本文摘要：摘要：根據(jù)華北平原社會(huì)經(jīng)濟(jì)和水資源利用狀況，考慮了影響需水量的諸多因素及其相互作用的關(guān)系，通過構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)趨勢(shì)保持型(S1)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展型(S2)、節(jié)約用水型(S3)和可持續(xù)發(fā)展型(S4)等4種發(fā)展情景，預(yù)測(cè)華北平原20192050年的需水量和水資源供需平衡狀況。
摘要：根據(jù)華北平原社會(huì)經(jīng)濟(jì)和水資源利用狀況，考慮了影響需水量的諸多因素及其相互作用的關(guān)系，通過構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)趨勢(shì)保持型(S1)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展型(S2)、節(jié)約用水型(S3)和可持續(xù)發(fā)展型(S4)等4種發(fā)展情景，預(yù)測(cè)華北平原2019—2050年的需水量和水資源供需平衡狀況。結(jié)果表明：(1)模擬期內(nèi)，4種情景下華北平原平均總需水量分別為383.56、430.79、321.73和359.75億m3，平均供需差額分別為0.68、41.62、-58.85和-25.88億m3;(2)從經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模、總需水量、缺水量以及環(huán)境保護(hù)等方面考慮，情景S4都最符合可持續(xù)發(fā)展內(nèi)涵，是華北平原未來發(fā)展的最優(yōu)情景;(3)水資源的可持續(xù)發(fā)展，不僅需要政府的政策引導(dǎo)，更加需要社會(huì)公眾的參與。只有政府與公眾的協(xié)調(diào)一致，才能保證水資源的可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
關(guān)鍵詞：需水量預(yù)測(cè);水資源供需平衡;系統(tǒng)動(dòng)力學(xué);情景分析;華北平原
引言
一般來說，需水量預(yù)測(cè)是區(qū)域水資源可持續(xù)利用的重要依據(jù)[1]，涉及到諸多復(fù)雜的水文、氣象、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、工程、技術(shù)等因素[2]。如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)某個(gè)區(qū)域未來的需水量，是水利管理部門必須要考慮的關(guān)鍵問題，對(duì)于該區(qū)域未來可持續(xù)的水資源利用具有十分重要的意義[3-4]。用于需水量預(yù)測(cè)的方法有很多，如指標(biāo)法[3]、時(shí)間序列法[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]、定額法[7]、灰色預(yù)測(cè)模型法[8]、混沌預(yù)測(cè)法[9]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法[2,10-13]等。然而，與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法相比，其它方法的應(yīng)用過程對(duì)于影響需水量預(yù)測(cè)的諸多復(fù)雜因素的考慮不足，無法定量刻畫這些因素之間相互作用、相互反饋的關(guān)系，也就無法捕獲需水量預(yù)測(cè)過程中的動(dòng)態(tài)變化過程[14-15]。
系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法較好地解決了這個(gè)問題，被廣泛地應(yīng)用于區(qū)域需水量預(yù)測(cè)[12-19]。情景分析法是假定某種現(xiàn)象或趨勢(shì)將持續(xù)到未來的前提下，對(duì)預(yù)測(cè)對(duì)象可能出現(xiàn)的情況或引起的后果做出預(yù)測(cè)的方法。情景分析法最大的優(yōu)勢(shì)是使管理者能發(fā)現(xiàn)未來變化的某些趨勢(shì)和避免兩個(gè)最常見的決策錯(cuò)誤：過高或過低估計(jì)未來的變化及其影響。自誕生以來，情景分析法在需水量預(yù)測(cè)、水資源利用等諸多方面得到了廣泛的應(yīng)用[20-22]。
作為我國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，華北平原屬于“資源型”缺水地區(qū)，是我國(guó)水資源供需矛盾最突出的區(qū)域之一。由于華北平原人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，其人均水資源占有量只有全國(guó)平均值得23%[23]，加上區(qū)域內(nèi)降水量的時(shí)空分布極不均勻，容易發(fā)生旱澇災(zāi)害[24]，這進(jìn)一步加劇了華北平原的水資源短缺問題，導(dǎo)致地下水的大量超采，以滿足工農(nóng)業(yè)及生活用水的需求。水資源短缺給華北平原帶來了諸多生態(tài)環(huán)境問題，如地下水超采、地面沉降、塌陷等[25]，深刻地影響著華北平原社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與資源環(huán)境的可持續(xù)管理。
為此，本文以華北平原為研究對(duì)象，通過構(gòu)建華北平原需水量系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，在模型中考慮影響需水量的諸多社會(huì)經(jīng)濟(jì)和工程技術(shù)因素，采用情景分析法，定量預(yù)測(cè)在不同的發(fā)展情景下華北平原未來30年的需水量和水資源供需平衡狀況。通過對(duì)不同情景的對(duì)比，挑選出既符合可持續(xù)發(fā)展內(nèi)涵又滿足華北平原實(shí)際的發(fā)展情景，作為水利管理部門決策的參考，為華北平原未來水資源的可持續(xù)利用和管理提供科學(xué)的依據(jù)和有效的建議。
1材料與方法
1.1研究方法簡(jiǎn)介
系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SystemDynamics,SD)是1956年創(chuàng)立的研究方法，距今已有60多年的歷史。SD是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學(xué)科，也是一門認(rèn)識(shí)系統(tǒng)問題和解決系統(tǒng)問題的交叉綜合學(xué)科。從系統(tǒng)方法論來說，SD是結(jié)構(gòu)的方法、功能的方法和歷史的方法的統(tǒng)一。它基于系統(tǒng)論，吸收了控制論、信息論的精髓，是一門綜合自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的橫向?qū)W科[26]。
SD對(duì)問題的理解，是基于系統(tǒng)行為與內(nèi)在機(jī)制間的相互緊密的依賴關(guān)系，并且透過數(shù)學(xué)模型的建立與操弄的過程而獲得的，逐步發(fā)掘出產(chǎn)生變化形態(tài)的因、果關(guān)系。隨著相關(guān)理論、方法和技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，SD方法已經(jīng)在需水量預(yù)測(cè)、水資源管理、生態(tài)環(huán)境規(guī)劃等諸多領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用[1-2,10,14,27]，在處理多重復(fù)雜反饋系統(tǒng)的問題方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。
1.2研究區(qū)概況
總面積14萬km2的華北平原是我國(guó)三大平原(東北平原、華北平原和長(zhǎng)江中下游平原)之一，指的是黃河以北、燕山以南和太行山以東的沖積平原區(qū)，即36°～41°N、114°30′～118°30′E之間地帶，包括京津冀魯豫等省市的21個(gè)地級(jí)市210個(gè)縣(區(qū))，是我國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。由于半濕潤(rùn)半干旱的氣候原因、密集的人口壓力和發(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)水平，華北平原幾乎每年都要遭受旱災(zāi)的威脅，是我國(guó)水資源壓力最大的地區(qū)。
華北平原冬春寒冷干燥，夏季炎熱多雨，多年平均降水量為554mm，6-9月的汛期降水量占全年的75%以上，多年平均蒸散發(fā)為1550mm[28]。研究區(qū)內(nèi)有大小河流近60條，包括潮白河、永定河、灤河、薊運(yùn)河等。近二十年以來，區(qū)內(nèi)大部分河流常年干涸或僅在汛期短時(shí)過流，或成為城鎮(zhèn)生活及工業(yè)的排污河。
2華北平原需水量預(yù)測(cè)SD模型
2.1概念模型與系統(tǒng)流圖
華北平原水資源系統(tǒng)包括需水和供水兩部分。需水系統(tǒng)由農(nóng)業(yè)、生活和工業(yè)需水三部分組成，其中農(nóng)業(yè)需水由灌溉與牲畜需水組成。農(nóng)業(yè)需水受灌溉面積、牲畜數(shù)量及用水定額影響;生活需水由總?cè)丝诩叭丝谟盟?xí)慣決定;工業(yè)需水取決于工業(yè)總產(chǎn)值和工業(yè)用水定額。
供水系統(tǒng)由地表水、地下水、南水北調(diào)工程引水、灌溉回歸水及污廢水回用等組成。華北平原水資源現(xiàn)狀決定了地表水和地下水可供水量，南水北調(diào)工程增加了地表水供水量，灌溉方法與技術(shù)、污廢水處理與回用技術(shù)決定了灌溉回歸水量和污廢水回用量。供需水不平衡會(huì)造成缺水問題，缺水程度在一定程度影響各部分需水量。通過缺水程度可以反應(yīng)華北平原水資源短缺嚴(yán)重程度，從而以定量方式衡量華北平原水資源利用情況。
系統(tǒng)流圖是SD基本變量和符號(hào)的有機(jī)組合。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部各因素之間因果關(guān)系設(shè)計(jì)系統(tǒng)流圖，可以將系統(tǒng)內(nèi)部各因果關(guān)系中未能反映出來的不同變量的性質(zhì)和特點(diǎn)反映出來。通過流圖中關(guān)系的量化(采用SD模擬軟件VENSIMProfessional進(jìn)行模型的構(gòu)建與量化)就達(dá)到政策模擬的目的。華北平原水資源系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它與人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)關(guān)系密切，因此把它分為人口、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、水環(huán)境、水資源5個(gè)子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)相互聯(lián)系，相互影響。
2.2模型變量、參數(shù)與數(shù)據(jù)來源
在對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)變量之間因果關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了5個(gè)狀態(tài)方程、大量的速率方程和輔助方程以及表函數(shù)。通過這些方程，就把各變量之間的邏輯關(guān)系“翻譯”成為了數(shù)學(xué)語(yǔ)言，以顯示其定量關(guān)系。
2.3模型校準(zhǔn)
模型校準(zhǔn)是將歷史參數(shù)輸入到模型經(jīng)運(yùn)行后的仿真結(jié)果，與實(shí)際發(fā)生的行為數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證其吻合程度，為模型行為模擬的可靠性和準(zhǔn)確性做出判斷。由于SD模擬過程中采用插值的形式對(duì)表函數(shù)中間年份參數(shù)進(jìn)行取值，而短期歷史數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，因此模型校準(zhǔn)著重于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M的趨勢(shì)與歷史數(shù)據(jù)表現(xiàn)的趨勢(shì)是否大致一致。
本次校準(zhǔn)項(xiàng)目為人口子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)(工業(yè)、農(nóng)業(yè))、環(huán)境子系統(tǒng)與資源子系統(tǒng)，被校準(zhǔn)變量有生活需水量、工業(yè)需水量、農(nóng)業(yè)需水量和總需水量。從中可以看出，模型模擬結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)基本吻合，相對(duì)誤差基本都在5%以內(nèi)，這說明模擬結(jié)果與和歷史數(shù)據(jù)比較符合，參數(shù)可運(yùn)用于模型預(yù)測(cè)階段。
2.4發(fā)展情景設(shè)計(jì)
需水量變化受到諸多因素影響，不同因素的組合可能導(dǎo)致不同的水資源供需情況。為此，本文從影響華北平原需水量主要因素著手，設(shè)計(jì)了趨勢(shì)保持型情景S1、經(jīng)濟(jì)發(fā)展型情景S2、節(jié)約用水型情景S3和可持續(xù)發(fā)展型情景S4共四種情景，用來預(yù)測(cè)華北平原未來在不同發(fā)展情景下的需水量和水資源供需平衡狀況，具體如下：
(1)發(fā)展情景S1：又稱為趨勢(shì)保持型情景。此情景假設(shè)華北平原的發(fā)展政策及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不發(fā)生大的調(diào)整，城市人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度沒有太大的變化�？�?cè)丝谠鲩L(zhǎng)率在未來設(shè)定為6.8‰，工業(yè)總產(chǎn)值增長(zhǎng)率在未來設(shè)定為2%，城鎮(zhèn)化率在2030年、2040年和2050年分別為70%、75%和80%。
(2)發(fā)展情景S2：又稱為經(jīng)濟(jì)發(fā)展型情景。此情景假設(shè)在當(dāng)前和今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，發(fā)展經(jīng)濟(jì)仍是華北平原的重中之重。為此，把2030年、2040年和2050年工業(yè)總產(chǎn)值增長(zhǎng)率分別提高到5%、7%和8%，人口增長(zhǎng)率在2030年、2040年和2050年分別提高為8‰、9‰和9‰，其他參數(shù)與情景S1相同。
(3)發(fā)展情景S3：又稱節(jié)約用水型情景。假設(shè)華北平原將水資源保護(hù)列為重點(diǎn)，采用多種節(jié)約用水的方式，將城鎮(zhèn)生活用水定額和農(nóng)村生活用水定額分別降低10%，萬元工業(yè)產(chǎn)值用水定額、灌溉定額、大牲畜用水定額和小牲畜用水定額分別降低20%，其他參數(shù)與情景S1相同。
(4)發(fā)展情景S4：又稱為可持續(xù)發(fā)展型情景。在此情景下，既強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時(shí)也注意對(duì)水資源的保護(hù)。人口增長(zhǎng)率在2030年、2040年和2050年分別提高為8‰、9‰和9‰，把2030年、2040年和2050年工業(yè)總產(chǎn)值增長(zhǎng)率分別提高到5%、7%和8%，將城鎮(zhèn)生活用水定額和農(nóng)村生活用水定額分別降低10%，萬元工業(yè)產(chǎn)值用水定額、灌溉定額、大牲畜用水定額和小牲畜用水定額分別降低20%，其他參數(shù)與情景S1相同。
3結(jié)果與分析
3.1需水量結(jié)果
從總需水量角度來看，現(xiàn)有狀況(情景S1)下華北平原2050年總需水量為421.8億m³，而經(jīng)濟(jì)發(fā)展型情景(情景S2)、節(jié)約用水型情景(情景S3)和可持續(xù)發(fā)展型情景(情景S4)2050年總需水量分別為590.1、353.4和489.1億m³。預(yù)測(cè)期內(nèi)四種情景平均總需水量分別為383.56、430.79、321.73和359.75億m3。預(yù)測(cè)期內(nèi)，全部情景的總需水量都隨時(shí)間遞增，情景S2的總需水量最大，情景S1和情景S4次之，情景S3最小。說明在未來年份里，無論采取什么樣的發(fā)展情景，要使得經(jīng)濟(jì)保持發(fā)展(適度發(fā)展或者快速發(fā)展)，總需水量都會(huì)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而不斷增加，這是必然的趨勢(shì)。
具體到各用水部門，列出了模擬期內(nèi)四種情景下農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活平均需水量柱狀圖。對(duì)于農(nóng)業(yè)需水量，情景S3和S4(172.01億m³)小于情景S1和S2(215.02億m³);對(duì)于工業(yè)需水量，情景S2(104.10億m³)最大，情景S4(83.39億m³)和S1(58.07億m³)次之，情景S3(46.46億m³)最小;對(duì)于生活需水量，情景S2(73.21億m³)最大，情景S1(72.00億m³)和S4(65.89億m³)次之，情景S3(64.80億m³)最小。
四種情景下，農(nóng)業(yè)需水量均為最大的用水部門，占總需水量的平均比例分別為56.06%、49.91%、53.47%和47.81%;工業(yè)需水量占總需水量的平均比例分別為15.14%、24.16%、14.44%和23.18%;生活需水量占總需水量的平均比例分別為18.77%、16.99%、20.14%和18.32%。因此，控制農(nóng)業(yè)需水量的增長(zhǎng)速度，在很大程度上能控制華北平原水資源供需平衡的狀況。3.2水資源供需平衡從水資源供需平衡的角度來看，四種情景下華北平原2050年供需差額分別為35.2億m³、18.1億m³、-30.27億m³和87.35億m³。
總體來看，情景S2的供需差額最大，情景S1和情景S4次之，情景S3最小�？沙掷m(xù)型發(fā)展情景(情景S4)只在2042-2050年出現(xiàn)缺水的情況，其余年份都不存在缺水問題。四種情景在模擬末期基本都會(huì)缺水，在現(xiàn)有條件下可持續(xù)型發(fā)展型情景由于既考慮了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，又考慮了水資源保護(hù)，缺水量只在模擬后期5年比情景S1多，這是可持續(xù)型發(fā)展情景的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，情景S3雖然缺水量最少，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展也受到限制。在華北平原大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的宏觀背景下，這樣的情景顯然不會(huì)被決策者采納。
3.3水環(huán)境模擬結(jié)果
四個(gè)發(fā)展情景的側(cè)重點(diǎn)不同，污廢水回用量也不同。情景S2由于過分強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，必然導(dǎo)致污廢水排放量增多，也即導(dǎo)致污廢水回用量在四種情景中最多;情景S3由于采用了節(jié)約用水措施，此情景下污廢水回用量是最少的，而情景S4由于既考慮了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，又考慮了節(jié)約用水措施，該情景下污廢水回用量?jī)H比情景S3略多。污廢水回用量多少可以作為環(huán)境好壞的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)，而環(huán)境好壞與水資源有著直接關(guān)系。由此可見，情景S4既注重經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也注重保護(hù)環(huán)境，可以很好地協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源及環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系。
3.4發(fā)展情景比較
在用水方面，情景S2用水最多，情景S3用水最少，而情景S1和情景S4居中。但是由于情景S4只在模擬期后6年需水量大于情景S1(或缺水量大于情景S1)，所以情景S4用水總體比情景S1少。在環(huán)境指標(biāo)方面，情景S2的污廢水回用量最多，情景S3最少，而情景S1和情景S4居中。綜合來看，情景S4在環(huán)境指標(biāo)方面優(yōu)于情景S1;從經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面看，情景S2發(fā)展速度最快，情景S3由于強(qiáng)調(diào)水資源保護(hù)，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度最慢，而情景S4發(fā)展速度比情景S1要快。綜合來看，在四種情景中，情景S4是最優(yōu)的發(fā)展情景。
經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模、總需水量、缺水量及環(huán)境保護(hù)等方面，情景S4都最符合可持續(xù)發(fā)展內(nèi)涵，情景S4是華北平原未來發(fā)展的最優(yōu)情景。在情景S4下發(fā)展，華北平原保持適中的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度，對(duì)水資源及環(huán)境的需求和壓力也適中，經(jīng)濟(jì)與水資源環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)地發(fā)展。通過本文模擬可以發(fā)現(xiàn)，華北平原未來的缺水問題不能夠得到徹底根除，這是由華北平原的實(shí)際情況所決定的。但是，采取節(jié)水措施和調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，可以使華北平原缺水狀況得到改善。
結(jié)論本文利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法原理和情景分析的方法，建立了華北平原需水量預(yù)測(cè)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)定了四個(gè)不同的發(fā)展情景，對(duì)華北平原未來需水量和水資源供需狀況進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)，可以得到以下結(jié)論：
(1)模擬期內(nèi)(2019—2050年)，四種情景下華北平原平均總需水量分別為383.56、430.79、321.73和359.75億m3，平均供需差額分別為0.68、41.62、-58.85和-25.88億m3。四種情景下，農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活需水量占總需水量的平均比例分別為56.06%、49.91%、53.47%和47.81%，15.14%、24.16%、14.44%和23.18%以及18.77%、16.99%、20.14%和18.32%。
(2)伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，華北平原需水量會(huì)越來越大。華北平原在未來不能徹底解決缺水問題。如果華北平原在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中選擇可持續(xù)發(fā)展情景，那么在未來可以緩解缺水問題。
(3)可持續(xù)型發(fā)展情景(S4)是華北平原未來應(yīng)該選擇的發(fā)展情景。過分強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展(S2)、過分強(qiáng)調(diào)水資源保護(hù)(S3)或者保持目前趨勢(shì)(S1)，勢(shì)必在水資源使用和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間失衡。從華北平原實(shí)際情況來看，決策者既不會(huì)采納過分強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的情景，也不會(huì)采納過分強(qiáng)調(diào)水資源保護(hù)的情景。只有保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源保護(hù)的平衡，社會(huì)才能可持續(xù)地發(fā)展下去。
(4)水資源的可持續(xù)發(fā)展，不僅需要政府的政策引導(dǎo)，更加需要社會(huì)公眾的參與。“開源”與“節(jié)流”是解決缺水問題的兩個(gè)有效途徑，是辯證統(tǒng)一的。政府在“開源”方面的作用比較大，而公眾則更多的充當(dāng)“節(jié)流”的主力軍。只有政府與公眾的協(xié)調(diào)一致，才能保證水資源的可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
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作者：秦歡歡1,2,黃碧賢2,吳昊2,甘家宇2,周宇卓2,熊文躍2,易振貴2
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