基于SD模型的甘肅省水資源承載力及結(jié)構(gòu)性需水預(yù)測

宗 鑫

（北方民族大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，銀川 750021）

0 引 言

甘肅省作為我國西北內(nèi)陸重要省區(qū)，70%的國土面積為干旱半干旱區(qū)，特殊的自然地理環(huán)境和氣候條件決定其是我國水資源最緊缺的區(qū)域之一，全省多年平均水資源總量為259 億m3，居全國倒數(shù)第四，人均和耕地平均水資源量分別是全國平均的1/2 和1/4。為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記視察甘肅重要講話及在黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展座談會上的重要講話精神，甘肅省立足省情水情，把水資源作為最大的剛性約束，從著力保障水資源安全等方面出發(fā)，分別制定了《甘肅省節(jié)水行動實(shí)施方案》、《甘肅省水安全保障規(guī)劃》，規(guī)劃了到2035年的節(jié)水目標(biāo)及水安全保障目標(biāo)。但從目前現(xiàn)狀看，水資源的供需矛盾比較突出，用水的結(jié)構(gòu)不優(yōu)、效率不高，仍加劇缺水形勢，致使水資源承載能力不足。為此，研究甘肅省水資源承載能力及結(jié)構(gòu)性需水，為縮小水資源供需矛盾、改善用水結(jié)構(gòu)、提升水資源使用效率、保障水安全等方面提供合理化建議則十分必要。

目前，關(guān)于水資源承載力的研究成果日益增多，其研究方法主要有生態(tài)足跡法［1］、主成分分析法［2］、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［3］、常規(guī)趨勢法［4］、投影尋蹤方法［5］、模糊綜合評價(jià)法［6-10］、多目標(biāo)分析決策法［11］、系統(tǒng)動力學(xué)方法［12-18］等。綜合對比以上方法，發(fā)現(xiàn)相較于其他方法或多或少具有靜態(tài)分析、未能全面反映因素間相互作用與制約關(guān)系、局限于單因素表現(xiàn)、主觀性等缺陷，系統(tǒng)動力學(xué)方法因具有多變量、非線性、高階次、多反饋的特點(diǎn)，可以較好地反映系統(tǒng)的各種因果反饋關(guān)系，不僅能夠?qū)ΜF(xiàn)狀進(jìn)行評價(jià)，而且可以對未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，還可以對不同的情景進(jìn)行仿真模擬，從而優(yōu)選出最佳的情景及相應(yīng)的承載力狀態(tài)。

基于此，立足省情水情，把水資源作為最大的剛性約束，運(yùn)用系統(tǒng)動力學(xué)方法，借助VensimPLE8.2.0 軟件，在構(gòu)建甘肅省水資源承載力SD 模型的基礎(chǔ)上，對模型中影響經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的主要決策變量進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)5種情景，分別對每種情景進(jìn)行仿真預(yù)測，研究結(jié)果可以為甘肅省水資源可持續(xù)利用和水安全保障提供決策參考。

1 SD模型構(gòu)建及數(shù)據(jù)來源

1.1 模型構(gòu)建

1.1.1 模型構(gòu)建基本框架

本系統(tǒng)共包含社會與水資源、經(jīng)濟(jì)與水資源、環(huán)境與水資源3 個因果反饋關(guān)系。各子系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系及構(gòu)建SD模型的基本框架如圖1所示。

1.1.2 模型邊界及因果反饋回路

借助VensimPLE8.2.0 軟件，以甘肅省行政區(qū)域?yàn)榭臻g邊界，以2012-2035年為時(shí)間邊界，時(shí)間間隔為1年。在Vensim-PLE8.2.0 中繪制因果關(guān)系反饋回路圖（如圖2所示），有利于更加清楚模型中各變量之間的因果反饋關(guān)系。

1.1.3 模型系統(tǒng)流圖與主要方程

借助VensimPLE8.2.0軟件，繪制了甘肅省水資源承載力SD模型系統(tǒng)流圖（如圖3所示）。本系統(tǒng)中所包含的社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境3 個子系統(tǒng)共有85 個變量，其中包含10 個水平變量（L）、10個速率變量（R）、32 個輔助變量（A）和33 個表函數(shù)。各子系統(tǒng)中所包含的10個速率變量（R）和32個輔助變量（A）主要方程如表1所示。

表1 速率變量及輔助變量表Tab.1 Rate variable and auxiliary variable table

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)均來源于2012-2018年《甘肅省水資源公報(bào)》、2013-2019年《甘肅統(tǒng)計(jì)年鑒》、2012-2018年甘肅省國民經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、《甘肅省行業(yè)用水定額（2017 版）》（甘政發(fā)［2017］45 號）、《甘肅省節(jié)水行動實(shí)施方案》（2019年12月24日）、《甘肅省水安全保障規(guī)劃》（甘政發(fā)［2020］30號）。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型檢驗(yàn)

2.1.1 結(jié)構(gòu)性檢驗(yàn)

借助VensimPLE8.2.0 軟件自帶的“Check Model”和“Unites Check”兩個功能，驗(yàn)證結(jié)果顯示模型系統(tǒng)邊界、因果關(guān)系、結(jié)構(gòu)流圖、方程式、量綱通過檢驗(yàn)。

2.1.2 歷史性檢驗(yàn)

選取2012-2018年甘肅省總?cè)丝跀?shù)量、第一產(chǎn)業(yè)增加值、工業(yè)增加值、建筑業(yè)增加值、服務(wù)業(yè)增加值、供水總量6 個關(guān)鍵變量對模型進(jìn)行歷史性檢驗(yàn)，與2012-2018年七年的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比（如表2所示），結(jié)果表明模擬值與實(shí)際值基本相符，6 個代表性變量誤差基本控制在±1%以內(nèi)，精度較高，且二者變化趨勢基本一致，通過歷史性檢驗(yàn)，說明模型有效，可以用來預(yù)測2018-2035年甘肅省的水資源承載力狀況。

表2 歷史性檢驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Historical test results

2.2 情景仿真模擬與預(yù)測

根據(jù)《甘肅省水安全保障規(guī)劃》（甘政發(fā)［2020］30號）（以下簡稱《規(guī)劃》）可知，預(yù)計(jì)到2035年甘肅省供水總量需達(dá)132.3億m3，其中本地地表水87.0 億m3、外調(diào)18.8 億m3、地下水21.1億m3、其他工程5.3 億m3，需水總量控制在141.7 億m3，水資源供需比達(dá)到0.933 7，要達(dá)到或接近此目標(biāo)需對模型中的決策變量進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，以明確社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境子系統(tǒng)與水資源之間的動態(tài)發(fā)展關(guān)系。

2.2.1 情景與方案設(shè)計(jì)

在2035年供水總量《規(guī)劃》目標(biāo)既定和需水總量控制的情況下，模型選取2018年為初始年，通過情景設(shè)計(jì)，綜合對比不同情景，為甘肅省水資源可持續(xù)利用和水安全保障提供有力支撐。為此，設(shè)計(jì)了5種情景（如表3所示）。

表3 情景主要決策變量設(shè)置Tab.3 Setting of main decision variables in the model scenario

續(xù)表3 情景主要決策變量設(shè)置

（1）現(xiàn)狀型，假設(shè)到2035年甘肅省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的政策維持現(xiàn)狀，所有決策變量保持現(xiàn)有發(fā)展情況不變，初始值以2018年的參數(shù)值為基礎(chǔ)，進(jìn)行2018-2035年的水資源承載力模擬仿真。

（2）發(fā)展型，在現(xiàn)狀型的基礎(chǔ)上，單純追求經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，保持中高速發(fā)展，主要調(diào)整產(chǎn)業(yè)間增長比例，假設(shè)第一產(chǎn)業(yè)增加值增長率、工業(yè)增加值增長率、建筑業(yè)增加值增長率、服務(wù)業(yè)增加值增長率維持中高速發(fā)展，分別設(shè)定為8%、8%、9%、12%，并且設(shè)定人口增長率、城鎮(zhèn)化率、農(nóng)田有效灌溉面積增長率、林果灌溉面積增長率、草場灌溉面積增長率、牲畜數(shù)量增長率、城鎮(zhèn)環(huán)境用水量、農(nóng)村生態(tài)用水量到2035年均比2018年（現(xiàn)狀型）增加30%，魚塘補(bǔ)水面積增長率不變；同時(shí)，考慮生態(tài)環(huán)境保護(hù)需求，假設(shè)生活污水排放系數(shù)、工業(yè)廢水排放系數(shù)、生活污水COD 排放系數(shù)、工業(yè)廢水COD 排放系數(shù)均比2018年（現(xiàn)狀型）降低10%，污水廢水處理率達(dá)到98%，污水廢水處理回用率達(dá)到29%。

（3）節(jié)約型，在現(xiàn)狀型和發(fā)展型基礎(chǔ)上，既要考慮整個經(jīng)濟(jì)社會中高速發(fā)展，又注重水資源保護(hù)與節(jié)約。因此，設(shè)定第一產(chǎn)業(yè)增加值增長率、工業(yè)增加值增長率、建筑業(yè)增加值增長率、服務(wù)業(yè)增加值增長率、人口增長率、城鎮(zhèn)化率與發(fā)展型保持一致，并且設(shè)定農(nóng)田有效灌溉面積增長率、林果灌溉面積增長率、草場灌溉面積增長率、牲畜數(shù)量增長率、城鎮(zhèn)環(huán)境用水量、農(nóng)村生態(tài)用水量到2035年均比2018年（現(xiàn)狀型）增加15%，魚塘補(bǔ)水面積增長率不變；在水資源保護(hù)與節(jié)約方面，設(shè)定城鎮(zhèn)人均生活用水定額、農(nóng)村人均生活用水定額、農(nóng)田灌溉用水定額、林果灌溉用水定額、草場灌溉用水定額、魚塘補(bǔ)水用水定額、牲畜頭均用水定額、萬元工業(yè)增加值用水量、萬元建筑業(yè)增加值用水量、萬元服務(wù)業(yè)增加值用水量均比2018年（現(xiàn)狀型）降低10%，同時(shí)設(shè)定生活污水排放系數(shù)、工業(yè)廢水排放系數(shù)、生活污水COD 排放系數(shù)、工業(yè)廢水COD 排放系數(shù)均比2018年（現(xiàn)狀型）降低20%，污水廢水處理率達(dá)到99%，污水廢水處理回用率達(dá)到38%。

綜合型，既要保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中高速、平穩(wěn)發(fā)展，又要注重水資源的保護(hù)與節(jié)約、高效利用以及污水廢水回用量的增加，以此達(dá)到綜合協(xié)調(diào)發(fā)展的效果。

（4）綜合型1，綜合考慮發(fā)展型與節(jié)約型，綜合型1 下經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的主要決策變量數(shù)值除第一產(chǎn)業(yè)增加值增長率、工業(yè)增加值增長率、建筑業(yè)增加值增長率、服務(wù)業(yè)增加值增長率分別降低到7%、7%、8%、11%外，人口增長率、城鎮(zhèn)化率、農(nóng)田有效灌溉面積增長率、林果灌溉面積增長率、草場灌溉面積增長率、魚塘補(bǔ)水面積增長率、牲畜數(shù)量增長率、城鎮(zhèn)環(huán)境用水量、農(nóng)村生態(tài)用水量與發(fā)展型保持一致；水資源保護(hù)與節(jié)約方面，城鎮(zhèn)人均生活用水定額、農(nóng)村人均生活用水定額、農(nóng)田灌溉用水定額、林果灌溉面積用水定額、草場灌溉用水定額、魚塘補(bǔ)水用水定額、牲畜頭均用水定額、萬元工業(yè)增加值用水量、萬元建筑業(yè)增加值用水量、萬元服務(wù)業(yè)增加值用水量、生活污水排放系數(shù)、工業(yè)廢水排放系數(shù)、生活污水COD 排放系數(shù)、工業(yè)廢水COD 排放系數(shù)、污水廢水處理率、污水廢水處理回用率與節(jié)約型保持一致。

（5）綜合型2，依據(jù)《規(guī)劃》目標(biāo)，預(yù)計(jì)到2035年甘肅省常住人口將增加至約3 000 萬人，城鎮(zhèn)化率達(dá)到68%，工業(yè)增加值預(yù)計(jì)超過7 600 億元，農(nóng)田灌溉用水量5 700 m3/hm2，農(nóng)田退減灌溉面積4.47 萬hm2，新增林果面積8.33 萬hm2，萬元工業(yè)增加值用水量21 m3，城鎮(zhèn)人均生活用水定額38.325 m3，農(nóng)村人均生活用水定額29.2 m3，再生水回用率超過30%，及其他《規(guī)劃》目標(biāo)。為此，在綜合考慮現(xiàn)狀型、發(fā)展型、節(jié)約型、綜合型1 的基礎(chǔ)上，對所有決策變量數(shù)值又進(jìn)一步做了相應(yīng)調(diào)整。

2.2.2 情景模擬仿真結(jié)果

通過決策變量的設(shè)定與調(diào)整，可以得到五種情景下甘肅省2018-2035年水資源可承載經(jīng)濟(jì)規(guī)模、供水總量、需水總量、水資源供需比、居民生活需水量、農(nóng)田灌溉需水量、林牧漁畜需水量、工業(yè)需水量、城鎮(zhèn)公共需水量、生態(tài)環(huán)境需水量的變化趨勢圖（如圖4～6所示）。

（1）水資源可承載經(jīng)濟(jì)規(guī)模。水資源可承載經(jīng)濟(jì)規(guī)模越大說明承載能力越強(qiáng)，由圖4可知，五種情景2018-2035年承載能力均在增強(qiáng)。對比發(fā)現(xiàn)，到2035年，現(xiàn)狀型水資源可承載經(jīng)濟(jì)規(guī)模達(dá)到22 018.6 億元；發(fā)展型水資源可承載經(jīng)濟(jì)規(guī)模為21 316 億元，比現(xiàn)狀型減少了702.6 億元；節(jié)約型水資源可承載經(jīng)濟(jì)規(guī)模為23 864.1 億元，均比現(xiàn)狀型和發(fā)展型有所改善；綜合型1 水資源可承載經(jīng)濟(jì)規(guī)模達(dá)到22 406.6 億元，比現(xiàn)狀型、發(fā)展型承載規(guī)模大，但比節(jié)約型承載規(guī)模小1 457.5 億元；綜合型2 水資源可承載經(jīng)濟(jì)規(guī)模達(dá)到25 757.6 億元，均比以上4 種情景好。

（2）水資源供需比?！兑?guī)劃》預(yù)計(jì)到2035年供水總量需達(dá)132.3 億m3，圖5（a）顯示2018-2035年現(xiàn)狀型、發(fā)展型、節(jié)約型、綜合型1、綜合型2供水總量仿真預(yù)測值基本一致，且到2035年預(yù)測值分別為131.96、132.59、132.79、132.65、132.35 億m3，與《規(guī)劃》預(yù)計(jì)值基本接近?？梢约俣ㄔ诠┧偭磕繕?biāo)確定的情況下，結(jié)合2018-2035年需水總量仿真預(yù)測值（到2035年現(xiàn)狀型、發(fā)展型、節(jié)約型、綜合型1、綜合型2 預(yù)測值分別為144.38、160.40、143.50、141.89、141.29 億m3），便可得到水資源供需比，其值大于1 說明供給大于需求，小于1 說明供給小于需求。由圖5（c）可知，甘肅省2018-2035年水資源供需比均小于1，說明水資源存在一定程度的供需矛盾，其中綜合型2供需矛盾最小，發(fā)展型供需矛盾最大。5 種情景中，綜合型2 變化趨勢均好于其余四種情景，并于2030年達(dá)到峰值0.989 0，到2035年達(dá)到0.936 8，與《規(guī)劃》預(yù)期目標(biāo)0.933 7 較為接近。雖然，綜合型1到2035年達(dá)到0.934 9，與《規(guī)劃》預(yù)期目標(biāo)值也比較接近，但其2018-2035年整體變化趨勢卻劣于綜合型2。

（3）結(jié)構(gòu)性需水量。需水結(jié)構(gòu)包含居民生活（城鎮(zhèn)、農(nóng)村）、農(nóng)田灌溉、林牧漁畜（林果、草場、魚塘、牲畜）、工業(yè)、城鎮(zhèn)公共（建筑業(yè)、服務(wù)業(yè)）、生態(tài)環(huán)境（城鎮(zhèn)環(huán)境、農(nóng)村生態(tài)）6 個指標(biāo)12個層面。由圖6可知，5種情景2018-2035年除農(nóng)田灌溉需水量整體呈下降趨勢外，其余均呈不同幅度上升趨勢，其中現(xiàn)狀型生態(tài)環(huán)境需水量不變，各年均為4.673 億m3。

對比5 種情景，圖6（a）顯示綜合型2 居民生活需水量變化趨勢均高于其余4 種情景，到2035年達(dá)10.622 5 億m3，占需水總量7.52%，這與《規(guī)劃》預(yù)計(jì)到2035年總?cè)丝跀?shù)量將達(dá)到3000萬人左右、城鎮(zhèn)化率達(dá)到68%、農(nóng)村人均生活用水定額上浮至29.2 m3有關(guān)，其次為發(fā)展型，而現(xiàn)狀型、節(jié)約型、綜合型1 則最低，變化趨勢基本一致；圖6（b）顯示綜合型2 農(nóng)田灌溉需水量變化趨勢及下降幅度最大，到2035年降至70.462 6 億m3，占需水總量49.87%，這與《規(guī)劃》農(nóng)田灌溉用水定額降至5 700 m3/hm2，大力發(fā)展節(jié)水灌溉有關(guān)，其余4 種情景下降幅度均小于綜合型2；圖6（c）顯示綜合型2 林牧漁畜需水量從2026年開始呈顯著上升趨勢，到2035年增至25.169 3 億m3，占需水總量17.81%，這與《規(guī)劃》新增林果、魚塘補(bǔ)水面積有關(guān)，其余4 種情景上升幅度趨緩；圖6（d）顯示綜合型2 工業(yè)需水量變化趨勢及上升幅度最小，到2035年增至15.970 8 億m3，占需水總量11.30%，這與工業(yè)發(fā)展及《規(guī)劃》萬元工業(yè)增加值用水量降至21 m3，大力發(fā)展工業(yè)節(jié)水有關(guān)，其余四種情景上漲幅度均高于綜合型2；圖6（e）顯示城鎮(zhèn)公共需水量從2022年開始上升幅度均小于其余4 種情景，到2035年增至13.687 7 億m3，占需水總量9.69%，這同樣與建筑業(yè)和服務(wù)業(yè)大力發(fā)展節(jié)水有關(guān)；圖6（f）顯示綜合型2生態(tài)環(huán)境需水量變化趨勢及上升幅度與節(jié)約型一致，到2035年增至5.374 0 億m3，占需水總量3.80%，發(fā)展型、綜合型1 變化趨勢及上升幅度最大，趨于一致，而現(xiàn)狀型則維持2018年現(xiàn)狀不變。

整體上來看，綜合型2 中除農(nóng)田灌溉需水量屬下降外，比2018年減少了21.827 7 億m3，其余五種結(jié)構(gòu)性需水量均呈上漲趨勢，相比2018年居民生活、林牧漁畜、工業(yè)、城鎮(zhèn)公共、生態(tài)環(huán)境需水量分別增加了3.284 0、13.270 1、5.154 4、9.758 2、0.701 0億m3。按照占需水總量比例從大到小，依次為農(nóng)田灌溉、林牧漁畜、工業(yè)、城鎮(zhèn)公共、居民生活、生態(tài)環(huán)境。

3 結(jié) 論

運(yùn)用系統(tǒng)動力學(xué)方法，借助VensimPLE8.2.0 軟件，在構(gòu)建甘肅省水資源承載力SD 模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了現(xiàn)狀型、發(fā)展型、節(jié)約型、綜合型1、綜合型2 五種情景，分別對每種情景進(jìn)行仿真預(yù)測，研究結(jié)論如下：

第一，現(xiàn)狀型、發(fā)展型、節(jié)約型到2035年的需水總量均大于《規(guī)劃》目標(biāo)，水資源供需比均小于《規(guī)劃》目標(biāo)，說明維持2018年經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展現(xiàn)狀不變的政策及單純追求經(jīng)濟(jì)社會中高速發(fā)展不注重節(jié)約的情景均會增加水資源的供需矛盾，且不利于水資源的高效利用與節(jié)約，而適度考慮經(jīng)濟(jì)社會中高速發(fā)展又注重水資源節(jié)約與保護(hù)的節(jié)約型可緩解以上兩種情景的不足，但與《規(guī)劃》總目標(biāo)尚有一定差距。

第二，綜合型1情景下水資源供需比比較接近《規(guī)劃》目標(biāo)，但與《規(guī)劃》中所預(yù)計(jì)的到2035年的總?cè)丝跀?shù)量、城鎮(zhèn)化率、工業(yè)增加值、農(nóng)村人均生活用水定額、萬元工業(yè)增加值用水量、農(nóng)田灌溉用水量等目標(biāo)尚有一定差距，故又設(shè)計(jì)了綜合型2，通過對比發(fā)現(xiàn)綜合型2 比綜合型1 更優(yōu)，既能滿足供水總量、需水總量、水資源供需比與《規(guī)劃》總目標(biāo)比較接近，又能滿足《規(guī)劃》具體目標(biāo)。

第三，按照綜合型2 情景，甘肅省預(yù)計(jì)到2035年總?cè)丝跀?shù)量將達(dá)到3 000.28 萬人，供水總量、需水總量分別為132.35、141.289 億m3，水資源供需比0.936 8，水資源可承載經(jīng)濟(jì)規(guī)模達(dá)到25 757.6 億元，居民生活、農(nóng)田灌溉、林牧漁畜、工業(yè)、城鎮(zhèn)公共、生態(tài)化境需水量分別達(dá)到10.622 5、70.462 6、25.169 3、15.970 8、13.687 7、5.374 0 億m3，第一產(chǎn)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)、服務(wù)業(yè)增加價(jià)值分別達(dá)到5 350.58、7 605.16、1 853.81、12 686.6 億元，污水廢水排放總量、污水廢水COD 排放總量分別降低到9.573 0、0.000 9 億t?！?/p>