基于SD 的綠洲城市群水資源保障能力與發(fā)展模式研究

孫建光

(新疆財經(jīng)大學 統(tǒng)計與數(shù)據(jù)科學學院，新疆 烏魯木齊 830012）

水資源短缺嚴重制約城市群城市化進程與社會經(jīng)濟發(fā)展［1］,提升城市群水資源保障能力成為當務之急。為此,水利部強調(diào)“以水定城”,實行最嚴格水資源管理制度,城市水資源合理配置逐漸成為研究熱點［2-4］。國家城市群發(fā)展規(guī)劃推動了基于城市群的水資源優(yōu)化配置研究［1,5］,但國內(nèi)城市群水資源優(yōu)化配置研究大多集中于較發(fā)達的環(huán)渤海、京津冀、長株潭和珠三角城市群,西北干旱區(qū)城市群的水資源系統(tǒng)合理配置研究較少。系統(tǒng)動力學(SD)方法因在處理水資源系統(tǒng)的非線性、復雜性、動態(tài)性等方面具有諸多優(yōu)點而逐漸成為水資源系統(tǒng)配置研究的主要方法［2,6-8］,其中基于SD 模型的城市群水資源合理配置研究逐漸增多［5］,主要涉及水資源承載力［9］、需水預測［8］、水資源供需分析［2,4,6］和水資源優(yōu)化配置［7］等方面。

在水資源剛性約束下,提高水資源保障能力對于推動干旱區(qū)綠洲城市群高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。本文從水資源供需管理角度出發(fā),以區(qū)域經(jīng)濟、社會與生態(tài)和諧發(fā)展為目標,綜合考慮生產(chǎn)、生活和生態(tài)環(huán)境需水量,采用SD 模型,設計新疆烏(烏魯木齊市)昌(昌吉市)一體化綠洲城市群不同水資源配置方案,以期為城市群水資源系統(tǒng)合理配置與高質(zhì)量發(fā)展模式選擇提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

烏昌一體化綠洲城市群包括新疆首府烏魯木齊市、昌吉市、阜康市、五家渠市,既是天山北坡城市群的核心區(qū),也是“絲綢之路經(jīng)濟帶”的核心區(qū)。流經(jīng)該區(qū)域的頭屯河和烏魯木齊河水資源開發(fā)率超過80%,地下水嚴重超采,生態(tài)用水緊缺,城市群發(fā)展與水資源供需矛盾亟須解決。

本研究所用數(shù)據(jù)主要來源于烏昌一體化綠洲城市群各市的水資源公報、《中國水利年鑒》《新疆維吾爾自治區(qū)城市、縣城建設統(tǒng)計年報》《新疆統(tǒng)計年鑒》《烏魯木齊統(tǒng)計年鑒》《昌吉回族自治州統(tǒng)計年鑒》《阜康市統(tǒng)計年鑒》《新疆生產(chǎn)建設兵團第六師五家渠市統(tǒng)計年鑒》等資料。

2 研究方法

城市群水資源系統(tǒng)是一個由人口、經(jīng)濟、生態(tài)、水資源等子系統(tǒng)構成的復合系統(tǒng)?；诔鞘腥核Y源系統(tǒng)結構和影響因素分析,首先確立城市群水資源系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間的關系及各子系統(tǒng)內(nèi)部結構,然后建立烏昌一體化綠洲城市群SD 仿真模型,模擬水資源系統(tǒng)的動態(tài)變化并進行結果分析。烏昌一體化綠洲城市群水資源系統(tǒng)涉及水資源供求、生活用水、生產(chǎn)用水、生態(tài)用水、廢污水排放、地區(qū)生產(chǎn)總值、總?cè)丝诘戎饕绊懸蛩?可通過建立SD 模型來定量描述。

人口子系統(tǒng)SD 方程:

式中:TP、BP、DP和MP分別為總?cè)丝?、出生人口、死亡人口和遷移人口數(shù)量；P0為人口初始值；INTEG為SD 模型軟件VENSIM 中的函數(shù)；BR、DR和MR分別為出生率、死亡率和遷移率；UP和UR分別為城鎮(zhèn)人口和城鎮(zhèn)化率。

經(jīng)濟子系統(tǒng)SD 方程:

式中:AI、AC分別為農(nóng)業(yè)灌溉面積和灌溉面積變化量；IG、ΔIG、TG和ΔTG分別為工業(yè)生產(chǎn)總值、工業(yè)生產(chǎn)總值變化量、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值變化量；RI和RT分別為工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值變化率；AI0、IG0和TG0分別為農(nóng)業(yè)灌溉面積初始值、工業(yè)生產(chǎn)總值初始值和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值初始值。

生態(tài)子系統(tǒng)SD 方程:

式中:GA、ΔGA、GA0和RG分別為綠化面積、綠化面積變化量、綠化面積初始值和綠化面積變化率；WD、UD、ID和TD分別為污水年排放量、城鎮(zhèn)生活用水量、工業(yè)用水量和第三產(chǎn)業(yè)用水量；UC、IC和TC分別為城鎮(zhèn)生活、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)污水排放系數(shù)；ST和TR分別為污水處理量和污水處理率。

水資源子系統(tǒng)SD 方程:

式中:WS、US、DS和MS分別為供水總量、地表水供水量、地下水供水量和中水利用量；WD、LD、PD和ED分別為需水總量、生活需水量、生產(chǎn)需水量和生態(tài)需水量；AD、ID和TD分別為農(nóng)業(yè)需水量、工業(yè)需水量和第三產(chǎn)業(yè)需水量；LA、PI和IU分別為灌溉面積、單位灌溉面積用水量和灌溉水利用系數(shù)；GA和PA分別為綠化面積和單位綠化面積用水量。

3 基于SD 的烏昌一體化綠洲城市群的水資源保障能力模擬方案

參照烏昌一體化綠洲城市群烏魯木齊市、昌吉市、五家渠市和阜康市“十三五”規(guī)劃中的社會經(jīng)濟發(fā)展目標,確定現(xiàn)狀延續(xù)型、經(jīng)濟發(fā)展型、資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和協(xié)調(diào)發(fā)展型5 種水資源保障能力模擬方案。

(1)現(xiàn)狀延續(xù)型方案。根據(jù)2020—2030 年烏昌一體化綠洲城市群發(fā)展戰(zhàn)略,到2030 年,城市群的城鎮(zhèn)化率將達到68%,工業(yè)生產(chǎn)總值年增長率穩(wěn)定在8%,第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值年增長率穩(wěn)定在10%。

(2)經(jīng)濟發(fā)展型方案。烏昌一體化綠洲城市群各城市“十三五”規(guī)劃中的社會經(jīng)濟發(fā)展目標與現(xiàn)狀延續(xù)型方案相比,工業(yè)生產(chǎn)總值年增長率提高到10%,第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值年增長率提高到13%,地區(qū)人口遷移變化率設定為1%；考慮技術進步因素,設定灌溉水利用系數(shù)為0.78,萬元GDP 工業(yè)用水量減少5%。

(3)資源節(jié)約型方案。與現(xiàn)狀延續(xù)型方案相比,主要通過減小灌溉面積、提高灌溉水利用系數(shù)減少農(nóng)業(yè)需水量；在水資源高效利用的同時,減緩經(jīng)濟發(fā)展速度,加大環(huán)境保護力度,將污水處理率和再生水回用率分別提高到99%和35%；工業(yè)生產(chǎn)總值和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值年增長率分別調(diào)整為7%和10%,萬元工業(yè)增加值用水量減少10%。

(4)環(huán)境友好型方案。盡量減少城市產(chǎn)生的污染,提高城市環(huán)境質(zhì)量。與現(xiàn)狀延續(xù)型方案相比,將污水處理率提高到99%,生活和工業(yè)COD 排放濃度分別降為122.4、71.1 mg/L,綠化面積年增長率提高到3%,人口自然變化率設定為1%。

(5)協(xié)調(diào)發(fā)展型方案。以資源節(jié)約和環(huán)境友好型城市為目標,考慮技術進步、人口變化以及經(jīng)濟發(fā)展,將城市群工業(yè)生產(chǎn)總值年增長率調(diào)整為10%,第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值年增長率調(diào)整為13%,灌溉水利用系數(shù)提高到0.78,城市綠化覆蓋面積年增長率提高到3%,污水處理率提高到99%,中水利用率提高到30%,生活和工業(yè)COD 排放濃度分別降為122.4、71.1 mg/L。

4 結果分析

4.1 不同方案的城市群水資源保障能力分析

由烏昌一體化綠洲城市群各方案的水資源供需變化模擬結果(見表1)可知,2020—2030 年不同模擬方案需水總量均呈上升趨勢,供水總量均呈下降趨勢,水資源供需比也呈現(xiàn)下降趨勢,表明未來水資源保障能力逐漸降低。資源節(jié)約型方案2020—2030 年水資源供需比大于1,供需平衡且略有結余。協(xié)調(diào)發(fā)展型方案2020—2029 年水資源供需比大于1,供需平衡且略有結余；2030 年水資源供需比為0.98,供需差額為-0.35億m3,出現(xiàn)水資源短缺情況。環(huán)境友好型方案2020—2027 年水資源供需比大于1,供需平衡且略有結余；2028 年及以后水資源供需比小于1,供需差額為-0.35 億～-1.36 億m3,出現(xiàn)水資源短缺情況?，F(xiàn)狀延續(xù)型和經(jīng)濟發(fā)展型方案2020—2027 年水資源供需比不小于1,水資源供需平衡且略有結余；2028 年及以后水資源供需比小于1,現(xiàn)狀延續(xù)型和經(jīng)濟發(fā)展型方案水資源供需差額分別為-0.27 億～-1.37 億m3和-0.66億～-2.21 億m3,出現(xiàn)水資源短缺情況。不同方案的水資源保障能力大小排序為資源節(jié)約型＞協(xié)調(diào)發(fā)展型＞環(huán)境友好型＞現(xiàn)狀延續(xù)型＞經(jīng)濟發(fā)展型。各模擬方案的水資源保障能力都大于2030 年75%保證率下的水資源供需比預測結果0.85,資源節(jié)約型方案和協(xié)調(diào)發(fā)展型方案水資源保障能力也都大于2030 年50%保證率下的城市群水資源供需比預測結果0.95。因此,總體上烏昌一體化綠洲城市群基于SD 模擬方案中資源節(jié)約型方案和協(xié)調(diào)發(fā)展型方案水資源保障能力較大。

表1 基于SD 的2020—2030 年烏昌一體化綠洲城市群水資源供需不同方案模擬結果 億m3

與現(xiàn)狀延續(xù)型方案相比,資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和協(xié)調(diào)發(fā)展型方案的水資源供需矛盾均有所緩和,其中:資源節(jié)約型方案2030 年需水總量比現(xiàn)狀延續(xù)型方案下降13.00%,水資源供給能夠滿足需求；環(huán)境友好型與協(xié)調(diào)發(fā)展型方案2030 年需水總量比現(xiàn)狀延續(xù)型方案分別下降0.51%、3.30%?？梢钥闯?烏昌一體化綠洲城市群的資源節(jié)約型、協(xié)調(diào)發(fā)展型和環(huán)境友好型方案2030 年水資源供需比均接近1,基本可實現(xiàn)水資源供需平衡；資源節(jié)約型方案水資源保障能力最大,經(jīng)濟發(fā)展型方案最小。

4.2 不同模擬方案的城市群產(chǎn)業(yè)用水結構優(yōu)化及其用水效率分析

基于SD 的2020—2030 年烏昌一體化綠洲城市群各產(chǎn)業(yè)需水量不同方案模擬結果見表2。2020—2030年,烏昌一體化綠洲城市群各模擬方案第一產(chǎn)業(yè)用水量年增長率平均下降2.78%,這得益于節(jié)水技術應用使得用水效率逐漸提高,但2030 年第一產(chǎn)業(yè)用水量仍有8.55 億～9.31 億m3,占總用水量的37.3%～40.5%；城市群用水結構調(diào)整仍有較大空間。環(huán)境友好型方案第一產(chǎn)業(yè)用水量與現(xiàn)狀延續(xù)型方案差別不大,其他方案第一產(chǎn)業(yè)用水量明顯減少；2025 年前其他各方案差別不大,2025 年后資源節(jié)約型方案節(jié)水效果逐漸與其他方案差別明顯。2030 年,資源節(jié)約型方案第一產(chǎn)業(yè)需水量比現(xiàn)狀延續(xù)型方案減少0.76 億m3,降低8.2%；經(jīng)濟發(fā)展型與協(xié)調(diào)發(fā)展型方案第一產(chǎn)業(yè)需水量比現(xiàn)狀延續(xù)型方案均減少0.35 億m3,降低3.76%。烏昌一體化綠洲城市群不同模擬方案工業(yè)需水量與第三產(chǎn)業(yè)需水量均呈上升趨勢,其中:經(jīng)濟發(fā)展型方案的工業(yè)需水量和第三產(chǎn)業(yè)需水量最高,與現(xiàn)狀延續(xù)型方案相比,2030 年分別增長18.39%和25.00%；其次是協(xié)調(diào)發(fā)展型方案,2030 年第三產(chǎn)業(yè)用水量比現(xiàn)狀延續(xù)型方案增加11.54%、工業(yè)需水量比現(xiàn)狀延續(xù)型方案增加0.53%；資源節(jié)約型和環(huán)境友好型方案的工業(yè)需水量比現(xiàn)狀延續(xù)型方案分別下降19.44%和10.58%,第三產(chǎn)業(yè)用水量變化不大?？傊?烏昌一體化綠洲城市群的各模擬方案第一產(chǎn)業(yè)用水量持續(xù)降低,工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)需水量持續(xù)增加,產(chǎn)業(yè)用水結構不斷優(yōu)化。與現(xiàn)狀延續(xù)方案相比,協(xié)調(diào)發(fā)展型方案第一產(chǎn)業(yè)需水量降低最大且供需水缺口最小；資源節(jié)約型和環(huán)境友好型方案次之；經(jīng)濟發(fā)展型方案的工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)需水量增加最多,會導致供需水缺口增大,加重水資源短缺。

表2 2020—2030 年烏昌一體化綠洲城市群各產(chǎn)業(yè)需水量不同方案模擬結果 億m3

2020—2030 年烏昌一體化綠洲城市群工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值不同方案模擬結果見表3。2020—2030 年,較現(xiàn)狀延續(xù)型方案,經(jīng)濟發(fā)展型方案工業(yè)生產(chǎn)總值增速最大,為24.63%；協(xié)調(diào)發(fā)展型方案增長11.71%；資源節(jié)約型方案和環(huán)境友好型方案增速均下降。各產(chǎn)業(yè)用水效率各不相同:經(jīng)濟發(fā)展型方案需水量與工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值變化幅度最大,資源節(jié)約型和環(huán)境友好型方案需水量與工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值變化幅度最小；協(xié)調(diào)發(fā)展型方案工業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值與其需水量都呈增長趨勢,其中協(xié)調(diào)發(fā)展型方案2030 年工業(yè)生產(chǎn)總值增長11.71%、工業(yè)需水量增加0.53%,第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值增長11.69%、第三產(chǎn)業(yè)需水量增加11.54%,表明調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構能提高生產(chǎn)用水效率。顯然,烏昌一體化綠洲城市群協(xié)調(diào)發(fā)展型方案用水效率最高,資源節(jié)約型和環(huán)境友好型方案用水效率最低。

表3 2020—2030 年烏昌一體化綠洲城市群工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值不同方案模擬結果 萬元

4.3 不同模擬方案的城市群生活需水量與生態(tài)需水量

2020—2030 年烏昌一體化綠洲城市群生活需水量和生態(tài)需水量不同方案模擬結果見表4。2020—2030 年,烏昌一體化綠洲城市群各模擬方案的生活需水量年均增長率為1.26%～1.62%,均呈上升趨勢。與現(xiàn)狀延續(xù)型方案相比,經(jīng)濟發(fā)展型方案生活需水量僅下降6.70%,下降幅度最?。黄渌鞣桨干钚杷肯陆?0.00%左右,因此烏昌一體化綠洲城市群的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和協(xié)調(diào)發(fā)展型方案都能夠保證總?cè)丝诜€(wěn)定增長的生活需水量要求。烏昌一體化綠洲城市群各方案生態(tài)需水量大小排序為現(xiàn)狀延續(xù)型＞經(jīng)濟發(fā)展型＞協(xié)調(diào)發(fā)展型＞資源節(jié)約型＞環(huán)境友好型。各模擬方案的生態(tài)需水量年均增長率為1.29%～1.41%。與現(xiàn)狀延續(xù)型方案相比,經(jīng)濟發(fā)展型和協(xié)調(diào)發(fā)展型方案生態(tài)需水量較大,兩方案綠化覆蓋面積都增加14.21%；而環(huán)境友好型和資源節(jié)約型方案生態(tài)需水量則較低,兩方案綠化覆蓋面積都變化不大。2030 年烏昌一體化綠洲城市群COD 排放不同方案模擬結果見表5。2030 年經(jīng)濟發(fā)展型方案的COD 排放量比現(xiàn)狀延續(xù)型方案增加8.67%,環(huán)境友好型、資源節(jié)約型和協(xié)調(diào)發(fā)展型方案COD 排放量分別降低23.01%、19.69%和16.42%。因此,烏昌一體化綠洲城市群的經(jīng)濟發(fā)展型方案會使生態(tài)環(huán)境惡化,而環(huán)境友好型、資源節(jié)約型和協(xié)調(diào)發(fā)展型方案對生態(tài)環(huán)境都有改善作用,其中環(huán)境友好型方案和資源節(jié)約型方案較優(yōu)。

表4 2020—2030 年烏昌一體化綠洲城市群生活需水量和生態(tài)需水量不同方案模擬結果 億m3

表5 2030 年烏昌一體化綠洲城市群COD 排放不同方案模擬結果

綜合考慮生產(chǎn)、生活和生態(tài)環(huán)境模擬效果,協(xié)調(diào)發(fā)展型方案是烏昌一體化城市群水資源配置的最優(yōu)方案。

5 結語

綜合考慮生產(chǎn)、生活和生態(tài)環(huán)境,協(xié)調(diào)發(fā)展型方案的水資源綜合保障能力最大,資源節(jié)約型和環(huán)境友好型方案次之。烏昌一體化綠洲城市群在水資源剛性約束下的未來發(fā)展最優(yōu)模式是基于資源節(jié)約和環(huán)境友好的資源環(huán)境和經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展。協(xié)調(diào)發(fā)展型方案2030年的水資源供需比為0.98,基本能夠保障未來城市群發(fā)展的水資源需求；第一產(chǎn)業(yè)用水量降低,工業(yè)和第三產(chǎn)用水量增加,用水結構不斷優(yōu)化；用水效率得到提高,生活用水得到保障,生態(tài)環(huán)境得到改善。未來可利用多目標規(guī)劃模型,在協(xié)調(diào)發(fā)展型方案的基礎上,進一步對敏感性參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整,確定更理想的模擬方案,更好地保障烏昌一體化綠洲城市群的水資源供給,優(yōu)化用水結構,實現(xiàn)水資源高效配置。