【《基于系统动力学的水资源承载力预测模型案例分析》5300字】

基于系统动力学的水资源承载力预测模型案例分析1.1系统动力学理论系统动力学（SystemDynamics，简称SD）由JayForrester在20世纪60年代提出，并在70年代得到推广[66]，20世纪末到现在，系统动力学的应用范围逐渐扩大到各个研究领域，并且在资源环境、动态决策、生物医学等方面都有比较好的应用，加上系统动力学仿真软件的发明，这也使得那个动力学逐步发展成为一种成熟的系统仿真方法。系统动力学经常用于具有复杂动态反馈的系统，在解决系统问题上，系统动力学模型相比于其他常用的方法可以用于微观尺度系统和宏观社会系统的模拟[67]。1.2水资源承载力模型构建1.2.1模型边界在建立系统动力学模型之前，首先要确定系统的边界条件，这有助于确定系统的大小。本研究根据研究区域水资源开发利用情况、社会经济发展现状以及收集到数据的完整性三方面，将成都市行政区之间的边界作为各研究区域的模型边界，分别对各行政区进行水资源承载力预测研究。模拟时间为200-2035年，其中2000-2018年建模和验证阶段，2019-2035年为预测阶段，重点分析节点为2020、2025、2030、2035年4个节点，模拟时间步长为1年。1.3.2系统结构流图的构建建立系统动力学模型的系统框图和因果回路图来表示各个子系统之间的关系有助于分析研究区域水资源承载力系统可能存在的主要回路和各个子系统之间的反馈关系。研究区域系统动力学系统框图和因果回路图如图4-2和4-3所示。图4-1研究框图图4-2因果回路图图4-3中主要的负反馈回路为：（1）总人口→农村人口数量→农村生活需水量→生活需水量→总需水量→水平衡因子，该反馈回路会使总人口数量下降，主要表现为随着总人口增加，农村人口数量也增加，这会导致农村生活需水量增加，进而导致生活需水量和总需水量增加，总需水量增加会使得水平衡因子下降，最终导致总人口数量减少。（2）总人口→城镇人口数量→城镇生活需水量→生活需水量→总需水量→水平衡因子，该反馈回路同样会使总人口数量下降，主要表现为随着总人口增加，城镇人口数量增加，导致城镇生活需水量增加，进而导致生活需水量和总需水量增加，总需水量增加会使得水平衡因子下降，最终导致总人口数量减少。主要的正反馈回路为：工业生产总值→第二产业生产总值→GDP总量→万元GDP用水量→总需水量→水平衡因子，该反馈回路会使总需水量降低，主要表现为当第二产业生产总值增加时，GDP总量也会增加，进而使万元GDP用水量下降，总需水量下降会使水平衡因子上升进而提高工业生产总值。1.3.3各子系统的建立（1）人口子系统人口是社会经济发展的重要因素之一，人口对水资源的影响重大[68]。人口总数由出生人口、死亡人口和净迁移人口构成，在人口子系统中，水资源对人口的增长有影响[69]，死亡人口和净迁移人口分别由死亡率和净迁移率构成，人口子系统见图4-3，该子系统的主要回路为：总人口→农村人口数量→农村生活需水量→生活需水量→总需水量→水平衡因子和总人口→城镇人口数量→城镇生活需水量→生活需水量→总需水量→水平衡因子，都为负反馈回路。图4-3人口子系统（2）经济子系统经济子系统是整个水资源承载力系统中最重要的组成部分，经济子系统内部结构可分为第一产业、第二产业和第三产业三个部分，每个产业发展的时候还受到可用水资源的影响，当需水量超过供水量时，经济增长速度会相应放缓，水资源系统会影响着经济子系统，不同行业对水资源的需求存在巨大差异，而经济系统的不同产业结构形成了不同的用水需求结构[70]。GDP是经济核算的核心指标[68]，经济子系统见图4-4，该子系统的主要反馈回路为：工业生产总值→第二产业生产总值→GDP总量→万元GDP用水量→总需水量→水平衡因子，是正反馈回路。图4-4经济子系统（3）供水子系统供水子系统不仅提供满足研究区域居民基本生活需要的生活用水，还是经济子系统的基本物质基础，供水子系统还维持了水环境子系统的健康发展。但是这三个子系统（经济子系统、水环境子系统和人口子系统）也会反过来对水资源产生负面影响[71]。供水子系统见图4-5，该子系统的主要反馈回路为：总供水量→水供需比→水平衡因子→工业产值增加量→工业生产总值→工业需水总量→工业废水回用量→污废水回用量→，该反馈回路为正反馈回路，该反馈回路会使总供水量增加，主要表现为当总供水量增加的时候会使供需比上升，水平衡因子也增加，这会促进工业发展使得工业需水量增加，工业需水量增加会使工业废水回用量增加，最终使供水量随之增加。图4-5供水子系统（4）水环境子系统水环境质量的好坏直接影响人类生活质量和水资源的可持续开采利用[72]。水环境子系统也是水资源承载力系统的重要组成部分。水环境子系统主要反映研究区域的污染负荷，主要研究的是化学需氧量（COD）和污染物排放总量。水环境子系统见图4-6，该子系统的主要反馈回路为污水处理量→污水回用量→总供水量→水平衡因子，该反馈回路为正反馈回路，其原理与供水子系统的反馈回路一致。图4-6水环境子系统（5）需水子系统需水子系统是整个水资源承载力系统的核心，它包括五个部分：第一产业需水量、第二产业需水量、第三产业需水量、生活需水量和生态需水量。生活需水量反映了人们日常生活用水量，生活用水在资源消耗和水污染来源方面也很重要；第一产业需水量是指农业灌溉、畜牧业、渔业、林业和水果灌溉所消耗的水[73]；第二产业需水量由工业需水量和建业需水量构成；生态需水量主要由绿化需水量和环境卫生需水量组成。需水子系统见图4-7，该子系统的主要反馈回路为：总需水量→水供需比→水平衡因子→出生人口数量→总人口→城镇人口数量→城镇居民生活用水量→生活用水总量，该反馈回路为正反馈回路，会使总需水量增加，该原理与人口子系统反馈回路的原理一直。图4-7需水子系统（6）土地资源子系统土地资源子系统与水资源的关系主要体现在两者的相互影响上[74]。土地资源子系统中的农田有效灌溉面积的变化会影响第一产业中农田灌溉用水的变化，道路面积的变化也会导致生态需水的变化。土地资源子系统见图4-8。该子系统的主要反馈回路为：耕地面积→农田灌溉需水量→第一产业需水量→总需水量→水供需比→水平衡因子→耕地面积年变化量，改反馈回路为负反馈回路，会使耕地面积减少，其原理为当耕地面积增加的时候会使农田灌溉用水增加，进而使总用水量增加，总用水量增加会使水平衡因子减小最终导致耕地面积减少。图4-8土地资源子系统1.3.4构建系统动力学方程建立完成系统之后，需要对各个参数和变量的函数值进行确定，这也是进行模型分析的核心所在。本研究中使用的主要变量和函数见表4-1。表4-1水资源承载力主要参数和方程（以中心城区为例）名称单位方程生产总值亿元=第一产业生产总值+的二产业生产总值+第三产业生产总值万元GDP用水量m3/万元=总需水量/生产总值总人口万人=247.4+0农村人口数量万人=总人口-城镇人口数量城镇人口数量万人=总人口*城镇化率/100城镇化率%=WITHLOOKUP{time，[(2000,0)-(2035,100)]，(2000,82.741),(2001,83.307),(2002,81.048),(2003,85.004),(2004,100),(2018,100)}人口机械变动增长率%=WITHLOOKUP{time，[(2000,0)-(2035,100)]，(2000,0.36),(2001,2.427),(2002,3.536),(2003,-3.419),(2004,9.553),(2005,1.216),(2006,-0.649),(2007,-2.262),(2008,0.171),(2009,3.162),(2010,-2.132),(2011,1.987),(2012,-2.192),(2013,-3.312),(2014,41.774),(2015,-7.599),(2016,0.891),(2017,2.04))}出生率%=WITHLOOKUP{time，[(2000,0)-(2035,100)],(2000,7.13),(2001,6.67),(2002,6.56),(2003,6.81),(2004,6.97),(2005,6.79),(2006,7.552),(2007,7.684),(2008,7.148),(2009,8.144),(2010,8.662),(2011,0.658),(2012,9.882),(2013,11.42),(2014,11.574),(2015,12.99),(2016,11.1),(2017,12.532)人口机械增长量万人=总人口*(机械变动增长率/100)出生人口增长量万人=总人口*(出生率/100)*水平衡因子绿地面积万平方米=人均绿地面积*城镇人口数量住房面积万平方米=人均住房面积*城镇人口数量道路面积万平方米=人均道路面积*总人口总需水量亿立方米=生态需水量+生活用水总量+第一产业需水量+第三产业用水量+第二产业需水量第一产业需水量亿立方米=农田灌溉需水量+林牧渔业用水量农田灌溉需水量亿立方米=耕地面积*(灌溉系数/100)*灌溉定额/10000生态需水量亿立方米=环境卫生需水量+绿化需水量环境卫生需水量亿立方米=道路面积*道路浇水定额/10000绿化需水量亿立方米=绿化用水定额*绿地面积/10000COD排放总量吨=城镇生活COD排放量+工业COD排放量+污水COD排放量污水处理量万吨=污水产生量*(1-污水处理率/100)城镇生活COD排放量吨=城镇人口数量*城镇人均COD排放量/1000总供水量亿立方米=地下水源供水量+地表水源供水量+污废水回用量地表水源供水量亿立方米=引水工程供水量+提水工程供水量+蓄水工程供水量地下水源供水量亿立方米=地下水资源开发程度*地下水资源量/100工业废水回用量亿立方米=工业需水总量*工业用水重复利用率/100水平衡因子/=IFTHENELSE(水供需比>=1,1,0.9)水供需比/=总供水量/总需水量注：表函数在系统动力学中是用户定义的函数，它通常用于描述两个变量之间的特殊非线性关系，在Vensim中表示为“WITHLOOKUP”。选择函数在系统动力学中是一个条件函数，它可以根据您指定的标准执行命令，并在Vensim中表示为“IFTHENELSE”。例如，IFTHENELSE(cond,tval,fval)如果条件(cond)为真则返回第一个值(tval)，如果条件为假则返回第二个值(fval)。1.4模型检验仿真模型是将真实的世界抽象为由信息构成的系统，因此模型的仿真质量的好坏取决于该模型能否正确地表示真实世界的系统[75]。因此，在运行模拟模型之前，要通过历史检验和敏感性分析来验证该模型的有效性。1.1.1历史检验本研究将成都市各行政区2000-2018年的历史数据输入建立的水资源承载力模型，然后将模拟结果与实际值进行比较，这为模型的准确性与否提供了依据。由于模型中参数较多而且所研究的区域也较多，本研究仅选取几个具有代表性的几个变量和研究区域进行检验。检验结果见表4-2。从表4-2可以看出，模型中各指标的误差均不超过10%，在可接受范围内，模型的仿真结果与实际值比较接近，说明模型有效地反映了实际情况。表4-2模型有效性检验结果年份总人口（万人）GDP（亿元）工业生产总值（亿元）崇州市崇州市崇州市实际值模拟值误差实际值模拟值误差实际值模拟值误差200061.662.41-3.3961.4262.261.3725.125.230.52200161.561.13-0.5770.5271.591.5229.3728.94-1.46200261.463.6-1.2475.9777.411.9030.3229.79-1.75200361.961.1-1.2381.9688.41.0535.5431.91-1.77200465.163.86-1.9096.8101.21.5540.6439.42-3.00200566.361.6-2.5658.5651.44-7.0417.5819.299.73200666.961.74-3.2366.1362.22-5.9120.8122.488.02200766.562.83-5.5279.5971.43-6.4825.5627.16.03200867.065.6-2.0991.1487.13-7.4531.0632.341.12200967.466.9-0.7493.2886.65-7.1128.6330.075.03201066.961.63-7.88112.46107.3-1.5936.937.892.68201167.265.22-2.95140.66137.6-2.1848.2749.562.67201266.666.23-0.56163.43162.79-0.3957.0658.582.66201366.868.162.04183.4185.10.9361.7165.691.51201467.069.433.63203.23206.921.8272.2473.291.45201566.4368.032.41226.1231.972.6081.3481.590.31201666.4567.421.46251.04262.263.2493.4692.54-0.98201766.4866.820.51300.4313.71.43116.71113.27-2.95201866.566.03-0.71339.99358.215.36135.0129.24-1.27年份耕地面积（万亩）第一产业需水量（亿立方米）总供水量（亿立方米）崇州市崇州市崇州市实际值模拟值误差实际值模拟值误差实际值模拟值误差200058.6560.463.092.682.61-2.613.093.110.65200157.8958.240.602.632.640.383.293.351.82200252.2551.631.561.992.021.513.543.663.39200350.9152.192.512.022.082.973.333.433.00200450.5851.541.902.002.052.503.383.472.66200550.4451.11.311.992.071.023.333.412.40200650.5450.29-0.491.931.982.593.293.382.74200750.5449.34-2.371.881.86-1.063.273.362.75200849.1849.13-0.102.712.841.803.533.550.57200949.1648.84-0.652.652.753.773.253.280.92201049.1848.12-2.162.852.83-0.703.703.730.81201149.0047.95-2.142.352.28-2.983.053.070.66201248.6447.32-2.713.053.9128.203.943.981.02201348.6746.94-3.553.063.00-1.961.011.040.75201448.4946.27-1.582.922.982.053.783.800.53201545.2145.13-0.183.033.071.321.003.96-1.00201658.6751.37-7.333.253.363.381.141.180.97201758.5156.76-2.993.213.457.481.191.241.19201858.6957.96-1.243.753.842.401.281.290.23年份总人口（万人）GDP（亿元）工业生产总值（亿元）都江堰市都江堰市都江堰市实际值模拟值误差实际值模拟值误差实际值模拟值误差200059.4059.400.0053.8853.880.0016.6216.22-2.43200159.5059.600.1761.8061.820.0419.0518.35-3.68200259.5059.610.1869.8969.86-0.0421.8820.80-1.92200359.7059.770.1180.1180.530.5226.6321.87-6.62200459.8060.601.3393.1793.08-0.1017.7217.38-1.93200560.3059.86-0.7283.8483.30-0.6518.7318.27-2.45200661.0060.70-0.4996.5395.42-1.1522.2621.37-1.00200760.9057.26-5.98116.22112.69-3.0427.7526.11-5.90200861.2059.73-2.4076.6573.78-3.7522.5921.75-3.75200961.0057.17-6.27116.88115.68-1.0326.3725.02-5.13201061.0057.90-5.09143.54141.27-1.5932.2029.99-6.85201161.2060.20-1.63176.65171.40-1.2741.6038.75-6.85201261.4061.640.39208.18201.36-1.8448.5145.54-6.12201361.6062.701.78229.86225.22-2.0251.2551.29-5.47201461.9065.095.16251.58246.09-2.1860.0357.45-1.30201568.0266.70-1.95275.38267.64-2.8161.0159.80-6.58201668.5067.20-1.90306.22295.32-3.5669.2465.16-5.90201769.0966.35-3.96348.50333.62-1.2780.3976.22-5.18201869.7066.72-1.28381.80369.71-3.9289.4883.28-6.93年份耕地面积（万亩）第一产业需水量（亿立方米）总供水量（亿立方米）都江堰市都江堰市都江堰市实际值模拟值误差实际值模拟值误差实际值模拟值误差200042.0742.070.002.212.20-0.422.732.730.26200140.8540.870.042.012.01-0.212.592.620.83200232.3232.360.101.611.60-0.242.312.331.09200330.2630.320.211.571.570.122.612.662.00200429.4729.550.261.471.47-0.082.402.451.89200529.2529.340.311.311.30-0.392.292.331.44200629.1829.280.361.331.32-0.102.582.632.11200729.1829.280.361.211.220.302.482.542.09200828.5428.660.402.462.470.202.922.971.79200941.4841.640.383.023.020.063.523.49-0.80201040.4140.580.423.103.110.201.201.17-0.74201121.5621.670.442.402.410.433.033.02-0.15201221.5723.67-3.662.812.80-0.143.283.26-0.49201321.5125.611.502.802.800.063.253.260.13201421.4626.568.602.592.58-0.303.153.13-0.59201540.2440.400.422.