张玲玲, 沈家耀, 王伟荣

(河海大学 公共管理学院,江苏 南京 211100)

“三条红线”约束下区域水资源复合系统仿真与模拟研究
——以菏泽市为例

张玲玲, 沈家耀, 王伟荣

(河海大学 公共管理学院,江苏 南京 211100)

为了将最严格水资源管理制度落到实处，实现管理制度的可量化和可操作化，在综合考虑用水需求、用水供给和用水特性的基础上，运用系统动力学方法构建了包括人口、经济、用水、资源、环境等系统的水资源复合系统动态模型。并以菏泽市为例，模拟分析了其在现状发展情景下和基于“三条红线”目标约束不同情景下，水资源利用的变化情况。计算结果显示：在现状发展情景下，2020年菏泽市将缺水1.5 亿m3，水资源供需平衡比为0.94，水污染比为0.025 8；“三条红线”目标约束情景下，不同的模拟方案结果不同，其中综合效益排名前20%的方案极大地缓解了菏泽市水资源的供需矛盾，减轻了水污染状况，可为探讨制定菏泽市合理的“三条红线”目标提供借鉴。

最严格水资源管理制度；“三条红线”；水资源复合系统；系统动力学；模拟仿真

随着人口的急剧增加以及工业化和城镇化的迅猛推进,我国水资源供需矛盾日益突出,水环境污染状况不断恶化,水资源系统承载能力逐渐减弱。以此为主要特征的水危机已经使得我国部分地区丧失了发展的活力,严重影响了经济社会的可持续发展。常规的水资源管理模式已很难解决当前的水问题。

根据水利改革发展的新形势和新要求,2012年1月,国务院发布了《关于实行最严格水资源管理制度的意见》,明确了水资源管理“三条红线”的主要目标[1]。众多学者针对“三条红线”也开展了有价值的研究。2010年，李原园[2]分析了水资源合理配置在实施最严格水资源管理制度中的基础性作用。2014年，刘晓等[3]以北京市为例,构建了水资源管理“三条红线”指标体系,并提出了评价方法。但是由于社会、经济、环境等系统的复杂性和动态性因素,目前缺乏定量评价“三条红线”目标对水资源利用系统影响的方法。因此，有必要建立一个反映水资源供求、分配关系的全面的水资源复合利用系统，来模拟分析“三条红线”对该系统用水行为的政策影响。

系统动力学(System Dynamics,SD)是美国学者J.W.Forrester建立的一种理解复杂动态行为的方法,它通过信息反馈控制原理并结合因果关系逻辑分析,能够有效地模拟系统结构、功能和行为之间的动态关系[4]。目前,系统动力学在水资源方面的应用研究主要集中于区域需水预测、水资源承载力计算和水资源综合利用方面。1994年，Ruth Matthias等[5]运用系统动力学方法，针对美国佛罗里达州沿海地区的海水倒灌对水资源利用造成的影响进行了模拟分析。2010年，陈南祥等[6]基于SD模型,建立了河南省的水资源模型,对河南省未来水资源的需求量进行了模拟和预测,并提出了水资源配置方案。2016年，张玲玲等[7]在描述用水系统与社会经济系统耦合关系的基础上,构建了江苏省用水结构与产业结构、用水需求与社会发展指标互动反馈的系统动力学模型。

目前，学术界运用SD方法模拟研究最严格水资源管理制度下的“三条红线”还很罕见,但二者的结合能够很好地弥补传统因果分析法中单一描述的不足。因此，采用SD方法模拟“三条红线”中用水总量、用水效率及污染排放的变化趋势,能够比较全面地反映系统宏观、长远的发展趋势。

基于此,本文拟运用SD方法对水资源、经济以及环境等子系统间的耦合关系进行综合分析,构建水资源复合系统,并以菏泽市为例,结合“三条红线”管理目标进行情景设计,分析现状发展情景下和“三条红线”目标约束不同情景下水资源系统的变化情况,最后优选出前20%的情景方案,以期为菏泽市制定最严格水资源管理制度提供决策参考。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

菏泽市位于山东省境内,辖1个区、8个县,总面积1.2万km2，总人口约为843万人。菏泽市属淮河水系,地处温带大陆性季风气候区,降水量分布极不均匀,夏季降水多,冬季降水少。2014年全市生产总值为2 222.19亿元。同年，全市用水总量为22.85亿m3,其中农业用水量为18.62亿m3,工业用水量为1.37亿m3,生活和生态用水量分别为2.46亿m3和0.40亿m3。

由于近年来菏泽市经济的快速发展,当地用水需求持续增加,进而导致其水资源供需矛盾日益加剧。当前，菏泽市的水资源问题主要体现在:①水资源总量不足且地下水超采严重。2014年菏泽市水资源总量为18.44亿m3,仅为山东省的7%,且由于工业发展迅速,加上降水量偏少,导致地下水超量开采,地面沉降幅度不断增加。②用水效率低。菏泽市是一个农业大市,农业用水量巨大,但水的利用率仅在46%左右。③水污染严重。菏泽市的水资源开发利用中,化学需氧量(COD)入河量逐年增加,已大大超过了水体的自净能力,水质问题日益突出。

1.2 数据来源

本文研究所采用的数据来源于:《菏泽市统计 年鉴》(1978—2011)、“菏泽市水资源公报”(2001— 2012)、菏泽市“五年计划”(2011)、《南水北调工程,山东省配套工程规划》(2011)、“全国水资源综合规划技术计划”(2002)、《山东省统计年鉴》(1980— 2011)、《山东省淮河流域综合规划报告》(2010)、《山东省调查评价》等。

2 SD模型的构建

SD模型是系统动力学(System Dynamic)模型的简称，它由变量、参数和函数关系共3项要素构成，主要研究复杂系统的时变问题。本次SD模型的构建选取菏泽市作为空间区域，时间序列选取2008—2030年。其中2008年为基准年，2008—2011年为检验模拟阶段，2012—2030年为预测模拟阶段，步长为1 a。

2.1 因果关系图的建立

在建模过程中,需要通过因果关系图来描述系统的结构。因果关系图是各元素之间因果关系的直接体现[8]。一个因果关系图包含多个变量,变量的因果关系用箭头来标记,每一个因果链的极性或正(+)或负(-)。人口、水资源、经济以及环境系统具有各自的内部循环,同时与其他子系统密不可分,并且相互影响。这种相互间的作用规律共同组成了一个复合的系统因果关系。荷泽市水资源复合系统的因果关系如图1所示。由图1可知，水资源复合系统内存在多条正、负反馈回路,其中R1、R2代表正反馈回路;B1、B2代表负反馈回路。

图1 菏泽市水资源复合系统的因果关系

2.2 系统流图的建立

菏泽市水资源系统是区域内所有供水主体、用水主体及其间的相互作用构成的复合系统,层次和结构都极其复杂。本文针对菏泽市水资源特征,结合各用水主体行为,将菏泽市水资源系统分为人口、经济、用水、资源、环境5个子系统,以充分认识各子系统中的反馈状态和动态性。运用系统动力学专用建模软件Vensim构建了菏泽市水资源复合系统动态模拟模型,来反映各子系统之间的内部响应关系。菏泽市水资源复合系统流图如图2所示。

图2 菏泽市水资源复合系统流图

2.3 SD模型参数的选取

SD模型中涉及到的主要参数基础数据采用整理得出的2008年菏泽市相关指标的统计数值,而2020年和2030年的变量采用表函数的方式予以定义[9]。鉴于菏泽市某些指标数据的缺失,本文运用线性规划法、插值处理法等得到各项变量的取值，SD模型中主要参数的取值情况见表1。

表1 菏泽市水资源SD模型的主要参数取值

2.4 SD模型的检验

SD模型的检验，即将模型的计算结果与实际数据相比较,检验两者是否相匹配或一致,可对SD模型模拟的可靠性和准确性做出判断[10]。本文从菏泽市水资源复合系统着手，分别从人口子系统、经济子系统和用水子系统中选取总人口、GDP和农田灌溉用水量3项指标，来判断SD模型模拟结果的可靠性，检验结果见表2。

表2 SD模型的检验结果

由表2可知,被检验指标的模拟值与实际值相比较,最大误差为6.90%未超过10%,表明SD模型的输出结果与历史数据的符合性较高。从而说明SD模型可用于该3项指标的预测和模拟。

3 结果分析

3.1 现状发展情景模拟

现状发展情景是根据历史发展水平来设置参数、直接通过模型运行而不经过人为调整而得到输出结果的。根据菏泽市水资源SD模型,通过Vensim软件对2012—2030年间菏泽市的水资源需求、社会经济以及生态环境状况的发展趋势进行仿真模拟,结果如图3—7所示。

图3 2012—2030年菏泽市GDP和总人口变化情况

图4 2012—2030年菏泽市可供水量和需水量模拟

图5 2012—2030年菏泽市水资源供需平衡比模拟

图6 2012—2030年菏泽市各用水部门需水模拟

图7 2012—2030年菏泽市水污染比变化趋势

综合分析2012—2030年菏泽市水资源复合系统的模拟结果可知：①现状发展情景下，菏泽市未来的GDP总值将迅速增长。2012年菏泽市GDP为1 382.33亿元,2030年将达到14 352.93 亿元,年均增长率约为13%。②2012—2030年期间,菏泽市的需水总量处于持续增加的态势,到2020年需水总量将达到26.29亿m3,届时将超过菏泽市最严格水资源管理制度中用水总量控制红线规定的范围,缺水量为0.52亿m3,水资源供需平衡比为0.94;到2030年，菏泽市需水总量更是高达44.96亿m3,缺水量为18.87亿m3,水资源供需平衡比仅为0.59,届时将出现严重缺水的局面。③部门需水中，农业需水量所占比例最高,占总需水量的65%左右,未来随着农业节水技术的提高、农田水利设施的改进,其用水比例将逐渐减少,而工业需水量、生活需水量和第三产业需水量在模拟期均将不断增加。④2012—2030年，菏泽市的水污染比将持续增长,表明在未来20年内，菏泽市的水污染状况将持续加重,生态环境继续恶化,将严重影响菏泽市水资源系统的良性发展。

3.2 基于“三条红线”的模拟分析

由现状发展情景的模拟结果可知,在未来20年内，菏泽市将出现严重缺水、水资源供需平衡比严重失衡的状况,菏泽市对水资源的供给量已远远满足不了经济发展的需求。面对菏泽市严峻的水资源现状,2011年以来,该市严格实施“三条红线”目标管理,增强水资源管理的硬性约束,通过转变用水方式促进经济发展方式的转变,以水资源的可持续利用确保经济社会的可持续发展。

3.2.1 指标的选取

菏泽市最严格水资源管理制度“三条红线”包括：用水总量控制红线、用水效率控制红线、水功能区限制纳污控制红线。“三条红线”从不同角度、不同层面对水资源的利用和保护进行管理，三者互为支撑，互相关联，共同构成了水资源管理体系。“三条红线”涵盖了社会、经济、环境等不同层面的多维协调关系，是一个多目标决策过程。因此，在选取指标时必须遵循系统性原则，综合考虑社会经济发展水平、水资源承载力、水环境容量等要素，以准确、全面地反映水资源管理“三条红线”的控制情况。基于此，本文在社会目标、经济目标、环境目标3个目标层面选取了能够表征“三条红线”目标约束的指标。

社会目标——用水总量控制红线。区域缺水量的多少会直接影响到社会的稳定和发展,是社会效益的一个侧面反映。社会目标是通过社会效益来体现的,而水资源供需平衡是我们追求的长远目标。因此，可以选取区域总缺水量最小来间接反映。

经济目标——用水效率控制红线。GDP是一项全面反映经济活动水平的通用指标,可以反映一个地区的经济发展水平。因此选取GDP作为经济指标，用供水产生的直接经济效益最大来表示经济目标。同时为了使GDP最大,降低万元产值用水量是关键，可通过控制用水效率指标来降低用水量并保证经济的正常发展。

环境目标——水功能区限制纳污控制红线。不管以何种方式发展社会经济,都不能毁坏生态环境,要保证废水排放总量在可控制的范围内,同时要满足水质达标率。可以通过污水处理来降低污染水量,水污染比可用来更好地诠释环境问题。因此,选取水污染比最小作为环境目标。

综上所述,最终确定“三条红线”的目标为:①供需平衡比接近1;②地区生产总值(GDP)最大;③水污染比最小。

3.2.2 敏感性分析

根据菏泽市“三条红线”目标管理，结合菏泽市水资源SD流图,初步选取6个变量:总人口、需水总量、供需平衡比、GDP、排污量和水污染比。根据系统动力学敏感性分析,找出这些变量的关键影响参数。分析公式如下:

(1)

式中:t为时间;Q(t)为变量Q在t时刻的值;X(t)为参数X在t时刻的值;ΔQ(t)和ΔX(t)分别为变量Q和参数X在t时刻的增长量；SQ为变量Q对参数X的敏感度。

从1到n的变量(Q1,Q2,…,Qn)的敏感度平均值可以表示为:

(2)

式中：n为变量个数;SQi为Qi的敏感度;S为参数X的平均敏感度。

2008—2030年期间,令每个影响参数逐年变化10%,分析其对6个变量的影响,并求出6个变量对某个影响参数的敏感度均值。敏感度分析结果如图8所示。由图8可知,各参数的敏感度均值高低不一,选取对菏泽市水资源复合系统影响的敏感度均值大于5%的参数为关键影响因子，由高到低依次为灌溉水利用系数、城镇人均日用水量、GDP增长率、水浇地用水定额、生活污水处理率、一般工业增长率、建筑业增长率、高用水工业用水定额、火电工业用水定额、工业水利用系数、第三产业用水定额、一般工业用水定额、水田用水定额、人口增长率。

图8 参数敏感度均值

3.2.3 方案设计及模拟结果分析

菏泽市最严格水资源管理制度明确规定[11]:“到2020年万元规模以上工业增加值取水量下降到18 m3以下;工业用水重复利用率提高到75%以上;城市节水器普及率提高到70%以上;农业灌溉水有效利用系数提高到0.53;全市用水总量控制在24.75亿m3以内。”按照最严格水资源管理制度和“十三五”规划的规定,确定此次方案设计的基本思路为:在其他变量的参数值保持不变的前提下，变动某一变量,计算出其他变量随之变动的情况,从而得出其对目标变量的冲击作用,并分析每种方案下菏泽市的GDP、水资源供需平衡比和水污染比的变动情况。

根据前文敏感度分析选出的关键影响因子,结合菏泽市“十三五” 规划的指导思想，最终将方案定为：在常规发展模式的基础上，每个影响因子提高或降低5%,且每次模拟只变动1个参数,其他参数值保持不变。计算结果详见表3。

表3 菏泽市在“三条红线”目标约束下的模拟结果

由表3可知,若GDP增长率提高5%，菏泽市2020年GDP总量将达到4 408.733亿元，较现状发展情景的结果增加了318.023亿元，但会导致水资源供需平衡比有所降低，不利于水资源供需矛盾的解决；若将人口增长率降低5%，由计算结果可知，在所有变化的参数中该项措施对2020年的水资源供需平衡比的影响程度最大,同时能够最大程度地降低水污染比,但也会导致GDP几乎零增长；提高生活污水处理率则会使得水污染比最低,但GDP和水资源供需平衡比却不是最优的。

由于GDP、水资源供需平衡比、水污染比3个指标的度量单位不同,无法进行比较。所以对模拟结果进行归一化处理,公式如下:

(3)

(4)

GDP是效益型指标,应越大越好；水资源供需平衡比是水资源平衡的一个标志,也应越大越好；而水污染比是成本型目标,应越小越好。因此,在归一化处理时,GDP和水资源供需平衡比选用越大越好型归一化公式；水污染比选用越小越好型归一化公式。最终选取综合目标为GDP、水资源供需平衡比与水污染比3项指标归一化后的值的总和。各参数的综合目标取值详见表4。

表4 菏泽市“三条红线”综合目标结果

由表4可知,2020年排在前20%的方案为：人口增长率(降低5%)、GDP增长率(提高5%)、水浇地用水定额(降低5%)。从长期发展的角度来看,高的经济增速势必会带来高的用水量,因经济的拉动作用对综合目标及区域协调发展的影响较大,所以将来可能会导致水污染情况越来越严重,要达到综合目标的优化,必须考虑让污染控制更有成效。因此，2030年排在前20%的方案也相应发生了变化,该年的优选方案为：一般工业增长率(降低5%)、生活污水处理率(提高5%)、高用水工业用水定额(降低5%)。

由此可见,较高的经济增长速度能带来较高的产值,但也伴随着较高的用水需求,由此引起的缺水量和污水排放量扩大，直接制约了流域经济社会的可持续发展。较低的经济发展速度虽然能一定程度上缓解区域的缺水状况,但会对流域内的居民生活水平、产业规模，甚至水资源供给造成不良影响,难以从根本上改变菏泽市水资源供需不平衡的现状。“三条红线”目标约束下的情景模拟使得菏泽市水资源供需矛盾得到很大程度的缓解,同时保证了该市经济的正常发展。综合区域社会经济发展状况与水资源约束条件和生态环境发展要求,最终分别选择综合效益排名前20%的方案作为2020年和2030年SD模型优化的基础方案。

4 结语

运用系统动力学方法,从分析研究区域的人口现状、社会经济发展状况、环境状况和水资源利用现状入手,并结合各子系统之间相互反馈作用的内在机理,建立了菏泽市水资源复合系统动力学模型,模拟菏泽市的用水需求变化趋势,分析水资源发展存在的问题。进而对模型主要参数进行敏感度分析,识别模型的主要影响因子,并根据菏泽市“三条红线”目标的各项指标,制定用水定额调整方案、人口和经济增长速度调整方案以及用水效率调整方案,量化不同调整方案对区域经济、需水、环境的影响,得到以下结论:

现状发展情景下,随着人口和经济的增长,用水需求不断增加,当前水资源可供水量已达不到社会经济和产业发展的需求,水资源供需矛盾日益突出,水污染问题也将成为制约菏泽市可持续发展的重要因素;“三条红线”目标约束下,菏泽市用水总量得到一定程度的控制,用水效率和限制纳污排放也都取得较好成效。

要真正发挥“三条红线”目标的约束作用，山东省需要严格进行用水总量控制，将控制农业用水放在首位，降低单位面积用水量；提高用水效率，实现农业灌溉从粗放型模式往高效型转变，提高工业用水效率；在严格限制工业、农业污染物排放的同时，还应加大对环保建设项目的投资。

[1]中华人民共和国国务院.〈国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见〉辅导读本[M].北京：中国水利水电出版社,2012.

[2]李原园.水资源合理配置在实施最严格水资源管理制度中的基础性作用[J].中国水利,2010(20):26-28.

[3]刘晓,刘虹利,王红瑞,等.北京市水资源管理“三条红线”指标体系与评价方法[J].自然资源学报,2014,29(6):1017-1028.

[4]FORRESTER J W.World Dynamics[M].Mass:Wright-Allen Press,1993.

[5]MATTHIAS Ruth,FREDERICK Pieper.Modeling spatial dynamics of sea-level rise in a coastal area[J].System Dynamic Review,1994,10(4):375-389.

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[9]刘俊良,臧景红,何延青.系统动力学模型用于城市需水量预测[J].中国给水排水,2005,21(6):31-35.

[10]周益,李援农.石羊河流域水资源供需平衡分析[J].水资源与水工程学报,2008,19(6):86-89.

[11]菏泽市人民政府.菏泽市人民政府关于实行最严格水资源管理制度的意见[N].菏泽日报,2012-06-06(2).

(责任编辑：张陵)

Study on Simulation of Regional Water Resources Composite System under the ″Three Red Lines″ Constraints: A Case Study of Heze City

ZHANG Lingling, SHEN Jiayao, WANG Weirong

(School of Public Administration, Hohai University, Nanjing 211100, China)

In order to implement the strict water resources management system and make it quantifiable and operational, on the basis of comprehensive consideration of water demand, water supply and water use characteristics, a dynamic model of water resources complex system including population, economy, water use, resources and environment was constructed by system dynamics method. Taking Heze City as an example, the changes of water resources utilization were simulated and analyzed under the scenarios of and the of current development ″three red lines″. The results show the water shortage of the current development situation of Heze City in 2010 is 1.5×108m3, the balance ratio of water resources supply and demand is 0.94 and water pollution ratio is 0.025 8. Different simulation scheme under ″three red lines″ constraints have different results. The comprehensive benefits of the top 20% programs greatly relieved the contradiction between supply and demand of water resources and reduced the water pollution situation of Heze City, which can provide a reference for the development of Heze City′s reasonable ″three red lines″.

most strict water management system; three red lines; water resources complex system; system dynamics; simulation

2016-09-06

国家自然科学基金项目(51579064，51279223，51479119);国家软科学计划项目(2014GXS4B047);水利部公益性行业科研专项经费项目(201301003，201201022);中央高校基本科研业务经费项目(2015B23314，2014B09414)。

张玲玲(1979—),女,山东潍坊人,教授,博士,主要从事水利经济、水资源管理、资源环境政策模拟方面的研究。E-mail:llzhang007@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.06.006

TV213

A

1002-5634(2016)06-0030-08