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《資源科學(xué)雜志》2014年第六期

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況中山市位于廣東省中南部，22°11′N-22°47′N、113°09′E-113°46′E之間，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛、太陽(yáng)輻射能量豐富。市域總面積1859km2，下轄1個(gè)國(guó)家級(jí)火炬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、5個(gè)街道辦事處、18個(gè)鎮(zhèn)，常住人口314.23萬(wàn)。中山市多年保持廣東省第五的經(jīng)濟(jì)總量，2012年GDP為2441.04億元，其中工業(yè)增加值高達(dá)1291.47億元。中山市有著較為發(fā)達(dá)的水系，其主要水源為處于珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)下游經(jīng)過(guò)中山市境內(nèi)的磨刀門、橫門、洪奇瀝三大水道。此外，還有桂州水道、黃埔水道、黃沙瀝等橫貫溝通，形成縱橫交錯(cuò)的河網(wǎng)地帶。由于近年來(lái)中山市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)突飛猛進(jìn)，外來(lái)人口大量聚集，水資源需求持續(xù)增加，導(dǎo)致水資源短缺與水供需矛盾加劇。當(dāng)前中山市水資源問(wèn)題主要體現(xiàn)在：①人口增加及城市化進(jìn)程加大生活用水需求；②工業(yè)生產(chǎn)（含火電工業(yè)）用水較大且回用率較低；③入河COD總量增加，導(dǎo)致水質(zhì)性缺水問(wèn)題嚴(yán)重，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成影響。

1.2研究方法系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（SystemDynamics，簡(jiǎn)稱sd）是Forrester于1956年提出，綜合應(yīng)用控制論、信息論和決策論等有關(guān)理論與方法，融合結(jié)構(gòu)與功能、物質(zhì)與信息、科學(xué)與經(jīng)驗(yàn)于一體，起初主要應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)管理問(wèn)題研究，而后研究對(duì)象擴(kuò)展至城市社會(huì)與世界范圍等巨系統(tǒng)[17-21]。適合處理高階次、非線性、多重反饋、復(fù)雜時(shí)變的系統(tǒng)問(wèn)題，是研究復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理想方法[22]。SD本質(zhì)為具有時(shí)滯的一階微分方程，描述系統(tǒng)各狀態(tài)變量的變化率對(duì)各狀態(tài)變量或特定輸入的依存關(guān)系，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的情況和研究需要，將變化率分解為若干流量的描述，使系統(tǒng)概念更加明確。在模型中，流率方程式為主干，描述狀態(tài)變量（流位）的變化規(guī)律，實(shí)際上流率方程是以歐拉法數(shù)值積分表示，其一般形式為。公式（2）的物理意義為流位的導(dǎo)數(shù)等于入流率和岀流率的代數(shù)和。顯然系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型是由上述向量方程確定的一階微分方程組[23]。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)通過(guò)定性與定量相結(jié)合，系統(tǒng)整體思考與分析、推理與綜合相結(jié)合的方式來(lái)研究系統(tǒng)問(wèn)題，它作為現(xiàn)代科學(xué)決策和預(yù)測(cè)的有效工具，被廣泛應(yīng)用于區(qū)域宏觀發(fā)展戰(zhàn)略的決策研究，被譽(yù)為“戰(zhàn)略與策略的實(shí)驗(yàn)室”[24]。

2水資源供需系統(tǒng)模型構(gòu)建

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析水利部部長(zhǎng)陳雷指出：“為解決我國(guó)日益復(fù)雜的水資源問(wèn)題，需實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，大力推行水資源管理從供水管理向需水管理轉(zhuǎn)變”。當(dāng)水資源供水不足，通過(guò)控制需水來(lái)調(diào)節(jié)各產(chǎn)業(yè)水量分配尤為重要。水資源系統(tǒng)主要由供水子系統(tǒng)、需水子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、人口子系統(tǒng)及環(huán)境子系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)子系統(tǒng)皆為諸多因素交互作用的結(jié)果，通過(guò)各個(gè)子系統(tǒng)之間變量的相互影響和制約關(guān)系共同構(gòu)成水資源系統(tǒng)的多重循環(huán)反饋關(guān)系。各子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。根據(jù)對(duì)水資源系統(tǒng)內(nèi)部相關(guān)變量制約因素分析，得出具有多重反饋的因果關(guān)系結(jié)構(gòu)，主要反饋回路如下：（1）供需缺口→＋缺水程度→－GDP→＋工業(yè)增加值→＋工業(yè)需水量→＋二產(chǎn)需水量→＋需水總量→＋供需缺口；（2）供需缺口→＋缺水程度→－人口→＋生活需水量→＋需水總量→＋供需缺口；（3）供需缺口→＋缺水程度→－GDP→＋建筑業(yè)增加值→＋建筑業(yè)需水量→＋二產(chǎn)需水量→＋需水總量→＋供需缺口；（4）供需缺口→＋缺水程度→－城鎮(zhèn)生態(tài)需水量→＋需水總量→＋供需缺口；（5）供需缺口→＋缺水程度→－一產(chǎn)需水量→＋需水總量→＋供需缺口；（6）供需缺口→＋缺水程度→－GDP→＋工業(yè)增加值→＋工業(yè)需水量→＋工業(yè)污水排放量→＋總污水排放量→＋污水回用量→＋供水總量→－供需缺口；（7）GDP→＋工業(yè)增加值→＋工業(yè)需水量→＋工業(yè)污水排放量→＋總污水排放量→＋COD排放總量→＋總COD入河量對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響→－GDP；（8）供水總量→－供需缺口→＋缺水程度→－人口→＋生活需水量→＋生活污水排放量→＋總污水排放量→＋污水回用量→＋供水總量；（9）供水總量→－供需缺口→＋缺水程度→－人口→＋生活需水量→＋生活污水排放量→＋總污水排放量→－污水回用量→＋供水總量。其中“＋”為正反饋（使系統(tǒng)增強(qiáng)或減弱的反饋），“－”為負(fù)反饋（使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的反饋）；回路（6）、（8）極性為正，回路（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（7）、（9）極性為負(fù)。根據(jù)中山市現(xiàn)狀發(fā)展情況，污水回用率只能保持不變或提高，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致污水回用量因總污水排放量的變化而發(fā)生相對(duì)增加或減少，故回路（8）和（9）為同一反饋的兩種極性。具體因果關(guān)系及反饋機(jī)制見圖2。

2.2模型構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的主要變量有4種：狀態(tài)變量（L）、速率變量（R）、輔助變量（A）和常量（C），根據(jù)研究區(qū)域現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)，本模型設(shè)定模擬時(shí)間為2005-2030年，其中2005-2010年作為模型歷史驗(yàn)證年份，基準(zhǔn)年為2005年，時(shí)間間隔為1年。以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件Vensim-PLE為平臺(tái)建立水資源系統(tǒng)模型，模型流如圖3所示。本文需要用到的主要變量方程為：（1）COD排放總量=未經(jīng)污水處理廠處理的COD排放量+污水處理廠COD排放量（kg）；（2）總COD入河量對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響=COD排放總量×單位COD排放量對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響（萬(wàn)元/年）；（3）供水總量=污水回用量+調(diào)水量+IFTHENELSE(用水總量限制標(biāo)準(zhǔn)大于等于供水能力，供水能力×可利用比例,用水總量限制標(biāo)準(zhǔn)（)萬(wàn)m3）；（4）需水總量=城鎮(zhèn)生態(tài)美化需水量+生活需水量+經(jīng)濟(jì)需水量（萬(wàn)m3）；（5）水資源供需缺口=IFTHENELSE(供水總量-需水總量≥0，0，需水總量-供水總量（)萬(wàn)m3）。

2.3模型有效性驗(yàn)證水資源SD模型建立后，為確保其仿真結(jié)果和實(shí)際系統(tǒng)相符，模型應(yīng)用前需要對(duì)模型有效性進(jìn)行檢驗(yàn)。SD模型的檢驗(yàn)方法一般分為4種：直觀檢驗(yàn)、運(yùn)行檢驗(yàn)、歷史檢驗(yàn)和靈敏度分析。其中直觀檢驗(yàn)和運(yùn)行檢驗(yàn)已在建模過(guò)程中實(shí)現(xiàn)，這里主要針對(duì)歷史檢驗(yàn)和靈敏度分析對(duì)模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證。（1）歷史檢驗(yàn)。本模型參數(shù)取值根據(jù)中山市2005-2010年統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)中人口、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境數(shù)據(jù)以及中山市相關(guān)規(guī)劃數(shù)據(jù)確定，通過(guò)狀態(tài)方程、常數(shù)方程、表函數(shù)等建立各個(gè)狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量和常量之間的定量關(guān)系。對(duì)模型進(jìn)行直觀和運(yùn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)模型因果關(guān)系、單位均符合實(shí)際；對(duì)模型進(jìn)行歷史檢驗(yàn)，將仿真計(jì)算出的總?cè)丝凇DP、工業(yè)需水量、農(nóng)田需水量、生活需水量和人均GDP同2005-2010年的實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)仿真值和歷史值誤差均小于10%（表1），說(shuō)明模型具有較高的可信度[25]。（2）靈敏度分析。靈敏度分析是驗(yàn)證模型有效性的重要方法，一個(gè)穩(wěn)定性好且有效的模型應(yīng)具有較低的靈敏度[26]。靈敏度分析是通過(guò)調(diào)節(jié)模型中的參數(shù)，來(lái)分析參數(shù)變化對(duì)模型變量輸出結(jié)果產(chǎn)生的影響[27]。本文采用靈敏度模型對(duì)系統(tǒng)靈敏度進(jìn)行分析，其公式如下。因水資源系統(tǒng)中涉及較多參數(shù)和變量，只選取系統(tǒng)內(nèi)較為關(guān)鍵的5個(gè)參數(shù)和6個(gè)變量根據(jù)其2005-2010年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。每次變化其中一個(gè)參數(shù)（增加10%），分析其對(duì)6個(gè)變量的影響。根據(jù)公式（3）分別求出參數(shù)對(duì)每個(gè)變量的靈敏度，公式（4）分別計(jì)算各變量對(duì)某個(gè)參數(shù)的平均靈敏度，即該參數(shù)對(duì)系統(tǒng)模型的靈敏度。靈敏度分析結(jié)果見表2。由表2可知只有GDP增長(zhǎng)率參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的靈敏度達(dá)到10%，其余參數(shù)對(duì)系統(tǒng)靈敏度均低于4%，表明系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的靈敏度較低，穩(wěn)定性較強(qiáng)[26，29]。綜合歷史檢驗(yàn)結(jié)果，該模型可以用于中山市實(shí)際系統(tǒng)模擬。

3水資源系統(tǒng)特征及其演變規(guī)律分析

3.1水資源系統(tǒng)特征分析通過(guò)分析制約因素，確定模型主要影響因子，對(duì)主要影響因子進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，分析比較不同影響因子變化對(duì)系統(tǒng)趨勢(shì)影響的程度，明確影響水資源系統(tǒng)特征的主要驅(qū)動(dòng)因子。賈紹鳳等指出中國(guó)水資源的相對(duì)短缺及嚴(yán)峻的水污染形勢(shì)已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展重要的制約因素[30-32]。本文模型主要制約因素有兩個(gè)：總COD入河量對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響和缺水程度。圖4表明總COD入河量對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響這一制約因素主要影響因子有工業(yè)污染排放系數(shù)、生活污染排放系數(shù)、污水集中處理率、GDP增長(zhǎng)率、人口增長(zhǎng)率和污水回用率，缺水程度制約因素主要影響因子有GDP增長(zhǎng)率、人口增長(zhǎng)率、污水回用率和用水總量限制標(biāo)準(zhǔn)。其中，用水總量限制標(biāo)準(zhǔn)為響應(yīng)中央一號(hào)文件精神，廣東省實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度實(shí)施方案所下發(fā)的配額，本文不再對(duì)這一影響因子分析。為尋求對(duì)總COD入河量對(duì)經(jīng)濟(jì)影響和缺水程度這兩制約因素影響較大的因子，分別將各影響因子較常規(guī)參數(shù)值提高10%和降低10%，與常規(guī)值相比較，說(shuō)明影響因子變化對(duì)制約因素的影響。表3和表4指出總COD入河量對(duì)經(jīng)濟(jì)影響的主要驅(qū)動(dòng)因子為工業(yè)污水排放系數(shù)、污水集中處理率和GDP增長(zhǎng)率，影響幅度最高達(dá)15.08%；缺水程度的主要驅(qū)動(dòng)因子為GDP增長(zhǎng)率和污水回用率，影響幅度最高為2.65%。結(jié)果表明總COD入河量對(duì)經(jīng)濟(jì)影響的驅(qū)動(dòng)因子影響效果更為明顯。

3.2水資源系統(tǒng)演變規(guī)律分析本文模型設(shè)定在其它各相關(guān)因子保持常規(guī)發(fā)展值不變的基礎(chǔ)上，將污水集中處理率、GDP增長(zhǎng)率和污水回用率三大主要驅(qū)動(dòng)因子較常規(guī)值均分別提高5%、10%、15%和20%，而工業(yè)污水排放系數(shù)較常規(guī)值降低5%、10%、15%和20%，即均朝向有利方向發(fā)展。此外，另設(shè)綜合調(diào)控（各驅(qū)動(dòng)因子均做相同變化幅度）作為對(duì)比。以此得到不同幅度驅(qū)動(dòng)因子下總COD入河量對(duì)經(jīng)濟(jì)影響和缺水程度的變化規(guī)律，如圖5和圖6。從圖5中可以看出COD入河量對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響隨四大驅(qū)動(dòng)因子改變均有明顯下降趨勢(shì)，且趨勢(shì)大致相同。在變化幅度從5%到20%的過(guò)程中，各驅(qū)動(dòng)因子造成的總COD入河量對(duì)經(jīng)濟(jì)影響的程度均發(fā)生了不同程度的變化，其中污水集中處理率、工業(yè)污水排放系數(shù)和污水回用率帶來(lái)的影響逐漸變大，而GDP增長(zhǎng)率所來(lái)帶的影響逐漸變小，綜合調(diào)控和污水集中處理率帶來(lái)的影響基本相同。各子圖對(duì)比表明污水集中處理率驅(qū)動(dòng)因子對(duì)總COD入河量對(duì)經(jīng)濟(jì)影響這一制約因素下降的貢獻(xiàn)率最大，工業(yè)污水排放系數(shù)次之，污水回用率和常規(guī)模式對(duì)COD入河量對(duì)經(jīng)濟(jì)影響相當(dāng)，而GDP增長(zhǎng)率對(duì)總COD入河量對(duì)經(jīng)濟(jì)影響的作用低于常規(guī)模式。這與繆應(yīng)祺指出的城市污水集中處理是城市水環(huán)境保護(hù)的最后一道防線，直接關(guān)系到城市水環(huán)境安全相一致[33]。因此，在中山市發(fā)展過(guò)程中可以重點(diǎn)提高污水集中處理率和降低工業(yè)污水排放系數(shù)，以使經(jīng)濟(jì)快速健康發(fā)展。從圖6可以看出從2017年開始中山市可能面臨缺水問(wèn)題，尤其是GDP增長(zhǎng)率迅速增長(zhǎng)的情況下缺水較為嚴(yán)重。當(dāng)GDP增長(zhǎng)率為5%時(shí)，缺水程度達(dá)到4.5%；GDP增長(zhǎng)率為10%時(shí)，缺水程度達(dá)到7%；GDP增長(zhǎng)率為15%時(shí)，缺水程度達(dá)到10%；GDP增長(zhǎng)率為20%時(shí)，缺水程度達(dá)到13%。究其原因，伴隨著GDP增長(zhǎng)，高需水產(chǎn)業(yè)諸如火電、染布業(yè)用水需求大量增加，導(dǎo)致供不應(yīng)求。綜合調(diào)控同GDP增長(zhǎng)率對(duì)缺水程度影響基本相同，表明污水集中處理率和工業(yè)污水排放系數(shù)隨著變化幅度提高，對(duì)缺水程度影響不大，基本保持在略高于常規(guī)模式且沒(méi)有發(fā)生重大變化。而污水回用率的提高，相應(yīng)缺水程度較常規(guī)和其它驅(qū)動(dòng)因子作用下有明顯下降趨勢(shì)，與周彤和周勤提出的污水回用是解決城市缺水的有效途徑一致[34，35]。因此，在追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)提高污水回用率，對(duì)有效避免中山市未來(lái)缺水情況的發(fā)生有積極意義。

4結(jié)論

本文在所建立的中山市水資源系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析系統(tǒng)內(nèi)在機(jī)理，找出總COD入河量對(duì)經(jīng)濟(jì)影響和缺水程度兩大制約因素相關(guān)的影響因子。在保持其它因子不變的情況下，分別對(duì)各影響因子較常規(guī)值提高和降低10%，分析在相同改變幅度下對(duì)制約因素的影響程度，確定中山市水資源系統(tǒng)主要驅(qū)動(dòng)因子。然后，研究主要驅(qū)動(dòng)因子在變化幅度為5%~20%的情況下，系統(tǒng)制約因素相關(guān)變量的演變規(guī)律，探求有利于中山市水資源安全順利發(fā)展的方法。主要結(jié)論如下：（1）中山市水資源系統(tǒng)主要制約因素為總COD入河量對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響和缺水程度，其中總COD入河量對(duì)經(jīng)濟(jì)影響的主要驅(qū)動(dòng)因子為工業(yè)污水排放系數(shù)、污水集中處理率和GDP增長(zhǎng)率；缺水程度的主要驅(qū)動(dòng)因子為GDP增長(zhǎng)率和污水回用率。（2）污水集中處理率和工業(yè)污水排放系數(shù)驅(qū)動(dòng)因子的提高對(duì)降低總COD入河量對(duì)經(jīng)濟(jì)影響的效果較為明顯。為使中山市經(jīng)濟(jì)快速健康發(fā)展，可適當(dāng)提高污水集中處理率和降低工業(yè)污水排放系數(shù)。（3）從2017年開始中山市可能會(huì)面臨缺水問(wèn)題，其中由于GDP快速增長(zhǎng)所帶來(lái)的缺水程度最大，當(dāng)GDP增長(zhǎng)率分別提高5%、10%、15%和20%時(shí)，相應(yīng)缺水程度分別達(dá)到4.5%、7%、10%和13%，而污水回用率的提高對(duì)于缺水程度有明顯改善。因此，追求經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時(shí)提高污水回用率，能有效解決水資源不足問(wèn)題。

作者：位帥陳志和梁劍喜黃晶銀磊朱志華單位：中山大學(xué)水資源與環(huán)境系華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中山市水務(wù)局