基于系统动力学模型的天津市水资源承载力模拟分析_陈文娟.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月水 资 源 与 水 工 程 学 报 ,收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目();天津市自然科学基金项目()作者简介:陈文娟(),女,安徽六安人,硕士研究生,研究方向为水文水资源。通讯作者:张永根(),男,山西阳泉人,博士,副教授,博士生导师,研究方向为水文与水资源及土壤物理。:基于系统动力学模型的天津市水资源承载力模拟分析陈文娟,姚润钖,石文豪,李 奇,赵景窥,张永根,(天津大学 地球系统与科学学院 表层地球系统科学研究院,天津;天津市环渤海关键带科学与可持续发展重点实验室,天津;河北省邢台市水务局,河北 邢台)摘 要:为研究天津市水资源供需远景发展情况,
2、根据天津市水资源供需和发展现状,结合系统动力学方法和层次分析法建立了天津市水资源可持续发展系统动力学模型。将 年的历史数据与系统动力学方法的模拟数据进行比较,相对误差绝对值基本小于,所构建的模型具有较高的可信度,可用于预测天津市未来的水资源承载力发展情况。在此基础上,通过设定现状延续型()、综合节水型()、开源治污型()和综合发展型()种不同情景,利用所构建的系统动力学模型预测了 年水资源供需平衡情况。结果表明:年现状延续型情景下天津市总需水量可达 ,年 情景的水资源承载系数分别为 、和 ,分析得到 年南水北调东线供水将大幅缓解天津市水资源超载现状;在 种发展情景中,综合发展型方案对缓解水资源
3、供需不平衡的效果最优,未来应遵循“节水优先,保障供水”的原则,综合实施节水、治污、开源等措施保障天津市水资源系统的可持续发展。关键词:水资源承载力;系统动力学模型;水资源承载系数;天津市中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,;,;,):,(),(),(),(),“”,:;研究背景随着区域经济社会的发展,人口、资源和环境的矛盾日益凸显。水资源作为人类社会发展过程中不可或缺的重要资源,对保障国家安全和地区经济发展至关重要,然而水资源供需矛盾日益突出,水资源短缺形势日益严峻,成为制约地区经济社会可持续发展的重要因素。国家或区域的经济社会与生态环境的综合协调发展程度常用水资源承载力来表征,在以可
4、持续发展为原则的前提下,水资源承载力是一个涉及资源、社会、经济和环境等多系统的综合概念。水资源承载力研究是可持续发展和水资源安全战略研究中的基础性课题,也是水资源科学研究的重点和热点。目前,水资源承载力的研究方法已经从静态、单一指标分析发展为动态、多目标综合分析,常用的方法有常规趋势法、指标体系法、投影寻踪法、系统动力学法 等。由于水资源承载力系统是一个非线性、高阶次的复杂时变系统,常规趋势法未考虑水资源承载系统中各因素之间的关系,不能反映真实的区域水资源承载力情况;指标体系法是一种常用的水资源承载力量化评价方法,包括模糊综合评 价 法、主 成 分 分 析 法、层 次 分 析法 等,虽然该方法
5、在行业内被广泛应用,但存在模型中各指标选取及权重赋值受主观影响较大的弊端;投影寻踪法虽然可以实现水资源承载力的动态分析,但其缺点在于最优投影方向难以确定。而系统动力学方法具有分析速度快、构造简单、可运用非线性方程等优点,可以对影响水资源承载力的多因素耦合的复杂系统进行定量分析与模拟,能够较为准确地捕获水资源系统内部的宏观动态关系。近几十年来,系统动力学在水资源承载力和需水量预测的研究中得到了较为广泛的应用,在水资源分析、综合管理和规划方面有了长足的发展,推动了水资源系统的科学研究。例如,徐凯莉等采用系统动力学模型,模拟研究了周口市 年水资源承载力的发展趋势,并比较了不同情景下的变化趋势;高亚等
6、运用系统动力学方法,构建了江苏省水资源承载力动力学模型,模拟研究了江苏省 年的水资源承载力水平。由于受气候变化和人类活动加剧的影响,海河流域的径流量显著减少。天津市是一个典型的资源缺水型城市,依据 年天津统计年鉴,人均水资源占有量仅为 ,远远低于国际公认的 “极度缺水标准”警戒线。张爱国等构建了基于驱动压力状态响应管理模型的天津市水资源承载力评价指标体系,结果表明 年天津市水资源承载力整体处于级(较弱)水平。因此,为探究 年南水北调东线通水前后的天津市水资源供需平衡情况,利用系统动力学方法构建水社会经济生态环境耦合系统,综合考虑各子系统内部中各影响因素之间以及不同子系统间各因素之间的相互作用,
7、对未来 种不同情景下的水资源承载力进行预测分析,为天津市水资源合理配置、减缓供需矛盾提供科学依据和建议,有利于实现天津市水资源和经济社会的可持续发展。数据来源与研究方法 研究区概况天津市是我国四大直辖市之一,总面积为 ,属于暖温带半湿润大陆性季风型气候,多年平均降水量在 之间,受地形和海陆影响,雨量由北向南递减。此外,由于天津市的暖温带半湿润大陆性季风型气候,降水集中且不稳定性较为显著,年内降水时空分配不均,不利于水资源的开发、利用、管理和调控。图 为天津市 年水资源量的变化情况。图 年天津市水资源量第 期 陈文娟,等:基于系统动力学模型的天津市水资源承载力模拟分析由图 可知 年天津市水资源总
8、量、地表水资源量和地下水资源量均呈现波动趋势,多年平均水资源总量为 ,年水资源总量最小,为 ,年水资源总量最大,达到 。数据来源本文采用天津市 年的人口、经济、水资源资料进行了模型的构建和有效性检验,所有资料来源于统计数据、规划数据及其计算结果。其中,人口数据和经济数据来源于天津市统计年鉴,水资源相关数据来源于天津市水资源公报,部分规划数据来源于天津市供水规划(年)天津新型城镇发展“十四五”规划“十四五”工业绿色发展规划。水资源利用系统动力学模型系统动力学(,)是由美国麻省理工学院的 教授于 年提出的一种仿真方法,是一门分析研究信息反馈系统、综合了自然科学与社会科学的交叉综合学科,目的在于从系
9、统内部定量地识别和解决复杂的、多反馈回路的系统性问题。模型中各类变量的重要桥梁是状态方程,方程形式可表示如下:()(,)()()()式中:()为系统动力学模型中第 状态变量在 时刻的取值;为状态变量序号;为向量值函数;为速率变量,即为状态变量的变化速率;为辅助变量;为参数;为时间步长。概念模型与系统流图系统动力学通过系统内部变量之间的反馈来分析和解释问题,建立模型的首要任务是确定系统边界。本文将模型的系统边界定义为天津市行政区边界,模型的模拟时段为 年,步长为 ,其中 年为基准年,年为历史检验时段,年为预测时段。供水、需水、经济发展、环境管理和生态平衡对水资源的承载力有着直接且显著的影响,针对
10、天津市供用水现状,分析影响需水量的因素及其相互关系,确定本模型包括人口、经济、水资源和生态 大子系统,选取农业耕地面积、渔业面积、第三产业增加值和工业 个状态变量,利用 软件构建天津市水资源可持续发展模型,其模型系统流图见图。图 天津市水资源承载力系统动力学模型系统流图 ()人口子系统。人口子系统主要研究自然变化和经济社会发展对人口数量变化的影响及其对生活需水量的影响,进而研究水资源供需平衡情况。生活需水量为城镇和农村需水量之和,城镇需水量 水 资 源 与 水 工 程 学 报 年受控于城镇人口和城镇人均用水量;农村居民需水量则由农村人口和农村人均日用水量决定。()经济子系统。经济子系统的需水量
11、主要包括农业需水量和工业需水量,同时工业、农业的发展在很大程度上受到水资源的制约。工业需水量主要受工业 增速和万元工业增加值用水量的影响。由于天津市林果灌溉需水相较于农业总需水量较小,故本文农业需水量仅考虑耕地灌溉需水量、渔业需水量和畜牧需水量,其各方面需水量均受各产业发展速度及用水量定额的影响。()水资源系统。水资源系统中天津市总需水量主要由农业需水量、工业需水量、生活需水量和第三产业需水量构成,由于数据的统计方式影响,本文第三产业及居民生活需水归为综合生活需水量。可供水量包括地表水、地下水、再生水、海水淡化和外调水资源(引滦入津、南水北调)。()生态子系统。生态环境子系统包括生态和污水两部
12、分,生态环境补水只统计人为调配水量,不包括降水及径流自然满足的水量,主要包括绿化、清洁用水和对河湖沼泽等的补水;污水排放量主要包括生活污水和工业废水排放量。模型变量与参数天津市水资源系统 模型共选择了 个参数和变量,参数类型有常数和状态变量初始取值以及表函数,分别见表、,模型的主要参数方程见表。表 模型主要常数及状态变量 年初始取值参数 取值生活污水排放系数 第三产业污水排放系数 工业污水排放系数 单位面积灌溉水量()有效灌溉面积系数 耕地面积变化率 工业 初始值元 渔业面积初始值 第三产业增长值的初始值元 农业耕地面积初始值 本模型中共有 个状态变量(见公式(),即工业、农业耕地面积、渔业面
13、积和第三产业增加值,其初始值均直接采用 年的统计数据;其余随时间变化不明显的参数近似为常数,随时间变化明显且可描述变量之间非线性关系的为表函数。本文所涉及的生活污水排放系数、第三产业污水排放系数、工业污水排放系数、单位面积灌溉水量、有效灌溉面积系数、耕地面积变化率等主要参数和城镇化率、污水回用率等主要表函数参数由实际观测和统计数据计算得到,其实际数据均来源于天津市水资源公报和天津统计年鉴。表 主要表函数参数取值表函数参数 年取值 年取值总人口数人 农村人均日用水量(人)城镇人均综合日用水量(人)城镇化率 污水回用率 海水淡化量 地下水供水量 地表水供水量 层次分析法 水资源承载力评价指标由于水
14、资源承载力受到众多因素的影响,为保障合理地构建其评价指标体系,本文将水资源承载力作为目标层,共选取人口()、经济()、水资源()、生态()个准则层和 个水资源承载力评价指标构建水资源承载力评价指标体系,如表 所示,其中正向指标表示对水资源承载力具有积极的影响,负向指标表示对水资源承载力具有消极的影响。参照文献 并结合天津市的水资源承载力特点,采用 标度对各指标的重要性进行两两比较,构建目标层与准则层、准则层与各指标的判断矩阵,根据 确定特征向量 和最大特征值。为避免各评价指标之间的矛盾,根据公式()、()计算得到一致性指标 和一致性比例 进行一致性检验,当 时,表示判断矩阵通过一次性检验。()
15、()式中:为评价指标数;为随机一致性指标。经计算得到的各层判断矩阵一致性比例均小于,故各判断矩阵具有较好的一致性,随机一致性指标 值见表。第 期 陈文娟,等:基于系统动力学模型的天津市水资源承载力模拟分析表 模型主要参数方程子系统参数方程城镇人口人城镇人口 总人口 城镇化率农村人口人农村人口 总人口 城镇人口人口城镇综合生活需水量城镇综合生活需水量 城镇人均综合日用水量 城镇人口数 农村生活需水量农村生活需水量 农村人均日用水量 农村人口数 综合生活需水量综合生活需水量 城镇生活需水量 农村生活需水量工业 元工业 (工业 增长值,工业 初始值)工业需水量工业需水量 万元工业增加值用水量 工业
16、农业灌溉需水量农业灌溉需水量 农业耕地面积 有效灌溉面积系数 单位面积灌溉水量经济渔业需水量渔业需水量 渔业面积 渔业用水定额畜牧需水量畜牧需水量 大牲畜需水量 小牲畜需水量第三产业增加值元第三产业增加值 (第三产业增长率,第三产业增加值初始值)第三产业需水量第三产业需水量 第三产业增加值 万元第三产业增加值用水量总需水量总需水量 综合生活需水量 工业需水量 农业需水量 生态需水量可供水量可供水量 地表水供水量 地下水供水量 污水回用量 海水淡化量水资源水资源承载限制系数水资源承载限制系数 (总需水量 可供水量)可供水量供需比供需比 总供水量 总需水量污水回用量污水回用量 污水排放总量 污水回
17、用率表 天津市水资源承载力评价指标体系目标层准则层权重指标层 单位权重指标性质水资源承载力水资源 人口 经济 生态 地表水供水量 正向供水模数()正向供需比 正向人口密度(人)负向城镇化率 负向农村人均日用水量 负向城镇人均综合日用水量 负向工业 元 正向第三产业增加值元 正向农业增加值元 正向万元工业增加值用水量 负向生态环境需水率 正向污水回用率 正向污水排放总量 负向 注:“”供水模数为可供水量与区域面积之比;“”生态环境需水率为生态需水量与总需水量之比。表 随机一致性指标 值 水 资 源 与 水 工 程 学 报 年 评价指标标准化为避免各评价指标之间量纲差异的影响,首先对原始正向和负向
18、数据进行归一化处理,本文设天津市第 年第 项水资源承载力评价指标的值为(,;,),归一化处理计算公式如下:正向指标:()负向指标:()式中:为第 年第 项水资源承载力评价指标的归一化值;为第年第项水资源承载力评价指标的原始数据值;、为第年第项评价指标的最小值和最大值。水资源承载力量化归一化处理后的水资源承载力评价指标数据加权求和,得到天津市水资源承载力为:()式中:为第 年水资源承载系数;为各指标权重。模型验证本文采用历史检验方法来验证模型的有效性。选取 年时间段进行模型的有效性检验,将模拟得到的结果与历史数据进行比较,采用模拟数据 和 历 史 数 据 的 相 对 误 差 绝 对 值(,)来验
19、证拟合度的优劣。计算公式为:()式中:为模拟数据;为历史数据。对于水文过程数值模拟的检验结果来说,相对误差小于 表示模型效果很好,介于 表示模型效果好,介于 表示模型效果较差。本模型选取总需水量、工业需水量、农业灌溉需水量、综合生活需水量和污水回用量 个指标值用于历史检验,主要检验结果见图。图 所选指标模拟值与实际值的相对误差绝对值由图 可知,此模型 个指标的模拟值与实际值之间的相对误差绝对值基本均小于,因此确定本研究中模型的拟合程度较好,所建立的系统动力学模型可用于预测天津市未来水资源承载力的发展情况。发展情景设定本研究设定了 种情景,通过模拟不同情景下 年的水资源供需情况,获得现有经济社会
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