徐冬平, 趙 波, 李同昇, 楊軍輝, 朱記偉

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安710127； 2.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 陜西西安 710048； 3.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048；4.西安理工大學(xué) 教務(wù)處， 陜西 西安 710048； 5.西安外國(guó)語(yǔ)大學(xué) 旅游學(xué)院， 陜西 西安710128)

中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)水資源承載力動(dòng)態(tài)仿真研究
——以內(nèi)蒙古通遼市科爾沁區(qū)為例

徐冬平1,2,3, 趙 波4, 李同昇1, 楊軍輝5, 朱記偉2,3

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安710127； 2.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 陜西西安 710048； 3.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048；4.西安理工大學(xué) 教務(wù)處， 陜西 西安 710048； 5.西安外國(guó)語(yǔ)大學(xué) 旅游學(xué)院， 陜西 西安710128)

[目的] 分析農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)水資源承載力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為同類地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供有益的理論參考。[方法] 以內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市科爾沁區(qū)作為農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)典型案例地,運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法,建立科爾沁區(qū)有限水資源支撐下的“社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—生態(tài)”協(xié)同發(fā)展的仿真模型,并根據(jù)農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)以及科爾沁區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的特點(diǎn),提出區(qū)域“社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—生態(tài)”協(xié)同發(fā)展的自然增長(zhǎng)模式、第一產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化模式、第二產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)模式、第三產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)模式、循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式這5種理論模式。[結(jié)果] 在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真的基礎(chǔ)上,運(yùn)用遺傳投影尋蹤法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)選,認(rèn)為循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式是水資源承載力最優(yōu)的發(fā)展模式。[結(jié)論] (1) 合理調(diào)配農(nóng)、牧比例關(guān)系是節(jié)約農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)有限水資源的關(guān)鍵舉措; (2) 農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)致力發(fā)展傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)或?qū)⑾萑胨Y源匱乏的窘境; (3) 發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)是提高農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)水資源承載力的有效途徑; (4) 全面開展農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的水資源承載力研究是增強(qiáng)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力的保障。

農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū); 水資源; 承載力; 動(dòng)態(tài)仿真; 科爾沁區(qū)

文獻(xiàn)參數(shù)： 徐冬平, 李同昇, 趙波, 等：中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)水資源承載力動(dòng)態(tài)仿真研究[J].水土保持通報(bào)，2017,37(1)：262-269.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.046； Xu Dongping, Zhao Bo, Li Tongsheng, et al. Dynamic simulation of carrying capacity of water resources in agro-pastoral ecotone in Northern China[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：262-269.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.046

水資源的承載能力關(guān)系到地區(qū)和諧、穩(wěn)定的發(fā)展，歷來(lái)受到眾多學(xué)者的關(guān)注。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，水資源迅速成為影響區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，尤其在北方水資源匱乏地區(qū)地區(qū)，水資源決定著地方發(fā)展的未來(lái)。

自20世紀(jì)80年代施雅風(fēng)提出水資源承載力概念以來(lái)，中國(guó)學(xué)者針對(duì)這一問題進(jìn)行了大量的探索。21世紀(jì)初期，關(guān)于水資源承載力的研究主要集中在宏觀尺度，并取得了豐碩的研究成果，夏軍等[1]利用區(qū)域水循環(huán)模擬探索了區(qū)域水資源承載力的量化研究方法；徐中民等[2-3]利用多目標(biāo)情景分析模型，對(duì)黑河流域水資源承載力進(jìn)行了研究；王浩等[4]建立了水資源承載力的指標(biāo)體系、邊界條件以及計(jì)算流程，探究了西北內(nèi)陸干旱區(qū)水資源承載能力；閔慶文等[5]從水資源生態(tài)系統(tǒng)管理視角出發(fā)，提出水資源生態(tài)安全理論，并以西北地區(qū)為例研究了水資源安全與生態(tài)系統(tǒng)的互動(dòng)機(jī)制，劉佳駿等[6]對(duì)中國(guó)水資源承載力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)研究，上述成果為水資源承載力的進(jìn)一步研究奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。近年來(lái)大量學(xué)者在宏觀尺度研究的基礎(chǔ)上，逐步在中觀尺度上開展了關(guān)于水資源承載力的實(shí)證研究，卜楠楠等[7]開展了省域范圍的水資源承載力研究；董雯等[8]、曾浩等[9]等開展了流域區(qū)域的水資源承載力研究。曾現(xiàn)進(jìn)等[10]、陳威等[11]、宰松梅等[12]、馬峰等[13]開展了市域水資源承載力研究；田靜宜等[14]、馬金珠等[15]開展了干旱地區(qū)的水資源承載力研究。

縱觀眾多的研究成果，關(guān)于中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)水資源承載力的研究成果較少。中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)地理位置特殊，屬干旱地區(qū)向濕潤(rùn)地區(qū)過(guò)渡地帶，水資源匱乏，生態(tài)環(huán)境敏感，近年的多起環(huán)境事件(如沙塵暴)均與農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)過(guò)度開發(fā)水資源而引起的環(huán)境破壞有著較大干系。長(zhǎng)期以來(lái)中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)過(guò)度開發(fā)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，“積極”的承擔(dān)起糧食生產(chǎn)基地的功能，這不僅消耗了大量的寶貴水資源，而且造成了農(nóng)牧比例關(guān)系失衡，這種過(guò)分消耗有限水資源的生產(chǎn)方式，不但會(huì)降低其水資源固有的承載能力，并且為由破壞性開發(fā)水資源而引發(fā)的生態(tài)災(zāi)難埋下了隱患。

本文擬基于農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)農(nóng)、牧業(yè)交雜發(fā)展的社會(huì)背景下，研究有限水資源的合理承載能力，描述水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的互動(dòng)關(guān)系，優(yōu)化水資源的配置結(jié)構(gòu)，揭示水資源約束下的區(qū)域發(fā)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)促進(jìn)區(qū)域高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要。本文擬構(gòu)建農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型，并以內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市科爾沁區(qū)為例，分析農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)水資源承載力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為同類地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供有益的理論參考。

1 研究區(qū)概況

通遼市科爾沁區(qū)地處內(nèi)蒙古自治區(qū)東部，位于北緯43°22′—43°58′，東經(jīng)121°42′—123°02′，行政區(qū)域面積為3 212 km2，2013年總?cè)丝跒?5.63萬(wàn)人。目前，科爾沁區(qū)水資源總量為9.0×108m3，可利用水資源總量為6.5×108m3，可利用水資源在各生產(chǎn)部門的配置極不均衡，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水占72%，二、三產(chǎn)業(yè)及生活用水部門分用余下水量，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低下且占用水資源比例較多，導(dǎo)致目前科爾沁區(qū)水資源的承載力水平較低，2014年單方水資源僅承載91.15元產(chǎn)值，僅為發(fā)達(dá)國(guó)家的1/20左右。

通過(guò)將科爾沁區(qū)與北方農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)進(jìn)行對(duì)比(表1)，發(fā)現(xiàn)二者社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r具有極大的相似性，雖然科區(qū)第二產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)速度略高于北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的平均水平，但是二者社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合發(fā)展水平大致相仿，科爾沁區(qū)能夠作為北方農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)的典型地區(qū)，具有研究的代表性。深入研究科爾沁區(qū)水資源承載能力，可為北方農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)提高水資源承載力、涵養(yǎng)水源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，提供有益的理論和實(shí)踐依據(jù)。

表1 科爾沁區(qū)與北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)比

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)[16-17]方法在處理具有非線性、時(shí)變性、多重反饋等特點(diǎn)的“資源承載—社會(huì)發(fā)展”問題時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，與信息熵法[18]、模糊評(píng)價(jià)法[19]、主成分分析法[20]等方法相比，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法能夠較好地反映經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)等子系統(tǒng)及其構(gòu)成要素之間非線性的反饋關(guān)系，模擬不同發(fā)展情景下的需水訴求。本文以水資源作為承載農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的制約性資源條件，建立“水資源—社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)”的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系[21]，提出農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“自然增長(zhǎng)模式”、“第一產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化”、“第二產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)模式”、“第三產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)模式”、“循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式”等模式，找尋最適合的農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)水資源條件的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，為廣大農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)在有限水資源條件下實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

2.2 研究邊界

本文以2014年為現(xiàn)狀年，建立通遼科爾沁區(qū)水資源承載力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型，模擬科爾沁區(qū)的2014—2030年的水資源承載力狀況以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，模型主要包括水資源供給子系統(tǒng)系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展子系統(tǒng)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展子系統(tǒng)、地下水生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模所需的數(shù)據(jù)資料包括水資源供給資料、社會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)、地下水環(huán)境資料等，所需數(shù)據(jù)主要來(lái)源為通遼市統(tǒng)計(jì)年鑒(2005—2015)、通遼水利公報(bào)(2010—2015)以及作者在通遼市調(diào)研期間獲得的第一手資料。

2.3 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

本文以Vensim DSS為仿真平臺(tái)，建立了農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型，主要利用第一、二、三產(chǎn)業(yè)用水反饋回路、生活用水反饋回路以及循環(huán)產(chǎn)業(yè)用水反饋回路等5條主要的反饋回路刻畫了模型的系統(tǒng)關(guān)系。第一、二、三產(chǎn)業(yè)用水反饋回路見圖1，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型圖如圖2所示。囿于篇幅關(guān)系，本文以第一產(chǎn)業(yè)用水反饋回路為例，闡明系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)反饋回路關(guān)系。

注：“+”表示正反饋關(guān)系； “-”表示負(fù)反饋關(guān)系。圖1 農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)因果關(guān)系

第一產(chǎn)業(yè)用水反饋回路包涵的因果關(guān)系如下：① 農(nóng)業(yè)用地面積+→農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量+→農(nóng)產(chǎn)品加工量+→循環(huán)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)+→循環(huán)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)需水+→總需水量+→系統(tǒng)缺水+→第一產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)節(jié)-→農(nóng)業(yè)用地面積； ② 農(nóng)業(yè)用地面積+→農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量+→糧食產(chǎn)量； ③ 農(nóng)業(yè)用地面積+→節(jié)水灌溉面積(傳統(tǒng)灌溉面積)+→農(nóng)業(yè)需水量+→需水總量+→系統(tǒng)缺水+→農(nóng)業(yè)發(fā)展調(diào)節(jié)-→農(nóng)業(yè)用地面積； ④ 農(nóng)業(yè)用地面積+→節(jié)水灌溉面積(傳統(tǒng)灌溉面積)+→農(nóng)業(yè)需水量+→需水總量-→地下水生態(tài)環(huán)境。

2.5 模型檢驗(yàn)

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建成后需要對(duì)其可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)，目前系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型可靠性的檢驗(yàn)方法大概有12種[22]，目前比較常用的方法包括敏感性系數(shù)法、極端情景檢測(cè)、量綱一致性檢測(cè)、結(jié)構(gòu)行為檢測(cè)、歷史數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，本研究采用敏感系數(shù)法對(duì)模型進(jìn)行雙重有效性檢驗(yàn)，以驗(yàn)證模型的可靠性。

選擇城鎮(zhèn)人口增長(zhǎng)速度、有效灌溉面積增速、二產(chǎn)增長(zhǎng)速度、養(yǎng)殖豬增長(zhǎng)率、節(jié)水灌溉農(nóng)地比例、城鎮(zhèn)用水普及率、有效灌溉單位需水量、農(nóng)、牧業(yè)用地之比等變量作為輸入?yún)?shù)，選擇城鎮(zhèn)化水率、GDP總量、需水量、缺水度、總用水效率、生態(tài)用水量等指標(biāo)作為輸出變量，對(duì)模型進(jìn)行敏感性檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。結(jié)果顯示8項(xiàng)重要的指標(biāo)對(duì)輸出的變量靈敏度最大為0.638 2，平均小于0.2，認(rèn)為模型比較穩(wěn)定，可以用來(lái)進(jìn)行仿真模擬和情景分析。

表2 科爾沁區(qū)水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型靈敏度檢驗(yàn)結(jié)果

注:①有效灌溉單位需水量中單位采用公頃為計(jì)量單位。

3 仿真研究

3.1 情景方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的情景發(fā)展模式主要為自然增長(zhǎng)模式、第一產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化、第二產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)模式、第三產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)模式、循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，其中前4種模式屬傳統(tǒng)發(fā)展模式。

(1) 自然增長(zhǎng)模式。任何地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都保持著一定程度的穩(wěn)定狀態(tài)，這種穩(wěn)定狀態(tài)一般稱為自然增長(zhǎng)狀態(tài)。本文利用2005—2010年的科爾沁區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史數(shù)據(jù)，采取灰色模型預(yù)測(cè)的方法、回歸分析法、指數(shù)平滑法等建立各指標(biāo)基于歷史數(shù)據(jù)的趨勢(shì)關(guān)系，這些指標(biāo)主要分為4大類，主要包括社會(huì)發(fā)展類指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展類指標(biāo)、生態(tài)環(huán)境類指標(biāo)以及水資源支撐類指標(biāo)，將各指標(biāo)按照歷史趨勢(shì)確定的量化關(guān)系輸入系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，系統(tǒng)模擬行為表達(dá)的結(jié)果即為科爾沁區(qū)自然發(fā)展?fàn)顟B(tài)的仿真結(jié)果。

(2) 第一產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化。科爾沁區(qū)的第一產(chǎn)業(yè)部門發(fā)展屬于重要的發(fā)展部門，以種、養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展為主，2014年第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占總GDP的9.66%，用水量占可利用水量70.99%，用水效率極低，說(shuō)明水資源對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的承載力水平較低[23]。本文響應(yīng)十八屆五中全會(huì)關(guān)于加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展理念，提出科爾沁區(qū)第一產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展模式，即在自然增長(zhǎng)模式的基礎(chǔ)上，加大對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的扶持力度，保持農(nóng)業(yè)耕地面積勻速增長(zhǎng)，大力發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，提高節(jié)水農(nóng)業(yè)的面積比例，至2020年全部完成農(nóng)業(yè)灌溉的節(jié)水改造，這對(duì)節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水[24]，進(jìn)而改善科爾沁農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)的地下水生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

(3) 第二產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)模式。以工業(yè)為主體的第二產(chǎn)業(yè)部門在科區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有舉足輕重的地位，其2014年總產(chǎn)值占GDP總量為61.27%，用水量占總供水量19.92%，用水效率為第一產(chǎn)業(yè)部門的22.6倍。為保證第二產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)地位，本文提出第二產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)的發(fā)展模式[25]，即在自然增長(zhǎng)模式的基礎(chǔ)上，穩(wěn)步加大對(duì)工業(yè)發(fā)展部門的扶持力度，提高其用水保證率和固定資產(chǎn)投資保證率，提高其增長(zhǎng)速度。第二產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)模式確立了第二產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展地位，將削弱對(duì)第一產(chǎn)業(yè)部門用水及投資保證，促使部分低效灌溉耕地轉(zhuǎn)化為牧業(yè)用地。由于牧業(yè)生產(chǎn)不需要大量抽取地下水進(jìn)行灌溉，這在一定程度上緩解了地下水環(huán)境的生態(tài)壓力。

(4) 第三產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)模式。以服務(wù)業(yè)為主導(dǎo)的第三產(chǎn)業(yè)部門是科區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展可持續(xù)發(fā)展的有力保障，其2014年總產(chǎn)值占GDP總量為29.07%，用水量?jī)H占總供水量1.92%，目前是科區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水效率最高的生產(chǎn)部門。本文在自然發(fā)展模式的基礎(chǔ)上，提出第三產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)科區(qū)水資源匱乏條件下的可持續(xù)發(fā)展。由于第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展的水資源高效率特性，可在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展的同時(shí)，減少大量水資源的消耗，這對(duì)降低地下水生態(tài)環(huán)境壓力大有裨益。

(5) 循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。目前，循環(huán)經(jīng)濟(jì)在通遼科爾沁區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中還屬于新興事物，本文借鑒發(fā)達(dá)地區(qū)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為在水資源缺乏的區(qū)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)必將會(huì)起到帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步、提高水資源效率、降低水資源消耗、改善生態(tài)環(huán)境等一系列的良性效應(yīng)。囿于科爾沁區(qū)資源條件的限制，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)應(yīng)立足于資源條件相對(duì)豐足的玉米循環(huán)產(chǎn)業(yè)、農(nóng)牧循環(huán)產(chǎn)業(yè)等，以科爾沁玉米為原材料的循環(huán)產(chǎn)業(yè)為例，如玉米→玉米淀粉淀粉→變性淀粉→酶制品→其他系類衍生產(chǎn)品，玉米秸稈→木質(zhì)素→纖維素→醇類其他系類衍生產(chǎn)品，玉米芯→糠醛→糠醇→紡織、塑料、軍工、航天等系列衍生產(chǎn)品。按照國(guó)內(nèi)外發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的成果經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)科區(qū)循環(huán)產(chǎn)業(yè)部門會(huì)延長(zhǎng)農(nóng)業(yè)部門產(chǎn)業(yè)鏈條，促進(jìn)工業(yè)部門內(nèi)部協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)廢物循環(huán)利用，提高區(qū)域資源承載能力，促進(jìn)科爾沁區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

3.2 仿真結(jié)果優(yōu)選

分別運(yùn)行上述5種發(fā)展模式的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，得到科爾沁區(qū)水資源承載力2014—2030年的仿真結(jié)果。表3列出2020年和2030年2個(gè)特征年的仿真結(jié)果。為避免主觀遴選的影響，本文選取遺傳投影尋蹤法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)選。

表3 科爾沁區(qū)水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

注:自增模式：自然增長(zhǎng)模式； 一現(xiàn)模式：第一產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化； 二主模式：第二產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)模式； 三引模式：第三產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)模式；循經(jīng)模式：循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。

本文利用Matlab完成上述5種方案的遺傳投影尋蹤的計(jì)算分析，選定種群個(gè)數(shù)為1000，交叉概率為0.5，變異概率為0.05，迭代次數(shù)為200次，投影方向的初值區(qū)間為[0，1]，經(jīng)過(guò)計(jì)算后，優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值為5.897 2，各方案2020，2030年的投影值：Z2020=(0.367 5，0.342 2，2.003 1，2.415 1，3.462 7)，Z2030=(0.348 1，0.332 9，2.121 8，2.332 4，3.598 7)，通過(guò)將2020年和2030年的投影值平均后得到各方案平均投影值為Z(i)=(0.357 8，0.337 55，2.062 45，2.373 75，3.526 2)由此得到各方案的優(yōu)劣排序依次為：循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式>第三產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)模式>第二產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)模式>自然增長(zhǎng)模式>第一產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化，故推薦模式為循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。

循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下，2030年科爾沁區(qū)水資源承載的總?cè)丝跒?9.8萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化水平為71%，人均生產(chǎn)總值為28.5萬(wàn)元/人，GDP總量為2 560億元，GDP平均增速為9.0%，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為5∶63∶32。達(dá)到上述經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r的水資源需求量為7.22×108m3，用水效率為354元/m3。由于循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的用水效率較高，至2030年，科爾沁區(qū)水資源供需基本平衡，并沒有出現(xiàn)用水缺口，生態(tài)用水量也得到了良好的保證。

4 結(jié) 論

(1) 合理調(diào)配農(nóng)、牧比例關(guān)系是節(jié)約農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)有限水資源的關(guān)鍵舉措。研究在第一產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化、自然增長(zhǎng)模式、第二產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)模式、第三產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)模式和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式這5種理論模式中依次降低農(nóng)業(yè)用地在社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的比例，結(jié)果表明雖然農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值在不同程度上降低，但是系統(tǒng)整體的用水效率確明顯提高，系統(tǒng)的缺水程度有所改善，生態(tài)用水也得到有效的補(bǔ)充。這說(shuō)明在水資源缺乏的農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)合理降低低效率的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水比例，是節(jié)約地區(qū)水資源、提高水資源效率、改善水生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵舉措。

(2) 農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)致力發(fā)展傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)或?qū)⑾萑胨Y源匱乏的窘境。在本文建立的4種傳統(tǒng)發(fā)展模式中，雖然第二產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)模式和第三產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)模式的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)較優(yōu)，但是從整體看，這2種發(fā)展模式已經(jīng)逐漸陷入水資源無(wú)以為繼的困境，主要表現(xiàn)為第二產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)模式和第三產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)模式分別在2025和2026年首次出現(xiàn)缺水的現(xiàn)象，且呈不斷擴(kuò)大趨勢(shì)，至2030年分別為17%和11%，這將影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度和水平。在既有可利用水資源無(wú)法滿足發(fā)展情況下，區(qū)域發(fā)展往往采取不斷擠占生態(tài)用水量的不當(dāng)方式來(lái)彌補(bǔ)水資源的不足，必然會(huì)導(dǎo)致脆弱的水生態(tài)環(huán)境發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的改變，這種改變或許會(huì)是引發(fā)農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)生態(tài)災(zāi)難的開端。因此，在農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)如果繼續(xù)大力發(fā)展傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，而不能大幅度提高水資源的承載質(zhì)量，將至使區(qū)域“社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—生態(tài)”復(fù)合系統(tǒng)陷入水資源匱乏的窘境。

(3) 發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)是提高農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)水資源承載力的有效途徑。通過(guò)對(duì)科爾沁區(qū)的案例研究表明，在保證率75%的水平年里，循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式下的水資源承載力數(shù)量(GDP總量、GDP增速等、生態(tài)用水量等)明顯高于其它發(fā)展模式，且水資源承載質(zhì)量獨(dú)樹一幟，主要表現(xiàn)為水資源利用效率高出30%～90%，區(qū)域城鎮(zhèn)化率高出5%～20%，以及區(qū)域發(fā)展始終保持不缺水的狀態(tài)，這是區(qū)域水資源承載力水平不斷提高和可持續(xù)發(fā)展能力不斷增強(qiáng)的集中體現(xiàn)。因此，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)是未來(lái)實(shí)現(xiàn)農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要策略。

(4) 全面開展農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的水資源承載力研究是增強(qiáng)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力的保障。農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)水資源承載力的全面研究涉及農(nóng)牧關(guān)系、產(chǎn)業(yè)升級(jí)、水源地保護(hù)以及水生態(tài)等方面，涉及面廣、問題獨(dú)特、關(guān)系復(fù)雜，全面開展研究難度比較大。本文拋磚引玉的研究了提高科爾沁區(qū)的水資源承載力的基本問題，主要研究了農(nóng)牧關(guān)系、產(chǎn)業(yè)升級(jí)和水生態(tài)環(huán)境問題，但在水環(huán)境承載力問題(如污染物排放、水環(huán)境容量方面)上還有不足，這是由于農(nóng)牧地區(qū)水環(huán)境問題復(fù)雜，需要進(jìn)行更大范圍的科研協(xié)作和更多學(xué)者的通力合作。因此，系統(tǒng)地、全面的開展農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)的水資源承載力的研究是今后一段時(shí)期內(nèi)需要研究的重要內(nèi)容。

[1] 夏軍,朱一中.水資源安全的度量—水資源承載力的研究與挑戰(zhàn)[J].自然資源學(xué)報(bào),2002,17(3):262-269.

[2] 徐中民.情景基礎(chǔ)的水資源承載力多目標(biāo)分析理論及應(yīng)用[J].冰川凍土,1999,21(2):99-106.

[3] 徐中民,程國(guó)棟.運(yùn)用多目標(biāo)決策分析技術(shù)研究黑河流域中游水資源承載力[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2000,36(2):122-132.

[4] 王浩,秦大庸,王建華,等.西北內(nèi)陸干旱區(qū)水資源承載能力研究[J].自然資源學(xué)報(bào),2004,19(2):151-159.

[5] 閔慶文,余衛(wèi)東,張建新.區(qū)域水資源承載力的模糊綜合評(píng)價(jià)分析方法及應(yīng)用[J].水土保持研究,2004,11(3):14-16.

[6] 劉佳駿,董鎖,李澤紅.中國(guó)水資源承載力綜合評(píng)價(jià)研究[J].自然資源學(xué)報(bào),2011,26(2):258-269.

[7] 卜楠楠,唐德善,尹筍.基于AHP法的浙江省水資源承載力模糊綜合評(píng)價(jià)[J].水電能源科學(xué),2012,30 (3):42-44,41.

[8] 董雯,劉志輝.艾比湖流域水資源承載力綜合評(píng)價(jià)[J].干旱區(qū)地理,2010,33(2):217-223.

[9] 曾浩,張中旺,孫小舟.湖北漢江流域水資源承載力研究[J].南水北調(diào)與水利科技,2013,11(4):22-25,30.

[10] 曾現(xiàn)進(jìn),李天宏,溫曉玲.基于AHP和向量模法的宜昌市水環(huán)境承載力研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2013,36(6):200-205.

[11] 陳威,周鋮.基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模擬評(píng)價(jià)武漢市水資源承載力[J]. 中國(guó)工程科學(xué),2014,16(3):103-107,112.

[12] 宰松梅,溫季,仵峰,等.河南省新鄉(xiāng)市水資源承載力評(píng)價(jià)研究[J].水利學(xué)報(bào),2011,42(7):783-788.

[13] 馬峰,王千,藺文靜,等.基于指標(biāo)體系投影尋蹤模型的水資源承載力評(píng)價(jià):以石家莊為例[J].南水北調(diào)與水利科技,2012,10(3):62-66.

[14] 田靜宜,王新軍.基于熵權(quán)模糊物元模型的干旱區(qū)水資源承載力研究:以甘肅民勤縣為例[J].復(fù)旦學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,52(1):86-93.

[15] 馬金珠,李相虎,賈新顏.干旱區(qū)水資源承載力多目標(biāo)層次評(píng)價(jià)[J].干旱區(qū)研究,2005,22(1):11-16.

[16] 王西琴,高偉,曾勇.基于SD模型的水生態(tài)承載力模擬優(yōu)化與例證[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,2014,34(5):1352-1359.

[17] De Wit M, Crookes D J. Improved decision-making on irrigation farming in arid zones using a system dynamics model[J]. South African Journal of Science, 2013,109(11/12):1-8.

[18] 劉曉君,付漢良.基于變權(quán)信息熵改進(jìn)TOPSIS法的水資源承載力評(píng)價(jià)[J].水土保持通報(bào),2015,35(6):34-39.

[19] 邢軍,孫立波.基于因子分析與模糊綜合評(píng)判方法的水資源承載力評(píng)價(jià)[J].節(jié)水灌溉,2014(4):52-55.

[20] 桓穎,張文靜,王楠.基于主成分分析的吉林西部地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載力評(píng)價(jià)[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2014,31(9):11-16.

[21] 陳紅蕾, 彭開麗, 劉超瓊, 等.基于脫鉤理論的建設(shè)占用耕地與經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系研究[J].水土保持通報(bào)，2016,36(4)：333-338.

[22] 約翰·D·斯特曼.商務(wù)動(dòng)態(tài)分析方法:對(duì)復(fù)雜世界的系統(tǒng)思考與建模 [M].朱巖,鐘永光,譯.北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[23] 孫烏仁·圖雅,蘇根成,遲文峰.農(nóng)牧交錯(cuò)帶耕地?cái)?shù)量變化對(duì)糧食產(chǎn)量影響的時(shí)空關(guān)聯(lián)性[J].水土保持通報(bào)，2016,36(3)：186-192.

[24] 高軍波,劉彥隨,張永顯.1990—2012年淮河流域糧食生產(chǎn)的時(shí)空演進(jìn)及驅(qū)動(dòng)機(jī)制[J].水土保持通報(bào)，2016,36(3)：179-185.

[25] 嵇瑩,楊倩,林愛文,等.江漢平原水土資源結(jié)構(gòu)與產(chǎn)能時(shí)空分異特征[J].水土保持通報(bào)，2016,36(2)：320-25.

Dynamic Simulation of Carrying Capacity of Water Resources in Agro-pastoral Ecotone in Northern China—A Case Study at Horqin District, Tongliao City in Inner Mongolia

XU Dongping1,2,3, ZHAO Bo4, LI Tongsheng1, YANG Junhui5, ZHU Jiwei2,3

(1.CollegeofUrbanandEnvironmentScience,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710127,China; 2.SchoolofCivilEngineeringandArchtecture,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China; 3.StateKeyLaboratoryofEcologicalWaterConservancyintheNorthwestAridArea,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China; 4.AcademicAffairsOffice,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China; 5.SchoolofTourism,Xi’anInternationalStudiesUniversity,Xi’an,Shaanxi710048,China)

[Objective] The dynamic changes of water resource carrying capacity in agro-pastoral ecotone is analyzed, which will provide a theoretical reference for the sustainable development of the similar areas. [Methods] The study selects the Horqin District, Tongliao City in Inner Mongolia as a case study area, which is characterized with typical characteristics of agro-pastoral ecotone. Through the method of system dynamics simulation, we established the system dynamic model for the coordinated development of “society-economy-ecology” based on the limited water resources in Horqin District. Meanwhile, according to the characteristics of agro-pastoral ecotone and social economic development in Horqin District, five theoretical models of regional “society-economy-ecology” coordinated development were put forward, including natural growth model, primary industry-modernization model, secondary industry-dominated model, tertiary industry-led model and recycling economic development model. [Results] On the basis of system dynamic simulation, we used genetic projection pursuit method to optimize the simulation results, and found that the recycling economic development model was the model with optimal water resources carrying capacity.[Conclusion] (1) The proper arrangement of agricultural and pastoral proportion is a key to saving limited water resources in agro-pastoral ecotone; (2) The development of traditional industries in agro-pastoral ecotone would cause water resources scarcity; (3) Recycling economy is an effective way to improve the carrying capacity of water resources in agro-pastoral ecotone; (4) The increasing investiment on researches on the carrying capacity of water resources in agro-pastoral ecotone will help to provide the support for regional sustainable development.

agro-pastoral transitional zone; water resources; carrying capacity; dynamic simulation; Horqin Distrct

2016-05-26

2016-06-07

水利部公益項(xiàng)目“半干旱區(qū)水循環(huán)與水生態(tài)安全關(guān)鍵技術(shù)研究”(201501031); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“面向生態(tài)城市的水土資源利用格局變化機(jī)制及適應(yīng)性調(diào)控研究”(51479160)

徐冬平(1978—),男(漢族),吉林省松原市人,博士研究生,副教授,主要從事區(qū)域規(guī)劃與循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究。E-mail:379821411@qq.com。

李同昇(1960—),男(漢族),陜西省岐山縣人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事經(jīng)濟(jì)地理與區(qū)域發(fā)展研究。E-mail:leetang@nwu.edu.cn。

A

1000-288X(2017)01-0262-08

K901， TV211.1