二元模式下水资源承载力系统动态仿真模型研究

1、文章编号:100020585(2001022*收稿日期:2000211229;修订日期:2001203209作者简介:惠泱河(19522,男,陕西榆林人,教授,教学与科学研究方向为水资源与环境。主持承担“典型水库汇流区开发与水源保护研究”、“长城沿线风沙区生态恢复和治理开发研究”、“汉中盆地水资源开发研究”等国家、省级“八五”、“九五”科技攻关项目、自然科学基金项目13项,发表西安市水资源问题、陕西省水资源开发利用与保持态势分析、汉中盆地平坝区水资源分析评价等学术论文30多篇。出版工程地质与水文地质、现代城市规划等编译著5部。二元模式下水资源承载力系统动态仿真模型研究惠泱河1,蒋晓辉2,黄强2

2、,薛小杰2(11西北大学城市与资源环境系,西安710069;21西安理工大学水利水电学院,西安710048摘要:首先探讨了二元模式下水资源承载力的内涵,然后根据水资源承载力的特点探讨了运用系统动力学方法研究水资源承载力的可行性,并在此基础上建立了二元模式下水资源承载力系统动力学动态仿真模型,最后以典型缺水地区陕西关中为例,根据未来水资源的变化趋势,研究了不同方案下关中水资源承载力,得到提高关中水资源承载力的满意方案。关键词:水资源承载力;二元模式;系统动力学;关中中图分类号:X37文献标识码:A近年来,随着人类对大自然干预能力的加强及全球气候的变化,流域水循环演变十分显著,原有的一元水循环模式

3、受到严重的挑战,人类活动不仅改变了流域降水、蒸发、入渗、产流、汇流特性,而且还在原有的天然水循环内产生了人工侧支循环,形成了天然循环与人工循环此消彼长的二元动态水循环过程。水资源作为社会、经济系统存在和发展的基本因素,它的承载力状况对地区的发展起着重要作用,水资源变化状况将严重影响区域社会、经济和环境的发展。因此,在自然2人工二元模式下,以水为纽带,根据水资源的变化趋势确定不超过水资源承载力的社会、经济发展规模意义重大。1二元模式下水资源承载力的内涵在自然2人工二元模式下,流域水循环演变受到全球气候变化和人类活动的共同影响,与水循环密切相关的水资源的时空分布也发生了很大的变化,近几十年来,全球

4、各流域的河川径流都出现了增大或减少的趋势。与此相对应,以水资源为载体的社会、经济及环境发展指标随着水资源时空分布的变化也发生动态改变。在一定社会经济条件下,水资源系统结构通常可以用水资源纳污量、水资源供给量等能承载一定程度和方式的人类活动的指标来体现,在这些指标所允许的范围和程度之内的人类经济发展活动作用下,水资源系统第20卷第2期2001年5月地理研究GEO GRAPHICAL RESEARCH Vol.20,No.2May ,2001结构组合特征、功能状态不会发生质的变化,这是水资源具有承载力的内在原因;由于上述指标在量上是有限度的,当某一指标消耗过大(例如地下水超采,会影响水资源系统的整

5、体结构水平,进而导致功能失常。综上所述,水资源承载力可理解为某一区域的水资源条件在自然2人工二元模式影响下,以可预见的技术、经济、社会发展水平及水资源的动态变化为依据,以可持续发展为原则,以维护生态环境良性循环发展为条件,经过合理优化配置,对该地区社会经济发展所能提供的最大支撑能力1。2二元模式下水资源承载力研究的系统动力学方法水资源承载力研究属于评价、规划与预测一体化的综合研究,它以水资源评价为基础,以水资源合理配置为前提,以水资源潜力和开发前景为核心,以系统分析和动态分析为手段,以人口、资源、经济和环境协调发展为目标。由于受水资源总量、社会经济发展水平和技术条件以及水环境质量的影响,在研究

6、过程中,必须充分考虑水资源系统、宏观经济系统以及社会系统之间的相互协调与制约关系。水资源系统的整体性、动态性和多目标性决定了可以用系统动力学方法来研究其承载能力。系统动力学方法是从系统内部的元素和系统结构分析入手来建立数学模型。与以获得最优解的运筹学和计量经济学方法相比,它除能动态跟踪和不受线性约束外,并不追求最优解,而是以现实存在为前提,通过改变系统的参数和结构,测试各种战略方针、技术、经济措施和政策的滞后效应,寻求改善系统行为的机会和途径。水资源究竟可以养活多少人,能否支持经济持续发展?对这个问题当然没有简单的答案,答案是基于社会在各种可供选择的方案中抉择。系统动力学方法恰好能满足上述要求

7、,因为它修改参数方便,可以灵活地进行多方案的比较择优2。水资源承载能力研究的根本目的在于找到一整套政策,使一个地区在人口和水资源变化的情况下仍能保证持续稳定的发展,或根据区域的水资源承载力制定相应的人口、经济政策,任何单一的组合要满足上述要求都是不可能的。用系统动力学法研究水资源承载力,旨在从整体上反映人口、资源、环境和发展之间的相互关系,通过建立系统动力学模型,模拟不同策略方案下人口变化、经济发展与承载力之间的动态变化。在研究过程中,可以确定多种策略方案,但更主要的是寻求一条既能满足需求,又在经济上可行、环境上稳妥的通向美好未来的途径。另外,这种研究还可以判断决策者提出的各种方案的长远后果。

8、把各种策略方案放到历史长河中,通过系统内各组成部分之间相互依赖、相互制约的关系来检验各种策略方案的长远后果是否也满意。可以认为,对水资源承载能力这样一个涉及因素多,各因素之间又没有紧密的、简单的关系的课题,采用系统动力学方法是合适的。到目前为止,系统动力学还不是一种最优化模型。但从实际的决策过程来看,利用系统动力学模型模拟各种决策方案的长期效果,并对多个方案进行比较分析而得到较为满意的方案,可能比得出唯一的“最优方案”更有现实意义。用系统动力学研究水资源承载力,不是简单地给出某个国家或地区的水资源所能养活人口的上限,而是通过各种决策在模型上模拟,清晰地反映人口、资源、环境和发展之间的关系。19

9、2地理研究20卷2期惠泱河等:二元模式下水资源承载力系统动态仿真模型研究193 3水资源承载力研究的系统动力学模型的建立311系统流图设计水资源承载力研究涉及水资源系统和社会经济环境系统组成的复杂大系统,它包括供水系统、工业用水子系统、农业用水子系统、人口子系统及水资源子系统。这些子系统除了系统内部的系统关联,还要和其他系统发生联系,所以系统的边界模糊,不易确定。针对研究问题的需要,系统边界划分的原则是,与水资源承载力有较大关联的因素划在边界之内,关联较小的因素划在边界之外。系统动力学认为,系统与系统之间、系统内部各因素之间存在着互为因果的关系,并且这种因果关系构成闭合的反馈回路。因此明确了系

10、统边界之后,还需要确定每个系统的构成单元和影响因素,然后确定各个子系统的接口。一个系统的流图是系统动力学的基本变量和表示符号的有机组合,它主要反映因果关系中所没能反映出来的不同变量的性质和特点,使系统内部的作用机制更加清晰明了,然后通过流图中关系的进一步量化,实现政策仿真的目的。流图中有两个重要变量:状态变量和变化率。对于一个复杂的系统,应该用几个状态变量和变化率,这既取决于问题的定义和系统的动态性质,也取决于系统动力学原理上的要求,即一个反馈回路至少应该有一个状态变量。根据系统动力学对两种变量的定义,结合大量历史数据,设计出水资源承载力系统动力学流图(图134。312主要状态方程描述因果关系

11、图和流图,只说明系统中各变量间的逻辑关系与系统构造,并不能显示其定量关系。为此,应建立系统动力学方程。建立方程是把系统模型结构“翻译”成数学方程的过程。建立数学方程的目的,是使模型能用计算机进行仿真。根据变量的性质,可把描述各类变量的方程分为状态方程、速率方程,辅助方程等。系统的模型正是由这一组动态方程有机地组合构成的。从图1可以看出,主要状态变量是供水量、可承载工业产值、可承载农业产值、可承载人口等四个。其状态方程如下:(1可供水量W 1L K =W 1L J +(D T (W 2R J K W 2R 为可利用水量的变化速度,包括人工2自然影响下水资源增多或减少及节水水平提高所新增加的水量。

12、式中K 为当前时间;J 为时间K 相邻的前一时间;D T 为计算步长。下同。(2可承载工业产值G 1L K =G 1L J +(D T (G 2R J K 元=元+年元/年G 1L =G 1(G 1为上一年工业产值图1中的G 3C 为非水因子,工业值的增长速度受许多因素的影响,由于我们在这里主要研究水对工业发展的支持作用,故把所有的非水因子做为一个“乘子”,以“乘子”的形式来改变工业产值增长速度,在正常情况下,此“乘子”取值为1。(3可承载的农业产值194地理研究20卷N 2L K =N 2L J +(D T (N 1R J K N 2L =N 2(上一年农业产值(4可承载的人口P 1L K

13、=P 1L J +(D T (P 2R J K 2P 3R J K P 1L =P 1(上一年人口数量4计算实例陕西关中地区是国家确定的重点经济开发区,是国家西部大开发战略转移的纽带和桥头堡,其承东启西的地理位置,具有辐射周围的显在和潜在功能。然而关中属于资源性缺水地区,加上近年来黄河流域河川径流不断衰减的趋势,关中社会经济、环境发展面临着越来越严重的水资源短缺问题。因此,在人工2自然二元模式下研究关中未来水平年水资源的承载力有着十分重要的意义。411关中地区基本情况关中地区人口、面积、经济、社会、水资源开发利用等情况见表15。表1关中地区概况(选择1998年为现状水平年T ab 11G en

14、eral situ ation of G u anzhong region人口面积分区面积人口农业人口非农业耕地面积平原面积山区面积(km 2(万人(万人(万人(hm 2(km 2(km 255384第二产业第三产业粮食产量人均粮食占有量人均G DP (亿元(亿元(亿元(亿元(万t (kg (元740104源多年平均降水量多年平均自产地表水资源量地下水资源量多年平均水资源总量(mm 水利工程总供水量地表水供水地下水供水蓄水工程供水引水工程供水提水工程供水污水回用(万m 3提高关中地区水资源承载力可采取提高节水水平、提高污水回用程度、充分开发当地水以及跨流域调水等工程性措施。提高节水水平应作为第一优先措施,其次是污水回用和开发当地