黄河流域水资源供需平衡的动态仿真与模拟_孙久文.pdf

书书书文章编号：（）黄河流域水资源供需平衡的动态仿真与模拟孙久文，高宇杰（中国人民大学 应用经济学院，北京 ）摘要：水资源是经济社会发展的重要战略性资源，黄河流域水资源供需矛盾突出，水资源供需平衡将直接影响黄河流域生态保护与高质量发展。本文综合运用系统动力学和随机前沿分析方法，构建了黄河流域各省份水资源仿真模型，模拟预测了 年期间不同水资源利用方案和经济增长情景下的水资源供需缺口。结果表明：（）预测期间黄河流域整体需水量小幅增加，水资源供需缺口呈现先增加后下降的趋势；（）除青海和四川外，黄河流域其他省份均存在不同程度的水资源缺口；（）水资源利用方案是影响水资源利用状况的关键因素，高度协调方案下黄河流域 年水资源供需缺口比中度协调方案小 亿立方米至 亿立方米，比低度协调方案小 亿立方米至 亿立方米；（）影响各省份水资源供需平衡的主导因素不同，整体来看水资源供需缺口对单位农业用水量的变动更加敏感。关键词：系统动力学；随机前沿分析；水资源供需；情景分析中图分类号：文献标识码：引言作为联通中国东、中、西三大地带的重要通道，黄河流域是中国颇具发展潜力的带状区域。经过历史上的长期开发，尤其是改革开放以来工业化与城镇化的快速建设，黄河流域已基本形成了科学合理的国土空间开发格局。年，黄河流域总人口达 亿，占全国的；地区生产总值为 万亿，占全国的，黄河流域正上升为国民经济的重要增长极之一。然而，随着资源开发强度增加、城市建设规模扩大，加之过境水是黄河流域的主要水资源，生产、生活、生态用水需求已远远超过当地的水资源存蓄量，诱发了严重的水资源供需矛盾。年月 日，习近平总书记在河南考察调研时正式将黄河流域生态保护与高质量发展确立为国家战略，并指出黄河流域存在水资源利用较为粗放、农业用水效率不高、水资源开发利用率居高不下等问题，将推进水资源节约集约利用作为黄河流域生态保护与高质量发展的主要目标任务之一。为将黄河锻造成造福人民的幸福河，中央于 年 月再次强调“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”四项原则，将其作为驱动黄河流域绿色、可持续、高质量发展的战略指引。妥善解决黄河流域水资源短缺、水环境质量下降、水生态破坏等问题，在生产、生活、生态用水的三维刚性约束下探索绿色集约的用水模式，对于促进黄河流域生态保护与高质量发展具有重要意义。黄河流域水资源问题一直是学术界重点关注的问题，在黄河流域生态保护和高质量发展背景下，国内外学者从不同方面加强了黄河流域水资源问题的研究。一方面，当前较多研究从水资源利用效率、水资源脆弱性、水资源承载力，等角度，分析了当前黄河流域水资源利用现状及存在的问题。另一方面，一些学者深入研究了黄河流域水资源配置方案和管理制度，为新形势下黄河流域水资源的科学高效利用提供了重要参考。此外，国外一些研究还从水资源供需平衡的角度进行仿真模拟，利用大型水文模型预测了全球变暖等气候因素影响下的未来水资源供给变动情况 。值得注意的是，当前有关黄河流域水资源供需平衡的研究较为注重对水资源供给情第 卷第期（总第 期）系统工程 ，年月 ，收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：孙久文（），男，北京人，中国人民大学应用经济学院教授，博士生导师，研究方向：区域经济理论，资源经济学，中国经济地理。通信作者：高宇杰（），女，河南驻马店人，中国人民大学应用经济学院博士研究生，研究方向：资源经济学，区域创新。况的模拟，对用水需求的变动只是通过简单的线性模型进行推测，忽视了导致用水需求变动的经济增长、产业结构、人口增长、城镇化等社会经济因素，不能充分反映高质量发展战略背景以及经济社会发展新常态下的水资源供需变动情况。在水资源供需平衡的研究方面，由于系统动力学模型能够更好地处理非线性、多变量、多反馈的复杂系统问题，而水资源系统运行具有动态性和复杂性，当前较多研究采用该方法对水资源供需情况进行预测。通过构建包含经济要素、人口要素、环境要素的水资源供需系统模型，学者们 分 别 以 全 国、北 京 市、深 圳 市、青 岛市、长江流域、渭河流域 等地区为研究对象展开了丰富的研究。以上这些研究在有关水资源需求的模拟方面相对较为简单，一般通过直接设定产业、人口的增长率以及用水强度等变量预测各类用水需求，未考虑经济系统内部的投入产出关系，忽视水资源作为投入要素对经济增长的影响，不能充分反映“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”的战略总基调。实质上，当前有关水资源需求的预测方法非常丰富，总体可以划分为统计模型和机器学习模型两大类，前者通过构建相关解释变量与水资源需求的函数关系进行预测，后者利用各种复杂算法进行模拟推算。然而，当前运用系统动力学模型进行水资源供需平衡的研究未能较好地结合这两类方法测算水资源需求。为了克服现有研究的局限性，本文结合当前政策指引和发展实际，综合考虑水资源系统、经济系统和人口系统的耦合作用关系，在当前研究普遍采用的系统动力学模型基础上，结合统计模型预测水资源需求，利用随机前沿分析方法构建水资源主导的生产函数，充分反映经济社会发展和水资源系统之间的多重互动关系。设计高度协调、中度 协 调与低 度协 调 三 种 水资源 利 用 方 案，仿 真 模 拟 年不同经济增长情形下黄河流域各省份的水资源供需缺口量，并进一步对实现水资源供需平衡的路径进行探讨，为综合调整黄河流域生产力空间布局提供政策指引。与以往研究相比，本文可能的研究贡献包括：第一，本文在系统动力学模型的基础上结合相关统计模型，将以往研究所忽略的水资源作为重要的生产要素纳入生产函数，定量刻画了水资源对于经济社会发展的制约关系，综合利用系统动力学和随机前沿分析方法，将水资源作为经济社会发展系统的主控要素，更加全面地反映了经济社会发展和水资源等系统之间的多重反馈关系。第二，已有研究表明经济发展和水资源保护相协调是推动可持续发展的最佳方案，在此基础上，本文考虑到水资源政策弹性和经济社会发展的不确定性，设计不同的水资源利用方案和经济社会发展情景，探索多目标协同下水资源供需平衡情况，进一步说明了水资源利用政策对于实现水资源供需平衡的关键性作用。第三，本文在多维情景水资源供需平衡预测结果基础上，进一步测算各省份达到水资源供需平衡的关键参数目标值，探讨了各省实现水资源供需平衡的可能路径，并提出针对性的政策建议。研究区域与研究方法研究区域黄河流域发源于青海巴颜喀拉山脉，流经青海、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东等省（区），干流河道全长 ，流域面积 万，是中国第二长河流、世界第五长河流。黄河流经地区气候复杂多样，中上游大部分地区属于干旱、半干旱地区，多年平均降水量为 毫米，而年蒸发量却在 毫米左右。黄河流域水资源总量较少，流域面积占全国国土面积的，年径流量仅占全国的，人均水资源量仅为全国人均水平的，耕地亩均用水量仅为全国的。随着经济社会的快速发展，黄河流域水资源需求不断增加，年期间，黄河流域总用水量增长了 ，水资源利用率已高达，远超 的国际警戒线水平。与此同时，受到水资源过度开发和气候变暖等因素的影响，近年来黄河流域径流量明显减少，使得黄河流域水资源供需矛盾进一步加剧。本文拟以黄河流域各省份为研究对象，运用系统动力学模型和随机前沿分析方法，对各省份水资源供需关系进行模拟分析。研究方法（）系统动力学模型参照已有研究，构建包含水资源供给、水资源需求、水环境、经济和人口多个子系统在内的系统动力学模型，形成如图所示的耦合作用分析框架。水资源系统包括水资源供给、水资源需求与水环境三个子系统，各子系统之间相互作用从而实现水资源系统的平衡。水资源供给水平限制了水资源需求规模，而水资源需求的增加也会对水资源供给能力提出更高的要求；当水资源供给超过一定限度则会对水环境质量带来压力，而通过提高污水再利用率也可以相应增加水资源供给；水环境的改善需要增加生态环境用水，从而增加水资源需求量，而水资源需求的不断增加也会产生污水排放降低水环境质量。系统工程 年机器学习模型属于数据驱动的“黑箱”模型，主要基于历史数据进行预测，难以准确刻画各变量之间的关系，无法准确预测水资源利用政策变动产生的影响，因此本文采用更为直观的统计模型预测水资源需求的变动。图水资源系统、经济系统与人口系统的耦合作用关系除了水资源系统内部的相互作用外，水资源系统与经济系统、人口系统存在相互作用关系。对于水资源系统和经济系统，一方面，水资源作为重要的生产要素，其供应量的多少会影响高耗水行业和农业的发展，从而影响经济增长。另一方面，经济规模的增长会带来生产用水的增加，从而增加水资源需求；同时生产过程中会产生污水排放，从而影响水环境。对于水资源系统和人口系统，第一，水资源供给能力会影响城镇化进程，对城市人口的增长造成影响。第二，城市和农村人口的增长会增加生活用水需求，同时居民生活会产生一定的生活污水污染水环境。此外，经济系统和人口系统之间同样存在相互作用关系，人口系统为经济增长提供人力资本，而经济水平的提高会影响人口增长和城镇化水平。本文所构建的耦合作用分析框架与已有研究不同，遵循了“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”的原则，考虑到了被以往研究忽略的水资源系统对经济系统和人口系统的影响，使得各系统之间能够相互作用、相互制约，形成完整的反馈闭环。考虑到黄河流域各省份地形地貌、气候环境差异大，中上游地区生态环境较为脆弱，水土流失严重，生态用水需求较高；中下游地区人口密集、产业集聚，生产、生活用水需求较大，本文结合黄河流域各省份特点分省份进行模型参数设定。在生产用水方面，进一步将系统动力学模型与随机前沿分析方法结合，突出水资源对经济增长的约束作用，通过“以水定产”的分析思路对未来经济增长和水资源需求 进 行 模 拟。模型的构建和拟合预测均在 软件中进行，最终构建的模型如图所示，所涉及到的主要方程和参数设定如下，涉及到的主要变量之间的数量关系如表所示。图黄河流域水资源系统动力学模型示意图水资源供给系统：水资源供给（）主要包括地表水源供应量（）、地下水源供应量（）和再生水供应量（）。对于地表和地下水源供应量的预测，已有研究较多通过水资源量乘以水资源利用率的方法计算，为减少气候因素影响设定水资源量在预测期间为常数。然而，黄河流域各省份地表和地下水资源受气候因素影响历年波动幅度较大，变动趋势不明显，将其设定为常数不能较好地反映水资源供应量的年度变动情况，且数据的不稳定性导致无法得到较好的拟合结果。考虑到黄河流域各省份地表水资源供应量和地下水资源供应量变动幅度相对较 小 且 具 有 明 显 趋 势 的 特 点，本 文 参 照 等（）的研究，分别利用对数函数、指数函数、线性函第期 孙久文，高宇杰：黄河流域水资源供需平衡的动态仿真与模拟数、二元函数和灰色（，）等模型直接对各省份的地表水源供应量和地下水源供应量进行拟合，并选取拟合效果较好的模型对预测期间的地表和地下水资源供应量进行测 算。对 于 再 生 水 供 应 量（），根 据 等（）的研究，设定其等于废水排放量（）乘以再生水利用率（），废水排放量的计算将在下文中进行详细说明，再生水利用率在各省基期的基础上每年提高个百分点，从而反映污水处理技术的进步。水资源需求系统：水资源需求系统是系统动力模型的核心。水资源需求包括工业生产需水、农业生产需水、城镇和农村生活需水以及生态环境需水。其中，工业需水（）等于工业增加值（）乘以万元工业增加值需水量（）；农业需水（）等于农业增加值（）乘以万元农业增加值需水量（）；生活需水（）分为城镇生活需水（）和农村生活需水（），分别用城镇人均生活需水定额（）和农村人均生活需水定额（），乘以城镇人口（）和农村人口（）计算得到；生态环境需水（）根据分阶段历史增长率（）和生态环境需求因子（）进行预测。对于工业增加值和农业增加值，分别由工业和农业系统的物质资本、劳动力和水资源投入量决定，并根据拟合得到的生产函数进行预测，具体拟合方法将在随机前沿分析方法部分进行详细说明。万元工业增加值需水量、万元农业增加值需水量、城镇人均生活需水定额和农村人均生活需水定额等根据历史数据分阶段设定数值进行拟合，在预测期根据相关水资源利用方案进行设定。生态环境需求因子根据库兹涅茨理论设定，根据该理论，当经济发展达到拐点水平之后，经济发展水平的增加将带来环境污染的减少，说明人们的环保意识得到改变。蔡昉等（）的测度结果表明当人均 超过 元（年物价）时拐点将会到来，根据全国层面数据，达到该拐点之后生态环境需水量年增加率变为原来的倍左右，因此我们假定当人均 低于该水平时，生态环境需求因子取值为，当人均 超过该水平后，生态环境需求因子的取值为，从而反映经济发展水平的提高对生态环境需求的增加。水环境系统：生产和生活用水使用过程中，会产生污水排放，进而影响环境质量。因此，水资源需求系统会影响水环境系统。参照 等（），在拟合得到工业需水量和农业需水量的基础上，通过进一步设定工业废水排放系数（）和生活污水排放系数（），可计算得到工业废水排放量（）和生活污水排放量（）。其中，污水排放系数根据历史数据分阶段设定数值。同时，再生水技术可将排放的污水转化为再生水，补充生产生活用水需求，因而水资源需求系统将通过水环境系统最终影响水资源的供给。表水资源系统动力模型主要方程水资源系统主要公式水资源供给系统 水资源需求系统 （）水环境系统 注：代表生态环境需水年变化量，（）代表上一年环境需水量。经济系统：已有水资源系统动力学模型一般通过直接设定三次产业增加值增速，进而预测三次产业增加值以及 总量，或者通过设定 整体增速和三次产业增加值占比，预测三次产业增加值变动。上述设定较为简单，没有充分考虑水资源对经济系统的影响。事实上，黄河流域工农业生产用水占据较大比重，年黄河流域工农业平均用水占比约为 。考虑到用水数据的可得性和各产业用水占比情况，本文分别设定工业和农业生产函数，考虑经济系统要素投入产出关系，将水资源和物质资本、劳动力等共同作为生产要素纳入生产函数中，估计方系统工程 年法和变量设定在下文提到随机前沿分析方法部分将会进行具体说明，从而根据回归得到的参数值预测工农业增加值，体现“以水定产”的水资源利用原则。对于工业及农业部门的资本和劳动力投入要素，本文假定其由初期要素存量以及相应的要素增长率决定，不同部门不同类型的要素增长率根据历史数据分阶段设定表函数，预测期间根据下文不同的经济增长情景设定。对于水资源要素，单位产值用水量能够更好地反映节水利用状况，本文将其分别纳入工业经济增长和农业经济增长部门，并根据历史数据分阶段设定表函数，预测期根据下文不同的水资源利用方案设定。由于除工业外的第二产业和第三产业总体用水规模相对较小，因此不再设定生产函数，而是参考已有研究分阶段设定产业增加值增长率，并建立表函数关系进行预测，最终拟合得到各产业增加值和国内生产总值。人口系统：从历史趋势来看，各地区常住人口变动趋势较为稳定，因此可以根据年综合增长率预测常住人口变动情况，并通过设定城镇化率计算城镇人口总量和农村人口总量。在城镇化率参数设定上，以往研究均直接根据历史数值设定城镇化率，无法对预测期城镇化率进行较好的拟合。考虑到黄河流域各省份城镇化率仍然较低且城镇化发展阶段不同，参照卓贤 的研究，假定城镇化发展呈缓慢、加速、再缓慢的形曲线（即诺瑟姆曲线），分省份利用 模型估计城镇化的发展趋势。同时，已有研究表明，水资源短缺会对城镇化进程带来阻力 。遵循“以水定城”的原则，参照秦腾等 的研究，测算了各省份水资源对城镇化的约束因子，反映水资源约束下的城镇化发展情况。（）随机前沿分析方法如前文所述，已有研究忽略了水资源作为生产要素对工农业生产的影响，水资源作为内控要素的约束不足，未能体现“以水定产”的水资源利用战略思路。因此，进一步设定包含水资源约束的生产函数。在函数的估计方法方面，主要包括索洛余值法和随机前沿分析法（，简称为 ）。索洛余值法假定所有生产者都能实现最优化生产，将偏离最优生产结果的部分均归结为随机误差项；随机前沿分析方法认为在现实生产情况下，生产者往往不能达到生产前沿水平，存在技术效率损失，将随机误差项区分为纯随机误差项（控制统计噪音）和技术损失误差项（衡量技术非有效性），综合考虑了技术进步和技术效率对生产的影响。考虑到生产过程的不确定性，尤其是农业生产易受自然因素影响的特征，采用随机前沿分析方法预测工农业生产函数。通过将水资源作为生产要素引入到生产函数中，使得水资源对工农业生产的影响以及水资源利用效率变化的分 析 将 更 为 准 确。参 照 现 有 文 献，构 建 如 下 柯布道格拉斯形式的生产函数表达式，其中 为产出量，为各类生产要素投入量，为基期的技术水平，表示前沿技术进步率，表示随机误差项，表示技术损失误差项，该值取时表示不存在效率损失，模型转化为传统生产函数模型。（）在变量选取方面，参照雷玉桃等，工业生产函数产出变量为工业增加值，投入变量选取工业固定资产存量、工业劳动力和工业需水量；参照王学渊等，农业生产函数产出变量为农业增加值，投入变量选取农业机械量、农业劳动力和农业需水量。其中，工业劳动力为采矿业、制造业和电力、燃气及水生产供应业这类行业的城镇单位劳动力人数和私营单位劳动力人数的总和。工业固定资产存量的估算采用永续盘存法，期初工业固定资产存量将根据徐现祥等 对三次产业资本存量的估算结果，结合建筑业和工业增加值比例计算得到各省份期初工业资本存量；此外，参考张军等 将折旧率设定为，固定资产投资选取固定资产形成额作为代理指标，并按照固定资产投资价格指数进行平减。本文以 年 个省份的面板数据为样本，基于 等 的时变非效率模型进行回归估计。根据需水量等于产值乘以单位产值需水量，可以对生产函数模型进行化简，将回归得到的参数代入系统动力学模型，则可以得到在给定资本、劳动力和单位产业增加值需水定额情形下的产出水平。以农业生产为例，第一产业增加值可以根据式（）进行预测。.（）其中，表示第一产业增加值，表示农业技术进步部分，表示农业机械量，表示农业劳动力，表示万元农业增加值需水量，表示农业技术效率部分。下文将进一步假定各种生产要素的变动率，由此可以得到在综合考虑生产技术进步和效率提高的情形下，给定水资源等要素投入的工农业产值，并据此计算工农业需水量，充分体现了“以水定产”的水资源利用原第期 孙久文，高宇杰：黄河流域水资源供需平衡的动态仿真与模拟经过模型变化，农业技术部分实际为 （）（）.（.），农业技术效率部分实际为 （）（.），其中为农业用水估计系数，为黄河流域各省份农业技术初始水平，表示农业技术进步率。为农业技术无效率部分，（），其中为各省份技术无效率部分初始值，为各省技术无效率部分的变化率，随着时间的推移，技术无效率部分逐渐减小，各省份技术效率逐渐提高，即生态要素的管理配置效率不断提高，无效损耗不断减少，更加接近生产前沿面水平。则。数据来源在系统动力学模型参数设置方面，参照黄河流域各省份 年的历史数据进行设定；在工农业生产函数参数设定方面，以 年全国各省份面板数据为样本进行回归估计。采用的经济社会变量数据均来源于 中国统计年鉴 和 中国工业经济统计年鉴，水资源有关数据来源于各省份 水资源统计公报，污水排放等数据来源于 中国环境统计年鉴。为了剔除价格波动的影响，各产业增加值等经济变量按照 平减指数进行平减，统一折算为 年的价格水平。研究结果黄河流域工农业用水效率变动趋势利用随机前沿分析方法可以测算得到各省份用水效率变动情况，表和表分别展示了黄河流域各省份工业和农业用水效率的变动趋势。与已有研究相比，本文测算得到的结果接近参照值，说明测算结果较为可靠。工业用水效率方面，黄河流域整体工业用水效率提升较为显著，目前已接近全国平均水平，且各省份之间差距较小。分省份来看，目前山西工业用水效率最高，其次为河南、山东、宁夏和甘肃，其他省份的工业用水效率均低于全国平均水平。农业用水效率方面，黄河流域整体农业用水效率提升相对缓慢。受气候条件、地形因素等限制，农业用水效率与全国平均水平相比仍有较大差距，黄河流域各省份农业用水效率差距也相对较大，且呈不断扩大的态势。分省份来看，四川、河南农业用水效率相对较高，其他各省份仍有较大提升空间，青海和内蒙古农业用水效率亟待提升。整体来看，黄河流域各省份工业用水效率相对较高，而部分省份农业用水效率有待提升。模型有效性检验本文选取 年为历史区段，将模型模拟得到的数据与历史真实数据进行对比，以验证模型的有效性。由于模型涉及到的变量相对较多，选取系统中的部分关键变量进行检验，结果如表所示。由该表可以看出，无论是需水量、供水量、废水排放量等水资源系统变量，还是 总量、工农业增加值、城乡人口等经济社会系统变量，黄河流域各省份多年平均相对误差均在 以内，模拟结果较为接近真实值。因此从整体来看，模型能够较好地反映黄河流域各省份水资源利用状况和经济社会系统运行状况，能够有效模拟水资源约束下黄河流域水资源的供需关系。表黄河流域各省份工业用水效率年份青海四川宁夏甘肃内蒙古山西陕西河南山东黄河流域 参照值 注：参照值为雷玉桃等 利用随机前沿分析方法测算得到的黄河流域平均工业用水效率。系统工程 年表黄河流域各省份农业用水效率年份青海四川宁夏甘肃内蒙古山西陕西河南山东黄河流域 参照值 注：参照值为 等 利用随机前沿分析方法测算得到的黄河流域平均农业用水效率。表关键变量模拟值与真实值平均相对误差关键变量青海四川宁夏甘肃内蒙古山西陕西河南山东需水总量 工业需水量 农业需水量 生活需水量 供水总量 废水排放总量 总量 工业增加值 农业增加值 城镇人口 乡村人口 常住人口 注：表中为系统关键变量模拟值与真实值相对误差的多年平均值。基准情景下水资源供需系统模拟本文以 年为基期，利用上文构建的水资源系统动力模型，对 年黄河流域各省份水资源供需情况进行模拟。模型具体参数参考 黄河流域综合规划（年），该规划按照建设节水型农业、节水型工业、节水型城市的目标，设计了 年黄河流域第期 孙久文，高宇杰：黄河流域水资源供需平衡的动态仿真与模拟用水综合协调方案，划定了各部门具体用水效率的目标值，进而优化工农业用水效率、提高居民生活质量并改善生态环境。根据 黄河流域综合规划（年），与 年相比，年万元工业增加值需水定额下降，城镇居民和农村居民每人每天生活需水量均增加，生态环境用水量增加。综合考虑当前各省水资源利用情况和规划方案，假定黄河流域各省份基准情形用水方案为：万元工业增加值需水量每年降低，万元农业增加值需水量每年降低，城镇和农村居民生活需水定额每年增加 （人），生态环境需水量每年增加。考虑到数据可得性，地表水资源量、地下水资源量采用 年的近年平均数值；水资源利用率分别采用各省水资源量接近其近年平均数值年份的水资源利用率，没有较为接近的年份时采用插值法进行测算；城镇化率利用前文拟合得到的 模型和水资源约束因子进行估算；其他指标参考各省份的历史变化趋势和近年来的增长情况，分省设置具体参数。图展示了在上述情景设置下，黄河流域各省份需水量变动情况。整体来看，黄河流域个省份需水总量变化幅度较小，初始阶段需水总量逐渐增加，直至 年达到最大值，此后需水总量略微有所减小，年需水总量相较 年 增 加 亿 立 方 米。与 历 史 数 据 相 比，年需水总量增加 亿立方米，预测期间模拟值变动量显著小于历史真实值变动量，说明规划方案的落实能够有效减少需水量。分省份来看，除四川需水量不断减少外，预测期间其他各省份需水量均有所增加。其中，青海和内蒙古预测期需水量增加幅度较为明显，年两个省份需水量预测值分别为 和 亿立方米，与 年相比分别增加了约 和，且这两个省份在预测期内需水量呈逐年增加趋势，直到 年需水量增长率才逐渐降至以下的水平。甘肃和陕西需水量在 年达到最大值，此后保持较为稳定的水平，年两个省份需水量预测值分别比 年增加了约 和，增幅也较为明显。宁夏、山西、河南和山东个省份均于 年前后达到需水量最大值，此后需水量呈明显减少趋势，年需水量预测值分别比 年增加、和，水资源需求量增幅较小。图基准情景下需水量预测图基准情景下水资源供需缺口预测（注：当水资源供给量大于需求量时，水资源供需缺口为；四川和青海不存在水资源供需缺口，因此图中未列出。）系统工程 年图为在基准情景设置下，各省份水资源供需缺口的变动情况。整体来看，黄河流域水资源供需缺口呈现先增加后减少的趋势。初始阶段，由于单位产值需水量仍然偏高，随着工农业产值的不断增加，需水量也不断增加，加之再生水利用率较低，因此水资源供应不足，使得供需缺口不断加大，并于 年达到最大值 亿立方米。此后，随着单位产值需水量不断下降、再生水利用率不断提高，水资源供需不平衡局面有所缓解，年水资源供需缺口总量将减少至 亿立方米。然而，由于单位产值需水量不可能无限制地下降，水资源供需缺口下降的趋势可能并不会持续，尤其是随着生活和生态需水的不断增加，水资源供需缺口甚至有可能会进一步增加。分省份来看，青海和四川水资源供应较为充足，不存在供需缺口，内蒙古、山东、甘肃水资源供需缺口相对较大，尤其是内蒙古水资源供需缺口呈现不断扩大的趋势。多维情景下水资源供需缺口模拟情景设计本文进一步设置不同的水资源利用方案和社会经济发展情景，预测不同情景下水资源供需缺口的变动情况。对于水资源利用方案，参照曹祺文等（），通过调节工业、农业、生活和生态各用水部门水资源利用关键参数的变动率，形成水资源利用高度协调、中度协调和低度协调种方案。水资源利用中度协调方案即为前文所述的基准方案，高度和低度协调方案在此基础上进行调整，高度（低度）协调方案下，万元工业增加值需水量、万元农业增加值需水量年降低率分别比中度协调方案增加（减少）和，城镇和农村居民生活需水定额比中度协调方案增加（减少）（人），生态环境需水增加率比中度协调方案增加（减少），具体参数设置参见表。对于社会经济发展情景，设置高速增长、中速增长和低速增长三种情景，中速增长情景即为上文的基准情景。参照相关研究设计，设定高速增长情景下，工业固定资产投资增速、工业劳动力增速、农业劳动力增速、农业机械量增速、其他第二产业增加值增速、第三产业增加值增速均为基准情景的倍；低速增长情景下，以上指标均为基准情景的倍。由此可以得到种水资源利用方案和种经济增长情景，组合起来共种情景。其中，水资源利用中度协调方案和经济中速增长为前文所述基准情景。表水资源利用方案设置方案用水部门方案参数设定高度协调方案工业需水万元工业增加值需水量每年降低农业需水万元农业增加值需水量每年降低生活需水城镇和农村居民生活需水定额每年增加 （人）生态环境需水生态环境需水增加率为中度协调方案工业需水万元工业增加值需水量每年降低农业需水万元农业增加值需水量每年降低生活需水城镇和农村居民生活需水定额每年增加 （人）生态环境需水生态环境需水增加率为低度协调方案工业需水万元工业增加值需水量每年降低农业需水万元农业增加值需水量每年降低生活需水城镇和农村居民生活需水定额每年增加 （人）生态环境需水生态环境需水增加率为多维情景模拟结果分析不同水资源利用方案和经济增长情景下水资源缺口模拟结果见图。从模拟结果来看，水资源利用方式是影响水资源供需缺口的重要方面，且相比经济因素对水资源供需缺口的影响更大。一般而言，在保持经济增速相同状态下，水资源利用协调程度越高，工农业生产用水需求越少，生活用水和生态环境用水需求越多，因而无法直接判断不同方案下水资源供需缺口的大小。各省份的模拟结果均表明，水资源利用协调程度越高，水资源供需缺口相对越小。以 年黄河流域整体模拟结果为例，高度协调方案下水资源供需缺口比中度协调方案小 亿立方米至 亿立方米，比低度协调方案小 亿立方米至 亿立方米。由此说明，尽管高度协调方案下生活需水量和生态环境需水量有所增加，但是工业和农业生产用水需求量减少更为明显，因此最终可以带来需水量的大幅减少。此外，模拟结果同样表明，在保持水资源利用第期 孙久文，高宇杰：黄河流域水资源供需平衡的动态仿真与模拟方案不变时，经济增速越高，生产要素投入量越多，产量越多，则水资源供需缺口越大，但是不同经济增速下水资源供需缺口一般较小。相比而言，水资源利用方式对供需缺口的影响更大。图多维情景下水资源供需缺口模拟结果（注：当水资源供给量大于需求量时，水资源供需缺口为。）系统工程 年整体来看，在所有情景下，黄河流域水资源供需缺口均呈现先增加后减少的趋势，以经济中速增长情景为例，在高、中、低三种水资源利用协调度下，黄河流域分别于 年、年、年达到水资源供需缺口的最大值，供需缺口最大值分别为 亿立方米、亿立方米、亿立方米，在达到最大值之后供需缺口呈现略微缩小的趋势。因此，高度协调的水资源利用方案有利于加速供需缺口拐点的到来，减轻水资源供需紧张的局面。分省份来看，不同省份水资源供需缺口存在较大差异。青海、四川水资源丰富，在各种情景下均不存在水资源供需缺口。除甘肃和内蒙古外，其他个省份水资源供需缺口在各种情境下均呈现先增后减的倒 型趋势。具体来看，内蒙古水资源供需不平衡问题较为严重，即使在水资源利用高度协调方案下，年水资源供需缺口仍大于 亿立方米，且水资源供需缺口不断扩大，年水资源供需缺口进一步扩大到 亿立方米以上。甘肃水资源供需缺口仅在部分情景下呈现先增后减的趋势，整体水资源短缺问题较为严重，年水资源供需缺口在 亿立方米以上。山东水资源供需缺口也较大，但是水资源利用方案对水资源供需缺口的调节作用较为明显，且山东可利用临海优势，发展海水淡化产业缓解水资源压力，水资源缺口问题较容易得到解决。河南水资源供需缺口仅次于山东，在不同情景设置下水资源供需缺口变动较大，但是在水资源中度和高度协调情景下也基本能在 年之前达到水资源供需缺口下降的拐点，因此水资源供需缺口相对较为可控。陕西水资源供需不平衡问题相对也较为严重，但在高度协调的水资源利用方案下，能保持水资源供需缺口基本控制在 亿立方米以下。宁夏和山西水资源供需缺口相对较小，在水资源高度协调方案下，宁夏 年的水资源供需缺口与 年接近，山西的水资源缺口小于 年。然而，长期来看，黄河流域水资源供需矛盾仍待解决。即使在高度协调用水方案下，水资源供需缺口仍然存在：经济高速增长情景下 年和 年黄河流域供需缺口总量分别达到 亿立方米和 亿立方米。经过多年发展，黄河流域用水效率已经有了较大提高，年万元工业增加值需水量和万元农业增加值需水量分别相较 年降低了 和。考虑到生产要素最低投入量限制和生产要素边际产量递减的特征，未来降低单位产值需水定额的难度将会进一步加大，需要通过实施更加先进的节水技术、采取更加严格的节水措施、更大力度限制耗水产业的发展，才能达到高度协调用水方案下的水资源利用效率。水资源供需平衡路径探讨为了进一步探讨促进各省水资源供需平衡的具体方案，本文以 年实现水资源供需平衡为目标，测算了在保持其他参数不变的情况下，达到该目标分别需要达到的工业和农业单位用水量年变动率。同时，考虑到中度协调水资源利用方案下生活和生态用水在预测期均保持增长状态，为了缓解生活和生态用水的增加对水资源供需平衡带来的压力，除了测算基准情景下需要达到的目标值，还分别测算了预测期内生活用水定额保持不变、生态用水量保持不变和两者均不变情况下需要达到的目标值，具体结果如表所示。整体来看，水资源供需缺口对万元工业增加值用水量的变动不敏感，宁夏、甘肃、内蒙古和陕西在绝大多数情况下均无法通过单独调整工业用水实现水资源供需平衡，而万元农业增加值用水量的减少对促进水资源供需平衡有较大的作用。分省份来看，宁夏、甘肃和内蒙古各年农业用水占比均显著高于黄河流域整体水平，而工业用水占比相对较低，因此单位工业增加值用水量的降低对减少整体需水量作用不大，要重点通过降低单位农业增加用水量来减小水资源缺口。宁夏和甘肃水资源供需缺口均相对较小，农业节水潜力较大，当前万元农业增加值用水量在黄河流域各省中处于较高水平，预测期两省单位农业用水量每年分别降低和 时，可实现居民生活质量提升、生态环境改善和水资源供需平衡的协同发展目标。内蒙古水资源供需缺口相对较大，在万元农业增加值用水量每年降低 的标准下，年万元农业增加值用水量将降低为当前的，接近当前河南省的水平，农业节水压力较大，需要通过适当减少生活用水定额和生态用水量的增长，才有可能在 年实现水资源供需平衡。山西省水资源供需缺口相对较小，且工业用水占比相对较高，理论上而言工业节水和农业节水两种路径均可实现水资源供需平衡，然而仅通过单一途径对单位增加值用水量降低的要求较高，需要通过工业节水和农业节水相结合的方式减轻水资源短缺压力，在此基础上可以适度增加生活和生态用水。陕西水资源短缺问题相对较为严重，尽管工业用水占比较高，然而由于水资源缺口相对较大，仅通过工业节水的路径也无法有效减小水资源缺口。在农业节水路径下，即使生活用水定额和生态用水量不增加，万元农业增加值需水量每年需降低 的情况下才能有效减少用水需求，而陕西当前单位农业用水已经处于较低水平，农业节水潜力相对较小。因此，仅通过降低工农业用水定额的方式无法有效解决陕西水资源短缺问题，需要通过产业结构的调整，发展节水产业，加快退出高耗水产业才有望实现陕西水资源供需平衡。河南水资源供需缺口相对较为可控，工业节水和农业节水路径均可实现水资源供需均衡。各情景下万元工业增加值需水量降低率整体小于其他省份，节水压力相对较小，且当前河南万元工业增加值需水量仍相对较高，工业第期 孙久文，高宇杰：黄河流域水资源供需平衡的动态仿真与模拟节水潜力较大。因此，河南可通过重点加强工业节水，同时结合农业节水双管齐下，缓解未来水资源供需压力。山东水资源供需缺口相对较大，在生活和生态用水均保持基准增长的情形下，通过万元工业增加用水量的减少不能有效缩小水资源缺口，万元农业增加值用水量每年降低 能实现水资源供需平衡。然而，当前山东工农业单位增加值用水量已经处于较低的水平，继续大幅降低工农业单位增加值用水量较为困难。因此山东整体节水空间较为有限，需要通过增加水资源供给的方式缓解水资源短缺压力。表 年水资源供需平衡目标下工农业用水变动情况参数假设宁夏甘肃内蒙古山西陕西河南山东万元工业增加需水量年降低率生活基准，生态基准 生活不变，生态基准 生活基准，生态不变 生活不变，生态不变 万元农业增加需水量年降低率生活基准，生态基准 生活不变，生态基准 生活基准，生态不变 生活不变，生态不变 注：生活基准指预测期生活用水变动与基准情景设定相同，即城镇和农村居民生活需水定额每年增加 （人）；生态基准指预测期生态用水变动与基准情景设定相同，即生态环境需水增加率每年为；生活不变指预测期城镇和农村居民生活需水定额不增加；生态不变指预测期生态环境需水量不增加。万元工业农业增加需水量年降低率是指在保持其他用水参数不变情况下，只改变万元工业农业增加值需水量变动率测算得到的结果。“”表示无法通过相应参数的调整实现 年水资源供需平衡。由于四川和青海不存在水资源供需缺口，因此表中未列出。结论与建议本文运用系统动力学和随机前沿分析方法，遵循“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”原则，构建了包含水资源供给、水资源需求、水环境、经济、人口等多个子系统的系统动力学模型，模拟了黄河流域各省份的水资源供需状况。在此基础上，设计了生产、生活、生态三维刚性约束下的水资源协调利用方案以及不同的经济增长情景，预测了多维情景下各省份水资源供需变动状况，并探讨了各省实现水资源供需平衡的可能路径，得到如下结论：（）年以来，黄河流域各省份工农业用水效率均得到了显著提升。工业用水效率接近全国平均水平，且流域内各省份差距较小；农业用水效率低于全国平均水平，且流域内各省份差距在逐渐拉大，部分地区农业用水效率仍需提升。（）预测期间内，黄河流域整体供需缺口呈现先增加后减少的趋势，基准情景下 年水资源供需缺口达到最大值 亿立方米，年供需缺口减少至 亿立方米。分省份来看，青海和四川不存在水资源短缺问题；内蒙古预测期内水资源供需缺口不断增加，水资源短缺问题较为严重；较多省份水资源供需缺口呈先增加后减少的趋势，甘肃、河南和山东的水资源供需缺口也相对较大。（）水资源利用方案是影响水资源利用状况的关键因素。高度协调的水资源利用方案通过增强工业节水和农业节水，在提高居民生活质量、增加生态用水的同时，能够显著缩小水资