漢江上游水資源復(fù)合系統(tǒng)演化規(guī)律與驅(qū)動機制探究

江慧寧，閆寶偉，劉 昱，楊文發(fā)，張 俊

（1.華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，武漢 430074；2.長江水利委員會水文局，武漢 430010）

人類活動對水資源及生態(tài)環(huán)境的影響不斷加強，水資源、經(jīng)濟社會及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之間的相互作用日益突出［1］，而這些相互作用在傳統(tǒng)水文學(xué)模型［2，3］中常常被忽視［4］。從社會水文學(xué)的角度來說，水資源、社會及生態(tài)系統(tǒng)相互之間的互饋機制會隨著社會和自然條件的變化而變化，這些相互作用的演化規(guī)律和驅(qū)動機制需要從整體和動態(tài)的角度來探究［5］。諸多學(xué)者對人類活動和水資源演變的互饋機制展開了研究，提出了各種概念模型及理論。Liu 等［6］對塔里木河流域展開研究，分析了人-水耦合系統(tǒng)的歷史協(xié)同演化，結(jié)合中國傳統(tǒng)哲學(xué)概念提煉出了太極-輪胎模型。Emmerik 等［7］研究了水資源-社會-生態(tài)之間的“鐘擺效應(yīng)”，即鐘擺模型，Kandasa［8］結(jié)合鐘擺效應(yīng)對澳大利亞東部的Murrumbidge 流域進(jìn)行了案例研究，解釋了用水和糧食生產(chǎn)之間的動態(tài)平衡規(guī)律。左其亭凝練了人水系統(tǒng)相互作用以及向和諧方向演變的基本規(guī)律，提出了人水和諧理論［9，10］，并使用系統(tǒng)動力學(xué)（System Dynamic，SD）模型進(jìn)行了人水系統(tǒng)演變模擬［11］。系統(tǒng)動力學(xué)是社會水文學(xué)最有效的研究手段之一，系統(tǒng)動力學(xué)采用函數(shù)方程構(gòu)建變量之間的反饋關(guān)系，能夠表征系統(tǒng)內(nèi)部變量之間的互饋機制與協(xié)同演化關(guān)系，目前SD被廣泛用于探究水資源復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同演化軌跡和動力機制，已經(jīng)形成了成熟的研究框架。Sivapalan［12］基于SD 用數(shù)學(xué)方法表示水資源和社會耦合系統(tǒng)的協(xié)同演化進(jìn)程，認(rèn)為不斷變化的人類價值觀是社會水文耦合系統(tǒng)的內(nèi)因。Jeong［13］使用SD 將概念水文模型和包含人口、土地利用、技術(shù)和政策維度的社會模型相結(jié)合，并應(yīng)用于韓國中部的Osan 流域，分析了農(nóng)業(yè)廢水回用的社會效益。Feng 等［14］將供水、發(fā)電及環(huán)境視為一個耦合系統(tǒng)，即WPE 系統(tǒng)，并采用SD 模擬WPE 內(nèi)部的行為機制，以更好的研究協(xié)同演化關(guān)系；Jia等［15］在此基礎(chǔ)上，在SD模型中了添加了氣候變化、計劃生育及人口老齡化等影響因素。

隨著人類活動的逐步加強，水利工程在漢江上游大規(guī)模開發(fā)，特別是南水北調(diào)中線工程的實施［16］，水資源、經(jīng)濟社會和環(huán)境之間的耦合程度不斷加深，共同支撐著社會進(jìn)步和經(jīng)濟發(fā)展。因此，為了促進(jìn)社會經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，有必要對漢江流域水資源復(fù)合系統(tǒng)的供水、發(fā)電、經(jīng)濟和社會發(fā)展及環(huán)境污染等要素進(jìn)行協(xié)同分析［17］，以便充分了解水資源復(fù)合系統(tǒng)內(nèi)部要素的相互作用關(guān)系，為漢江上游經(jīng)濟發(fā)展和水資源高效利用提供決策支持。

1 水資源-社會-環(huán)境概念模型及互饋機理

1.1 水資源-社會-環(huán)境耦合模型概念解析

漢江上游水資源-社會-環(huán)境耦合模型包括水資源子系統(tǒng)、社會子系統(tǒng)及環(huán)境子系統(tǒng)，在整個耦合系統(tǒng)中，水資源子系統(tǒng)是研究主體，環(huán)境子系統(tǒng)充當(dāng)媒介角色，社會子系統(tǒng)起到主要調(diào)節(jié)作用。在整個耦合系統(tǒng)中，人是最活躍、最主動的要素，環(huán)保意識、生活水平、科技水平都是系統(tǒng)演化的主要驅(qū)動力。這就意味著水資源子系統(tǒng)和環(huán)境子系統(tǒng)都會受到社會子系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)，同時也為社會子系統(tǒng)中經(jīng)濟生產(chǎn)和人口發(fā)展服務(wù)。

從概念上講，漢江上游可以視為一個概念水庫，其主要入流來自于降雨，可以儲存供人類利用的水。社會發(fā)展依賴于電能消耗，水力發(fā)電作為中國開發(fā)技術(shù)最為成熟的清潔能源，是電力供給的有力支撐［18］。水資源系統(tǒng)除了可以提供維持居民生存的水資源外，還可以通過水力發(fā)電供給電能。漢江上游的電力供給主要由火電和水電構(gòu)成，其中，水力發(fā)電假定是在流域出口斷面進(jìn)行的，其原理是將流域出流的勢能轉(zhuǎn)化為電能，這一過程中，水是非消耗性的，而火電則需要消耗一部分水量。社會子系統(tǒng)受到水資源系統(tǒng)供給的水資源及電能，通過人類生產(chǎn)及生活活動創(chuàng)造財富、發(fā)展科技，使社會不斷進(jìn)步。人類用水過程中，不可避免會排放污水導(dǎo)致環(huán)境惡化，環(huán)境子系統(tǒng)做出反饋，驅(qū)使人類環(huán)境意識增高，從而調(diào)整用水及用電需求，并通過科技手段來提高用水效率和污水處理能力，使環(huán)境得到改善。最終，水資源，社會及環(huán)境系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展，共同進(jìn)步，漢江上游水資源-社會-環(huán)境耦合模型概念示意圖如圖1所示。

1.2 水資源-社會-環(huán)境耦合模型互饋機理

根據(jù)上一節(jié)對水資源-社會-環(huán)境耦合模型的概念解析，可以從各個子系統(tǒng)中選取一些具有代表性的指標(biāo)，來反映水資源、社會與生態(tài)環(huán)境之間錯綜復(fù)雜的關(guān)系，各個子系統(tǒng)之間互饋關(guān)系及選取的主要指標(biāo)如圖2所示。

水資源子系統(tǒng)模擬了漢江上游的水量平衡，流域蓄水量是該子系統(tǒng)最有代表性的指標(biāo)，其變化在時間序列上有累積效應(yīng)，為狀態(tài)變量。漢江上游的輸入水量主要來自于降雨，而輸出水量需要考慮發(fā)電、下游需水量及南水北調(diào)取水。水資源子系統(tǒng)對生態(tài)環(huán)境具有維持與控制的作用，并為社會子系統(tǒng)提供生活生產(chǎn)所需要的水資源及一部分電能。社會子系統(tǒng)獲取到所需資源后，進(jìn)行生產(chǎn)活動創(chuàng)造財富，并提高科技水平與生活水平。在用水過程中，會產(chǎn)生污染使生態(tài)環(huán)境退化，本研究選取人均污水排放量作為表征指標(biāo)。生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)受到的污染會引起人類環(huán)保意識的累積增加，對用水及用電需求做出調(diào)整［19］，進(jìn)一步驅(qū)動水資源子系統(tǒng)做出反饋。

2 水資源-社會-生態(tài)耦合SD模型建立

2.1 系統(tǒng)動力學(xué)流圖

根據(jù)模型描述，可以做出漢江上游水資源-社會-環(huán)境耦合模型的系統(tǒng)動力學(xué)流圖，如圖3所示，圖中“→”代表信息鏈，代表了系統(tǒng)內(nèi)各要素間信息及物質(zhì)的轉(zhuǎn)移軌跡，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析反饋回路圖可以清晰的展示各個變量間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系。

2.2 數(shù)據(jù)來源

模型所采用的降雨、水資源、人口、經(jīng)濟等數(shù)據(jù)資料均來自2006-2018年漢江上游內(nèi)各省市的水資源公報及統(tǒng)計年鑒中的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，電力數(shù)據(jù)來自于2006-2018年《中國電力年鑒》中的統(tǒng)計資料，2019-2050年的降雨數(shù)據(jù)為RCP4.5 情景下，由CanESM2 氣候模式經(jīng)SDSM 統(tǒng)計降尺度模型得出［20］，另一些指標(biāo)通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法由已搜集的數(shù)據(jù)計算出結(jié)果代入模型中。

2.3 動力方程

水資源-社會-環(huán)境耦合模型內(nèi)部各個要素之間的動力方程描述了變量之間的正負(fù)反饋關(guān)系以及外部作用力的影響。在概念模型中，動力方程的結(jié)構(gòu)常?？梢酝ㄟ^研究者的經(jīng)驗及對復(fù)雜系統(tǒng)的認(rèn)知確定，在數(shù)據(jù)資料合適時可以使用數(shù)據(jù)分析方法，也可以從相關(guān)研究文獻(xiàn)中獲取，或者基于共識原則（如logistic 增長）來概念化［12］。本文結(jié)合上述幾種方法，確定了各動力方程的結(jié)構(gòu)，并通過試錯法及SCE-UA 優(yōu)化算法［21］來率定各個方程的參數(shù)。

（1）水量方程。水量方程描述了漢江上游的水量平衡，將流域蓄水量的變化描述為流域不同輸入和輸出水量的總和。漢江上游的入流主要來源于降雨，輸出水量包括流域內(nèi)用水、火電耗水量、南水北調(diào)取水及保證下游需水量的出流，公式如下：

式中：S為流域蓄水量，億m3；P為降雨，億m3；α為產(chǎn)水系數(shù)；U為人均用水量，m3/人；N為總?cè)丝?，萬人；G為人均用電量，kWh/人；γt為火電比例；f(γtGN)為火電耗水量，億m3；WD為南水北調(diào)取水量，枯水年為70 億m3，平水年和豐水年為95 億m3；O為滿足下游用水需求的出流，億m3；一般認(rèn)為，出流O與流域蓄水量S呈線性關(guān)系。

（2）人口方程。常用的人口方程有Malthusian 方程和logistic方程［22］，本研究結(jié)合兩種方程的特點，做出了適當(dāng)修正，模擬了人口的自然增長狀態(tài)受到環(huán)保意識的抑制作用和生活水平的促進(jìn)作用后的動態(tài)變化，具體如下：

式中：r為漢江上游人口自然增長率；Nmax為流域內(nèi)資源所能承載的最大人口數(shù)，萬人；n（E）和n（L）分別為環(huán)保意識的抑制作用和生活水平的促進(jìn)作用，表達(dá)分別如下

（3）環(huán)保意識方程。環(huán)保意識反映了隨著污染增加，流域內(nèi)居民感受到環(huán)境惡化對社會子系統(tǒng)潛在的威脅，其變化率不是一成不變的，由于科技水平和用水效率的提高，環(huán)境意識的增長率將逐漸減緩，故引入了logistic 方程，并做出了適當(dāng)修正，如下式：

式中：Emax為環(huán)保意識上限，即100；C為人均污染排放量，萬t/人，主要與人均用水量及科技水平T有關(guān)，表達(dá)式如下：

式中：T為科技水平，與流域生產(chǎn)總值息息相關(guān)；D為水力發(fā)電赤字，參考文獻(xiàn)［14］中科技水平的計算公式，兩者表達(dá)式如下：

式中：γh為水電比例；GN為總用電量，kWh；Q為流域出口斷面流量，m3/s；H為漢江上游落差，本研究取227 m；k為出力系數(shù)，取8.5；t為時長，取8 760 h。

根據(jù)優(yōu)化算法及試錯法結(jié)果，g（T）、g（E）和g（D）的表達(dá)式如下：

（5）其他控制方程。通過擬合實測數(shù)據(jù)，其他控制方程列于表1。人均用水量主要與環(huán)保有關(guān)，當(dāng)環(huán)保意識小于臨界值Ecrit時，人均用水呈增加趨勢，當(dāng)環(huán)保意識累積到一定階段，超過Ecrit后，社會子系統(tǒng)開始對用水情況做出調(diào)整［14］，隨著環(huán)保意識的逐漸累積，人均用水量將逐漸減少。流域生產(chǎn)總值、生活水平均由用水和用電情況決定。

表1 部分控制方程Tab.1 Some governing equations

2.4 參數(shù)設(shè)置

主要狀態(tài)變量初始值由2006年相關(guān)統(tǒng)計資料的實際值確定，見表2。

表2 模型主要狀態(tài)變量及初始值Tab.2 The main state variables and its initial values of the model

動力方程內(nèi)部分參數(shù)根據(jù)收集到的實際數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)置，并采用試錯法進(jìn)行優(yōu)化，如表3所示。

表3 控制方程參數(shù)設(shè)置Tab.3 Equation parameters

（4）人均用電量方程。人均用電量方程與人口方程相似，需要考慮多個因素的影響，本研究使用科技水平、環(huán)保意識和水力發(fā)電赤字三個影響因子來表征，即：

2.5 模型驗證

模型運行時間為2006年至2050年，時間步長為1年，以2006年為基準(zhǔn)期，其中2006-2018年為歷史數(shù)據(jù)期，2019-2050年為模型模擬期。流域生產(chǎn)總值、人口、人均用電量、人均用水量、人均污染排放量和流域蓄水量等指標(biāo)模擬結(jié)果及歷史實測數(shù)據(jù)如圖4所示，各指標(biāo)模擬結(jié)果在大小和趨勢上的適應(yīng)度都是可以接受的。

水文模型一般采用納什效率系數(shù)（Nash-Sutcliffeefficiency coefficient，NSE）驗證模擬結(jié)果的精度［23］，本文采用NSE 對水資源-社會-環(huán)境耦合模型的模擬結(jié)果進(jìn)行驗證，NSE 計算結(jié)果如表4所示。

由表4可知，人口、流域生產(chǎn)總值和人均用電量的NSE 位于0.849～0.956之間，模擬結(jié)果較好。人均用水量和人均污水排放量的NSE 分別為0.566 和0.569，也是可以接受的。而流域蓄水量的NSE 較小，僅為0.025，這是因為在進(jìn)行概化時，限于數(shù)據(jù)獲取途徑，只能使用《水資源公報》中的地表水資源量表征流域蓄水量，與實際可能有一定偏差。

表4 各代表變量模擬精度評價結(jié)果Tab.4 Simulation accuracy evaluation results of representative variables

2.6 內(nèi)部組元鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機理分析

由圖4可知，漢江上游GDP 雖有小幅度波動，但在總體上將保持穩(wěn)定上升的趨勢，人口將在2030年左右達(dá)到峰值，隨后開始下降，與世衛(wèi)組織的中國人口預(yù)測結(jié)果相符合。在2019-2050年，人均用水量和人均污水排放量均會逐步減少，這是因為2011年中央一號文件，明確提出實行最嚴(yán)格的水資源管理制度，隨后用水效率顯著提高，人均用水量和污水排放量近年來不斷減少，在未來仍會保持減少的趨勢。

模型其他指標(biāo)模擬結(jié)果如圖5所示，結(jié)合圖4對水資源復(fù)合系統(tǒng)內(nèi)部組元鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機理作進(jìn)一步分析。

各個子系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系是無法完全清楚的表達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部錯綜復(fù)雜的關(guān)系，單個要素受到干擾后，其振蕩狀態(tài)傳播及轉(zhuǎn)移具有連續(xù)性，因此就需要找出一個能全面反映系統(tǒng)中各個因素之間相互聯(lián)系并且能夠清晰明確地表達(dá)出整個系統(tǒng)中的所有因素的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機理，本研究借助原因樹圖和結(jié)果樹圖進(jìn)行輔助分析，原因樹圖是指決定某個量的所有原因量的樹枝結(jié)構(gòu)圖；結(jié)果樹圖是指使用某個量引起的所有結(jié)果量的樹枝結(jié)構(gòu)圖，結(jié)合因果樹圖，可以向前或向后追溯模型內(nèi)某一要素所受干擾的來源以及之后轉(zhuǎn)移的去向。

在圖5（a）中，環(huán)保意識在2011年之前增長較為迅速，隨后變緩，結(jié)合環(huán)保意識原因樹圖可以發(fā)現(xiàn)，引起環(huán)保意識變化的量有人均污水排放量、人均用水和科技水平。從圖4（d）和圖4（f）可以看出，在2011年之前，漢江上游對水資源的利用較為粗放，人均用水量和人均污染排放量逐年增加，故環(huán)保意識增長較快，并于2011年達(dá)到臨界值，社會子系統(tǒng)開始對用水量做出調(diào)節(jié)，2011年中央一號文件，明確提出實行最嚴(yán)格的水資源管理制度，隨后用水效率逐步提高，人均用水量和污水排放量近年來不斷減少，在未來仍會保持減少的趨勢。人均用水量的結(jié)果樹圖如圖7所示，人均用水量的減少會驅(qū)動人均污水排放量同步減少，進(jìn)而驅(qū)動環(huán)保意識改變再反饋給人均用水，形成了一條閉環(huán)；除此之外，人均用水的變化還會通過總用水反饋給流域蓄水量和流域生產(chǎn)總值，或通過生活水平反饋給人口。圖5（b）表明，2011年之前，生活水平增速較快，2011年后由于人均用水的調(diào)整，增速開始變緩，如圖4（a）所示，同樣的變化趨勢在流域生產(chǎn)總值上亦有體現(xiàn)，與前述因果分析相一致。

由圖5（c）可以看出，在2014年之前，科技水平增長成直線增加的趨勢，而2014年后，增速變緩，并有輕微的波動。結(jié)合圖8科技水平原因樹圖向前追溯，其變化來源為總用水、總用電和水力發(fā)電赤字。由圖5（d）可以看出，2014年之前，漢江上游水資源充足，水力發(fā)電充足，無赤字現(xiàn)象，2014年后，南水北調(diào)開始取水，而用電需求一直上升，故開始出現(xiàn)赤字，由于水資源的豐平枯交替而波動上升。結(jié)合圖9可知，受到水力發(fā)電赤字的影響，流域生產(chǎn)總值會出現(xiàn)小幅度波動，但總體上保持上升趨勢，并將此種變化傳遞了科技水平。

3 結(jié)論和建議

本文采用系統(tǒng)動力學(xué)的研究方法，分析了漢江上游水資源-社會-環(huán)境耦合系統(tǒng)的演化規(guī)律及驅(qū)動機制，主要結(jié)論如下。

（1）從社會水文學(xué)的角度出發(fā)，在宏觀尺度上分析了水資源、經(jīng)濟社會及生態(tài)環(huán)境之間的復(fù)雜聯(lián)系，并將其轉(zhuǎn)換為各個子系統(tǒng)內(nèi)數(shù)個變量的互饋關(guān)系，通過系統(tǒng)動力學(xué)方法建立了水資源-社會-環(huán)境耦合模型，模擬了漢江上游2019-2050年的水資源、社會及環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)同演化。

（2）水資源-社會-環(huán)境耦合模型模擬結(jié)果顯示，漢江上游人口將于2030年左右達(dá)到峰值，隨后開始下降，GDP 受到水資源的豐枯交替，會受到一定擾動，但在總體保持著上升的趨勢。在“三條紅線”政策影響下，人均用水量及污染排放均會逐步減少。

（3）結(jié)合因果樹圖可知，復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)某個要素的干擾具有鏈?zhǔn)絺鞑サ奶攸c，并可以結(jié)合因果樹圖追溯干擾的來源及去向。例如，環(huán)保意識的增速變緩，追溯其原因為生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)內(nèi)人均污水排放的減少，其變化會沿“環(huán)保意識——人均用水——總用水——流域蓄水量”反饋鏈向水資源系統(tǒng)轉(zhuǎn)移。

結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)模型，能夠較好的仿真模擬出水資源、社會和生態(tài)環(huán)境之間的相互之間的雙向反饋機制，能夠幫助觀測、理解和預(yù)測未來協(xié)同演化的軌跡。在經(jīng)濟社會不斷進(jìn)步的當(dāng)今時代，人水關(guān)系日益緊繃，我們應(yīng)當(dāng)重新審視在人類發(fā)展過程中水資源所起的作用，應(yīng)當(dāng)意識到人類除了利用水資源，還應(yīng)當(dāng)平衡人水關(guān)系，爭取可持續(xù)發(fā)展。政府應(yīng)當(dāng)重視流域的生態(tài)環(huán)境保護，從完善管理政策和提高居民環(huán)保意識兩方面共同努力。現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)進(jìn)步迅猛，我們應(yīng)當(dāng)將先進(jìn)的科技融入到水資源的開發(fā)及管理中去，提高用水效率、降低污染排放，以實現(xiàn)水資源、社會與環(huán)境的協(xié)同發(fā)展?！?/p>