新疆艾比湖流域精河县水资源优化配置SD仿真模型研究

来风兵，陈蜀江，马莉婷

(新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木齐 830054)



新疆艾比湖流域精河县水资源优化配置SD仿真模型研究

来风兵，陈蜀江*，马莉婷

(新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木齐 830054)

基于可持续发展理论，依据系统动力学(Systcm Dynamics，SD)原理方法，选取艾比湖流域主要城市——精河县，利用SD软件VENSIM5.11A构建精河县水资源的供需状况SD模型。利用2000～2010年的历史数据验证模型的有效性，模拟2010～2030年精河县城市需水量预测。通过调节社会经济和人口、生态环境等变量参数，提出3个比较方案，在保护艾比湖流域生态环境平衡及生态安全前提下，比较得出适合当地经济、社会和环境可持续发展的最优方案，为精河县乃至整个艾比湖流域其他重要城市发展决策者提供科学依据。

SD模型；水资源；优化配置；精河县

水资源是人类存在和发展的物质基础，是影响经济和社会可持续发展的重要因素。精河县位于新疆艾比湖流域，地处北疆交通要冲，准噶尔盆地西南边缘，天山支脉婆罗科努山北麓。精河县具有北温带大陆性气候的显著特点，光照充足，干燥少雨。精河县年均无霜期171 d，日照2 710 h；境内水资源较为丰富，水质较好。年径流量达8.19×108m3，水能蕴藏量达15.19×104kW/h；地表水平均年径流量8.96×108m3，地下水动储量3.18×108m3。全县有四季草场71.73×104hm2，可耕地6×104hm2，已耕地3×104hm2(含兵团)。近年来，随着工农业迅速发展、人口的增加，导致需水量突增，水资源供需矛盾日益尖锐，已经严重制约着该地区的经济发展和环境保护。因此，笔者运用系统动力学(Systcm Dynamics，SD)方法建立该地区的SD仿真模型，对精河县水资源的优化合理配置进行研究，为该县水资源的合理利用和保护提供科学依据。

1 研究方法

1.1 系统动力学系统动力学是20世纪50年代美国麻省理工学院的福雷斯特教授把控制论、系统论、信息论、计算机模拟技术、管理学及决策理论学融为一体的系统分析方法;是一种用计算机对社会、经济、自然生态进行模拟研究的战略决策方法[1-3]。采用计算机软件对系统动态行为进行模拟，建立SD模型可以在时间序列上对城市水资源进行动态的模拟和预测。通过调节控制变量，模拟在不同条件下的水资源动态变化，为城市水资源的动态平衡和调配提供理论依据，从而有利于解决动态复杂的社会经济系统和水资源利用系统之间长期而复杂的矛盾[4-7]。

1.2 SD模型建立步骤该方法解决问题的步骤大体分4步：首先，通过运用相关的系统动力学的理论和方法对所研究的问题进行深入分析和研究；其次，根据所研究区域的结构特点进行系统分类，划分系统层次与相关系统子块，确定总系统流图和分系统流图的反馈机制；第3步，通过应用相关软件VENSIM建立数学模型；第4步，以系统动力学理论为指导，借助模型进行模拟，通过调节参数变量，预测相关方案，检验评估结果和实际值，发现新问题、改造模型、调节参数，从而达到最优效果[8-10]。

2 精河县水资源的优化配置

2.1 精河县水资源系统模型的建立通过相关因素建立精河水资源SD模型，其中需水总量是指工业、农业(种植业)、畜牧业(牲畜)、林地以及生态和生活用水的总需求之和。模型中用到的参数全部来自精河县2004年统计局相关资料以及政府工作报告。采用的基础数据有总人口数量13.3万人，城镇总人口4.54万人，农村总人口8.76万人，城镇人口增长率0.2%，农村人口增长率0.15%；农村和城镇人口的用水标准分别为80、50 m3/(a·人)；牲畜的增长率0.8%，牲畜的数量40.51万头；污水重复利用率为0.03。根据系统动力学原理，利用大量统计数据，对系统模型中主要变量的特征进行细致研究分析，设计出符合该城市实际情况的水资源SD模型(图1)。

2.1.1供水总量系统。供水总量系统的变量主要由地表供水量和地下供水量组成。由于精河县是一个农业大县，主要以种植业为主，其二、三产业落后，农业用水量占总用水量90%以上，工业﹑生活的回归用水量可以忽略。W总供水水量=W地表供水量+W地下供水量+W农业回归水量-W平均蒸发量。

2.1.2需水总量系统。需水总量系统的变量有农村人口需水量、城镇人口需水量、工业需水量、农业需水量、草场需水量、林地需水量、生态用水以及大小牲畜需水量。W需水总量=W农村人口需水量+W城镇人口需水量+W工业需水量+W农业需水量+W草场需水量+W林地需水量+W生态用水+W大小牲畜需水量

2.1.2.1工业需水量子系统。工业需水量主要考虑工业用水标准额和工业生产总值。2004年工业总产值为14 753万元，工业用水定额为75 m3/万元。依据2000～2013年的精河县社会经济统计数据可得，工业平均增长率28.2%。2004年工业需水量由工业产值乘以工业产值用水定额求出。计算如下：W工业需水量=14 753×75=1.1×106m3。

2.1.2.2农业需水量子系统。该子系统主要确定的参数是农田面积和农田用水标准额度，2004年农田种植面积为1.5×104hm3，农业用水定额为9 327 m3/hm2。依据2000～2013年精河县社会经济统计数据可得，农田平均增长率为0.72%。2004年农业需水量由农田面积乘以农田用水标准额度。计算如下：W农业需水量=1.5×104×9 327=1.4×108m3。

2.1.2.3城镇人口需水子系统。城镇生活用水量是由城镇人口总数乘以城镇人口人均生活用水额度得到的。城镇人口为45 400人，城镇人均生活用水额为80 m3/(a·人)。依据2000～2013年的精河县统计资料可得，2004年精河县城镇人口年均增长率为0.39%。2004年城镇人口生活用水量计算如下：W城镇人口需水量=45 400×80=3.6×106m3。

2.1.2.4农村人口需水量系统。农村生活用水量由农村人口数乘以农村人均生活用水额得到的。2004年精河县农村人口为876 000人，农村人均生活用水定额为50 m3/(a·人)。依据2000～2013年的精河县社会经济统计数据可得，农村人口年均增长率0.41%。2004年农村人口需水量计算如下：W农村人口需水量=876 000×50=4.4×107m3。

2.1.2.5大小牲畜需水量子系统。牲畜用水量主要是由大牲畜用水量和小牲畜用水量组成。其用水量主要由牲畜存栏数决定，2004年大牲畜数量为4.1万头，小牲畜为21.5万头。大小牲畜的用水额分别为45、20 m3/(a·头)。依据2000～2013年的精河县社会经济统计数据可得，大牲畜的年均增长率为2.3%，小牲畜的平均增长率为3.1%。2004年牲畜用水量等于牲畜数量乘以牲畜用水额，其牲畜用水量计算如下：W大小牲畜需水量=4.1×104×45+21.5×104×20=6.2×106m3。

2.1.2.6草场、林地及生态需水量子系统。 生态需水量主要包括草场、林地需水量，它是一个较大的范畴，可以忽略不计，而草场和林地需水量主要考虑的因素有面积和单位面积的水资源需水量。根据2005年精河县林业部门的相关资料可知，2004年精河县草场面积为71.7万hm2，单位面积水资源需水量为7 920 m3/hm2，林地面积为57.1万hm2，单位面积水资源需水量为7 215 m3/hm2。计算如下：W草场林地需水量=71.7×104×7 920+57.1×104×7 215=9.8×109m3。

表1 模拟值与实际值对比检验 ×104 m3

2.2 系统模型有效性检验对建好的模型一定要进行有效性检验，这样可以验证模拟系统模型与实际系统的吻合程度。通过把现有的历史数据输入系统模型可以得到相应的仿真结果，同历史实际行为数据进行比较分析，从而验证其吻合程度，对系统模拟结果可靠性、有效性和准确性做出判断。选用2000～2010年的历史数据进行检验。在运用系统动力学进行仿真模拟时，以2000～2010年的历史数据为基础，以2004年为基准年，预测2007～2010的有效数据。系统中所用到的数据均来源于精河县政府工作报告。主要选取农村人口需水量、城镇人口需水量、工业需水量、农业需水量及大牲畜需水量5个参数进行模拟分析，验证模型的准确性。运用系统动力学软件VENSIM，经过运算得出模型的模拟值(表1)。

2.3 精河县水资源系统模拟分析根据上述系统分析的结果，建立精河县水资源配置的系统动力学模型，所用到主要变量的初始值均采用2013年统计数值，部分变量的变化率参考有关部门的相关规定。通过控制相关的变量和动态方程进行系统仿真模拟，设置模拟步长为1年，模拟时间到2030年。通过模型预测出2030年城镇人口、农村人口需水量(图2)。

2.4 精河县水资源配置最优方案分析

2.4.1方案1：以经济增长为重点的经济型方案。该方案主要是以全县的经济发展为重点，以环境保护为辅，所以工业产值增长率为23%、农田面积增长率为3.2%、城镇、农村人口增长速率均为0.9%，各项数值均为最大。到2030年，预测工业总产值猛增到3.8×109元，与方案二、三相比分别高出2和6倍。随着经济的增长，人们不断开垦荒地，此时的耕地面积由2010年的1.8×104hm2增加到2030年的2.1×105hm2。预计到2020、2030年，精河县人口可达到21万、26万。经济和人口的快速增长使得水资源的供求关系紧张，水资源承载力不断下降。该方案下，精河县2030年的需水总量高达6.8×104m3，与此同时，供水量为5.2×104m3，供需赤字高达1.6×104m3，与二、三方案相比，分别高出1.6和2.7倍，水资源供需矛盾最为尖锐。长此以往，必将严重阻碍工农业的发展，导致水资源处于供不应求的状况。有鉴于此，该县在制定经济发展规划时，应当适当地放缓经济发展的速度，兼顾资源环境的协调发展。该方案下，该县供需水量模拟结果如图3所示。

2.4.2方案二：环境保护为重点的环保型方案。该方案与其他两个方案相比，2020、2030年该县总人口达到23.6万和27.8万。把环境保护放在发展的首位，在工业投资中用于环境保护和改善的经费将占到很大一部分，用于扩大再生产的经费将减少，使得经济增长速度放缓。与方案一、三相比，工业产值将会明显减少，2020年减少1.8×108元，2030年减少1.2×108元。由于环境保护为主，所以农田耕地面积的增长率也最低。与方案一相比，2020和2030年分别减少了9.5×103和1.4×104hm2，与方案三相比减少8.0×103和1.1×104hm2。但在环保方面，污水重复利用率不断提高，由2010年的3%提高到2030年的6%，水资源得到最大程度的保护，水环境的质量也较好。在水资源供需矛盾方面，农业用水额度由方案一的9 315 m3/hm2降低为7 305 m3/hm2，农业需水量也得到最大幅度的减少，2020和2030年总供水量有盈余，处于供大于需的状况，其剩余水量分别为8 659和8 314 m3，有效地解决了水资源供需矛盾。该方案下，该县供需水量模拟结果如图4所示。

2.4.3方案三：经济增长与环境保护协调型方案。片面地追求经济的高速增长和过分地强调环境的保护都是不可取的，因此该方案介于前两个方案之间，这样可以同时兼顾经济发展和环境环境保护。方案三农田耕地面积2020年为4.3×105hm2，到2030年则为7.8×105hm2，2020年相比方案二高出了1.7倍，2030年则高出了3.2倍。该方案也注重对环境的保护，加大了对环境污染治理力度，2020和2030年污水重复利用率分别为4%和6%。此时，工农业需水量保持在一定的限度，水资源的供需状况有了很大的改善，并且略有结余，2020年达到1 964 m3，在2030年达到2 682 m3，基本满足了各方面的用水需求。该方案下，该县供需水量模拟结果如图5所示。

由表3可知，协调型方案模拟的2030年需水量和用水量在其他两种方案之间(城镇人口需水量最高)，不仅有利于保护生态环境，同时还兼顾了经济发展，达到了双赢局面。

表3 2030年需水量与供水量3个方案模拟比较 ×104 m3

3 结论与讨论

(1)从模拟仿真预测可知，方案三不仅有利于保护生态环境，同时还兼顾了经济发展，达到了双赢局面。通过SD模型可以调整相应的参数以此来实现水资源的合理优化配置和社会经济的可持续协调发展。

(2)虽然精河县水资源丰富，但是其水资源承载力是有限的，随着社会经济的发展，供需矛盾会越来越突出。因此，要对地表水和地下水进行系统科学的管理规划，合理开发，统一调配，充分发挥已有水库的蓄水和调水能力，这样才能使该地区的水资源得到可持续的开发和利用。

(3)精河县经济以农业主导，其农业用水量占总需水量的90%以上，但是农田灌溉的水资源利用率较低，浪费现象严重。所以要加大对农田水利设施的投资力度，加大防渗渠的修建，变农田大水漫灌、畦灌模式为膜上灌、滴灌模式，大力推广滴灌技术，提高农田水资源利用率、渠道防渗率，积极应用科学技术节水灌溉，大力发展节水型农业，减少农作物用水量。

(4)随着当地水泥厂、油脂化工厂以及火电厂的快速发展，其对水资源的需求量急剧扩大，加剧水资源的供需矛盾。因此，要建立价格调节机制，提高工业用水效率和污水重复利用率，通过调节水价以促进工业水资源的可持续利用。

(5)积极倡导资源节约型，环境友好型的消费模式，提高居民生活节水意识，加大宣传力度，加大当地农产品深加工业的发展，淘汰环境污染严重、需水量大的企业，如水泥厂，限制高耗水污染企业；全面推广节水技术，实现水资源的循环利用和优化配置，实现该县社会经济的可持续发展。

[1] 王其藩.系统动力学[M].北京：清华大学出版社，1995：25-58.

[2] 徐建华.现代地理学中的数学方法[M].北京：高等教育出版社，1996：199-265.

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Water Resources Optimal Allocation of Jinhe County in Xinjiang Ebinur Lake Basin Based on SD

LAI Feng-bing, CHEN Shu-jiang*, MA Li-ting

(School of Geography and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi, Xinjiang 830054)

Based on the theory of sustainable development, according to system dynamics(SD), selecting Jinghe County as an example, software VENSIM5.11A was used to construct SD model of water resource supply and demand status. Through adjusting parameters of social economy, population, eco-environment, three schemes were proposed. Under the premise of protecting eco-environment and ecological safety in Ebinur Lake basin, the optimal scheme appropriate for economic, social and environment sustainable development was obtained, which will provide scientific basis for city development decision-makers.

SD model; Water resource; Optimal allocation; Jinghe County

新疆维吾尔自治区自然科学基金项目(2011211B18)。

来风兵(1977-)，男，回族，新疆乌鲁木齐人，讲师，博士，从事干旱区资源与环境可持续发展研究。*通讯作者，副教授，硕士，硕士生导师，从事干旱区生态环境恢复与遥感监测研究。

2014-11-19

S 181.3;F 062.2

A

0517-6611(2015)01-192-04