重庆水资源安全情景模拟及预测研究*

刘丽颖，黄孝勇 ，杨荣汀，官冬杰，4**

(1.重庆工商大学 数学与统计学院，重庆 400067；2.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；3.重庆交通大学 建筑与城市规划学院，重庆 400074；4.重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

0 前 言

水资源是人类社会生存和发展不可或缺的物质基础。水资源安全才能保证生态环境可持续发展，保证人类社会安全发展。重庆作为长江上游和三峡库区的生态环境保护屏障，其水资源安全是三峡库区生态安全的基础，关系到整个长江流域的水资源环境状况[1]。近年来，重庆经济发展迅猛，但环保基础相对薄弱，经济发展与资源环境保护中存在的问题日益突出。重庆年降雨时间分配不均、地域分配不均，因此存在着水土流失严重，土质退化，土地利用方式和结构不合理，无序的开发使水域被挤占、填埋，水体环境功能减弱或丧失，河湖污染严重，生态环境恶化等问题[2]。因此，开展重庆水资源安全的情景模拟和预测研究，有利于重庆发挥自身地域优势，找到适宜的发展道路，促进水资源安全利用，遏制生态环境恶化。

系统动力学简称SD(System Dynamics)，是以系统思想为基础，通过计算机模拟信息反馈性的仿真方法。系统动力学于1956年由美国麻省理工学院(MIT)的 Jay W.Forrester教授创立后，迅速成为现代决策与工程管理方面的重要方法和工具，被广泛运用于环境科学、企业管理决策等研究领域[3]。系统动力学在水资源领域有着一定程度和范围的应用。如：喻敏霞在水资源安全理论指导下分析湘江水资源的安全状况，构建水资源安全模拟系统，并提出预警措施[4]；刘志国和李华通过系统动力学模型对崇明水资源安全问题进行情景模拟[5]；陈燕飞等以南水北调中线工程影响下的武汉为例，研究了长江中下游供水需水状况的变化，并预测水资源短缺的趋势[6]；翟晓烨以北京市供水系统为研究背景，对水资源的调度及系统控制策略进行了研究[7]；YANG J等基于系统动力学的框架建立了水环境承载力评价方法，对流域的可持续发展有借鉴意义[8]。

综上，尽管水资源系统的系统动力学研究已取得很多成绩，但是还有很多应用优势尚待深入。已有研究主要集中在单纯的自然系统，着重于水资源和社会经济等因子的综合作用下，水资源安全系统的变化过程及结果预测。随着人类利用自然的领域逐渐扩大，不仅需要深入探索水资源系统内部的复杂问题，还应该由单纯的自然系统逐步扩展为自然—人工复合系统，通过人为调整模型来灵活全面地模拟复杂问题。因此，建立重庆水资源安全系统动力学模型进行仿真模拟，期望能够为重庆水资源安全利用提供技术支撑和科学指导。

1 研究区域概况

重庆位于中国西南部，地跨105°11′～110°11′E，28°10′～32°13′N，总面积8.24×105km2，地貌以丘陵、山地为主，其中山地占76%。重庆年平均水资源总量约5 000亿 m3，年平均降水量1 000～1 350 mm，但是年内降雨时间分配不均，大多集中在5至9月，占全年总降水量的70%左右。2016年，重庆常住人口3 048.43万，GDP产值17 558.76亿元。重庆是中国西南地区的经济中心，也是西南地区最大的工业城市。

2 重庆水资源安全系统动力学模型的构建

2.1 重庆水资源安全系统动力学模型因子选择

将重庆水资源安全系统分为供水安全子系统、需水安全子系统、水生态安全子系统及人口安全子系统4个子系统。

供水安全子系统，主要研究重庆供水环节组成及供水是否充足，预测未来重庆水资源的供水状况，为水资源的安全、合理、科学利用做出相应依据。

需水安全子系统，主要研究重庆需水环节组成及需水是否满足需求，预测重庆水资源未来的需水状况，以提前准备科学、合理的供水方案。

水生态安全子系统，主要研究污水的排放和处理情况，预测未来重庆污水的排放量和处理量是否按正常水平在发展。

人口安全子系统，主要研究人的出生率、死亡率以及人口总量的变化，预测未来重庆人口变化，从理论层次预测重庆用水及生活污水的排放情况。

水资源系统主要反馈回路如下：

人口数量→+生活污水排放量→+污水排放总量→+污水回用量→+总供水量→-水资源短缺率→-缺水率→+人口增长量→+人口数量。

人口数量→+生活用水量→+用水总量→+水资源短缺率→+缺水率→-人口增长量→-人口数量。

工业总产值→+工业用水量→+总用水量→+水资源短缺率→+缺水率→-工业总产值。

工业总产值→+工业用水量→+总用水量→+工业污水排放量→+污水回用量→+总供水量→-水资源短缺率→-缺水率→+工业总产值。

农业总产值→+农业用水量→+总用水量→+水资源短缺率→+缺水率→-农业总产值。

2.2 重庆水资源安全系统动力学模型因果关系

将SD模型与计量地理学结合，采用建模软件Vensim-PLE来表示各子系统间的相互联系及内部结构，构建了重庆水资源安全系统动力学结构图(图1)。

图1重庆水资源安全系统动力学结构图
Fig.1ThestructurechartofsystemdynamicsofwaterresourcessecuritysysteminChongqing

2.3 重庆水资源安全系统动力学模型的方程及参数

模型涉及的参数共19个变量，其中包括3个状态变量、 4个速率变量、12个辅助变量。还有6个表函数，8个常数。状态变量有：区域总人口、农业总产值、工业总产值。速率变量有：工业产值增长速度、农业产值增长速度、区域年出生人口、区域年死亡人口。辅助变量有：可供水资源量、水资源短缺量、水资源需求量、工业需水量、工业用水量、工业废水排放量、农业需水量、生活需水量、生活污水排放量、污水总量、污水处理量、中水回用量。表函数有；地下水供水量、地表水供水量、工业产值增长率、工业万元产值耗水量、农业产值增长率、农业万元产值耗水量。常数有：工业用水重复利用率、工业废水排放系数、人口死亡率、人口出生率、生活用水定额、生活污水排放系数、污水处理率、中水回用率。

3 重庆水资源安全系统动力学模型模拟和检验

3.1 参数数值的确定

模型运行时间为2006—2015年，仿真步长为 1 年。主要数据来源于2006—2015年《重庆统计年鉴》《重庆市水资源公报》和《重庆市环境统计公报》。通过查找相关历史数据，求取特定参数的算术平均数，包括平均人口出生率1.27‰，平均人口死亡率0.7‰，污水处理率为0.440 6。

3.2 模型的运行及检验

选取重庆工业总产值、农业总产值和总人口数3个指标为代表进行历史检验。模拟输出2006—2015年的数据，预测值与实际值及误差情况详见表1。

由表1可知，工业总产值、农业总产值和总人口的模拟误差均小于10%，误差在允许范围内，说明模拟值与真实值有较好的一致性，模型真实可靠。

表1 2006—2015年重庆工、农业总产值和总人口模拟检验结果Table 1 Simulation test results of the gross output value of industrial and agricultural and the total population in Chongqing from 2006 to 2015

4 系统仿真

4.1 方案制定

为寻找重庆水资源安全的最优发展方案，研究通过修改变量中决策变量值，调整参数来模拟不同方案下水资源安全系统。方案如下：

方案1：自然发展状况。保持现有发展体系与趋势不变，不做任何调控，模拟未来水资源发展情况。

方案2：节流和治污减排。主要通过提高节水意识，宣传相关节水常识及技巧，达到降低生活用水定额，减少生活污水排放的效果。同时政府出台相关政策，把企业中水回用效率作为重要考核指标之一。

方案3：企业工艺改进。政府调整产业结构，同时实施激励政策促进企业加强设备改进，从而提高水资源利用率，减少工业废水排放。在模型中设定工业万元产值耗水量降低5%。

方案4：农业生产现代化。推进农业生产方式、管理方式、科学技术和物资装备等最终实现农业生产现代化。在模型中通过降低农业万元生产耗水量参数5%来进行模拟。

方案5：综合方案，即方案1、2、3和4的有机结合。在节水减排及增加污水再回收利用力度的同时，进行企业工艺改进和推进农业现代化的进程。模型模拟时主要设定：工业万元产值耗水量降低5%，农业万元生产耗水量参数降低5%，降低生活污水排放系数，增加污水处理率及中水回用率，其他参数不变。

表2 不同方案参数设定Table 2 Parameter setting of different schemes

4.2 方案结果及分析

通过改变方案中的决策变量值，设置不同情景，并以此进行各个情景模拟。修改常数变量：工业用水重复利用率、工业废水排放系数、人口死亡率、人口出生率、生活用水定额、生活污水排放系数、污水处理率、中水回用率。修改表函数：地下水供水量、地表水供水量、工业产值增长率、工业万元产值耗水量、农业产值增长率、农业万元产值耗水量。最终得到不同方案的模拟图(图2—图8)。

从图2—图8可以得到，不管选取哪种发展模式，重庆的水资源短缺量都呈缓慢增长趋势，这也从侧面反映了重庆经济呈稳定增长，即工业产值及农业产值皆稳定增长。此外不难看出，方案5要优于其他4个方案。

图3 重庆水资源需水量不同方案模拟图Fig.3 Simulation diagram of different schemes for water resources demand in Chongqing

图4 重庆污水总量不同方案模拟图Fig.4 Simulation of different schemes of total sewage in Chongqing

图5 重庆工业需水量不同方案模拟图Fig.5 Simulation diagram of different schemes for industrial water demand in Chongqing

图6 重庆工业废水量不同方案模拟图Fig.6 Simulation diagram of different schemes for industrial waste water in Chongqing

图7 重庆中水回用量不同方案模拟图Fig.7 Simulation diagram of different schemes of reclaimed water reuse in Chongqing

图8 重庆污水处理量不同方案模拟图Fig.8 Simulation diagram of different schemes for sewage treatment in Chongqing

方案一保持现行发展模式不变，没有进行任何改进，在城市发展进程中，很容易被时代所淘汰。方案二通过改变生活污水的排放系数，以及表函数中水回用率的参数来进行相应情景的模拟。由于只考虑到生活污水和中水回用率两个方面，所以在改变受多个子系统影响的水资源短缺量和水资源需水量时显得较为乏力。方案三通过降低工业单位产值耗水量实现情景模拟的效果，结果相对于方案四和方案二更优。重庆虽然是工业城市，但工业只是影响水资源短缺量和水资源需水量因素之一，所以方案下尽管整体效果有所改进，但显然没有达到最佳效果。方案四推进农业现代化进程。由于重庆的农业产值低于工业产值，虽然加快了农业生产的现代化，但仍然不是最优方案。方案五综合上述所有方案，从系统角度对所有子系统其进行一一改进，使水资源系统从根本上得到改进，水资源安全利用趋于科学化、合理化。

5 结论及建议

以重庆水资源安全为研究对象，综合考虑供水安全、需水安全、水生态安全及人口安全4个子系统，基于重庆水资源安全影响因子之间的因果反馈关系，构建了重庆水资源安全动力学模型，通过改变其特定变量参数，设计了5种水资源安全发展模式，模拟不同情景下重庆水资源安全的发展状况。对比不同方案模拟结果，明确了重庆市水资源安全的最佳发展模式。基于仿真模拟分析及预测结果可以得到几点启示：

(1) 加强环保力度，治污减排。加大水资源保护力度，适度开发，控制入河排污总量，以节能降耗、增效减污为切入点，大力发展循环经济和清洁生产，提高水资源利用率。此外，普及水资源保护常识，增强居民节水意识。

(2) 优化工业工艺与产业结构。重庆整体处于工业化发展中期[9]，从发达国家的发展历程来看，这是一个快速发展的时期。重庆工业总量、投资、质量效益、外向度大幅的上升，工业发展的能耗也在逐渐降低，但重庆仍以煤为主要能源，这在消耗资源的同时也产生了相应的污染。在今后的发展中，调整重庆产业结构，选择合适的主导工业并明确工业发展方向，有利于实现水资源的最优配置与最小消耗。同时促进企业循环用水，强化企业节水意识，积极构建资源节约型企业，促进水资源与经济的协调发展。

(3) 加快农业现代化进程。 重庆人口众多，土地多为山区丘陵，可利用土地较少，降雨时空分布不均，资源与人口矛盾日益突出。近年来，重庆灌溉亩均用水量在缓慢增加，但农田灌溉水有效利用系数低，农业物质装备水平弱，重庆农业现代化处于起步阶段。通过农业技术科学化，加强农业综合产出能力，推进农业现代化，可有效解决资源短缺问题，逐步削弱水资源对经济发展的束缚。

(4) 加强点源污染控制。重庆的污水处理对三峡库区的水环境起到了控制“阀门”的作用，点源污染控制能力直接影响着三峡库区水环境状况。有研究表明，三峡库区水环境安全的一个重要威胁是污染物排放量较高并呈逐年增加趋势，生产污染、生活污染、交通污染等点源污染急需加以有效控制[10]。对此，重庆需要加强城镇污水处理设施建设，完善垃圾转运和填埋管理机制，加强工业集聚区的污水集中处理设施，在一定程度上减少点源污染。