基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的北京市水資源動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型研究

基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的北京市水資源動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型研究

0北京水資源概況水資源是基本資源和戰(zhàn)略資源，是人類生存和發(fā)展的基本前提。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國(guó)工農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)居民生活對(duì)水資源的需求量也日益增加,水資源問題越來(lái)越突出,水資源安全正成為可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域研究中的一個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。我國(guó)以往的水資源安全研究,主要是根據(jù)某一地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局研究該地區(qū)水資源供需狀況及其變動(dòng)趨勢(shì),并在此基礎(chǔ)上尋找水資源安全對(duì)策,而缺少水資源安全約束因子對(duì)供需平衡的影響以及不同約束下水資源安全狀況的動(dòng)態(tài)研究。北京是世界上最缺水的大城市之一,人均水資源不足300m3,僅為世界平均水平的1/30,水資源短缺已嚴(yán)重制約北京市的可持續(xù)發(fā)展。分析影響北京市水資源供需平衡的因子的變化,動(dòng)態(tài)模擬不同情景下北京市水資源供需平衡及利用效率,根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果提出相關(guān)對(duì)策,能為北京市水資源開發(fā)利用提供科學(xué)的決策參考,亦可為其他水資源短缺的城市提供借鑒。1北京市水資源量現(xiàn)狀北京屬溫帶半干旱、半濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候,多年平均降水量595mm,地表水資源量即地表徑流多年平均為17.72億m3,地下水資源25.59億m3,扣除地表水地下水重復(fù)計(jì)算量5.92億m3,當(dāng)?shù)刈援a(chǎn)天然水資源總量為37.39億m3。北京市人均水資源量不足300m3,是全國(guó)人均占有量的1/8,是世界人均的1/30,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)際公認(rèn)的人均1000m3的下限標(biāo)準(zhǔn),屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)。2000年北京市用地表水13.25億m3,地下水27.15億m3,總用水量40.40億m3,其中農(nóng)業(yè)用水16.49億m3,占總用水量的40.8%;工業(yè)用水10.52億m3,占總用水量的26.0%;生活用水13.39億m3,占總用水量的33.14%。2研究對(duì)象安全變化水資源關(guān)聯(lián)著整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境系統(tǒng)的特性決定了可以用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法來(lái)研究其安全變化。在對(duì)北京市水資源供需特征和驅(qū)動(dòng)力因子分析的基礎(chǔ)上,采用SD方法構(gòu)建北京市水資源動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型,進(jìn)而從整體上反映資源、人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的相互關(guān)系,預(yù)測(cè)不同方案下北京市水資源供需平衡的變化。2.1水資源供需模型本文以水資源為核心,以整個(gè)北京市為研究對(duì)象,進(jìn)行系統(tǒng)分析,確定與水資源相關(guān)的主要因素,進(jìn)而劃分系統(tǒng)邊界。確定的系統(tǒng)邊界并不是一個(gè)嚴(yán)格意義上的地理界限,而是根據(jù)建模目的,把與水資源供需問題有重要關(guān)聯(lián)的變量包括進(jìn)系統(tǒng),如從周邊地區(qū)調(diào)水等。由此,構(gòu)建的模型共包含4部分:工業(yè)、農(nóng)業(yè)、人口和水資源供需子系統(tǒng)(見圖1)。通過子系統(tǒng)分析,建立系統(tǒng)內(nèi)部各因素之間的因果關(guān)系及其反饋回路圖,并結(jié)合北京市歷史數(shù)據(jù),選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)和變量,在VENSIM軟件平臺(tái)上編寫方程,建立流程圖。限于篇幅,本文僅以水資源供需子系統(tǒng)流程圖為例進(jìn)行說(shuō)明(見圖2)。2.2模型的中心方程結(jié)合上文分析,對(duì)系統(tǒng)的主要變量及其方程概括如下。1行業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)面積規(guī)劃農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)有兩個(gè)主要的狀態(tài)變量,即農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值和農(nóng)業(yè)用水總量,其計(jì)算公式為式中GPVA為農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值;PPV為種植業(yè)單位面積產(chǎn)值初值;PPVR為種植業(yè)單位面積產(chǎn)值變化率;PA為種植業(yè)面積初值;PAR為種植業(yè)面積變化率;WPV為林業(yè)產(chǎn)值初值;WPVR為林業(yè)產(chǎn)值變化率;FPV為漁業(yè)產(chǎn)值初值;FPVR為漁業(yè)產(chǎn)值變化率;BLPV為單位大牲畜產(chǎn)值;BLN為大牲畜數(shù)量初值;BLNR為大牲畜數(shù)量變化率;SLPV為單位小牲畜產(chǎn)值;SLN為小牲畜數(shù)量初值;SLNR為小牲畜數(shù)量變化率;GWC為農(nóng)業(yè)需水總量;PW為單位面積灌溉定額初值;PWR為單位面積灌溉定額變化率;BLW為單位大牲畜用水定額初值;BLWR為單位大牲畜用水定額變化率;SLW為單位小牲畜用水定額初值;SLWR為單位小牲畜用水定額變化率。2工業(yè)需水總量及需水量工業(yè)子系統(tǒng)有兩個(gè)主要的狀態(tài)變量,即工業(yè)總產(chǎn)值和工業(yè)用水總量,其計(jì)算公式為IPVA=∑i=1n[IPVi(1±IPVRi)](3)ΙΡVA=∑i=1n[ΙΡVi(1±ΙΡVRi)](3)IWC=∑i=1n{[IPVi(1±IPVRi)][WIWi(1±WIWRi)]}(4)ΙWC=∑i=1n{[ΙΡVi(1±ΙΡVRi)][WΙWi(1±WΙWRi)]}(4)SPVA=GPVA+IPVA+TPV(1±TPVR)(5)式中IPVA為工業(yè)總產(chǎn)值;IPVi為工業(yè)各行業(yè)總產(chǎn)值初值;IPVRi為各行業(yè)總產(chǎn)值年變化率;IWC為工業(yè)需水總量;WIWi為各行業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值需水量初值;WIWRi為各行業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值需水量年變化率;SPVA為社會(huì)總產(chǎn)值;TPV為第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值初值;TPVR為第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值年變化率。3農(nóng)業(yè)人口pu、ealuw、tprr人口子系統(tǒng)最主要的狀態(tài)變量是大生活需水量,其計(jì)算公式為式中LWC為生活需水量;TPU為非農(nóng)業(yè)人口初值;TPUR為非農(nóng)業(yè)人口變化率;ALUW為非農(nóng)業(yè)人口人均用水量;EALUW為人均用水量隨居民收入增長(zhǎng)增加量;PALUW為人均用水量隨水價(jià)提高減少量;TPR為農(nóng)業(yè)人口初值;TPRR為農(nóng)業(yè)人口變化率;ALRW為農(nóng)業(yè)人口人均用水量。4環(huán)境需水量sw水資源子系統(tǒng)的兩個(gè)主要狀態(tài)變量是水資源可供應(yīng)總量和需求總量,其計(jì)算公式為式中WA為水資源可供應(yīng)總量;SW為多年平均自產(chǎn)水資源量;IW為多年平均入境水資源量;EW為多年平均出境水資源量;η為水資源開發(fā)利用系數(shù);UW為應(yīng)急供水量;RW為再生水回用量;WCA為水資源需求總量;WC為旅游業(yè)需水量;EWC為環(huán)境需水量;γ為水資源供求比;WSPVA為萬(wàn)元社會(huì)總產(chǎn)值用水量。3根據(jù)北京水資源平衡趨勢(shì)3.1北京市水資源供需新趨勢(shì)根據(jù)對(duì)北京市水資源消耗特征的分析,有3個(gè)核心的因子,即人口、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和政策約束著未來(lái)北京市的水資源供需平衡。人口增長(zhǎng)帶來(lái)生活用水量的變化;產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),包括社會(huì)總產(chǎn)值中3大產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的比重和工業(yè)總產(chǎn)值中高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的比重,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化帶來(lái)用水結(jié)構(gòu)的優(yōu)化;政策,如應(yīng)急供水工程政策、再生水回用政策、工農(nóng)業(yè)節(jié)水政策、水價(jià)政策等,其實(shí)施能增大水資源可供應(yīng)量,并促進(jìn)水資源利用效率的提高。對(duì)以上3個(gè)約束因子在未來(lái)的變化進(jìn)行分析,將它們的變化趨勢(shì)作為參數(shù)輸入北京市水資源系統(tǒng)SD模型中,依據(jù)可能存在的變化方向來(lái)改變系統(tǒng)參數(shù),使模型在多種條件下運(yùn)行,得到未來(lái)北京市水資源供需趨勢(shì)變化的兩種典型情景。情景1是依照目前現(xiàn)行的政策、用水水平和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度,并結(jié)合北京市相關(guān)規(guī)劃文件,系統(tǒng)保持慣性運(yùn)行得出的結(jié)果;情景2考慮到北京市水資源資源的現(xiàn)狀,將提高資源利用效率,優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)的傾向加入到模型中,在不影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的前提下,進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,并加大對(duì)水資源供需的政策管理,實(shí)施了更加嚴(yán)格的再生水回用政策、工農(nóng)業(yè)節(jié)水政策和水價(jià)政策。3.2需要水預(yù)測(cè)3.2.1農(nóng)業(yè)和節(jié)水農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)需水包括灌溉用水及牲畜飲水。農(nóng)業(yè)需水量主要受農(nóng)業(yè)灌溉面積、節(jié)水技術(shù)及作物種類的影響。在情景1和2的預(yù)測(cè)中,農(nóng)業(yè)均是北京市用水大戶:情景1中,畜牧業(yè)得到大力發(fā)展,但灌溉用地未得到有效保護(hù);情景2在有效保護(hù)耕地的同時(shí),開展節(jié)水農(nóng)業(yè),對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水率每年提高5%,并優(yōu)化種植業(yè)結(jié)構(gòu),耗水型作物種植面積大幅度減少,單位面積灌溉定額不斷降低。情景2合理發(fā)展牲畜業(yè),并不斷降低單位牲畜用水定額。表1表明了兩種情景下北京市農(nóng)業(yè)需水量變化。3.2.2行業(yè)發(fā)展模型情境工業(yè)需水是指工業(yè)各行業(yè)用于凈化、洗滌、加工、制造、冷卻等方面的用水。根據(jù)北京市工業(yè)各行業(yè)特點(diǎn)和用水驅(qū)動(dòng)力因子分析,將工業(yè)分為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)(生物工程與醫(yī)藥制造、電子信息、汽車、裝備制造和都市型工業(yè))和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)(電力、石化和冶金行業(yè))。在進(jìn)行模型預(yù)測(cè)時(shí),情景1中工業(yè)各行業(yè)的發(fā)展速度保持《2001年—2005年北京工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中的速度不變。情景2中電子信息業(yè)、生物工程與醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)等極低耗水的高技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè),其總產(chǎn)值年均增長(zhǎng)率保持在15%以上;中低耗水的都市型工業(yè)、制造業(yè)和汽車行業(yè)的總產(chǎn)值年均增長(zhǎng)率可保持在5%～10%左右;石化、電力和冶金等高耗水行業(yè)的總產(chǎn)值年均增長(zhǎng)率保持在1%左右。從2005年到2010年,可對(duì)工業(yè)中耗水量較大的冶金和電力行業(yè)的萬(wàn)元產(chǎn)值耗水量每年降低10%,石化產(chǎn)業(yè)每年降低5%。表2反映了兩種情景下北京市工業(yè)需水量變化。3.2.3居民的生活用水支出生活需水量包括非農(nóng)業(yè)人口和農(nóng)業(yè)人口日常生活用水、住宅用水、公共設(shè)施用水以及城建用水等。情景1和2中人口的增長(zhǎng)速度相同,均為1.4%。兩種情景下城市化率的變化也都是每年增加7個(gè)百分點(diǎn)。但情景1中水價(jià)增長(zhǎng)率較小,為10%,水價(jià)調(diào)整后,北京市居民生活用水支出約占家庭收入的1%。情景2中水價(jià)增長(zhǎng)的速率為情景1的2倍,2010年,北京市居民生活用水支出約占家庭收入的2%。研究結(jié)果表明,當(dāng)水費(fèi)支出占居民家庭收入的2%以下時(shí),對(duì)居民心理影響很小,亦導(dǎo)致用水浪費(fèi)現(xiàn)象發(fā)生;占2%～2.5%時(shí)將引起重視,居民開始關(guān)心用水量。由于北京市水價(jià)起點(diǎn)較低,水價(jià)調(diào)整政策對(duì)北京市水資源承載力的影響較小,由此預(yù)測(cè)得到兩種情景下生活需水量的變化見表3。3.2.4水資源量和用量旅游業(yè)需水量是指游客在北京市旅游期間所需的水資源量。情景1和2的預(yù)測(cè)中均積極發(fā)展旅游業(yè),但情景2對(duì)游客人均用水量進(jìn)行了控制。表4反映了兩種情景下北京市旅游業(yè)需水量變化。3.2.5北京市環(huán)境需水量比較環(huán)境需水主要是指河湖環(huán)境用水。情景1和2預(yù)測(cè)的北京市環(huán)境需水量變化相同,2005年、2008年和2010年的值分別為44600萬(wàn)m3、106200萬(wàn)m3和106000萬(wàn)m3。3.3水資源可產(chǎn)出量預(yù)測(cè)水資源可供應(yīng)量包括自產(chǎn)水資源可開發(fā)量、再生水回用量和應(yīng)急供水量。情景1和2的預(yù)測(cè)中,北京市自產(chǎn)水資源可開發(fā)量均沒發(fā)生變化,但情景2實(shí)施了更為嚴(yán)格的再生水回用政策,并擴(kuò)大了應(yīng)急供水量,由此預(yù)測(cè)得到兩種情景下水資源可供應(yīng)量的變化見表5。3.4水資源供需現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)根據(jù)SD模型預(yù)測(cè),兩種情景下北京市水資源供需、用水結(jié)構(gòu)及利用效率的變化見表6。情景1中2005—2010年水資源供求比逐漸減少,2010年僅為0.98。這說(shuō)明情景1中北京市水資源安全形勢(shì)日益嚴(yán)峻,2010年北京水資源需求總量將大于可供應(yīng)總量。情景2中隨著調(diào)整工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),提高農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水率等政策的實(shí)施,預(yù)測(cè)結(jié)果顯示水資源供求比不斷增大,2010年增至1.15,水資源供求形式逐漸緩和。如表6所示,情景1和2中萬(wàn)元社會(huì)產(chǎn)值用水量均在減小,但情景2減小的幅度較大。2010年情景2中萬(wàn)元社會(huì)產(chǎn)值用水量為17.06m3,比情景1小6.05m3,水資源利用效率更高。4北京市水資源供需新趨勢(shì)由SD模型預(yù)測(cè)結(jié)果可知,不同的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和政策約束下,北京市水資源安全形勢(shì)很不相同。如情景1的預(yù)測(cè)結(jié)果所示,若不加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和政策的約束,北京市水資源供需將無(wú)法保持平衡。因此要想提高水資源利用效率,緩解北京市水資源危機(jī),必須確保情景2中與各項(xiàng)約束相關(guān)的政策的實(shí)施,主要如下。1提高灌溉節(jié)水率據(jù)研究,作物產(chǎn)量與需水量存在非線性關(guān)系,灌溉節(jié)水的潛力50%在管理方面。提高灌溉節(jié)水率對(duì)產(chǎn)量的實(shí)際影響不大,但能達(dá)到水資源高效利用的目的。因此可通過各種工程措施、技術(shù)措施和管理措施,提高農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水率,發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè),降低農(nóng)業(yè)需水量。2火炬樹產(chǎn)品品質(zhì)應(yīng)規(guī)定,應(yīng)限制發(fā)展高耗水的高新技術(shù)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)根據(jù)研究,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是影響北京市水資源需求的核心要素。工業(yè)中,要大力發(fā)展電子信息業(yè)和生物工程與醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)等極低耗水的高技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè),相應(yīng)發(fā)展中低耗水的都市型工業(yè)、制造業(yè)和汽車行業(yè),并限制向石油化工業(yè)、電力行業(yè)和冶金業(yè)等高耗水行業(yè)的投資。對(duì)于北京市的重點(diǎn)用水大戶首都鋼鐵公司和燕山石化可考慮搬遷和轉(zhuǎn)產(chǎn),區(qū)域內(nèi)亦不宜再建設(shè)火電廠。農(nóng)業(yè)中,水田面積要逐漸減少至取消,調(diào)整需水量較大的蔬菜面積,加快退耕還林和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整。3水質(zhì)增長(zhǎng)快速增長(zhǎng)根據(jù)北京市1990—2000年的有關(guān)數(shù)據(jù)分析,水價(jià)每提高1%,在其他條件不變下生活用水量下降0.366%;居民人均可支配收入提高1%,用水量提高0.532%。因此只有水價(jià)的增長(zhǎng)幅度明顯高于人均收入增長(zhǎng),才能維持北京市居民人均生活用水量不變或緩慢增長(zhǎng)。研究結(jié)果表明,特大城市家庭可承受的水費(fèi)支出占家庭可支配收入的比率可達(dá)3%。目前北京的年人均水費(fèi)支出僅占可支配收入的1%左右,因此還有很大的上調(diào)空間。4北京市發(fā)展再生水資源量和氮磷污染的水環(huán)境利用確保平谷、張坊、懷柔應(yīng)急供水工程安全運(yùn)行,積極實(shí)施南水北調(diào)京石段應(yīng)急供水工程,并在實(shí)施時(shí)注意“先節(jié)水,后調(diào)水;先治污,后通水;先環(huán)保,再用水”。加快管網(wǎng)建設(shè),大力推進(jìn)再生水回用,確保達(dá)到《北京市區(qū)城市污水處理廠再生水回用總體規(guī)劃》目標(biāo),2008年北京市污水處理率應(yīng)達(dá)到90%以上,再生水回用率達(dá)到50%以上。加大雨洪利用,部分替代地表和地下水資源。北京市每年雨洪出境量有7.00億m3(扣除過境水量),應(yīng)深度開發(fā)這部分雨洪,增加可用水資源量。在降水量大,地表水資源豐富的年份,應(yīng)優(yōu)先利用地表水和雨洪,避免開采地下水,使其在水資源短缺時(shí)作為備用水源。5提高居民節(jié)水意識(shí)根據(jù)預(yù)測(cè),在北京市未來(lái)的發(fā)展過程中,生活用水將成為北京市最大的水資源支出項(xiàng)。因此要減少居民的人均用水量,通過廣泛、深入、持久的宣傳,轉(zhuǎn)變落后的用水觀念和用水習(xí)慣,提高居民的節(jié)水意識(shí);通過輿