区域复合系统视域下广东省水资源承载力研究

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(1.中国航天系统科学与工程研究院，北京 100048；2.山东省低碳经济技术研究院，山东 淄博 255012)

1 研究背景

面对愈发严重的水资源形势，2011年中央1号文件和中央水利工作会议明确要求实行最严格水资源管理制度，确立水资源开发利用控制、用水效率控制和水功能区限制纳污“三条红线”，从制度上推动经济社会发展与水资源水环境承载能力相适应[1]。其中，作为经济与人口大省，广东省是全国各省市中唯一分水指标阶段递减的省份，其率先制定适宜本地区的最严格水资源管理实施方案与考核办法，试图加速形成水资源对社会经济发展的倒逼机制。尤其是近年来，广东省通过制定并发挥良好的政策导向作用，在创建节水型社会方面取得了相对显著的成效。但是受地区资源禀赋、经济水平、产业结构、人口流动等多要素影响，地市之间用水效率与用水结构差异仍处于动态调整当中；同时随着城镇化与工业化进程的加快，水资源供需矛盾也亟需进一步缓解。因此，将广东省水资源调控作为研究对象，既可对其后期水资源管理政策的制定提供相应理论参考，也具有为其他各地市实现水资源优化配置提供借鉴的现实意义。

目前国内学者围绕广东省水资源相关问题已展开了多维度探讨。谭圣林等[2]通过测度广东省各产业水足迹，认为第一产业与第二产业水足迹均较大，但第一产业最终需求较少；与此相反，第三产业具有较大的最终需求，而水足迹偏小，据此可进行针对性的产业结构调整以缓解其水资源压力。雷玉桃等[3]利用随机前沿函数测度其工业用水效率，发现限于产业规模不足和高耗水行业的负向影响，广东省工业用水仍具有较大节水潜力。徐珊等[4]基于空间尺度测算了广东省水资源生态足迹与水资源生态承载力，验证出全省水资源生态足迹指标呈逐年递减趋势，各地市之间差异更加明显，而全省水资源生态承载力相对较高。姚彦欣等[5]利用模糊物元模型评价广东省水资源可持续利用水平，认为其水资源开发利用程度处于初始阶段与发展阶段之间，后期开发利用潜力仍然较高。谢小康等[6]选用多目标规划与模糊函数方法建立水资源承载力评估模型，提出广东省境内多数地市承载力集中于“高类型”与“低类型”，而“中类型”相对较少。王颖[7]以水资源承载力若干指标作为评价因子，构建综合评判模糊数学模型，对宁波市水资源承载能力进行评价，并提出节水、外调水工程、调整产业结构、加强污水处理、改善水质等措施。

综上，现有针对广东省水资源的研究视角相对丰富，但研究方法主要集中在利用微观层面的数学建模或通过构建宏观层面的测度指标体系测算综合指数，以上方法均基于有限代表性指标进行静态计量或评价的原理，而缺乏对其系统性、动态性的考虑，同时易忽视影响区域水资源状态的复杂多要素之间的交互关系。据此，系统动力学(System Dynamics，SD)方法常用来研究非线性、高阶次的复杂系统问题，通过定性与定量相结合与系统综合推理等方法进行建模，能够从宏观和微观层面上进行深入研究，能够充分考虑到系统与环境、系统内部等各个因素之间的关系。

本文采用系统动力学方法分析整个广东省的水资源承载力，结合广东省水资源开发利用现状，分析社会经济与生态环境的发展特点与现状，参考国内外指标选取的原理、特点和范围等。从系统角度出发，结合广东省水资源、社会、经济和生态环境发展，依据综合性、层次性、可操作性、系统协调性、区域特殊性等原则，确定本文的水资源承载力变量指标，实现指标创新，建立集成经济、资源、环境和社会等要素的水资源承载力复合系统仿真模型，实现模型创新。根据广东省实际现状，本文设计不同的调控情景模式，模拟分析不同方案下水资源承载力的变化与差异，解析广东省水资源承载力在不同情景下的响应状态，辨识未来时期水资源发展形式，并提出缓解广东省水资源压力的相关建议，得到最适合广东省社会经济发展的模式。

图1 广东省行政区规划分布Fig.1 Administrative regions of Guangdong Province

2 广东省水资源承载力复合系统特征与模型构建

2.1 研究区概况及水资源承载力复合系统特征

广东省位于20°13′N—25°31′N和109°39′E—117°19′E之间，是中国大陆南方省市，全省土地面积达17.97万km2，含有21个地级市(见图1)，境内河流以珠江流域、韩江流域、粤东沿海、粤西沿海诸河为主，其水资源分布呈时空分布不均的特性，夏秋易涝而春冬易旱，沿海台地等缺水问题相对突出，部分河流受污水排放影响严重。基于广东省现状，考虑影响水资源状态要素的复杂性、多样性，根据复合系统理论[8-9]，本文将水资源承载力复合系统进一步划分成经济子系统、水资源子系统、水环境子系统和社会子系统。

广东省各子系统主要状态如下：

(1)经济子系统。截止2015年底，广东省经济总量已持续28 a排名全国首位，其地区生产总值达到72 812.55亿元，约占全国10.7%，三次产业(分别是农业、工业和除第一、第二产业以外的其他各业)结构比例为4.6∶44.6∶50.8，规模以上工业增加值增速高于全国0.7个百分点。整体来看，广东省经济发展水平相对较高，但仍处于产业结构调整优化阶段。构建经济子系统的SD要素时，将各产业GDP、各产业GDP增加值分别作为系统水平变量和速率变量，而产业GDP增长率则可作为辅助变量。

(2)水资源子系统。以水资源、土地、林地等为代表的自然资源是支撑社会经济可持续发展基础要素。其中，广东省水资源总量达到1 933.4亿m3，水资源量相对丰富而人均水资源偏低，仅为1 687 m3。万元GDP用水量与万元工业增加值用水量分别为61，37 m3，较常年有所下降；但近年来农业用水量、城镇公共用水量等均呈攀升趋势，分别达到227亿、28.9亿m3。考虑与水资源的紧密相关性，耕地、林地等相关资源逐年呈差异性变化，林业用地面积达1 096.25万公顷(1公顷=104m2)，森林面积1 082.79万公顷。本文将可用水资源量、耕地面积、经济林面积、水土流失治理等作为仿真模型水平变量，水资源供给与消耗量、耕地增加与减少量等作为速率变量，地表水与地下水可开采量、农业用水量、工业用水量、生活与生态用水量、人均耕地面积等作为辅助变量。

(3)水环境子系统。长期以来水污染防控问题是广东省治理的重点难点，污水排放量持续达120亿t以上，工业化学需氧量(COD)180万t，氨氮排放总量22.5万t。对此广东省不断加大对水污染治理能力建设，但水质性缺水依然对全省社会经济发展造成了严重困扰。该子系统中，氨氮量与COD作为复合系统水平变量，同时也是测度水环境状态的观测指标，其增加量与削减量作为速率变量，而工业废水排放量、工业氨氮生产量、生活污水排放量等作为辅助变量。

(4)社会子系统。受当地经济发展、资源禀赋和国家政策导向的影响，广东省社会发展面临的相关问题相对显著，较为典型的即为人口密集度较高，达到604人/km2。同时伴随人口老龄化加快，迁入率持续提升而迁出率稳定下降，导致社会面临的人口压力逐年增大。据此，本文选取人口因素作为社会子系统影响水资源的关键指标，并将人口规模作为水平变量，自然增长人口与迁入人口作为速率变量，人口净迁入率、城镇人口、农村人口等作为辅助变量。

2.2 复合系统模型构建

2.2.1 数据来源

本文SD建模检验样本区间为2003—2014年，模拟运行区间为2015—2020年，其中以2015年作为测度基准年，仿真步长设置为1 a。所需数据主要源于《广东省水资源统计公报》(2004—2015)、《广东省统计年鉴》(2004—2016)、《中国环境统计年鉴》(2004—2015)、《中国工业统计年鉴》(2004—2015)、《中国统计年鉴》(2004—2016)和广东省统计局网站。

2.2.2 模型构建与一致性检验

根据对广东省水资源承载力复合系统特征的分析，以“节水优先、空间均衡、系统治理”水安全保障目标为依据[10]，按照经济子系统、水资源子系统、水环境子系统和社会子系统关联关系，利用Vensim PLE软件构建广东省水资源承载力复合系统仿真模型，见图2。按照指标属性和其数据的可得性不同而选取针对性的赋值方式，其中，除了类似于城镇人口、工业废水排放量等基于历史统计数据可直接取得或计算出的指标外，对于随时间变化而发生演变的指标、指标之间关系不易确定的变量均利用表函数给出。

利用广东省2003—2015年实际统计数据对模型进行仿真模拟，对比模拟值与统计实际值之间是否存在一致性。其中，以人口规模数、化学需氧量和水资源消耗量为例，检验样本指标相对误差值，见表1。可知，样本指标模拟值与实际值之间的相对误差均处于±5%以内，具有较高拟合精度，符合系统模型仿真要求。

3 广东省水资源调控效应分析

3.1 情景设置

根据水资源特性，综合考虑系统内各因素，在科学性、整体性、动态与静态相结合、定性与定量相结合、对比性、可行性等原则的基础上，选取总人口、区域GDP、第一产业GDP、工业GDP、第三产业GDP、工业用水量、生活用水量、农业用水量、生态用水量、循环利用量、水资源需水量、可用水资源量、水资源供需比、废水排放总量、COD存量、氨氮存量共16个与水资源承载力系统密切相关的变量作为广东省水资源承载力研究的度量指标。其中，总人口、工业用水量、生活用水量、农业用水量、生态用水量、水资源需水量、废水排放总量、COD存量、氨氮存量共9个指标的降低能够提升水资源承载力，区域GDP、第一产业GDP、工业GDP、第三产业GDP、循环利用量、可用水资源量、水资源供需比共7个指标的增加能够提升水资源承载力。

表1 样本指标模拟一致性检验Table 1 Results of consistency check of sample simulation

注：相对误差=[(模拟值-实际值)/实际值]×100%

基于水资源承载力复合系统仿真模型满足一致性的检验要求，可通过设置相应的决策变量与评价指标分析广东省2016—2020年水资源承载力调控模式。本文选取第一产业GDP增长率、工业GDP增长率、第三产业GDP增长率、工业亿元产值用水量、城镇居民人均生活用水量、农村居民人均生活用水量、再用水回用率、工业废水治理费用、生活污水集中处理率9个变量作为决策变量。同时，综合考虑社会经济、水资源、水环境等各个子系统对水资源承载力的影响。

(1)社会经济子系统中具代表作用的就是各产业GDP，综合考虑后选取区域GDP作为评价指标。区域GDP包含各产业经济发展状况，涵盖社会经济子系统各个方面，在一定程度上提升区域GDP能够增强水资源承载力。

(2)水资源子系统中具代表作用的就是水资源供用水量与可用水量，其中消耗量反映各行业用水情况，可用水资源量体现广东省当前情况下能够使用的水资源量，因此选取消耗量与可用水资源量作为评价指标。一方面能够确定是否存在水资源短缺隐患，另一方面能够对供用水量进行实时调控，增加水资源使用效率。水资源消耗增多会导致水资源总量减少、水污染情况加重的情况，从而降低水资源承载力。可用水资源量减少会导致水资源严重短缺，从而降低水资源承载力。因此在一定程度上降低消耗量、增加可用水资源量能够增强水资源承载力。

(3)水环境子系统中具代表作用的就是COD和氨氮的产生、治理和排放，能够直观体现水环境优劣的就是COD和氨氮存量，因此选取COD存量和氨氮存量作为评价指标。COD和氨氮存量增多说明水环境污染严重，水环境问题急需解决，从而水资源承载力也会降低，因此在一定程度上降低COD存量和氨氮存量能够增强水资源承载力。综合考虑后选取区域GDP、消耗量、可用水资源量、COD存量、氨氮存量作为评价指标。

以广东省制定的2016—2020年最严格水资源管理制度，确定各情景下参数值。广东省具体情景如下。

情景1：零参数调整。维持现有发展趋势，根据2003—2015年广东省各社会、经济、生态和生活指标按照现阶段的发展趋势进行发展，系统各参数值不变，用实际值模拟广东省未来几年的水资源与社会经济发展情况。即再用水回用率18.41%，工业亿元产值用水量0.003 7亿m3，城镇居民人均生活用水量0.007亿m3/(万人)、农村居民人均生活用水量0.005亿m3/(万人)，第一产业GDP增长率5.64%、工业GDP增长率3.83%、第三产业GDP增长率10.93%，单位工业废水治理费用1.860 8亿元/(亿t)、生活污水集中处理率73.65%。

情景2：节水型调控。强化节水力度是提高水资源承载力的关键。根据数据指标可见，广东省工业亿元产值用水量多年来大幅度下降，用水效率显著提升，广东省针对“三条红线”建设已初具成效，但是经济发达地区工业生活用水较多。再用水回用是缓解水资源短缺、实现区域水资源循环利用、促进水资源节约与保护的重要手段，有助于建设资源节约型、环境友好型社会，而广东省再用水回用率较低。综上所述，为了使经济更好地发展，进一步提出节水措施，广东省“十三五”实行最严格水资源管理制度考核工作实施方案中明确提出2016—2020年全省用水总量控制在450.18亿m3，到2020年万元国内生产总值用水量降低33%以上，万元工业增加值用水量降低27%以上。对此，在情景1的基础上，增加再用水回用率至30%，降低工业亿元产值用水量至0.001亿m3、城镇居民人均生活用水量为0.005亿m3/(万人)、农村居民人均生活用水量为0.003亿m3/(万人)。

情景3：产业结构优化型调控。若想要实现广东省可持续发展，必然需要完整的产业体系结构，产业结构合理化是经济增长的重要推动力。广东省是典型的工业大省，但其农业需水量较高，且第三产业相对较为发达，三次产业比例不够协调，产业结构与发达国家相比还有很大的提升空间。根据广东省出台的《关于加快建设现代产业体系的决定》和《广东省现代产业体系建设总体规划》对产业结构的战略性调整和优化，以及2016年广东省十三五规划纲要中明确要强化经济增长和结构调整，三产业协同带动转变，形成广东经济新的竞争优势。对此，在情景1的基础上，降低第一产业GDP增长率为1%，提高工业GDP增长率为10%，第三产业GDP增长率为17%。

情景4：环境保护型调控。水质性缺水长期以来是制约广东省水资源的重点难点问题。为进一步落实最严格水资源管理“三条红线”，可从环境保护的角度出发，降低污染排放。广东省“十三五”实行最严格水资源管理制度考核工作实施方案中明确提出到2020年，水功能区水质达标率达到83%。对此，在情景1的基础上，降低单位工业废水治理费用至0.6亿元/(亿t)，增加生活污水集中处理率为96%。

情景5：综合型调控。对情景1—情景4进行综合实施，分析水资源承载力变化趋势。

3.2 模拟结果

按照不同参数的情景设置，对水资源承载力复合系统评价指标进行动态模拟，各主要指标模拟预测值见表2，区域GDP、消耗量、可用水资源量、COD存量、氨氮存量5个评价指标分别在5种情景方案下的仿真结果见图3，评价指标模拟预测结果见表3。

图3 水资源承载力复合系统主要评价指标模拟趋势Fig.3 Development trends of major evaluation indices for composite system of water resources carrying capacity

3.3 结果讨论

根据上述模拟结果，讨论如下。

情景1：按照当前整体发展趋势下，区域GDP可实现稳定增长，而与之相应的水资源消耗量也具有攀升态势；可用水资源量的提升效果并不理想，尤其是2019—2020年期间变化差异较小；COD存量与氨氮存量缓慢下降。鉴于当前广东省着力建设节水型社会的要求，该情况对上述要求支撑力度较为薄弱，无法将水资源可持续利用的理念充分体现出来。

表3 评价指标模拟预测结果Table 3 Simulation results of evaluation indices

情景2:考虑降低用水量，提升用水效率，增加再用水回用率，降低工业亿元产值用水量、城镇居民人均生活用水量和农村居民人均生活用水量，发现与情景1相比，区域GDP变化基本保持一致；COD存量和氨氮存量有轻微的减少；水资源消耗量由418.447亿m3降到305.634亿m3，下降幅度较大；可用水资源量提升相对显著，到2020年可达862.959亿m3。可见情景2的情况下，仅对水资源消耗量和可用水资源量有较为明显的改善，但从水资源承载力复合系统协调发展的视角下来看仍存在不足。

情景3：考虑平衡三产比例，降低第一产业GDP增长率，提升工业和第三产业GDP增长率，导致区域GDP有所提升；相比情景1和情景2，情景3的COD存量和氨氮存量到2020年将分别降至228.37万t、34.987万t，改善效果更加显著；而过度注重经济的增长，却加剧了水资源的浪费，水资源消耗量并未降低，反而上升到468.541亿m3；同时，可用水资源量降低576.081亿m3，均低于情景1、情景2模拟值。可见该情景对提升广东省水资源承载力有一定的作用，但效果还不够理想。

情景4：考虑环境保护进行污水重点治理方案，降低单位工业废水治理费用，增加生活污水集中处理率。结果显示，区域GDP与情景1保持同步；而水资源消耗量于2020年时降至434.833亿m3，该效果要好于情景1、情景3，但要弱于情景2；与之相似，可用水资源量提高到610.822亿m3；而COD存量和氨氮存量降低的成效最明显。该调控在提高污染治理能力建设上具有较为显著的提升，但仍然限于局部要素对广东省水资源承载力进行改善。

情景5：综合考虑节水、治污、产业结构优化等问题，到2020年时将显著提升区域GDP水平；水资源消耗量下降明显，降到283.739亿m3，均低于其他情景效果；而可用水资源量相应地突破到879.772亿m3；控污方面，COD存量与氨氮存量相比其他各类情景，降低幅度更加可观。根据表2不同情景下2020年各评价指标的模拟预测结果进行分析可得，情景5下广东省2020年水资源承载力最高。而且若只考虑节水与治污，区域GDP不能达到综合情景下的水平，考虑节水与产业结构优化，COD和氨氮存量没有大幅度的降低，考虑治污与产业结构优化，则不能够明显降低水资源消耗，增加可用水资源量。可见，综合考虑节水、治污、产业结构优化，能够使得各个评价指标均取得最佳效果，可在所设情景下最大限度地提升广东省水资源承载力。因此，定其为最优情景。

4 结论与建议

4.1 结 论

本文选取系统动力学仿真方法构建融合经济子系统、水资源子系统、水环境子系统和社会子系统的广东省水资源承载力复合系统模型，并利用2003—2014年历史数据验证了模型的有效性。在此基础上，通过设置零参数、节水型、产业结构优化型、环境保护型和综合型情景对2015—2020年广东水资源承载力趋势进行调控效应分析，发现在零参数调控状态下，维持各指标现有发展趋势对其水资源承载力提升成效相对缓慢，节水型、产业结构优化型、环境保护型调控分别对水资源消耗量、可用水资源量、污染物排放量达到一定的控制成效，但不能全面满足对广东省节水型社会创建的要求。而综合性调控则可实现各评价指标的系统优化，推动水资源承载力复合系统协调发展。

4.2 建 议

(1)强化节水措施，通过提高水资源循环利用水平降低对水资源的需水量，形成有效的“倒逼”机制，从水资源的消耗端释放水资源供需压力。

(2)加快产业结构优化速率，充分考虑广东第三产业相对发达，工业比重较高，而农业需水量较大的特点，适当调整第三产业与工业的比例，同时完善水利基础设施建设，改进农业灌溉方式，提高农业灌溉率。

(3)加强水资源监控能力建设，提高防污控污水平，通过完善阶梯式污水排放费用，提升对水环境的规制力度，注重先进节水降污设备的投入与使用，提高水资源利用效率。