张掖盆地水资源二次供需平衡系统动力学分析

陈益平，秦欢欢，2

(1.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013；2.东华理工大学水资源与环境工程学院，江西 南昌 330013)

通讯作者：秦欢欢(1986-)，男，博士，讲师，主要从事水文学与水资源研究工作。

1 概述

黑河流域是我国第二大内陆河流域，发源于祁连山中段北麓，气候干旱，水资源严重匮乏[1-2]，造成了一系列诸如湖泊萎缩、土地沙化、植被退化等生态环境问题，也让黑河流域为此付出了巨大的代价[3]。黑河流域以莺落峡和正义峡为上中下游的分界点，莺落峡至正义峡为中游，张掖盆地是流域中游东部最大的构造盆地，集中了整个流域88%的人口和GDP，是黑河流域最主要的经济区和用水区[4]，其用水量占黑河流域用水总量的70%[5]。黑河中游地区用水以引用地表水和泉水为主，河泉引水量占总用水量的84.1%，其中72.7%集中在张掖盆地[5]。随着人口的剧增和经济的发展，水资源逐渐成为内陆干旱区张掖盆地社会经济和资源环境可持续发展的关键制约因素之一[6-8]。因此，针对黑河中游张掖盆地水资源的供需平衡问题进行研究，掌握水资源供需之间相互反馈的关系，对张掖盆地以及整个黑河流域水资源的可持续利用及经济社会的发展具有十分重要的意义[9]。黑河中游张掖盆地地处“丝绸之路经济带”，近年来我国提出了一系列利好政策，这对于张掖盆地未来社会经济的发展将具有较大的促进作用。以农牧业为主的张掖盆地经济的发展必然会挤占农牧业的用地、用水以及生态环境的用水，亦会加剧水资源供需之间的矛盾，如何协调经济的加速发展和资源环境的保护成为张掖盆地急需解决好的重要议题。

针对区域用水过程中需求和供给之间的平衡及余缺关系进行分析，揭示水资源供给和需求之间的矛盾，可以达到掌握水资源的开发潜力和途径，为水资源可持续利用与管理提供科学的指导[9-10]，有许多学者进行这方面的研究[11-16]，取得了一定的研究成果，如秦剑[11]和曾发琛[12]分别研究了北京市和西安市的水资源供需平衡问题，为这两个城市水资源的可持续发展提供了定量化的科学指导。然而，区域水资源供给和需求之间存在复杂的动态反馈关系，并且与诸多的经济、技术和工程等因素有着相互影响的定量关系，传统的研究方法无法系统地刻画这种关系，也无法捕获水资源供给和需求内在的系统行为[17-18]，而系统动力学(System Dynamics，SD)是研究、解决这一问题的有效方法[19-20]。SD在定量处理水资源系统动态变化和反馈关系中具有优势[19]，在诸多领域都有着成功的应用[4，11，21-23]，也因此获得了长足发展。

本文在校准的SD模型基础上模拟黑河中游张掖盆地2019—2050年的水资源需求和供给，定量描述张掖盆地水资源供需之间的平衡和余缺关系，采用二次供需平衡分析法，探讨张掖盆地水资源供需的现状和平衡缺口，为张掖盆地水资源的利用和管理提供科学的依据，基于模拟的结果，为张掖盆地缺水问题的解决提供有效的方案和建议。

2 研究区与研究方法

2.1 研究区

张掖盆地位于黑河流域中游，农牧业开发历史悠久，面积近9 000 km2，包括民乐、山丹、甘州、临泽和高台5个县区，是黑河流域主要经济区和用水区，2017年人口约129.60万，GDP总额约353.68亿元，农作物播种面积为25.18万hm2，粮食总产量为131.43万t。除了黑河干流之外，人工水系已经逐渐取代了天然水系，人工绿洲也已经取代了天然绿洲[24]。随着社会经济的发展，原有的人工绿洲已不能满足人们的需要，扩大人工绿洲面积便成为必然之势。人工绿洲的规模逐渐扩大，随之而来的是水资源利用量的飞速增长，水资源的承载能力渐渐不足，总用水量占到全流域的近87%，以地表水和泉水为主；地下水开采量在1990—2000年为1.88亿m3/a，2000年后为2.96亿m3/a。而且人工绿洲的扩大以绿洲荒漠过渡带的消失为代价。过渡带对水土保持和防风固沙有重要作用，一旦被破坏则带来的损失不可估量[24]。

2.2 需水量计算方法

张掖盆地需水量可分为生活、工业、农业和生态需水量，其中农业需水量又可以划分为灌溉、牲畜和林渔需水量。在这些需水量中，生活、工业和灌溉需水量的计算需要综合考虑经济、工程、技术、水文、气象等各种影响因素，牲畜需水量的计算采用定额法，而林渔及生态需水量是输入变量。影响生活需水量的因素包括人口、GDP、水价等；影响工业需水量的因素包括GDP、收入、技术等；灌溉需水量与作物的水文及农学特征相关，涉及的影响因素包括作物的种类、生长阶段、面积、参考蒸散发、有效降水等。这些中间变量以及需水量的具体计算方法在文献[4]已有较详细的描述和说明。

本研究数据的来源如下：

① 从历年甘肃省水资源公报中可搜集到相关的社会经济数据、水资源数据、气象数据、污水回用数据等；

② 从历年甘肃省统计年鉴可搜集到相关的社会经济数据、气象数据等；

③ 根据种类和生长周期来确定模型中农作物的相关数据。

2.3 二次供需平衡分析法

二次供需平衡分析法是指对研究区水资源供需平衡态势进行两次分析的方法，其中一次供需平衡分析是指在保持现状的发展结构和模式的情景下对研究区未来的水资源供需进行研究，获得保持现状下研究区的水资源供需平衡及余缺水情况；二次供需平衡分析是在一次平衡分析的基础上，通过采取节约用水或增加供水的相关措施，再次对研究区的水资源供需平及余缺情况进行研究和分析[9]。通过结果对比能够揭示水资源供需平衡中的问题并深入地进行剖析，在此基础上给出解决水资源供需不平衡问题的相关政策建议。

3 张掖盆地水资源供需SD模型

3.1 模型的结构

根据研究区的实际情况，张掖盆地水资源需求部分包括生活、工业、农业和生态等4个组成部分，供给部分则包括地表水、地下水和污水回用等3个组成部分(如图1所示)。

图1 张掖盆地系统动力学模型概念示意

水资源供给和需求的不平衡会造成张掖盆地的缺水问题，进而会影响张掖盆地社会经济的发展和资源环境的保护。在此基础上，通过建立相关变量和因素之间的因果关系并将这些关系进行定量化处理，之后便可通过VENSIM Professional软件建立张掖盆地水资源供需SD模型的系统流图(见图2)，用于下一步的校准和预测。系统流图是概念模型的定量化，是通过系统动力学软件将概念模型中变量之间的所有关系都定量化处理，并在系统动力学软件中实现。根据研究区的实际情况，将其划分为相互关联及影响的五个子系统，包括人口子系统、工业子系统、农业子系统、水资源子系统和环境子系统。

图2 张掖盆地系统动力学模型示意

3.2 模型的校准

表1 拟合结果衡量标准的计算值

3.3 二次供需平衡情景设计

根据张掖盆地社会经济和水资源利用的现状，地处“丝绸之路经济带”的张掖盆地，城镇化进程必然会随着社会经济的发展而加快，这将使得张掖盆地的土地利用类型中一部分农业用地转变为工业及生活、居住用地。有鉴于此，城镇化加快会对张掖盆地未来的经济和人口增长、土地利用产生较大影响，同时有可能对于水资源利用产生一定的影响，因此从这几方面对张掖盆地水资源二次供需平衡进行研究和分析就很有必要了。本文考虑了节约用水和城镇化进程加快这两大影响用水的因素，由此设计二次供需平衡方案对研究区水资源供需分析(见表2)。考虑到城镇化加快会导致研究区部分土地的利用类型由农地转化为工业及生活用地，由此导致农作物种植面积的减少。为了定量模拟这种变化对张掖盆地水资源利用的影响，同时结合系统动力学方法和模型的具体情况，本文考虑采取减少农业用水量的措施来进行定量模拟。具体来说，一方面，将牲畜(大牲畜、猪、羊和家禽)的用水量分别减少40%，农作物(玉米、小麦、棉花、薯类、蔬菜、油料和水果)的种植面积分别减少30%；另一方面，适当提高张掖盆地GDP和人口的增长速度，2030年这两者分别为7%和5‰，2050年分别为10%和7‰，其它参数的数值保持和现状情景一致。

表2 二次供需平衡分析方案设计

4 结果与分析

根据以上设计的方案，对张掖盆地2019—2050年水资源进行一次及二次供需平衡分析，结果见表3，图3是预测期内张掖盆地总需水量和余缺水量的时间序列示意。

表3 张掖盆地水资源供需平衡分析结果

4.1 一次平衡结果

在现有社会经济发展模式下，张掖盆地水资源一次供需平衡分析(表3)显示，规划水平年2020年、2040年和2050年分别缺水14.70亿m3、6.44亿m3和4.03亿m3，缺水率分别为64.39%、27.63%和17.10%；2030 年有3.15亿m3的水富余，余水率13.67%。这说明在未来大部分时间里张掖盆地的水资源不能满足其社会经济用水的要求，水资源短缺的问题将伴随社会经济发展的大部分时间。从图3可以看出，在现有条件下，除了2030和2043年外，其余时间里张掖盆地将将一直处于水资源短缺的状态，水资源供需不平衡的矛盾在90%以上的时间里都是存在的，水资源将成为阻碍张掖盆地社会经济可持续发展的关键因素。

4.2 二次平衡结果

张掖盆地水资源供需二次平衡分析结果(见表3)显示，通过采取节水措施(模拟期内农业用水量平均减少30.62%)以及考虑城镇化进程加快的影响，在规划水平年2020年、2030年、2040年和2050年张掖盆地用水量分别减少12.52亿m3、5.64亿m3、7.32亿m3和4.08亿m3。由此导致的结果是，2030年、2040年和2050年分别有8.78亿m3、1.02亿m3和0.84亿m3的水富余，余水率分别为38.11%、4.35%和3.45%；而2020年则依然缺水2.19亿m3，缺水率为9.6%。从图3中可以看出，张掖盆地在模拟期内有6 a(2020年、2041年、2046—2049年)依然存在水资源短缺的问题，但在采取节水措施和考虑城镇化进程加快的影响后，张掖盆地水资源短缺的局面得到根本的改善，水资源供需不平衡的矛盾基本能够得到解决。

4.3 结果讨论

水资源供需二次平衡分析的结果说明，在采取节水措施(模拟期内农业用水量平均减少30.62%)和考虑城镇化进程加速的情况下，张掖盆地水资源供需不平衡的问题基本可以得到解决。鉴于农业用水量在张掖盆地总用水量中占据了绝对的比例，城镇化进程加速带来的土地利用类型的改变，不仅使得农业用水量大幅减少，而且有助于张掖盆地经济的发展，这正是国家相关扶持政策给地处黑河中游的张掖盆地所带来的最大利好。但是，在响应国家政策的同时，不能无限制地改变土地利用的类型，亦不能随意压减灌溉及牲畜的用水；不能只看到城镇化进程加速给经济发展带来的机遇，亦要看到它给张掖盆地粮食及用水安全所带来的潜在隐患。只有既保持经济的快速发展，又维持资源环境的保护，从“挖潜”和“节流”两方面多下功夫，才能保证张掖盆地水资源供需的长期平衡，也才能从根源上解决张掖盆地水资源短缺的问题，保障和促进经济的发展和社会的安定。

5 结语

通过构建考虑诸多影响因素的系统动力学模型，考虑节水措施(模拟期内农业用水量平均减少30.62%)和城镇化加速的影响，对黑河中游张掖盆地水资源进行了两次供需平衡分析，结果表明：

1)一次供需平衡分析时，张掖盆地水资源供需矛盾十分突出，除2030年外，2020年、2040年和2050年分别缺水14.70亿m3、6.44亿m3和4.03亿m3，缺水率分别为64.39%、27.63%和17.10%，张掖盆地的水资源不能满足社会经济发展和用水要求，90%的时间里都会存在水资源短缺的危机。

2)通过二次供需分析可以得出，张掖盆地水资源供需矛盾得到了较大程度的改善，2020年、2030年、2040年和2050年用水量分别减少12.52亿m3、5.64亿m3、7.32亿m3和4.08亿m3；2030年、2040年和2050年分别有8.78亿m3、1.02亿m3和0.84亿m3的水富余，余水率分别为38.11%、4.35%和3.45%；而2020年则依然缺水2.19亿m3，缺水率为9.6%。

3)二次供需平衡分析的结果说明，在采取节水措施(模拟期内农业用水量平均减少30.62%)和考虑城镇化进程加速的情况下，张掖盆地水资源供需不平衡的问题基本可以得到解决，但不能威胁到粮食和用水的安全。只有既保持经济的快速发展，又维持资源环境的保护，从“挖潜”和“节流”两方面多下功夫，才能保证张掖盆地水资源供需的长期平衡，从根源上解决张掖盆地水资源短缺的问题，保障和促进经济的发展和社会的安定。