系统动力学在吉林西部水资源研究中的应用

张忻+李佳薇+聂君宇

摘 要：系统动力学强调了系统、联系、运动和发展的观点，是定量研究趋势问题的有效工具。运用系统动力学的原理，设定系统动力学模型的子系统并研究其相互关系，建立了吉林西部水资源复合系统的系统动力学模型，并运用VensimPLE软件进行了仿真模拟，以此探究吉林西部水资源的动态特征，便于预测未来该领域的水资源供需情况，采取有效举措解决问题。

关键词：系统动力学；水资源；供求平衡；VensimPLE

中图分类号：TV213.4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.020

文章编号：2095-6835（2016）20-0020-02

1 背景介绍

系统动力学是一种研究信息反馈系统的分析方法。它强调了系统、联系、运动和发展的观点，擅于解决社会系统中存在的反馈、时间延迟和非线性问题，是定量研究趋势问题的有效工具。它利用系统结构、各环节的因果关系和反馈回路建立的综合概念模型，通过仿真的方法来求解系统的性能。由于它涉及到微分方程或差分方程求解、控制理论应用、经济技术分析以及计算机软件等多种学科，因而属于跨学科的新型理论和方法。

本文将根据系统动力学的原理，模拟吉林省西部地区“水资源—社会经济—生态环境”复合系统，探究各子系统间的动态关系，体现吉林西部水资源的动态特征。

2 系统动力学模型（SD模型）

2.1 系统动力学模型的假设

无需人工干预，系统动力学仿真模型将自行发展。

系统动力学仿真模型主要探求供给和需求的平衡，供给主要关注的是水资源总量，正常情况下水资源的变化不应超过水资源的再生能力，否则会造成一系列的环境问题。

2.2 各子系统的因果关系及主要SD方程

根据系统理论的整体与局部关系原理，并考虑资料的占有情况，将吉林省西部复合系统划分为4个子系统，即人口子系统、经济子系统、生态环境子系统和水资源子系统。

2.2.1 人口子系统

研究区域总人口主要考虑的是常住人口，它主要受机械变动人口、人口出生率和死亡率的影响。该子系统模块主要研究人口数量的变化及其变化对生活需水量的影响，水资源供需平衡情况、经济规模及其增长速度对人口增长速度的影响。

人口子系统的主要的方程如下：

人口总量=INTEG（出生人口+机械增长-死亡人口，目前的总人口）. （1）

生活用水=（人口×人均水消费量）/ 10 000. （2）

2.2.2 经济子系统

工业、农业、第三产业对于水资源的需求量大，且相互之间需求结构有明显差异，因此主要研究这三个方面。生产活动需要消耗资源并将废弃物排放到环境中，生产水平的提高又会促进资源利用效率的提高和单位产出污染排放量的降低，而且当资源供不应求时，也会制约生产规模的增长，刺激生产水平和资源利用效率的提高。

经济子系统的主要方程如下：

农业耕地面积=INTEG（耕地面积改变量，农业用地面积的现值）. （3）

工业总产值=INTEG（工业GDP增长值，工业生产总值现值）. （4）

第三产业生产总值=INTEG（第三产业GDP增长值，第三产业GDP现值）. （5）

生产用水需求=农业用水需求+工业用水需求+第三产业用水需求. （6）

公共服务=基础设施维护+公共管理. （7）

2.2.3 生态环境子系统

生态环境子系统包括生态环境建设与污染治理两大部分。生态建设是环境保护的重要内容，生产投资回收期也较长。城市的生态建设能提高人们的生活质量，提高城市对资金和人才的吸引力，促进城市经济的发展；同时，还会提高城市周边农业区的土地涵养水源的能力，防止水土流失，增加农业产量，提高农业生产抵抗水旱灾害的能力。城市的集中污染治理设施用于对工业、农业和生活所排放的污染物进行治理。工厂自身对所排放污染物的治理力度对城市的环境质量与污染物的集中处理量影响很大。

生态环境子系统的主要方程如下：

废水排放总量=城市生活污水排放量+工业废水排放量+农业废水排放量. （8）

污水处理量=工业废水处理量+生活污水处理量. （9）

水质=水资源管理程度+卫生服务程度. （10）

2.2.4 水资源子系统

资源子系统在本次研究中主要研究的是淡水资源，即地表水资源、地下水资源、外调水资源和再生水资源。该子系统的主要变量为水资源可供量，包括常规水资源可供量和再生水资源可供量两部分，其中，前者主要包括当地的地表水资源、地下水资源和外调水资源。

资源子系统的主要的方程如下：

淡水资源量=地表水资源量+地下水资源+海水淡化量+降水. （11）

海水淡化=海水的使用量×海水淡化技术×海水淡化技术工厂量. （12）

水污染=（废水排放总量-污水处理总量）/10 000.（13）

水污染率=水资源总污染量/水资源总需求量. （14）

因此，我们得出系统的结构，如图1所示。

从而得出如图2所示的系统因果反馈图。

水为生活、工业、农业、第三产业和生态用水共用一个水系统。也就是说，如果一个部门的供水量增加，就会影响到其他部门的供水量。所以，从水资源可持续发展的角度来看，我们应该合理调整各部门的水分布结构，充分利用有限的水资源，提高水的利用效率，维持合理的水资源开发利用速度，实现国家经济、环境和社会效益的统一。

2.3 系统动力学流图

一个系统的流图主要反映因果关系图中所没能反映出来的不同变量的性质和特点，使系统内部的作用机制更加清晰，然后通过流图中关系的进一步量化，实现政策仿真的目的。根据系统动力学对两种变量的定义，结合大量历史数据，在对图中主要变量的变化特征进行深入细致分析的基础上，设计出系统动力学流图，如图3所示。

2.4 模型有效性检验

模型有效性检验包括：①直观检验。建模者根据专业知识和所掌握的系统动力学建模方法，直观地对模型的变量定义、边界选择、因果关系和系统方程进行检验，并作出正确的判断。②建立系统动力学模型，并运用VensimPLE软件进行模拟仿真，使用软件的模型检测和单位检测功能来检验模型方程的正确性、系统参数的合理性。③历史检验，将模拟仿真部分结果与已有的历史数据进行对比，检验其符合的程度，判别模型的可信度。④灵敏度分析。变化模型参数值，检验这种变化对模型行为的影响。

3 系统动力学模型的特点与展望

3.1 模型的特点

模型的特点主要有：①能明确认识和体现系统内部、系统外部因素的相互关系；②是定性与定量的结合与统一，以定性分析为先导，以定量分析为支持，两者相辅相成；③对参数的要求和精度不高，其研究的重点是系统结构和动态行为；④能观察系统在不同的参数、组织状态和政策因素输入时所表现的行为和趋势；⑤能对系统的动态发展趋势进行考察，可作系统的长期动态预测。

3.2 模型的展望

系统动力学模型考虑了每个变量的动态特性，可以很容易地处理非线性和随时间变化的现象。该模型可以有效地预测未来研究领域的水资源供需情况，并指出进一步的发展趋势，有助于用户更好地了解系统，并采取正确的行动来解决问题。

参考文献

[1]赵春丽.系统动力学方法在区域水资源承载力中的应用研究——以山西省河津市为例[D].西安：西安建筑科技大学，2006.

[2]叶文虎.环境承载力理论及其科学意义[J].环境科学研究，1992（5）.

[3]周维博.水资源综合利用[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[4]Wang Qipan.System Dynamics[M].Beijing：Tsinghua University Press，1988.

[5]Lyla Mehta.Water and Human Development[J].World Development，2014，59（7）.

[6]Kalyan K.Mankala，Sunil K.Agrawal.Dynamic Modeling and Simulation of Impactin Tether Net/Gripper Systems[J].Multibody System Dynamics，2004，11（3）.