张诗倩， 刘昕瑀， 杨 晓， 赖 锋， 秦欢欢,2*

(1.东华理工大学 水资源与环境工程学院，江西 南昌 330013； 2.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013)

水资源是区域社会经济发展最重要的基础和保障，是良好生态环境可持续发展的控制性因素[1—3].世界上许多国家和地区面临着水资源供需矛盾所带来的危机，这也成为我国大部分地区社会和经济发展的瓶颈之一[4]，因此，水资源的合理规划与配置在解决缺水危机中发挥着至关重要的作用.而需水量预测是区域水资源合理规划与配置的前提条件和重要基础[5—6]，准确、合理地预测区域需水量，对区域社会经济和水资源的可持续发展具有重要作用[1,7].目前，需水量预测常用的方法有定额法[8]、神经网络法[9—10]、时间序列法[11]、系统动力学法[6,12]等.这些预测方法对数据处理的方式不同，除系统动力学方法外，其他方法都无法系统地刻画需水量预测中涉及的复杂动态反馈关系，无法定量描述决定需水量的各种经济、工程和技术因素，如人口、经济结构、用水习惯、技术进步等[12]，也就无法捕获水资源供需之间的系统行为[13—14].系统动力学模型既能反映出社会经济与水资源这2个系统之间复杂的动态反馈关系，又能完整反映系统中需水量发展的动态过程[4]，是解决上述问题的有效方法[15—16].系统动力学(system dynamics，SD)是1958年提出的系统仿真方法[17]，广泛应用于生态环境等领域[3,6,12,13,18—20].应用于需水量预测的SD模型，从整体出发考虑影响需水量的各种社会、经济、工程、技术等因素，是一种定性与定量相结合的模拟方法[4]，具有较广泛的应用，可较准确地定量预测区域需水量，可为水资源合理规划利用及其可持续发展提供参考.目前，SD方法已经较广泛地应用于不同区域的需水量预测和水资源可持续利用分析[4,6,7,12,14,18]，且均取得了较理想的预测效果，表明该方法在需水量预测中的适用性.

江西是水资源较丰富的省份，但人均水资源占有量仅为世界平均值的1/3，属于少水地区，总体处于缺水状态[21].由于江西省的水资源存在时空分布不均、季节性匮乏、污染加剧等问题，随着社会经济的快速发展，该地水资源的供需矛盾较突出[22].具体表现为枯水年份出现频次增多、用水总量急剧增加、枯水时段用水矛盾突出，水质明显下降、水位持续走低、水生态环境恶化趋势明显等.同时，占江西省用水总量60%左右的农业用水，普遍采用大水漫灌的灌溉方式，由此造成水资源的浪费[21].因此，采用SD模型对江西省多因素耦合的需水量进行预测与分析，探讨该区域需水量未来的动态变化过程，对于该区域用水安全的保障、水资源的高效利用以及缺水问题的有效缓解都具有重要的意义. 笔者在系统分析江西省社会经济和用水现状的基础上，通过构建并校准该地需水量SD模型，针对未来社会经济发展中可能出现的水资源问题，采用情景分析方法，模拟2017—2050年不同情景下的需水量，反映未来需水量的动态变化趋势.通过对情景模拟结果的比较，探讨未来江西省水资源供需的状况和产业结构调整与发展方向，可为该地水资源的合理配置与利用及用水安全提供参考.

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

江西省位于长江中下游南岸(φE=113°34′36″～118°28′58″,λN=24°29′14″～30°04′41″)，与浙、闽、粤、湘、鄂、皖等省份相邻，土地总面积16.69万km2(山区、丘陵和平原面积所占比例分别为36%，42%，22%).江西省境内地势南高北低，边缘群山环绕，中部丘陵起伏，北部平原坦荡，四周渐次向鄱阳湖区倾斜，形成南窄北宽、以鄱阳湖为底部的盆地状地形.江西省地处中亚热带湿润季风区，气候温和，雨量丰沛，光照充足，降水的区域分布和年际变化差异较大.江西省2016年总人口4 592万，城镇化率为53.1%，人口密度为275人/ km2，GDP为18 499亿元，属于经济相对落后的省份.江西省的地表水资源丰富，1999—2016年平均降水量为1 675 mm，平均水资源1 600亿m3[22].1999—2016年，以平均值看，江西省总用水量为229.40亿m3，其中，农业用水量为151.21亿m3(占总用水量的65.92%)，工业用水量为54.10亿m3(占总用水量的23.58%)，生活用水量为21.93亿m3(占总用水量的9.56%)，生态用水量为2.16亿m3(占总用水量的0.94%)[22].江西省水资源在时间和空间上存在分布不均的情况，降水和径流的年内季节分配不均衡，年际水量变化大，少水年和多水年持续出现，是造成全省水旱灾害的主要原因[23].同时，在水资源利用的过程中，全省总体上存在诸多问题，如水资源开发利用率低、地表水体污染加剧，由此导致水资源的供需矛盾，这在一定程度上制约了社会经济的发展和资源环境的保护[24].

1.2 数据的来源

文中的数据和来源主要包括：①社会经济数据(人口、GDP、牲畜数量、灌溉面积等)来源于2000—2017年的《江西统计年鉴》[25]；②水资源数据(地表水、地下水供水量和生态环境用水量等)来源于1999—2016年的《江西省水资源公报》[26]；③用水定额数据(生活、牲畜和灌溉用水定额等)来源于1999—2016年的《江西省水资源公报》[26]；④各类增长率数据(人口、GDP、牲畜和灌溉面积增长率等)来源于2000—2017年的《江西统计年鉴》[25].

2 江西省需水量预测SD模型

2.1 模型结构与系统流图

江西省水资源需求可分为生活、工业、农业和生态需水量4部分，而水资源供给则由地表水、地下水和灌溉回归水组成.根据水资源供需关系及江西省的社会经济状况，着重于需水量的计算.图1为需水系统和供水系统之间的相互作用及其影响因素.气象、灌溉面积、牲畜数量及其用水定额是农业需水量的影响因素，人口及其用水习惯决定了生活需水量，工业规模及用水技术则是工业需水量的决定因素.而生态需水量是模型的输入变量，无需在模型中进行计算.供需水之间的不平衡会造成水资源短缺问题，而缺水问题又会在一定程度上影响需水量.在掌握这些相互关系的基础上，通过SD模型的流图将其定量化并在VENSIM Professional上实现，而后通过设定不同的情景进行模拟和仿真.

图1 江西省需水量预测SD模型的概念模型

系统流图是系统动力学的基本变量和符号的有机组合.根据系统内部各因素之间的因果关系设计系统流图，可将系统内部各因果关系中未能反映出来的不同变量的性质和特点反映出来.通过流图中关系的量化可达到政策模拟的目的.江西省水资源系统是一个复杂的系统，它与人口、经济、社会关系密切，因此把它分为人口、农业、工业、水资源4个子系统，且各个子系统相互联系、相互影响(图2).

图2 江西省需水量预测SD模型的因果关系

2.2 SD模型的校准

江西省需水量预测SD模型的校准周期是1999—2016年，时间步长为1 a，通过校准使模拟结果与历史数据相吻合，即将历史参数输入模型经运行后得到仿真结果，再与实际发生的行为数据进行比较，验证其吻合程度，可为模型行为模拟的可靠性和准确性做出判断.表1列出了4大需水量(生活、工业、农业和总需水量)模拟结果与历史数据的对比及相对误差.由表1可知，4种需水量的模拟均反映了其动态变化的趋势，相对误差均在±5%以内.总体来说，模拟结果和历史数据拟合较好，表明了模型的可行性和适用性，可用于下一步的预测及情景分析.

表1 需水量的模拟值与历史值比较

2.3 需水量预测情景设计

江西省需水量预测SD模拟的预测期为2017—2050年.利用前一阶段获得的参数，对江西省未来的社会经济发展状况和需水量进行模拟预测.此处设计4个情景，分别是情景S1(保持现状型)、情景S2(经济发展型)、情景S3(节约用水型)及情景S4(综合发展型).每个情景下模型参数的设定，根据研究区未来社会经济发展和水资源利用的状况及趋势，并结合相关参考文献和不同情景的重点差异进行设定，具体的情景设计方案如下：

1)趋势保持型情景(S1).该情景假设江西省的发展政策及系统结构不发生大的调整，城市人口、社会经济的增长和发展速度没有太大的变化.在2030年和2050年，工业总产值的增长率保持在4%，城镇化率分别为60%，70%.

2)经济发展型情景(S2).该情景假设在当前和今后相当长的一段时间内，发展经济仍是江西省的重中之重.为此，把2030年和2050年的工业总产值增长率分别提高到7%，10%，总人口的增长率分别保持在7‰，10‰.其他参数与S1相同.

3)节约用水型情景(S3).假设江西省将水资源保护列为重点，灌溉定额降低30%(2030和2050年的灌溉定额分别为18.67，17.27 m3/hm2)，万元工业总产值用水量降低30%(2030年和2050年的工业总产值分别为38.5,31.5 m3/万元)，城镇生活用水定额降低30%(2030年和2050年的城镇生活用水定额分别为126,105 L/(人·d)).其他参数与S1相同.

4)综合发展型情景(S4).在该情景下，既强调经济的发展也注意对水资源的保护.在2030和2050年,工业总产值的增长率分别为7%，10%，总人口的增长率分别为7‰，10‰，灌溉定额降低30%(2030年和2050年的灌溉定额分别为18.67，17.27 m3/hm2)，万元工业总产值用水量降低30%(2030年和2050年的工业总产值用水量分别为38.5，31.5 m3/万元)，城镇生活用水定额降低30%(2030年和2050年的城镇生活用水客额分别为126，105 L/(人·d))，其他参数与S1相同.

3 结果与分析

3.1 需水量的预测

表2是4种情景下江西省2030和2050年的生活、工业、农业和总需水量的预测结果，图3是4种情景下江西省总需水量随时间的变化情况.由表2、图3可知，总需水量在4种情景下均呈上升的趋势.预测期内，4种情景下平均总需水量分别为286.75，343.52，228.62，268.99亿m3.到预测末期(2050年)，4种情景下总需水量分别为366.30，597.20，281.90，446.10亿m3，总需水量由小到大的顺序为S3，S1，S4，S2.虽然S3下江西省总需水量最少，但该情景以牺牲经济发展为前提；S2强调快速发展经济，导致江西省总需水量急剧增长；而S4既强调经济发展又考虑节水措施的实施，该情景下江西省总需水量保持适中的增长水平，且需水量增长与经济的发展保持相对一致的步调，是可持续发展要求下江西省可以采取的发展情景.

图3 不同情景下江西省总需水量的变化

表2 不同情景下江西省2030和2050年的需水量预测 亿m3

3.2 水资源供需平衡

表3是4种情景下江西省水资源供需平衡情况，其中，总供水量中的地表水和地下水保持和现状一致，灌溉回归水根据不同情景下灌溉用水量的不同由模型计算得到.图4是4种情景下江西省缺水指数的变化情况,其中，缺水指数是指缺水量占总需水量的比例，正值表示缺水，其他表示不缺水，且缺水指数越大，表示缺水的程度越严重.2030年，4种情景下江西省均不存在缺水的问题；到2050年，4种情景下江西省均存在缺水的问题，缺水的严重程度由小到大为S3，S1，S4，S2.到2050年，若江西省保持现状发展趋势(S1)，则缺水83.70亿m3，缺水指数为0.295 8；若江西省强调快速的经济发展(S2)，则缺水314.70亿m3，缺水指数为1.112 0；若江西省在社会经济发展中考虑节水措施的实施(S3)，则缺水11.10亿m3，缺水指数为0.040 9，缺水问题可得到有效缓解；若江西省采取综合发展的情景(S4)，则缺水175.30亿m3，缺水指数为0.646 9.由图4可知，S3只在2049和2050年存在缺水的问题，而S1，S2，S4则在模拟后期存在多年缺水的问题，S2最严重，S4次之，S1最轻.

图4 不同情景下江西省缺水指数的变化

表3 不同情景下江西省水资源供需情况

3.3 缺水情况

表4为与缺水指数有关的数据统计结果.在4种情景下，江西省在预测期内出现缺水的年份所占总年份的比例分别为44.1%，58.8%，5.9%，32.4%，相应的平均缺水量分别为40.34，120.60，8.08，81.92亿m3，平均缺水指数分别为0.142 7，0.426 7，0.029 8，0.302 5.从这几项统计数据看，江西省在预测期内、不同发展情景下，都出现不同程度的缺水问题.保持现状的发展趋势(S1)或只考虑社会经济发展(S2)，江西省在未来将面临比较严峻的缺水问题；只考虑节约用水措施(S3)，则江西省的水资源供需基本处于平衡或盈余状态，只在模拟期末会出现2 a的缺水问题，但该情景是以牺牲社会经济发展为代价而实现水资源的供需平衡，不宜采纳；综合考虑社会经济的发展和节约用水的实施(S4)，江西省仍可能出现缺水问题，但缺水的时间和程度都大大降低，该情景可以作为江西省未来社会发展所采用的发展方案.

表4 不同情景下缺水指数统计

4 结论

1)在预测期内(2017—2050年)，4种情景下江西省平均总需水量分别为286.75，343.52，228.62，268.99亿m3.到预测末期(2050年)，4种情景下江西省总需水量分别为366.30，597.20，281.90，446.10亿m3.

2)2030年，4种情景下江西省均不存在缺水的问题；到2050年，4种情景下江西省均存在缺水问题，缺水的严重程度由小到大为S3，S1，S4，S2.4种情景下，江西省在预测期内出现缺水年份所占比例分别为44.1%，58.8%，5.9%，32.4%，平均缺水量分别为40.34，120.60，8.08，81.92亿m3，平均缺水指数分别为0.142 7，0.426 7，0.029 8，0.302 5.综合看，S4从综合的角度考虑问题，经济发展与资源保护相结合，符合可持续发展的内涵，是江西省在未来应该采取的发展情景.

3)经济发展与资源保护是社会发展中重要的2个方面.为了在发展经济的过程中维持水资源的供需平衡及可持续发展，江西省需要从“开源”和“节流”2方面入手，加大宣传力度，增强全社会节约用水、保护水资源的意识，进而在促进经济发展的同时维持水资源的供需平衡.