李静芝等：洞庭湖区水资源系统分析及优化决策研究
摘要：以洞庭湖区湖南省涉及的6市37个县（市、区）为研究范围，运用系统分析的理论与方法，分析洞庭湖区水资源供需系统的特征和各要素之间的相互作用，建立了洞庭湖区水资源供需系统模型，仿真模拟传统发展模式、发展经济型模式、节水型模式和协调型模式等四种不同情境下，2010年-2030年洞庭湖区水资源供需变化趋势。结果表明，随着洞庭湖区经济的发展和人口的增长，水资源短缺和水环境污染问题日趋严重，为了实现洞庭湖区社会经济、资源环境的健康可持续发展，必须强化资源意识、加强节水管理、提高水资源利用效率，以及加强水生态、水环境保护。 关键词：水资源供需系统；系统动力学；优化决策 水资源的供需矛盾一直是制约区域社会、经济发展的重要因素。水资源供需系统涉及资源环境、生产生活、经济发展等诸多因素，各因素之间存在各种复杂的相互作用关系，常用的分析方法很难从整体上对系统结构、功能特性进行充分、全面的描述。而运用系统动力学方法对水资源供需平衡问题进行系统分析，可以弥补以往静态分析中自然因素与社会因素相分离的缺陷，便于描绘不同方案下系统的变化趋势。为深入分析洞庭湖区水资源供需矛盾，探讨水资源对社会经济发展的长期影响，本文应用系统工程的观点和方法，综合考虑洞庭湖区的自然资源、生态环境、社会经济发展状况，通过对水资源需求、水资源供给能力、水环境污染等问题的研究，建立洞庭湖区水资源供需系统模型。利用该模型仿真模拟2010-2030年，不同方案下的洞庭湖区水资源供需情势，探讨水资源开发、利用及水环境问题，为缓解湖区水资源供需矛盾、科学制定水资源规划、高效配置水资源提供依据。 1. 洞庭湖区概况 洞庭湖区包括湖南省岳阳、常德、益阳、长沙、湘潭、株洲6市和湖北荆州市，共涉及7个地级市41个县（市、区）。其中，湖南6市涉及37个县（市、区），总面积43648平方公里。2009年湖区总人口2223.3万人，占全省的32.22%，其中城镇人口1177.25万人，城市化水平为52.95%，国内生产总值6948.54亿元，占全省的53.2%。洞庭湖区是湖南省重要的商品粮、棉、油、鱼生产基地，也是重要的轻工和石油化工基地，并拥有长沙、岳阳、益阳、常德等一批大中城市，其发展水平直接影响到全省的经济发展水平。 洞庭湖区内河流纵横，大小湖泊星罗棋布，水网交错，水量丰富。根据湖南省第2次水资源调查评价，湖区水资源总量多年均值为308亿立方米，洞庭湖出口城陵矶站多年平均出湖水量占长江多年平均入海径流量的1/3以上。但湖区水资源仍显不足，具有以下显著特点：（1）由于地理位置的特殊性，洞庭湖水量以客水居多，湖区自身产水量少；（2）我省降水量的60%~70%集中在汛期（4~9月），再加上长江三口入湖水量几乎全部集中在汛期，使得洞庭湖水资源年内分配不均，且年际变化较大。（3）三峡建坝后受三峡放水的冲刷作用，荆江河段下切使得长江入洞庭湖三口水位下降，河道流量逐渐减少甚至断流，洞庭湖及汇入支流水位下降，出现了罕见的枯水期。（4）随着人口的增加和工农业的迅速发展，洞庭湖区水体富营养化、重金属污染、化肥与农药污染等问题日益突出，局部环境污染严重。 2. 水资源供需系统结构分析及模型构建 2.1 系统结构分析 水资源是联系“社会- 经济- 自然”复合生态系统的纽带，本文从系统内人口、资源、经济、社会和环境及其相互作用和相互制约的关系入手，考察系统的层次性、时序性、动态性、边界性、可控性，以2009年为现状年，以洞庭湖区2000~2009年社会经济发展数据、水资源量数据、水资源供用数据及相关规划数据为基础，利用系统动力学软件Vensim-PLE建立水资源供需系统模拟模型。水资源供需系统由需水子系统、供水子系统、社会子系统、经济发展子系统、环境子系统构成，系统内各要素跨子系统相互影响、相互作用、相互制约，形成具有多重反馈的因果关系结构，简略的系统关系图如下： 水环境子系统 图1 洞庭湖区水资源供需系统关系图 1. 需水子系统 洞庭湖区需水量由生活需水量、生产需水量及城镇生态环境需水量三部分组成。人口增长、生活水平提高驱动生活需水量增加；GDP增长，驱动生产需水量增加。水资源供需缺口通过缺水影响系数，制约洞庭湖区GDP增长量。 2供水子系统 由于地理位置的特殊性，洞庭湖区必须有足够的客水利用工程和防洪治涝工程，调节和利用过境地表径流，实现兴利除害。湖区现状的各类水利工程的构成是根据河流水系的自然分布特点以及经济社会的需水状况形成的，主要以地表水的提引利用为主、蓄水和地下水的开采为辅。增加水利投资能提高可供水能力，使可供水量增加。 3社会子系统 社会子系统主要包括人口、城市化水平、人均用水量和人均排放量等要素。总人口增加，驱动生活需水量和生活废污水排放量增加；随着社会的发展，节水器具普及和环保设施增加、节水意识和环保意识增强等可抑制生活需水量和生活废污水排放量的增加。 4经济子系统 经济子系统主要包括洞庭湖区GDP、水利投资两大要素。洞庭湖区GDP由其增长率决定，从长远来看，还受水资源保障能力和环境支撑能力的影响。GDP增长，驱动生产需水量和生产废污水排放量增加；水利投资额主要取决于国民经济总量以及水利投资比例，因此GDP增长和水利投资率增加驱动水利投资增加。 5水环境子系统 水环境子系统通过废污水排放指标来衡量。废污水排放总量由生活废污水排放量和生产废污水排放量两个部分组成。生活废污水排放量取决于总人口及人均排放量；生产废污水排放量取决于洞庭湖区经济规模和单位产值废污水排放量。废污水排放通过污染影响系数，制约洞庭湖区GDP增长量。 在洞庭湖水资源供需系统中，需要确定适当的GDP增长速度和水利投资力度，制定适宜的用水标准和排放标准，以达到区域供水既能满足社会经济发展的需求，又不造成水资源供应能力和投资的浪费，以及水环境污染等问题的产生，从而实现最佳的社会经济、资源环境效益，最终使得总效益最大化。 2.2模型构建 系统动力学的主要变量有：表示积累效应的变量称为状态变量(L)；表示积累效应变化快慢的速度变量称为速率变量(R)；从积累效应变量到变化速度变量及变化速度之间的中间变量称为辅助变量(A)。洞庭湖区水资源供需系统的主要反馈回路为：经济社会发展→+经济社会发展需水→+供需缺口→-经济社会发展。根据洞庭湖区经济社会发展、水资源供需特点，构建洞庭湖区水资源供需系统模型。模型流图如图2所示，模型涉及的主要变量有： 图2 洞庭湖区水资源供需系统流图 1. 状态变量(L)，表示积累效应。根据建模目的和边界，本模型建立L1（t）可供水量、L2（t）总人口、L3（t）洞庭湖区GDP三个状态变量； 2. 速率变量(R)，表示积累效应变化快慢的速度。由各状态变量的含义及对建模中有关问题的考虑，确定对应速率变量：R1（t）为可供水增加量，R2（t）人口增长量，R3（t）为GDP增长量； 3. 辅助变量(A)，是从积累效应变量到变化速度变量及变化速度之间的中间变量。模型包含生活需水量、生产需水量、城镇人口、乡村人口、废污水排放量、水利投资、缺水影响系数、污染影响系数等15个辅助变量。 4. 常量（C），是在所考虑的时间内变化甚微或相对不变化的那些参数。模型中的参数有常数值、表函数、初始值等。 模型包含21个系统动力学活性方程，其中状态变量方程3个，速率变量方程3个，辅助方程15个。用Vensim-PLE软件对模型进行直观与运行检验，发现模型中变量的设置、因果关系、流图结构以及方程表述都是比较合理的，对方程的量纲检验表明，等式方程两边的量纲一致；对模型进行一致性检验，仿真计算洞庭湖区2006-2009年水资源需求、国内生产总值和排污总量，与其同期的实际情况进行一致性检验，模拟结果与历史数据拟合误差均小于5%，符合要求，说明模型能够模拟实际系统，有较高的可信度。
水资源供需缺口
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