二元模式下水資源承載力系統(tǒng)動態(tài)仿真模型研究

1、文章編號:100020585(2001022*收稿日期:2000211229;修訂日期:2001203209作者簡介:惠泱河(19522,男,陜西榆林人,教授,教學(xué)與科學(xué)研究方向?yàn)樗Y源與環(huán)境。主持承擔(dān)“典型水庫匯流區(qū)開發(fā)與水源保護(hù)研究”、“長城沿線風(fēng)沙區(qū)生態(tài)恢復(fù)和治理開發(fā)研究”、“漢中盆地水資源開發(fā)研究”等國家、省級“八五”、“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目、自然科學(xué)基金項(xiàng)目13項(xiàng),發(fā)表西安市水資源問題、陜西省水資源開發(fā)利用與保持態(tài)勢分析、漢中盆地平壩區(qū)水資源分析評價等學(xué)術(shù)論文30多篇。出版工程地質(zhì)與水文地質(zhì)、現(xiàn)代城市規(guī)劃等編譯著5部。二元模式下水資源承載力系統(tǒng)動態(tài)仿真模型研究惠泱河1,蔣曉輝2,黃強(qiáng)2

2、,薛小杰2(11西北大學(xué)城市與資源環(huán)境系,西安710069;21西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院,西安710048摘要:首先探討了二元模式下水資源承載力的內(nèi)涵,然后根據(jù)水資源承載力的特點(diǎn)探討了運(yùn)用系統(tǒng)動力學(xué)方法研究水資源承載力的可行性,并在此基礎(chǔ)上建立了二元模式下水資源承載力系統(tǒng)動力學(xué)動態(tài)仿真模型,最后以典型缺水地區(qū)陜西關(guān)中為例,根據(jù)未來水資源的變化趨勢,研究了不同方案下關(guān)中水資源承載力,得到提高關(guān)中水資源承載力的滿意方案。關(guān)鍵詞:水資源承載力;二元模式;系統(tǒng)動力學(xué);關(guān)中中圖分類號:X37文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A近年來,隨著人類對大自然干預(yù)能力的加強(qiáng)及全球氣候的變化,流域水循環(huán)演變十分顯著,原有的一元水循環(huán)模式

3、受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn),人類活動不僅改變了流域降水、蒸發(fā)、入滲、產(chǎn)流、匯流特性,而且還在原有的天然水循環(huán)內(nèi)產(chǎn)生了人工側(cè)支循環(huán),形成了天然循環(huán)與人工循環(huán)此消彼長的二元動態(tài)水循環(huán)過程。水資源作為社會、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)存在和發(fā)展的基本因素,它的承載力狀況對地區(qū)的發(fā)展起著重要作用,水資源變化狀況將嚴(yán)重影響區(qū)域社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的發(fā)展。因此,在自然2人工二元模式下,以水為紐帶,根據(jù)水資源的變化趨勢確定不超過水資源承載力的社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模意義重大。1二元模式下水資源承載力的內(nèi)涵在自然2人工二元模式下,流域水循環(huán)演變受到全球氣候變化和人類活動的共同影響,與水循環(huán)密切相關(guān)的水資源的時空分布也發(fā)生了很大的變化,近幾十年來,全球

4、各流域的河川徑流都出現(xiàn)了增大或減少的趨勢。與此相對應(yīng),以水資源為載體的社會、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境發(fā)展指標(biāo)隨著水資源時空分布的變化也發(fā)生動態(tài)改變。在一定社會經(jīng)濟(jì)條件下,水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通?？梢杂盟Y源納污量、水資源供給量等能承載一定程度和方式的人類活動的指標(biāo)來體現(xiàn),在這些指標(biāo)所允許的范圍和程度之內(nèi)的人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展活動作用下,水資源系統(tǒng)第20卷第2期2001年5月地理研究GEO GRAPHICAL RESEARCH Vol.20,No.2May ,2001結(jié)構(gòu)組合特征、功能狀態(tài)不會發(fā)生質(zhì)的變化,這是水資源具有承載力的內(nèi)在原因;由于上述指標(biāo)在量上是有限度的,當(dāng)某一指標(biāo)消耗過大(例如地下水超采,會影響水資源系統(tǒng)的整

5、體結(jié)構(gòu)水平,進(jìn)而導(dǎo)致功能失常。綜上所述,水資源承載力可理解為某一區(qū)域的水資源條件在自然2人工二元模式影響下,以可預(yù)見的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展水平及水資源的動態(tài)變化為依據(jù),以可持續(xù)發(fā)展為原則,以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)發(fā)展為條件,經(jīng)過合理優(yōu)化配置,對該地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展所能提供的最大支撐能力1。2二元模式下水資源承載力研究的系統(tǒng)動力學(xué)方法水資源承載力研究屬于評價、規(guī)劃與預(yù)測一體化的綜合研究,它以水資源評價為基礎(chǔ),以水資源合理配置為前提,以水資源潛力和開發(fā)前景為核心,以系統(tǒng)分析和動態(tài)分析為手段,以人口、資源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展為目標(biāo)。由于受水資源總量、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和技術(shù)條件以及水環(huán)境質(zhì)量的影響,在研究

6、過程中,必須充分考慮水資源系統(tǒng)、宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)以及社會系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)與制約關(guān)系。水資源系統(tǒng)的整體性、動態(tài)性和多目標(biāo)性決定了可以用系統(tǒng)動力學(xué)方法來研究其承載能力。系統(tǒng)動力學(xué)方法是從系統(tǒng)內(nèi)部的元素和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析入手來建立數(shù)學(xué)模型。與以獲得最優(yōu)解的運(yùn)籌學(xué)和計量經(jīng)濟(jì)學(xué)方法相比,它除能動態(tài)跟蹤和不受線性約束外,并不追求最優(yōu)解,而是以現(xiàn)實(shí)存在為前提,通過改變系統(tǒng)的參數(shù)和結(jié)構(gòu),測試各種戰(zhàn)略方針、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)措施和政策的滯后效應(yīng),尋求改善系統(tǒng)行為的機(jī)會和途徑。水資源究竟可以養(yǎng)活多少人,能否支持經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展?對這個問題當(dāng)然沒有簡單的答案,答案是基于社會在各種可供選擇的方案中抉擇。系統(tǒng)動力學(xué)方法恰好能滿足上述要求

7、,因?yàn)樗薷膮?shù)方便,可以靈活地進(jìn)行多方案的比較擇優(yōu)2。水資源承載能力研究的根本目的在于找到一整套政策,使一個地區(qū)在人口和水資源變化的情況下仍能保證持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展,或根據(jù)區(qū)域的水資源承載力制定相應(yīng)的人口、經(jīng)濟(jì)政策,任何單一的組合要滿足上述要求都是不可能的。用系統(tǒng)動力學(xué)法研究水資源承載力,旨在從整體上反映人口、資源、環(huán)境和發(fā)展之間的相互關(guān)系,通過建立系統(tǒng)動力學(xué)模型,模擬不同策略方案下人口變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與承載力之間的動態(tài)變化。在研究過程中,可以確定多種策略方案,但更主要的是尋求一條既能滿足需求,又在經(jīng)濟(jì)上可行、環(huán)境上穩(wěn)妥的通向美好未來的途徑。另外,這種研究還可以判斷決策者提出的各種方案的長遠(yuǎn)后果。

8、把各種策略方案放到歷史長河中,通過系統(tǒng)內(nèi)各組成部分之間相互依賴、相互制約的關(guān)系來檢驗(yàn)各種策略方案的長遠(yuǎn)后果是否也滿意?？梢哉J(rèn)為,對水資源承載能力這樣一個涉及因素多,各因素之間又沒有緊密的、簡單的關(guān)系的課題,采用系統(tǒng)動力學(xué)方法是合適的。到目前為止,系統(tǒng)動力學(xué)還不是一種最優(yōu)化模型。但從實(shí)際的決策過程來看,利用系統(tǒng)動力學(xué)模型模擬各種決策方案的長期效果,并對多個方案進(jìn)行比較分析而得到較為滿意的方案,可能比得出唯一的“最優(yōu)方案”更有現(xiàn)實(shí)意義。用系統(tǒng)動力學(xué)研究水資源承載力,不是簡單地給出某個國家或地區(qū)的水資源所能養(yǎng)活人口的上限,而是通過各種決策在模型上模擬,清晰地反映人口、資源、環(huán)境和發(fā)展之間的關(guān)系。19

9、2地理研究20卷2期惠泱河等:二元模式下水資源承載力系統(tǒng)動態(tài)仿真模型研究193 3水資源承載力研究的系統(tǒng)動力學(xué)模型的建立311系統(tǒng)流圖設(shè)計水資源承載力研究涉及水資源系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境系統(tǒng)組成的復(fù)雜大系統(tǒng),它包括供水系統(tǒng)、工業(yè)用水子系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)用水子系統(tǒng)、人口子系統(tǒng)及水資源子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)除了系統(tǒng)內(nèi)部的系統(tǒng)關(guān)聯(lián),還要和其他系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系,所以系統(tǒng)的邊界模糊,不易確定。針對研究問題的需要,系統(tǒng)邊界劃分的原則是,與水資源承載力有較大關(guān)聯(lián)的因素劃在邊界之內(nèi),關(guān)聯(lián)較小的因素劃在邊界之外。系統(tǒng)動力學(xué)認(rèn)為,系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、系統(tǒng)內(nèi)部各因素之間存在著互為因果的關(guān)系,并且這種因果關(guān)系構(gòu)成閉合的反饋回路。因此明確了系

10、統(tǒng)邊界之后,還需要確定每個系統(tǒng)的構(gòu)成單元和影響因素,然后確定各個子系統(tǒng)的接口。一個系統(tǒng)的流圖是系統(tǒng)動力學(xué)的基本變量和表示符號的有機(jī)組合,它主要反映因果關(guān)系中所沒能反映出來的不同變量的性質(zhì)和特點(diǎn),使系統(tǒng)內(nèi)部的作用機(jī)制更加清晰明了,然后通過流圖中關(guān)系的進(jìn)一步量化,實(shí)現(xiàn)政策仿真的目的。流圖中有兩個重要變量:狀態(tài)變量和變化率。對于一個復(fù)雜的系統(tǒng),應(yīng)該用幾個狀態(tài)變量和變化率,這既取決于問題的定義和系統(tǒng)的動態(tài)性質(zhì),也取決于系統(tǒng)動力學(xué)原理上的要求,即一個反饋回路至少應(yīng)該有一個狀態(tài)變量。根據(jù)系統(tǒng)動力學(xué)對兩種變量的定義,結(jié)合大量歷史數(shù)據(jù),設(shè)計出水資源承載力系統(tǒng)動力學(xué)流圖(圖134。312主要狀態(tài)方程描述因果關(guān)系

11、圖和流圖,只說明系統(tǒng)中各變量間的邏輯關(guān)系與系統(tǒng)構(gòu)造,并不能顯示其定量關(guān)系。為此,應(yīng)建立系統(tǒng)動力學(xué)方程。建立方程是把系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)“翻譯”成數(shù)學(xué)方程的過程。建立數(shù)學(xué)方程的目的,是使模型能用計算機(jī)進(jìn)行仿真。根據(jù)變量的性質(zhì),可把描述各類變量的方程分為狀態(tài)方程、速率方程,輔助方程等。系統(tǒng)的模型正是由這一組動態(tài)方程有機(jī)地組合構(gòu)成的。從圖1可以看出,主要狀態(tài)變量是供水量、可承載工業(yè)產(chǎn)值、可承載農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、可承載人口等四個。其狀態(tài)方程如下:(1可供水量W 1L K =W 1L J +(D T (W 2R J K W 2R 為可利用水量的變化速度,包括人工2自然影響下水資源增多或減少及節(jié)水水平提高所新增加的水量。

12、式中K 為當(dāng)前時間;J 為時間K 相鄰的前一時間;D T 為計算步長。下同。(2可承載工業(yè)產(chǎn)值G 1L K =G 1L J +(D T (G 2R J K 元=元+年元/年G 1L =G 1(G 1為上一年工業(yè)產(chǎn)值圖1中的G 3C 為非水因子,工業(yè)值的增長速度受許多因素的影響,由于我們在這里主要研究水對工業(yè)發(fā)展的支持作用,故把所有的非水因子做為一個“乘子”,以“乘子”的形式來改變工業(yè)產(chǎn)值增長速度,在正常情況下,此“乘子”取值為1。(3可承載的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值194地理研究20卷N 2L K =N 2L J +(D T (N 1R J K N 2L =N 2(上一年農(nóng)業(yè)產(chǎn)值(4可承載的人口P 1L K

13、=P 1L J +(D T (P 2R J K 2P 3R J K P 1L =P 1(上一年人口數(shù)量4計算實(shí)例陜西關(guān)中地區(qū)是國家確定的重點(diǎn)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),是國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移的紐帶和橋頭堡,其承東啟西的地理位置,具有輻射周圍的顯在和潛在功能。然而關(guān)中屬于資源性缺水地區(qū),加上近年來黃河流域河川徑流不斷衰減的趨勢,關(guān)中社會經(jīng)濟(jì)、環(huán)境發(fā)展面臨著越來越嚴(yán)重的水資源短缺問題。因此,在人工2自然二元模式下研究關(guān)中未來水平年水資源的承載力有著十分重要的意義。411關(guān)中地區(qū)基本情況關(guān)中地區(qū)人口、面積、經(jīng)濟(jì)、社會、水資源開發(fā)利用等情況見表15。表1關(guān)中地區(qū)概況(選擇1998年為現(xiàn)狀水平年T ab 11G en

14、eral situ ation of G u anzhong region人口面積分區(qū)面積人口農(nóng)業(yè)人口非農(nóng)業(yè)耕地面積平原面積山區(qū)面積(km 2(萬人(萬人(萬人(hm 2(km 2(km 255384第二產(chǎn)業(yè)第三產(chǎn)業(yè)糧食產(chǎn)量人均糧食占有量人均G DP (億元(億元(億元(億元(萬t (kg (元740104源多年平均降水量多年平均自產(chǎn)地表水資源量地下水資源量多年平均水資源總量(mm 水利工程總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(萬m 3提高關(guān)中地區(qū)水資源承載力可采取提高節(jié)水水平、提高污水回用程度、充分開發(fā)當(dāng)?shù)厮约翱缌饔蛘{(diào)水等工程性措施。提高節(jié)水水平應(yīng)作為第一優(yōu)先措施,其次是污水回用和開發(fā)當(dāng)?shù)?/p>