探析SD方法在水土資源管理與調(diào)節(jié)中的應(yīng)用*

甘肅省科技發(fā)展促進中心 蒲彥君，王睿，韓建忠，嚴(yán)玉峰

水資源作為人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，影響著人類的進步和社會的健康發(fā)展。我國水資源地區(qū)分布不均，年內(nèi)分配不均、年際變化大，且天然來水與用水需求不匹配，導(dǎo)致水資源合理配置難度較大[1]。土地資源同樣作為自然要素之一，在經(jīng)濟社會的發(fā)展過程中有著重要的作用。人口持續(xù)增長和經(jīng)濟快速發(fā)展使土地資源的需求也隨之增長，導(dǎo)致后備土地資源不斷減少，我國土地資源的承載水平受到嚴(yán)重削弱[2]。水土資源系統(tǒng)是在限定的時空范圍內(nèi)，由水資源、土地資源和經(jīng)濟社會等要素組成，具有開放性、復(fù)雜性和動態(tài)性等特點[3]。目前，針對水土資源系統(tǒng)的研究集中于對其承載力的評價及優(yōu)化配置等方面[4,5]。

系 統(tǒng) 動 力 學(xué)(System Dynamics, SD)的理論基礎(chǔ)是反饋控制理論，主要依據(jù)組成系統(tǒng)的內(nèi)部各要素之間形成的關(guān)系和各種反饋閉合環(huán)構(gòu)建模型，同時搜集與系統(tǒng)行為有關(guān)的數(shù)據(jù)進行仿真驗證，最后做出預(yù)測[6]。目前，基于SD方法的應(yīng)用研究主要在環(huán)境保護、項目建設(shè)、糧食安全、信息管理等領(lǐng)域[7,8]。同時SD方法在水土資源系統(tǒng)模擬與評價方面也有廣泛應(yīng)用[9,10]。

一、SD模型應(yīng)用于水土資源系統(tǒng)

SD可以定量分析各類復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)部反饋環(huán)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)功能內(nèi)在特性的關(guān)系，具有能處理高階、非線性等復(fù)雜問題的優(yōu)點，在客觀的長期動態(tài)趨勢研究中應(yīng)用較廣。目前對于SD方法應(yīng)用于水土資源系統(tǒng)的研究，主要是通過設(shè)置變速率方程表達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的關(guān)系，進而形成閉合反饋回路進行動態(tài)模擬，實現(xiàn)定量表達(dá)系統(tǒng)整體的行為表現(xiàn)。本文通過總結(jié)概述SD模型在水土資源系統(tǒng)中的應(yīng)用，探討彼此的關(guān)聯(lián)與影響。

（一）SD模型應(yīng)用于水資源供需平衡

從20世紀(jì)50年代末起，我國開展了對水資源供需平衡的研究[11]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字模擬與仿真技術(shù)也得到快速發(fā)展，并被推廣應(yīng)用于水資源領(lǐng)域。針對我國水資源地區(qū)分布不均，以及經(jīng)濟社會發(fā)展的差異性，學(xué)者們設(shè)想在時間、空間和跨部門實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置，構(gòu)建出了三維優(yōu)化分配水資源的理論模型體系，從而實現(xiàn)解決多水源、多目標(biāo)、多用戶和多保證率的配置問題[12,13]。這對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)、社會經(jīng)濟健康發(fā)展起到重要作用。SD模型以水資源、社會、經(jīng)濟、生態(tài)中的供需關(guān)系為要素因子，在構(gòu)建模型時輸入各個要素，通過建立變速率方程表達(dá)各要素之間的相互作用，構(gòu)建出可以實現(xiàn)交互作用的水資源供需平衡的SD模型，通過搜集該區(qū)域大量歷史與現(xiàn)有數(shù)據(jù)，進行各項指標(biāo)的預(yù)測模型。目前在水資源供需平衡的應(yīng)用研究中基于SD模型的適用性及有效性也得到了實際驗證[14-16]。以水資源供需差額為核心，構(gòu)建SD模型，評價分析預(yù)測結(jié)果，從而發(fā)現(xiàn)水資源在利用過程中存在的問題[17]。

目前，基于SD模型的水資源供需平衡應(yīng)用研究主要是對某一城市的水資源供需平衡預(yù)測模擬及系統(tǒng)優(yōu)化[18,19]、工農(nóng)業(yè)供用水預(yù)測[20]及生態(tài)需水預(yù)測[21]等方面的研究。根據(jù)我國區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟社會和區(qū)域生態(tài)物質(zhì)文明協(xié)同發(fā)展，考慮全球氣候變化、水價調(diào)整機制、城鎮(zhèn)化建設(shè)進程等因素對區(qū)域水資源供需情況的影響，進一步完善區(qū)域水資源供需系統(tǒng)的SD應(yīng)用模型。

（二）SD模型應(yīng)用于土地利用的動態(tài)變化

土地利用系統(tǒng)受區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展程度、自然環(huán)境開發(fā)利用程度和政府決策等因素影響[3]。目前，國內(nèi)許多學(xué)者主要采用的是基于計算機方法的數(shù)學(xué)模型和基于遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)的研究方法來分析土地利用動態(tài)變化[22,23]。其中數(shù)學(xué)模型主要有傳統(tǒng)土地利用數(shù)量分析模型、綜合土地利用動態(tài)分析模型和土地利用空間格局分析模型等。

SD以系統(tǒng)內(nèi)部閉合反饋環(huán)為研究基礎(chǔ)，以計算機仿真技術(shù)為手段，進行定性分析與定量研究復(fù)雜系統(tǒng)的動態(tài)發(fā)展。SD模型是土地資源配置的有效工具，用來研究區(qū)域人口發(fā)展、土地開發(fā)利用和區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展變化等之間的內(nèi)在聯(lián)系。許端陽等[26]以鄂爾多斯為研究區(qū)，利用SD方法構(gòu)建了耦合自然和人文因素的沙漠化動態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)模型。任曉霞等利用從1994年到2009年的各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在分析黑水縣土地利用現(xiàn)狀、變化規(guī)律和驅(qū)動力的基礎(chǔ)上，對黑水縣土地未來的發(fā)展進行了預(yù)測。曹祺文等將土地主控因子嵌入傳統(tǒng)中國城鎮(zhèn)化SD模型中，拓展出基于土地利用的中國城鎮(zhèn)化SD模型，開展了土地利用的多種情景模擬。錢國英等結(jié)合遙感技術(shù)與系統(tǒng)動力學(xué)對土地利用狀況進行仿真分析，較容易得出災(zāi)害嚴(yán)重的土地類型，同時表明在一定時期內(nèi)無法正確描述土地之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

目前SD模型在土地利用系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛，但對于系統(tǒng)內(nèi)部閉合反饋環(huán)之間的相互作用還難以定性表達(dá)，尚且無法準(zhǔn)確描述和反映某個因素在空間分布上的具體變化。

（三）SD模型應(yīng)用于水土資源承載力評價

水土資源承載力主要由環(huán)境、資源、經(jīng)濟和人口等因子組成。由于其因子諸多，系統(tǒng)復(fù)雜，SD方法占據(jù)優(yōu)勢。其作為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿Φ闹笜?biāo)，對未來水土資源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護和社會經(jīng)濟發(fā)展有一定的科學(xué)參考價值。

利用SD模型開展水資源承載力方面的研究，主要集中在對社會經(jīng)濟發(fā)展起著重要保障能力的地方自然資源的建模與評估。陳興鵬等利用SD理論基礎(chǔ)，建立了西北干旱地區(qū)水土資源承載力系統(tǒng)模型，同時以甘肅省河西地區(qū)為例，分析了該地區(qū)的水土資源承載力，并提出了相應(yīng)對策。崔海升等以地方自然資源供需平衡理論為核心，建立了自然資源與環(huán)境約束下的哈爾濱地區(qū)自然資源承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型，并模擬與預(yù)測出在哈爾濱地區(qū)將發(fā)生政策性的地方自然資源問題。梁栩等建立了自然資源、水環(huán)境與人類經(jīng)濟社會關(guān)系的系統(tǒng)動力學(xué)模式，并運用層次分析法構(gòu)建了自然資源的脆弱性評估系統(tǒng)，得出了有利于區(qū)域經(jīng)濟健康發(fā)展的綜合模型。

采用SD模型對土地資源承載力研究重點則集中于社會經(jīng)濟承載力和土地生產(chǎn)能力這兩個方面，通過動態(tài)模擬在長時間序列條件下的土地資源承載力變動狀況，選擇土地資源的最佳使用方法，為土地規(guī)劃研究提出新依據(jù)[3]。高新才等[34]從張掖市農(nóng)作物的供需入手，構(gòu)建了SD仿真模型預(yù)測干旱地區(qū)土地資源人口承載力。賈立斌等從安徽省鳳臺縣的主要矛盾入手，構(gòu)建了該縣土地資源承載力系統(tǒng)動力學(xué)模型，利用3種情景模擬對其進行評價和預(yù)測，并做出警情判定。

運用SD方法對水土資源承載力的研究更多傾向于單一評估指標(biāo)，但目前來看，單一評價指標(biāo)方法不能滿足決策需要，也無法反映系統(tǒng)內(nèi)部反饋機制，導(dǎo)致模型的模擬精度不夠，因此構(gòu)建SD模型時需要綜合考慮各評價指標(biāo)對水土資源數(shù)量和質(zhì)量影響。

（四）SD模型應(yīng)用于水土資源優(yōu)化配置

基于SD模型的水土資源系統(tǒng)優(yōu)化配置的研究現(xiàn)已成為學(xué)者們關(guān)注的熱點。通過蓄水方案實現(xiàn)水資源系統(tǒng)優(yōu)化綜合分配，并通過與當(dāng)前水資源系統(tǒng)供需驅(qū)動因子和內(nèi)部各子系統(tǒng)的聯(lián)合建立蓄水庫容模式，按照優(yōu)選時間序列分析水資源系統(tǒng)運行規(guī)律和方法。水資源系統(tǒng)調(diào)控理論采用構(gòu)建因果鏈和反饋環(huán)，跟蹤水質(zhì)的動態(tài)信息，通過模擬各種水文狀態(tài)和多方法環(huán)境下水資源優(yōu)化配置結(jié)果，尋找自然資源的使用效益最佳方法[3]。在使用SD模型實現(xiàn)水資源系統(tǒng)運行與調(diào)度時，由于未充分考慮SD方法在優(yōu)化時的局限，因此需要融合各知識領(lǐng)域的方法進行優(yōu)選。土地資源作為不可再生資源，是整個社會的“財富之母”，對土地資源進行優(yōu)化配置可提高土地利用的經(jīng)濟效益。關(guān)于土地資源配置的模型和算法集中在線性規(guī)劃模型、多目標(biāo)模型和利用貝葉斯數(shù)據(jù)同化技術(shù)構(gòu)建土地優(yōu)化模型。但基于SD模型對土地資源的研究主要是通過研究土地資源的供求關(guān)系、土地資源的利用結(jié)構(gòu)調(diào)整以及土地資源配置的市場化長期發(fā)展演化等過程，構(gòu)建土地利用層次結(jié)構(gòu)模型，模擬不同方案的土地資源開發(fā)利用狀況?，F(xiàn)有的SD模型關(guān)于土地資源系統(tǒng)的研究主要針對系統(tǒng)整體的動態(tài)運行變化，系統(tǒng)內(nèi)部各因素（土地、經(jīng)濟和社會子系統(tǒng)反饋）之間反饋機制的研究還相對較少，模型模擬精度缺乏準(zhǔn)確性。

二、問題與展望

（一）SD模型應(yīng)用于水土資源系統(tǒng)中的問題

SD模型應(yīng)用于水土資源系統(tǒng)中的研究已取得了一些成果，但由于水土資源系統(tǒng)具有復(fù)雜性，仍有很多問題尚未解決，需要進一步研究?，F(xiàn)如今將SD方法應(yīng)用于水土資源系統(tǒng)的研究還處于初始階段，理論還未成熟，實際應(yīng)用和成果并不多。目前存在以下幾點問題還需深入研究。

（1）研究體系有待完善。國內(nèi)外學(xué)者進行的SD模型研究，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。其中，在水資源方面的研究集中度偏低，缺少大范圍的水資源綜合研究模型；在土地資源方面的研究則側(cè)重于污染評價與土地規(guī)劃的單一層面，綜合模型也較少。總而言之，目前基于SD模型的研究集中在水資源和土地資源的單一系統(tǒng)，而在水土資源綜合系統(tǒng)中的研究較少。故及時建立完善的基于SD模型的水土資源系統(tǒng)研究體系很有必要。

（2）模型不具針對性。在水土資源系統(tǒng)的研究中，針對同一研究內(nèi)容，不同學(xué)者提出多種SD模型。模型還停留在初始理論階段，模型預(yù)測也具有非常明顯的隨機性，且大多數(shù)模型缺乏驗證，基于SD方法的水土資源系統(tǒng)研究存在不足。因此，對應(yīng)用于先前水土資源系統(tǒng)SD模型的不足進行改進，并積極探索創(chuàng)新更具針對性的SD模型，更好地對水土資源系統(tǒng)進行分析評價。

（二）SD模型應(yīng)用于水土資源系統(tǒng)中的展望

目前基于SD模型的研究仍存在很多問題?；谒临Y源系統(tǒng)的SD模型構(gòu)建需要依靠大數(shù)據(jù)分析，通過各種相關(guān)變量計算和經(jīng)驗數(shù)據(jù)所構(gòu)成的微分方程，與代數(shù)方程相互聯(lián)系而成的。所以，我們處在大數(shù)據(jù)分析的背景下，這使SD模型與技術(shù)的融合產(chǎn)生了巨大的發(fā)展空間，未來可以通過獲取實時信息實現(xiàn)及時建模和預(yù)測系統(tǒng)的真實性，提高水土資源開發(fā)效率，提升模型數(shù)據(jù)處理的實效性和SD數(shù)據(jù)分析性能，為決策者做良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

三、結(jié)束語

本文通過綜述SD在水資源供需平衡、土地資源利用動態(tài)變化、水土資源承載力評價和優(yōu)化配置方面的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，提出了問題和展望，為利用SD模型反饋調(diào)節(jié)水土資源系統(tǒng)內(nèi)部各個因素進而實現(xiàn)有效管理的研究以及在區(qū)域經(jīng)濟社會健康發(fā)展方面提供科學(xué)依據(jù)。