郝光玲,王 烜,李春暉,張力小,朱 潔
(1.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100875; 2.北京師范大學(xué)水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875;3.北京師范大學(xué)水環(huán)境模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875)
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基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的南陽市水資源供需平衡分析
郝光玲1,2,3,王 烜1,2,3,李春暉1,2,張力小3,朱 潔1,2,3
(1.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100875; 2.北京師范大學(xué)水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875;3.北京師范大學(xué)水環(huán)境模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875)
利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型定量模擬了南水北調(diào)中線工程渠首所在地南陽市的水資源供需情況,并在分析水資源供需平衡影響因子的基礎(chǔ)上,假定了傳統(tǒng)發(fā)展模式、強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)增長的發(fā)展模式、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境相協(xié)調(diào)模式等3種南陽市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式,對(duì)未來水資源的供需平衡狀況進(jìn)行分析。結(jié)果表明,按照傳統(tǒng)發(fā)展模式,未來幾年南陽市將面臨嚴(yán)峻的水資源短缺形勢;強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)增長的發(fā)展模式則會(huì)使水資源短缺問題進(jìn)一步加??;在協(xié)調(diào)型模式下,水資源供求矛盾最小。指出為解決水資源供需矛盾、保障南水北調(diào)工程的供水安全,必須盡快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式,依靠節(jié)水投資、科技進(jìn)步、水資源管理等手段來提高水資源利用率,從根本上減少水資源需求量,維持水資源供需平衡和社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展。
水資源;供需平衡;系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型;經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式;南陽市
水資源是人類生存和社會(huì)生產(chǎn)所必需的基礎(chǔ)性資源,水資源的供需矛盾嚴(yán)重制約著區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。隨著人口的增加和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,淡水資源的供需矛盾變得日益突出,水資源需求預(yù)測已經(jīng)成為近年來各個(gè)國家和地區(qū)開展水資源規(guī)劃的首要任務(wù)。城市水資源需求量涉及人們生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面,且各部分之間相互作用,是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。水資源供需系統(tǒng)的主要反饋回路是:區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展→社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需水→供需差值→區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。它可以用來定性和定量地描述一定時(shí)域內(nèi)復(fù)雜的系統(tǒng)行為。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(system dynamics)以反饋控制理論為基礎(chǔ),擅于處理高階次、非線性、時(shí)變的問題,目前已經(jīng)成功用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)等復(fù)雜大系統(tǒng)的許多分析與管理決策中,在水資源承載力、需水量預(yù)測等方面的應(yīng)用也越來越廣泛[1-2]。運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行水資源供需平衡預(yù)測是一個(gè)行之有效的方法。
南陽市是南水北調(diào)中線工程的渠首所在地和重要水源地,是丹江口水庫的主要淹沒區(qū)和移民搬遷安置區(qū),在整個(gè)南水北調(diào)中線工程建設(shè)中占有非常重要的地位。近幾年,一方面,隨著南陽市國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口的增長,對(duì)淡水資源的需求不斷增加;另一方面,南陽市屬于水資源缺乏地區(qū),結(jié)構(gòu)性缺水問題突出,同時(shí),水資源浪費(fèi)和水污染加劇了南陽市水資源供需矛盾[3]。為此,對(duì)南陽市未來幾年的水資源需求進(jìn)行預(yù)測,深入分析南陽市水資源供需矛盾,研究水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的長期相互作用和影響,不僅能為南陽市科學(xué)高效配置水資源、促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用和節(jié)水型社會(huì)建設(shè)提供技術(shù)支持,而且對(duì)南水北調(diào)中線工程實(shí)施后的供水安全保障具有舉足輕重的戰(zhàn)略意義。
本文基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理,運(yùn)用STELLA軟件,綜合考慮影響水資源需求的第一、二、三產(chǎn)業(yè)子系統(tǒng),以及人口和社會(huì)發(fā)展子系統(tǒng)等,建立南陽市水資源供需系統(tǒng)模型,分析未來10年水資源的需求量和供給量,并依據(jù)模型的敏感性分析結(jié)果假定南陽市未來的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方案。在擬定的發(fā)展方案下,對(duì)南陽市水資源供需平衡進(jìn)行預(yù)測,從而找到加強(qiáng)水資源科學(xué)管理、促進(jìn)用水合理化、節(jié)約水資源和維持水資源可持續(xù)利用的有效途徑,為南陽市水資源合理配置與經(jīng)濟(jì)政策制定提供參考[4]。
南陽市位于河南省西南部,年平均降水量為709~1 168 mm,多年平均水資源總量為68.43億m3,人均水資源占有量為642.5 m3,僅為全國人均水資源占有量的28%。根據(jù)富肯·瑪克的“水緊缺指標(biāo)”,南陽市屬于重度缺水地區(qū)[5]。
南陽市水資源開發(fā)利用中存在諸多問題,主要表現(xiàn)在:①降水分布極度不均。首先是時(shí)間分布不均,南陽市降水主要集中在6—9月,降水量占全年降水量的60%~70%,其他月份則雨水稀少;其次是水資源區(qū)域分布不均,水資源分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度極不相稱。水資源時(shí)空分布不均,極大地限制了對(duì)水資源的開發(fā)利用[6]。②水資源量呈減少趨勢,且過度開采,導(dǎo)致出現(xiàn)降落漏斗。南陽市城市供水主要依靠開采淺層地下水,大規(guī)模地下水開采導(dǎo)致白河南岸等地區(qū)出現(xiàn)地下漏斗并進(jìn)一步擴(kuò)展[5]。③水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。目前,南陽市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多為傳統(tǒng)生產(chǎn)方式,生產(chǎn)方式落后、用水方式粗放、效率不高致使水資源浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重,進(jìn)一步加劇了水資源短缺的局面。④水環(huán)境污染。南陽市河流污染嚴(yán)重,工業(yè)廢水是重點(diǎn)污染源,商業(yè)污水和生活污水未經(jīng)處理排放也加劇了水環(huán)境污染。
由于南陽市水資源量減少,且全民節(jié)水和環(huán)境保護(hù)意識(shí)不強(qiáng),水資源浪費(fèi)和污染現(xiàn)象嚴(yán)重,在未來幾年中,水資源問題將制約南陽市社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,并為南水北調(diào)供水安全帶來隱患。
2.1 模型邊界條件
基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理,運(yùn)用STELLA軟件,建立南陽市水資源供需系統(tǒng)模型(圖1),定量模擬南陽市水資源供需平衡情況。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)邊界劃分原則,將直接參與或?qū)λY源環(huán)境和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)有較大影響的因素劃分在邊界之內(nèi),而將間接參與或雖然直接參與但影響相對(duì)較小的因素劃分在邊界之外。本模型以南陽市的行政邊界作為空間研究邊界,時(shí)間邊界取2006—2030年,時(shí)間步長為1年。人口數(shù)量、灌溉面積、各產(chǎn)業(yè)的水資源需求量、生活需水量和各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值等對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有較大的影響,因而包含在內(nèi)容邊界內(nèi)。政策制定方面,由于側(cè)重于研究社會(huì)經(jīng)濟(jì)政策的影響效果,因此只考慮了水利投資等一些主要因素。
2.2 模型結(jié)構(gòu)
圖1 南陽市水資源供需系統(tǒng)模型
模型主要分析了人口、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)子系統(tǒng)對(duì)南陽市水資源供需的影響。南陽市水資源供需系統(tǒng)中各要素相互影響、相互制約,形成具有多重反饋的因果關(guān)系,涉及的反饋回路主要有:①人口→水資源需求量→水資源供需比→人口;②工業(yè)產(chǎn)值→工業(yè)用水量→水資源供需比→工業(yè)產(chǎn)值增長率→工業(yè)產(chǎn)值;③總產(chǎn)值→節(jié)水投資→水資源需求量→水資源供需比→總產(chǎn)值。
2.3 模型參數(shù)確定
模型所采用的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水資源量和水資源供需等數(shù)據(jù)資料均引自《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2006—2012年)、《南陽市水資源公報(bào)》(2006—2012年)、《南陽市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》(2006—2012年)等,或經(jīng)計(jì)算整理獲得;模型的參數(shù)也從統(tǒng)計(jì)年鑒、統(tǒng)計(jì)公報(bào)和水資源公報(bào)中直接引用,或通過數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算出結(jié)果,再代入模型中。
2.4 模型驗(yàn)證
表1 2008—2009年南陽市水資源供需系統(tǒng)模擬結(jié)果
表2 南陽市水資源系統(tǒng)主要參數(shù)的初始值
該模型以2006年為基準(zhǔn)年進(jìn)行歷史檢驗(yàn),跨度考慮2007—2010年。表1中列出了系統(tǒng)模型2008年、2009年的一些主要參數(shù)的模擬結(jié)果。與實(shí)際系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,結(jié)果表明,絕大部分的相對(duì)誤差小于10%,最大相對(duì)誤差為19.35%。由此可見,構(gòu)建的模型所描述的系統(tǒng)行為與實(shí)際系統(tǒng)行為基本相符,可以用于未來系統(tǒng)的模擬。
3.1 主要變量及初始值
根據(jù)南陽市水資源供需系統(tǒng)中各個(gè)影響因子的反饋關(guān)系,設(shè)定模型的主要參數(shù)的初始值如表2所示。
3.2 敏感性分析
為了找出對(duì)水資源供需量平衡影響較大的影響因子,需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。分析時(shí)每次只改變一個(gè)參數(shù),其他所有參數(shù)保持不變。以2006年為計(jì)算基準(zhǔn)年,定義敏感性:
(1)
式中:S為參數(shù)敏感性;ΔY為供需比變化量;ΔX為參數(shù)變化量。
到2015年時(shí),影響因子的取值范圍及其敏感性見表3。
表3 影響因子的取值范圍及敏感性
表4 3種方案下的模型主要參數(shù)及取值
注:投資百分比是指節(jié)水投資在工業(yè)生產(chǎn)總值中所占的比例。
對(duì)不同影響因子進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),污水處理投資增長率、城鎮(zhèn)生活用水定額變化率、工業(yè)用水定額變化率、水利投資率、農(nóng)村生活用水定額變化率和農(nóng)業(yè)需水定額變化率等都不同程度地對(duì)水資源供需平衡產(chǎn)生影響。敏感性值為負(fù)說明增大影響因子的取值會(huì)使水資源供需比減小,敏感性值為正則說明增大影響因子取值使得水資源供需比增大。其中水利投資率對(duì)水資源供需比的靈敏性為15.67,對(duì)水資源供需系統(tǒng)的影響最為敏感;其次是農(nóng)業(yè)需水定額變化率,其對(duì)水資源供需比敏感性為-2.10,說明南陽市農(nóng)業(yè)用水占很大比重,農(nóng)業(yè)節(jié)水能夠較為有效地減少水資源需求量。污水處理投資增長率和城鎮(zhèn)生活用水定額變化率敏感性分別為0.40和-0.27,對(duì)水資源供需比影響最小,在制定模擬方案時(shí),應(yīng)充分考慮影響因子的敏感程度,并根據(jù)影響因子的敏感程度確定其取值范圍。
3.3 方案介紹
以2012年為現(xiàn)狀年,對(duì)南陽市水資源供需平衡情況進(jìn)行模擬分析,模擬步長為1年,模擬時(shí)間到2030年。根據(jù)控制變量的確定原則,提取部分決策變量。通過調(diào)整幾種變量的組合,確定傳統(tǒng)發(fā)展模式、強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)增長的發(fā)展模式和經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境協(xié)調(diào)的發(fā)展模式3種發(fā)展方案。方案中的參數(shù)主要依據(jù)影響因子的敏感性分析結(jié)果及參考文獻(xiàn)來確定[7]。同時(shí),南水北調(diào)工程2014年12月正式通水,南陽市作為南水北調(diào)中線工程河南段的11個(gè)受水省轄市之一,計(jì)劃每年分配到城市用水4.9億m3,在一定程度上緩解了供水壓力。本研究中的供需水模擬也相應(yīng)地從2015年開始考慮了調(diào)水后供水量增加對(duì)南陽市可利用水資源的影響。
方案一:傳統(tǒng)發(fā)展模式。假定經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度、投資水平及現(xiàn)狀用水量增長情況等決策變量維持現(xiàn)狀不變,運(yùn)行模型來分析水資源的供需趨勢。
方案二:強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)增長的發(fā)展模式。該發(fā)展模式強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)增長的重要性,相比方案一,在方案二中提高各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增長率,各產(chǎn)業(yè)用水量增加;同時(shí)提高農(nóng)村和鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活用水及生態(tài)用水增長率。
方案三:經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境相協(xié)調(diào)的發(fā)展模式。對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度進(jìn)行調(diào)整,盡量滿足居民生活用水(適當(dāng)提高農(nóng)村生活用水和減少城市生活用水),提高水利投資率,減少農(nóng)灌用水定額和工業(yè)用水定額,同時(shí)增加環(huán)境生態(tài)用水,確保生態(tài)需水。
依據(jù)表4確定的參數(shù)值運(yùn)行南陽市水資源供需系統(tǒng)模型,得到了南陽市3種發(fā)展方案下的水資源供需比(圖2)。在3種假定的發(fā)展方案下,水資源供需比都不大于1(方案三中,至2030年水資源供需比達(dá)到1),即水資源供小于需,且第一、第二種方案下水資源供需比在持續(xù)減小。方案一中,經(jīng)濟(jì)發(fā)展、投資水平及用水量維持現(xiàn)狀時(shí),水資源供需比年均減少0.6%,追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方案二比方案一中水資源供需比下降得更快,年均減少1.28%。如果按照現(xiàn)有發(fā)展模式發(fā)展,至2014年底,全市將缺水約5億t,且地下水超采嚴(yán)重,將給南陽市生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重影響。到2030年底,南陽市水資源供需比為0.67,水資源短缺形勢非常嚴(yán)峻。相比傳統(tǒng)發(fā)展模式,強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)增長的發(fā)展模式提高了經(jīng)濟(jì)增長速度,盡管在水利投資和生態(tài)環(huán)境方面也加大了投入,但水資源緊張形勢依然加劇,說明經(jīng)濟(jì)增長速率對(duì)水資源供需敏感性較強(qiáng)。到2030年,水資源供需比僅為0.6,城市將面臨嚴(yán)重的供水困難,威脅人類生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展,所以一味追求經(jīng)濟(jì)增長的發(fā)展模式不可持續(xù),是必須要摒棄的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式。“經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境相協(xié)調(diào)的發(fā)展模式”不單純追求經(jīng)濟(jì)的增長,將經(jīng)濟(jì)增長速率放緩;提倡在盡量滿足居民生活用水的同時(shí)注意節(jié)水,減少工農(nóng)業(yè)用水定額和城鎮(zhèn)居民用水量,適當(dāng)增加農(nóng)村居民生活用水量;依靠增加科技投入和節(jié)水基礎(chǔ)建設(shè)來減少工農(nóng)業(yè)用水需求;同時(shí)加大對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視程度,保障生態(tài)需水供給,增加生態(tài)環(huán)境用水量。在3種方案中,經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境相協(xié)調(diào)的模式的水資源緊張程度最小,且水資源短缺形勢會(huì)逐步緩解,至2030年,水資源供需或可達(dá)到平衡。由此說明,加大投入,減少工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水定額,減少生活用水,建設(shè)節(jié)水型社會(huì)是實(shí)現(xiàn)水資源供需平衡的重要保障。
圖2 3種模擬方案下的南陽市水資源供需比
本文運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)南陽市水資源供需系統(tǒng)進(jìn)行了模擬,結(jié)果表明模擬期內(nèi)南陽市水資源供需矛盾十分突出。為實(shí)現(xiàn)南陽市水資源供需平衡,緩解水資源危機(jī),維持社會(huì)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展,必須轉(zhuǎn)變現(xiàn)有落后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式,提高各行業(yè)用水效率,加大節(jié)水投資,構(gòu)建節(jié)水型產(chǎn)業(yè)體系,提高全民節(jié)水意識(shí),加強(qiáng)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和重要水源工程建設(shè),加快水資源循環(huán)利用,以保證水資源供需平衡和實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展[8-9]。由于水資源供需系統(tǒng)的反饋關(guān)系復(fù)雜,要提高模擬精度,還需要對(duì)影響水資源供需系統(tǒng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系作更加深入的研究。
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HAO Guangling1,2,3, WANG Xuan1,2,3, LI Chunhui1,2, ZHANG Lixiao3, ZHU Jie1,2,3
(1.SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.KeyLaboratoryofWaterandSedimentSciencesofMinistryofEducation,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;3.StateKeyLaboratoryofWaterEnvironmentSimulation,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)
In this paper,the water supply and demand situation in Nanyang City, Which is the location of the head of the Middle Route Project of South-to-North Water Diversion, was simulated using system dynamics model.Based on the analysis of the factors affecting the balance of water supply and demand, three social and economic development programs of Nanyang City, that is, “traditional development mode”, “emphasized economic growth development mode” and “economic and environmental coordination development mode” were assumed.Meanwhile, future water resources supply and demand balance were analyzed.The results showed that under the “traditional development mode”, Nanyang City would face severe water shortages in the future years; under the “emphasized economic growth development mode”, water shortages in Nanyang City would be further intensified; under the “economic and environmental coordination development mode”, there would be a minimum conflict between water supply and demand.Therefore, in order to solve the contradiction between water supply and demand and ensure water supply security of South to North Water Diversion Project, the economic development mode should be changed as soon as possible and some effective measures, such as relying on water-saving investment, technological progress, water resources management and other means, should be taken to improve the utilization of water resources.Only in this way can we fundamentally reduce the amount of water resources, maintain water supply and demand balance water resources and can the social economy develop continuously and healthily.
water resources; balance of supply and demand; system dynamics model; economic development model; Nanyang City
10.3880/j.issn.1004-6933.2015.04.003
“十二五”國家科技支撐計(jì)劃(12011BAC12B02)
郝光玲(1990—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)榱饔蛩Y源安全評(píng)價(jià)與管理。E-mail:hgl370@163.com
王烜,教授,E-mail:wangx@bnu.edu.cn
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1004-6933(2015)04-0015-05