基于系统动力学模型的江西省水资源承载力评价

宋世强,冯 倩,王萍根,唐郭豪,熊夏晖,计 勇

(南昌工程学院水利与生态工程学院,江西 南昌 330099)

随着经济社会的发展,用水矛盾日益突出,在对水资源进行规划利用时,必须考虑水资源系统的承载能力[1-2]。对水资源承载力进行合理评价可为区域可持续发展提供参考及理论依据[3]。水资源利用率低、水环境恶化、洪涝灾害等问题已成为制约江西省经济发展的重要因素[4]。如何解决经济社会发展与水环境之间的供需矛盾,加强水资源利用的管理,实现水资源与社会、经济和环境的可持续发展,为江西省经济快速发展和人民幸福生活提供全面保障,是当前迫切需要解决的重大问题[5]。合理评价水资源承载力可为江西省水资源的可持续利用和社会的可持续发展提供决策指导[4]。对于区域水资源承载力的评估,国外研究并不多,大部分将其归入可持续发展研究中,较为广泛地应用于土地、旅游、环境领域。在水资源领域的具体应用,国外往往以“水资源供需比(Ratio of Water Supply to Water Demand)”[6]、“可利用水量(Water Availability)”[7]等概念出现。中国对水资源承载能力的研究起步于20世纪80年代,以新疆水资源软科学课题研究组[8]为代表从水资源开发利用角度提出了水资源承载力的模糊概念;直至1992年,施雅风等[9]将水资源承载力这一概念明确定义。目前国内外还没有统一的区域承载力评估方法,常见的大致可以分为四大类:一是生态足迹法,生态足迹理论在20世纪90年代初由William E.Rees[10]提出,以用来评估目前人类活动的永续性,但由于各评价要素间信息杂糅与主观性人为判断的影响,使结果偏离了实际情况[11];二是综合评价法,该方法采用具体的评价指标、评价标准及评价方法,对水资源承载力情况进行量化评价[12-14],但通常会忽略评价指标之间的耦合关系[15]。主要包括了综合指标评价法[16]、投影寻踪法[14]、成分分析法[17]、层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)[18]等;三是经验估算法,该方法根据供需平衡、水热平衡等基本原理,对承载力大小进行估计[19],但难以对调控方案提供有效的技术支撑[19]。现阶段的经验公式法主要有背景分析法[20]、常规趋势法[21]、经验公式法[21]等;四是复杂系统分析法,该方法将一个复杂系统基于社会经济、资源环境等方面划分为多个子系统,并根据子系统间的联系,模拟水资源的变化趋势。但存在方程和模型建立不够准确的问题[22],需通过检验确定模型的准确性。主要包括系统动力学法(system dynamics,SD)[22]、控制目标反推模型[23]、优化模型法[24]。因此,水资源承载力的研究得到学术界的高度关注[25]。

本研究将系统动力学与层次分析法相结合,考虑了水资源承载力定量分析过程中,各评价指标间的耦合关系,单一评价方法的局限性,并通过历史性检测来验证模型的有效性。系统动力学由美国麻省理工学院Forrester[6]提出,是一种通过计算机模拟技术与反馈控制理论相结合,定性并定量分析复杂非线性系统的方法。1980 年,英国学者Sleeser[26]综合考量人口、资源、环境和发展之间的关系,提出了用系统动力学模型计算资源环境承载力的新方法。通过在一些国家和地区的实际应用,该模型在实践中取得了良好的效果,并通过了联合国开发计划署的批准。随着系统动力学理论体系及研究方法的成熟,它已被广泛应用于水资源承载力的研究[7,27]。以系统动力学为基础,建立了由4个子系统组成的SD模型,利用2013—2020年的经济、人口、水环境及水资源数据对水资源承载力模型进行率定,对江西省4种发展情境下的水资源承载力发展趋势进行系统评价,以期为该地区水资源可持续利用以及水资源政策的制定提供借鉴。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

江西省位于中国的东南部,全省总面积16.69万km2,地处北纬24°29′14″—30°04′43″与东经113°34′18″—118°28′56″,属于典型的亚热带季风性湿润气候,全省雨量充沛,多年平均降水量为1 638 mm[5]。随着经济发展,水资短缺成为制约江西省可持续发展的重要因素[4]。据统计,江西省2020年地表水资源总量1 685.56亿m3,全省用水总量244.12亿m3,占全年水资源总量的14.5%。从用水结构来看,农业用水占66.3%,工业用水占20.6%,居民生活用水占9.0%,城镇公共用水占2.8%,生态环境用水占1.3%。本文以江西省为研究区域,分析研究未来江西省水资源承载力。

1.2 系统动力学模型构建

1.2.1模型结构

水资源承载力模型中主要包括经济子系统、人口子系统、水环境子系统及水资源子系统。其中,经济子系统中包括各产业的GDP增长值与需水量;人口子系统包括农村与城镇的常住人口数量及生活用水定额;水环境子系统包括生态需水量、污水排放量、污水回用率、污水回用量等;水资源子系统中包括系统的需水总量及供水总量。根据各子系统间的相互关系和反馈作用,基于Vensim PLE 7.3.5软件将4个子系统相互链接,得到整体的江西省水资源承载力SD模型系统流图,见图1。

图1 江西省水资源承载力系统动力学模型系统流图

1.2.2数据来源

研究所选取的指标数据主要包括生态环境和经济社会两方面,具体数据来源参考《2013—2020江西省水资源公报》《2014—2021江西省统计年鉴》、DB 36/T 419—2017《江西省生活用水定额》等政府公开数据,此类数据被前人多次引用[28-29],具有一定的有效性及可靠性。

1.2.3模型参数

系统动力学模型未提供参数估算方法,需借助其他方法来合理估算模型中的相关变量。本研究在前人的基础上,采用3种估算方法[30]:①均值法,计算历史数据的多年均值来确定参数;②回归分析法,对于具有线性相关性的变量,线性回归历史数据来确定变量的参数;③表函数法,对于不具备线性相关性的变量,采用Vensim PLE 7.3.5中的表函数来确定变量的参数。本系统中部分参数的估算方法见表1。

表1 部分参数估算方法

1.3 水资源承载力评价体系构建

1.3.1评价指标选取

水资源承载力具有社会和自然双重属性[31],结合江西省社会经济发展和生态环境保护情况[5],遵循评价指标的选取原则[17],参考相关文献中使用的高频指标[32-33],分析影响水资源承载力的主要因素,合理构建了由水资源、生态环境、社会、经济4个子系统15个评价指标组成的指标体系,见表2。指标体系中水资源子系统主要考虑区域供水能力、水资源开发利用程度及水资源再利用水平;生态环境子系统重点考虑生态环境用水情况、水资源污染状况及水环境保护力度;社会子系统主要考虑区域社会发展水平及生活用水量;经济子系统主要反映区域经济发展及用水水平[22]。

表2 江西省水资源承载力评价指标体系

1.3.2评价指标的标准化

在水资源承载力预警评价体系中,评价指标的选取多来自社会、经济、水环境、水资源等不同领域,他们的单位和数值都有较大差异,不能直接进行比较[34],需要将所选指标进行标准化处理,使指标数值经过标准化处理后都处在0～1。

在水资源承载力评价体系内部,各指标对水资源承载力具有不同的影响,对水资源承载力具有积极影响的指标称之为正向指标(如水资源供需差、污水回用率等);对水资源承载力具有消极影响的指标称之为负向指标(如生活污水排放量、工业用水量等);数值越接近均值,越有利于水资源承载力的提高的指标称之为协调指标(如总人口)。正向指标、负向指标及协调指标的计算见式(1)—(3):

正向指标:

(1)

负向指标:

(2)

协调指标:

(3)

1.3.3水资源承载力量化

在完成各指标的标准化处理后,将所有指标的标准化数据加权求和,得到区域水资源承载力综合指数为:

(4)

式中,Uj为水资源承载力,wi为指标i的权重。综合前人研究成果,将水资源承载力综合指数值划分到0～1,数值越大,表明水资源承载状况越好,可支撑的社会经济发展规模越高[35-36]。借鉴前人研究[37-38],具体水资源承载力状况分级情况见表3。

表3 水资源承载力状况分级

2 系统动力学模型计算分析

2.1 模型检验

选取2013—2020年江西省的供水量、第三产业增加值、生活用水量、工业用水量、农业灌溉用水、渔畜用水量6个关键变量在模型中模拟出的数据与历史真实数据对比,分析误差大小,误差在一定范围内即认为模型可靠。由表4可知,误差均在10%以内,准确度较高,通过历史性检验,说明模型拟合符合要求,可以预测2013—2025年江西省的水资源承载力状况[31]。

表4 历史性检验结果

2.2 发展情境设计

本研究设计了4种经济社会发展情境,通过分析4种情境下的区域水资源承载力发展状况,进而寻求提高水资源承载力的政策或技术性措施及建议。

a)现状型。假设到2025年江西省保持现有的发展状况,则模型中的所有参数保持不变,应用该情境与其他情境进行比较。

b)高速发展型。优先发展经济,提高经济发展速率。工业、第三产业净增率及灌溉面积均达到最高水平,但也形成巨大的水资源需求,包括工业用水、第三产业用水、农业用水及生活用水,经济发展会带动当地居民的收入,从而推动城镇化发展。

c)节水治污型。基于节约水资源和生态环境改善,提高用水效率,加大环境保护治理力度。在该模式下减少居民及各行业的生活用水定额,提高污水处理率及污水回用量,减少高耗水产业的产业规模。

d)综合发展型。同时考虑调整产业结构、节约用水、污染治理等措施,相关参数取值在前三种方案基础上综合调整,其中节水力度、污水治理程度参照节水治污型,灌溉面积增长情况参照高速发展型,经济发展速度介于现状型和节水治污型之间。

各个情境在参考前人研究的基础上[27,39-41],结合近八年江西省政府公布的《江西省水资源公报》《江西省统计年鉴》,主要变量到预测期末的取值情况见表5。

2.3 模型预测结果

通过对4种情境进行参数设定,经过模拟得到最终结果,见图2。

图2 不同情境下主要变量模拟结果

a)在现状型的情境下,2025年江西省的工业及第三产业产值比2020年增加2 481亿、11 442亿元,工业、第三产业、第一产业、生活的需水量比2020年增加1.3亿、7.0亿、4.0亿、0.5亿m3,总需水量增加了12.8亿m3,水资源供需比将由2020年的0.91降低至2025年的0.85。

b)在高速发展型的情境下,经济效益最显著,到2025年工业及第三产业产值比现状型增加4 214亿、13 605亿元;与此同时,用水压力也大大提高,工业、第三产业、第一产业、生活的需水量比现状型的情境下分别提高15.7亿、13.8亿、3.8亿、4.7亿m3,总需水量提高了38亿m3,水资源供需比降低至0.77。

c)在节水治污型的情境下,需水总量将在2025年达到257.4亿m3,比现状型共降低26.5亿m3,供需比达到0.92;工业增加值在现状型的基础上降低了1 050.6亿元,但第三产业增加值未发生明显变化。

d)在综合发展型的情境下,到2025年需水总量比现状型降低4.9亿m3,工业增加值及第三产业增加值分别提高了1 133.8亿、3 521.4亿元,GDP增加值高于除高速发现型情境的其他情境;水资源供需比在2025年达到0.87,高于除节水治污型情境外的其他情境。

3 水资源承载力模型分析

3.1 水资源承载力模型构建

本研究通过Yahhp 10.1软件构建以指标体系为基础的层次结构模型。在李林汉等[34]的基础上,结合江西省实际情况与指标的相对重要性,构建了判断矩阵[32,42]。在判断矩阵通过一致性检验后,通过软件计算得到指标的权重,见表6。

表6 水资源承载力评价指标及权重

3.2 不同情境下的水资源承载力

虽然设计的发展情境与区域真实发展状况并不完全一致,但通过研究不同发展情境下的区域水资源承载力变化趋势,可以探索最适合江西省的发展模式[43]。根据前文介绍的方法,分别计算出4种发展情境下的江西省水资源承载力,见图3。

图3 不同情境下的江西省水资源承载力

在现状型的发展情境下,预测期内的水资源承载力总体呈下降趋势,由2020年的0.600 3下降至2025年的0.565 2,下降了5.85%,处于轻微超载状态,说明当前江西省的经济社会发展方式不符合可持续发展的要求,此结果符合江西省水资源利用率低、水环境恶化、洪涝灾害严重的现状;在高速发展情境下,预测期内的水资源承载力呈高速下降趋势,由2020年的0.600 3下降至2025年的0.461 4,下降了23.14%,处于轻微超载状态,且有向超载状态发展的趋势,对比现状型的发展情境,此情境下江西省的水资源承载力愈加恶化,说明只追求经济高速发展会对江西省水资源承载力造成巨大压力;在节水治污情境下,区域水资源承载力总体呈上升趋势,由2020年的0.600 3上升至2025年的0.692 3,上升了15.33%,处于临界超载状态;在综合发展情境下,区域水资源承载力呈高速上升趋势,由2020年的0.600 3上升至2025年的0.714 7,上升了19.06%,且有向不超载发展的趋势,说明在节水治污及综合发展情境均有利于江西省的经济发展和水资源的可持续利用。

节水治污及综合发展情境对水资源承载力均有明显的改善作用,但节水治污情境下的江西省经济社会发展无法得到充分满足。综合发展情境同时考虑了经济社会发展及生态环境保护,且水资源承载力的提高量居于最高水平,所以是最适宜江西省的发展情境。在此情境下江西省整体水资源承载力水平得到改善,但局部水资源承载力的改善水平与整体存在差异。在局部区域或某时段内水资源承载力处于严重超载时,需借助水资源调度才能缓解用水情况,以保证江西省经济、社会及生态的安全。

4 结论

鉴于江西省存在水资源时空分布不均及来水与用水不同步等问题,本文基于水资源承载力评价理论体系,将层次分析法与系统动力学模型相结合,对江西省水资源承载力进行有效评价。在模型中设置4种情境进行仿真,并选择出最优发展情境。研究结论如下:①在现阶段的发展趋势下,未来的可供水资源量将无法满足经济社会的发展需求,水资源短缺问题愈发严重;②在采取节水治污情境时,用水负载力最小,在该方案下水资源供需情况得到了明显改善,但经济增长量远小于现阶段下的发展情境;③在采取高速发展情境时,经济发展速度远高于其他情境,但用水供需严重不平衡;④在采取综合发展情境时,区域水资源承载力得到最大程度的改善,说明综合发展型情境综合考虑了区域经济发展与生态环境保护,是符合江西省可持续发展的最优发展模式。

本文结合研究结论就江西省水资源规划管理提出以下两方面的建议:①优化调整产业结构布局,在水资源承载力基础上确定发展规模;②从多方面综合管理水资源,不仅要提高用水效率,还应加强污水处理能力。