秦歡歡

(東華理工大學(xué) 省部共建核資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地， 江西 南昌 330013)

1 研究背景

作為水資源緊缺的特大型城市，北京市是全國嚴(yán)重缺水的40個(gè)城市之一，人均水資源占有量不足300 m3/a，不到全國平均的1/8和世界平均的1/30，遠(yuǎn)低于國際人均1 000 m3/a的缺水標(biāo)準(zhǔn)線[1]。北京市多年(1999-2012)平均總水資源量為22.9×108m3，多年(1988-2012)平均總需水量為39.23×108m3，長期處于水資源供需不平衡狀態(tài)[2]。水資源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，水資源不足不僅會(huì)制約城市發(fā)展，甚至還會(huì)對(duì)社會(huì)安穩(wěn)產(chǎn)生影響[3]。地下水是北京市主要的供水來源，開采量占總供水量的70%以上[4-5]，其超采導(dǎo)致了一系列生態(tài)環(huán)境問題，如地面沉降、土壤次生鹽漬化等[6]。隨著人口的增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，北京市水資源供需矛盾將加劇并成為社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的巨大障礙[7]。因此，開展水資源供需平衡預(yù)測與分析，掌握其中的動(dòng)態(tài)反饋關(guān)系，對(duì)北京市水資源可持續(xù)利用具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[8]。

水資源供需平衡分析是指針對(duì)一定研究區(qū)域內(nèi)水資源的供需及余缺關(guān)系進(jìn)行分析的過程[9]，達(dá)到揭示供需之間存在的矛盾、掌握開發(fā)利用的潛力與途徑的目的，是水資源利用、保護(hù)與管理過程的理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)[8-9]，對(duì)于保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)和自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，國內(nèi)有許多學(xué)者針對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行了水資源供需平衡分析，如王雅竹等[10]運(yùn)用水資源供需平衡的基本理論，采用萬元產(chǎn)值定額法，對(duì)不同時(shí)期新疆五家渠市水資源供需平衡進(jìn)行預(yù)測和分析；秦劍[11]利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法研究了水環(huán)境危機(jī)背景下北京市水資源的供需平衡問題。然而，傳統(tǒng)方法不能系統(tǒng)刻畫水資源供需之間復(fù)雜的反饋關(guān)系和動(dòng)態(tài)的發(fā)展過程，也無法定量考慮影響需水量的諸多宏觀經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、技術(shù)和工程等因素之間相互影響、相互反饋的系統(tǒng)關(guān)系，無法捕獲水資源供需的系統(tǒng)行為[12-13]，而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是解決這一問題的有效方法[14-15]。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics，SD)是一種比較成熟的方法，是美國麻省理工學(xué)院的福瑞斯特教授于1958年為分析生產(chǎn)管理及庫存管理等企業(yè)問題而提出的系統(tǒng)仿真方法[16]，在處理高度非線性、高階次、多變量、多重反饋問題方面及水資源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化和系統(tǒng)運(yùn)行的因果機(jī)制分析中優(yōu)勢顯著[14]，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)、環(huán)境等領(lǐng)域[1,5,12,17-18]。通過SD方法建立的模型可以反映研究區(qū)每一時(shí)刻的水資源系統(tǒng)狀態(tài)，進(jìn)而了解、掌握其供需之間的關(guān)系[8]，因此采用SD對(duì)多因素耦合的水資源復(fù)雜巨系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以保障經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境三者的和諧發(fā)展，為水資源科學(xué)決策提供可靠依據(jù)，有利于實(shí)現(xiàn)我國環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[14]。

本文通過建立北京市水資源SD模型，在模型校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上模擬北京市2012-2030年的供水量和需水量，反映未來北京市水資源的供需能力及平衡關(guān)系。通過采用二次供需平衡分析方法，探討北京市水資源供需的現(xiàn)狀和平衡缺口，為北京市水資源的合理配置和利用提供科學(xué)的依據(jù)，同時(shí)為北京市水資源短缺問題的解決提供有效的方案和建議。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)域概況

北京市是我國的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，位于華北平原北部，與河北、天津相接，地理位置為北緯39.3～41°、東經(jīng)115.75～117.5°，總面積約168 07.8 km2，包括平原區(qū)和山區(qū)兩部分，其中后者約占總面積的62%，平原區(qū)屬山前沖洪積平原，一般海拔10～50 m[19]。北京市多年(1956-2003年)平均降水量為602.56 mm，但年際變化較大，年內(nèi)分布也很不均勻，約60%～80%的降水集中在雨季(6-9月)，且有關(guān)研究結(jié)果顯示北京年均降水量呈現(xiàn)隨時(shí)間減少的趨勢。

2.2 數(shù)據(jù)及來源

本文研究中所采用的數(shù)據(jù)及其來源主要有以下幾類：(1)社會(huì)經(jīng)濟(jì)相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括總?cè)丝诩霸鲩L率、GDP及增長率、大牲畜/豬/羊/家禽的數(shù)量、增長率及用水定額、各種農(nóng)作物種植面積及增長率、來源于1998-2005年的《海河流域水資源公報(bào)》[20]及2000-2013年的《北京市統(tǒng)計(jì)年鑒》[21]；(2)水資源相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括地表水資源量、地下水資源量、南水北調(diào)水資源量、環(huán)境用水量、林漁業(yè)用水量等，來源于2001-2012年的《北京市水資源公報(bào)》[2]及黃晶等(2009)[22]；(3)氣象數(shù)據(jù)中，降水量數(shù)據(jù)來源于2000-2013年的《北京市統(tǒng)計(jì)年鑒》[21]及2001-2012年的《北京市水資源公報(bào)》[2]，參考蒸散發(fā)數(shù)據(jù)來源于Qin 等(2013)[4]；(4)農(nóng)作物系數(shù)根據(jù)作物種類的生長周期的不同，參考周憲龍[23]研究論文中的數(shù)據(jù)而確定；(5)與宏觀經(jīng)濟(jì)及價(jià)格指數(shù)等相關(guān)的參數(shù)，如收入彈性指數(shù)、生活用水價(jià)格指數(shù)、生活水價(jià)、工業(yè)水價(jià)等，根據(jù)作者的研究經(jīng)驗(yàn)和研究區(qū)的實(shí)際情況，同時(shí)參考Cai 等(2002)[24]和Rosegrant 等(2002)[25]而確定；(6)污水回用相關(guān)的指標(biāo)數(shù)據(jù)，如污水產(chǎn)生率、處理率及回用率等，來源于2001-2012年的《北京市水資源公報(bào)》[ 2]及2000-2013年的《北京市統(tǒng)計(jì)年鑒》[21]。

3 北京市水資源供需模型

3.1 二次供需平衡分析

為了揭示水資源供需平衡態(tài)勢及存在的問題，采用“二次供需平衡分析”法對(duì)北京市規(guī)劃水平年水資源供需平衡情勢進(jìn)行剖析[26]。其中，一次平衡分析是在現(xiàn)狀條件下，依據(jù)北京市當(dāng)前的發(fā)展模式，對(duì)未來的水資源供需情景進(jìn)行預(yù)測與分析，充分展示在沒有采取任何措施情況下的水資源供需矛盾。二次供需平衡分析是在一次供需平衡分析的基礎(chǔ)上，通過采取節(jié)水措施或挖掘現(xiàn)有水利工程設(shè)施的供水能力，并考慮規(guī)劃建設(shè)的當(dāng)?shù)厮垂こ?，再次進(jìn)行的區(qū)域水資源供需平衡分析[8,26]。

3.2 模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)北京市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)際情況，本文將北京市SD模型劃分為人口、工業(yè)、農(nóng)業(yè)及水資源等相互影響的4個(gè)子系統(tǒng)。水資源需求包括生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和環(huán)境4個(gè)方面，而水資源供給則包括地表水、地下水、污水回用及南水北調(diào)供水等4個(gè)方面，這兩者一起對(duì)水資源的供需平衡關(guān)系產(chǎn)生影響(圖1)。對(duì)于給定的水資源供給，用水需求則在北京市缺水問題上起著重要的決定作用。在概念模型的基礎(chǔ)上，通過對(duì)模型變量之間因果關(guān)系的建立(圖2)，即可在VENSIM Professional軟件中建立北京市水資源SD模型的系統(tǒng)流圖，從而進(jìn)行下一步的模型校準(zhǔn)和預(yù)測。

圖1 北京市SD概念模型圖

3.3 需水量計(jì)算

一般而言，總需水量(Total Water Demand，TWD)按用水部門可分為生活需水量(Domestic Water Demand，DWD)、工業(yè)需水量(Industrial Water Demand，IWD)、農(nóng)業(yè)需水量(Agricultural Water Demand，AWD)和環(huán)境需水量(Environmental Water Demand，EWD)。AWD可分為灌溉需水量(Irrigation Water Demand，IrriWD)、牲畜需水量(Livestock Water Demand，LWD)和林漁業(yè)需水量(Forestry and Fishery Water Demand,FFWD)。FFWD和EWD是模型的輸入變量，下面詳細(xì)介紹其它需水量的計(jì)算方法。

圖2 北京市SD模型因果關(guān)系圖

3.3.1 生活需水量 生活需水量的預(yù)測與人口及人均收入的增長有關(guān)，與DWD計(jì)算直接相關(guān)的是DWD的年增長率φDWD。決定DWD的因素包括總?cè)丝谠鲩L率φpop，人均收入增長率φgdpc，DWD的收入彈性系數(shù)ηgdpc，生活水價(jià)Pdw，生活水價(jià)彈性系數(shù)ηp和缺水指數(shù)WDI。t時(shí)刻的DWD可以計(jì)算為[24-25]：

(1)

式中：Δt為時(shí)間步長；f(WDI)為WDI的函數(shù)；ηWDI為DWD的缺水指數(shù)彈性系數(shù)；WD(t)、TWD(t)和TWS(t)分別為t時(shí)刻的缺水量、總需水量和總供水量。

3.3.2 工業(yè)需水量 工業(yè)需水量的計(jì)算取決于國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)、收入(人均GDP，即GDPC)、用水技術(shù)的進(jìn)步及工業(yè)水價(jià)格PIW。與計(jì)算IWD密切相關(guān)的是工業(yè)需水強(qiáng)度(IWDI)，它與GDPC及時(shí)間變量T有線性的回歸關(guān)系。IWDI及IWD可以通過公式(2)來進(jìn)行計(jì)算[24-25]：

(2)

式中:α是截距，模擬過程保持不變；βIWD(t)時(shí)刻t的收入系數(shù)，反映了IWDI隨GDPC的變化而變化的情況；γ(t)是時(shí)間系數(shù)，表示隨科技的進(jìn)步，用水技術(shù)發(fā)生的變化；ηIWD是工業(yè)水價(jià)彈性系數(shù)。

3.3.3 灌溉需水量IrriWD是依據(jù)農(nóng)作物水文學(xué)及農(nóng)學(xué)特征而進(jìn)行計(jì)算得到的農(nóng)作物需水量，灌溉需水量可由公式(3)計(jì)算[24-25]：

(3)

式中：cp為農(nóng)作物指數(shù)，表示農(nóng)作物種類數(shù)；st為農(nóng)作物生長階段指數(shù)，表示農(nóng)作物生命周期內(nèi)的生長階段情況；kc為農(nóng)作物系數(shù)；A為農(nóng)作物面積；ET0為參考蒸散發(fā)。

LR為鹽分浸出因素，由土壤及灌溉水的鹽度來描述，通常為灌溉需水量的10%～15%；BE為灌溉水利用系數(shù)；ER為有效降水量；NIrWD作物凈灌溉需水量。

3.3.4 牲畜需水量 牲畜需水量由數(shù)量與用水定額來計(jì)算，根據(jù)北京市的實(shí)際情況，本文考慮了4種牲畜：大牲畜(包括牛、馬和其它大牲畜)、豬、羊和家禽。牲畜需水量可由公式(4)計(jì)算：

(4)

式中：Quotai為第i種牲畜的用水定額；Ni(t)指t時(shí)刻牲畜i的數(shù)量；i=1, 2, 3, 4分別代表大牲畜、豬、羊和家禽。

3.4 模型校準(zhǔn)

(5)

總體來說，這4種需水量的模擬均反映了其動(dòng)態(tài)變化的趨勢。DWD呈增長趨勢，IWD和AWD則呈下降趨勢，TWD沒有太大的變動(dòng)。DWD和IWD的擬合結(jié)果很好，R值在0.93以上(表1)；AWD則次之，R值為0.83；而TWD則表現(xiàn)略差，R值只有0.41，主要由AWD的計(jì)算所導(dǎo)致。AWD的模擬結(jié)果比歷史數(shù)據(jù)小，誤差較大，原因在于過量灌溉在實(shí)際農(nóng)業(yè)操作中很常見，從而造成實(shí)際灌溉量大于模擬灌溉量。這種行為無法在模型中得到精確的體現(xiàn)和衡量。表1中的值表明，DWD和IWD的模擬結(jié)果很好，而AWD和TWD的則處于可接受水平。DWD、IWD和AWD的R值均大于0.82，這種高相關(guān)性表明模擬結(jié)果和歷史數(shù)據(jù)擬合得很好，其他3個(gè)指標(biāo)也都是適中的。表1和圖3均表明了模型的可行性和適用性，可用于下一步的預(yù)測及情景分析。

表1 擬合結(jié)果衡量標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算值 108 m3

圖3 模型校準(zhǔn)階段模擬結(jié)果和歷史數(shù)據(jù)的比較

3.5 情景設(shè)計(jì)

根據(jù)北京市社會(huì)發(fā)展的現(xiàn)狀及“十三五”規(guī)劃，本文采取了節(jié)水和增加供水相結(jié)合的方案來對(duì)北京市水資源供需進(jìn)行二次平衡分析。根據(jù)3.3節(jié)中需水量的計(jì)算方法，生活和工業(yè)需水量的計(jì)算由于涉及到較多的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，并不適合在情景設(shè)計(jì)中進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)考慮到農(nóng)業(yè)用水是北京市的用水大戶，故主要通過在灌溉和牲畜需水這兩部分采取節(jié)水措施來設(shè)計(jì)二次供需平衡分析的方案。一方面，分別減少4種牲畜用水定額30%，同時(shí)將12種農(nóng)作物的面積分別減少10%，這樣做既可以測試農(nóng)業(yè)節(jié)水措施對(duì)水資源供需平衡的影響，亦不會(huì)對(duì)牲畜的飲水安全和北京市的糧食安全造成威脅甚至傷害。另一方面，在模型中考慮南水北調(diào)引水量，根據(jù)南水北調(diào)工程，2014年12月27日中線工程開始給北京市供水，年供水量12×108m3。據(jù)此，模型中采用‘IF THEN ELSE’來處理，2015年之后北京市增加供水12×108m3。二次供需平衡分析的方案見表2。

4 模擬結(jié)果分析

在模型校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)的情景，對(duì)北京市2012-2030年水資源供需情況進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而進(jìn)行一次及二次供需平衡分析，具體結(jié)果見表3，圖4是北京市2012-2030年總需水量和余缺水量的時(shí)間序列圖。

表2 二次供需平衡分析方案設(shè)計(jì)

4.1 一次供需平衡分析

在現(xiàn)有供水工程條件和發(fā)展模式下, 北京市水資源一次供需平衡分析的結(jié)果(表3)顯示, 規(guī)劃水平年2020 年缺水10.95×108m3, 缺水率31.33%；2030 年缺水8.44×108m3, 缺水率20.75%, 說明未來北京市的水資源不能滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水要求，缺水危機(jī)會(huì)伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的全過程。從圖4可以看出，在現(xiàn)有條件下，北京市未來將一直處于缺水的狀態(tài)，水資源供需不平衡的矛盾始終存在，水資源將成為阻礙北京社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

4.2 二次供需平衡分析

按照表2情景設(shè)計(jì)方案對(duì)北京市進(jìn)行的二次供需平衡分析結(jié)果(表3)顯示，在規(guī)劃水平年2020年、2030年新增供水量分別為11.81×108和11.62×108m3；通過采取節(jié)水措施，2020年、2030年減少用水量分別為1.5×108和1.25×108m3；2020年、2030年分別有2.36×108和4.43×108m3的水富余。從圖4中可以看出，北京市在預(yù)測期內(nèi)有5年(2012-2014、2024、2027年)還存在水資源供需不平衡的問題，但南水北調(diào)工程實(shí)施后(2015年之后)，通過該工程和節(jié)水措施的實(shí)施，北京市水資源供需矛盾得到根本的改善，水資源供需不平衡的問題基本能夠得到解決。

二次供需平衡分析的結(jié)果說明，在保持目前發(fā)展趨勢和模式的前提下，南水北調(diào)工程在解決北京市水資源供需矛盾問題上能發(fā)揮巨大的作用，基本上可以解決北京市水資源供需不平衡的問題。然而，在我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的大環(huán)境下，北京市作為中國的政治、經(jīng)濟(jì)中心，要讓其在未來完全為了資源、環(huán)境的保護(hù)而放棄經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展顯得不太現(xiàn)實(shí)。正如表3和圖4中所顯示的，即便采用本文所設(shè)計(jì)的方案，經(jīng)濟(jì)保持目前的發(fā)展水平，同時(shí)增加供水及采取節(jié)水措施，北京市在2020年和2030年富余的水資源量也僅僅只有供水量的5.05%和8.47%。如果北京市追求經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，南水北調(diào)工程和節(jié)水措施的實(shí)施所帶來的供需平衡將會(huì)被打破，北京市水資源的供需矛盾將重新出現(xiàn)。因此，北京市在未來所面臨的水資源供需平衡形勢非常嚴(yán)峻，為了既保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，又維持水資源的供需平衡及可持續(xù)發(fā)展，北京市還需從“挖潛”和“節(jié)流”這兩方面多下功夫，才能保證水資源供需的長久平衡，進(jìn)而保障和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的長治久安。

5 結(jié) 論

本文利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，在模型中考慮了諸多影響需水量的因素，對(duì)北京市的水資源進(jìn)行了一次和二次供需平衡分析，結(jié)果表明：

(1)水資源一次供需平衡分析時(shí)，北京市水資源供需矛盾突出，2020和2030年缺水量分別為10.95×108和8.44×108m3，缺水率達(dá)31.33%和20.75%；通過水資源二次供需平衡分析，北京市水資源供需矛盾得到了較大改善，2020和2030年富余水量分別為2.36×108和4.43×108m3，占供水量的5.05%和8.47%。

(2)水資源二次供需平衡分析表明，在保持目前的發(fā)展趨勢和模式的前提下，南水北調(diào)工程在解決北京市水資源供需矛盾問題上能發(fā)揮巨大的作用，基本可以解決水資源供需不平衡問題。

(3)為了既保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，又維持水資源的供需平衡及可持續(xù)發(fā)展，北京市還需從“挖潛”和“節(jié)流”這兩方面多下功夫，增強(qiáng)人們保護(hù)水資源和節(jié)約用水的意識(shí)，才能保證水資源供需的長久平衡，進(jìn)而保障和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的長治久安。