基于系统动力学的水资源规划研究SD法在城市需水量预测和水资源规划中的应用研究

基于系统动力学的水资源规划研究SD法在城市需水量预测和水资源规划中的应用研究

水资源是城市环境的重要组成部分。由于其他因素的影响、使用、再生和回收以及系统中其他因素和整个系统的存在和发展趋势，因此它也是该系统的重要因素和发展趋势。只有对城市SEE复杂系统的发展趋势进行全面、客观、正确的预测,才有可能从中获取有关城市水资源的正确信息。系统动力学(systemdynamic,SD)方法是进行SEE复杂系统预测的有效工具,已应用于解决复杂的水资源和水环境系统问题以及对流域水环境规划的研究中[2~6],且取得了一定的成果。初期的开创性研究难免会存在不足,如在应用SD模型进行城市用水量预测时没有考虑经济子系统变化、水资源供需情况变化及政策实施对需水量的影响,或者只应用SD模型进行结果评估但并不介入规划方案设计等。笔者在以上研究的基础上,应用SD方法进行了城市水资源可持续利用的研究,以期进一步完善SD方法在水资源系统研究中的应用,探索将SD方法既应用于系统模拟,又使之在规划方案设计中发挥作用的途径。1年生中国地区经济总计数gdp秦皇岛市位于我国华北地区东部,总面积为7812km2,其中市区面积为365km2。2005年的总人口数为278.64×104人,国内生产总值(GDP)为496×108元,人均地区国内生产总值为17920元。秦皇岛市人均水资源占有量为全国的1/4,属于缺水型城市。所建模型边界为秦皇岛市行政区界,规划基准年为2005年,规划水平年为2020年,规划期长为16年。2政策管理优化秦皇岛市SD(QHDSD)模型包括人口、经济、资源和环境四个子系统,各子系统间及子系统内各要素间相互作用、相互影响,其中任何一个要素的变化都会对整个系统产生影响,有些影响会有时间延迟,如果不能正确预测系统的未来,就无法预先进行政策调整,当问题出现时,就会影响系统的健康、稳定发展,利用SD模型进行水资源系统模拟的目的就是预先发现问题并进行政策调控。应用QHDSD模型进行秦皇岛市水资源需求量预测和水资源规划研究的基本步骤为:进行系统分析,确定参、变量集,绘制SD流程图;建立SD模拟模型,确认模型有效,辨析出对水资源需求量影响较大的关键因素(IPV);应用SD模型进行系统模拟和策略分析,优选出适宜的规划方案。2.1水系统各要素间的相互关系在QHDSD模型中包含了100多个变量和100多个SD方程,图1为秦皇岛市水资源系统示意图,图中只保留了与水资源需求量紧密相关的因素,直观地显示了各要素间的相互关系。2.2灵敏度分析结果应用VINSM软件编写QHDSD方程,进行模型有效性检验。有效性验证包括历史检验和灵敏度分析两部分。QHDSD模型的历史检验时间为1995年—2004年,检验的变量有总人口、工业增加值、第三产业增加值和地区生产总值,检验结果见表1。由表1可知,所有变量的模拟值与历史值均基本吻合,相对误差<10%,这说明模型模拟结果与实际值拟合得较好。一个稳定性、强壮性良好的模型对大多数参数的变化应是不灵敏的,因此进行历史检验之后,还需要进行灵敏度分析,以检验模型对大多数参数变化的灵敏性,并为以后优化方案设计奠定基础。灵敏度分析公式如下:式中t——时间,aQ(t)——状态Q在时刻t的值SQ——状态变量Q对参数X的敏感度ΔQ(t)、ΔX(t)——分别为状态变量Q和参数X在t时刻的增长量n———状态变量数S——参数X的平均灵敏度在灵敏度分析中,检验了8个变量(分别代表人口增长、工业发展和水资源需求量等指标)对14个参数变化的灵敏度值。8个变量分别为:总人口数(TP,104人)、第二产业增加值(IVSIGDP,108元)、需水总量(TWD,104m3)、人均绿地面积(PC-GA,m2/人)、水资源供需比(WRSDBI,无量纲)、水污染比(WPI,无量纲)、地区国内生产总值(GDP,104元)、人均住房面积(PCLA,m2/人);14个参数分别为:人口死亡率(DR,%)、人口出生率(BR,%)、第三产业增加值增长率(IRTIGDP,%)、第二产业增加值增长率(IRSIGDP,%)、单位第三产业增加值用水量(TIWD,104m3/104元)、单位第二产业增加值用水量(PSIGDPWC,104m3/104元)、单位耕地面积用水量(PCPWC,104m3/hm2)、GDP增长率(IRGDP,%)、建成区面积变化速度(CRBS,%)、人均住房面积变化量[ACPHUA,m2/(人·a)]、工业废水排放达标率(RMSIWD,%)、污水处理率(DRWW,%)、城镇人口人均用水量[EWDDLC,104m3/(人·a)]、其他用水人口人均用水量[EWDDLOP,104m3/(人·a)]。检验方法为:2005年—2020年每个参数逐年变化10%,考查其对8个变量的影响;依据式(1),每个状态变量可以得到16个针对某个参数变化的灵敏度值,16个灵敏度值的均值可代表某一特定变量对某一特定参数的灵敏度;利用式(2)计算出8个变量对某个特定参数的平均灵敏度,共可得到14个数值,结果如表2所示。由表2可见,除第二产业增加值增长率(IRSIG-DP)、单位第二产业增加值用水量(PSIGDPWC)、单位耕地面积用水量(PCPWC)和污水处理率(DRWW)的灵敏度较高外,其余参数的灵敏度均低于10%,这说明系统对于大多数参数的变化是不敏感的,上述几个灵敏度较高的参数即为对系统影响较大的关键因素(IPV)。通过以上对模型的历史检验和灵敏度分析可以判定,QHDSD模型具有良好的稳定性和强壮性,能够用于对实际系统的模拟。3调控方案sd模型模拟通过上述检验,确认QHDSD模型有效,可将之应用于水资源需求量预测和政策模拟研究。结合秦皇岛地区的实际情况和未来发展趋势,以IPV为核心,进行模拟方案的设计与调整。以三个典型调控方案(masterplanrunning,MPR)与一个原始运行方案(thebasicrun,TBR,即系统在无政策调控情况下沿惯性发展的情况)的模拟对比为例,进行方案优选说明。三种调控方案的设计如下:调控方案1(MPR1)为采用技术和管理措施进行节水;调控方案2(MPR2)为在MPR1的基础上调整产业结构、降低经济增长速度;调控方案3(MPR3)为在MPR1的基础上,进行经济结构调整,开发非常规水源,建立多元供水系统。图2~5为几种方案下SD模型模拟的主要结果。其中,图2为总人口对比,图3为人均GDP对比,图4为水资源供需平衡指数(水资源可供量与需求量之比)对比,图5为水污染指数(计算年污水排放量与规划基准年污水排放量之比)对比。由图2~5可知,四种方案下的人口规模并无太大差别。TBR方案下的水资源供需平衡指数最低,水资源供不应求的反馈作用限制了经济的增长速率,因此该方案下的人均GDP在四种方案中是偏低的。MPR1方案下的水资源供需平衡指数较TBR方案的有所提高,水资源供不应求的反馈作用对经济增长的限制程度降低,因此虽然设计初期的GDP增长速率与TBR方案的相同,但后期的人均GDP较TBR方案的有所提高。然而该方案下的水资源供需平衡指数仍远小于1,且由于生产规模较TBR的大,导致污水排放量较TBR的大幅增加,因此其水污染指数高于TBR的,所以这种调控方案不能满足社会经济与资源环境协调发展的需要。MPR2方案下的水资源供需平衡指数较MPR1的又有所提高,由于产业结构的调整,这种方案下的单位GDP污水排放量低于TBR的,因此其水污染指数低于TBR和MPR1的;TBR2方案可以满足资源与环境保护的需求,但其经济增长速度较慢,人均GDP低于MPR1的,因此这种调控方案也不能满足社会经济与资源环境协调发展的需要。MPR3方案在提高水资源可供量的同时减少了污水排放量,水资源供需平衡指数最高,在规划水平年已满足略大于1的水资源可持续利用的需求;其人均GDP最高,水污染指数最低,因此MPR3方案是较为理想的水资源可持续利用规划方案。4水资源供需调节模型在分析水资源系统特点的基础上,建立了基于SEE复杂系统的QHDSD仿真模型,该模型的设计充分考虑