張玲玲, 沈家耀, 王偉榮

(河海大學 公共管理學院,江蘇 南京 211100)

“三條紅線”約束下區(qū)域水資源復合系統(tǒng)仿真與模擬研究
——以菏澤市為例

張玲玲, 沈家耀, 王偉榮

(河海大學 公共管理學院,江蘇 南京 211100)

為了將最嚴格水資源管理制度落到實處，實現(xiàn)管理制度的可量化和可操作化，在綜合考慮用水需求、用水供給和用水特性的基礎上，運用系統(tǒng)動力學方法構建了包括人口、經(jīng)濟、用水、資源、環(huán)境等系統(tǒng)的水資源復合系統(tǒng)動態(tài)模型。并以菏澤市為例，模擬分析了其在現(xiàn)狀發(fā)展情景下和基于“三條紅線”目標約束不同情景下，水資源利用的變化情況。計算結果顯示：在現(xiàn)狀發(fā)展情景下，2020年菏澤市將缺水1.5 億m3，水資源供需平衡比為0.94，水污染比為0.025 8；“三條紅線”目標約束情景下，不同的模擬方案結果不同，其中綜合效益排名前20%的方案極大地緩解了菏澤市水資源的供需矛盾，減輕了水污染狀況，可為探討制定菏澤市合理的“三條紅線”目標提供借鑒。

最嚴格水資源管理制度；“三條紅線”；水資源復合系統(tǒng)；系統(tǒng)動力學；模擬仿真

隨著人口的急劇增加以及工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的迅猛推進,我國水資源供需矛盾日益突出,水環(huán)境污染狀況不斷惡化,水資源系統(tǒng)承載能力逐漸減弱。以此為主要特征的水危機已經(jīng)使得我國部分地區(qū)喪失了發(fā)展的活力,嚴重影響了經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。常規(guī)的水資源管理模式已很難解決當前的水問題。

根據(jù)水利改革發(fā)展的新形勢和新要求,2012年1月,國務院發(fā)布了《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》,明確了水資源管理“三條紅線”的主要目標[1]。眾多學者針對“三條紅線”也開展了有價值的研究。2010年，李原園[2]分析了水資源合理配置在實施最嚴格水資源管理制度中的基礎性作用。2014年，劉曉等[3]以北京市為例,構建了水資源管理“三條紅線”指標體系,并提出了評價方法。但是由于社會、經(jīng)濟、環(huán)境等系統(tǒng)的復雜性和動態(tài)性因素,目前缺乏定量評價“三條紅線”目標對水資源利用系統(tǒng)影響的方法。因此，有必要建立一個反映水資源供求、分配關系的全面的水資源復合利用系統(tǒng)，來模擬分析“三條紅線”對該系統(tǒng)用水行為的政策影響。

系統(tǒng)動力學(System Dynamics,SD)是美國學者J.W.Forrester建立的一種理解復雜動態(tài)行為的方法,它通過信息反饋控制原理并結合因果關系邏輯分析,能夠有效地模擬系統(tǒng)結構、功能和行為之間的動態(tài)關系[4]。目前,系統(tǒng)動力學在水資源方面的應用研究主要集中于區(qū)域需水預測、水資源承載力計算和水資源綜合利用方面。1994年，Ruth Matthias等[5]運用系統(tǒng)動力學方法，針對美國佛羅里達州沿海地區(qū)的海水倒灌對水資源利用造成的影響進行了模擬分析。2010年，陳南祥等[6]基于SD模型,建立了河南省的水資源模型,對河南省未來水資源的需求量進行了模擬和預測,并提出了水資源配置方案。2016年，張玲玲等[7]在描述用水系統(tǒng)與社會經(jīng)濟系統(tǒng)耦合關系的基礎上,構建了江蘇省用水結構與產(chǎn)業(yè)結構、用水需求與社會發(fā)展指標互動反饋的系統(tǒng)動力學模型。

目前，學術界運用SD方法模擬研究最嚴格水資源管理制度下的“三條紅線”還很罕見,但二者的結合能夠很好地彌補傳統(tǒng)因果分析法中單一描述的不足。因此，采用SD方法模擬“三條紅線”中用水總量、用水效率及污染排放的變化趨勢,能夠比較全面地反映系統(tǒng)宏觀、長遠的發(fā)展趨勢。

基于此,本文擬運用SD方法對水資源、經(jīng)濟以及環(huán)境等子系統(tǒng)間的耦合關系進行綜合分析,構建水資源復合系統(tǒng),并以菏澤市為例,結合“三條紅線”管理目標進行情景設計,分析現(xiàn)狀發(fā)展情景下和“三條紅線”目標約束不同情景下水資源系統(tǒng)的變化情況,最后優(yōu)選出前20%的情景方案,以期為菏澤市制定最嚴格水資源管理制度提供決策參考。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

菏澤市位于山東省境內,轄1個區(qū)、8個縣,總面積1.2萬km2，總人口約為843萬人。菏澤市屬淮河水系,地處溫帶大陸性季風氣候區(qū),降水量分布極不均勻,夏季降水多,冬季降水少。2014年全市生產(chǎn)總值為2 222.19億元。同年，全市用水總量為22.85億m3,其中農業(yè)用水量為18.62億m3,工業(yè)用水量為1.37億m3,生活和生態(tài)用水量分別為2.46億m3和0.40億m3。

由于近年來菏澤市經(jīng)濟的快速發(fā)展,當?shù)赜盟枨蟪掷m(xù)增加,進而導致其水資源供需矛盾日益加劇。當前，菏澤市的水資源問題主要體現(xiàn)在:①水資源總量不足且地下水超采嚴重。2014年菏澤市水資源總量為18.44億m3,僅為山東省的7%,且由于工業(yè)發(fā)展迅速,加上降水量偏少,導致地下水超量開采,地面沉降幅度不斷增加。②用水效率低。菏澤市是一個農業(yè)大市,農業(yè)用水量巨大,但水的利用率僅在46%左右。③水污染嚴重。菏澤市的水資源開發(fā)利用中,化學需氧量(COD)入河量逐年增加,已大大超過了水體的自凈能力,水質問題日益突出。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究所采用的數(shù)據(jù)來源于:《菏澤市統(tǒng)計 年鑒》(1978—2011)、“菏澤市水資源公報”(2001— 2012)、菏澤市“五年計劃”(2011)、《南水北調工程,山東省配套工程規(guī)劃》(2011)、“全國水資源綜合規(guī)劃技術計劃”(2002)、《山東省統(tǒng)計年鑒》(1980— 2011)、《山東省淮河流域綜合規(guī)劃報告》(2010)、《山東省調查評價》等。

2 SD模型的構建

SD模型是系統(tǒng)動力學(System Dynamic)模型的簡稱，它由變量、參數(shù)和函數(shù)關系共3項要素構成，主要研究復雜系統(tǒng)的時變問題。本次SD模型的構建選取菏澤市作為空間區(qū)域，時間序列選取2008—2030年。其中2008年為基準年，2008—2011年為檢驗模擬階段，2012—2030年為預測模擬階段，步長為1 a。

2.1 因果關系圖的建立

在建模過程中,需要通過因果關系圖來描述系統(tǒng)的結構。因果關系圖是各元素之間因果關系的直接體現(xiàn)[8]。一個因果關系圖包含多個變量,變量的因果關系用箭頭來標記,每一個因果鏈的極性或正(+)或負(-)。人口、水資源、經(jīng)濟以及環(huán)境系統(tǒng)具有各自的內部循環(huán),同時與其他子系統(tǒng)密不可分,并且相互影響。這種相互間的作用規(guī)律共同組成了一個復合的系統(tǒng)因果關系。荷澤市水資源復合系統(tǒng)的因果關系如圖1所示。由圖1可知，水資源復合系統(tǒng)內存在多條正、負反饋回路,其中R1、R2代表正反饋回路;B1、B2代表負反饋回路。

圖1 菏澤市水資源復合系統(tǒng)的因果關系

2.2 系統(tǒng)流圖的建立

菏澤市水資源系統(tǒng)是區(qū)域內所有供水主體、用水主體及其間的相互作用構成的復合系統(tǒng),層次和結構都極其復雜。本文針對菏澤市水資源特征,結合各用水主體行為,將菏澤市水資源系統(tǒng)分為人口、經(jīng)濟、用水、資源、環(huán)境5個子系統(tǒng),以充分認識各子系統(tǒng)中的反饋狀態(tài)和動態(tài)性。運用系統(tǒng)動力學專用建模軟件Vensim構建了菏澤市水資源復合系統(tǒng)動態(tài)模擬模型,來反映各子系統(tǒng)之間的內部響應關系。菏澤市水資源復合系統(tǒng)流圖如圖2所示。

圖2 菏澤市水資源復合系統(tǒng)流圖

2.3 SD模型參數(shù)的選取

SD模型中涉及到的主要參數(shù)基礎數(shù)據(jù)采用整理得出的2008年菏澤市相關指標的統(tǒng)計數(shù)值,而2020年和2030年的變量采用表函數(shù)的方式予以定義[9]。鑒于菏澤市某些指標數(shù)據(jù)的缺失,本文運用線性規(guī)劃法、插值處理法等得到各項變量的取值，SD模型中主要參數(shù)的取值情況見表1。

表1 菏澤市水資源SD模型的主要參數(shù)取值

2.4 SD模型的檢驗

SD模型的檢驗，即將模型的計算結果與實際數(shù)據(jù)相比較,檢驗兩者是否相匹配或一致,可對SD模型模擬的可靠性和準確性做出判斷[10]。本文從菏澤市水資源復合系統(tǒng)著手，分別從人口子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)和用水子系統(tǒng)中選取總人口、GDP和農田灌溉用水量3項指標，來判斷SD模型模擬結果的可靠性，檢驗結果見表2。

表2 SD模型的檢驗結果

由表2可知,被檢驗指標的模擬值與實際值相比較,最大誤差為6.90%未超過10%,表明SD模型的輸出結果與歷史數(shù)據(jù)的符合性較高。從而說明SD模型可用于該3項指標的預測和模擬。

3 結果分析

3.1 現(xiàn)狀發(fā)展情景模擬

現(xiàn)狀發(fā)展情景是根據(jù)歷史發(fā)展水平來設置參數(shù)、直接通過模型運行而不經(jīng)過人為調整而得到輸出結果的。根據(jù)菏澤市水資源SD模型,通過Vensim軟件對2012—2030年間菏澤市的水資源需求、社會經(jīng)濟以及生態(tài)環(huán)境狀況的發(fā)展趨勢進行仿真模擬,結果如圖3—7所示。

圖3 2012—2030年菏澤市GDP和總人口變化情況

圖4 2012—2030年菏澤市可供水量和需水量模擬

圖5 2012—2030年菏澤市水資源供需平衡比模擬

圖6 2012—2030年菏澤市各用水部門需水模擬

圖7 2012—2030年菏澤市水污染比變化趨勢

綜合分析2012—2030年菏澤市水資源復合系統(tǒng)的模擬結果可知：①現(xiàn)狀發(fā)展情景下，菏澤市未來的GDP總值將迅速增長。2012年菏澤市GDP為1 382.33億元,2030年將達到14 352.93 億元,年均增長率約為13%。②2012—2030年期間,菏澤市的需水總量處于持續(xù)增加的態(tài)勢,到2020年需水總量將達到26.29億m3,屆時將超過菏澤市最嚴格水資源管理制度中用水總量控制紅線規(guī)定的范圍,缺水量為0.52億m3,水資源供需平衡比為0.94;到2030年，菏澤市需水總量更是高達44.96億m3,缺水量為18.87億m3,水資源供需平衡比僅為0.59,屆時將出現(xiàn)嚴重缺水的局面。③部門需水中，農業(yè)需水量所占比例最高,占總需水量的65%左右,未來隨著農業(yè)節(jié)水技術的提高、農田水利設施的改進,其用水比例將逐漸減少,而工業(yè)需水量、生活需水量和第三產(chǎn)業(yè)需水量在模擬期均將不斷增加。④2012—2030年，菏澤市的水污染比將持續(xù)增長,表明在未來20年內，菏澤市的水污染狀況將持續(xù)加重,生態(tài)環(huán)境繼續(xù)惡化,將嚴重影響菏澤市水資源系統(tǒng)的良性發(fā)展。

3.2 基于“三條紅線”的模擬分析

由現(xiàn)狀發(fā)展情景的模擬結果可知,在未來20年內，菏澤市將出現(xiàn)嚴重缺水、水資源供需平衡比嚴重失衡的狀況,菏澤市對水資源的供給量已遠遠滿足不了經(jīng)濟發(fā)展的需求。面對菏澤市嚴峻的水資源現(xiàn)狀,2011年以來,該市嚴格實施“三條紅線”目標管理,增強水資源管理的硬性約束,通過轉變用水方式促進經(jīng)濟發(fā)展方式的轉變,以水資源的可持續(xù)利用確保經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

3.2.1 指標的選取

菏澤市最嚴格水資源管理制度“三條紅線”包括：用水總量控制紅線、用水效率控制紅線、水功能區(qū)限制納污控制紅線。“三條紅線”從不同角度、不同層面對水資源的利用和保護進行管理，三者互為支撐，互相關聯(lián)，共同構成了水資源管理體系。“三條紅線”涵蓋了社會、經(jīng)濟、環(huán)境等不同層面的多維協(xié)調關系，是一個多目標決策過程。因此，在選取指標時必須遵循系統(tǒng)性原則，綜合考慮社會經(jīng)濟發(fā)展水平、水資源承載力、水環(huán)境容量等要素，以準確、全面地反映水資源管理“三條紅線”的控制情況?；诖?，本文在社會目標、經(jīng)濟目標、環(huán)境目標3個目標層面選取了能夠表征“三條紅線”目標約束的指標。

社會目標——用水總量控制紅線。區(qū)域缺水量的多少會直接影響到社會的穩(wěn)定和發(fā)展,是社會效益的一個側面反映。社會目標是通過社會效益來體現(xiàn)的,而水資源供需平衡是我們追求的長遠目標。因此，可以選取區(qū)域總缺水量最小來間接反映。

經(jīng)濟目標——用水效率控制紅線。GDP是一項全面反映經(jīng)濟活動水平的通用指標,可以反映一個地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平。因此選取GDP作為經(jīng)濟指標，用供水產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益最大來表示經(jīng)濟目標。同時為了使GDP最大,降低萬元產(chǎn)值用水量是關鍵，可通過控制用水效率指標來降低用水量并保證經(jīng)濟的正常發(fā)展。

環(huán)境目標——水功能區(qū)限制納污控制紅線。不管以何種方式發(fā)展社會經(jīng)濟,都不能毀壞生態(tài)環(huán)境,要保證廢水排放總量在可控制的范圍內,同時要滿足水質達標率。可以通過污水處理來降低污染水量,水污染比可用來更好地詮釋環(huán)境問題。因此,選取水污染比最小作為環(huán)境目標。

綜上所述,最終確定“三條紅線”的目標為:①供需平衡比接近1;②地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)最大;③水污染比最小。

3.2.2 敏感性分析

根據(jù)菏澤市“三條紅線”目標管理，結合菏澤市水資源SD流圖,初步選取6個變量:總人口、需水總量、供需平衡比、GDP、排污量和水污染比。根據(jù)系統(tǒng)動力學敏感性分析,找出這些變量的關鍵影響參數(shù)。分析公式如下:

(1)

式中:t為時間;Q(t)為變量Q在t時刻的值;X(t)為參數(shù)X在t時刻的值;ΔQ(t)和ΔX(t)分別為變量Q和參數(shù)X在t時刻的增長量；SQ為變量Q對參數(shù)X的敏感度。

從1到n的變量(Q1,Q2,…,Qn)的敏感度平均值可以表示為:

(2)

式中：n為變量個數(shù);SQi為Qi的敏感度;S為參數(shù)X的平均敏感度。

2008—2030年期間,令每個影響參數(shù)逐年變化10%,分析其對6個變量的影響,并求出6個變量對某個影響參數(shù)的敏感度均值。敏感度分析結果如圖8所示。由圖8可知,各參數(shù)的敏感度均值高低不一,選取對菏澤市水資源復合系統(tǒng)影響的敏感度均值大于5%的參數(shù)為關鍵影響因子，由高到低依次為灌溉水利用系數(shù)、城鎮(zhèn)人均日用水量、GDP增長率、水澆地用水定額、生活污水處理率、一般工業(yè)增長率、建筑業(yè)增長率、高用水工業(yè)用水定額、火電工業(yè)用水定額、工業(yè)水利用系數(shù)、第三產(chǎn)業(yè)用水定額、一般工業(yè)用水定額、水田用水定額、人口增長率。

圖8 參數(shù)敏感度均值

3.2.3 方案設計及模擬結果分析

菏澤市最嚴格水資源管理制度明確規(guī)定[11]:“到2020年萬元規(guī)模以上工業(yè)增加值取水量下降到18 m3以下;工業(yè)用水重復利用率提高到75%以上;城市節(jié)水器普及率提高到70%以上;農業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.53;全市用水總量控制在24.75億m3以內?！卑凑兆顕栏袼Y源管理制度和“十三五”規(guī)劃的規(guī)定,確定此次方案設計的基本思路為:在其他變量的參數(shù)值保持不變的前提下，變動某一變量,計算出其他變量隨之變動的情況,從而得出其對目標變量的沖擊作用,并分析每種方案下菏澤市的GDP、水資源供需平衡比和水污染比的變動情況。

根據(jù)前文敏感度分析選出的關鍵影響因子,結合菏澤市“十三五” 規(guī)劃的指導思想，最終將方案定為：在常規(guī)發(fā)展模式的基礎上，每個影響因子提高或降低5%,且每次模擬只變動1個參數(shù),其他參數(shù)值保持不變。計算結果詳見表3。

表3 菏澤市在“三條紅線”目標約束下的模擬結果

由表3可知,若GDP增長率提高5%，菏澤市2020年GDP總量將達到4 408.733億元，較現(xiàn)狀發(fā)展情景的結果增加了318.023億元，但會導致水資源供需平衡比有所降低，不利于水資源供需矛盾的解決；若將人口增長率降低5%，由計算結果可知，在所有變化的參數(shù)中該項措施對2020年的水資源供需平衡比的影響程度最大,同時能夠最大程度地降低水污染比,但也會導致GDP幾乎零增長；提高生活污水處理率則會使得水污染比最低,但GDP和水資源供需平衡比卻不是最優(yōu)的。

由于GDP、水資源供需平衡比、水污染比3個指標的度量單位不同,無法進行比較。所以對模擬結果進行歸一化處理,公式如下:

(3)

(4)

GDP是效益型指標,應越大越好；水資源供需平衡比是水資源平衡的一個標志,也應越大越好；而水污染比是成本型目標,應越小越好。因此,在歸一化處理時,GDP和水資源供需平衡比選用越大越好型歸一化公式；水污染比選用越小越好型歸一化公式。最終選取綜合目標為GDP、水資源供需平衡比與水污染比3項指標歸一化后的值的總和。各參數(shù)的綜合目標取值詳見表4。

表4 菏澤市“三條紅線”綜合目標結果

由表4可知,2020年排在前20%的方案為：人口增長率(降低5%)、GDP增長率(提高5%)、水澆地用水定額(降低5%)。從長期發(fā)展的角度來看,高的經(jīng)濟增速勢必會帶來高的用水量,因經(jīng)濟的拉動作用對綜合目標及區(qū)域協(xié)調發(fā)展的影響較大,所以將來可能會導致水污染情況越來越嚴重,要達到綜合目標的優(yōu)化,必須考慮讓污染控制更有成效。因此，2030年排在前20%的方案也相應發(fā)生了變化,該年的優(yōu)選方案為：一般工業(yè)增長率(降低5%)、生活污水處理率(提高5%)、高用水工業(yè)用水定額(降低5%)。

由此可見,較高的經(jīng)濟增長速度能帶來較高的產(chǎn)值,但也伴隨著較高的用水需求,由此引起的缺水量和污水排放量擴大，直接制約了流域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。較低的經(jīng)濟發(fā)展速度雖然能一定程度上緩解區(qū)域的缺水狀況,但會對流域內的居民生活水平、產(chǎn)業(yè)規(guī)模，甚至水資源供給造成不良影響,難以從根本上改變菏澤市水資源供需不平衡的現(xiàn)狀。“三條紅線”目標約束下的情景模擬使得菏澤市水資源供需矛盾得到很大程度的緩解,同時保證了該市經(jīng)濟的正常發(fā)展。綜合區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展狀況與水資源約束條件和生態(tài)環(huán)境發(fā)展要求,最終分別選擇綜合效益排名前20%的方案作為2020年和2030年SD模型優(yōu)化的基礎方案。

4 結語

運用系統(tǒng)動力學方法,從分析研究區(qū)域的人口現(xiàn)狀、社會經(jīng)濟發(fā)展狀況、環(huán)境狀況和水資源利用現(xiàn)狀入手,并結合各子系統(tǒng)之間相互反饋作用的內在機理,建立了菏澤市水資源復合系統(tǒng)動力學模型,模擬菏澤市的用水需求變化趨勢,分析水資源發(fā)展存在的問題。進而對模型主要參數(shù)進行敏感度分析,識別模型的主要影響因子,并根據(jù)菏澤市“三條紅線”目標的各項指標,制定用水定額調整方案、人口和經(jīng)濟增長速度調整方案以及用水效率調整方案,量化不同調整方案對區(qū)域經(jīng)濟、需水、環(huán)境的影響,得到以下結論:

現(xiàn)狀發(fā)展情景下,隨著人口和經(jīng)濟的增長,用水需求不斷增加,當前水資源可供水量已達不到社會經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求,水資源供需矛盾日益突出,水污染問題也將成為制約菏澤市可持續(xù)發(fā)展的重要因素;“三條紅線”目標約束下,菏澤市用水總量得到一定程度的控制,用水效率和限制納污排放也都取得較好成效。

要真正發(fā)揮“三條紅線”目標的約束作用，山東省需要嚴格進行用水總量控制，將控制農業(yè)用水放在首位，降低單位面積用水量；提高用水效率，實現(xiàn)農業(yè)灌溉從粗放型模式往高效型轉變，提高工業(yè)用水效率；在嚴格限制工業(yè)、農業(yè)污染物排放的同時，還應加大對環(huán)保建設項目的投資。

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(責任編輯：張陵)

Study on Simulation of Regional Water Resources Composite System under the ″Three Red Lines″ Constraints: A Case Study of Heze City

ZHANG Lingling, SHEN Jiayao, WANG Weirong

(School of Public Administration, Hohai University, Nanjing 211100, China)

In order to implement the strict water resources management system and make it quantifiable and operational, on the basis of comprehensive consideration of water demand, water supply and water use characteristics, a dynamic model of water resources complex system including population, economy, water use, resources and environment was constructed by system dynamics method. Taking Heze City as an example, the changes of water resources utilization were simulated and analyzed under the scenarios of and the of current development ″three red lines″. The results show the water shortage of the current development situation of Heze City in 2010 is 1.5×108m3, the balance ratio of water resources supply and demand is 0.94 and water pollution ratio is 0.025 8. Different simulation scheme under ″three red lines″ constraints have different results. The comprehensive benefits of the top 20% programs greatly relieved the contradiction between supply and demand of water resources and reduced the water pollution situation of Heze City, which can provide a reference for the development of Heze City′s reasonable ″three red lines″.

most strict water management system; three red lines; water resources complex system; system dynamics; simulation

2016-09-06

國家自然科學基金項目(51579064，51279223，51479119);國家軟科學計劃項目(2014GXS4B047);水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201301003，201201022);中央高?；究蒲袠I(yè)務經(jīng)費項目(2015B23314，2014B09414)。

張玲玲(1979—),女,山東濰坊人,教授,博士,主要從事水利經(jīng)濟、水資源管理、資源環(huán)境政策模擬方面的研究。E-mail:llzhang007@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.06.006

TV213

A

1002-5634(2016)06-0030-08