基于SD模型的河南省水资源承载力模拟研究

郭维红， 黄珺嫦， 张二超

(1.河南农业大学资源与环境学院，河南 郑州 450002； 2.河南省土地整治与生态重建工程技术研究中心，河南 郑州 450002)

水资源是人类社会的宝贵资源，也是社会经济发展的重要的支撑条件。随着人口的增加，社会经济的快速发展，水资源短缺与贫乏的问题越来越突出。近年来有关水资源承载力的研究日益增多，但水资源承载力的概念仍没有统一的定义，通常用“可持续利用水量[1]”“水资源生态限度[2]”“水资源系统的极限[3]”或者“水资源紧缺程度[4]”“水资源的最大支撑能力[5]”等近似的表述，且一般指天然水资源开发利用的极限量[6-7]，其研究方法主要有常规趋势方法[8]、模糊综合评价法[9-12]、生态足迹法[13-16]、多目标分析决策法[17-18]、系统动力学方法[19-22]等。常规趋势法通常未全面细致的考虑水资源承载力影响因素之间相互制约与相互作用关系，因此其结果往往很难反映现状；模糊综合评价法往往局限于单因素的表现，不能深刻的反映多因素之间的关系，且评价指标的建立具有一定的主观性；生态足迹法具有概念标准统一、数据获取简单等优点，但其是基于现状静态数据的一种计算方法，且未设计成预测模型，所得结论具有瞬时性，不能反映未来发展趋势；多目标分析决策法是一种规划方法，多目标函数的建立以及降维求解的技术方法较难，且一般情况下将目标简化，所以较难反映系统内部的复杂关系；系统动力学是一门分析研究信息反馈的学科，具有高阶次、非线性、多变量、多反馈等特点，利用此模型可较好地把握系统的各种反馈关系，且系统动力学模型能够对不同发展方案进行模拟研究，得到最佳的发展方案及相应的承载力状态[23-24]。在水资源承载力方面，诸多学者运用系统动力学方法进行了研究。杨子江等[22]运用系统动力学方法对昆明市水资源承载力进行了研究，并提出相应的对策和解决途径；陈威等[25]运用系统动力学和密切值法对武汉市的水资源承载力进行评价，并提出5种不同的水资源承载力变化方案；何仁伟等[26]在分析贵州省毕节地区水资源、生态环境以及社会经济反馈关系的基础上，运用系统动力学方法构建水资源承载力模型，综合分析得出毕节地区水资源可持续利用优化方案。此外还有许多学者对于中国其他地区进行了水资源承载力的研究，其中包括渭河流域、黑河流域、黄河中下游地区、西北地区、新疆地区、滨海新区等。

确保粮食产量持续稳定增产是国家粮食安全的保障，而粮食产量稳定增加的前提是水资源供需平衡性，河南省是国家粮食主产区的典型地域代表，水资源时空分布不均、地下水位下降等问题明显，因此模拟和预测河南省水资源承载力状况，对于评估不同发展模式下水资源供需平衡状况，保障国家粮食安全十分重要。

1 研究区域概况与数据来源

河南省位于华北平原南部的黄河中下游地区，属北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候，四季分明、雨热同期，地跨长江、淮河、黄河、海河4大流域，全省多年平均水资源总量403.5亿m3、居全国第19位；人均水资源占有量约383 m3，相当于全国平均水平的五分之一。但省内水资源情况复杂，时空分布不均，呈现南多北少的趋势。近年来，河南省人口总量不断增加，非农产业发展迅速，占据农业用水量，但河南省是粮食大省，粮食种植面积与粮食总产量居全国前列。因此，如何协调利用有限的水资源，保证农业生产至关重要。

本研究建立的河南省水资源承载力系统动力学模型中所涉及的数据主要来自《2011—2019年河南省统计年鉴》《2010—2018年河南省水资源公报》《2011—2019年中国城市统计年鉴》等；部分指标的选取参考《2016—2030年河南省人口发展规划》《河南省国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》《2016—2030年河南省水资源综合利用规划》《河南省工业与城镇生活用水定额》《河南省农业用水定额》等。

2 河南省水资源承载力系统动力学模型构建

2.1 系统边界和模型基准年的确定

基于承载力边界以及行政边界的完整性，本研究定义水资源承载力模型的系统边界为河南省。系统的模拟时间边界为2010—2030年，2010—2018年为历史检验时间段，2019—2030为模拟预测时间段，模拟步长为1 a。模型基准年为2018年，模型的各项初始值采用基准年的各项指标值，借此来预测2019—2030年的各种指标值，从而反映河南水资源承载力状况。

2.2 系统结构分析

河南省作为粮食主产区典型地域，水资源数量、水资源质量等均会严重影响粮食产量与质量，本研究以河南省自然资源禀赋为基础，并参考相关文献[22,26]，综合考虑水资源供给与水资源需求相关因素，选取以下指标来构建水资源承载力系统，将水资源承载力系统分为4个子系统，即人口子系统、经济子系统、水资源子系统和水污染子系统。各系统相关指标选取如表1。

表1 水资源承载力系统指标体系构建Table 1 Construction of index system for water resources carrying capacity system

(1)人口子系统。总人口、城市及乡村人口是该系统的主要变量。人口数量的多少直接决定了生活用水量，因此通过人口变化来反映水资源变化状况，进而突出影响水资源的社会因素的作用，通过农村以及城市人均用水量的变化来直接反映农村与城市生活用水量，形成生活用水量这一关键变化量。

(2)经济子系统。三大产业的产值以及其用水量是该系统主要变量。产业结构的变化必然影响水资源需求的变化，故选取工业产业增加值、第三产业增加值以及农田灌溉面积指标来计算三大产业用水量，进而确定生产用水量。本研究中第一产业用水量主要是指农业用水总量，即通过农田灌溉用水量与农田灌溉用水比例求得。

(3)水资源子系统。主要是指水资源供水总量即水资源可利用量，主要包括地下水源供水量、地表水源供水量以及再生水量。供需差指标是指水资源供水总量与用水总量之间的差额，供需差为正值，说明水资源供给大于水资源需求，水量供给充足；供需差为负值说明水资源供不应求，水源短缺问题存在。

(4)水污染子系统。水污染主要是指工业生产中所产生的工业污水的排放以及生活污水的排放以及污水处理量等主要变量。工业污水以及生活污水排放系数的变化会影响污水排放量的变化。

2.3 模型构建

2.3.1 系统流图绘制 通过分析各系统各要素之间的正负反馈关系，以因果关系为依据，通过系统动力学建模软件Vensim PLE构建人口-经济-水资源-水污染系统流图(图1)。主要选取总人口数量、工业增加值、农田灌溉面积以及第三产业增加值作为水平变量，其他为辅助变量。

2.3.2 系统主要方程的设定 系统动力学模型主要是由水平变量、速率变量、表函数以及常量变量组成，本研究中模型设计的变量较多，其主要方程如下。

(1)农村人口数量=总人口数量-城市人口数量

(2)城市人口数量=总人口数量×城镇化率

(3)农村生活用水量=农村人口数量×农村人均生活用水量

(4)城市生活用水量=城市人口数量×城市人均生活用水量

(5)生活用水总量=农村生活用水量+城市生活用水量

(6)生活污水排放量=生活用水总量×生活污水排放系数

(7)工业污水排放量=工业用水总量×工业污水排放系数

图1 水资源承载力系统流程图

(8)污水排放总量=生活污水排放量+工业污水排放量

(9)农田灌溉用水量=农田灌溉面积×单位面积农田灌溉用水量

(10)农业用水总量=农田灌溉用水量/农田灌溉用水比例

(11)工业用水量=工业产业增加值×万元工业增加值用水量

(12)生产用水总量=农业用水总量+工业用水量+第三产业用水量

(13)水资源供水总量=地表水源供水量+地下水源供水量+再生水量

(14)供需差=水资源供水总量-总用水量

上述方程式中，总人口数量、农村人口数量以及城市人口数量的单位都是万人，农村以及城市人均用水量的单位是L·d-1，生活用水总量、农村以及城市生活用水量、农田灌溉用水量、农业用水总量、工业用水量、生产用水总量、水资源供水总量以及地下和地表水源供水量、供需差的单位是108m3，农田灌溉面积的单位是khm2，单位面积农田灌溉用水量的单位是m3·hm-2。

3 河南省水资源承载力系统动力学模型分析

3.1 模型有效性检验

本研究将2010—2018年作为模型有效性检验时间段，将模拟值与实际值进行比较，认为误差在10%以内模型是有效的[25-26]，故可以用来预测2019—2030年河南省的水资源承载力状况。本研究主要选取以下几个变量检验误差，其误差检验结果见表2和表3。由表2和表3可以看出，除2014年的农业用水总量模拟值与实际值差别较大，其他指标的模拟值与实际值之间的误差都在10%以内，这表明模型的可信度较高，能够用于进一步的模拟与预测分析。

3.2 模型预测分析

在模型检验有效性的基础上，本研究以2018年为模型预测基准年，预测时间段为2019—2030年，通过所构建的系统动力学模型运行，得到2019—2030年河南省水资源承载力系统主要指标(总人口数量、农业用水总量、工业用水总量、生活用水总量、供需差以及污水排放总量)的变化趋势，详见图2。

表2 2010—2018年河南省水资源承载力系统主要指标检验Table 2 Main index test of water resources carrying capacity system in Henan Province from 2010 to 2018

表3 2010—2018年河南省水资源承载力系统主要指标检验Table 3 Main index test of water resources carrying capacity system in Henan Province from 2010 to 2018

由图2各评价指标的变化趋势可知，2019—2030年期间，农业用水总量呈现上升趋势，主要是河南省作为农业大省，维持稳定的农业生产需要大量的水资源供给，而现代农业发展较为缓慢，其减少农业用水的力度有限；工业用水总量呈现快速增长趋势，主要是河南省位于中国中部区域，发展优势明显，工业的发展较为明显，进而带来工业用水总量的增加；生活用水量呈现缓慢增长趋势，主要是受人口因素的影响，人口的变化，带来生活用水量的改变；供需差指标短期内为正值，说明河南省的水资源供给基本满足水资源的需求量，但其下降趋势明显，并逐渐变为负值，水资源短缺问题依然存在；污水排放总量也处于快速增长状态，水污染治理的压力较大，随着生产生活以及社会的不断发展，水资源压力不断上升，而此时如何提高水资源的利用率，在有限的供水情况下，实现水资源利用效益的最大化，是政府制定水资源利用政策的主要依据。

4 河南省水资源承载力系统动力学模型情景模拟分析

4.1 决策参数与情景设定

本研究参考相关文献[27-29]，结合河南省水资源利用现状以及社会经济发展状况，选取人口增长率、城镇化率、工业增加值增长率、万元工业增加值用水量、单位面积农田灌溉用水量、农村人均生活用水量、城市人均生活用水量、污水处理率、再生水利用系数作为决策参数，设定现状型、节约型、发展型、综合型4种情景来模拟预测2019—2030年河南省的水资源承载力状况。在情景模式设计时，通过调整决策参数输入值来模拟不同的发展模式，参数值的调整主要依据《2016—2030年河南省人口发展规划》《河南省国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》《2016—2030年河南省水资源综合利用规划》《2010—2018年河南省水资源公报》《河南省工业与城镇生活用水定额》《河南省农业用水定额》等。

图2 2019—2030年河南省水资源承载力系统主要指标变化趋势图Fig.2 Variation trend chart of main indexes of water resource carrying capacity system in Henan Province from 2019 to 2030

现状型是指保持现有的发展情况不变，所有参数的初始值以2018年的参数值为基础，进行2019—2030年的水资源承载力模拟预测；节约型是指在现状型的基础上，从农业、工业、生活、污水处理和再生水的利用等方面考虑，注重水资源的保护，以较少的投入获得较高的产出；发展型主要是在现状型基础上，单纯追求社会经济发展，在符合河南省“十三五”经济发展规划的目标前提下，经济保持快速发展状态；综合型情境下，强调综合协调发展，经济发展速度保持中高速发展，但同时注重水资源利用效率的提高以及污水回用量的增加，以此达到节水的效果。各情景模式下主要变量的参数值如表4。

4.2 情景分析

通过决策参数的设定与调整，得到在4种情景模式下河南省2019—2030年的总人口数量、农业用水总量、工业用水总量、生活用水总量、供需差以及污水排放总量的变化趋势图(图3)。从图3可以看到，在4种情境下，总人口数量呈上升趋势，农业、工业以及生活用水总量呈现增加趋势，污水排放总量不断增加，供需差不断扩大。从供需差指标来看，节约型情景下供需差最小，且大于0，表明水资源供给能够满足需求，但限制了经济发展速度；综合型情景下，供需差高于节约型情景，但其保证了社会经济稳定发展，确保了经济的稳定增长，与发展型和现状型模式相比水资源供给压力较小。

4.2.1 现状型 假设到2030年河南省发展政策依然维持现状，各主要变量基本维持不变。到2030年，河南省总人口将增加到11 647.8万人，工业增加值达到28 711.2亿元，工业用水量达到98.97亿m3，农业用水量达到161.41亿m3，供需差到2030年为-32.60亿m3，水资源短缺问题依然严峻；污水排放总量达到87亿m3，水环境状况压力较大，在此情景下，河南省工业用水量增加较快，主要是为了保证工业生产，短时间之内，水资源的供给以及污染压力较小，但从长期看，水资源的短缺以及污水排放量的增加将会严重制约河南省社会经济持续稳定发展。

表4 各情景模式主要参数设置Table 4 Main parameter settings of each scene mode

4.2.2 节约型 假设河南省发展政策从节约资源的角度出发，注重资源的节约与保护，降低水资源的消耗能力以此增加水资源的供给能力，在此情景下，以现状型参数值为基础，设定人口增长率为5‰，城镇化率与工业增加值增长率降低30%。现状型情景下河南省的单位面积农田灌溉用水量、万元工业增加值用水量、农村人均生活用水量等较大，有下降的空间，而污水处理率和再生水利用系数等有一定的上升空间，故在适当降低经济发展速度的状况下，调整单位面积农田灌溉用水量、万元工业增加值用水量、农村人均用水量以及城市人均用水量降低10%，污水处理率和再生水利用系数参考《河南省水资源综合利用规划》目标值，设定为95%和20%。到2030年，总需水量增加趋势较缓，水资源供需差呈下降趋势，其为5.933 6亿m3，说明水资源供给量能够满足水资源的总需求量，短期内能够改善水资源短缺问题。

4.2.3 发展型 根据河南省“十三五”规划目标，河南省要实现经济中高速发展，充分发挥国家中心城市与新一线城市带动作用。假定其他参数值与现状型发展模式相同的前提下，调整工业产业增加值增长率为9.5%，城镇化率为65%。到2030年，河南省的工业产业增加值35 893.6亿元，第三产业增加值达到31 726.1亿元，这虽然确保了经济的快速发展，但是污水排放总量快速增长，各类产业用水量急剧增加，供需差达到60.68亿m3，这极大地加剧了水资源供需矛盾，生态环境压力加大，急剧的缺水也会限制社会经济发展速度，影响社会稳定。

4.2.4 综合型 结合以上3种模式分析，在保障河南省经济平稳发展的基础上，提高水资源利用率，实现经济平稳发展与水资源利用率提高共存，设计综合型的情景方案。到2030年工业产业增加值为35 893.6亿元，第三产业增加值达到31 726.1亿元，经济平稳有序发展，供需差27.92亿m3，虽然依然存在缺水问题，但与其他3种模式相比，此种模式下，水资源供需差增长趋势最低， 表明水资源供需矛盾最小，在保障经济发展的同时，有力地减缓了水资源的供需矛盾。

5 结论与讨论

本研究依据对水资源承载有影响的人口、经济、水资源、水污染等方面选取指标，基于系统动力学理论，构建河南省水资源承载力模型，采用2010—2018年的基础数据检验模型的准确性，之后模拟预测了2019—2030年河南省水资源承载力在现状型、发展型、节约型、综合型4种情景下的发展趋势，其结果表明见图3。

图3 4种情景下主要指标仿真

(1)从4种方案的模拟结果上看，在4种情景下，总人口数量、农业用水总量、工业用水总量、生活用水总量以及污水排放总量都呈现上升趋势，水资源供需差不断扩大。现状型情景下，短期内水资源供给能实现基本平衡，但长期看水资源供需矛盾愈加突出；发展型情景下，保证了经济的稳定发展，但水资源供给失衡严重；节约型情景下，水资源供需差最小，表明水资源供给压力最小，但同时其限制了经济发展速度，相比之下，综合型情景最优，其变化趋势显示，在保证经济稳定发展的同时，通过提高生产生活用水集约利用效率、加强污水处理能力，促进污水再生利用等措施可以在长期内保障水资源供给平衡。

(2)河南省水资源可利用量有限，存在水资源短缺问题，水资源供需矛盾日益突出；作为粮食主产区典型地域，在今后的发展中要更加重视水资源利用效率的提高，通过减少水资源的消耗，治理水污染，注重保护南水北调、三门峡、小浪底等重点水资源，提高集水工程与农田蓄水保水能力等有效途径破解水资源供需矛盾，为国家粮食安全、地方经济社会稳步增长提供保障。

依据本研究的发展情景设定，即使是在综合型情景下，河南省仍然存在一定的水资源供需差，所以本研究以无水资源供需差为限定条件，反推水资源承载力系统中各指标的变化情况，得出在综合型情景的基础上，提高再生水利用系数为40%，污水处理率为97%，降低万元工业增加值用水量为26 m3，单位面积农田灌溉用水量为2 175 m3，即可实现水资源供给充足，达到水资源无供需差状态。因此，在水资源利用与管理上，注重提高水资源利用效率，降低水资源消耗量，才能达到水资源供给平衡。