基于系统动力学的北京市水资源动态预测模型研究

基于系统动力学的北京市水资源动态预测模型研究

0北京水资源概况水资源是基本资源和战略资源，是人类生存和发展的基本前提。随着社会经济的发展,我国工农业和城镇居民生活对水资源的需求量也日益增加,水资源问题越来越突出,水资源安全正成为可持续发展领域研究中的一个重点和热点问题。我国以往的水资源安全研究,主要是根据某一地区的社会经济发展格局研究该地区水资源供需状况及其变动趋势,并在此基础上寻找水资源安全对策,而缺少水资源安全约束因子对供需平衡的影响以及不同约束下水资源安全状况的动态研究。北京是世界上最缺水的大城市之一,人均水资源不足300m3,仅为世界平均水平的1/30,水资源短缺已严重制约北京市的可持续发展。分析影响北京市水资源供需平衡的因子的变化,动态模拟不同情景下北京市水资源供需平衡及利用效率,根据预测结果提出相关对策,能为北京市水资源开发利用提供科学的决策参考,亦可为其他水资源短缺的城市提供借鉴。1北京市水资源量现状北京属温带半干旱、半湿润性季风气候,多年平均降水量595mm,地表水资源量即地表径流多年平均为17.72亿m3,地下水资源25.59亿m3,扣除地表水地下水重复计算量5.92亿m3,当地自产天然水资源总量为37.39亿m3。北京市人均水资源量不足300m3,是全国人均占有量的1/8,是世界人均的1/30,远远低于国际公认的人均1000m3的下限标准,属于严重缺水地区。2000年北京市用地表水13.25亿m3,地下水27.15亿m3,总用水量40.40亿m3,其中农业用水16.49亿m3,占总用水量的40.8%;工业用水10.52亿m3,占总用水量的26.0%;生活用水13.39亿m3,占总用水量的33.14%。2研究对象安全变化水资源关联着整个社会经济环境系统的特性决定了可以用系统动力学方法来研究其安全变化。在对北京市水资源供需特征和驱动力因子分析的基础上,采用SD方法构建北京市水资源动态预测模型,进而从整体上反映资源、人口和经济发展之间的相互关系,预测不同方案下北京市水资源供需平衡的变化。2.1水资源供需模型本文以水资源为核心,以整个北京市为研究对象,进行系统分析,确定与水资源相关的主要因素,进而划分系统边界。确定的系统边界并不是一个严格意义上的地理界限,而是根据建模目的,把与水资源供需问题有重要关联的变量包括进系统,如从周边地区调水等。由此,构建的模型共包含4部分:工业、农业、人口和水资源供需子系统(见图1)。通过子系统分析,建立系统内部各因素之间的因果关系及其反馈回路图,并结合北京市历史数据,选择适当的参数和变量,在VENSIM软件平台上编写方程,建立流程图。限于篇幅,本文仅以水资源供需子系统流程图为例进行说明(见图2)。2.2模型的中心方程结合上文分析,对系统的主要变量及其方程概括如下。1行业及养殖业面积规划农业子系统有两个主要的状态变量,即农业总产值和农业用水总量,其计算公式为式中GPVA为农业总产值;PPV为种植业单位面积产值初值;PPVR为种植业单位面积产值变化率;PA为种植业面积初值;PAR为种植业面积变化率;WPV为林业产值初值;WPVR为林业产值变化率;FPV为渔业产值初值;FPVR为渔业产值变化率;BLPV为单位大牲畜产值;BLN为大牲畜数量初值;BLNR为大牲畜数量变化率;SLPV为单位小牲畜产值;SLN为小牲畜数量初值;SLNR为小牲畜数量变化率;GWC为农业需水总量;PW为单位面积灌溉定额初值;PWR为单位面积灌溉定额变化率;BLW为单位大牲畜用水定额初值;BLWR为单位大牲畜用水定额变化率;SLW为单位小牲畜用水定额初值;SLWR为单位小牲畜用水定额变化率。2工业需水总量及需水量工业子系统有两个主要的状态变量,即工业总产值和工业用水总量,其计算公式为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为工业总产值;IPVi为工业各行业总产值初值;IPVRi为各行业总产值年变化率;IWC为工业需水总量;WIWi为各行业万元产值需水量初值;WIWRi为各行业万元产值需水量年变化率;SPVA为社会总产值;TPV为第三产业产值初值;TPVR为第三产业产值年变化率。3农业人口pu、ealuw、tprr人口子系统最主要的状态变量是大生活需水量,其计算公式为式中LWC为生活需水量;TPU为非农业人口初值;TPUR为非农业人口变化率;ALUW为非农业人口人均用水量;EALUW为人均用水量随居民收入增长增加量;PALUW为人均用水量随水价提高减少量;TPR为农业人口初值;TPRR为农业人口变化率;ALRW为农业人口人均用水量。4环境需水量sw水资源子系统的两个主要状态变量是水资源可供应总量和需求总量,其计算公式为式中WA为水资源可供应总量;SW为多年平均自产水资源量;IW为多年平均入境水资源量;EW为多年平均出境水资源量;η为水资源开发利用系数;UW为应急供水量;RW为再生水回用量;WCA为水资源需求总量;WC为旅游业需水量;EWC为环境需水量;γ为水资源供求比;WSPVA为万元社会总产值用水量。3根据北京水资源平衡趋势3.1北京市水资源供需新趋势根据对北京市水资源消耗特征的分析,有3个核心的因子,即人口、产业结构和政策约束着未来北京市的水资源供需平衡。人口增长带来生活用水量的变化;产业结构,包括社会总产值中3大产业产值的比重和工业总产值中高新技术产业与传统产业的比重,产业结构的优化带来用水结构的优化;政策,如应急供水工程政策、再生水回用政策、工农业节水政策、水价政策等,其实施能增大水资源可供应量,并促进水资源利用效率的提高。对以上3个约束因子在未来的变化进行分析,将它们的变化趋势作为参数输入北京市水资源系统SD模型中,依据可能存在的变化方向来改变系统参数,使模型在多种条件下运行,得到未来北京市水资源供需趋势变化的两种典型情景。情景1是依照目前现行的政策、用水水平和经济增长速度,并结合北京市相关规划文件,系统保持惯性运行得出的结果;情景2考虑到北京市水资源资源的现状,将提高资源利用效率,优化用水结构的倾向加入到模型中,在不影响经济发展速度的前提下,进行产业结构调整,并加大对水资源供需的政策管理,实施了更加严格的再生水回用政策、工农业节水政策和水价政策。3.2需要水预测3.2.1农业和节水农业农业需水包括灌溉用水及牲畜饮水。农业需水量主要受农业灌溉面积、节水技术及作物种类的影响。在情景1和2的预测中,农业均是北京市用水大户:情景1中,畜牧业得到大力发展,但灌溉用地未得到有效保护;情景2在有效保护耕地的同时,开展节水农业,对农业灌溉节水率每年提高5%,并优化种植业结构,耗水型作物种植面积大幅度减少,单位面积灌溉定额不断降低。情景2合理发展牲畜业,并不断降低单位牲畜用水定额。表1表明了两种情景下北京市农业需水量变化。3.2.2行业发展模型情境工业需水是指工业各行业用于净化、洗涤、加工、制造、冷却等方面的用水。根据北京市工业各行业特点和用水驱动力因子分析,将工业分为高新技术产业(生物工程与医药制造、电子信息、汽车、装备制造和都市型工业)和传统产业(电力、石化和冶金行业)。在进行模型预测时,情景1中工业各行业的发展速度保持《2001年—2005年北京工业发展规划》中的速度不变。情景2中电子信息业、生物工程与医药产业等极低耗水的高技术密集型产业,其总产值年均增长率保持在15%以上;中低耗水的都市型工业、制造业和汽车行业的总产值年均增长率可保持在5%～10%左右;石化、电力和冶金等高耗水行业的总产值年均增长率保持在1%左右。从2005年到2010年,可对工业中耗水量较大的冶金和电力行业的万元产值耗水量每年降低10%,石化产业每年降低5%。表2反映了两种情景下北京市工业需水量变化。3.2.3居民的生活用水支出生活需水量包括非农业人口和农业人口日常生活用水、住宅用水、公共设施用水以及城建用水等。情景1和2中人口的增长速度相同,均为1.4%。两种情景下城市化率的变化也都是每年增加7个百分点。但情景1中水价增长率较小,为10%,水价调整后,北京市居民生活用水支出约占家庭收入的1%。情景2中水价增长的速率为情景1的2倍,2010年,北京市居民生活用水支出约占家庭收入的2%。研究结果表明,当水费支出占居民家庭收入的2%以下时,对居民心理影响很小,亦导致用水浪费现象发生;占2%～2.5%时将引起重视,居民开始关心用水量。由于北京市水价起点较低,水价调整政策对北京市水资源承载力的影响较小,由此预测得到两种情景下生活需水量的变化见表3。3.2.4水资源量和用量旅游业需水量是指游客在北京市旅游期间所需的水资源量。情景1和2的预测中均积极发展旅游业,但情景2对游客人均用水量进行了控制。表4反映了两种情景下北京市旅游业需水量变化。3.2.5北京市环境需水量比较环境需水主要是指河湖环境用水。情景1和2预测的北京市环境需水量变化相同,2005年、2008年和2010年的值分别为44600万m3、106200万m3和106000万m3。3.3水资源可产出量预测水资源可供应量包括自产水资源可开发量、再生水回用量和应急供水量。情景1和2的预测中,北京市自产水资源可开发量均没发生变化,但情景2实施了更为严格的再生水回用政策,并扩大了应急供水量,由此预测得到两种情景下水资源可供应量的变化见表5。3.4水资源供需现状及预测根据SD模型预测,两种情景下北京市水资源供需、用水结构及利用效率的变化见表6。情景1中2005—2010年水资源供求比逐渐减少,2010年仅为0.98。这说明情景1中北京市水资源安全形势日益严峻,2010年北京水资源需求总量将大于可供应总量。情景2中随着调整工业产业结构,提高农业灌溉节水率等政策的实施,预测结果显示水资源供求比不断增大,2010年增至1.15,水资源供求形式逐渐缓和。如表6所示,情景1和2中万元社会产值用水量均在减小,但情景2减小的幅度较大。2010年情景2中万元社会产值用水量为17.06m3,比情景1小6.05m3,水资源利用效率更高。4北京市水资源供需新趋势由SD模型预测结果可知,不同的产业结构和政策约束下,北京市水资源安全形势很不相同。如情景1的预测结果所示,若不加强产业结构和政策的约束,北京市水资源供需将无法保持平衡。因此要想提高水资源利用效率,缓解北京市水资源危机,必须确保情景2中与各项约束相关的政策的实施,主要如下。1提高灌溉节水率据研究,作物产量与需水量存在非线性关系,灌溉节水的潜力50%在管理方面。提高灌溉节水率对产量的实际影响不大,但能达到水资源高效利用的目的。因此可通过各种工程措施、技术措施和管理措施,提高农业灌溉节水率,发展节水型农业,降低农业需水量。2火炬树产品品质应规定,应限制发展高耗水的高新技术劳动密集型产业根据研究,产业结构调整是影响北京市水资源需求的核心要素。工业中,要大力发展电子信息业和生物工程与医药产业等极低耗水的高技术密集型产业,相应发展中低耗水的都市型工业、制造业和汽车行业,并限制向石油化工业、电力行业和冶金业等高耗水行业的投资。对于北京市的重点用水大户首都钢铁公司和燕山石化可考虑搬迁和转产,区域内亦不宜再建设火电厂。农业中,水田面积要逐渐减少至取消,调整需水量较大的蔬菜面积,加快退耕还林和种植结构调整。3水质增长快速增长根据北京市1990—2000年的有关数据分析,水价每提高1%,在其他条件不变下生活用水量下降0.366%;居民人均可支配收入提高1%,用水量提高0.532%。因此只有水价的增长幅度明显高于人均收入增长,才能维持北京市居民人均生活用水量不变或缓慢增长。研究结果表明,特大城市家庭可承受的水费支出占家庭可支配收入的比率可达3%。目前北京的年人均水费支出仅占可支配收入的1%左右,因此还有很大的上调空间。4北京市发展再生水资源量和氮磷污染的水环境利用确保平谷、张坊、怀柔应急供水工程安全运行,积极实施南水北调京石段应急供水工程,并在实施时注意“先节水,后调水;先治污,后通水;先环保,再用水”。加快管网建设,大力推进再生水回用,确保达到《北京市区城市污水处理厂再生水回用总体规划》目标,2008年北京市污水处理率应达到90%以上,再生水回用率达到50%以上。加大雨洪利用,部分替代地表和地下水资源。北京市每年雨洪出境量有7.00亿m3(扣除过境水量),应深度开发这部分雨洪,增加可用水资源量。在降水量大,地表水资源丰富的年份,应优先利用地表水和雨洪,避免开采地下水,使其在水资源短缺时作为备用水源。5提高居民节水意识根据预测,在北京市未来的发展过程中,生活用水将成为北京市最大的水资源支出项。因此要减少居民的人均用水量,通过广泛、深入、持久的宣传,转变落后的用水观念和用水习惯,提高居民的节水意识;通过舆