基于SD模型的干旱区城市水资源承载力模拟与预测!以包头市为例
第19卷第4期干旱区资源与环境VoI.19 No.4 2005年7月JournaI of Arid Land Resources and Environment JuIy.2005
文章编号：1003-7578（2005）04-188-04
基于SD模型的干旱区城市水资源承载力模拟与预测
!以包头市为例
韩俊丽1，段文阁2，李百岁3
（1.内蒙古科技大学资源与环境科学系，014030；2.包头市水务局，包头，014030；3.内蒙古师范大学地理科学院，呼和浩特，010022）
提要：运用系统动力学模型对包头市城市水资源承载力进行了模拟和预测，指出包头市在未来经济社会和人口、城市发展规划中，要充分考虑水资源承载力因素，采取统筹兼顾，合
理利用当地地上、地下和黄河水资源，改变过去“以需定供”的水资源利用策略，本着“以供定
需”的原则，力争做到经济社会发展的速度和规模在水资源承载能力范围之内，达到地区水资
源开发利用与经济社会、环境协调发展的良性状态。
关键词：城市水资源承载力；系统动力学模型；模拟与预测；包头市
中图分类号：TV213文献标识码：A
城市，是其所在地区的政治、经济、文化、教育、科技、交通中心，在地区经济、社会的发展中起着辐射和带动的作用，因此，作为地域核心的城市能否实现可持续发展，不仅关系到城市自身，也关系到其周边地区能否顺利实现可持续发展目标，对我国而言，一半以上的城市发展受到水资源制约，全国668座城市中有400多座缺水，其中136座严重缺水［1］。
包头位于E109o50~-111o25~，N41o20~-42o40~，是内蒙古自治区最大的城市，也是中国重要的冶金、机械、化工和能源工业基地，素有世界“稀土之都”、“草原钢城”的美称［2］。但包头地区人均水资源拥有量为390m3，市区为123m3，而城市规划区只有78m3［3］。因此，对包头市城市水资源承载力进行研究，不仅对包头意义重大，研究结果也可供全国其它缺水城市借鉴。
1 基于SD模型的包头市城市水资源承载力模型的构建［4，5］
1.1系统子块划分
根据系统理论的分解协调原理（即整体与局部关系原理），并考虑资料的占有情况，将包头市城市水资源—社会经济—环境系统划分为四个子系统：城市水资源子系统、工业子系统、农业子系统和人口子系统。
1.2因果关系图
因果关系是构成系统动力学仿真模型的基础，系统诸变量间的因果关系是体现系统结构和系统整体性的关键环节，在包头市城市水资源承载力仿真模型中，所选择的各个变量之间相互作用形成的因果关系反馈回路构成了模型的基本结构。（图1）
1.3系统结构流程图
系统因果关系图只能描述系统反馈结构的基本方面，不能表示不同性质的变量的区别，如哪些是状态变量，哪些是辅助变量，哪些是速率变量等，而且也无法直接用因果关系图建立数学模型，所以必须将因果关系图转化成系统结构流程图，并确定哪些是状态变量，哪些是辅助变量等。本文根据实际情况选定如下
收稿日期：2004-03-01。
作者简介：韩俊丽（1961-），女，内蒙古包头人，硕士、副教授。主要研究方向：干旱区水资源、水环境承载力与区域持续发展。E -maiI：hjInmbt@https://www.wendangku.net/doc/e613307025.html,
四个状态变量：城市可供水量、工业产值、农业产值及城市人口，控制各个状态变量的相应速率变量有可供水量增、减速率；工业产值增、减速率；农业产值增、减速率；人口增、减速率。（图2）
表l 流程图符号说明Tab.l The symboI of fIow road
符号代表含义符号代表含义WlL W2L W3L W4L WSL W6L G2L GlA G3C G4A GSA G6A G7A G8A G9C GlOA GllA Gl2A Gl3A Gl4A GlSC Gl6A Gl7A M3A M4A MSA M6A M7A Y8A Y9A YlOA YllA P4L
可供水量供水量变化率需水量变化率当地水量过境水分配量水资源开发利用率可承载工业产值工业用水量
工业用水分配系数工业用水变化率产业结构调整
工业单方用水效益增速工业单方用水效益工业节水投资工业节水分配系数工业投资
工业万元产值排污量工业产值增长速度工业用水定额
工业用水重复利用率非水乘子工业需水量工业用水供需差人均消费量投资人均收入财政收入供水投资比例污水处理投资排污量
实际污水处理量人均排污量可承载人口
N3L NlR N2R N4A NSA N6C N7A N8A N9A NlOA NllA Nl2A Nl3C Nl4C NlSA Nl6A Nl7A PlR P2R P3A P4A PSA P6A P7A P8A P9A PlOA PllA Pl2A HlA H2C H3A H4C
可承载农业产值农业产值增长速度农业产值减少速度农业用水定额农业需水量
农业用水分配系数农业用水增长速度农业节水投资
农业用水单方效益增速农业用水效益农业灌溉用水农村生活用水农业用水保证率灌溉面积非水乘子农业供水量农业用水供需差人口增长速度人口减少速度生活用水量生活需水量生活用水定额生活水平人口死亡率人口迁出率人口出生率人口迁入率生活污水量生活用水供需差环境用水量绿地面积绿地灌溉定额环境稀释用水量
图l 因果关系图
Fig .l The reIationship between resuIt and reason
图2流程图
Fig.2FIow road
2仿真结果与分析
根据包头市的现实状况和未来发展规划，选择了其中五种比较具有倾向性和代表性的方案，通过调整
方程参数在计算机上进行仿真模拟，现将仿真结果分析如下（时间为2OOO —2O2O 年，步长l 年）。
方案一：趋势型方案
假定在预测期内研究区发展政策及系统结构不发生大的调整，城市人口、社会
经济发展速度没有大的变化，到2OlO 、2O2O 年人口达到l79万人、238万人，随着城市人口的迅速增加，必然要求有大量的工农业产品供应，工业、农业、服务业快速发展和生活水平的不断提高，需水量也随之大幅度增加，到2OlO 、2O2O 年可供水量为4.4S 亿m 3、S.72亿m 3，需水量为S.O 亿m 3，缺水差额分别为O.SS 亿m 3和l.49亿m 3，就是说，按趋势型方案运行，水资源短缺将成为包头市未来社会经济发展的严重制约因素。
方案二：节水型方案
考虑到包头市地处贫水地区，水资源“先天不足”，因而设计此方案。该方案下
所采取的对策，一是调整工业结构，少上或不上耗水多、污染重的项目，农业灌溉采用各种节水措施，如渠道衬砌、喷灌、滴灌、管灌等，将目前的灌溉系数由O.4提高到O.7左右，生活用水方面，应大力宣传节约用水的重要性，提高全民的节水意识，推广节水设施和器具的使用，建立节水型社会。采取此方案，需水量较趋势型方案有所减少，供需缺额也小了许多，对包头市城市的长远发展和规划有较大的参考价值，但很明显地，该方案下，经济和社会发展速度不能满足要求。
方案三：开源型方案
依据包头市所处的地理位置和社会经济发展趋势，在可预见的将来，水资源承
载力与社会经济可持续发展的矛盾将日益尖锐。尽管如此，一个不可否认的事实是，包头市水资源利用率
?
98l ?第4期韩俊丽等 基于SD 模型的干旱区城市水资源承载力模拟与预测
低（地下水除外），一是现有黄委会批准的2.22亿m 3指标量，只提取了1.57亿m 3，利用率为70.72%，当地水资源可开采利用量为1.73亿m 3，
实际开采利用量为1.65亿m 3，地表水尚有0.09亿m 3未被利用，除因本区降水变率大，地表水资源利用难度大等自然原因外，主观上也未将雨水、洪水等当作重要的可利用资源来对待，致使每年有大量的地表水资源白白流走，另外，污水处理、利用率低，目前污水处理率只有40%。方案中采取的措施是，调整水资源开发利用系数，采取此方案，可供水量以每年1%的速度增长，是各方案中增长最快的，相当于趋势型方案的20倍，到2010年、2020年，可供水量分别达到4.92亿m 3、5.17亿m 3，需水量分别为4.486亿m 3、5.4202亿m 3，所以，尽管人口和国内生产总值分别以3.2%和12.4%的速度增长，生产、生活用水量加大，但供需缺额并不大。
方案四：经济型方案
在当前及今后相当长的一段时期内，发展经济是包头市各级各届政府工作的
重中之重，为达此目标，我们将国内生产总值的增长速度调整到20%，相应地，工业、农业生产发展的速度也加快，经济的快速发展，必须有较高的水资源、水环境承载力做后盾，该方案下，到2010、2020年，人口达到187万、259万人，国内生产总值分别达到781亿元、3500亿元，但水资源承载力增长的速度不是没有极限的，此方案下，在2020年，水资源供、需矛盾最为突出，缺水量达到1.13亿m 3。有鉴于此，我们主张包头市在制定发展计划时，应考虑适当控制经济发展速度和城市扩张的规模，以使城市的资源环境与社会经济协调发展。
方案五：协调型方案
上述各方案各有优势，但也各有其局限性。基于几十年的发展和建设，包头市
已成为内蒙古第一大城市（截止2001年底城市人口达138.93万人），如何克服水资源制约的不利条件，在不断提高经济发展水平的同时，提高人民的生活水平和生态环境质量，是摆在我们面前的一个现实问题，为此，本文在考虑了各个方面的因素后，提出了协调发展的方案，通过调整各个政策参数，得出了较为满意的结论，依此方案运行，至2010、2020年，包头市可供水量达到4.85亿m 3、5.02亿m 3，人口达到168万人和201万人，国内生产总值分别达到540亿元、1680亿元，而水资源供、需差额也只有0.27亿m 3和0.94亿m 3。由此可见，通过政策的调整，实现资源—环境与社会经济的协调发展的目标是可以实现的。
3 对五种方案的比较、评价
根据计算，分别得出了所设想的五种方案的仿真结果，将五种方案在2020年的国内生产总值、人口总数、可供水量、工业用水量、农业用水量、生活用水量做一比较，由表2可见，趋势型方案下，可供水量以年均0.5%的速度下降，而国内生产总值和人口分别以11.2%和2.28%的速度增长，到2020年，包头市城市水资源供需缺额达1.49亿吨。包头市地处干旱缺水地区，地产水资源量十分有限，而大量提取黄河水也不是很现实，一是因为黄河全流域用水量逐年递增，下游所经地区如山东等省份为我国的经济大省，黄河水可谓其经济命脉，上中游大量提取黄河水必然导致下游水量不足，前几年黄河断流曾给下游及我国经济带来了巨大的损失；二是包头市提黄能力有限。
表22020年五种仿真方案主要状态变量模拟数据表
Fig.2Simuiation data of five schemes in 2020
方
案项目趋势型
节水型开源型经济型协调型国内生产总值（亿元）1450889180035001680人口总数（万人）238182254259201可供水量（亿吨） 4.23 5.17 5.71 5.48 5.02工业用水量（亿吨） 2.81 2.65 3.10 3.29 2.98农业用水量（亿吨） 2.35 2.26 2.59 2.75 2.44生活用水量（亿吨）0.560.510.597
0.574
0.541供需差额（亿吨）
-1.49
-0.25
-0.577-1.134
-0.94
到2020年供水缺额最小的方案是节水型方案，但此方案下GDP 仅为889亿元，人口总数为182万，显然，无论经济还是人口，其增长速度都与我国经济发展势头有一定的差距，也与包头市的发展规划不相吻合，也就是说，不能为了节约水资源而牺牲经济、社会的发展；开源型方案下，到2020年，可供水量达5.71亿m 3，是几种方案中最大的，这是在考虑了可能采取的所有开源措施后得出的数据，此方案下，GDP 和人口总数分别达到1800亿元、254万人，缺水也仅为0.577亿m 3，应当说，此方案的可行性也比较强；经济型方案是以经济发展为首要目标，经济增长速度设定为16.2%，这是符合加大经济发展速度要求的，尤其是对期望发展成为西部地区经济强市的包头市而言，相当具有诱惑力，但考虑到包头市的经济基础和各方面的因素，包头市目前能够大力发展的主要是一些高污染的重工业项目，无疑这会使包头市的环境污染问题更为突出，加之近来我国控制经济发展速度，故而包头市必须在考虑经济发展的同时，防止经济过热
?091?干 旱 区 资 源 与 环 境第19卷
带来难以预料的后果；开源型和经济型方案往往容易因表面的繁荣而使人口增长过快，到2020年，此两方案下，人口总数分别达到254万和259万人，对一个严重缺水的城市而言，这样的人口规模显然是难以承载的，经济型方案下，2020年缺水1.134亿m 3，客观地讲，这个数目是不算小的，如何填补这个缺口确实值得思考；协调型方案全方位考虑了各方面的因素，提出笔者认为是所有方案中最理想的一种方案，此方案中2020年的国内生产总值为1680亿元、人口总数为201万人，与包头市2020年远景规划值接近。由此可见，协调型方案是几个方案中的最优方案，其次是开源型和节水型方案。
4结论与建议
第一，在干旱缺水地区，水资源利用必须遵循“以供定需”而非“以需定供”的利用模式，也即必须考虑
所在地区客观上能够提供多少可利用水量，而不是需要多少水量。如何正确认识当地水资源状况和理性地确立开发利用战略是至关重要的。
第二，在“以需定供”理念下用供需平衡法计算得出包头市2005、2010年供水量需达到7.29亿m 3，和
11.78亿m 3，到2010年时仍缺水0.6575亿m 3［3］，而在“以供定需”理念下，用系统动态模拟模型（协调型
方案）计算得出，包头市在2005和2010年供水量达到4.76亿m 3，尚有0.03亿m 3的余额，2010年时，供水量为4.85亿m 3，供需缺额仅为0.27亿m 3，到2020年，包头市人口达到201万，国内生产总值达到1680亿元，供水缺额也只有0.94亿m 3。
第三，在一个合理的资源利用理念指导下，兼顾环境与经济社会协调发展的资源利用模式是可以建立的，并且具有较强的可操作性。
第四，对于缺水地区，尤其是急于发展经济的城市而言，在水资源保障经济健康、稳定、快速发展的同时，还要保证人民生活和健康水平的不断提高，而城市生态环境建设的问题也必须提上议事日程。
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Simulation and Predication of Arid Area Urban Water Resources Bearing Capacity Based on SD Model ：a Case Study of Baotou City
HAN Jun -ii 1，DUAN Wen -ge 2，LI Bai -sui 3
（1.Coiiege of Energy and environment ，Inner Mongoiia University of Science and Technoiogy ，Baotou 014030；2.Water Resources Administration of Baotou ，Baotou 014030；3.Coiiege of Geography Science ；Inner Mongoiia Normai University ，Hohhot 010022，China ）
Abstract
Based on System dynamics modei ，this paper gives the simuiation and predication water resources bearing
capacity of Baotou ，
thinks over its bearing capacity factor ，takes a whoie measure ，utiiizes reasonabie water re-sources of iand and ground at piace and the Yeiiow River in deveiopment societai ，economic ，number of peopie ，construction of Baotou City in the future.According to "deciding the reguirement on possibie provision"，the au-thor proposes to change past water resources utiiization situation of "deciding the provision on reguirement"，to strive for deveiopment speed and scaie of societai economic in water resources bearing capacity ，to achieve weii suitabie deveiopment between the economic vaiue and beautifui environment and water resources reasonabie utiii-zation at the area.
Key words ：system dynamic modei ；water resources bearing capacity of city ；simuiation and forecast ；
Baotou
?
191?第4期韩俊丽等 基于SD 模型的干旱区城市水资源承载力模拟与预测
基于SD模型的干旱区城市水资源承载力模拟与预测!以包头
市为例
作者：韩俊丽， 段文阁， 李百岁， HAN Jun-li， DUAN Wen-ge， LI Bai-sui
作者单位：韩俊丽,HAN Jun-li(内蒙古科技大学资源与环境科学系,014030)， 段文阁,DUAN Wen-ge(包头市水务局,包头,014030)， 李百岁,LI Bai-sui(内蒙古师范大学地理科学院,呼和
浩特,010022)
刊名：
干旱区资源与环境
英文刊名：JOURNAL OF ARID LAND RESOURCES AND ENVIRONMENT
年，卷(期)：2005,19(4)
被引用次数：11次
参考文献(5条)
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本文链接：https://www.wendangku.net/doc/e613307025.html,/Periodical_ghqzyyhj200504037.aspx