基于SD模型的甘肃省水资源承载力及结构性需水预测

宗 鑫

（北方民族大学经济学院，银川 750021）

0 引 言

甘肃省作为我国西北内陆重要省区，70%的国土面积为干旱半干旱区，特殊的自然地理环境和气候条件决定其是我国水资源最紧缺的区域之一，全省多年平均水资源总量为259 亿m³，居全国倒数第四，人均和耕地平均水资源量分别是全国平均的1/2 和1/4。为贯彻落实习近平总书记视察甘肃重要讲话及在黄河流域生态保护与高质量发展座谈会上的重要讲话精神，甘肃省立足省情水情，把水资源作为最大的刚性约束，从着力保障水资源安全等方面出发，分别制定了《甘肃省节水行动实施方案》、《甘肃省水安全保障规划》，规划了到2035年的节水目标及水安全保障目标。但从目前现状看，水资源的供需矛盾比较突出，用水的结构不优、效率不高，仍加剧缺水形势，致使水资源承载能力不足。为此，研究甘肃省水资源承载能力及结构性需水，为缩小水资源供需矛盾、改善用水结构、提升水资源使用效率、保障水安全等方面提供合理化建议则十分必要。

目前，关于水资源承载力的研究成果日益增多，其研究方法主要有生态足迹法［1］、主成分分析法［2］、BP 神经网络模型［3］、常规趋势法［4］、投影寻踪方法［5］、模糊综合评价法［6-10］、多目标分析决策法［11］、系统动力学方法［12-18］等。综合对比以上方法，发现相较于其他方法或多或少具有静态分析、未能全面反映因素间相互作用与制约关系、局限于单因素表现、主观性等缺陷，系统动力学方法因具有多变量、非线性、高阶次、多反馈的特点，可以较好地反映系统的各种因果反馈关系，不仅能够对现状进行评价，而且可以对未来的发展趋势进行预测，还可以对不同的情景进行仿真模拟，从而优选出最佳的情景及相应的承载力状态。

基于此，立足省情水情，把水资源作为最大的刚性约束，运用系统动力学方法，借助VensimPLE8.2.0 软件，在构建甘肃省水资源承载力SD 模型的基础上，对模型中影响经济社会发展的主要决策变量进行调整，设计5种情景，分别对每种情景进行仿真预测，研究结果可以为甘肃省水资源可持续利用和水安全保障提供决策参考。

1 SD模型构建及数据来源

1.1 模型构建

1.1.1 模型构建基本框架

本系统共包含社会与水资源、经济与水资源、环境与水资源3 个因果反馈关系。各子系统之间的相互作用关系及构建SD模型的基本框架如图1所示。

1.1.2 模型边界及因果反馈回路

借助VensimPLE8.2.0 软件，以甘肃省行政区域为空间边界，以2012-2035年为时间边界，时间间隔为1年。在Vensim-PLE8.2.0 中绘制因果关系反馈回路图（如图2所示），有利于更加清楚模型中各变量之间的因果反馈关系。

1.1.3 模型系统流图与主要方程

借助VensimPLE8.2.0软件，绘制了甘肃省水资源承载力SD模型系统流图（如图3所示）。本系统中所包含的社会、经济、环境3 个子系统共有85 个变量，其中包含10 个水平变量（L）、10个速率变量（R）、32 个辅助变量（A）和33 个表函数。各子系统中所包含的10个速率变量（R）和32个辅助变量（A）主要方程如表1所示。

表1 速率变量及辅助变量表Tab.1 Rate variable and auxiliary variable table

1.2 数据来源

数据均来源于2012-2018年《甘肃省水资源公报》、2013-2019年《甘肃统计年鉴》、2012-2018年甘肃省国民经济与社会发展统计公报、《甘肃省行业用水定额（2017 版）》（甘政发［2017］45 号）、《甘肃省节水行动实施方案》（2019年12月24日）、《甘肃省水安全保障规划》（甘政发［2020］30号）。

2 结果与分析

2.1 模型检验

2.1.1 结构性检验

借助VensimPLE8.2.0 软件自带的“Check Model”和“Unites Check”两个功能，验证结果显示模型系统边界、因果关系、结构流图、方程式、量纲通过检验。

2.1.2 历史性检验

选取2012-2018年甘肃省总人口数量、第一产业增加值、工业增加值、建筑业增加值、服务业增加值、供水总量6 个关键变量对模型进行历史性检验，与2012-2018年七年的历史数据进行对比（如表2所示），结果表明模拟值与实际值基本相符，6 个代表性变量误差基本控制在±1%以内，精度较高，且二者变化趋势基本一致，通过历史性检验，说明模型有效，可以用来预测2018-2035年甘肃省的水资源承载力状况。

表2 历史性检验结果Tab.2 Historical test results

2.2 情景仿真模拟与预测

根据《甘肃省水安全保障规划》（甘政发［2020］30号）（以下简称《规划》）可知，预计到2035年甘肃省供水总量需达132.3亿m³，其中本地地表水87.0 亿m³、外调18.8 亿m³、地下水21.1亿m³、其他工程5.3 亿m³，需水总量控制在141.7 亿m³，水资源供需比达到0.933 7，要达到或接近此目标需对模型中的决策变量进行不同的设计，以明确社会、经济、环境子系统与水资源之间的动态发展关系。

2.2.1 情景与方案设计

在2035年供水总量《规划》目标既定和需水总量控制的情况下，模型选取2018年为初始年，通过情景设计，综合对比不同情景，为甘肃省水资源可持续利用和水安全保障提供有力支撑。为此，设计了5种情景（如表3所示）。

表3 情景主要决策变量设置Tab.3 Setting of main decision variables in the model scenario

续表3 情景主要决策变量设置

（1）现状型，假设到2035年甘肃省经济社会发展的政策维持现状，所有决策变量保持现有发展情况不变，初始值以2018年的参数值为基础，进行2018-2035年的水资源承载力模拟仿真。

（2）发展型，在现状型的基础上，单纯追求经济社会发展，保持中高速发展，主要调整产业间增长比例，假设第一产业增加值增长率、工业增加值增长率、建筑业增加值增长率、服务业增加值增长率维持中高速发展，分别设定为8%、8%、9%、12%，并且设定人口增长率、城镇化率、农田有效灌溉面积增长率、林果灌溉面积增长率、草场灌溉面积增长率、牲畜数量增长率、城镇环境用水量、农村生态用水量到2035年均比2018年（现状型）增加30%，鱼塘补水面积增长率不变；同时，考虑生态环境保护需求，假设生活污水排放系数、工业废水排放系数、生活污水COD 排放系数、工业废水COD 排放系数均比2018年（现状型）降低10%，污水废水处理率达到98%，污水废水处理回用率达到29%。

（3）节约型，在现状型和发展型基础上，既要考虑整个经济社会中高速发展，又注重水资源保护与节约。因此，设定第一产业增加值增长率、工业增加值增长率、建筑业增加值增长率、服务业增加值增长率、人口增长率、城镇化率与发展型保持一致，并且设定农田有效灌溉面积增长率、林果灌溉面积增长率、草场灌溉面积增长率、牲畜数量增长率、城镇环境用水量、农村生态用水量到2035年均比2018年（现状型）增加15%，鱼塘补水面积增长率不变；在水资源保护与节约方面，设定城镇人均生活用水定额、农村人均生活用水定额、农田灌溉用水定额、林果灌溉用水定额、草场灌溉用水定额、鱼塘补水用水定额、牲畜头均用水定额、万元工业增加值用水量、万元建筑业增加值用水量、万元服务业增加值用水量均比2018年（现状型）降低10%，同时设定生活污水排放系数、工业废水排放系数、生活污水COD 排放系数、工业废水COD 排放系数均比2018年（现状型）降低20%，污水废水处理率达到99%，污水废水处理回用率达到38%。

综合型，既要保持经济发展的中高速、平稳发展，又要注重水资源的保护与节约、高效利用以及污水废水回用量的增加，以此达到综合协调发展的效果。

（4）综合型1，综合考虑发展型与节约型，综合型1 下经济社会发展的主要决策变量数值除第一产业增加值增长率、工业增加值增长率、建筑业增加值增长率、服务业增加值增长率分别降低到7%、7%、8%、11%外，人口增长率、城镇化率、农田有效灌溉面积增长率、林果灌溉面积增长率、草场灌溉面积增长率、鱼塘补水面积增长率、牲畜数量增长率、城镇环境用水量、农村生态用水量与发展型保持一致；水资源保护与节约方面，城镇人均生活用水定额、农村人均生活用水定额、农田灌溉用水定额、林果灌溉面积用水定额、草场灌溉用水定额、鱼塘补水用水定额、牲畜头均用水定额、万元工业增加值用水量、万元建筑业增加值用水量、万元服务业增加值用水量、生活污水排放系数、工业废水排放系数、生活污水COD 排放系数、工业废水COD 排放系数、污水废水处理率、污水废水处理回用率与节约型保持一致。

（5）综合型2，依据《规划》目标，预计到2035年甘肃省常住人口将增加至约3 000 万人，城镇化率达到68%，工业增加值预计超过7 600 亿元，农田灌溉用水量5 700 m³/hm2，农田退减灌溉面积4.47 万hm2，新增林果面积8.33 万hm2，万元工业增加值用水量21 m³，城镇人均生活用水定额38.325 m³，农村人均生活用水定额29.2 m³，再生水回用率超过30%，及其他《规划》目标。为此，在综合考虑现状型、发展型、节约型、综合型1 的基础上，对所有决策变量数值又进一步做了相应调整。

2.2.2 情景模拟仿真结果

通过决策变量的设定与调整，可以得到五种情景下甘肃省2018-2035年水资源可承载经济规模、供水总量、需水总量、水资源供需比、居民生活需水量、农田灌溉需水量、林牧渔畜需水量、工业需水量、城镇公共需水量、生态环境需水量的变化趋势图（如图4～6所示）。

（1）水资源可承载经济规模。水资源可承载经济规模越大说明承载能力越强，由图4可知，五种情景2018-2035年承载能力均在增强。对比发现，到2035年，现状型水资源可承载经济规模达到22 018.6 亿元；发展型水资源可承载经济规模为21 316 亿元，比现状型减少了702.6 亿元；节约型水资源可承载经济规模为23 864.1 亿元，均比现状型和发展型有所改善；综合型1 水资源可承载经济规模达到22 406.6 亿元，比现状型、发展型承载规模大，但比节约型承载规模小1 457.5 亿元；综合型2 水资源可承载经济规模达到25 757.6 亿元，均比以上4 种情景好。

（2）水资源供需比。《规划》预计到2035年供水总量需达132.3 亿m³，图5（a）显示2018-2035年现状型、发展型、节约型、综合型1、综合型2供水总量仿真预测值基本一致，且到2035年预测值分别为131.96、132.59、132.79、132.65、132.35 亿m³，与《规划》预计值基本接近。可以假定在供水总量目标确定的情况下，结合2018-2035年需水总量仿真预测值（到2035年现状型、发展型、节约型、综合型1、综合型2 预测值分别为144.38、160.40、143.50、141.89、141.29 亿m³），便可得到水资源供需比，其值大于1 说明供给大于需求，小于1 说明供给小于需求。由图5（c）可知，甘肃省2018-2035年水资源供需比均小于1，说明水资源存在一定程度的供需矛盾，其中综合型2供需矛盾最小，发展型供需矛盾最大。5 种情景中，综合型2 变化趋势均好于其余四种情景，并于2030年达到峰值0.989 0，到2035年达到0.936 8，与《规划》预期目标0.933 7 较为接近。虽然，综合型1到2035年达到0.934 9，与《规划》预期目标值也比较接近，但其2018-2035年整体变化趋势却劣于综合型2。

（3）结构性需水量。需水结构包含居民生活（城镇、农村）、农田灌溉、林牧渔畜（林果、草场、鱼塘、牲畜）、工业、城镇公共（建筑业、服务业）、生态环境（城镇环境、农村生态）6 个指标12个层面。由图6可知，5种情景2018-2035年除农田灌溉需水量整体呈下降趋势外，其余均呈不同幅度上升趋势，其中现状型生态环境需水量不变，各年均为4.673 亿m³。

对比5 种情景，图6（a）显示综合型2 居民生活需水量变化趋势均高于其余4 种情景，到2035年达10.622 5 亿m³，占需水总量7.52%，这与《规划》预计到2035年总人口数量将达到3000万人左右、城镇化率达到68%、农村人均生活用水定额上浮至29.2 m³有关，其次为发展型，而现状型、节约型、综合型1 则最低，变化趋势基本一致；图6（b）显示综合型2 农田灌溉需水量变化趋势及下降幅度最大，到2035年降至70.462 6 亿m³，占需水总量49.87%，这与《规划》农田灌溉用水定额降至5 700 m³/hm2，大力发展节水灌溉有关，其余4 种情景下降幅度均小于综合型2；图6（c）显示综合型2 林牧渔畜需水量从2026年开始呈显著上升趋势，到2035年增至25.169 3 亿m³，占需水总量17.81%，这与《规划》新增林果、鱼塘补水面积有关，其余4 种情景上升幅度趋缓；图6（d）显示综合型2 工业需水量变化趋势及上升幅度最小，到2035年增至15.970 8 亿m³，占需水总量11.30%，这与工业发展及《规划》万元工业增加值用水量降至21 m³，大力发展工业节水有关，其余四种情景上涨幅度均高于综合型2；图6（e）显示城镇公共需水量从2022年开始上升幅度均小于其余4 种情景，到2035年增至13.687 7 亿m³，占需水总量9.69%，这同样与建筑业和服务业大力发展节水有关；图6（f）显示综合型2生态环境需水量变化趋势及上升幅度与节约型一致，到2035年增至5.374 0 亿m³，占需水总量3.80%，发展型、综合型1 变化趋势及上升幅度最大，趋于一致，而现状型则维持2018年现状不变。

整体上来看，综合型2 中除农田灌溉需水量属下降外，比2018年减少了21.827 7 亿m³，其余五种结构性需水量均呈上涨趋势，相比2018年居民生活、林牧渔畜、工业、城镇公共、生态环境需水量分别增加了3.284 0、13.270 1、5.154 4、9.758 2、0.701 0亿m³。按照占需水总量比例从大到小，依次为农田灌溉、林牧渔畜、工业、城镇公共、居民生活、生态环境。

3 结 论

运用系统动力学方法，借助VensimPLE8.2.0 软件，在构建甘肃省水资源承载力SD 模型的基础上，设计了现状型、发展型、节约型、综合型1、综合型2 五种情景，分别对每种情景进行仿真预测，研究结论如下：

第一，现状型、发展型、节约型到2035年的需水总量均大于《规划》目标，水资源供需比均小于《规划》目标，说明维持2018年经济社会发展现状不变的政策及单纯追求经济社会中高速发展不注重节约的情景均会增加水资源的供需矛盾，且不利于水资源的高效利用与节约，而适度考虑经济社会中高速发展又注重水资源节约与保护的节约型可缓解以上两种情景的不足，但与《规划》总目标尚有一定差距。

第二，综合型1情景下水资源供需比比较接近《规划》目标，但与《规划》中所预计的到2035年的总人口数量、城镇化率、工业增加值、农村人均生活用水定额、万元工业增加值用水量、农田灌溉用水量等目标尚有一定差距，故又设计了综合型2，通过对比发现综合型2 比综合型1 更优，既能满足供水总量、需水总量、水资源供需比与《规划》总目标比较接近，又能满足《规划》具体目标。

第三，按照综合型2 情景，甘肃省预计到2035年总人口数量将达到3 000.28 万人，供水总量、需水总量分别为132.35、141.289 亿m³，水资源供需比0.936 8，水资源可承载经济规模达到25 757.6 亿元，居民生活、农田灌溉、林牧渔畜、工业、城镇公共、生态化境需水量分别达到10.622 5、70.462 6、25.169 3、15.970 8、13.687 7、5.374 0 亿m³，第一产业、工业、建筑业、服务业增加价值分别达到5 350.58、7 605.16、1 853.81、12 686.6 亿元，污水废水排放总量、污水废水COD 排放总量分别降低到9.573 0、0.000 9 亿t。□