河流水生态承载力系统动力学模型软件开发

王卫军，周孝德，周彬翀，程 文

（1.西安理工大学 环境研究所，陕西 西安 710048；2.杭州英瓦洛环境科技有限公司，浙江 杭州 310058）

河流健康可持续发展管理是国内外研究者、政府和公众持续关注的问题，由此人们提出了各种不同的管理理论，并在实践中运用，其中基于河流水资源承载力，水环境承载力，水生态承载力的理论和实践［1-5］的河流健康管理模式逐步被人们认为是一种科学可行的河流管理方式。本研究是基于水生态承载力的理论，水生态承载力是社会经济系统发展和水生态系统演变的耦合结果，对其演变趋势分析的科学性是河流和相应的区域管理决策支持的重要基础。一直来人们认为用系统动力学方法模拟承载力变化是一种较好的方法，自从美国麻省理工学院的J.W．Forrester教授首创这套理论以来，SD模型（系统动力学，简称SD—System Dynamics）［6-10］在许多复杂的系统模拟中发挥了重要作用，包括流域管理流域。本文将用这种方法模拟河流水生态承载力的变化。目前国内许多研究者选择Vensim软件作为SD模型平台，事实表明Vensim软件在运用方面带来极大便利。本研究考虑到国内河流健康管理综合信息决策支持系统的需求，开发了一套即可独立使用，又可嵌入综合系统的河流水生态承载力系统动力学模型软件。本文将对这套软件的设计与模拟结果做讨论。

1 方法及原理

1.1 构建水生态承载力SD模型

1.1.1 水生态承载力概念 本论文认为水生态承载力是以一定时期人类社会一定的科学技术发展水平，生产生活水平为前提，基于流域水生态功能分区管理的战略思想，结合一定时期切实可行的法律政策管理和技术控制手段，调控控制单元内河流水生态系统未发生灾变，结构和功能仍保持稳定所能持续支撑社会经济系统的最大能力。

1.1.2 系统动力学概念 系统动力学（简称SD—System Dynamics），是一门分析研究信息反馈系统的控制原理的学科，也是一门认识系统问题以及解决系统问题的交叉综合性学科。创始人是美国麻省理工学院（MIT）的福瑞斯特（J.W．Forrester）教授。

系统动力学有以下三大特点：（1）系统动力学将生命系统和非生命系统都作为信息反馈系统来研究，并且认为，在每个系统之中都存在着信息反馈机制，而这恰恰是控制论的重要观点，所以，系统动力学是以控制论为理论基础的；（2）系统动力学把研究对象划分为若干子系统，并且建立起各个子系统之间的因果关系网络，立足于整体以及整体之间的关系研究，以整体观替代传统的元素观；（3）系统动力学的研究方法是建立计算机模拟模型—流图和构造方程式，实行计算机模拟试验，验证模型的有效性，为战略与决策的制定提供依据。

1.1.3 水生态承载力SD模型 本文水生态承载力SD模型是流域水资源环境生态状态—支持能力因素与流域和区域社会经济发展—压力因素、流域和区域管理响应—调控耦合因素耦合的模型。水生态承载力SD模型的框架如图1所示。

图1 水生态承载力SD模型框架

1.2 Envsim SD模型软件简介Envsim SD模型软件系杭州英瓦洛环境科技有限公司协助西安理工大学环境研究所开发的具有自主知识产权的产品，其开发意图：一是满足独立的SD模拟的需要；二是能嵌套入河流动力学模型软件和GIS平台中，成为河流水生态环境变化仿真模拟软件系列中的重要环节。

1.2.1 使用Envsim软件处理问题的一般过程（见图2）

图2 Envsim软件处理问题流程

1.2.2 软件特点

（1）利用图示化编程建立模型。在Envsim中，“编程”实际上并不存在，只有建模的概念。只要在模型建立窗口画出流程图，再通过Equations输入方程和参数，就可以直接进行模拟了。如果用户需要查看有关方程和参数，可使用Mode Document工具条。另外，Envsim提供以后缀名为xml的文本文件保存形式，这种文件可以用于模型的建立和修改。

本产品的主要图形用户界面运用了两个开源的项目：JHotDraw以及JFreeChat。

（2）运行于Windows下，数据共享性强，提供丰富的输出信息和灵活的输出方式。由于采用了多种分析方法，因此Envsim的输出信息是非常丰富的。其输出兼容性较强。一般的模拟结果，除了即时显示外，还提供保存文件和copy到剪切板。例如建立好的模型可以copy到剪贴板，再由剪贴板转到MS Word的编辑文件中。

（3）对模型的多种分析方法。Envsim提供对于模型的结构分析和数据集分析。其中结构分析包括原因树分析（逐层列举作用于指定变量的变量）、结果树分析（逐层列举该变量对于其它变量的作用）和反馈列表。模型运行后，可进行数据集分析。对指定变量，可以给出它随时间的变化图，列出数据表；可以给出原因图分析，列出所有作用于该变量的其它变量随时间变化的比较图；可以给出结果图分析，列出该变量与所有它作用的变量随时间变化的比较图；同时可以将多次运行的结果进行比较。作为最终结果的图形分析和输出，可使用Graph，它不但可以列举多个变量随时间的变化图，而且可以列举变量之间的关系图。

2 案例分析及结果

2.1 赣江袁河流域新余段概况袁河流域位于东经 113∘50′～115∘45′，北纬 27∘30′～28∘10′之间，南邻泸水，西毗渌水，北靠锦江，东南入赣江。流域面积6 262km2，呈芭蕉叶形。流域主要涉及芦溪、袁州、分宜、渝水、樟树、新干6个县（区）。本文展示基于Envsim平台的袁河新余段（包含分宜县和渝水区）的水生态承载力模拟的部分结果。

2.2 袁河新余段水生态承载力SD模型袁河新余段水生态承载力SD模型由两个层次构成，第一层次由水资源承载SD模型和水环境承载SD模型构成，其逻辑结果见图3、图4、图5所示。第二层次为水生态承载力综合指数计算模型，见图6所示。事实上各模块独立成系统后又连接成大系统，本论文限于文章版面的限制，以各模块的逻辑关系展示。

3 软件分析结果

研究中对新余（分宜渝水控制单元）设计了7个方案情景，以下是Envsim平台上实时模拟分析得到的部分结果演示。

4 讨论

（1）Envsim软件系根据系统动力学原理设计自主开发的一套软件，能稳定地进行SD模拟，具有良好的运用前景，同时可以根据不同运用对象需求，进一步开发成专业领域的SD模拟软件，本文中的河流水生态承载力SD模拟即为一典型案例，其最大的优势是为客户提供实时模拟结果，且表现形式多元化，客户在进行河流水资源综合调度和水环境污染治理规划时，可以极其便捷地进行各方案结果模拟，以选择优选方案。

（2）应进一步加强对目标流域的河流特征及区域社会经济特征的研究，进一步加强重要变量变化规律的研究，使由此构建的河流水生态承载力SD模型更具应用价值，同时下一步考虑将该软件系统嵌入河流健康管理综合信息决策支持系统中。

［1］崔凤军.城市水环境承载力及其实证研究［J］.自然资源学报，1998，13（1）：58-62.

［2］汪恕诚.水环境承载能力分析与调控：中国水利学会成立70周年大会学术报告［J］.水环境论坛，2001，33（增刊）：1-7．

［3］彭文启.基于水环境信息系统的水环境承载能力调控模式研究［EB/OL］.http：//www.CWS.net.cn/CWS⁃net/shuihj/wyh011130—06.html.

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［5］李靖，周孝德.叶尔羌河流域水生态承载力研究［J］.西安理工大学学报，2009，25（3）：249-254.

［6］Forrester J W.Lessons from system dynamics modeling［J］.System Dynamics Review，1987，3（2）：136-149.

［7］Wallace S D，Sancar F H，Fahriye H.An integrative approach to water resource management：An application in Middleton，Wisconsin［C］//Proceedings of the 1988 International Conference of the Systems Dynamics Society，La Jolla，California，International System Dynamics Society，1988：447-459.

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［10］王其藩.高级系统动力学［M］.北京：清华大学出版社，1995.