基于系統(tǒng)動力學(xué)的江西省需水量預(yù)測

張詩倩， 劉昕瑀， 楊 曉， 賴 鋒， 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)境國家重點實驗室，江西 南昌 330013)

水資源是區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展最重要的基礎(chǔ)和保障，是良好生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的控制性因素[1—3].世界上許多國家和地區(qū)面臨著水資源供需矛盾所帶來的危機(jī)，這也成為我國大部分地區(qū)社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸之一[4]，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)[5—6]，準(zhǔn)確、合理地預(yù)測區(qū)域需水量，對區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)和水資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用[1,7].目前，需水量預(yù)測常用的方法有定額法[8]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[9—10]、時間序列法[11]、系統(tǒng)動力學(xué)法[6,12]等.這些預(yù)測方法對數(shù)據(jù)處理的方式不同，除系統(tǒng)動力學(xué)方法外，其他方法都無法系統(tǒng)地刻畫需水量預(yù)測中涉及的復(fù)雜動態(tài)反饋關(guān)系，無法定量描述決定需水量的各種經(jīng)濟(jì)、工程和技術(shù)因素，如人口、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、用水習(xí)慣、技術(shù)進(jìn)步等[12]，也就無法捕獲水資源供需之間的系統(tǒng)行為[13—14].系統(tǒng)動力學(xué)模型既能反映出社會經(jīng)濟(jì)與水資源這2個系統(tǒng)之間復(fù)雜的動態(tài)反饋關(guān)系，又能完整反映系統(tǒng)中需水量發(fā)展的動態(tài)過程[4]，是解決上述問題的有效方法[15—16].系統(tǒng)動力學(xué)(system dynamics，SD)是1958年提出的系統(tǒng)仿真方法[17]，廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域[3,6,12,13,18—20].應(yīng)用于需水量預(yù)測的SD模型，從整體出發(fā)考慮影響需水量的各種社會、經(jīng)濟(jì)、工程、技術(shù)等因素，是一種定性與定量相結(jié)合的模擬方法[4]，具有較廣泛的應(yīng)用，可較準(zhǔn)確地定量預(yù)測區(qū)域需水量，可為水資源合理規(guī)劃利用及其可持續(xù)發(fā)展提供參考.目前，SD方法已經(jīng)較廣泛地應(yīng)用于不同區(qū)域的需水量預(yù)測和水資源可持續(xù)利用分析[4,6,7,12,14,18]，且均取得了較理想的預(yù)測效果，表明該方法在需水量預(yù)測中的適用性.

江西是水資源較豐富的省份，但人均水資源占有量僅為世界平均值的1/3，屬于少水地區(qū)，總體處于缺水狀態(tài)[21].由于江西省的水資源存在時空分布不均、季節(jié)性匱乏、污染加劇等問題，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，該地水資源的供需矛盾較突出[22].具體表現(xiàn)為枯水年份出現(xiàn)頻次增多、用水總量急劇增加、枯水時段用水矛盾突出，水質(zhì)明顯下降、水位持續(xù)走低、水生態(tài)環(huán)境惡化趨勢明顯等.同時，占江西省用水總量60%左右的農(nóng)業(yè)用水，普遍采用大水漫灌的灌溉方式，由此造成水資源的浪費[21].因此，采用SD模型對江西省多因素耦合的需水量進(jìn)行預(yù)測與分析，探討該區(qū)域需水量未來的動態(tài)變化過程，對于該區(qū)域用水安全的保障、水資源的高效利用以及缺水問題的有效緩解都具有重要的意義. 筆者在系統(tǒng)分析江西省社會經(jīng)濟(jì)和用水現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建并校準(zhǔn)該地需水量SD模型，針對未來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中可能出現(xiàn)的水資源問題，采用情景分析方法，模擬2017—2050年不同情景下的需水量，反映未來需水量的動態(tài)變化趨勢.通過對情景模擬結(jié)果的比較，探討未來江西省水資源供需的狀況和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與發(fā)展方向，可為該地水資源的合理配置與利用及用水安全提供參考.

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

江西省位于長江中下游南岸(φE=113°34′36″～118°28′58″,λN=24°29′14″～30°04′41″)，與浙、閩、粵、湘、鄂、皖等省份相鄰，土地總面積16.69萬km2(山區(qū)、丘陵和平原面積所占比例分別為36%，42%，22%).江西省境內(nèi)地勢南高北低，邊緣群山環(huán)繞，中部丘陵起伏，北部平原坦蕩，四周漸次向鄱陽湖區(qū)傾斜，形成南窄北寬、以鄱陽湖為底部的盆地狀地形.江西省地處中亞熱帶濕潤季風(fēng)區(qū)，氣候溫和，雨量豐沛，光照充足，降水的區(qū)域分布和年際變化差異較大.江西省2016年總?cè)丝? 592萬，城鎮(zhèn)化率為53.1%，人口密度為275人/ km2，GDP為18 499億元，屬于經(jīng)濟(jì)相對落后的省份.江西省的地表水資源豐富，1999—2016年平均降水量為1 675 mm，平均水資源1 600億m3[22].1999—2016年，以平均值看，江西省總用水量為229.40億m3，其中，農(nóng)業(yè)用水量為151.21億m3(占總用水量的65.92%)，工業(yè)用水量為54.10億m3(占總用水量的23.58%)，生活用水量為21.93億m3(占總用水量的9.56%)，生態(tài)用水量為2.16億m3(占總用水量的0.94%)[22].江西省水資源在時間和空間上存在分布不均的情況，降水和徑流的年內(nèi)季節(jié)分配不均衡，年際水量變化大，少水年和多水年持續(xù)出現(xiàn)，是造成全省水旱災(zāi)害的主要原因[23].同時，在水資源利用的過程中，全省總體上存在諸多問題，如水資源開發(fā)利用率低、地表水體污染加劇，由此導(dǎo)致水資源的供需矛盾，這在一定程度上制約了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和資源環(huán)境的保護(hù)[24].

1.2 數(shù)據(jù)的來源

文中的數(shù)據(jù)和來源主要包括：①社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)(人口、GDP、牲畜數(shù)量、灌溉面積等)來源于2000—2017年的《江西統(tǒng)計年鑒》[25]；②水資源數(shù)據(jù)(地表水、地下水供水量和生態(tài)環(huán)境用水量等)來源于1999—2016年的《江西省水資源公報》[26]；③用水定額數(shù)據(jù)(生活、牲畜和灌溉用水定額等)來源于1999—2016年的《江西省水資源公報》[26]；④各類增長率數(shù)據(jù)(人口、GDP、牲畜和灌溉面積增長率等)來源于2000—2017年的《江西統(tǒng)計年鑒》[25].

2 江西省需水量預(yù)測SD模型

2.1 模型結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)流圖

江西省水資源需求可分為生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)需水量4部分，而水資源供給則由地表水、地下水和灌溉回歸水組成.根據(jù)水資源供需關(guān)系及江西省的社會經(jīng)濟(jì)狀況，著重于需水量的計算.圖1為需水系統(tǒng)和供水系統(tǒng)之間的相互作用及其影響因素.氣象、灌溉面積、牲畜數(shù)量及其用水定額是農(nóng)業(yè)需水量的影響因素，人口及其用水習(xí)慣決定了生活需水量，工業(yè)規(guī)模及用水技術(shù)則是工業(yè)需水量的決定因素.而生態(tài)需水量是模型的輸入變量，無需在模型中進(jìn)行計算.供需水之間的不平衡會造成水資源短缺問題，而缺水問題又會在一定程度上影響需水量.在掌握這些相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過SD模型的流圖將其定量化并在VENSIM Professional上實現(xiàn)，而后通過設(shè)定不同的情景進(jìn)行模擬和仿真.

圖1 江西省需水量預(yù)測SD模型的概念模型

系統(tǒng)流圖是系統(tǒng)動力學(xué)的基本變量和符號的有機(jī)組合.根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部各因素之間的因果關(guān)系設(shè)計系統(tǒng)流圖，可將系統(tǒng)內(nèi)部各因果關(guān)系中未能反映出來的不同變量的性質(zhì)和特點反映出來.通過流圖中關(guān)系的量化可達(dá)到政策模擬的目的.江西省水資源系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它與人口、經(jīng)濟(jì)、社會關(guān)系密切，因此把它分為人口、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、水資源4個子系統(tǒng)，且各個子系統(tǒng)相互聯(lián)系、相互影響(圖2).

圖2 江西省需水量預(yù)測SD模型的因果關(guān)系

2.2 SD模型的校準(zhǔn)

江西省需水量預(yù)測SD模型的校準(zhǔn)周期是1999—2016年，時間步長為1 a，通過校準(zhǔn)使模擬結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)相吻合，即將歷史參數(shù)輸入模型經(jīng)運(yùn)行后得到仿真結(jié)果，再與實際發(fā)生的行為數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗證其吻合程度，可為模型行為模擬的可靠性和準(zhǔn)確性做出判斷.表1列出了4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.由表1可知，4種需水量的模擬均反映了其動態(tài)變化的趨勢，相對誤差均在±5%以內(nèi).總體來說，模擬結(jié)果和歷史數(shù)據(jù)擬合較好，表明了模型的可行性和適用性，可用于下一步的預(yù)測及情景分析.

表1 需水量的模擬值與歷史值比較

2.3 需水量預(yù)測情景設(shè)計

江西省需水量預(yù)測SD模擬的預(yù)測期為2017—2050年.利用前一階段獲得的參數(shù)，對江西省未來的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和需水量進(jìn)行模擬預(yù)測.此處設(shè)計4個情景，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).每個情景下模型參數(shù)的設(shè)定，根據(jù)研究區(qū)未來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源利用的狀況及趨勢，并結(jié)合相關(guān)參考文獻(xiàn)和不同情景的重點差異進(jìn)行設(shè)定，具體的情景設(shè)計方案如下：

1)趨勢保持型情景(S1).該情景假設(shè)江西省的發(fā)展政策及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不發(fā)生大的調(diào)整，城市人口、社會經(jīng)濟(jì)的增長和發(fā)展速度沒有太大的變化.在2030年和2050年，工業(yè)總產(chǎn)值的增長率保持在4%，城鎮(zhèn)化率分別為60%，70%.

2)經(jīng)濟(jì)發(fā)展型情景(S2).該情景假設(shè)在當(dāng)前和今后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，發(fā)展經(jīng)濟(jì)仍是江西省的重中之重.為此，把2030年和2050年的工業(yè)總產(chǎn)值增長率分別提高到7%，10%，總?cè)丝诘脑鲩L率分別保持在7‰，10‰.其他參數(shù)與S1相同.

3)節(jié)約用水型情景(S3).假設(shè)江西省將水資源保護(hù)列為重點，灌溉定額降低30%(2030和2050年的灌溉定額分別為18.67，17.27 m3/hm2)，萬元工業(yè)總產(chǎn)值用水量降低30%(2030年和2050年的工業(yè)總產(chǎn)值分別為38.5,31.5 m3/萬元)，城鎮(zhèn)生活用水定額降低30%(2030年和2050年的城鎮(zhèn)生活用水定額分別為126,105 L/(人·d)).其他參數(shù)與S1相同.

4)綜合發(fā)展型情景(S4).在該情景下，既強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也注意對水資源的保護(hù).在2030和2050年,工業(yè)總產(chǎn)值的增長率分別為7%，10%，總?cè)丝诘脑鲩L率分別為7‰，10‰，灌溉定額降低30%(2030年和2050年的灌溉定額分別為18.67，17.27 m3/hm2)，萬元工業(yè)總產(chǎn)值用水量降低30%(2030年和2050年的工業(yè)總產(chǎn)值用水量分別為38.5，31.5 m3/萬元)，城鎮(zhèn)生活用水定額降低30%(2030年和2050年的城鎮(zhèn)生活用水客額分別為126，105 L/(人·d))，其他參數(shù)與S1相同.

3 結(jié)果與分析

3.1 需水量的預(yù)測

表2是4種情景下江西省2030和2050年的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和總需水量的預(yù)測結(jié)果，圖3是4種情景下江西省總需水量隨時間的變化情況.由表2、圖3可知，總需水量在4種情景下均呈上升的趨勢.預(yù)測期內(nèi)，4種情景下平均總需水量分別為286.75，343.52，228.62，268.99億m3.到預(yù)測末期(2050年)，4種情景下總需水量分別為366.30，597.20，281.90，446.10億m3，總需水量由小到大的順序為S3，S1，S4，S2.雖然S3下江西省總需水量最少，但該情景以犧牲經(jīng)濟(jì)發(fā)展為前提；S2強(qiáng)調(diào)快速發(fā)展經(jīng)濟(jì)，導(dǎo)致江西省總需水量急劇增長；而S4既強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展又考慮節(jié)水措施的實施，該情景下江西省總需水量保持適中的增長水平，且需水量增長與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展保持相對一致的步調(diào)，是可持續(xù)發(fā)展要求下江西省可以采取的發(fā)展情景.

圖3 不同情景下江西省總需水量的變化

表2 不同情景下江西省2030和2050年的需水量預(yù)測 億m3

3.2 水資源供需平衡

表3是4種情景下江西省水資源供需平衡情況，其中，總供水量中的地表水和地下水保持和現(xiàn)狀一致，灌溉回歸水根據(jù)不同情景下灌溉用水量的不同由模型計算得到.圖4是4種情景下江西省缺水指數(shù)的變化情況,其中，缺水指數(shù)是指缺水量占總需水量的比例，正值表示缺水，其他表示不缺水，且缺水指數(shù)越大，表示缺水的程度越嚴(yán)重.2030年，4種情景下江西省均不存在缺水的問題；到2050年，4種情景下江西省均存在缺水的問題，缺水的嚴(yán)重程度由小到大為S3，S1，S4，S2.到2050年，若江西省保持現(xiàn)狀發(fā)展趨勢(S1)，則缺水83.70億m3，缺水指數(shù)為0.295 8；若江西省強(qiáng)調(diào)快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展(S2)，則缺水314.70億m3，缺水指數(shù)為1.112 0；若江西省在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中考慮節(jié)水措施的實施(S3)，則缺水11.10億m3，缺水指數(shù)為0.040 9，缺水問題可得到有效緩解；若江西省采取綜合發(fā)展的情景(S4)，則缺水175.30億m3，缺水指數(shù)為0.646 9.由圖4可知，S3只在2049和2050年存在缺水的問題，而S1，S2，S4則在模擬后期存在多年缺水的問題，S2最嚴(yán)重，S4次之，S1最輕.

圖4 不同情景下江西省缺水指數(shù)的變化

表3 不同情景下江西省水資源供需情況

3.3 缺水情況

表4為與缺水指數(shù)有關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果.在4種情景下，江西省在預(yù)測期內(nèi)出現(xiàn)缺水的年份所占總年份的比例分別為44.1%，58.8%，5.9%，32.4%，相應(yīng)的平均缺水量分別為40.34，120.60，8.08，81.92億m3，平均缺水指數(shù)分別為0.142 7，0.426 7，0.029 8，0.302 5.從這幾項統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，江西省在預(yù)測期內(nèi)、不同發(fā)展情景下，都出現(xiàn)不同程度的缺水問題.保持現(xiàn)狀的發(fā)展趨勢(S1)或只考慮社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展(S2)，江西省在未來將面臨比較嚴(yán)峻的缺水問題；只考慮節(jié)約用水措施(S3)，則江西省的水資源供需基本處于平衡或盈余狀態(tài)，只在模擬期末會出現(xiàn)2 a的缺水問題，但該情景是以犧牲社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展為代價而實現(xiàn)水資源的供需平衡，不宜采納；綜合考慮社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和節(jié)約用水的實施(S4)，江西省仍可能出現(xiàn)缺水問題，但缺水的時間和程度都大大降低，該情景可以作為江西省未來社會發(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

4 結(jié)論

1)在預(yù)測期內(nèi)(2017—2050年)，4種情景下江西省平均總需水量分別為286.75，343.52，228.62，268.99億m3.到預(yù)測末期(2050年)，4種情景下江西省總需水量分別為366.30，597.20，281.90，446.10億m3.

2)2030年，4種情景下江西省均不存在缺水的問題；到2050年，4種情景下江西省均存在缺水問題，缺水的嚴(yán)重程度由小到大為S3，S1，S4，S2.4種情景下，江西省在預(yù)測期內(nèi)出現(xiàn)缺水年份所占比例分別為44.1%，58.8%，5.9%，32.4%，平均缺水量分別為40.34，120.60，8.08，81.92億m3，平均缺水指數(shù)分別為0.142 7，0.426 7，0.029 8，0.302 5.綜合看，S4從綜合的角度考慮問題，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源保護(hù)相結(jié)合，符合可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵，是江西省在未來應(yīng)該采取的發(fā)展情景.

3)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源保護(hù)是社會發(fā)展中重要的2個方面.為了在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的過程中維持水資源的供需平衡及可持續(xù)發(fā)展，江西省需要從“開源”和“節(jié)流”2方面入手，加大宣傳力度，增強(qiáng)全社會節(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)展的同時維持水資源的供需平衡.