孙建光

(新疆财经大学 统计与数据科学学院，新疆 乌鲁木齐 830012）

水资源短缺严重制约城市群城市化进程与社会经济发展［1］,提升城市群水资源保障能力成为当务之急。为此,水利部强调“以水定城”,实行最严格水资源管理制度,城市水资源合理配置逐渐成为研究热点［2-4］。国家城市群发展规划推动了基于城市群的水资源优化配置研究［1,5］,但国内城市群水资源优化配置研究大多集中于较发达的环渤海、京津冀、长株潭和珠三角城市群,西北干旱区城市群的水资源系统合理配置研究较少。系统动力学(SD)方法因在处理水资源系统的非线性、复杂性、动态性等方面具有诸多优点而逐渐成为水资源系统配置研究的主要方法［2,6-8］,其中基于SD 模型的城市群水资源合理配置研究逐渐增多［5］,主要涉及水资源承载力［9］、需水预测［8］、水资源供需分析［2,4,6］和水资源优化配置［7］等方面。

在水资源刚性约束下,提高水资源保障能力对于推动干旱区绿洲城市群高质量发展具有重要意义。本文从水资源供需管理角度出发,以区域经济、社会与生态和谐发展为目标,综合考虑生产、生活和生态环境需水量,采用SD 模型,设计新疆乌(乌鲁木齐市)昌(昌吉市)一体化绿洲城市群不同水资源配置方案,以期为城市群水资源系统合理配置与高质量发展模式选择提供参考。

1 研究区概况与数据来源

乌昌一体化绿洲城市群包括新疆首府乌鲁木齐市、昌吉市、阜康市、五家渠市,既是天山北坡城市群的核心区,也是“丝绸之路经济带”的核心区。流经该区域的头屯河和乌鲁木齐河水资源开发率超过80%,地下水严重超采,生态用水紧缺,城市群发展与水资源供需矛盾亟须解决。

本研究所用数据主要来源于乌昌一体化绿洲城市群各市的水资源公报、《中国水利年鉴》《新疆维吾尔自治区城市、县城建设统计年报》《新疆统计年鉴》《乌鲁木齐统计年鉴》《昌吉回族自治州统计年鉴》《阜康市统计年鉴》《新疆生产建设兵团第六师五家渠市统计年鉴》等资料。

2 研究方法

城市群水资源系统是一个由人口、经济、生态、水资源等子系统构成的复合系统。基于城市群水资源系统结构和影响因素分析,首先确立城市群水资源系统各子系统之间的关系及各子系统内部结构,然后建立乌昌一体化绿洲城市群SD 仿真模型,模拟水资源系统的动态变化并进行结果分析。乌昌一体化绿洲城市群水资源系统涉及水资源供求、生活用水、生产用水、生态用水、废污水排放、地区生产总值、总人口等主要影响因素,可通过建立SD 模型来定量描述。

人口子系统SD 方程:

式中:TP、BP、DP和MP分别为总人口、出生人口、死亡人口和迁移人口数量；P0为人口初始值；INTEG为SD 模型软件VENSIM 中的函数；BR、DR和MR分别为出生率、死亡率和迁移率；UP和UR分别为城镇人口和城镇化率。

经济子系统SD 方程:

式中:AI、AC分别为农业灌溉面积和灌溉面积变化量；IG、ΔIG、TG和ΔTG分别为工业生产总值、工业生产总值变化量、第三产业生产总值和第三产业生产总值变化量；RI和RT分别为工业和第三产业生产总值变化率；AI0、IG0和TG0分别为农业灌溉面积初始值、工业生产总值初始值和第三产业生产总值初始值。

生态子系统SD 方程:

式中:GA、ΔGA、GA0和RG分别为绿化面积、绿化面积变化量、绿化面积初始值和绿化面积变化率；WD、UD、ID和TD分别为污水年排放量、城镇生活用水量、工业用水量和第三产业用水量；UC、IC和TC分别为城镇生活、工业和第三产业污水排放系数；ST和TR分别为污水处理量和污水处理率。

水资源子系统SD 方程:

式中:WS、US、DS和MS分别为供水总量、地表水供水量、地下水供水量和中水利用量；WD、LD、PD和ED分别为需水总量、生活需水量、生产需水量和生态需水量；AD、ID和TD分别为农业需水量、工业需水量和第三产业需水量；LA、PI和IU分别为灌溉面积、单位灌溉面积用水量和灌溉水利用系数；GA和PA分别为绿化面积和单位绿化面积用水量。

3 基于SD 的乌昌一体化绿洲城市群的水资源保障能力模拟方案

参照乌昌一体化绿洲城市群乌鲁木齐市、昌吉市、五家渠市和阜康市“十三五”规划中的社会经济发展目标,确定现状延续型、经济发展型、资源节约型、环境友好型和协调发展型5 种水资源保障能力模拟方案。

(1)现状延续型方案。根据2020—2030 年乌昌一体化绿洲城市群发展战略,到2030 年,城市群的城镇化率将达到68%,工业生产总值年增长率稳定在8%,第三产业生产总值年增长率稳定在10%。

(2)经济发展型方案。乌昌一体化绿洲城市群各城市“十三五”规划中的社会经济发展目标与现状延续型方案相比,工业生产总值年增长率提高到10%,第三产业生产总值年增长率提高到13%,地区人口迁移变化率设定为1%；考虑技术进步因素,设定灌溉水利用系数为0.78,万元GDP 工业用水量减少5%。

(3)资源节约型方案。与现状延续型方案相比,主要通过减小灌溉面积、提高灌溉水利用系数减少农业需水量；在水资源高效利用的同时,减缓经济发展速度,加大环境保护力度,将污水处理率和再生水回用率分别提高到99%和35%；工业生产总值和第三产业生产总值年增长率分别调整为7%和10%,万元工业增加值用水量减少10%。

(4)环境友好型方案。尽量减少城市产生的污染,提高城市环境质量。与现状延续型方案相比,将污水处理率提高到99%,生活和工业COD 排放浓度分别降为122.4、71.1 mg/L,绿化面积年增长率提高到3%,人口自然变化率设定为1%。

(5)协调发展型方案。以资源节约和环境友好型城市为目标,考虑技术进步、人口变化以及经济发展,将城市群工业生产总值年增长率调整为10%,第三产业生产总值年增长率调整为13%,灌溉水利用系数提高到0.78,城市绿化覆盖面积年增长率提高到3%,污水处理率提高到99%,中水利用率提高到30%,生活和工业COD 排放浓度分别降为122.4、71.1 mg/L。

4 结果分析

4.1 不同方案的城市群水资源保障能力分析

由乌昌一体化绿洲城市群各方案的水资源供需变化模拟结果(见表1)可知,2020—2030 年不同模拟方案需水总量均呈上升趋势,供水总量均呈下降趋势,水资源供需比也呈现下降趋势,表明未来水资源保障能力逐渐降低。资源节约型方案2020—2030 年水资源供需比大于1,供需平衡且略有结余。协调发展型方案2020—2029 年水资源供需比大于1,供需平衡且略有结余；2030 年水资源供需比为0.98,供需差额为-0.35亿m3,出现水资源短缺情况。环境友好型方案2020—2027 年水资源供需比大于1,供需平衡且略有结余；2028 年及以后水资源供需比小于1,供需差额为-0.35 亿～-1.36 亿m3,出现水资源短缺情况。现状延续型和经济发展型方案2020—2027 年水资源供需比不小于1,水资源供需平衡且略有结余；2028 年及以后水资源供需比小于1,现状延续型和经济发展型方案水资源供需差额分别为-0.27 亿～-1.37 亿m3和-0.66亿～-2.21 亿m3,出现水资源短缺情况。不同方案的水资源保障能力大小排序为资源节约型＞协调发展型＞环境友好型＞现状延续型＞经济发展型。各模拟方案的水资源保障能力都大于2030 年75%保证率下的水资源供需比预测结果0.85,资源节约型方案和协调发展型方案水资源保障能力也都大于2030 年50%保证率下的城市群水资源供需比预测结果0.95。因此,总体上乌昌一体化绿洲城市群基于SD 模拟方案中资源节约型方案和协调发展型方案水资源保障能力较大。

表1 基于SD 的2020—2030 年乌昌一体化绿洲城市群水资源供需不同方案模拟结果 亿m3

与现状延续型方案相比,资源节约型、环境友好型和协调发展型方案的水资源供需矛盾均有所缓和,其中:资源节约型方案2030 年需水总量比现状延续型方案下降13.00%,水资源供给能够满足需求；环境友好型与协调发展型方案2030 年需水总量比现状延续型方案分别下降0.51%、3.30%。可以看出,乌昌一体化绿洲城市群的资源节约型、协调发展型和环境友好型方案2030 年水资源供需比均接近1,基本可实现水资源供需平衡；资源节约型方案水资源保障能力最大,经济发展型方案最小。

4.2 不同模拟方案的城市群产业用水结构优化及其用水效率分析

基于SD 的2020—2030 年乌昌一体化绿洲城市群各产业需水量不同方案模拟结果见表2。2020—2030年,乌昌一体化绿洲城市群各模拟方案第一产业用水量年增长率平均下降2.78%,这得益于节水技术应用使得用水效率逐渐提高,但2030 年第一产业用水量仍有8.55 亿～9.31 亿m3,占总用水量的37.3%～40.5%；城市群用水结构调整仍有较大空间。环境友好型方案第一产业用水量与现状延续型方案差别不大,其他方案第一产业用水量明显减少；2025 年前其他各方案差别不大,2025 年后资源节约型方案节水效果逐渐与其他方案差别明显。2030 年,资源节约型方案第一产业需水量比现状延续型方案减少0.76 亿m3,降低8.2%；经济发展型与协调发展型方案第一产业需水量比现状延续型方案均减少0.35 亿m3,降低3.76%。乌昌一体化绿洲城市群不同模拟方案工业需水量与第三产业需水量均呈上升趋势,其中:经济发展型方案的工业需水量和第三产业需水量最高,与现状延续型方案相比,2030 年分别增长18.39%和25.00%；其次是协调发展型方案,2030 年第三产业用水量比现状延续型方案增加11.54%、工业需水量比现状延续型方案增加0.53%；资源节约型和环境友好型方案的工业需水量比现状延续型方案分别下降19.44%和10.58%,第三产业用水量变化不大。总之,乌昌一体化绿洲城市群的各模拟方案第一产业用水量持续降低,工业和第三产业需水量持续增加,产业用水结构不断优化。与现状延续方案相比,协调发展型方案第一产业需水量降低最大且供需水缺口最小；资源节约型和环境友好型方案次之；经济发展型方案的工业和第三产业需水量增加最多,会导致供需水缺口增大,加重水资源短缺。

表2 2020—2030 年乌昌一体化绿洲城市群各产业需水量不同方案模拟结果 亿m3

2020—2030 年乌昌一体化绿洲城市群工业和第三产业生产总值不同方案模拟结果见表3。2020—2030 年,较现状延续型方案,经济发展型方案工业生产总值增速最大,为24.63%；协调发展型方案增长11.71%；资源节约型方案和环境友好型方案增速均下降。各产业用水效率各不相同:经济发展型方案需水量与工业和第三产业生产总值变化幅度最大,资源节约型和环境友好型方案需水量与工业和第三产业生产总值变化幅度最小；协调发展型方案工业、第三产业生产总值与其需水量都呈增长趋势,其中协调发展型方案2030 年工业生产总值增长11.71%、工业需水量增加0.53%,第三产业生产总值增长11.69%、第三产业需水量增加11.54%,表明调整产业结构能提高生产用水效率。显然,乌昌一体化绿洲城市群协调发展型方案用水效率最高,资源节约型和环境友好型方案用水效率最低。

表3 2020—2030 年乌昌一体化绿洲城市群工业和第三产业生产总值不同方案模拟结果 万元

4.3 不同模拟方案的城市群生活需水量与生态需水量

2020—2030 年乌昌一体化绿洲城市群生活需水量和生态需水量不同方案模拟结果见表4。2020—2030 年,乌昌一体化绿洲城市群各模拟方案的生活需水量年均增长率为1.26%～1.62%,均呈上升趋势。与现状延续型方案相比,经济发展型方案生活需水量仅下降6.70%,下降幅度最小；其他各方案生活需水量下降20.00%左右,因此乌昌一体化绿洲城市群的资源节约型、环境友好型和协调发展型方案都能够保证总人口稳定增长的生活需水量要求。乌昌一体化绿洲城市群各方案生态需水量大小排序为现状延续型＞经济发展型＞协调发展型＞资源节约型＞环境友好型。各模拟方案的生态需水量年均增长率为1.29%～1.41%。与现状延续型方案相比,经济发展型和协调发展型方案生态需水量较大,两方案绿化覆盖面积都增加14.21%；而环境友好型和资源节约型方案生态需水量则较低,两方案绿化覆盖面积都变化不大。2030 年乌昌一体化绿洲城市群COD 排放不同方案模拟结果见表5。2030 年经济发展型方案的COD 排放量比现状延续型方案增加8.67%,环境友好型、资源节约型和协调发展型方案COD 排放量分别降低23.01%、19.69%和16.42%。因此,乌昌一体化绿洲城市群的经济发展型方案会使生态环境恶化,而环境友好型、资源节约型和协调发展型方案对生态环境都有改善作用,其中环境友好型方案和资源节约型方案较优。

表4 2020—2030 年乌昌一体化绿洲城市群生活需水量和生态需水量不同方案模拟结果 亿m3

表5 2030 年乌昌一体化绿洲城市群COD 排放不同方案模拟结果

综合考虑生产、生活和生态环境模拟效果,协调发展型方案是乌昌一体化城市群水资源配置的最优方案。

5 结语

综合考虑生产、生活和生态环境,协调发展型方案的水资源综合保障能力最大,资源节约型和环境友好型方案次之。乌昌一体化绿洲城市群在水资源刚性约束下的未来发展最优模式是基于资源节约和环境友好的资源环境和经济协调发展。协调发展型方案2030年的水资源供需比为0.98,基本能够保障未来城市群发展的水资源需求；第一产业用水量降低,工业和第三产用水量增加,用水结构不断优化；用水效率得到提高,生活用水得到保障,生态环境得到改善。未来可利用多目标规划模型,在协调发展型方案的基础上,进一步对敏感性参数进行优化调整,确定更理想的模拟方案,更好地保障乌昌一体化绿洲城市群的水资源供给,优化用水结构,实现水资源高效配置。