張 彥，寇利卿

（河北省保定水文勘測研究中心，河北 保定 071000）

水資源供需系統(tǒng)是一個復雜的大系統(tǒng)，涉及水資源系統(tǒng)、經(jīng)濟社會系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)［1］。目前根據(jù)預測方法的特點，水資源供需預測可分為時間序列法、直觀法和模擬模型法［2］，而系統(tǒng)動力學（SD）法是模擬模型法中應用最廣泛的方法。系統(tǒng)動力學是一門研究系統(tǒng)內部信息反饋結構和行為的學科，通過計算機進行信息的模擬仿真［3］。系統(tǒng)動力學于1956年由美國麻省理工學院的Jay W．Forrester教授創(chuàng)立后，被廣泛運用于環(huán)境科學、企業(yè)管理決策等研究領域［4］。由于系統(tǒng)動力學方法能夠動態(tài)模擬各要素間的關系及水資源供需的演化特征，并能明確分析出各因素對水資源供需的影響力度，可操作性強［5］，近年來在水資源供需模擬預測中得到廣泛應用。本文從系統(tǒng)的理論觀點出發(fā)，結合保定市主城區(qū)水資源供需特點和經(jīng)濟社會發(fā)展狀況，以實現(xiàn)水資源供需平衡為目標，構建了區(qū)域水資源系統(tǒng)供需安全模型，通過參數(shù)敏感性分析找出影響該系統(tǒng)供需安全的敏感參數(shù)，在此基礎上設計不同政策調控方案，通過運行模型對比不同方案的仿真模擬結果，從而得出改善保定市主城區(qū)水資源供需平衡的最佳發(fā)展模式。

1 研究區(qū)域概況

保定市位于河北省中西部地區(qū)，與北京、天津構成黃金三角，地理位置非常重要。全市屬暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均降雨量498.9mm。本次所研究區(qū)域為保定市的主城區(qū)，由現(xiàn)在的蓮池區(qū)和競秀區(qū)（含高新區(qū)）組成，面積312km2，人口119.4萬，多年人均水資源量遠低于全國平均水平。隨著城區(qū)人口的持續(xù)增長，以及經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，水資源供需矛盾更加突出，水資源安全形勢相對嚴峻。因此，開展保定市主城區(qū)的水資源供需安全研究，對保定市城市經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 區(qū)域水資源供需SD模型構建

2.1 區(qū)域水資源供需系統(tǒng)模型結構

圍繞解決研究區(qū)域水資源供需安全問題，在分析研究區(qū)域水資源開發(fā)利用系統(tǒng)內部各要素間的相互作用和反饋機制的基礎上，將研究區(qū)域水資源系統(tǒng)劃分為供水子系統(tǒng)、需水子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)、人口子系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)等5個子系統(tǒng)。

供水子系統(tǒng)，按照供水來源將總可供水量分為地表水可供水量、地下水可供水資源量、再生水回用量、跨區(qū)域引調水量。其中再生水回用量主要是城鎮(zhèn)污水處理廠處理的工業(yè)廢水和生活污水的回用量。

需水子系統(tǒng)，是本文中最為復雜、龐大的子系統(tǒng)，也是水資源安全調控的主要部分。本子系統(tǒng)包括第一產(chǎn)業(yè)用水量、第二產(chǎn)業(yè)用水量、第三產(chǎn)業(yè)用水量、生活用水量和生態(tài)用水量。其中，第一產(chǎn)業(yè)用水量由農田灌溉用水量和林牧漁畜用水量構成，第二產(chǎn)業(yè)用水量由工業(yè)用水量和建筑業(yè)用水量構成，第三產(chǎn)業(yè)用水量由第三產(chǎn)業(yè)增加值和萬元三產(chǎn)增加值用水量計算而得。

經(jīng)濟子系統(tǒng)，包括第一產(chǎn)業(yè)增加值、第二產(chǎn)業(yè)增加值和第三產(chǎn)業(yè)增加值。其中第二產(chǎn)業(yè)增加值由工業(yè)增加值和建筑業(yè)增加值組成，三個產(chǎn)業(yè)的增加值均是通過年增長率計算而得。

人口子系統(tǒng)，人口數(shù)量對水資源系統(tǒng)有著明顯影響。本文的人口類型分為城鎮(zhèn)人口和農村人口。總人口數(shù)量通過人口增長率計算，城鎮(zhèn)人口數(shù)量通過城鎮(zhèn)化率計算，農村人口數(shù)量則為兩者的差值。

生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)，包括河道內生態(tài)需水量和河道外生態(tài)需水量。河道內生態(tài)需水量采用市區(qū)內主要河流非汛期多年平均流量；河道外生態(tài)需水量采用定額預測法，以城鎮(zhèn)生活需水的15%［6］計算而得。

2.2 區(qū)域水資源供需SD模型流程圖

本文將保定市主城區(qū)的行政邊界作為系統(tǒng)的空間邊界，時間邊界為2009—2035年，基準年為2018年，預測和規(guī)劃時段為2019—2035年，規(guī)劃時間步長為1年。在明確了研究區(qū)域水資源供需系統(tǒng)構成和功能結構之后，開始應用Vensim DSS軟件繪制研究區(qū)域水資源供需SD模型的流程如圖1。

圖1 保定市主城區(qū)水資源供需SD流程

繪制完流程圖以后，再對系統(tǒng)的各要素進行量化分析，建立各要素間的量化關系方程，從而最終建立了保定市主城區(qū)水資源供需SD模型。模型共包含63個變量，其中狀態(tài)變量6個，速率變量6個，輔助變量33個，常量4個，表函數(shù)14個。模型所用數(shù)據(jù)來源于《保定經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》《保定市水資源公報》及保定市人民政府官方網(wǎng)站等。

2.3 模型驗證與敏感性分析

構建完成SD模型之后，需要對模型進行合理性和有效性檢驗，以保證模型運行結果盡量接近現(xiàn)實［7-8］。本文選用歷史檢驗的方法來驗證模型模擬結果與歷史真實值結果之間的相對誤差，以評估模型的可靠性。本文選用人口數(shù)量、工業(yè)增加值、城鎮(zhèn)生活用水量、GDP等參數(shù)進行檢驗，通過對比2009—2018年的模擬值和真實值的相對誤差來進行驗證。檢驗結果如表1。由表1可知，模型模擬值和歷史真實值基本吻合，相對誤差均低于10%，認為模型與實際情況有較好的一致性，可用于實際水資源供需預測模擬演化。

表1 模擬結果與歷史數(shù)據(jù)對比

參數(shù)敏感性檢驗是分析模型中的參數(shù)變化對系統(tǒng)中所要研究的變量的影響程度。通過分析尋找敏感參數(shù)，對敏感參數(shù)進行調控，從而提高政策制定的有效性。本文應用Vensim DSS軟件中的Monte Carlo參數(shù)敏感性測試功能來尋找敏感性參數(shù)。通過敏感性測試，確定了對水資源供需系統(tǒng)敏感的參數(shù)有單位農田灌溉用水量、三產(chǎn)年增長率、工業(yè)年增長率、城鎮(zhèn)居民用水定額、再生水回用率等參數(shù)。

3 保定市主城區(qū)水資源供需模擬與調控

在確定對水資源供需比敏感的參數(shù)以后，通過對這些敏感參數(shù)進行調整，來制定保定市主城區(qū)水資源供需調控方案，以期找到適合保定市主城區(qū)水資源供需安全的發(fā)展模式。

3.1 方案1：延續(xù)現(xiàn)狀發(fā)展模式

保持現(xiàn)有經(jīng)濟發(fā)展水平、人口增長率趨勢及供用水水平，不做任何政策調整，模擬水資源供需發(fā)展趨勢。主要調控參數(shù)如表2。

表2 方案1調控參數(shù)取值

3.2 方案2：生態(tài)環(huán)境優(yōu)先，治污減排模式

在方案1基礎上，提高河道外生態(tài)用水量，將河道外生態(tài)用水量占城鎮(zhèn)生活用水量的比例提高到20%，減少城鎮(zhèn)生活污水排放量，將城鎮(zhèn)污水排放系數(shù)調整為0.66，同時提高再生水回用率，到2025年為62%，2030年為80%，2035年為90%。

3.3 方案3：節(jié)水控制，提高再生水回用力度模式

在方案1基礎上，通過宣傳提高居民節(jié)水意識，降低生活用水量；通過改進灌溉設施，提高農業(yè)灌溉節(jié)水水平；提高再生水的回用率到方案2的水平。主要調控參數(shù)如表3。

表3 方案3調控參數(shù)取值

3.4 方案4：產(chǎn)業(yè)結構調整，保持經(jīng)濟穩(wěn)定增長模式

該方案強調在保持GDP穩(wěn)步增長的前提下，通過調整產(chǎn)業(yè)結構來達到減少水資源利用量的目的。在方案1的基礎上，保持第一產(chǎn)業(yè)的平穩(wěn)發(fā)展，大力提高工業(yè)水平，控制第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。主要調控參數(shù)如表4。

表4 方案4調控參數(shù)取值

3.5 方案5：綜合調控模式

該方案強調在倡導高效節(jié)水的背景下，保持經(jīng)濟社會的協(xié)調發(fā)展。本方案將方案3和方案4整合，提高再生水回用率，提高農田灌溉節(jié)水水平，調整產(chǎn)業(yè)結構，提高工業(yè)化水平，控制第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。主要調控參數(shù)如表5。

表5 方案5調控參數(shù)取值

4 結果與分析

按照預設的5種不同調控方案，模擬運行保定市主城區(qū)水資源供需系統(tǒng)模型，對模擬結果進行分析。從水資源總體的供需平衡看（圖2），方案5的綜合調控模式明顯優(yōu)于其他的4種方案。模擬過程顯示從2019年供需比逐年上升，到2021年水資源供需達到平衡，并能持續(xù)維持水資源的供需平衡。

圖2 水資源供需比

方案1延續(xù)現(xiàn)狀發(fā)展模式不變，參數(shù)未經(jīng)過任何調整，模擬結果顯示，水資源供需比（圖2）由2019年逐年上升至2021年達到峰值0.96，而后逐年下降，預計到2035年主城區(qū)的供水系統(tǒng)只能滿足區(qū)域內用水的61%，水資源短缺量（圖3）將高達1.4億m3，供需嚴重失衡，將會對主城區(qū)的經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展帶來很大阻礙。

圖3 水資源余缺量

方案2是以改善生態(tài)環(huán)境為優(yōu)先發(fā)展目標。模擬結果顯示，水資源供需比變化趨勢與方案1相近，水資源的短缺量稍高于方案1，說明生態(tài)需水量的變化對總需水量的影響不大。

方案3為節(jié)水控制模式。模擬結果顯示，水資源供需比變化趨勢與方案1和方案2相似，但水資源的短缺程度要略好于兩者（圖2、圖3）。方案3降低了城鎮(zhèn)居民的用水定額和單位農田灌溉用水量，同時隨著城鎮(zhèn)生活用水量的減少，雖然提高了再生水回用率，但再生水的回用量呈現(xiàn)下降趨勢（圖4），因此該方案對水資源供需比影響不明顯。

圖4 再生水回用量

方案4通過調整產(chǎn)業(yè)結構來達到降低水資源利用量。模擬結果顯示，三產(chǎn)用水量（圖5）從2022年開始增長幅度明顯低于方案1；工業(yè)用水量（圖6）從2031年開始有升高趨勢，但變化幅度不大；而與方案1相比，總需水量（圖7）和三產(chǎn)用水量變化趨勢相似，由此可以看出，三產(chǎn)用水量的變化對總需水量影響明顯。另外，方案4水資源供需比明顯高于前3個方案，但從2021年后仍呈現(xiàn)下降趨勢，水資源短缺量到2035年達0.45億m3，所以方案4仍不是最優(yōu)方案。

圖5 三產(chǎn)用水量

圖6 工業(yè)用水量

圖7 總需水量

方案5綜合了方案3和方案4，實行節(jié)水控制與調整產(chǎn)業(yè)結構相結合的調控方案，最大限度降低水資源的利用量。模擬結果顯示，水資源在2021年達到供需平衡，并能維持水資源供需平衡的趨勢，使水資源供需安全狀況得到明顯改善。與方案1相比，雖然通過產(chǎn)業(yè)結構的調整，減緩了GDP的增速（如圖8），但從水資源可持續(xù)利用和保障經(jīng)濟社會和環(huán)境可持續(xù)協(xié)調發(fā)展的系統(tǒng)考慮，此方案應為5種方案中的最佳方案。

圖8 GDP

5 結論與建議

在充分分析保定市主城區(qū)水資源供需系統(tǒng)結構和功能的基礎上，構建了保定市主城區(qū)水資源供需SD模型。應用敏感性測試方法，確定了對水資源供需系統(tǒng)敏感的參數(shù)。通過對敏感參數(shù)設定不同量化取值，設計了5種不同的水資源發(fā)展模式，經(jīng)過對比分析模擬的結果得出，通過降低城鎮(zhèn)居民用水定額和農田灌溉用水定額，提高再生水回用率，控制第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，提高工業(yè)增加值比重的綜合方案才是改善保定市主城區(qū)水資源供需平衡的最佳發(fā)展模式。本模型對不同的調控措施進行了定量化處理，為保定市主城區(qū)水資源管理的決策提供依據(jù)。

為進一步提升保定市主城區(qū)水資源供需與社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展，結合模型的模擬結果分析以及研究區(qū)域社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境發(fā)展現(xiàn)狀提出以下幾點建議：

（1）加大節(jié)水力度，減少水資源消耗。提高各個行業(yè)的用水效率和節(jié)水水平，大力宣傳節(jié)水理念，提高居民節(jié)水意識，加快推進節(jié)水器具普及，有效控制城市供水管網(wǎng)漏失，推廣節(jié)水率高的農田灌溉設施，調整種植結構，改進和提高工業(yè)生產(chǎn)工業(yè)，提高生產(chǎn)用水重復利用率。

（2）提高非常規(guī)水的利用程度。加強海綿城市建設，逐步提高雨水資源的利用水平。提高再生水回用率，提高水資源的重復利用水平。

（3）高效利用引江水，加大非常規(guī)水利用程度。保定市主城區(qū)水資源量較為匱乏，跨流域引調水資源對于保定市城市經(jīng)濟社會高質量發(fā)展至關重要，高效利用引江水，大力推進供水置換，減少地下水開采量，解決地下水大漏斗問題，提高河道生態(tài)用水量，逐步恢復河道生態(tài)功能。

（4）調整產(chǎn)業(yè)結構，嚴格控制第三產(chǎn)業(yè)用水量。隨著城鎮(zhèn)化進程的加速，保定市主城區(qū)第三產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展迅猛，隨著而來的用水量也逐年增加。第三產(chǎn)業(yè)涉及面比較廣，節(jié)水管理難度大，用水管理部門應加強這方面的管控。同時，在逐步提高工業(yè)節(jié)水水平的前提下，大力發(fā)展工業(yè)，提高工業(yè)產(chǎn)值在GDP中的比重。