伏吉芮+瓦哈甫·哈力克+姚一平

摘要：系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基于系統(tǒng)理論，能夠?qū)⒂盟酉到y(tǒng)和供水子系統(tǒng)納入到水資源供需系統(tǒng)中，并且可以分析每個(gè)子系統(tǒng)中各因素的變化對(duì)于整體系統(tǒng)的影響。而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件Stella可以通過(guò)情景模擬來(lái)預(yù)測(cè)水資源供需的發(fā)展趨勢(shì)。運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法，結(jié)合吐魯番社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)需水的實(shí)際情況，構(gòu)建了吐魯番水資源供需系統(tǒng)模型，設(shè)定四種不同的情景，仿真模擬了2013年-2030年吐魯番地區(qū)水資源供需變化趨勢(shì)，進(jìn)而對(duì)該地區(qū)水資源供需平衡進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：為實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化利用，保證吐魯番地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，還必須加大水利建設(shè)，增加水利投資，進(jìn)一步實(shí)施節(jié)水措施，巧妙合理的利用水資源。

關(guān)鍵詞：水資源供需系統(tǒng)；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；吐魯番地區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV213文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672-1683（2017）01-0067-05

Abstract：System dynamics is based on the system theory.It can incorporate the water use sub-system and water supply sub-system into the water resources supply and demand system，and can be used to analyze the influence of the factors in each subsystem on the overall system.The system dynamics software Stella can predict the development trend of water supply and demand through scenario simulation.Turpan water resources supply and demand system model was constructed using the system dynamics method based on the actual situation of Turpan social economic development and ecological water demand.Four different scenarios were set to simulate the variation trend of water resources supply and demand in Turpan area in 2013-2030.Then analysis was conducted on the balance of water resources supply and demand in the region.Research results showed that in order to achieve optimal use of water resources to ensure sustainable development of Turpan area，we must intensify water conservancy construction，increase investment in water conservancy，further implement water-saving measures，and use water resources smartly and reasonably.

Key words：water resources supply and demand syste；system dynamics；Turpan area

近年來(lái)，隨著工農(nóng)業(yè)活動(dòng)強(qiáng)度加劇，耗水量迅速增長(zhǎng)，而水資源更新速度卻落后于水資源消耗的速度，水資源安全所面臨的威脅與日俱增[1-2]?；诖?，專(zhuān)家學(xué)者們對(duì)水資源研究的出發(fā)點(diǎn)集中在如何充分合理利用水資源，以及協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和水資源之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和資源效益的最大化，以達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。王友貞等[3-9]從水資源安全的角度出發(fā)對(duì)水資源承載力及水資源脆弱性進(jìn)行量化分析，得出水資源安全利用的閾值范圍，保證水資源的可持續(xù)使用。馮文琦[10]模擬了深圳市水資源配置；張衍廣等[11-15]運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)山東、北京、大連、崇明島，寶雞的水資源承載力進(jìn)行了模擬研究。這些研究將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法運(yùn)用到水資源的模擬研究中，模擬了水資源的配置和水資源的承載力，將水資源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。高彥春[16]以漢中盆地為例進(jìn)行了區(qū)域水資源的仿真模擬和決策優(yōu)化，該研究將經(jīng)濟(jì)社會(huì)等方面的因素與水資源使用現(xiàn)狀納入一個(gè)總系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)模擬并得出最優(yōu)的水資源使用決策。這些研究涉及地區(qū)雖較多，涉及水資源的承載力和脆弱性等多個(gè)方面，但運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)干旱區(qū)的水資源進(jìn)行仿真模擬研究的較少。

吐魯番是典型的干旱區(qū)破碎綠洲，綠洲作為一個(gè)獨(dú)立存在的生態(tài)系統(tǒng)，具有唯水性，如果沒(méi)有水，綠洲將不復(fù)存在。吐魯番水資源極度缺乏，水資源對(duì)綠洲區(qū)域經(jīng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用[17]，如何配置有限的水資源來(lái)確保可持續(xù)發(fā)展是該地區(qū)面臨的難題。本文以吐魯番地區(qū)為例，對(duì)該地區(qū)的水資源供需系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬。結(jié)合該地區(qū)的實(shí)際情況，分析研究水資源的需求狀況，從而實(shí)施適當(dāng)?shù)恼{(diào)控，使水資源得到合理利用，實(shí)現(xiàn)水資源的高效配置，從而實(shí)現(xiàn)該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

吐魯番地區(qū)位于中國(guó)新疆維吾爾自治區(qū)東部，是中國(guó)內(nèi)地連接中國(guó)新疆、中亞地區(qū)及南北疆的交通樞紐[18]。吐魯番盆地是我國(guó)海拔最低的盆地，區(qū)內(nèi)艾丁湖海拔為-154 m。該地區(qū)屬于典型的干旱區(qū)破碎綠洲，氣候是獨(dú)特的暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候，因地處盆地之中，四周高山環(huán)抱、增熱迅速、散熱慢，形成了日照長(zhǎng)、氣溫高、晝夜溫差大、降水少、風(fēng)力強(qiáng)五大特點(diǎn)，素有“火州”、“風(fēng)庫(kù)”之稱。年均降水量16.4 bmm，由于炎熱干燥，蒸發(fā)量特別大，因此該地區(qū)水資源十分匱乏。近年來(lái)，該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，旅游、工礦企業(yè)規(guī)模迅速增長(zhǎng)，因此有必要對(duì)該區(qū)水資源的供需平衡進(jìn)行分析，以便更有效地利用水資源，促進(jìn)吐地區(qū)合理發(fā)展。

2 研究方法

2.1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（system dynamics）簡(jiǎn)稱SD，是美國(guó)麻省理工學(xué)院福瑞斯特教授1956年創(chuàng)立的，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)單元是反饋回路，即系統(tǒng)的狀態(tài)、速率（決策）與信息的回路。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本方法包括因果關(guān)系流圖、流圖、方程和仿真平臺(tái)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的分析，確定變量之間的關(guān)系、構(gòu)建方程、建立模型，將模型輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真模擬，可以設(shè)定不同的情景，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。文中所采用的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件是Stella。2.2 水資源供需系統(tǒng)模型構(gòu)建

2.2.1 子系統(tǒng)分析

（1）需水子系統(tǒng)。需水子系統(tǒng)由工業(yè)需水、農(nóng)業(yè)需水、生活需水和生態(tài)需水構(gòu)成。在吐魯番綠洲內(nèi)，農(nóng)業(yè)用水的比例是最大的，有的年份高達(dá)98%，一般年份也會(huì)在95%以上。在2013年時(shí)生態(tài)需水為0.66億 m3，農(nóng)業(yè)需水和生態(tài)需水較多，工業(yè)用水為0.51億 m3，生活用水為0.21億 m3。

（2）供水子系統(tǒng)。供水子系統(tǒng)主要包括本地常規(guī)水資源和再生水的回用。吐魯番地區(qū)的常規(guī)水資源主要是冰雪融水，由于廢污水處理技術(shù)和設(shè)備限制，再生水回用量也不多，占水資源總量的0.8%。近年來(lái)，隨著氣候變化，冰雪融水也在不斷減少，2013年只有10.6億 m3。水質(zhì)性缺水，季節(jié)性缺水在該地區(qū)也較為明顯。

（3）社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由人口、GDP、城市化水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模等構(gòu)成。人口總量由人口增長(zhǎng)率決定，城市人口和農(nóng)村人口的數(shù)量由城市化率決定，GDP和產(chǎn)業(yè)規(guī)模反映的是該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平，由各產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)率決定，水利投資由地區(qū)生產(chǎn)總值決定。

（4）水環(huán)境子系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由廢污水排放、處理及再生水回用量組成。吐魯番地區(qū)的廢污水處理技術(shù)和廢污水處理設(shè)施滯后于整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這也是該地區(qū)中水利用率低的一個(gè)重要原因。

2.2.2 模型構(gòu)建

根據(jù)吐魯番地區(qū)水資源供需的實(shí)際情況，建立水資源供需系統(tǒng)仿真模型（圖 1）。模型中的變量如下（因變量名稱較長(zhǎng)，因此用變量全名拼音的第一個(gè)字母組合來(lái)代替）。

（1）狀態(tài)變量 （L）?？?cè)丝冢╖RK）、農(nóng)田灌溉面積（NTGGMJ）、農(nóng)田灌溉單位面積用水量（NTGGDWMJYSL）等9個(gè)狀態(tài)變量。

（2）速率變量 （R）。人口增量（RKZL）、灌溉面積增量（GGMJZL）、農(nóng)田單位面積灌溉用水增量（NTDWMJGGYSZL）等9個(gè)速率變量；

（3）輔助變量 （A）。城鎮(zhèn)人口（CZRK）、農(nóng)村人口（NCRK）、農(nóng)村生活需水量（NCSHXSL）、城鎮(zhèn)生活需水量（CZSHXSL）、城鎮(zhèn)生態(tài)需水量（CZSTXSL）、生產(chǎn)需水量（SCXSL）等22個(gè)變量。

（4）常量 （C）。模型中所包含的常數(shù)、表函數(shù)和初始值。

該模型共包含40個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程：22個(gè)輔助方程、9個(gè)狀態(tài)變量方程、9個(gè)速率變量方程。用Stella軟件對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)行，檢驗(yàn)結(jié)果表明該模型構(gòu)建合理，以2013年為基準(zhǔn)年，模擬2009年-2013年吐魯番地區(qū)的人口、GDP和總需水量，模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)誤差均小于5%（見(jiàn)表1），符合要求，說(shuō)明該模型的模擬結(jié)果可信。

3 情景模擬及結(jié)果

3.1 情景設(shè)計(jì)

以2013年為基準(zhǔn)年，對(duì)吐魯番地區(qū)的社會(huì)發(fā)展、人口變化與水資源供需平衡情況進(jìn)行模擬分析，（步長(zhǎng)為1 a），終止年為2030年。水資源供需系統(tǒng)調(diào)控參數(shù)及方案見(jiàn)表2。

（1）情景一。假設(shè)在人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、水資源承載力維持現(xiàn)有狀況下的發(fā)展，將這種情景下的發(fā)展模式稱其為現(xiàn)狀延續(xù)模式。

（2）情景二。假設(shè)主要突出經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以提高各產(chǎn)業(yè)的增加值的增長(zhǎng)率，產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大為目標(biāo)的發(fā)展，將這種情景下的發(fā)展模式稱其為經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。

（3）情景三。假設(shè)重點(diǎn)在于提高水資源的管理技術(shù)，旨在構(gòu)建節(jié)水型社會(huì)，形成節(jié)水型生產(chǎn)生活方式。在模擬過(guò)程中，減少城鄉(xiāng)人均生活用水定額、萬(wàn)元產(chǎn)業(yè)增加值用水定額增長(zhǎng)率，提高有效灌溉系數(shù)等。將這種情景下的發(fā)展模式稱其為節(jié)水模式。

（4）情景四。假設(shè)在節(jié)水模式的基礎(chǔ)上，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，在水資源短缺的情況下，使該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展。同時(shí)，提高污水處理率和再生水回用率，適當(dāng)增加在水利建設(shè)方面的資金投入。我們將這種情景下的發(fā)展模式稱為協(xié)調(diào)發(fā)展模式。

3.2 模擬結(jié)果

選取GDP、人口變化、供需壓力、總需水量等主要指標(biāo)來(lái)說(shuō)明模型的仿真模擬結(jié)果及其變化趨勢(shì)比較見(jiàn)圖 2。

在情景一中，2030年吐魯番地區(qū)GDP為0.056×1012元，總需水量16.1億 m3，水資源供需壓力達(dá)到1.5，水資源供需缺口大，水利投資隨著社會(huì)經(jīng)的發(fā)展逐漸增加，污染影響系數(shù)為0.755，水環(huán)境污染嚴(yán)重。如果延續(xù)這種現(xiàn)狀，水資源短缺將日益嚴(yán)重。

在情景二中，2030年吐魯番地區(qū)GDP為0.083×1012 元，總需水量17.3億 m3，水資源供需壓力高達(dá)1.79，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)情景一。雖然在這種情景下，生產(chǎn)總值升幅很大，但是水資源壓力非常大，而且由于產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)大，廢污水的排放量也增加，對(duì)吐魯番極度脆弱的生態(tài)環(huán)境來(lái)說(shuō)，這種具有高經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)展是以生態(tài)環(huán)境的破壞和資源的枯竭為代價(jià)的。這種發(fā)展是不可持續(xù)的發(fā)展。

在情景三中，2030年吐魯番地區(qū)GDP將達(dá)到0.09×1012 元，總需水量達(dá)到15.3億 m3，水利投資逐年遞增，達(dá)到1.55×108元；水資源供需壓力雖然呈現(xiàn)緩慢穩(wěn)定增長(zhǎng)狀態(tài)，但小于情景一和情景二；污染影響系數(shù)為0.73，這說(shuō)明水資源污染問(wèn)題依然較為嚴(yán)重。預(yù)測(cè)結(jié)果說(shuō)明，節(jié)水措施對(duì)于緩解水資源供需矛盾起到了一定作用，但是水資源污染的問(wèn)題依然存在。

在情景四中，水資源供需處于一個(gè)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，發(fā)展到2030 年，水資源的供需壓力為0.98，比情景一的1.5、情景二的1.79都小，這說(shuō)明水資源供給能力可以支撐當(dāng)?shù)氐目沙掷m(xù)發(fā)展。

情景三雖然達(dá)到了節(jié)水的目的，但對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展有制約，因此不是最優(yōu)選擇，情景二突出經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但是是一種不可持續(xù)的發(fā)展，情景一是在沒(méi)有任何調(diào)控下延續(xù)現(xiàn)狀的發(fā)展，這種發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境和水資源的壓力較大，難以維持長(zhǎng)久。吐魯番地區(qū)在情景四（協(xié)調(diào)發(fā)展模式）下，實(shí)行再生水利用、將再生水、地表水，地下水進(jìn)行統(tǒng)一配置。水資源供給基本能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的要求，關(guān)鍵在于以消耗較少的水資源，獲得了較高的經(jīng)濟(jì)效益，因此在該情景下，水資源的使用效率最高。隨著吐魯番地區(qū)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，水資源的需求量將不斷增加，到2030年，總需水量依然是增長(zhǎng)的趨勢(shì)。隨著城市化率的提高，農(nóng)村人口大量向城市轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致城市生活人口增加，從而需水量增加，而農(nóng)村生活用水有所減少，城鎮(zhèn)生態(tài)需水總量略有增長(zhǎng)。由于節(jié)水措施和有效灌溉系數(shù)的提高，農(nóng)田有效灌溉面積增長(zhǎng)，但是由于吐魯番地區(qū)的農(nóng)業(yè)屬于灌溉農(nóng)業(yè)，用水量大，所以農(nóng)業(yè)用水并沒(méi)有減少，反而是略有增長(zhǎng)。由于產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大的需要，工業(yè)需水量會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，第三產(chǎn)業(yè)需水量會(huì)隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大而穩(wěn)定增長(zhǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著人口數(shù)量增加，人們生活水平提高，吐魯番水資源的供需矛盾日益強(qiáng)化。在模擬時(shí)間段內(nèi)，水資源的需求會(huì)不斷增長(zhǎng)，但是水資源的更新卻趕不上需求增長(zhǎng)的腳步。在新絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)的背景下，吐魯番地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展顯得尤為重要，水資源安全所面臨的威脅就是城市發(fā)展所面臨的威脅。在全球變暖的大環(huán)境下，該地區(qū)的雪山融水供應(yīng)能力有限，要緩解水資源的緊張狀況，就必須做到優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，合理布局各產(chǎn)業(yè)，在招商引資的過(guò)程中拒絕耗水企業(yè)進(jìn)駐吐魯番，已進(jìn)駐該地區(qū)的企業(yè)，盡量要求升級(jí)生產(chǎn)設(shè)備，以減少污染，減少水資源消耗；農(nóng)業(yè)方面，全面發(fā)展滴灌技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)水農(nóng)業(yè)，保證地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。（本文數(shù)據(jù)來(lái)源于《吐魯番統(tǒng)計(jì)年鑒（2002-2014）》 、《新疆水資源公報(bào)》和《吐魯番地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》。同時(shí)結(jié)合了課題組2012年-2015年在研究區(qū)的野外調(diào)查數(shù)據(jù)）

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