区域水资源系统仿真预测及优化决策研究[＊]——以汉中盆地平坝区为例，本文主要内容关键词为：汉中盆地论文,为例论文,水资源论文,区域论文,坝区论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
提要 本文运用系统动力学（SD）模型对汉中盆地平坝区水资源系统进行仿真预测分析，并以系统动力学模型为基础，建立了汉中盆地平坝区水资源系统开发的多个方案，通过多方案、多目标综合评价，优选出本区水资源系统开发的最佳方案和配套政策。
关键词 汉中盆地 水资源系统 系统动力学 仿真预测
汉中盆地平坝区（简称平坝区）位于106°35′～107°42′E， 32°57′～33°15′N，包括勉县、汉中、南郑、城固、 洋县汉江沿岸滩地和一、二级阶地，面积约1515.1km[2]。地处北亚热带与暖温带过渡地带，区内人口稠密，经济发达，自然资源环境优越，水、土、光、热等自然条件有利于工、农业生产，为陕西省粮食生产基地之一。
改革开放以来，随着经济的迅速发展和人口骤增，水资源供需矛盾日趋紧张，由水污染引起的生态环境问题也日益明显。加强水资源预测分析和优化管理已刻不容缓。
1 平坝区水资源系统SD模型的建立
1.1 构模的基本思路
（1）水资源供、需关系
水资源供需关系是区域水资源系统分析的主要思路，也是区域水资源系统的核心矛盾。从供、需两方面着手，尽可能使其在总体上达到平衡是区域水资源系统建模的基本思想。
（2）节水压力 由于缺水而形成的节水压力成为贯穿和连接水资源系统各组成部分的纽带。节水压力是各子系统之间以及各子系统内部工、农业生产和生活用水水量分配、协调的根本原因和重要依据。
1.2 平坝区水资源系统分析
1.2.1 以地域行政界线为依据划分一级子系统
设整个平坝区水资源系统为S，则Ⅱ（S）＝｛S[,1]，S[,2]，S[,3]，S[,4]，S[,5]｝，或S＝｛S[,k]∈S｜[,1～5]｝。式中：S[,k]：平坝区水资源系统的一级子系统，k＝1，2…5；S[,1]：勉县水资源系统；S[,2]：汉中水资源系统；S[,3]：南郑水资源系统；S[,4]：城固水资源系统；S[,5]：洋县水资源系统。
各子系统之间的关系可表述为：R＝｛R（i，j）｜S[,j]×S[,j]｝，i， j＝1，2…5，
其中：R：代表子系统之间的所有相互关系；R（i，j）：代表子系统i与子系统j之间的相互关系；R（i，j）：代表子系统i内部关系。
以地域划分一级子系统使整个系统边界清晰，处理简单容易。各子系统内部元素基本相同，元素间关系也大同小异，一级子系统之间的接口主要是子系统之间的水资源协调和调配以及新开水源水量的分配及分配比例，这些比例系数往往是需要协调的决策变量。在SD模型主要表现为一级子系统间共用水库的水量调配和汉江上、下游引水水量协调。
1.2.2 以结构和功能单元为依据划分二级子系统
根据平坝区实际情况，每个一级子系统皆可划分为如下五个二级子系统，Ⅱ（S[,k]）＝｛S[,k1]，S[,k2]，S[,k3]，S[,k4]，S[,k5]｝，或S[,ki]＝｛S[,ki]∈S[,k]｜[,1～5]｝。式中：S[,ki]：一级子系统k内部的二级子系统i，i＝1，2…5；S[,k1]：水源开发系统；S[,k2]：生活用水系统；S[,k3]：工业用水系统；S[,k4]：农业用水系统；S[,k5]：污水处理系统。
二级子系统之间的关系可表述为：R[,k]＝｛R[,k]（i，j）S[,ki]×S[,kj]｝，i，j＝1，2…5，
其中：R[,k]：代表第k个一级子系统内部的所有关系，k＝1，2…5；R[,k]（i，j）：代表二级子系统i与j之间的相互关系；R[,k]（i，i）：代表二级子系统i内部关系。
和一级子系统相比，二级子系统之间的关系更密切和复杂。如果说R具有一定的空间概念， 主要体现了一级子系统之间相对空间位置和水资源平衡、协调关系的话，R[,k]则具有更多的经济概念，体现了水资源系统社会、经济及生态环境各种关系。
1.3 平坝区水资源系统总体反馈机制及其SD模型流程图1)
1.3.1 总体反馈机制
基于上述构模思路和系统分析结果，通过对供需两方面进行深入的因果反馈分析，得到如下水资源系统总体反馈机制图（图1）。
图1 水资源系统总体反馈机制图
Fig.1 The feedback mechanism of the water resources system
显然，水资源系统在总体上由两个负反馈回路耦合形成：
整个系统以供需水平衡为核心，节水压力为连结纽带和维持系统平衡的重要砝码。
1.3.2 SD模型流程图
反馈机制图从宏观方面清晰地描述了水资源系统反馈结构的总体脉络，但它没有反映系统反馈结构内部的基本组成及其变量的性质。在上述水资源系统总体反馈机制的基础上，对每一个一级子系统和二级子系统内部再进行更深入一步的结构分析，逐步确定其变量的性质（即流位变量，决策变量和辅助变量等）及相互关系。最后得到如下SD流程图（图2）。
图2 水资源一级子系统总体流程图
Fig.2 The flow chart of the first subsystem of water resources
1.3.3 SD模型的主要变量
下面各变量为平坝区水资源系统总体模型的主要变量，在模型中带有M、H、N、C、Y下标的变量分别为勉县、汉中、南郑、城固、 洋县五 8个一级子系统内部的相应变量。
表1 变量符号说明表
Table 1 Explanation of the variables in SD model
2 仿真预测分析
SD模型从反馈机制图到流程图，再到计算机仿真语言模型，实际上是SD模型由形式化逐步递进到定量化的过程，其最终目的就是使所建模型能够在计算上顺利仿真运行。将上述SD流程图编写成计算机可执行的DYNAMO语言，赋予各变量初始值和各参数赋值后，模型即可运行。
2.1 模型参数选择
SD模型参数选择的内容包括有关变量初始值及其变化率，表参数和比率系数的确定。模型用到的主要变量的初始值，均采用1990年统计数值，部分变量的变化率参考有关规划确定下来，下面为一些重要变量的初始值及参数值。
表函数是用来描述两个变量非线性关系的，是以表参数为基础，自动插值形成函数关系。模型中设置的表参数是根据平坝区1980～1990年统计资料和有关规划确定的。
表2 变量初始值表
Table2 The initial values of vartables in SD model
注：工业产值按1980年不变价格折算，IVW的初始值为轻， 重工业综合万元产值耗水量。
至于参数间的数量关系，如供需差额与节水压力、节水压力与工业产值增长率等之间的数量关系，则主要是通过参考有关资料和模型反复调试确定下来的。
2.2 仿真预测结果
平坝区水资源系统运行状况、重要变量变化趋势如图3、图4所示。模拟结果表明，平坝区需水增长速度远远大于供水增长速度，但随着缺水量增大，用水增长速度逐渐减小而供水增长速度逐渐增大，最后二者趋于协调，缺水量逐渐趋于稳定。尤其是工业需水量，随着其规模的扩大，需水量迅速上升，但随着缺水压力的增大，工业发展速度减小，最后趋于稳定。这表明在一定缺水压力下，工业产值仍具有一定的增长潜力，而这种潜力正是工业内部工艺改革和加强节水和管理的结果。
图3 汉中盆地平坝区用水结构变化趋势图
Fig.3 The change trends of the water—use structure in the plain area of the Hanzhong Basin
图4 汉中盆地平坝区水资源供、需平衡变化趋势图
Fig.4 The change trends of the blance of the water resourcessukpply and demand in the plain area of the Hanzhong Basin
2.3 模型检验
SD模型的检验包括模型的适合性检验和一致性检验。适合性检验重点在模型内部，一致性检验重点在模型外部，主要检验模型与实际系统的一致性。
以历史资料和实际系统为检验标准，通过对模型内部方程量纲一致性检验，参数灵敏度分析和弹性分析，以及模型包含要素、运行结果与实际系统一致性检验表明，平坝区水资源系统SD模型构模合理，运行结果可靠。
3 平坝区水资源系统开发优化决策
系统动力学有“政策实验室”的誉称，通过改变模型的有关政策参数，经过仿真运算，可得到水资源系统在各种政策下的运行结果，再经过多方案优选、评价，可得到最佳开发方案和配套开发政策。
3.1 水资源系统的决策分析
建立SD模型的最终目的是分析研究以洞察系统内部的问题与奥妙，为人们作出合理的决策提供依据。对于复杂的水资源系统，其行为对一般参数的变动是不敏感的，但对于个别参数的变化却十分敏感，这些参数往往是一些政策参数（即参数的变动在一定程度上受人为控制），处在系统多个反馈回路交汇耦合的节点上，成为人为政策作用的焦点。它们的变化对系统行为影响极大，一旦作用于这些作用点之一的政策发生变化，其作用将会在整个系统放射式地传播。可见，这些参数正是实际系统决策分析所要追寻的政策杠杆作用点。
3.1.1 参数灵敏度分析
参数灵敏度分析的目的在于选出比较敏感的政策参数。我们建立如下灵敏度分析指标：设J为SD模型行为的性能指标， 即当模型中其它条件不变时，认为J仅是单个参数X的函数，记作J（X）。那么，对于单个参数X，其灵敏度S可取如下四种定量表达式：
上面第一种定义的S相当于是性能指标J对参数X的偏导数。 第四种定义的S则是两种变化的百分率之比，在经济学中称为弹性系数， 其特点是考虑了变化ΔX的基数X及变化ΔJ的基数J（X）。第二、 三种定义介于上述两种之间。根据不同要求采用不同的表达式。
对于平坝区水资源系统的SD模型，我们选取了预测时段末（2030年）的缺水量大小作为系统行为的性能指标，对于灵敏度S， 我们采用第四种表达式进行计算。经反复运行、计算，选出三个参数是敏感的，它们是水资源投资系数SS（SS等于水资源投资总额与工业总产值之比，其中开源投资和维护投资比为5.5∶4.5）、工业产值增长率IVR 和节水压力对工业产值增长的约束系数K[,3]。三个参数分别处在系统反馈回路的结合部：工业产值增长率提高，意味着需水增长率增大，从而节水压力增大；投资率增大，意味着供水增长率增大和水资源维护加强，从而节水压力减小。可见，SS、IVR处在正负反馈回路的交汇处， 充分体现了人与资源索取与维护的比例关系。而K[,3]体现了水资源和工业发展之间约束与被约束关系，K[,3]的大小反映了这种约束和被约束关系的强弱。一般来说，K[,3]是一个客观参数，在不同区域，由于水在工业生产中的稀缺程度不同，而K[,3]值大小不同。可见，在三个敏感参数中，SS和IVR为政策参数，而K[,3]为客观参数，在模型中经慎重考虑和反复调试确定下来。
3.1.2 平坝区水资源系统开发方案的建立
由上分析可知，政策参数SS和IVR 为人为控制水资源系统向良性或恶性方向变化发展的政策杠杆作用点，对于平坝区水资源系统最优开发方案和相应政策的选择过程，就相当于在SS和IVR 决定的二维平面对最佳效果点的寻求过程。
我们对SS和IVR采取不同的值，建立了以下五个方案：
表3 水资源开发方案表
Table3 Programmes of the exploitation of water resources
方案代号SSIVR 备注
A 0.005
0.08 规划方案
B 0.005
0.15 现状延续方案
C 0.010
0.15 高方案
D 0.010
0.10 中方案
E 0.005
0.05 低方案
经统计分析，平坝区目前水资源投资率约为工业总产值的5‰， 而根据1980～1990年工业产值统计资料，平坝区工业产值年递增率为15%，因此，B方案代表了水资源系统现状延续情况，称为现状延续方案。A方案采用的参数值基本上都为规划值，因此，称为规划方案。方案C、D、E分别依工业增长率的大小称为高方案、中方案、低方案，可见， 五个方案为平坝区水资源系统在不同开发政策下的典型代表方案。
将五个方案的不同参数值分别赋予SD模型，经仿真模拟，得到各方案的运行结果。下表为仿真时段末（2030年）水资源系统主要变量的数值。
表4 方案运行结果表
Table4 The outcome of the operation of the programmes.
可见，在不同水资源投资和工业产值增长条件下，水资源系统运行状态不同。由表6可知，方案C经济效益比较好，而方案E 社会效益和生态环境效益比较好，哪个方案最好，只有通过多方案多目标综合评价才能确定。
3.2 多方案评价与决策
3.2.1 多方案评价指标的选取
评价指标的选取是以优化目标为依据的，我们知道水资源系统的评价是一个多目标的评价，不但要追求最大的经济效益，同时还要考虑环境效益和社会效益，以综合效益最大为最终目标。因此，我们选择工业产值（IV），环境用水量（PWT）、缺水总量（GBSD）、 污水排放量（SHW）和农业缺灌面积（AIAS）五个状态变量作为多方案评价指标， 基本上体现了水资源系统的经济效益、生态效益和社会效益三个子目标。
3.2.2 指标权向量的确定
平坝区水资源系统评价的五项指标中，工业总产值指标最能说明水资源系统开发的经济效益问题，生态环境用水量和污水排放量指标，既反映了水资源系统开发的环境效益如何，也在一定程度反映其社会影响即社会效益，而缺水总量和农业缺灌面积除反映经济、环境效益外，更主要反映了社会效益问题。以经济目标为主，兼顾生态环境效益和社会效益，以追求最大综合效益为宗旨，在综合考虑各指标在实现总目标中的作用和重要性，以及指标之间的交叉性的基础上，确定了五项指标的重要性排序为：工业总产值，生态环境用水量、缺水总量、污水排放量、农业缺灌面积。根据有序二元对比法[3]，指标权向量W的计算结果为：W＝（0.32 0.24 0.18 0.14 0.12）。
3.2.3 方案的模糊优化决策[2]
评价结果表明：中方案为平坝区水资源系统开发的最佳方案，仿真过程表明，由于中方案采取了发展经济和资源、环境维护同时并重的开发政策，水资源系统在整个仿真时段，处于良好的运行状态，在存在较小的缺水压力和水污染的情况下，能够获得较大的经济效益和综合效益。评价结果还表明，现状延续方案为平坝区水资源系统开发的最差方案，通过仿真过程可知，由于只重视经济发展，不注重资源维护和环境保护，促使水资源系统向恶性方向发展，势必造成水资源严重短缺，水污染加剧，环境质量退化，工、农业生产将会相继受到严重限制。可见，为了获得一个良好的生态环境，为了使水资源系统能够在一个良好的状态下正常运行，工、农业生产能够持续、稳定地发展，从长远利益考虑，平坝区必须降低工业发展速度，扩大水资源投资，加强生态环境的保护。
[＊]中国科学院重点项目“水资源开发利用在国土整治中的作用。”
注释：
1)“七五”国家重点科技攻关项目75-57-03-06专题组。 大系统水资源供水规划和调度优化研究，1990。
A STUDY OF THE SIMULATED CALCULATION AND OFTIMAL DECISION—MAKING OF REGIONAL WATER RESOURCES
——TAKING THE PLAIN AREA OF THE HANZHONG BASIN AS AN EXAMPLE
Gao Yanchun
Liu Changming
(The United Research Centre for Water Problems,CAS)
Abstract
In this paper,using the system dynamics model,the simulated calculation analysis is made for the water resources system of the plain area in the Hanzhong Basin.On the basis of thesystem dynamics model,different exploitation programms of the water resources system are put forward and through the multi—programme and multi—purpose comprehensive appraisal,the optimal exploitation programme and the related policies are obtained.
Key words Hanzhong Basin,water resources system,system dynamics,simulated calculation