基于系統動力學的北京市水資源動態(tài)預測模型研究

基于系統動力學的北京市水資源動態(tài)預測模型研究

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。隨著社會經濟的發(fā)展,我國工農業(yè)和城鎮(zhèn)居民生活對水資源的需求量也日益增加,水資源問題越來越突出,水資源安全正成為可持續(xù)發(fā)展領域研究中的一個重點和熱點問題。我國以往的水資源安全研究,主要是根據某一地區(qū)的社會經濟發(fā)展格局研究該地區(qū)水資源供需狀況及其變動趨勢,并在此基礎上尋找水資源安全對策,而缺少水資源安全約束因子對供需平衡的影響以及不同約束下水資源安全狀況的動態(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,根據預測結果提出相關對策,能為北京市水資源開發(fā)利用提供科學的決策參考,亦可為其他水資源短缺的城市提供借鑒。1北京市水資源量現狀北京屬溫帶半干旱、半濕潤性季風氣候,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計算量5.92億m3,當地自產天然水資源總量為37.39億m3。北京市人均水資源量不足300m3,是全國人均占有量的1/8,是世界人均的1/30,遠遠低于國際公認的人均1000m3的下限標準,屬于嚴重缺水地區(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研究對象安全變化水資源關聯著整個社會經濟環(huán)境系統的特性決定了可以用系統動力學方法來研究其安全變化。在對北京市水資源供需特征和驅動力因子分析的基礎上,采用SD方法構建北京市水資源動態(tài)預測模型,進而從整體上反映資源、人口和經濟發(fā)展之間的相互關系,預測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,以整個北京市為研究對象,進行系統分析,確定與水資源相關的主要因素,進而劃分系統邊界。確定的系統邊界并不是一個嚴格意義上的地理界限,而是根據建模目的,把與水資源供需問題有重要關聯的變量包括進系統,如從周邊地區(qū)調水等。由此,構建的模型共包含4部分:工業(yè)、農業(yè)、人口和水資源供需子系統(見圖1)。通過子系統分析,建立系統內部各因素之間的因果關系及其反饋回路圖,并結合北京市歷史數據,選擇適當的參數和變量,在VENSIM軟件平臺上編寫方程,建立流程圖。限于篇幅,本文僅以水資源供需子系統流程圖為例進行說明(見圖2)。2.2模型的中心方程結合上文分析,對系統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)劃農業(yè)子系統有兩個主要的狀態(tài)變量,即農業(yè)總產值和農業(yè)用水總量,其計算公式為式中GPVA為農業(yè)總產值;PPV為種植業(yè)單位面積產值初值;PPVR為種植業(yè)單位面積產值變化率;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)產值初值;WPVR為林業(yè)產值變化率;FPV為漁業(yè)產值初值;FPVR為漁業(yè)產值變化率;BLPV為單位大牲畜產值;BLN為大牲畜數量初值;BLNR為大牲畜數量變化率;SLPV為單位小牲畜產值;SLN為小牲畜數量初值;SLNR為小牲畜數量變化率;GWC為農業(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)子系統有兩個主要的狀態(tài)變量,即工業(yè)總產值和工業(yè)用水總量,其計算公式為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)總產值;IPVi為工業(yè)各行業(yè)總產值初值;IPVRi為各行業(yè)總產值年變化率;IWC為工業(yè)需水總量;WIWi為各行業(yè)萬元產值需水量初值;WIWRi為各行業(yè)萬元產值需水量年變化率;SPVA為社會總產值;TPV為第三產業(yè)產值初值;TPVR為第三產業(yè)產值年變化率。3農業(yè)人口pu、ealuw、tprr人口子系統最主要的狀態(tài)變量是大生活需水量,其計算公式為式中LWC為生活需水量;TPU為非農業(yè)人口初值;TPUR為非農業(yè)人口變化率;ALUW為非農業(yè)人口人均用水量;EALUW為人均用水量隨居民收入增長增加量;PALUW為人均用水量隨水價提高減少量;TPR為農業(yè)人口初值;TPRR為農業(yè)人口變化率;ALRW為農業(yè)人口人均用水量。4環(huán)境需水量sw水資源子系統的兩個主要狀態(tài)變量是水資源可供應總量和需求總量,其計算公式為式中WA為水資源可供應總量;SW為多年平均自產水資源量;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;UW為應急供水量;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為萬元社會總產值用水量。3根據北京水資源平衡趨勢3.1北京市水資源供需新趨勢根據對北京市水資源消耗特征的分析,有3個核心的因子,即人口、產業(yè)結構和政策約束著未來北京市的水資源供需平衡。人口增長帶來生活用水量的變化;產業(yè)結構,包括社會總產值中3大產業(yè)產值的比重和工業(yè)總產值中高新技術產業(yè)與傳統產業(yè)的比重,產業(yè)結構的優(yōu)化帶來用水結構的優(yōu)化;政策,如應急供水工程政策、再生水回用政策、工農業(yè)節(jié)水政策、水價政策等,其實施能增大水資源可供應量,并促進水資源利用效率的提高。對以上3個約束因子在未來的變化進行分析,將它們的變化趨勢作為參數輸入北京市水資源系統SD模型中,依據可能存在的變化方向來改變系統參數,使模型在多種條件下運行,得到未來北京市水資源供需趨勢變化的兩種典型情景。情景1是依照目前現行的政策、用水水平和經濟增長速度,并結合北京市相關規(guī)劃文件,系統保持慣性運行得出的結果;情景2考慮到北京市水資源資源的現狀,將提高資源利用效率,優(yōu)化用水結構的傾向加入到模型中,在不影響經濟發(fā)展速度的前提下,進行產業(yè)結構調整,并加大對水資源供需的政策管理,實施了更加嚴格的再生水回用政策、工農業(yè)節(jié)水政策和水價政策。3.2需要水預測3.2.1農業(yè)和節(jié)水農業(yè)農業(yè)需水包括灌溉用水及牲畜飲水。農業(yè)需水量主要受農業(yè)灌溉面積、節(jié)水技術及作物種類的影響。在情景1和2的預測中,農業(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;情景2在有效保護耕地的同時,開展節(jié)水農業(yè),對農業(yè)灌溉節(jié)水率每年提高5%,并優(yōu)化種植業(yè)結構,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。根據北京市工業(yè)各行業(yè)特點和用水驅動力因子分析,將工業(yè)分為高新技術產業(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))和傳統產業(yè)(電力、石化和冶金行業(yè))。在進行模型預測時,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)藥產業(yè)等極低耗水的高技術密集型產業(yè),其總產值年均增長率保持在15%以上;中低耗水的都市型工業(yè)、制造業(yè)和汽車行業(yè)的總產值年均增長率可保持在5%～10%左右;石化、電力和冶金等高耗水行業(yè)的總產值年均增長率保持在1%左右。從2005年到2010年,可對工業(yè)中耗水量較大的冶金和電力行業(yè)的萬元產值耗水量每年降低10%,石化產業(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業(yè)人口和農業(yè)人口日常生活用水、住宅用水、公共設施用水以及城建用水等。情景1和2中人口的增長速度相同,均為1.4%。兩種情景下城市化率的變化也都是每年增加7個百分點。但情景1中水價增長率較小,為10%,水價調整后,北京市居民生活用水支出約占家庭收入的1%。情景2中水價增長的速率為情景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%。研究結果表明,當水費支出占居民家庭收入的2%以下時,對居民心理影響很小,亦導致用水浪費現象發(fā)生;占2%～2.5%時將引起重視,居民開始關心用水量。由于北京市水價起點較低,水價調整政策對北京市水資源承載力的影響較小,由此預測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的預測中均積極發(fā)展旅游業(yè),但情景2對游客人均用水量進行了控制。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預測的北京市環(huán)境需水量變化相同,2005年、2008年和2010年的值分別為44600萬m3、106200萬m3和106000萬m3。3.3水資源可產出量預測水資源可供應量包括自產水資源可開發(fā)量、再生水回用量和應急供水量。情景1和2的預測中,北京市自產水資源可開發(fā)量均沒發(fā)生變化,但情景2實施了更為嚴格的再生水回用政策,并擴大了應急供水量,由此預測得到兩種情景下水資源可供應量的變化見表5。3.4水資源供需現狀及預測根據SD模型預測,兩種情景下北京市水資源供需、用水結構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。這說明情景1中北京市水資源安全形勢日益嚴峻,2010年北京水資源需求總量將大于可供應總量。情景2中隨著調整工業(yè)產業(yè)結構,提高農業(yè)灌溉節(jié)水率等政策的實施,預測結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中萬元社會產值用水量均在減小,但情景2減小的幅度較大。2010年情景2中萬元社會產值用水量為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由SD模型預測結果可知,不同的產業(yè)結構和政策約束下,北京市水資源安全形勢很不相同。如情景1的預測結果所示,若不加強產業(yè)結構和政策的約束,北京市水資源供需將無法保持平衡。因此要想提高水資源利用效率,緩解北京市水資源危機,必須確保情景2中與各項約束相關的政策的實施,主要如下。1提高灌溉節(jié)水率據研究,作物產量與需水量存在非線性關系,灌溉節(jié)水的潛力50%在管理方面。提高灌溉節(jié)水率對產量的實際影響不大,但能達到水資源高效利用的目的。因此可通過各種工程措施、技術措施和管理措施,提高農業(yè)灌溉節(jié)水率,發(fā)展節(jié)水型農業(yè),降低農業(yè)需水量。2火炬樹產品品質應規(guī)定,應限制發(fā)展高耗水的高新技術勞動密集型產業(yè)根據研究,產業(yè)結構調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)藥產業(yè)等極低耗水的高技術密集型產業(yè),相應發(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。對于北京市的重點用水大戶首都鋼鐵公司和燕山石化可考慮搬遷和轉產,區(qū)域內亦不宜再建設火電廠。農業(yè)中,水田面積要逐漸減少至取消,調整需水量較大的蔬菜面積,加快退耕還林和種植結構調整。3水質增長快速增長根據北京市1990—2000年的有關數據分析,水價每提高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%。因此只有水價的增長幅度明顯高于人均收入增長,才能維持北京市居民人均生活用水量不變或緩慢增長。研究結果表明,特大城市家庭可承受的水費支出占家庭可支配收入的比率可達3%。目前北京的年人均水費支出僅占可支配收入的1%左右,因此還有很大的上調空間。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、懷柔應急供水工程安全運行,積極實施南水北調京石段應急供水工程,并在實施時注意“先節(jié)水,后調水;先治污,后通水;先環(huán)保,再用水”。加快管網建設,大力推進再生水回用,確保達到《北京市區(qū)城市污水處理廠再生水回用總體規(guī)劃》目標,2008年北京市污水處理率應達到90%以上,再生水回用率達到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作為備用水源。5提高居民節(jié)水意識根據預測,在北京市未來的發(fā)展過程中,生活用水將成為北京市最大的水資源支出項。因此要減少居民的人均用水量,通過廣泛、深入、持久的宣傳,轉變落后的用水觀念和用水習慣,提高居民的節(jié)水意識;通過輿