基于SD模型和情景分析法的华北平原需水量预测

　　摘要：根据华北平原社会经济和水资源利用状况，考虑了影响需水量的诸多因素及其相互作用的关系，通过构建系统动力学模型，设计趋势保持型(S1)、经济发展型(S2)、节约用水型(S3)和可持续发展型(S4)等4种发展情景，预测华北平原2019—2050年的需水量和水资源供需平衡状况。结果表明：(1)模拟期内，4种情景下华北平原平均总需水量分别为383.56、430.79、321.73和359.75亿m3，平均供需差额分别为0.68、41.62、-58.85和-25.88亿m3;(2)从经济发展规模、总需水量、缺水量以及环境保护等方面考虑，情景S4都最符合可持续发展内涵，是华北平原未来发展的最优情景;(3)水资源的可持续发展，不仅需要政府的政策引导，更加需要社会公众的参与。只有政府与公众的协调一致，才能保证水资源的可持续发展，进而保证社会经济的可持续发展。

　　关键词：需水量预测;水资源供需平衡;系统动力学;情景分析;华北平原

　　引言

　　一般来说，需水量预测是区域水资源可持续利用的重要依据[1]，涉及到诸多复杂的水文、气象、经济、社会、工程、技术等因素[2]。如何准确预测某个区域未来的需水量，是水利管理部门必须要考虑的关键问题，对于该区域未来可持续的水资源利用具有十分重要的意义[3-4]。用于需水量预测的方法有很多，如指标法[3]、时间序列法[5]、神经网络法[6]、定额法[7]、灰色预测模型法[8]、混沌预测法[9]、系统动力学法[2,10-13]等。然而，与系统动力学法相比，其它方法的应用过程对于影响需水量预测的诸多复杂因素的考虑不足，无法定量刻画这些因素之间相互作用、相互反馈的关系，也就无法捕获需水量预测过程中的动态变化过程[14-15]。

　　系统动力学法较好地解决了这个问题，被广泛地应用于区域需水量预测[12-19]。情景分析法是假定某种现象或趋势将持续到未来的前提下，对预测对象可能出现的情况或引起的后果做出预测的方法。情景分析法最大的优势是使管理者能发现未来变化的某些趋势和避免两个最常见的决策错误：过高或过低估计未来的变化及其影响。自诞生以来，情景分析法在需水量预测、水资源利用等诸多方面得到了广泛的应用[20-22]。

　　作为我国的政治、经济和文化中心，华北平原属于“资源型”缺水地区，是我国水资源供需矛盾最突出的区域之一。由于华北平原人口密集、经济发达，其人均水资源占有量只有全国平均值得23%[23]，加上区域内降水量的时空分布极不均匀，容易发生旱涝灾害[24]，这进一步加剧了华北平原的水资源短缺问题，导致地下水的大量超采，以满足工农业及生活用水的需求。水资源短缺给华北平原带来了诸多生态环境问题，如地下水超采、地面沉降、塌陷等[25]，深刻地影响着华北平原社会经济的发展与资源环境的可持续管理。

　　为此，本文以华北平原为研究对象，通过构建华北平原需水量系统动力学模型，在模型中考虑影响需水量的诸多社会经济和工程技术因素，采用情景分析法，定量预测在不同的发展情景下华北平原未来30年的需水量和水资源供需平衡状况。通过对不同情景的对比，挑选出既符合可持续发展内涵又满足华北平原实际的发展情景，作为水利管理部门决策的参考，为华北平原未来水资源的可持续利用和管理提供科学的依据和有效的建议。

　　1材料与方法

　　1.1研究方法简介

　　系统动力学(SystemDynamics,SD)是1956年创立的研究方法，距今已有60多年的历史。SD是一门分析研究信息反馈系统的学科，也是一门认识系统问题和解决系统问题的交叉综合学科。从系统方法论来说，SD是结构的方法、功能的方法和历史的方法的统一。它基于系统论，吸收了控制论、信息论的精髓，是一门综合自然科学和社会科学的横向学科[26]。

　　SD对问题的理解，是基于系统行为与内在机制间的相互紧密的依赖关系，并且透过数学模型的建立与操弄的过程而获得的，逐步发掘出产生变化形态的因、果关系。随着相关理论、方法和技术的不断发展与完善，SD方法已经在需水量预测、水资源管理、生态环境规划等诸多领域得到了较广泛的应用[1-2,10,14,27]，在处理多重复杂反馈系统的问题方面具有显著优势。

　　1.2研究区概况

　　总面积14万km2的华北平原是我国三大平原(东北平原、华北平原和长江中下游平原)之一，指的是黄河以北、燕山以南和太行山以东的冲积平原区，即36°～41°N、114°30′～118°30′E之间地带，包括京津冀鲁豫等省市的21个地级市210个县(区)，是我国的政治、经济、文化中心。由于半湿润半干旱的气候原因、密集的人口压力和发达的经济水平，华北平原几乎每年都要遭受旱灾的威胁，是我国水资源压力最大的地区。

　　华北平原冬春寒冷干燥，夏季炎热多雨，多年平均降水量为554mm，6-9月的汛期降水量占全年的75%以上，多年平均蒸散发为1550mm[28]。研究区内有大小河流近60条，包括潮白河、永定河、滦河、蓟运河等。近二十年以来，区内大部分河流常年干涸或仅在汛期短时过流，或成为城镇生活及工业的排污河。

　　2华北平原需水量预测SD模型

　　2.1概念模型与系统流图

　　华北平原水资源系统包括需水和供水两部分。需水系统由农业、生活和工业需水三部分组成，其中农业需水由灌溉与牲畜需水组成。农业需水受灌溉面积、牲畜数量及用水定额影响;生活需水由总人口及人口用水习惯决定;工业需水取决于工业总产值和工业用水定额。

　　供水系统由地表水、地下水、南水北调工程引水、灌溉回归水及污废水回用等组成。华北平原水资源现状决定了地表水和地下水可供水量，南水北调工程增加了地表水供水量，灌溉方法与技术、污废水处理与回用技术决定了灌溉回归水量和污废水回用量。供需水不平衡会造成缺水问题，缺水程度在一定程度影响各部分需水量。通过缺水程度可以反应华北平原水资源短缺严重程度，从而以定量方式衡量华北平原水资源利用情况。

　　系统流图是SD基本变量和符号的有机组合。根据系统内部各因素之间因果关系设计系统流图，可以将系统内部各因果关系中未能反映出来的不同变量的性质和特点反映出来。通过流图中关系的量化(采用SD模拟软件VENSIMProfessional进行模型的构建与量化)就达到政策模拟的目的。华北平原水资源系统是一个复杂的系统，它与人口、经济、社会关系密切，因此把它分为人口、农业、工业、水环境、水资源5个子系统，各个子系统相互联系，相互影响。

　　2.2模型变量、参数与数据来源

　　在对系统中各个变量之间因果关系分析的基础上，构建了5个状态方程、大量的速率方程和辅助方程以及表函数。通过这些方程，就把各变量之间的逻辑关系“翻译”成为了数学语言，以显示其定量关系。

　　2.3模型校准

　　模型校准是将历史参数输入到模型经运行后的仿真结果，与实际发生的行为数据进行比较，验证其吻合程度，为模型行为模拟的可靠性和准确性做出判断。由于SD模拟过程中采用插值的形式对表函数中间年份参数进行取值，而短期历史数据波动较大，因此模型校准着重于检验模型模拟的趋势与历史数据表现的趋势是否大致一致。

　　本次校准项目为人口子系统、经济子系统(工业、农业)、环境子系统与资源子系统，被校准变量有生活需水量、工业需水量、农业需水量和总需水量。从中可以看出，模型模拟结果与历史数据基本吻合，相对误差基本都在5%以内，这说明模拟结果与和历史数据比较符合，参数可运用于模型预测阶段。

　　2.4发展情景设计

　　需水量变化受到诸多因素影响，不同因素的组合可能导致不同的水资源供需情况。为此，本文从影响华北平原需水量主要因素着手，设计了趋势保持型情景S1、经济发展型情景S2、节约用水型情景S3和可持续发展型情景S4共四种情景，用来预测华北平原未来在不同发展情景下的需水量和水资源供需平衡状况，具体如下：

　　(1)发展情景S1：又称为趋势保持型情景。此情景假设华北平原的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太大的变化。总人口增长率在未来设定为6.8‰，工业总产值增长率在未来设定为2%，城镇化率在2030年、2040年和2050年分别为70%、75%和80%。

　　(2)发展情景S2：又称为经济发展型情景。此情景假设在当前和今后相当长的一段时间内，发展经济仍是华北平原的重中之重。为此，把2030年、2040年和2050年工业总产值增长率分别提高到5%、7%和8%，人口增长率在2030年、2040年和2050年分别提高为8‰、9‰和9‰，其他参数与情景S1相同。

　　(3)发展情景S3：又称节约用水型情景。假设华北平原将水资源保护列为重点，采用多种节约用水的方式，将城镇生活用水定额和农村生活用水定额分别降低10%，万元工业产值用水定额、灌溉定额、大牲畜用水定额和小牲畜用水定额分别降低20%，其他参数与情景S1相同。

　　(4)发展情景S4：又称为可持续发展型情景。在此情景下，既强调经济的发展，同时也注意对水资源的保护。人口增长率在2030年、2040年和2050年分别提高为8‰、9‰和9‰，把2030年、2040年和2050年工业总产值增长率分别提高到5%、7%和8%，将城镇生活用水定额和农村生活用水定额分别降低10%，万元工业产值用水定额、灌溉定额、大牲畜用水定额和小牲畜用水定额分别降低20%，其他参数与情景S1相同。

　　3结果与分析

　　3.1需水量结果

　　从总需水量角度来看，现有状况(情景S1)下华北平原2050年总需水量为421.8亿m³，而经济发展型情景(情景S2)、节约用水型情景(情景S3)和可持续发展型情景(情景S4)2050年总需水量分别为590.1、353.4和489.1亿m³。预测期内四种情景平均总需水量分别为383.56、430.79、321.73和359.75亿m3。预测期内，全部情景的总需水量都随时间递增，情景S2的总需水量最大，情景S1和情景S4次之，情景S3最小。说明在未来年份里，无论采取什么样的发展情景，要使得经济保持发展(适度发展或者快速发展)，总需水量都会随着经济的发展而不断增加，这是必然的趋势。

　　具体到各用水部门，列出了模拟期内四种情景下农业、工业和生活平均需水量柱状图。对于农业需水量，情景S3和S4(172.01亿m³)小于情景S1和S2(215.02亿m³);对于工业需水量，情景S2(104.10亿m³)最大，情景S4(83.39亿m³)和S1(58.07亿m³)次之，情景S3(46.46亿m³)最小;对于生活需水量，情景S2(73.21亿m³)最大，情景S1(72.00亿m³)和S4(65.89亿m³)次之，情景S3(64.80亿m³)最小。

　　四种情景下，农业需水量均为最大的用水部门，占总需水量的平均比例分别为56.06%、49.91%、53.47%和47.81%;工业需水量占总需水量的平均比例分别为15.14%、24.16%、14.44%和23.18%;生活需水量占总需水量的平均比例分别为18.77%、16.99%、20.14%和18.32%。因此，控制农业需水量的增长速度，在很大程度上能控制华北平原水资源供需平衡的状况。3.2水资源供需平衡从水资源供需平衡的角度来看，四种情景下华北平原2050年供需差额分别为35.2亿m³、18.1亿m³、-30.27亿m³和87.35亿m³。

　　总体来看，情景S2的供需差额最大，情景S1和情景S4次之，情景S3最小。可持续型发展情景(情景S4)只在2042-2050年出现缺水的情况，其余年份都不存在缺水问题。四种情景在模拟末期基本都会缺水，在现有条件下可持续型发展型情景由于既考虑了经济发展，又考虑了水资源保护，缺水量只在模拟后期5年比情景S1多，这是可持续型发展情景的优势。同时，情景S3虽然缺水量最少，但经济发展也受到限制。在华北平原大力发展经济的宏观背景下，这样的情景显然不会被决策者采纳。

　　3.3水环境模拟结果

　　四个发展情景的侧重点不同，污废水回用量也不同。情景S2由于过分强调经济发展，必然导致污废水排放量增多，也即导致污废水回用量在四种情景中最多;情景S3由于采用了节约用水措施，此情景下污废水回用量是最少的，而情景S4由于既考虑了经济发展，又考虑了节约用水措施，该情景下污废水回用量仅比情景S3略多。污废水回用量多少可以作为环境好坏的一个衡量标准，而环境好坏与水资源有着直接关系。由此可见，情景S4既注重经济的发展，也注重保护环境，可以很好地协调经济发展与水资源及环境保护之间的关系。

　　3.4发展情景比较

　　在用水方面，情景S2用水最多，情景S3用水最少，而情景S1和情景S4居中。但是由于情景S4只在模拟期后6年需水量大于情景S1(或缺水量大于情景S1)，所以情景S4用水总体比情景S1少。在环境指标方面，情景S2的污废水回用量最多，情景S3最少，而情景S1和情景S4居中。综合来看，情景S4在环境指标方面优于情景S1;从经济发展方面看，情景S2发展速度最快，情景S3由于强调水资源保护，其经济发展速度最慢，而情景S4发展速度比情景S1要快。综合来看，在四种情景中，情景S4是最优的发展情景。

　　经济发展规模、总需水量、缺水量及环境保护等方面，情景S4都最符合可持续发展内涵，情景S4是华北平原未来发展的最优情景。在情景S4下发展，华北平原保持适中的经济发展速度，对水资源及环境的需求和压力也适中，经济与水资源环境协调可持续地发展。通过本文模拟可以发现，华北平原未来的缺水问题不能够得到彻底根除，这是由华北平原的实际情况所决定的。但是，采取节水措施和调整产业结构，可以使华北平原缺水状况得到改善。

　　结论本文利用系统动力学方法原理和情景分析的方法，建立了华北平原需水量预测的系统动力学模型，设定了四个不同的发展情景，对华北平原未来需水量和水资源供需状况进行了模拟预测，可以得到以下结论：

　　(1)模拟期内(2019—2050年)，四种情景下华北平原平均总需水量分别为383.56、430.79、321.73和359.75亿m3，平均供需差额分别为0.68、41.62、-58.85和-25.88亿m3。四种情景下，农业、工业和生活需水量占总需水量的平均比例分别为56.06%、49.91%、53.47%和47.81%，15.14%、24.16%、14.44%和23.18%以及18.77%、16.99%、20.14%和18.32%。

　　(2)伴随着社会经济发展，华北平原需水量会越来越大。华北平原在未来不能彻底解决缺水问题。如果华北平原在社会经济的发展中选择可持续发展情景，那么在未来可以缓解缺水问题。

　　(3)可持续型发展情景(S4)是华北平原未来应该选择的发展情景。过分强调经济发展(S2)、过分强调水资源保护(S3)或者保持目前趋势(S1)，势必在水资源使用和经济发展之间失衡。从华北平原实际情况来看，决策者既不会采纳过分强调经济发展的情景，也不会采纳过分强调水资源保护的情景。只有保持经济发展与水资源保护的平衡，社会才能可持续地发展下去。

　　(4)水资源的可持续发展，不仅需要政府的政策引导，更加需要社会公众的参与。“开源”与“节流”是解决缺水问题的两个有效途径，是辩证统一的。政府在“开源”方面的作用比较大，而公众则更多的充当“节流”的主力军。只有政府与公众的协调一致，才能保证水资源的可持续发展，进而保证社会经济的可持续发展。

　　参考文献：

　　[1]秦欢欢.气候变化和人类活动影响下北京市需水量预测[J].人民长江,2020,51(4):122-127.

　　[2]QINHH,CAIXM,ZHENGCM.Waterdemandpredictionsformegacities:systemdynamicsmodelingandimplications[J].WaterPolicy,2018,20(1):53-76.

　　[3]吴弯.城镇需水量预测方法研究[D].广州:华南理工大学,2014.

　　[4]陈颖杰，金保明，金君良，等.变化环境下考虑物理机制的SD需水预测研究[J].水利水运工程学报，2021(3)：84-95.

　　[5]ZHAIYZ,WANGJS,TENGYG,etal.WaterdemandforecastingofBeijingusingthetimeseriesforecastingmethod[J].JournalofGeographicalSciences,2012,22(5):919-932.

　　[6]TIWARIMK,ADAMOWSKIJ.Urbanwaterdemandforecastinganduncertaintyassessmentusingensemblewavelet-bootstrap-neuralnetworkmodels[J].WaterResourcesResearch,2013,49(10):6486-6507.

　　[7]山红翠,盛东,郭文娟,等.湖南省生活需水量预测[J].水资源研究,2016,5(1):52-58.

　　作者：秦欢欢1,2,黄碧贤2,吴昊2,甘家宇2,周宇卓2,熊文跃2,易振贵2

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