盧方園, 賈德彬, 高瑞忠, 蘇文旭, 趙 航, 楊麗娜
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護與利用重點實驗室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)
在全球生態(tài)安全治理過程中,荒漠化是面臨的最大挑戰(zhàn)之一,不僅對生態(tài)造成惡劣影響,還對社會經(jīng)濟有重大影響,沙漠化是荒漠化的一種典型類型,也是危害最大的一種荒漠化類型[1-2]。近年來,沙漠化治理逐漸引起高度關(guān)注。因此,正確協(xié)調(diào)沙漠化防治的各方面關(guān)系十分關(guān)鍵。黃河流域是我國重要的生態(tài)防護帶和經(jīng)濟發(fā)展區(qū),對黃河流域的生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展已成為國家重要部署,同時黃河流域又是生態(tài)環(huán)境脆弱帶[3-5]。為此,本研究以典型荒漠化生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)——庫布齊沙漠為研究區(qū),采用系統(tǒng)動力學模型,分析庫布齊沙漠地區(qū)社會經(jīng)濟用水時空變化特征以及動態(tài)模擬不同參數(shù)方案下水資源承載狀態(tài),為庫布齊沙漠生態(tài)環(huán)境的改善與社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供強有力的支撐。
水資源承載力是對區(qū)域水資源承載狀態(tài)的重要衡量指標,正確評價區(qū)域水資源承載力,既是合理調(diào)控區(qū)域水資源配置的前提基礎(chǔ),也是實現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展的必要條件[6-8]。水資源承載力發(fā)展初期的研究方法多偏向于靜態(tài)研究,例如層次分析法、模糊評價法等,該時期的研究方法往往忽略了人口-經(jīng)濟-水資源系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)系[9-11],因此,在后續(xù)研究中系統(tǒng)動力學(System Dynamics,SD)、多目標情景規(guī)劃等動態(tài)研究方法逐步改善了初期研究方法的缺點,更綜合、完整地考慮水資源承載力在整體系統(tǒng)中的變化[12-14]。系統(tǒng)動力學的優(yōu)點就是在其研究過程中可用于分析多層次、非線性、復(fù)雜的系統(tǒng)問題,水資源承載力作為一個包含社會經(jīng)濟、水資源、生態(tài)環(huán)境等眾多影響因素的復(fù)雜問題,需要可以處理多重復(fù)雜問題系統(tǒng)的研究方法來解決,系統(tǒng)動力學是應(yīng)用于水資源承載力動態(tài)預(yù)測研究的重要方法[15]。但是,在運用系統(tǒng)動力學模型對水資源承載力進行仿真模擬時,僅考慮水資源供需補給關(guān)系容易忽略社會經(jīng)濟發(fā)展和人口等變量的影響[16]。因此,有研究逐漸考慮社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境、糧食能源等系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)之間的相互作用。如利用區(qū)域的SD 模型,建立水環(huán)境承載力預(yù)警體系,并確定當前區(qū)域超載情況[17]。同時,也有學者運用系統(tǒng)動力學模型,預(yù)測水資源與經(jīng)濟、社會和環(huán)境的響應(yīng)關(guān)系[18-20]。
庫布齊沙漠(39°30′28″~40°41′28″N,107°18′54″~111°30′46″E)位于黃河以南的鄂爾多斯高原北部邊緣,沙漠總長約400 km,寬度為30~80 km,總面積約1.39×104km2。所處區(qū)域有杭錦旗、準格爾旗、達拉特旗3 個旗縣,主要種植玉米、葵花、小麥等作物。1999—2019 年3 個旗的三產(chǎn)結(jié)構(gòu)由36.8:39.7:23.4調(diào)整為9.5:53:37.5,且GDP 由29.94×108元上升至659.17×108元。該區(qū)域年均降水量約200~400 mm,年均蒸發(fā)量2162 mm,降水量分布不均,呈西北遞減[21-23]。水資源總量稀少,區(qū)域用水結(jié)構(gòu)中農(nóng)業(yè)需水量最多,由于沒有充足的水資源支撐,加之水資源開發(fā)利用過度,庫布齊沙漠出現(xiàn)湖泊萎縮,綠洲土地沙化等問題。庫布齊沙漠水資源承載狀況復(fù)雜,是研究的重點區(qū)域。由于數(shù)據(jù)獲取有限,本研究僅覆蓋庫布齊沙漠的行政區(qū)域(圖1)。
圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Location map of the study area
庫布齊沙漠供水系統(tǒng)由3 部分組成:地表水供水、地下水供水和再生水供水(污水回用),其中地表用水量包括蓄水利用量、引提水量。圖2 能夠更加清晰地表明區(qū)域內(nèi)的水資源系統(tǒng)與社會供需水系統(tǒng)之間的關(guān)系[24]。
圖2 研究區(qū)水的社會循環(huán)過程Fig.2 Social cycle process of water in the study area
數(shù)據(jù)包括社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)和氣象水文數(shù)據(jù),時間序列為1999—2019 年。所有統(tǒng)計資料均以庫布齊沙漠內(nèi)3 個旗縣為行政單元統(tǒng)計,具體數(shù)據(jù)來源參考《鄂爾多斯市統(tǒng)計年鑒》《鄂爾多斯市水資源公報》《全國第二次污染源普查生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》《內(nèi)蒙古自治區(qū)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》《內(nèi)蒙古自治區(qū)用水定額》《鄂爾多斯市城市總體規(guī)劃(2011—2030)》。
1.3.1 關(guān)鍵驅(qū)動指標識別方法 運用Pearson 相關(guān)性分析、主成分分析法進行關(guān)鍵指標識別。Pearson相關(guān)性分析方法用于判別2 個變量間的相關(guān)性,變化范圍在-1~1 之間,一般0.7 以上說明關(guān)系非常緊密;0.4~0.7 之間說明關(guān)系緊密;0.2~0.4 說明關(guān)系一般。主成分分析則是通過降維、正交變換等原理考慮多個變量的相關(guān)性。
1.3.2 系統(tǒng)動力學仿真模型(SD) 系統(tǒng)動力學方法的原理是通過掌控系統(tǒng)各個指標之間的反饋關(guān)系進而對系統(tǒng)整體進行動態(tài)性和整體性分析[25]。本文運用系統(tǒng)動力學方法構(gòu)建庫布齊沙漠區(qū)域內(nèi)各旗縣水資源承載狀態(tài)模擬模型,再利用整體建模方法,空間耦合各旗縣模型,構(gòu)建庫布齊沙漠承載狀態(tài)模擬模型。
水資源承載狀態(tài)仿真模型由人口、經(jīng)濟、水資源和水污染排放子系統(tǒng)內(nèi)變量組成,可充分明確該區(qū)域水資源與社會、生態(tài)環(huán)境的發(fā)展情況。構(gòu)建該仿真模型的關(guān)鍵在于建立4 個子系統(tǒng)之間的聯(lián)系,從而建立各變量與水資源承載狀態(tài)值間的聯(lián)系,從機理上揭示承載狀態(tài)演變規(guī)律[26]。
1.3.3 數(shù)據(jù)與參數(shù)處理 模型中選取的主要參數(shù)均通過常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計計算方法確定,個別參數(shù)參考鄂爾多斯地區(qū)指標參數(shù)值,主要參數(shù)方程見表1。依據(jù)1999—2019 年各旗縣總用水量及生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水,結(jié)合人口、工業(yè)產(chǎn)值、灌溉面積計算居民生活用水定額、萬元工業(yè)產(chǎn)值用水量和畝均灌溉用水量[27]。經(jīng)計算,各旗縣居民生活用水定額約為每人85~95 L·d-1,各旗縣間無明顯差異,其中城鎮(zhèn)居民生活用水定額略高于農(nóng)村,生活用水系統(tǒng)引入人口增長率、城市化率,確保合理計算生活用水量;各旗縣萬元工業(yè)增加值用水量通過工業(yè)用水量與工業(yè)產(chǎn)值比值計算得出[28],區(qū)分不同旗縣間工業(yè)產(chǎn)值增長率、單位工業(yè)產(chǎn)值耗水量;該區(qū)污水集中處理率≥85%,工業(yè)排污系數(shù)和生活污水排放系數(shù)均參考排污系數(shù)手冊以及歷年公開的排污系數(shù)數(shù)據(jù),分別取均值0.5和0.8。
表1 SD模型主要參數(shù)及方程Tab.1 Main parameters and equations in the SD model
由圖3 可知,1999—2019 年庫布齊沙漠區(qū)域人口呈不斷上升趨勢,由72.03×104人上升至84.56×104人。準格爾旗、杭錦旗、達拉特旗分別占庫布齊沙漠區(qū)域人口的39.1%、17%、43.9%(2019年),且?guī)觳箭R沙漠區(qū)域以農(nóng)村人口為主,各旗農(nóng)村人口占比均在75%~85%之間。1999—2019 年庫布齊沙漠區(qū)域的農(nóng)作物播種面積由19.49×104hm2增至30.07×104hm2。由于2000 年當?shù)卣烁€林還牧的原因,2002年準格爾旗農(nóng)作物播種面積下降了45%,2002年后農(nóng)作物播種面積逐漸回升。1999—2019 年杭錦旗和達拉特旗農(nóng)作物播種面積也呈現(xiàn)先逐步下降后上升的趨勢,與準格爾旗趨勢一致。1999—2019 年種植結(jié)構(gòu)也發(fā)生了一定變化,玉米、向日葵成為主要種植作物,玉米作為3 個旗主要種植糧食作物,占比約65%~95%。庫布齊沙漠1999—2019年GDP呈現(xiàn)逐步上升趨勢,其中第二產(chǎn)業(yè)GDP占比最大,約占40%~60%之間,工業(yè)用水以火力發(fā)電和開采煤炭為主。達拉特旗與準格爾旗第二產(chǎn)業(yè)增速均最快,杭錦旗第二、三產(chǎn)業(yè)增速趨于一致。
由于連接器型預(yù)制光纜的插接衰減與連接器尺寸隨芯數(shù)增多逐步增大,目前在工程中應(yīng)用的連接器預(yù)制光纜主要包括4、8、12芯三種,單端損耗為0.25~0.75 dB,24芯預(yù)制光纜應(yīng)用較少[5]。
圖3 1999—2019年庫布齊沙漠區(qū)域的人口、種植結(jié)構(gòu)、播種面積和GDP產(chǎn)值變化Fig.3 Changes in population,planting structure,sown area and GDP output value in the Kubuqi Desert from 1999 to 2019
2019 年,庫布齊沙漠區(qū)域供水量8.50×108m3,而實際需水量達到9.18×108m3,缺水量為0.68×108m3,區(qū)域水資源供需矛盾突出。農(nóng)業(yè)灌溉方面,供給水源主要來源于地下水,占總用水量的82%,為緩解該區(qū)域干旱程度,2015年起實施了生態(tài)引水工程,在黃河凌汛高水位時將部分凌汛水引入庫布齊沙漠北緣低洼地,每年連續(xù)引水使區(qū)域出現(xiàn)較多湖泊濕地,形成水生態(tài)治理區(qū),緩解了該地區(qū)水分對植被生長的限制作用,從而極大改善了庫布齊北緣生態(tài)環(huán)境。通過分水引流,不僅為黃河緩解了汛期壓力,還將水害轉(zhuǎn)變?yōu)樗?,提高了洪水的利用程度,推進了水資源管理方案的實施。但是水資源緊缺問題依舊是困擾沙漠地區(qū)治理的重要問題,在庫布齊沙漠水生態(tài)綜合治理工程實施后,多年累計引黃河水2.94×10 m3。由于加大生態(tài)恢復(fù)力度以及推進節(jié)水建設(shè),庫布齊沙漠區(qū)域農(nóng)業(yè)用水效率取得了明顯提升,農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)由2015年的0.5078提高到了0.5520,但是目前高效節(jié)水普及率依舊不高,多以渠道節(jié)水為主,節(jié)水還有一定的提升空間,生活和工業(yè)用水也由1999年的7.6%增長至2019年的22.8%。運用Pearson 相關(guān)性分析、灰色關(guān)聯(lián)度以及主成分分析法對該區(qū)域用水影響指標進行識別,由表2可知,在可利用水量指標內(nèi),地表水資源量對可利用水量影響較大;在負荷指標里,農(nóng)業(yè)用水量及農(nóng)業(yè)用水量的驅(qū)動指標對用水量影響最大。
表2 水資源承載狀態(tài)關(guān)鍵驅(qū)動指標Tab.2 Key driving indicators of water resources carrying status
模型以1999—2019 年的各區(qū)域人口、土地、水資源、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展狀況等歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),時間邊界為1999—2035 年,其中1999—2019 年為歷史邊界,2020—2035 年為模型仿真預(yù)測時段,時間步長為1 a,以2019 年作為仿真模擬的預(yù)測基準年,系統(tǒng)動力學模型由初始參數(shù)值、常量以及表函數(shù)構(gòu)成。根據(jù)模型的歷史性檢驗結(jié)果,確定模型的有效性[25-26]。
3.1.1 SD 模型驗證 系統(tǒng)動力學模型有效性檢驗的目的在于判斷模型是否能夠準確合理地反映出系統(tǒng)的特征及變化規(guī)律,對模型進行歷史性檢驗,是為了驗證模型的運行結(jié)果是否符合實際情況[29-32]。通過系統(tǒng)動力學模型仿真模擬1999—2019 年的數(shù)據(jù)與真實獲取的數(shù)據(jù)對比來驗證模型的有效性,當誤差小于10%時可認為模型是有效的。因本文變量較多,故列舉部分指標進行驗證,選取農(nóng)業(yè)人口、工業(yè)用水量、有效灌溉面積、林牧漁畜業(yè)需水量以及用水總量作為檢驗指標。由模型驗證結(jié)果(圖4)可知,在所選取的變量中,達拉特旗林牧漁畜業(yè)需水量的相對誤差絕對值相對較大,但超10%的年份個數(shù)較少,其他變量的相對誤差絕對值都在10%以下,大多數(shù)小于5%。綜合來看,模型擬合誤差均在允許范圍內(nèi),模型擬合效果較好。
圖4 社會經(jīng)濟要素模擬結(jié)果與統(tǒng)計數(shù)據(jù)的相對誤差及用水量模擬值與觀測值對比Fig.4 Relative error between the simulation results of social economic factors and the statistical data,and the comparison of the simulated and observed water consumption values
3.1.2 基于SD 的社會水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在建模過程中,通過對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析掌握,確定系統(tǒng)內(nèi)部主要變量之間的正負反饋關(guān)系,由此建立區(qū)域內(nèi)的變量因果反饋關(guān)系圖[33-34]。借助系統(tǒng)動力學方法建立庫布齊沙漠所處行政區(qū)內(nèi)的旗縣社會經(jīng)濟用水模型,對縣域用水情況進行全面了解。其中各旗縣的總用水量包括生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生態(tài)用水,并考慮引入黃河水量對該區(qū)域供水總量的影響,因此,在模型建立過程中將引提水量加入到供水系統(tǒng)中;利用缺水系數(shù)反映該地區(qū)水資源短缺程度。由生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、供水以及排污子系統(tǒng)構(gòu)成模型。
在旗縣承載狀態(tài)流圖的基礎(chǔ)上,選取81個變量建立庫布齊沙漠區(qū)域社會經(jīng)濟用水系統(tǒng)模型(圖5),以保證模型完整性與合理性。模型中包含狀態(tài)變量12個,速率變量12個,輔助變量51個,固定量6個,模型主要參數(shù)及方程見表1。其中農(nóng)業(yè)用水約占庫布齊沙漠區(qū)域總用水量的82%,因此農(nóng)業(yè)用水子系統(tǒng)是模型的重點。
圖5 庫布齊沙漠常規(guī)發(fā)展模式水資源承載力系統(tǒng)動力學流圖Fig.5 Dynamic flow diagram of water resource carrying capacity system in Kubuqi Desert
3.1.3 庫布齊沙漠常規(guī)發(fā)展模式下承載狀態(tài)預(yù)測常規(guī)發(fā)展模式是在不改變庫布齊沙漠水資源承載力模型中任何初始變量參數(shù)的前提條件下,維持目前的發(fā)展趨勢,分析庫布齊沙漠水資源承載力的變化情況。通過仿真模型運行后得出預(yù)測年份的主要指標預(yù)測值及指標變化趨勢如表3 和圖6 所示。根據(jù)表3 可知,依照常規(guī)模式發(fā)展模擬后,達拉特旗、準格爾旗和杭錦旗均在2025 年和2035 年呈現(xiàn)超載狀態(tài)(缺水指數(shù)>1),2019年準格爾旗處于承載臨界狀態(tài)。杭錦旗承載狀態(tài)略高于達拉特旗,主要原因是庫布齊沙漠地區(qū)的黃河引水工程是利用杭錦旗的獨特地勢特點將處于凌汛期的黃河水引入該地區(qū),因此杭錦旗承載狀態(tài)相對良好。
表3 常規(guī)發(fā)展模式下仿真模擬的承載狀態(tài)值Tab.3 Simulation and simulation load-bearing state values in conventional development mode
圖6 基于SD模型預(yù)測2000—2035年主要指標變化趨勢Fig.6 Based on the SD model to predict the change trend of main indicators from 2000 to 2035
3.2.1 調(diào)控情景設(shè)計 生活需水量參數(shù)的調(diào)控參照《內(nèi)蒙古自治區(qū)行業(yè)用水定額》要求,2025年鄂爾多斯市城鎮(zhèn)居民與農(nóng)村居民人均生活需水定額分別為135 L·人-1·d-1和60 L·人-1·d-1,2035 年為150 L·人-1·d-1和80 L·人-1·d-1(表4)。考慮庫布齊沙漠區(qū)域用水以農(nóng)田灌溉用水為主,主要受灌溉面積、灌溉方式及畝均灌溉定額影響,因此根據(jù)《鄂爾多斯市國民經(jīng)濟發(fā)展第十四個五年規(guī)劃綱要》《內(nèi)蒙古自治區(qū)用水定額》及《全國水資源綜合規(guī)劃》,分別假定庫布齊沙漠區(qū)域內(nèi)的3個旗縣農(nóng)作物播種面積保持不變,在此條件下保持現(xiàn)狀灌溉用水方式(S1)和實施滴灌不同灌溉普及率水平產(chǎn)生的用水變化(滴灌用水量是噴灌的1/3);其他參數(shù)依據(jù)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進行仿真模擬后得出,不做額外設(shè)定。
表4 庫布齊沙漠區(qū)域需水情景及參數(shù)調(diào)控Tab.4 Regional water use scenarios and parameter adjustments in the Kubuqi Desert
3.2.2 不同情景模擬結(jié)果分析 通過《鄂爾多斯市國民經(jīng)濟發(fā)展第十四個五年規(guī)劃綱要》《鄂爾多斯市政府工作報告》等文件中的參數(shù)進行仿真模擬,至2035 年庫布齊沙漠人口增長至101.73×104人,較2019 年增長20.3%。依據(jù)國民經(jīng)濟發(fā)展速度的預(yù)測,至2035 年庫布齊沙漠GDP 較2019 年增加73.67%。在模擬過程中發(fā)現(xiàn),該地區(qū)工業(yè)、生活兩方面的需水量呈不斷增加趨勢,面對社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展,這一結(jié)果呈必然趨勢,因此在不斷增長的趨勢下只能通過提高工業(yè)用水效率、利用節(jié)水高效用水等措施降低用水量增長率。農(nóng)業(yè)是庫布齊沙漠區(qū)域最主要的用水部門,多用于灌溉用水,因此應(yīng)加強用水效率管理,提高灌溉保證率、減少水資源浪費才能有效緩解該區(qū)域用水緊張局面。根據(jù)調(diào)控情景模擬結(jié)果如圖7。
圖7 S1~S4不同情景方案下模擬趨勢Fig.7 Simulation trend under different scenarios of S1-S4
在S1 情景下,灌溉需水量維持現(xiàn)狀不發(fā)生改變,2035 年庫布齊沙漠需水量達9.76×108m3,較2019 年增加3.38×108m3,若按此方案發(fā)展,在可預(yù)見范圍內(nèi)水資源供需嚴重不平衡。在S2~S4情景下2035 年庫布齊沙漠區(qū)域社會經(jīng)濟需水總量分別達8.73×108m3、7.80×108m3、6.87×108m3;由模擬結(jié)果可知,當實際條件達到S3情景條件即可呈現(xiàn)需水總量小于供水總量,呈現(xiàn)可載狀態(tài),若想實現(xiàn)2035 年庫布齊沙漠呈現(xiàn)可載狀態(tài),2025 年滴灌普及率應(yīng)≥25%,2035年達到50%。
依據(jù)假設(shè)的4 種情景預(yù)測結(jié)果,在農(nóng)田灌溉面積維持不變條件下,滴灌普及率越高,灌溉需水量越低,社會經(jīng)濟需水量隨之降低。在農(nóng)作物種植面積占有量大的達拉特旗推廣滴灌具有顯著效果,在75%的滴灌普及率條件下,可為達拉特旗節(jié)約25%的用水量。庫布齊沙漠農(nóng)業(yè)節(jié)水需從提高滴灌普及率方面考慮。
綜上所述,退耕還林等措施依舊是目前對該區(qū)域環(huán)境整治的重點措施,但能夠采取節(jié)水的措施有限,不能僅僅依賴于節(jié)水成效,應(yīng)該將研究重點放在水資源高效利用方面以及有效的水、能源和糧食管理體系,現(xiàn)狀水資源用水管理制度對糧水之爭的局面造成一定的加劇影響。因此,在未來研究中可深入地考慮更多對該地區(qū)水資源高效利用和生態(tài)恢復(fù)治理的影響。
本文基于系統(tǒng)動力學,對該區(qū)水資源系統(tǒng)現(xiàn)狀情況以及未來不同情景下狀態(tài)進行模擬。通過仿真計算得到主要結(jié)論如下:
(1)在1999—2019 年期間,社會經(jīng)濟用水量大幅增長(增幅88%),農(nóng)業(yè)用水量及其驅(qū)動指標對區(qū)域可利用水量具有顯著影響。農(nóng)業(yè)用水占比呈逐漸下降趨勢;生活和工業(yè)用水占比小,但總體呈上升趨勢。
(2)對2019—2035 年常規(guī)模式水資源承載狀態(tài)模擬后,研究區(qū)水資源承載力將處于超載狀態(tài),且需水總量達11.90×108m3;2019 年達拉特旗和杭錦旗呈現(xiàn)超載狀態(tài)(缺水指數(shù)>1),準格爾旗處于承載臨界狀態(tài)。
(3)根據(jù)不同設(shè)計情景下調(diào)控方案進行預(yù)測(S2~S4),當?shù)喂啾WC率控制到50%以上的條件下呈現(xiàn)可載狀態(tài),需水量為7.80×108m3。說明控制庫布齊沙漠用水量的增加主要依靠減少農(nóng)業(yè)用水、加大農(nóng)業(yè)節(jié)水的途徑實現(xiàn),進而實現(xiàn)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展,有效緩解沙漠水資源危機。