加快實(shí)現(xiàn)中國環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[16]。

SD概念最初由Forrester引入，作為工業(yè)管理和決策的模擬方法[17]。20世紀(jì)70年代，Meadows通過構(gòu)建世界SD模型將此方法引入水資源系統(tǒng)研究[18]。SD模型通過使用反饋回路、存量和流量來描述復(fù)雜系統(tǒng)。SD模型既有定性概念構(gòu)建(通過因果關(guān)系圖構(gòu)建概念系統(tǒng))，也有定量數(shù)據(jù)模擬(通過系統(tǒng)流圖在可視化的基礎(chǔ)上模擬概念系統(tǒng)中不同因素之間的影響)[19]。需水量預(yù)測SD模型從整體出發(fā)充分考慮影響需水量的各種自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、工程、技術(shù)等因素，能準(zhǔn)確處理高階次、非線性、多重反饋復(fù)雜時(shí)變系統(tǒng)的問題；對參數(shù)要求不高，著重研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為，不需要特別精確的數(shù)字；可對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)發(fā)展及趨勢進(jìn)行考察，可作長期的動(dòng)態(tài)預(yù)測[20]，為可持續(xù)發(fā)展及水資源的合理規(guī)劃利用提供科學(xué)依據(jù)。過去30年，SD方法在水資源工程與管理中的應(yīng)用發(fā)展迅速[21]。在水資源SD模擬的研究中，有3種一般性的研究方法[22]，包括預(yù)測仿真模型(predictive simulation model)、描述性的集成模型(descriptive integrated model)以及參與和共同愿景模型(participatory and shared vision model)。

本文以龍口市為研究區(qū)域，采用情景分析方法，利用SD模型模擬龍口市2019—2050年不同情景下的需水量，反映龍口市未來水資源的利用情況。通過分析情景模擬結(jié)果，比較各種方法下龍口市需水量的動(dòng)態(tài)變化趨勢，為龍口市水資源的合理配置與利用及用水安全提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

龍口市地處膠東半島西北部，隸屬于煙臺(tái)市，處于東經(jīng)120°13′～120°44′、北緯37°27′～37°47′，東與蓬萊市毗鄰，南與棲霞市、招遠(yuǎn)市接壤，西、北瀕渤海，隔海與天津、大連相望，是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)帶上一個(gè)璀璨的明珠。東西最大橫距46.08 km，南北最大縱距37.43 km，海岸線長68.38 km，全市總面積893.82 km2。龍口市地勢東南高、西北低，與鄰縣、市多以山的分水嶺為界，故境內(nèi)河流皆源于東、南部山區(qū)，曲折西北行，共有大小23條河流，主要河流有黃水河、泳汶河、南欒河、龍口河、北馬南河、八里沙河，均為季節(jié)性河流。除黃水河、八里沙河外，其余河流皆為境內(nèi)河流，屬季風(fēng)雨源型。龍口市屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫11.17℃，平均年降水量590.4 mm，四季分明，季風(fēng)進(jìn)退明顯，濕熱同季。因受海洋影響，氣溫適中，光照充足，年降水量的75%以上集中在5—9月，年無霜期190 d[23]。2018年，龍口市GDP 1 238.8億元，同比增長5.9%；其中：第一產(chǎn)業(yè)增加值30.5億元，同比增長3.9%；第二產(chǎn)業(yè)增加值694.9億元，同比增長5.9%；第三產(chǎn)業(yè)增加值513.4億元，同比增長6.1%。一、二、三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比為2.5∶56.1∶41.4。

山東省龍口市目前面臨著嚴(yán)峻的缺水問題：全市多年平均降水量為590.4 mm，多年平均水資源總量為30 296萬m3，多年平均水資源可利用總量為16 140 萬m3，人均用水量為152 m3/a(約為全國平均水平的1/3)，人均水資源量350 m3/人(為全國平均水資源量的1/6)，低于山東省平均水平，亦遠(yuǎn)低于世界人均水平(1 000 m3/人)，為水危機(jī)區(qū)，屬于資源型缺水。龍口市水資源供需矛盾突出，爭水矛盾激化，已經(jīng)嚴(yán)重影響了城市的生產(chǎn)生活發(fā)展，對生態(tài)環(huán)境的發(fā)展也十分不利。根據(jù)《龍口市水資源公報(bào)》資料統(tǒng)計(jì)分析，龍口市近年平均城鎮(zhèn)廢水排放量為1 641.12萬t，目前龍口市每年企業(yè)排放的廢水達(dá)1 000萬m3，生活排放污水800余萬m3，城市對工業(yè)廢水和生活污水的排放沒有嚴(yán)格管制，使得地下水質(zhì)急劇下降，這大大地減少了水資源的可利用量，也加劇了區(qū)域水資源的短缺[24]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文的數(shù)據(jù)及其來源主要包括：①社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，包括人口、GDP、牲畜、灌溉面積等來源于2008—2019年的《山東省統(tǒng)計(jì)年鑒》[25]；②水資源數(shù)據(jù)，包括地表水供水量、地下水供水量和生態(tài)環(huán)境用水量等來源于2008—2019年的《山東省統(tǒng)計(jì)年鑒》[25]和《山東省水資源公報(bào)》[26]；③用水定額數(shù)據(jù)，包括生活用水定額、牲畜用水定額和灌溉定額等來源于2008—2019年的《山東省統(tǒng)計(jì)年鑒》[25]；④各類增長率數(shù)據(jù)，包括人口增長率、GDP增長率、牲畜增長率和灌溉面積增長率等來源于2008—2019年的《山東省統(tǒng)計(jì)年鑒》[25]。

2 龍口市需水量預(yù)測SD模型

2.1 模型結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)流圖

龍口市水資源供給由三大部分共同組成，包括地表水、地下水和灌溉回歸水；水資源需求由三大部分共同組成，包括生活需水量、工業(yè)需水量、農(nóng)業(yè)需水量。模型研究著重于長期預(yù)測需水量的綜合計(jì)算，探究龍口市社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況與當(dāng)?shù)厮Y源供需的聯(lián)系。圖1展示了SD模型中決定缺水量、供水量以及衡量缺水程度的影響因素之間的相互作用關(guān)系。決定供水量的三大條件中，地表水、地下水主要由水資源現(xiàn)狀決定，而灌溉回歸水由農(nóng)業(yè)需水量決定；缺水程度由供水量、缺水量決定，但缺水量也可以通過影響三大需水量來決定總需水量。各個(gè)因素間相互聯(lián)系制約，在掌握這些定性的相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過SD模型的流圖將其定量化并在VENSIM Professional版本的軟件上實(shí)現(xiàn)，而后通過設(shè)定不同的情景便可以進(jìn)行模擬和仿真。

圖1 龍口市需水量預(yù)測SD模型概念模型

系統(tǒng)狀態(tài)流圖是基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本狀態(tài)變量和系統(tǒng)符號的有機(jī)組合。根據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)部各因素之間的不同因果變量關(guān)系設(shè)計(jì)系統(tǒng)流圖，可以將整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部各因果關(guān)系中未能準(zhǔn)確反映出來的不同因果變量的基本性質(zhì)和作用特點(diǎn)反映出來，通過流圖中關(guān)系的量化就達(dá)到了預(yù)測模擬的主要目的[26]。此次模型的研究區(qū)域?yàn)樯綎|省龍口市，模擬年限是2007—2050年，基準(zhǔn)年是2007年，時(shí)間步長是1年。2007—2018年是模型校準(zhǔn)期，2019—2050年是模型預(yù)測期。本文采用了SD專用建模軟件VENSIM建立了一個(gè)包含人口、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、水環(huán)境和水資源5個(gè)子系統(tǒng)的龍口市水資源系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖，清晰地表現(xiàn)了各個(gè)子系統(tǒng)間的關(guān)系(圖2)。

圖2 龍口市需水量預(yù)測SD模型因果關(guān)系

2.2 SD模型校準(zhǔn)

龍口市需水量預(yù)測SD模型的校準(zhǔn)周期是2007—2018年，時(shí)間步長為1年。表1列出了四大需水量(生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和總需水量)模擬結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)的對比及相對誤差。對于這4種需水量的模擬相對誤差均在±5%以內(nèi)。表明模型擬合結(jié)果基本符合實(shí)際情況，證明了模型的適用性，本文將利用此模型模擬未來年份內(nèi)龍口市的需水量。

表1 需水量的模擬值與歷史值的比較結(jié)果

2.3 需水量預(yù)測情景設(shè)計(jì)

龍口市需水量預(yù)測SD模擬的預(yù)測期為2019—2050年。此處設(shè)計(jì)了4個(gè)情景，分別是情景S1(保持現(xiàn)狀型)、情景S2(經(jīng)濟(jì)發(fā)展型)、情景S3(節(jié)約用水型)及情景S4(綜合發(fā)展型)，利用模型校準(zhǔn)獲得的參數(shù)，對龍口市未來的需水量及經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況進(jìn)行模擬預(yù)測，具體的情景設(shè)計(jì)方案如下。

a)趨勢保持型情景S1。此情景下，假定龍口市的社會(huì)發(fā)展政策及社會(huì)結(jié)構(gòu)不發(fā)生大的調(diào)整，城市人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度沒有太大的變化，保持現(xiàn)有的發(fā)展速度。

b)經(jīng)濟(jì)發(fā)展型情景S2。此情景下，假定當(dāng)下及未來的長時(shí)間內(nèi)，龍口市重點(diǎn)發(fā)展經(jīng)濟(jì)建設(shè)。為此，將2035年和2050年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度(工業(yè)GDP增長率)設(shè)定為6%和8%，其他參數(shù)與情景S1相同。

c)節(jié)約用水型情景S3。此情景下，假定龍口市重點(diǎn)保護(hù)水資源，將未來生活用水定額、灌溉定額和牲畜家禽用水定額均降低30%。其他參數(shù)與情景S1相同。

d)綜合發(fā)展型情景S4。在此情景下，假定龍口市共同發(fā)展水資源保護(hù)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)，2035年和2050年的經(jīng)濟(jì)增長速度為6%，生活用水定額、灌溉定額和牲畜用水定額均降低20%，其他參數(shù)與情景S1相同。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 需水量預(yù)測結(jié)果

預(yù)測4種情景下龍口市2030年和2050年的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和總需水量，見表2；并給出了龍口市在4種情景下總需水量隨時(shí)間變化的曲線，見圖3。從表2和圖3可以看出，總需水量在4種情景下均呈上升的趨勢。在預(yù)測期內(nèi)，4種情景下平均總需水量分別為137.26億、150.78億、113.07億、139.44億m3。到預(yù)測末期(2050年)，4種情景下龍口市總需水量分別為183.92億、242.71億、159.75億、224.48億m3，其排序關(guān)系是S3

圖3 不同情景下龍口市總需水量變化

3.2 水資源供需平衡分析

表3是4種情景下龍口市水資源供需平衡情況，圖4是4種情景下龍口市缺水指數(shù)變化曲線。缺水指數(shù)是指缺水量占總需水量的比重，正值表示缺水，其余表示不缺水，缺水指數(shù)的值越大，表示缺水的程度越嚴(yán)重。在2030年，4種情景下龍口市只在節(jié)約用水型情況下不存在缺水的問題；到2050年，4種情景下龍口市均存在缺水的問題，嚴(yán)重程度排序?yàn)镾3

表3 不同情景下龍口市水資源供需平衡情況 單位：億m3

圖4 不同情景下龍口市缺水指數(shù)變化曲線

3.3 缺水情況分析

表4列出了與缺水指數(shù)有關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。結(jié)果表明4種情景下龍口市在預(yù)測期內(nèi)出現(xiàn)缺水的年份比例分別為91.18%、91.18%、50.00%和67.65%，相應(yīng)的平均缺水量分別為31.77億、45.72億、24.53億、49.26億m3，平均缺水指數(shù)分別為0.209 6、0.258 9、0.175 3和0.282 9。從這幾項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的對比來看，龍口市在預(yù)測期內(nèi)不同發(fā)展情景下都會(huì)出現(xiàn)不同程度的缺水問題。保持現(xiàn)狀的發(fā)展趨勢(情景S1)或只考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展(情景S2)，龍口市在未來將出現(xiàn)較為嚴(yán)峻的缺水問題；只考慮節(jié)約用水措施(情景S3)，雖然龍口市水資源供需基本處于平衡狀態(tài)，在模擬期中只出現(xiàn)17年的缺水問題，但這是以犧牲龍口市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展為代價(jià)；如果綜合考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和節(jié)約用水(情景S4)，龍口市仍可能出現(xiàn)缺水問題，但缺水的時(shí)間和程度都大為降低，總體來看該情景比較適合該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。所以情景S4可以作為龍口市未來社會(huì)發(fā)展所采用的發(fā)展方案。

表4 不同情景下缺水指數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了龍口市需水量預(yù)測的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，通過情景分析，對4種情景下龍口市2019—2050年的需水量進(jìn)行預(yù)測，由此分析龍口市水資源供需平衡情況，得到以下結(jié)論。

a)預(yù)測期內(nèi)，4種情景下龍口市的平均總需水量分別為137.26億、150.78億、113.07億、139.44億m3。預(yù)測末期(2050年)，4種情景下龍口市總需水量分別為183.92億、242.71億、159.75億、224.48億m3，大小排序關(guān)系是S3

b)2030年，4種情景下龍口市只在節(jié)約用水型情況下不存在缺水的問題；而到2050年，4種情景下龍口市均存在缺水的問題，嚴(yán)重程度排序?yàn)镾3

c)為了在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)維持水資源的供需平衡及可持續(xù)發(fā)展，龍口市應(yīng)該加大宣傳力度，從“開源”和“節(jié)流”這2個(gè)角度出發(fā)，增強(qiáng)全市市民節(jié)約用水、保護(hù)水資源的意識，進(jìn)而在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)維持當(dāng)?shù)厮Y源的供需平衡，保障龍口市的日后發(fā)展。