代 穩(wěn)

（六盤水師范學院，貴州 六盤水 553004）

1 水資源安全內涵

目前，對水資源安全的定義還沒形成統(tǒng)一認識，國內外不少學者都對水資源安全的定義進行了探討。筆者贊同賈紹鳳研究員的觀點：水資源安全的實質是水資源供給能否滿足合理的水資源需求，涉及社會安全、經濟安全和生態(tài)安全等幾個層次，強調生活用水是一種基本的人權，必須保證人人都有獲得安全飲用水的權利。為了保證社會的可持續(xù)發(fā)展，經濟用水和生態(tài)用水也是必須保證的。水資源經濟安全強調水資源能夠支持經濟的發(fā)展，有兩個方面的含義：①可以提供水量和水質保障；②供水價格要適中，不能因為水價過高而使當地的優(yōu)勢行業(yè)喪失市場競爭力。水資源生態(tài)安全指生態(tài)系統(tǒng)的最低需水應該得到保證，人類不能擠占過多生態(tài)用水而使生態(tài)系統(tǒng)崩潰（賈紹鳳等，2002）［1］。

2 水資源安全SD模型的構建

2.1 SD理論

系統(tǒng)動力學（System Dynamics，簡稱SD）是麻省理工學院Jay.W.Forrester教授于1956年創(chuàng)立的。它綜合應用控制論、信息論和決策論等有關理論和方法，融結構與功能、物質與信息、科學與經驗于一體，溝通了自然科學和社會科學的橫向聯系。系統(tǒng)動力學最為突出的優(yōu)點在于它能處理高階次、非線性、多重反饋、復雜時變的系統(tǒng)問題，成為研究復雜大系統(tǒng)運動規(guī)律的理想方法（王其藩，1995）［2］。系統(tǒng)動力學的本質是一階微分方程組。一階微分方程組描述了系統(tǒng)各狀態(tài)變量的變化率對各狀態(tài)變量或特定輸入的依存關系。而在系統(tǒng)動力學中則進一步考慮了促成狀態(tài)變量變化的幾個因素，根據實際系統(tǒng)的情況和研究的需要，將變化率的描述分解為若干流率的描述。這樣處理使物理、經濟概念明確，不僅利于建模，而且有利于政策實驗以尋找系統(tǒng)中合適的控制點。在SD模型中，流率方程是主干，它系統(tǒng)描述了狀態(tài)變量（流位）的變化規(guī)律，而實際上流位方程是歐拉法數值積分的表示，其一般形式為：

式中 L·K、L·J為流位向量；IR·JK、OR·JK為流率向量。 通過變形，可得L·K－L·J。

上式的物理意義為流位的導數等于入流率和出流率的代數和。顯然SD模型是由上述向量方程確定的一階微分方程組（王建華等，1999）［3］。

2.2 SD計算機模擬

隨著系統(tǒng)動力學在多領域的廣泛應用，其計算方法也不斷更新，隨著計算機的普及，相關的模擬軟件不斷涌現。20世紀80年代出現了一大批系統(tǒng)動力學專用計算機模擬分析軟件，如Vensim、iThink、STELLA、Powersim、PD－plus等。本研究使用的水資源安全的系統(tǒng)動力學模型是Vensim5.7 PLE （Ventata Simulation Enviroment Personal Learning Edition）軟件來完成（張振偉等，2008）［4］。 Vensim 是由 Ventata.inc公司開發(fā)，主要用于模擬政府決策的軟件。它是一個在Windows下運行的可視化軟件，其友好的操作界面，方便的輸入輸出功能，比早期系統(tǒng)動力學的Dynamo語言更加方便快捷。同時，還可以對多種不同方案進行實時對比，方便地分析不同決策對于系統(tǒng)的影響。該軟件具有以下特點：

2.2.1 利用圖示化編程建立模型

該軟件只需要在模型建立窗口畫出流圖，再通過等式編程器輸入方程和參數，便可以完成模型，模型建立和模擬極其快捷簡便。

2.2.2 提供強大的結構分析

對于建立好的模型可以進行結構分析，包括兩種形式：任一變量的原因樹分析、結果樹分析和反饋列表。對于建立好的模型可以對它進行原因圖分析，得到所有作用于該變量的其他變量；還可以進行結果圖分析，得到受該變量作用的其他變量。軟件還可以進行反饋回路的分析，提供反饋列表界面，可以表明回路的個數和回路的因果鏈。

2.2.3 提供數據集分析功能

可以直接對模型進行編輯、編譯、數據輸入和數據集分析，仿真結果可以以數據和圖形兩種形式輸出，提供豐富的輸出信息和靈活的輸出方式，輸出信息均可共享。輸出信息有流圖、模型方程文檔、運行結果圖、運行結果數據等，能與Microsoft Office等編輯文件兼容。

2.2.4 提供真實性功能

在模型建立后，對于所研究的系統(tǒng)、依據常識和一些基本原則，提出對其正確性的基本要求，作為真實性約束加到建好的模型中，模型在運行時可對于這些約束的遵守情況自動記錄和判別，由此可以判斷模型的合理性與真實性，從而調整結構或參數。

2.2.5 實現完全的模型漢化

Vensim軟件在Windows或中文之星下，模型流圖、變量、運行結果均可用中文表達［4］。

2.3 水資源安全SD模型的構建

根據水資源安全的定義，水資源安全模型由供水和需水兩個主要子系統(tǒng)構成。需水量的增長主要取決于人口的增長、生活水平的提高及工農業(yè)的發(fā)展。從功能及用水特點上，需水子系統(tǒng)分為生活需水、工業(yè)需水、農業(yè)需水三部分，這三部分既有各自的功能和特點，又相互聯系，相互作用。供水能力取決于社會經濟發(fā)展水平，一般而言，主要由地表水、地下水、雨水利用、污廢水處理、微咸水淡化、海水淡化六部分組成（張巧顯等，2002）［5］。 本模型用城市人均生活日用水量、農村人均生活日用水量表征人身安全，用工業(yè)總產值增長率、城市化率表征經濟安全，用污廢水處理率表征環(huán)境安全、用工業(yè)用水重復利用率、農田灌溉定額、平均每頭牲畜的日用水量表征社會安全。

水資源安全系統(tǒng)涉及到社會、經濟、環(huán)境，它是一個復雜的系統(tǒng)，與人口、資源環(huán)境、社會、經濟關系密切，因此可以把水資源安全分為經濟安全、社會安全、環(huán)境安全，包括人口、工業(yè)、農業(yè)、水污染、水資源5個子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)相互聯系，相互影響。根據水資源安全系統(tǒng)的內部各因素之間的關系設計系統(tǒng)流圖，如圖1。使系統(tǒng)內部各因果關系通過流圖中關系的量化就達到政策仿真的目的（孫新新等，2007）［6］。

2.3.1 人口子系統(tǒng)

總人口由城鎮(zhèn)人口和農村人口組成。人口子系統(tǒng)的主要變量有：總人口數、城鎮(zhèn)人口和農村人口，以總人口為狀態(tài)變量，人口增長速度為速率變量，總人口主要考慮出生率和死亡率的影響，即自然增長率的影響。人口影響生活需水量和生活污水排放量，主要反饋回路為：

人口→＋生活需水量→＋總需水量→＋缺水程度→－人口增長速度→＋人口→＋生活用水量→＋生活污水→＋廢水排放量

2.3.2 農業(yè)子系統(tǒng)

農業(yè)子系統(tǒng)包括農田灌溉面積、牲畜總頭數，它以農田灌溉面積、牲畜總頭數為狀態(tài)變量，農田灌溉面積增長率、牲畜頭數變化率為速率變量，其主要反饋回路為：

農業(yè)灌溉面積增長率→＋農田灌溉面積→＋農田面積需水量→＋農業(yè)需水量→＋總需水量→＋缺水程度→－農業(yè)灌溉面積增長率

牲畜頭數總變化率→＋牲畜總頭數→＋牲畜需水量→＋農業(yè)需水量→＋總需水量→＋缺水程度→－牲畜頭數總變化率

2.3.3 工業(yè)子系統(tǒng)

工業(yè)用水包括火電和一般工業(yè)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)、農村工業(yè)用水，用水量為取自各種供水水源的新水量，并且把工業(yè)企業(yè)的重復利用水量排除在外。工業(yè)用水主要受工業(yè)產值和工業(yè)萬元產值取水量的影響，它以工業(yè)產值為狀態(tài)變量，工業(yè)產值增長速度為速率變量，其主要反饋回路為：

工業(yè)產值增長速度→＋工業(yè)產值→＋工業(yè)需水量→＋工業(yè)用水量→＋工業(yè)廢水排放量→＋污水總量→＋廢水處理量→＋廢水回用量→＋可利用水資源量→－缺水程度→＋工業(yè)產值增長速度

工業(yè)產值增長速度→＋工業(yè)產值→＋工業(yè)需水量→＋需水總量→－缺水程度→＋工業(yè)產值年增長速度

2.3.4 水資源子系統(tǒng)

可供水量是指扣除生態(tài)用水量后，可供利用的水量，它主要由地表水可用水資源量、地下水可用水資源量、污水回用量和農田回歸水量組成，主要用于工農業(yè)生產和生活，其主要反饋回路為：

可供水量→＋工業(yè)用水量→＋工業(yè)增長速度→＋工業(yè)產值→＋供水能力→＋可供水量

2.3.5 水污染子系統(tǒng)

系統(tǒng)中，廢水排放總量取決于生活及工業(yè)排放量及處理量，而工業(yè)廢水受工業(yè)用水量及排放系數的影響，生活污水受生活用水量和排放系數的影響，同時它又影響B(tài)OD、COD的排放量（孫新新等，2007）［6］。

從整個系統(tǒng)因果關系圖來看，人口決定了生活需水量，工業(yè)產值決定了工業(yè)需水量，灌溉面積和牲畜總頭數決定了農業(yè)需水量；生活需水、工業(yè)需水和農業(yè)需水決定了總需水量，地表水可用水資源量、地下水可用水資源量、污水回用量和農田回歸水量決定了可利用水資源，需水量和供水量又決定了缺水程度；而缺水程度又反過來影響工業(yè)產值增長速度、人口增長速度、農田灌溉面積增長率和牲畜頭數變化率，進而影響工業(yè)產值、人口、灌溉面積和牲畜總頭數；此外，污水的回用量、農業(yè)回歸水量又會增加了供水量，這將減少了供需差和缺水程度。各個子系統(tǒng)之間的相互聯系及每個子系統(tǒng)內部的結構流圖，如圖1所示。

3 案例分析

3.1 研究區(qū)概況

貴州省簡稱“黔”或“貴”，位于中國西南的東南部，北鄰四川、西連云南、南界廣西、東接湖南，轄貴陽、六盤水、遵義、安順4個省轄市，畢節(jié)、銅仁2個地區(qū)，黔東南、黔南、黔西南3個自治州。全省東西長595km，南北相距509km，總面積為176167km2，占全國國土面積的1.8%。2006年全省總人口數為3955.30萬人，其中城鎮(zhèn)人口1086.12萬人，人口自然增長率0.713%；全年完成生產總值2267.43億元，其中工業(yè)產值增加值857.17億元， 工業(yè)產值增加率為15%［7］； 牲畜總頭數為2918.39萬頭；農田有效灌溉面積47.15萬hm2，實灌面積71.58萬hm2，實灌面積約占耕地面積的41%［8］。

貴州省分區(qū)水資源量見表1。2006年貴州省水資源總量為1049.773億m3，總用水量為99.9514億m3，其中生活用水量12.5309億m3，農村平均生活用水定額為57L/（人·d），城市平均生活用水定額為165L/（人·d）； 農田灌溉用水量54.0465億m3，平均農田灌溉面積定額7550.50m3/hm2；牲畜用水量4.18億m3，平均牲畜用水量33L/（頭·d）； 工業(yè)用水量27.2996億m3，工業(yè)產值用水量為318.49m3/萬元；生態(tài)用水量0.6529億m3［8］。

3.2 模型模擬分析

根據系統(tǒng)動力學流程圖及水資源安全SD系統(tǒng)流圖，對貴州省水資源安全進行模擬。模型以2006年為基準年，模擬步長為1a；時間邊界為2006～2020年；空間邊界為貴州省行政規(guī)劃區(qū)，以下從供需兩方面著手，結合貴州省用水現狀，提出3種方案。

3.2.1 發(fā)展經濟型

該方案以貴州省2006年為現狀水平年，按照各用水部門的實際用水和可利用水資源量，對貴州省水資源安全進行模擬。

3.2.2 節(jié)水型

此方案考慮貴州省的遠景規(guī)劃和發(fā)展目標，調整用水定額，加大污水處理率、工業(yè)用水重復利用率，控制人口增長。

3.2.3 協調型

既發(fā)展經濟，又考慮節(jié)水。通過增加工業(yè)用水重復利用率增長率、增加污水處理率、減小城市人均日用水增長率、減小農村人均日用水增長率、減小工業(yè)產值增長率、增加供水（特別是增加除地表水和地下水外的其他水源的供水）等方式來實現協調發(fā)展。用上述3種方案進行模擬（3種方案決策取值見表2），通過結構檢驗和單位檢查，應用Vensim5.7提供的編譯軟件和跟蹤功能檢驗模型的正確性，通過對2007～2008年模擬值和歷史統(tǒng)計數據的比較，二者擬合較好，驗證了模型的有效性，表明模型結構合理，能反映貴州省水資源安全的特征，因此可以用來預測未來各種方案參數實施后，系統(tǒng)的動態(tài)發(fā)展過程，運行結果見表2。根據模擬結果，分別對生命、經濟、社會和環(huán)境系統(tǒng)安全進行水資源安全評估。

表1 貴州省水資源量單位：億m3

表2 3個不同方案主要決策變量取值

注：工業(yè)產值增加率x1、城市化率x2、工業(yè)用水重復利用率x4和污水處理率x9的單位為%，工業(yè)差值萬元取水量x3的單位為m3/萬元，城鎮(zhèn)生活人均日用水量x5和農村生活人均日用水量x6的單位為L/（人·d），平均每頭牲畜日用水量x7的單位為L/（頭·d），農田灌溉面積定額x8的單位為m3/hm2。

表3 貴州省水資源安全模擬結果 單位：億m3

3.3 水資源安全評價指標及標準

遵循建立水資源安全評價指標體系的原則，結合貴州省的實際情況，按照水資源安全SD系統(tǒng)流圖，選取工業(yè)產值增長率x1、城市化率x2、工業(yè)產值萬元取水量x3、工業(yè)用水重復利用率x4、城鎮(zhèn)生活人均日用水量x5、農村生活人均日用水量x6、平均每頭牲畜日用水量x7、農田灌溉面積定額x8、污水處理率x9作為貴州省水資源安全的評價指標。

利用雷達圖分析方法，采用上述建立的水資源安全評價指標體系對貴州省水資源安全進行評價。貴州省各指標的特征值（采用2006年的數據）如表1。以國際標準、國家標準和地方發(fā)展規(guī)劃值為依據，結合其他地區(qū)該指標的實際值和貴州省的水資源條件，并參考相關文獻對各級別指標標準值的研究成果，給出了水資源安全評價指標5級指標的標準值，如表4。

表4 貴州省水資源安全評價分級及標準

3.4 水資源安全綜合評價

以貴州省水資源安全為評價對象，按照3種方案的決策變量作為評價指標，方案1以調查收集取得的2006年貴州省9個行政區(qū)相關統(tǒng)計數據為例，同時也對2006、2010、2015、2020年4個水平年內的貴州省水資源安全采用雷達圖法進行綜合評價；方案2適當調整節(jié)水型的指標，利用貴州省水資源安全SD模型進行模擬，采用雷達圖法進行綜合評價；方案3既考慮節(jié)水，提高水的利用率，同時也考慮到經濟的發(fā)展和社會的進步，采用雷達圖法進行綜合評價。

貴州省水資源評價指標既有絕對量指標也有相對量指標。絕對量指標與量綱相關，而相對量指標不具有量綱，由于量綱不同，若不考慮二者之間的差異，直接將統(tǒng)計數據用于綜合評價，其評價結果往往傾向于數量級較大的指標，從而不能對各項指標公正分析。為此，在進行綜合評價前，有必要對基礎指標數據作標準化處理（付赟等，2008）［9］。貴州省水資源評價指標既有效益型指標又有成本型指標，效益型指標越大越優(yōu)，成本型指標越小越優(yōu)（邱德華，2006）［10］。 為了將兩種類型的指標統(tǒng)一，需對兩種指標采用不同的標準化處理。每一個指標的標準化數據由下列公式計算：

式中 Xij為第i個行政區(qū)第j個指標標準化后的數據，xij表示第i個行政在第j個指標上的統(tǒng)計數據，xjmin表示統(tǒng)計數據在第j個指標上的最小值，xjmax表示統(tǒng)計數據在第j個指標上的最大值。采用標準化處理后，統(tǒng)計數據將［0，1］之間。表5，6得出了貴州省水資源安全評價指標和部分標準化后的數據。

表5 2006年貴州省各行政區(qū)域水資源安全評價指標體系及標準化數據

表6 貴州省水資源安全評價指標體系及標準化數據

根據標準化處理后的統(tǒng)計數據，繪制出9個行政區(qū)的雷達圖（見圖2）。為了方便比較各行政區(qū)域的水資源安全狀況，將9個行政區(qū)域的水資源安全在各指標上的評價值與臨界安全在各指標上的評價值進行對比，同時，也將9個行政區(qū)域的水資源安全進行對比。通過比較雷達圖內的面積可知，從空間上來說，貴陽市、遵義市的水資源安全狀況最好，且達到了臨界安全的標準；畢節(jié)地區(qū)、銅仁地區(qū)、黔南州水資源狀況最差，處于不安全級別。從時間上來說，采取協調型方案的水資源安全狀況最好，見圖3～8。

4 結語

利用系統(tǒng)動力學理論建立水資源安全SD模型，可以有效地進行水資源安全的模擬。通過水資源安全SD模型模擬后，對水資源安全評價，既可對現狀進行評價，也可對未來水資源的采用何種方式進行評價，本文在前人研究的基礎上，選取3種方案進行水資源安全模型，采用雷達法對該3種方案進行水資源安全綜合評價，協調型方案將有利于水資源安全。

［1］賈紹鳳，張軍巖，張士鋒.區(qū)域水資源壓力指數與水資源安全評價指標體系［J］.地理科學進展，2002（6）.

［2］王其藩.高級系統(tǒng)動力學［M］.北京：清華大學出版社，1995.

［3］王建華，江東，顧定法，等.基于SD模型的干旱區(qū)城市水資源承載力預測研究［J］.地理學與國土研究，1999（5）.

［4］張振偉，楊路華，高慧嫣.基于SD模型的河北省水資源承載力研究［J］.中國農村水利水電，2008（3）.

［5］張巧顯，歐陽志云，王如松，等.中國水安全系統(tǒng)模擬及對策比較研究［J］.水科學進展，2002（13）.

［6］孫新新，沈冰，于俊麗，等.寶雞市水資源承載力系統(tǒng)動力學仿真模型研究［J］.西安建筑科技大學學報（自然科學版），2007（39）.

［7］貴州省人民政府辦公廳貴州年鑒社.貴州年鑒［G］.貴陽：貴州年鑒社出版，2007.

［8］貴州省水利廳.貴州水資源公報［Z］.貴陽：貴州出版，2007.

［9］付赟，方德英.雷達圖法在綜合評價中的應用研究［J］.統(tǒng)計與決策，2007（24）：176－178.

［10］邱德華.區(qū)域水安全戰(zhàn)略的仿真評價研究［D］.南京：河海大學，2006.