陳媛媛, 朱記偉, 周 蓓, 解建倉(cāng)
(西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710048)
隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn),人類活動(dòng)的范圍、強(qiáng)度、頻率都不斷增加,城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)在提供基礎(chǔ)資源和承載這些效應(yīng)的同時(shí),自身的結(jié)構(gòu)和面貌也發(fā)生著巨大的改變,并面臨過(guò)渡開(kāi)發(fā)導(dǎo)致系統(tǒng)失衡甚至崩潰的境地,如何保持城市水土資源的可持續(xù)發(fā)展,并協(xié)調(diào)其與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的關(guān)系,逐步成為城市發(fā)展面臨的一個(gè)重要問(wèn)題[1]。隨著系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(system dynamics,簡(jiǎn)稱SD)的發(fā)展,其定性與定量相結(jié)合、研究對(duì)象開(kāi)放、應(yīng)用簡(jiǎn)單、模擬功能強(qiáng)大、可處理高階及非線性時(shí)變問(wèn)題的特征逐漸引起了學(xué)者們的重視。李華[2]結(jié)合崇明島的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)特征,采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法,建立了復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)仿真模型,評(píng)價(jià)了不同方案的實(shí)施影響。Wang Changhai等[3]根據(jù)對(duì)北京市濕地水資源系統(tǒng)的分析,基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建立了北京市水資源承載力模型,模擬了2006-2030年北京市人口、經(jīng)濟(jì)、水資源供給和需求的變化趨勢(shì)以及水環(huán)境的壓力。Fu Qiang等[4]也基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論,以2010年度佳木斯水資源利用狀況為基準(zhǔn),依據(jù)城市水資源供需結(jié)構(gòu)和區(qū)域地理特征,建立了城市水資源的可持續(xù)利用模型,模擬了佳木斯短期、中期和長(zhǎng)期的水資源供需狀況和變化趨勢(shì)。上述研究已經(jīng)考慮了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)因素的影響,并且使資源利用和生態(tài)環(huán)境變化得到了量化,但是仍存在研究區(qū)域過(guò)小、可推廣性不強(qiáng),同時(shí)只考慮單一資源利用的問(wèn)題,這使得該類模型還不能夠全面地反映城市化進(jìn)程中城市水土資源利用與其他各要素的耦合關(guān)系?;诖耍疚囊晕靼彩袨槔?,結(jié)合城市水土資源的綜合利用及其各要素的耦合關(guān)系建立復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)模型,采用SD方法動(dòng)態(tài)模擬3種不同情景下城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展變化,以期為城市水土資源規(guī)劃和管理調(diào)控提供決策依據(jù)。
西安市是陜西省的省會(huì)城市,地處東經(jīng) 107°40′~109°49′,北緯 33°39′~34°45′,土地面積總計(jì)為1.01×104km2,建成區(qū)面積565.75 km2,包括蓮湖、新城、碑林、雁塔等10區(qū)3縣,如圖1所示。西安市三面環(huán)山,東南部較高、西部較低,多年平均降水量744 mm。至2016年底,西安市總?cè)丝?戶籍人口)共計(jì)824.93×104人,城鎮(zhèn)人口共計(jì)552.21×104;區(qū)域國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)為6282.65×108元、第一、二、三產(chǎn)業(yè)約占當(dāng)年生產(chǎn)總值的3.7%、35%、61.3%。近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,大批人才和項(xiàng)目落戶西安,西安的區(qū)位優(yōu)勢(shì)逐步體現(xiàn),加之“十九大”報(bào)告中提出的搶抓“一帶一路”機(jī)遇,全面深化改革的政策導(dǎo)向,使得西安市成為西北地區(qū)人口總量較多、經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快、現(xiàn)代化程度較高的西部經(jīng)濟(jì)重鎮(zhèn)。
圖1 西安市地理區(qū)位圖
隨著近年來(lái)城市化進(jìn)程的推進(jìn),西安市水土資源開(kāi)發(fā)利用出現(xiàn)了各種問(wèn)題,生態(tài)環(huán)境也隨之出現(xiàn)惡化趨勢(shì),主要體現(xiàn)在:(1)區(qū)域水資源需求量逐年增大,但由于地處西北地區(qū),研究區(qū)水資源供應(yīng)不足,長(zhǎng)期面臨不同程度的缺水;(2)城市建設(shè)用地面積迅速增大,但是土地利用效率不高,部分區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)不甚合理;(3)研究區(qū)內(nèi)固廢、垃圾、污水排放量逐年增多,生態(tài)環(huán)境保護(hù)面臨較大壓力;(4)城市總?cè)丝诓粩嘣黾樱觿×讼嚓P(guān)資源的供需矛盾和環(huán)境壓力。研究區(qū)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的特征可以概括為:影響因素的復(fù)雜性、資源合理開(kāi)發(fā)利用的不確定性和生態(tài)環(huán)境的脆弱性。
系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)于1956年由Forrester教授首次提出,是系統(tǒng)科學(xué)理論與計(jì)算機(jī)仿真緊密結(jié)合、研究系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)與行為的一門(mén)科學(xué)[5]。它主要以反饋理論、控制理論、信息論、非線性理論和大系統(tǒng)理論為基礎(chǔ),將定性與定量分析相結(jié)合,以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為手段,從微觀結(jié)構(gòu)入手建立模型,構(gòu)造系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),進(jìn)而模擬、分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為[6-7]。故此,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型可作為實(shí)際系統(tǒng),特別是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)復(fù)雜大系統(tǒng)的“實(shí)驗(yàn)室”。
由于城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)高階、復(fù)雜、開(kāi)放的大系統(tǒng),涉及的問(wèn)題和指標(biāo)都相當(dāng)多,為使模型更加準(zhǔn)確高效地反映問(wèn)題,同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)海量收集的困難,在建模時(shí)設(shè)定了3個(gè)原則:(1)明確問(wèn)題;(2)抓住關(guān)鍵指標(biāo);(3)剔除不具有動(dòng)態(tài)特性的部分。
城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)以人為中心,高度開(kāi)放的、功能不完善且受人類控制的社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),其系統(tǒng)組成要素的數(shù)量眾多,系統(tǒng)以及要素間的聯(lián)系也非常復(fù)雜,而且還涉及政策的影響[8],因此,本文基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論,借助Vensim軟件,以城市化和傳統(tǒng)行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展為驅(qū)動(dòng)因素,以水土資源開(kāi)發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境影響為限制因素,進(jìn)行模型識(shí)別。將城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)劃分為“社會(huì)(Sociology)-經(jīng)濟(jì)(Economy)-水資源(Water resources)-土地資源(Land resources)-生態(tài)環(huán)境(Ecological environment)”5個(gè)子系統(tǒng),各子系統(tǒng)之間相互影響、相互制約,如圖2所示。
圖2 城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)
3.3.1 水資源子系統(tǒng) 該子系統(tǒng)主要研究在不同經(jīng)濟(jì)、社會(huì)水平下,供水量與需水量的變化趨勢(shì)及其對(duì)社會(huì)發(fā)展水平、經(jīng)濟(jì)、土地利用和生態(tài)環(huán)境的影響。該子系統(tǒng)主要由區(qū)域的供水總量、年需水總量和缺水程度等要素構(gòu)成,其中需水總量主要包括農(nóng)業(yè)用水、生活用水、工業(yè)用水等[9],主要分析研究區(qū)的主要供用水情況及其對(duì)其他系統(tǒng)的影響。其主要方程式為:
供水總量=WITH LOOKUP(Time, ([(2004,0)-(2025,100000)],(2004,36092),(2005,35776),(2006,28762), (2007,32959),(2008,36471),(2009,38307),(2010,41089),(2011,38934),(2012,45791.8),(2013,51372.1),(2014,53799),(2015,56055.3),(2020,65000),(2025,70000) ))
(1)
年需水總量=農(nóng)業(yè)需水量+工業(yè)需水量+生態(tài)需水量+生活需水量
(2)
缺水程度=IF THEN ELSE(水資源供需差≥0, 水資源供需差/年供水總量)
(3)
3.3.2 土地資源子系統(tǒng) 該子系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)相對(duì)應(yīng),主要研究不同經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平下,各類型土地利用結(jié)構(gòu)的變化,同時(shí)分析其對(duì)城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、水資源利用和生態(tài)環(huán)境的影響。該子系統(tǒng)主要由耕地面積、建設(shè)用地面積、綠地面積[10]等要素構(gòu)成,主要分析研究區(qū)城市土地利用的變化情況,特別是耕地與建設(shè)用地的此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。其主要方程式為:
耕地面積=INTEG(耕地年減少量,404.87)
(4)
建設(shè)用地面積=IINTEG(建設(shè)用地年增長(zhǎng)量,28000)
(5)
綠地面積=NTEG(IF THEN ELSE(綠地面積>25000,100,綠地年增加量), 3646.8)
(6)
3.3.3 生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng) 該子系統(tǒng)主要研究一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平和水土資源條件下,生態(tài)環(huán)境的主要污染狀況以及由此造成的經(jīng)濟(jì)損失。該子系統(tǒng)主要由工業(yè)固體廢棄物排放量、生活垃圾產(chǎn)生量、城市污水處理費(fèi)用[11]、經(jīng)濟(jì)損失等要素構(gòu)成,主要分析研究區(qū)污染物排放與控制的情況。其主要方程式為:
固體廢棄物排放量=工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量×(1-工業(yè)固體廢棄物綜合利用率)
(7)
生活垃圾產(chǎn)生量=人均生活垃圾產(chǎn)生量×總?cè)丝?/p>
(8)
城市污水處理費(fèi)用= 1.4×(城鎮(zhèn)生活污水排放量+工業(yè)廢水排放量)/10/城市污水排放當(dāng)量值
(9)
經(jīng)濟(jì)損失=城市污水處理費(fèi)用+工業(yè)固體排污費(fèi)/10 000+生活垃圾處理費(fèi)用/10 000+農(nóng)業(yè)缺水經(jīng)濟(jì)損失+工業(yè)缺水經(jīng)濟(jì)損失
(10)
3.3.4 經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng) 該子系統(tǒng)主要研究城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水土資源開(kāi)發(fā)利用的關(guān)系,分析經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)水土資源開(kāi)發(fā)帶來(lái)的影響以及有限的水土資源對(duì)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向的限制和引導(dǎo)。該子系統(tǒng)主要由區(qū)域國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(簡(jiǎn)稱GDP總量)、三產(chǎn)GDP、凈GDP等要素組成,主要分析研究區(qū)的城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r,其主要方程式為:
GDP總量= INTEG(GDP年增長(zhǎng)量,1102.39)
(11)
三產(chǎn)GDP= INTEG(三產(chǎn)年增長(zhǎng)量, 565.26)
(12)
凈GDP=GDP總量-經(jīng)濟(jì)損失
(13)
3.3.5 社會(huì)子系統(tǒng) 該子系統(tǒng)選取糧食生產(chǎn)、人口增長(zhǎng)情況以及城鎮(zhèn)化水平為主要因素來(lái)反映城市社會(huì)發(fā)展水平,通過(guò)分析這些因素的變化趨勢(shì),研究城市社會(huì)發(fā)展對(duì)經(jīng)濟(jì)、水土資源利用以及生態(tài)環(huán)境的影響。該子系統(tǒng)主要由總?cè)丝?、城市化率、糧食單產(chǎn)等要素組成。主要分析研究區(qū)社會(huì)發(fā)展的基本情況,特別是人口和城市化率增長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)其他因素的影響。其主要方程式為:
總?cè)丝? INTEG(人口年增長(zhǎng)量, 725.01)
(14)
城市化率= INTEG(城市化率年增加量, 0.4393)
(15)
糧食單產(chǎn)= INTEGER(糧食單產(chǎn)年增加量,310)
(16)
結(jié)合研究區(qū)的區(qū)位特征,通過(guò)分析各要素之間的反饋關(guān)系,建立各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系,同時(shí),由于系統(tǒng)涉及的因素紛繁復(fù)雜,為了反映研究區(qū)在水土資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中的主要問(wèn)題,僅選擇對(duì)城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)有重要影響的核心因子建立系統(tǒng)模型。借助Vensim軟件,構(gòu)建城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)利用流圖,如圖3所示。
本文仿真系統(tǒng)的空間邊界劃分以研究區(qū)轄區(qū)內(nèi)的10區(qū)3縣的外包絡(luò)線為準(zhǔn),時(shí)間邊界為2004-2025年,其中2004-2015年為歷史數(shù)據(jù)的擬合時(shí)段,2016-2025年為模型的仿真預(yù)測(cè)時(shí)段,時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為1 a,由于系統(tǒng)涉及多個(gè)速率變量的計(jì)算,結(jié)合2016年的部分歷史數(shù)據(jù),只能得出2015年的增長(zhǎng)率,所以仍將2016年作為仿真時(shí)段進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文資料主要來(lái)自于《西安統(tǒng)計(jì)年鑒(2004-2017)》。以2004年為基準(zhǔn)年,對(duì)時(shí)段2004-2015年的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,并與歷史數(shù)據(jù)系列進(jìn)行對(duì)比,以總?cè)丝凇DP、耕地面積為例,分析其與真實(shí)值的誤差,如表1所示。
圖3 城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)利用流圖
年份總?cè)丝?(104人)真實(shí)值模擬值誤差/%GDP總量/(108人元)真實(shí)值模擬值誤差/%耕地面積/(104 畝)真實(shí)值模擬值誤差/%2004725.01725.0100.001102.391102.390.00 404.87404.8500.002005741.73733.710-1.081313.931313.940.00 400.17400.8020.162006753.11742.515-1.411538.941539.020.01 395.79396.7940.252007764.25751.425-1.681856.631856.670.00 391.77392.8260.272008772.30760.442-1.542318.142318.050.00 390.77388.898-0.482009781.67769.567-1.552724.882724.870.00 387.89385.008-0.742010782.73778.802-0.503242.863242.870.00 383.32381.159-0.562011791.83788.148-0.463869.843869.710.00 377.10377.3460.072012795.98797.6050.204394.474394.06-0.01 369.91373.5740.992013806.93807.1770.034924.974924.42-0.01 366.23369.8370.982014815.29816.8630.195492.645492.21-0.01 360.73366.1401.502015815.66826.6651.355801.205800.87-0.01 356.89362.4781.57
由表1可知,2004-2015年,總?cè)丝凇⒏孛娣e的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與其模擬數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差很小,均小于1.7%,而GDP總量與其真實(shí)值的相對(duì)誤差極小,3個(gè)指標(biāo)均滿足擬合誤差小于5%[12]的要求。這說(shuō)明該模型能夠較好地對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行模擬,能夠獲得比較客觀、準(zhǔn)確的定量關(guān)系。
本文利用Vensim軟件自帶的simsetup靈敏度分析功能,對(duì)模型中多個(gè)常量(如GDP增長(zhǎng)率、人口增長(zhǎng)率等)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析,對(duì)比各參數(shù)在自身增加5%、減少5%時(shí)引起的相應(yīng)變化量,將影響較大或者經(jīng)分析比較重要的參數(shù)確定為敏感性指標(biāo)。在靈敏度分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合研究區(qū)規(guī)劃的一些具體要求,將GDP年增長(zhǎng)率、三產(chǎn)GDP年增長(zhǎng)率、人口增長(zhǎng)率、城鎮(zhèn)化率年增長(zhǎng)率、綠地面積年增加率、建設(shè)用地面積增長(zhǎng)率、耕地年減少率、城鎮(zhèn)人均用水定額、工業(yè)用水重復(fù)利用率、工業(yè)固體廢棄物綜合利用率作為關(guān)鍵性指標(biāo)。
根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]和專家的分析建議,結(jié)合研究區(qū)水土資源利用現(xiàn)狀和對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的分析考察,對(duì)上述10個(gè)指標(biāo)取值進(jìn)行不同的組合,形成3個(gè)方案,如表2所示。
表2 3種方案的指標(biāo)及其取值
經(jīng)濟(jì)優(yōu)先型(方案一):主要以經(jīng)濟(jì)發(fā)展為優(yōu)先,GDP年增長(zhǎng)率、三產(chǎn)GDP年增長(zhǎng)率、人口增長(zhǎng)率、耕地減少率、城鎮(zhèn)人均用水定額等指標(biāo)取近10年最大值;城鎮(zhèn)化率年增長(zhǎng)率、建設(shè)用地年增長(zhǎng)率根據(jù)近10年歷史值取較大值;綠地年增加率、工業(yè)用水重復(fù)利用率、工業(yè)固體廢棄物綜合利用率則根據(jù)近10年歷史最小值取較小值。
環(huán)境保護(hù)型(方案二):主要以環(huán)境保護(hù)為優(yōu)先,GDP年增長(zhǎng)率、三產(chǎn)GDP年增長(zhǎng)率、人口增長(zhǎng)率、城鎮(zhèn)化率年增長(zhǎng)率、建設(shè)用地年增長(zhǎng)率、耕地減少率、城鎮(zhèn)人均用水定額取近10年較小值(因最小值過(guò)小,與實(shí)際不符,比選的意義不大);綠地年增加率、工業(yè)用水重復(fù)利用率、工業(yè)固體廢棄物綜合利用率取近年來(lái)較大值。
協(xié)調(diào)發(fā)展型(方案三):兼顧社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,水土資源的合理開(kāi)發(fā)以及城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的和諧統(tǒng)一,各指標(biāo)取值主要根據(jù)近10年的平均值并結(jié)合發(fā)展趨勢(shì)適當(dāng)選取。同時(shí),由于耕地涉及糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定,為了盡可能保護(hù)現(xiàn)有耕地,將耕地面積年減少率取較小值。
由于系統(tǒng)在給定參數(shù)后,針對(duì)各方案各有一系列仿真結(jié)果,為了便于方案比較,結(jié)合城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的指標(biāo)構(gòu)成,挑選有代表性的8個(gè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。各方案指標(biāo)的仿真結(jié)果對(duì)比如圖4所示。
由圖4(a)可知,經(jīng)濟(jì)優(yōu)先型方案(方案一)經(jīng)濟(jì)效益最大,協(xié)調(diào)發(fā)展方案(方案三)次之,環(huán)境保護(hù)型方案(方案二)較小,現(xiàn)狀方案最小。同時(shí),由《西安市統(tǒng)計(jì)年鑒》可知,2015、2016年西安市GDP總值分別為5801.2×108、6282.65×108元(近幾年增長(zhǎng)率偏低),方案一明顯偏大,且增長(zhǎng)較快,方案二和現(xiàn)狀方案明顯偏小,且增長(zhǎng)較慢,故方案三比較合理。
由圖4(b)可知,經(jīng)濟(jì)優(yōu)先型方案(方案一)總?cè)丝谧畲?,現(xiàn)狀方案次之,協(xié)調(diào)發(fā)展型方案(方案三)較現(xiàn)狀方案略微偏小,環(huán)境保護(hù)型方案(方案二)最小。2015、2016年西安市總?cè)丝跀?shù)量分別為815.66×104、824.936×104(近幾年增長(zhǎng)率偏低),方案一明顯偏大,且增長(zhǎng)較快,方案二明顯偏小,且增長(zhǎng)較慢,故現(xiàn)狀方案和方案三比較合理。
由圖4(c)可知,經(jīng)濟(jì)優(yōu)先型方案(方案一)建設(shè)用地面積最大,協(xié)調(diào)發(fā)展型方案(方案三)次之,現(xiàn)狀方案較協(xié)調(diào)發(fā)展方案略微偏小,環(huán)境保護(hù)型方案(方案二)最小。同時(shí),由2015、2016年西安市建設(shè)用地面積為536.1、565.75 km2,方案一明顯偏大,且增長(zhǎng)較快;現(xiàn)狀方案、方案三比較接近實(shí)際值(方案三更接近一些);方案二明顯偏小,增長(zhǎng)更慢。另外,《西安城市總體規(guī)劃(2008-2020年)》要求:至2020年,全市城鎮(zhèn)建設(shè)用地規(guī)??刂圃?65 km2以內(nèi),故現(xiàn)狀方案、方案三比較合理。
由圖4(d)可知,環(huán)境保護(hù)型方案(方案二)人均耕地面積最大,協(xié)調(diào)發(fā)展型方案(方案三)次之,現(xiàn)狀方案較小,經(jīng)濟(jì)優(yōu)先型方案(方案一)最小。同時(shí),由2015、2016年西安市人均耕地面積分別為0.0292、0.0280 hm2,方案一和現(xiàn)狀方案明顯偏小,且減小較快;方案二較實(shí)際值偏大,而方案三比較接近實(shí)際值,故方案三比較合理。
由圖4(e)可知,環(huán)境保護(hù)型方案(方案二)人均綠地面積最大,協(xié)調(diào)發(fā)展型方案(方案三)次之,現(xiàn)狀方案較協(xié)調(diào)發(fā)展方案整體略微偏小,經(jīng)濟(jì)優(yōu)先型方案(方案一)最小。方案一由于過(guò)分追求GDP產(chǎn)值及經(jīng)濟(jì)發(fā)展,將綠地年增長(zhǎng)率設(shè)置為0.06552,綠地面積增長(zhǎng)緩慢,人口還隨之上升,所以該方案人均綠地面積較低,2015、2016年人均約為8 m2左右。方案二人均綠地面積基本都在32 m2左右,這是因?yàn)樵谟?jì)算綠地面積時(shí),考慮到城市綠地面積不可能無(wú)限增長(zhǎng),同時(shí)結(jié)合西安市的區(qū)位條件,為綠地面積設(shè)置了上限面積2 5000 hm2,這之后綠地面積只能小幅增長(zhǎng),且該方案中綠地面積年增加率取近年來(lái)最大值0.2708,所以綠地面積很快達(dá)到了約束上限,導(dǎo)致人均綠地面積基本保持不變。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,同類城市人均綠地面積一般為15 m2,且結(jié)合西安市的綠化現(xiàn)狀及《西安城市總體規(guī)劃(2008-2020年)》要求:至2020年,人均公共綠地面積應(yīng)達(dá)到20 m2以上,故現(xiàn)狀方案和方案三比較符合西安市城市綠化發(fā)展的實(shí)際情況。
由圖4(f)可知,經(jīng)濟(jì)優(yōu)先型方案(方案一)年需水總量最大,環(huán)境保護(hù)型方案(方案二)和協(xié)調(diào)發(fā)展方案(方案三)次之,現(xiàn)狀方案最小。由于方案一過(guò)分追求GDP產(chǎn)值及經(jīng)濟(jì)發(fā)展,工業(yè)產(chǎn)值迅速增大,工業(yè)用水量不斷增加,加之人口快速增長(zhǎng)引起的生活需水量大幅增加,使得該方案年需水量明顯高于其他3個(gè)方案?,F(xiàn)狀方案由于城市化率年增長(zhǎng)率是歷年來(lái)最低值0.0001,而且伴有耕地年減少率與歷年來(lái)最大值0.02827非常接近,考慮到城市的發(fā)展以及農(nóng)業(yè)一直是關(guān)中地區(qū)的用水大戶,故此方案年需水量明顯偏小,也不符合實(shí)際情況。方案二和方案三年需水量比較接近,且在研究時(shí)段后期方案二的年需水量增長(zhǎng)幅度很小。因此,將方案二和方案三作為備選方案。
根據(jù)圖4(g)中的缺水程度可知,各方案在全部時(shí)段內(nèi)均存在缺水。其中,方案一的缺水程度明顯高于其他方案,這是由經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和人口快速增長(zhǎng)帶來(lái)的工業(yè)、生活需水量猛增引起的,且缺水程度還在不斷加重?,F(xiàn)狀方案缺水程度最輕,但卻是以犧牲城市發(fā)展和耕地面積為代價(jià)的,且缺水程度在預(yù)測(cè)時(shí)段基本保持不變。方案二和方案三缺水程度相近,方案三在預(yù)測(cè)時(shí)段后期缺水程度略微低于方案二,因此,方案二和方案三都比較合理。
由圖4(h)可知,經(jīng)濟(jì)優(yōu)先型方案(方案一)年經(jīng)濟(jì)損失最大,協(xié)調(diào)發(fā)展型方案(方案三)次之,現(xiàn)狀方案和環(huán)境保護(hù)型方案(方案二)最小。方案一由于過(guò)分追求經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng),導(dǎo)致固體排污費(fèi)用、污水處理費(fèi)用和缺水經(jīng)濟(jì)損失大幅增長(zhǎng),因此總經(jīng)濟(jì)損失明顯高于其他方案?,F(xiàn)狀方案與方案二、方案三的年經(jīng)濟(jì)損失非常接近,其中方案三略微高于前兩個(gè)方案。因此,將現(xiàn)狀方案、方案二和方案三均作為備選方案。
對(duì)各方案的合理性分析進(jìn)行匯總,如表3所示。
綜上所述,經(jīng)濟(jì)優(yōu)先型方案(方案一)過(guò)分追求GDP產(chǎn)值及經(jīng)濟(jì)發(fā)展,忽略了社會(huì)發(fā)展、水土資源的承載能力以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù),使得社會(huì)發(fā)展很不協(xié)調(diào)、水土資源大量低效利用、生態(tài)環(huán)境惡化,導(dǎo)致城市呈現(xiàn)短暫的、不可逆的、爆發(fā)式的發(fā)展,這也是當(dāng)前許多城市已經(jīng)體現(xiàn)出來(lái)的問(wèn)題。因此,不推薦該方案。
環(huán)境保護(hù)型方案(方案二)雖然在有些方面表現(xiàn)得還不錯(cuò),但更多是表現(xiàn)在一些綠化、環(huán)境、水土資源使用方面,而這些方面的優(yōu)勢(shì)其實(shí)是一種間接的優(yōu)勢(shì),需要依托城市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展來(lái)體現(xiàn),離開(kāi)了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展,環(huán)境效益似乎也很難體現(xiàn)出來(lái)。因此,不推薦該方案?,F(xiàn)狀方案在其他方面尚佳,但其城市化率年減少率是歷年來(lái)最低值,同時(shí)耕地減少速率也是歷年來(lái)最快,因此,該方案也不能夠作為城市可持續(xù)發(fā)展的備選方案。
協(xié)調(diào)發(fā)展方案(方案三)兼顧了城市發(fā)展的各個(gè)方面,將社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水土資源的高效利用、生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一聯(lián)系起來(lái),兼顧了經(jīng)濟(jì)、人口增長(zhǎng)和環(huán)境,較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)各方利益的協(xié)調(diào)平衡和統(tǒng)籌規(guī)劃,因此,推薦使用該方案。
經(jīng)過(guò)情景分析,采用協(xié)調(diào)發(fā)展型方案(方案三)對(duì)研究區(qū)水土資源利用、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)。
首先,分析水土資源面臨的狀態(tài)和開(kāi)發(fā)利用的途徑,如圖5所示。
圖4 研究區(qū)各方案8指標(biāo)仿真對(duì)比圖
由圖5(a)可知,2004至2025年,西安市將一直處于水資源短缺狀態(tài),并且缺水程度隨著時(shí)間的推移還將有所加重。一方面,年需水總量穩(wěn)中有升,2015年之前的歷史數(shù)據(jù)部分,2006和2011年都有波動(dòng)(工業(yè)用水量波動(dòng)引起的),但總體呈現(xiàn)穩(wěn)定態(tài)勢(shì);另一方面,年供水總量在不考慮外區(qū)域調(diào)水的情況下,供水能力基本穩(wěn)定且稍有增長(zhǎng)。總的來(lái)講,年供水總量相對(duì)年需水量整體偏低,供水缺口還比較大,使得西安市一直處于缺水狀態(tài)。要滿足西安市不斷增長(zhǎng)的用水需求,就需要大幅提升西安市的供水能力,通過(guò)區(qū)外調(diào)水工程、水源工程的修建,來(lái)逐步緩解和滿足西安市的用水需求。同時(shí),應(yīng)加大社會(huì)節(jié)水力度,調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),避免高耗水性工業(yè)企業(yè)落戶西安,并提升工業(yè)技術(shù)水平,提高工業(yè)用水重復(fù)利用率和工業(yè)萬(wàn)元增加值GDP用水量。
由圖5(b)可知,隨著城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展、人口的增長(zhǎng),建設(shè)用地面積逐漸增加(2025年,914.70 km2),綠地面積也隨著人們對(duì)景觀環(huán)境需求的提升而逐步增加(2025年,256.30 km2),但是耕地面積不斷減少(2025年,327.82萬(wàn)畝)。建設(shè)用地面積的迅速增加與耕地面積的大幅減少說(shuō)明,土地利用的集約化程度可能不高,土地利用的效率也不太高。當(dāng)耕地面積無(wú)法再減少時(shí)(觸及耕地面積紅線時(shí)),區(qū)域土地面積有限,建設(shè)用地?zé)o法通過(guò)低成本獲得更多的土地資源,此時(shí),建設(shè)用地會(huì)通過(guò)衡量經(jīng)濟(jì)成本,看是否需要采取集約利用的方式提高土地的利用效率,因此,該階段對(duì)于土地資源的利用還處在發(fā)展探索階段,土地資源利用的結(jié)構(gòu)和程度還有待進(jìn)一步優(yōu)化。西安市應(yīng)適當(dāng)推廣土地集約化利用,來(lái)提高城市土地資源利用的效率。
其次,在上述水土資源利用變化趨勢(shì)下,對(duì)城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析,如圖6所示。
表3 各方案合理性比選
注:“√”表示方案合理,可以接受;“-”表示方案不合理,不推薦。
圖5 研究區(qū)水土資源利用動(dòng)態(tài)仿真
圖6 研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r
由圖6(a)可以看出,西安市總?cè)丝谠谡卟蛔兊那闆r下還將持續(xù)不斷增長(zhǎng),同時(shí),從人口構(gòu)成來(lái)看,城鎮(zhèn)人口也將不斷增長(zhǎng),而農(nóng)業(yè)人口呈略微下降的趨勢(shì)。另外,考慮到西安市是“一帶一路”政策的中心城市,還將面臨政策因素引起的外來(lái)人口的大量涌入,因此,預(yù)測(cè)至2025年,西安市人口將超過(guò)千萬(wàn)。
由圖6(b)可以看出,西安市GDP總量、第二、第三產(chǎn)業(yè)GDP都將呈不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì),其中,第二、第三產(chǎn)業(yè)GDP的增長(zhǎng)構(gòu)成GDP總量增長(zhǎng)的主要部分,而且第三產(chǎn)業(yè)GDP占GDP總量的比例仍將保持最高且不斷增長(zhǎng);而一產(chǎn)GDP將基本保持穩(wěn)定,略有增長(zhǎng)。由此可知,發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)在今后仍將是西安市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)。
最后,在上述資源條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平下,城市的生態(tài)環(huán)境情況,如圖7所示。
圖7 研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況
由圖7(a)可以看出,西安市的缺水狀況將會(huì)給農(nóng)業(yè)帶來(lái)持續(xù)增加的經(jīng)濟(jì)損失,同時(shí)城市污水處理費(fèi)用也將逐年增高,使得缺水和污染造成的經(jīng)濟(jì)損失逐年增加,這說(shuō)明缺水仍將是西安市面臨的主要問(wèn)題。由圖7(b)可以看出,西安市人均綠地面積和建成區(qū)綠地覆蓋率都將逐年增加,這反映了西安市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量將逐步得到提升。
近來(lái),《關(guān)中平原城市群發(fā)展規(guī)劃》已獲國(guó)務(wù)院批復(fù),要將西安市作為“一帶一路”政策的中心城市之一發(fā)展成國(guó)際化大都市,發(fā)揮其在西部地區(qū)的核心引導(dǎo)作用,因此,西安市還將面臨經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)、外來(lái)人口大量涌入以及水土資源需求量大幅增長(zhǎng)等因素給西安市水土資源開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)的更大壓力和挑戰(zhàn)。
4.4.1 修建輸配水工程,推進(jìn)節(jié)水型城市建設(shè) 建設(shè)澇河峪口平原水庫(kù)、庫(kù)峪水庫(kù)、梨園坪水庫(kù)等供水工城,增加西安市的日供水量;加快引漢濟(jì)渭調(diào)水工程、西安輸配水工程建設(shè),新建荊峪溝調(diào)節(jié)水庫(kù)、白鹿原水廠等配套供水管網(wǎng)建設(shè),增加西安市的調(diào)入水量;提升地下水源應(yīng)急儲(chǔ)備能力,建設(shè)澇渭三角洲地下水源工程,新建灞東地下水源地和灃河地下水源地,增加西安市的日供水量。同時(shí),在保證西安市主要河流生態(tài)基流的前提下,優(yōu)化統(tǒng)籌市內(nèi)外地表水開(kāi)發(fā)利用程度,涵養(yǎng)地下水。
結(jié)合西安市的產(chǎn)業(yè)情況,通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,逐步建立節(jié)水型產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)體系。大力發(fā)展高效灌溉設(shè)施,提高灌水效率;通過(guò)工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,引導(dǎo)低耗水、高附加值的工業(yè)企業(yè)于西安落戶??傮w來(lái)講,節(jié)水型產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)體系的調(diào)整原則是調(diào)整一產(chǎn)、優(yōu)化二產(chǎn)、發(fā)展三產(chǎn)[15]。同時(shí),應(yīng)在社會(huì)生活的各個(gè)層面推行節(jié)水理念,并結(jié)合水價(jià)調(diào)控政策,通過(guò)制定相關(guān)節(jié)水措施對(duì)居民用水習(xí)慣進(jìn)行引導(dǎo),通過(guò)優(yōu)化城市水資源系統(tǒng),引進(jìn)先進(jìn)的給排水技術(shù),使城市水資源利用更高效、更節(jié)約。
4.4.2 推行土地集約化利用 經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展必然引起城市建設(shè)用地面積的大幅增長(zhǎng),同時(shí)引起城市土地用結(jié)構(gòu)的變化,而土地集約化利用能夠使土地利用更加高效,并提高經(jīng)濟(jì)收益[16,17]。結(jié)合西安市土地利用基本情況,制定出合理的集約化利用措施:針對(duì)西安市建設(shè)用地增長(zhǎng)過(guò)快的情況,要對(duì)其發(fā)展規(guī)模和擴(kuò)張速度進(jìn)行限制,充分發(fā)揮已有建設(shè)用地的作用,消耗存量,同時(shí)回收閑置用地。這樣不但可以減少土地浪費(fèi),提高土地利用效率,而且能夠迫使土地使用者充分挖掘土地資源的利用潛力,更大限度地發(fā)揮土地的效益。同時(shí),土地集約利用通過(guò)回收閑置用地,提高土地利用率等方式,節(jié)省出了可觀的土地資源,保證了土地的供應(yīng)量,為土地資源的各類利用提供可能。
4.4.3 發(fā)展第三產(chǎn)業(yè),控制人口增長(zhǎng) 2010年以來(lái),西安市第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比由53.82%上升至59.55%(2015年),與發(fā)達(dá)國(guó)家相比(超過(guò)70%),西安市的第三產(chǎn)業(yè)比例仍然偏低,因此,西安市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展仍將面臨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。應(yīng)結(jié)合自己的區(qū)位優(yōu)勢(shì),抓住發(fā)展機(jī)遇,通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,使有限的資源和財(cái)力得到重新優(yōu)化分配,充分挖掘西安市內(nèi)及周邊旅游資源,保證西安市GDP的穩(wěn)步快速增長(zhǎng)。至2015年,西安市的總?cè)丝跒?15×104,常住人口更是達(dá)到了870×104,過(guò)多的人口使得中心城區(qū)的各項(xiàng)資源利用趨緊,各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)不足,人居環(huán)境變差,因此,應(yīng)結(jié)合區(qū)域水土資源的承載能力,制定相應(yīng)的人口政策,對(duì)人口遷入和人口增長(zhǎng)進(jìn)行控制,同時(shí),結(jié)合各區(qū)的實(shí)際情況和優(yōu)勢(shì),對(duì)人口分布結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。
(1)結(jié)合西安市社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀和水土資源利用情況,基于復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的概念,以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為方法,借助Vensim軟件,建立了城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)仿真模型,較為全面的體現(xiàn)了城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的基本特征。
(2)通過(guò)選取并分析關(guān)鍵指標(biāo)的變化,設(shè)置了經(jīng)濟(jì)優(yōu)先型、環(huán)境保護(hù)型和協(xié)調(diào)發(fā)展型3種情景,對(duì)比分析了各情景下方案的合理性,給出了較優(yōu)的協(xié)調(diào)發(fā)展方案;并且,協(xié)調(diào)發(fā)展方案的各項(xiàng)指標(biāo)均與西安市統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)較為接近,說(shuō)明該方案是合理有效的。
(3)根據(jù)協(xié)調(diào)發(fā)展方案,對(duì)西安市水土資源開(kāi)發(fā)利用、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平以及生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行了仿真預(yù)測(cè)。結(jié)果表明:西安市在今后一段時(shí)間內(nèi),還將面臨不同程度的缺水問(wèn)題,需要區(qū)外調(diào)水,新建水源工程,才能滿足市區(qū)的用水需求;西安市的建設(shè)用地面積將逐漸增加,至2025年將達(dá)到914.7 km2,耕地面積仍將不斷減少,至2025年將減少至21.85×104hm2。
(4)結(jié)合政策導(dǎo)向,提出了相關(guān)的調(diào)控措施和建議,即通過(guò)修建輸配水工程,推進(jìn)節(jié)水型城市建設(shè),推行土地集約化利用,發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)、控制人口增長(zhǎng)等措施,實(shí)現(xiàn)對(duì)西安市水土資源開(kāi)發(fā)利用的調(diào)控。
西安市是典型的內(nèi)陸型城市,水土資源本身相對(duì)匱乏,本研究嘗試將城市水土資源利用與城市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善進(jìn)行耦合,獲得了較為滿意的效果,可為西安市未來(lái)水土資源規(guī)劃的制定提供依據(jù)。