基于系统动力学的乌鲁木齐市水资源配置方案优选

李 韧，聂春霞

(1.新疆维吾尔自治区发展与改革委员会，乌鲁木齐 830002；2.新疆维吾尔自治区发展与改革委员会经济研究院，乌鲁木齐 830002)

新疆是我国典型的干旱区和半干旱区，降水稀少，蒸发强烈。乌鲁木齐市是新疆首府城市，位于亚欧大陆腹地，地处北天山北坡。全市有乌鲁木齐河、头屯河、白杨河、阿拉沟、柴窝堡湖5个水系，有冰川融水、地表径流和地下径流等不同形态的水资源，降水是水资源的补给来源，降水的变化直接影响水资源的变化，但乌鲁木齐市干旱少雨。全市年均地表径流量为9.17 亿m3，2016年，水资源量14.99 亿m3，人均水资源量557.5 m3，占全疆人均水资源量的12.2%，相当于全国人均水资源量的23.7%，是我国30个严重缺水的城市之一；用水总量10.74 亿m3，水资源利用率达到71.6%，超过了国际公认的40%的警戒线。乌鲁木齐水资源先天不足，受人类活动和气候变化的影响，重要水源一号冰川日益萎缩，面临水资源匮乏的危机。加上地下水超采严重，引发了地下水位持续下降、湿地面积持续减少等生态问题。因此，预测未来乌鲁木齐市水资源供需特点及变化趋势，选择科学的水资源配置方案，为解决水资源危机提供决策依据，显得尤为迫切。

1 水资源配置研究方法概述

水资源配置研究方法有系统优化法、模型模拟法、模拟与优化相耦合法3类方法。赵勇、解建仓和马斌考虑跨流域工程运行的需求、工程和水价成本等因素影响，运用系统仿真理论，提出南水北调水资源优化配置方案[1]；陈晓宏、陈永勤和赖国友运用大系统分解协调原理，采用逐步宽容约束法及递阶分析法，建立自流域至供水行业的水资源优化配置模型[2]；张平、赵勇和郑垂勇运用线性规划方法，设立水源供水次序系数、用户用水公平系数等参数，建立南水北调工程东线区域的水资源优化配置模型[3]；赵宇哲和武春友建立决策信息不确定条件下的流域初始水权De Novo规划模型，利用系统结构方程，提出基于初始用水权和初始排污权的水资源优化配置方案[4]；王福林和庞庆华构建基于“经济—水资源—社会”复合系统的水资源优化配置区间多目标非线性模型，采用免疫遗传算法对该模型求解，提出了水资源优化配置方案[5]。游进军、甘泓和王浩等建立水资源系统节点图，模拟水利工程的运行和水源对用户的分配，以及天然与人工二元耦合关系下各类水源在网络系统的运移转化和相互作用，实现对系统水量运移转化的透明化控制[6]；甘治国、蒋云钟和鲁帆等建立满足北京市配置目标的水资源系统网络概化图，建立基于规则控制的水资源配置模拟模型[7]。贾仰文和王浩将分布式流域水文模型(WEP-L)和集总式水资源调配模型(WARM)相耦合，建立流域水资源二元演化模型，对黄河流域进行水资源全口径层次化动态评价[8]；吴泽宇、张娜和黄会勇利用GIS软件，建立长江流域水资源配置模拟模型，对拟定水资源配置方案进行模拟，选出最优水资源配置方案[9]；宋丹丹、杨树滩和常本春等建立流域降雨径流模型、水动力学模型、水量调配模型以及水工程调度模型等子模型，提出基于水利工程调度的水资源优化配置方案[10]；彭亮、何英和穆振侠设计各类需水方案、供水方案组合叠加形成水资源配置方案集，设置水资源安全评价指标体系，对克拉玛依市水资源安全状况进行评价，选出最优水资源配置方案[11]。

水资源配置研究中，系统优化法对较小系统可以得到满意的结果，但水资源系统具有动态性和复杂性，优化方法难以求解；虽然模拟模型通用性和适应性较强，但该模型数据需求量大，模型参数难以确定，使得模拟模型计算出的方案的目标针对性不强[12]；优化与模拟相耦合法综合了优化模型和模拟模型的优点，但模拟模型结果往往对于优化模型不能形成最优解，难以选出最优水资源配置方案[13]。基于此，以乌鲁木齐市为研究区，构建区域用水过程模型，设置水资源配置的低、中、高3种方案，对3种方案下乌鲁木齐市2017-2040年用水量进行计算机仿真预测，分析多年平均、丰水年、偏丰水年、平水年、偏枯水年5种情景下的缺水情况，自3种方案选出较优方案，使得水资源配置方案与实际更为接近。

2 乌鲁木齐市需水量系统动力学模型构建

受人类因素影响，城市通常形成了复杂的“人-水”相互关联、协同发展的复合系统，每个因素都可能影响整个系统安全[14]。通过对人类活动为主导的用水行为分析，理清经济社会需水各要素之间相互作用关系，建立反映经济社会需水系统流图和基本方程。

2.1 系统流图的设计

系统动力学于1956年由Forester 教授提出，该理论是从整体的观点出发，将研究的对象看作是运动的系统，系统内部的状态随着时间发展变化，并对这一变化过程进行刻画和分析[15]。本文运用系统动力学原理,采用Vensim PLE软件建立区域需水预测模型。需水总量包括第一产业需水量、工业需水量、第三产业需水量、城镇需水量、农村居民生活需水量和生态需水量6个方面。建立区域水资源配置系统动力学模型的重点是状态变量、速率、辅助变量的选择以及之间的关系。状态变量是对输入和输出进行积累的变量，状态变量方程中代表输入和输出的变量是速率，即在反馈系统中，帮助建立速率方程的变量[16]为速率。经过分析乌鲁木齐市水资源与经济社会发展状况及其关系，设计出乌鲁木齐市用水过程系统仿真预测因果反馈图，见图1。

2.2 因果反馈关系和变量之间的关系

(1)人口。从人口因果反馈关系图(见图2)看，人口自然增长率和总人口数决定着增加的人口，城镇人口比重增加量决定着城镇人口比重的大小，总人口和城镇人口比重决定着城镇人口和农村人口数。人口变量间的关系如下：

P总人口数=P总人口数初始值+P上一年总人口数L人口增长率

(1)

P城镇人口数=P总人口数C城镇人口比重

(2)

P农村人口数=P总人口数(1-C城镇人口比重)

(3)

(2)第一产业需水。从第一产业需水因果反馈关系图(见图3)看，有效灌溉系数和耕地面积决定有效灌溉面积，其中，有效灌溉系数为状态变量；有效灌溉面积和农田实灌每公顷平均用水量决定了种植业灌溉用水量，其中，农田实灌每公顷平均用水量为状态变量；林地面积和有效林灌系数决定林业有效灌溉面积，其中，有效林灌系数为状态变量；林业有效灌溉面积和林地灌溉定额决定林业用水量，其中，林地灌溉定额为状态变量；种植业灌溉用水量和林地用水量共同决定了第一产业需水量，其关系如下：

M有效灌溉面积=M耕地面积X有效灌溉系数

(4)

X有效灌溉系数=X上一年有效灌溉系数+Δ有效灌溉系数增量

(5)

W种植业灌溉用水=M有效灌溉面积D农田实灌每公顷平均用水量

(6)

D农田实灌每公顷平均用水量=D上一年农田实灌每公顷平均用水测量-

Δ农田实灌每公顷平均用水减少量

(7)

M林业用效灌溉面积=M林地面积X有效林灌系数

(8)

X有效林灌系数=X上一年有效林灌系数+Δ有效林灌系数增量

(9)

W林业用水量=D林地灌溉定额M林业有效灌溉面积

(10)

D林地灌溉定额=D上一年林地灌溉定额-Δ林地灌溉定额减少量

(11)

图1 乌鲁木齐市用水过程系统仿真预测因果反馈图Fig.1 Water process system simulation prediction causal feedback in Urumqi

图2 人口因果反馈关系Fig.2 Population figure causal feedback relations

图3 第一产业需水因果反馈关系Fig.3 First industry water demand figure causal feedback relations

(12)

(3)工业需水。从工业需水量因果反馈图(见图4)看，万元工业增加值用水量和工业增加值决定工业需水量，其中：万元工业增加值用水量为状态变量；工业增加值由工业增加值初始值和工业增速决定。其关系如下：

W工业需水量=W万元工业增加值用水量Z工业增加值

(13)

W万元工业增加值用水量=W上一年万元工业增加值用水量-Δ万元工业增加值用水减少量

(14)

Z工业增加值=Z工业增加值初始值+Z上一年工业增加值L工业增速

(15)

图4 工业需水因果反馈关系Fig.4 Causal feedback relations between industrial water demand

(4)城镇需水量。从城镇需水量因果反馈图(见图5)看，城镇需水量由城镇居民生活需水量、城镇绿化需水量和城镇公共需水量决定。城镇居民生活用水量由城镇居民生活用水定额和城镇人口数决定，其中城镇居民生活用水定额为状态变量；城镇公共用水量由城镇公共用水定额和城镇人口决定，其中城镇公共用水定额为状态变量；城镇绿化需水量由城镇人均绿地面积、城镇绿化用水定额和城镇人口决定，其中城镇绿化用水定额为状态变量，其关系如下：

W城镇居民生活需水量=W城镇居民生活用水定额P城镇人口数

(16)

D城镇居民用水定额=D上一年城镇居民用水量定额-Δ城镇居民用水定额减少量

(17)

W城镇公共需水量=D城镇公共用水定额P城镇人口数

(18)

W城镇绿化需水量=M城镇人均绿地面积D城镇绿化用水定额P城镇人口数

(19)

D城镇绿化用水定额=D上一年城镇绿化用水量定额-Δ城镇绿化用水定额减少量

(20)

W城镇需水量=W城镇居民生活需水量+W城镇绿化需水量+W城镇公共需水量

(21)

图5 城镇需水因果反馈关系Fig.5 Urban water demand figure causal feedback relations

(5)第三产业需水。从第三产业需水因果反馈图(见图6)看，第三产业需水量由2个状态变量万元第三产业增加值用水量和第三产业增加值决定，其中第三产业增加值由第三产业增加值初始值、上一年第三产业增加值和第三产业增速决定，其关系如下：

图6 第三产业需水因果反馈关系Fig.6 Causal feedback of the third industry water demand diagram

(22)

W万元第三产业增加值用水量=W上一年万元第三产业增加值用水量-

Δ万元第三产业增加值用水减少量

(23)

Z第三产业增加值=Z第三产业增加值初始值+Z上一年第三产业增加值L第三产业增速

(24)

(6)农村居民生活需水。从农村居民生活需水因果反馈图(见图7)看，农村居民生活需水量由农村人口数和农村居民用水定额决定，其中农村居民用水定额为状态变量，其关系如下：

W农村居民生活需水量=P农村人口数D农村居民用水定额

(25)

D农村居民用水定额=D上一年农村居民用水定额-Δ农村居民用水定额减少量

(26)

图7 农村居民生活需水因果反馈关系Fig.7 Causal feedback relations between rural residents living water demand

2.3 常量的设定

水资源利用的最新数据为2016年，常量均为乌鲁木齐市的2016年的现状值。其中人口、产业发展数据来源于2017年新疆统计年鉴，水资源利用数据来源于2016年新疆水资源公报及乌鲁木齐市统计年鉴，状态变量的速率参考了乌鲁木齐市的“国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要”。常量数量及状态变量初始值见表1。

表1 常量数值及状态变量初始值Tab.1 Constant values and state variable initial value

2.4 水资源配置方案的设定

依照节水强度由低到高，设置乌鲁木齐市水资源配置低方案、水资源配置中方案和水资源配置高方案，3种方案的常量设置如下。

(1)水资源配置低方案。人口自然增长率、种植业增速、工业增速、第三产业增速和城镇化率等指标保持2016年的值不变，农田实灌每公顷平均用水量、林地灌溉定额等用水指标均按照2016年的现状值保持不变(见表1)，有效灌溉系数增量、农田实灌每公顷平均用水减少量等节水指标为零(见表2)。

(2)水资源配置中方案。提高有效灌溉系数，降低农田实灌每公顷平均用水量、林地灌溉定额等用水指标，适度降低人口增长率和第三产业发展速度，增加生态用水量(见表2)。

(3)水资源配置高方案。提高有效灌溉系数和有效林灌系数，进一步调减农田实灌每公顷平均定额、林灌定额、镇居民生活用水等用水指标，降低第三产业增速和人口自然增长率，增加生态用水量(见表2)。

表2 乌鲁木齐市3种节水方案的变量值Tab.2 Variable's value three schemes of Urumqi

3 计算机仿真结果分析

首先，根据乌鲁木齐市用水过程系统流图(见图1)，运用Vensim PLE软件，代入水资源配置低方案、中方案和高方案中常量和变量的设置值，进行计算机仿真预测，得到2017-2040年乌鲁木齐市的需水总量、第一产业需水量、工业需水量、第三产业需水量、城镇需水量、农村居民生活需水量、生态需水量的预测值。第二，根据2001-2016年乌鲁木齐市水资源量，计算多年平均、丰水年、偏丰水年、平水年、偏枯水年5种情景下的水资源量分别为10.88、13.88、13.37、9.74、9.24 亿m3。最后，计算剩余水量，用5种情景下的水资源量减去3种方案预测的用水总量，得出3种方案下的剩余水量，见表3。

表3 3种方案下乌鲁木齐市用水总量预测及缺水量(2017-2040) 亿m3

注：表中负值表示水资源量小于用水总量，即指缺水量。

3.1 水资源配置低方案

若按照水资源配置低方案，乌鲁木齐市的需水总量将增加较快，由2017年的10.75 亿m3增加到2040年的11.56 亿m3，23 a增加0.81 亿m3。其中，产业用水量占比超过50%，由2017年的6.11 亿m3增加到2040年的6.15 亿m3，增加0.04 亿m3；城镇需水量、农村居民生活需水量增加最明显，由2017年的3.65 亿m3增加到2040年的4.39 亿m3，增加0.74 亿m3；生态需水量由2017年的0.991 亿m3增加到2040年的1.014 亿m3，增加0.023 亿m3。

在多年平均的情景下，2017年的剩余水量0.16 亿m3，随着需水量的增加，2040年缺水量达到0.63 亿m3，若仍按照2016年乌鲁木齐市提、调水量0.62 亿m3，中水用水量0.30 亿m3，水资源量能够保障经济社会用水；在丰水年，2017年的剩余水量3.16 亿m3，2040年剩余水量为2.26 亿m3，该情景下，不实施提、调水工程，水资源量能够保障经济社会用水；在偏丰水年，2017年的剩余水量2.65 亿m3，2040年剩余水量为1.85 亿m3，该情景下，也不用实施提、调水工程，水资源量能够保障经济社会用水；在平水年，2017年的缺水量0.98 亿m3，2040年缺水量达到1.78 亿m3，该情景下，若仍按照2016年乌鲁木齐市实施提、调水和使用中水共0.92 亿m3，水资源量仍无法保障经济社会用水；在偏枯水年，2017年的缺水量1.48 亿m3，2040年缺水量达到2.28 亿m3，该情景下，若仍按照2016年乌鲁木齐市提、调水和使用中水0.92 亿m3，水资源量很难保障经济社会用水。

实施水资源配置低方案，在丰水年和偏丰水年，不用实施提、调水工程，也不使用中水情况下，水资源量能够充分保障经济社会用水；在多年平均情景下，实施提、调水工程，并使用中水，水资源量能够保障经济社会用水；但在平水年和偏枯水年情况下，即使实施提、调水工程，并使用中水，水资源量也难以保障经济社会用水。因此，水资源配置低方案不可行。

3.2 水资源配置中方案

若按照水资源配置中方案，乌鲁木齐市需水总量将不断减少，由2017年的10.71 亿m3减少到2040年的10.47 亿m3，减少0.24 亿m3。其中，产业用水量由2017年的6.08 亿m3减少到2040年的5.43 亿m3，减少0.65 亿m3；城镇需水量和农村居民生活需水量不断增加，由2017年的3.64 亿m3增加到2040年的4.0 亿m3，增加0.36 亿m3；生态需水量由2017年的0.992 亿m3增加到2040年的1.038 亿m3，增加0.046 亿m3。

在多年平均的情景下，2017年的剩余水量0.17 亿m3，到2040年剩余水量将达到0.42 亿m3，不实施提、调水工程，水资源量能够保障经济社会用水；在丰水年，2017年的剩余水量3.17 亿m3，2040年剩余水量为3.41 亿m3，不实施提、调水工程，水资源量能够充足保障经济社会用水；在偏丰水年，2017年的剩余水量2.66 亿m3，2040年剩余水量为2.90 亿m3，不用实施提、调水工程，水资源量能够保障经济社会用水；在平水年，2017年的缺水量0.97 亿m3，2040年缺水量下降到0.73 亿m3，若仍按照2016年乌鲁木齐市实施提、调水工程，并使用中水合计0.92 亿m3，水资源能够保障经济社会用水；在偏枯水年，2017年的缺水量1.47 亿m3，2040年缺水量下降到1.23 亿m3，若仍按照2016年乌鲁木齐市实施提、调水工程，并使用中水合计0.92 亿m3，水资源量难以保障经济社会用水。

实施水资源配置中方案，在多年平均、丰水年和偏丰水年情景下，在不实施提、调水工程，也不使用中水情况下，水资源量能够保障经济社会用水；若遇平水年，实施提、调水工程，并使用中水，水资源量勉强保障经济社会用水；但遇偏枯水年，实施提、调水工程，并使用中水，水资源量很难保障经济社会用水。因此，水资源配置中方案也不可行。

3.3 水资源配置高方案

若按照水资源配置高方案，乌鲁木齐市的需水总量下降较快，由2017年的10.66 亿m3减少到2040年的9.12 亿m3，减少1.54 亿m3。其中，产业需水量由2017年的6.05 亿m3减少到2040年的4.57 亿m3，减少1.48 亿m3；城镇需水量、农村居民生活需水量减少，由2017年的3.62 亿m3减少到2040年的3.49 亿m3，减少0.13 亿m3；生态需水量由2017年的0.993 亿m3增加到2040年的1.062 亿m3，增加0.069 亿m3。

在多年平均的情景下，2017年的剩余水量0.22 亿m3，到2040年剩余水量将达到1.69 亿m3，不实施提、调水工程，水资源量能够保障经济社会用水；在丰水年，2017年的剩余水量7.83 亿m3，2040年剩余水量为9.33 亿m3，不实施提、调水工程，水资源量能够充足保障经济社会用水；在偏丰水年，2017年的剩余水量2.71 亿m3，2040年剩余水量为4.25 亿m3，该情景下，不用实施提、调水工程，水资源量能够保障经济社会用水；在平水年，2017年的缺水量0.92 亿m3，2040年剩余水量达到0.62 亿m3，该情景下，若仍按照2016年乌鲁木齐市提、调水，并使用中水合计0.92 亿m3，水资源量能够保障经济社会用水；在偏枯水年，虽然2017年的缺水量1.42 亿m3，但到2040年剩余水量为0.12 亿m3，该情景下，若在2017-2025年加大提、调水力度，增加中水用水量到1.42 亿m3，节约利用水资源，能够保障经济社会用水，到2040年，水资源能够保障经济社会用水。

实施水资源配置高方案，在多年平均、丰水年和偏丰水年情景下，不实施提、调水工程，也不使用中水，水资源量能够保障经济社会用水；在平水年，实施提、调水工程，并使用中水，水资源量能够保障经济社会用水；偏枯水年情景下，必须加大提、调水工程和中水用水，水资源量才能够保障经济社会用水。因此，水资源配置高方案是较优方案。

4 讨论及结论

4.1 讨 论

(1)利用系统动力学理论，构建乌鲁木齐市经济社会用水过程预测模型，并设置水资源配置低、中、高方案，对乌鲁木齐市2017-2040年的需水量进行计算机仿真预测分析，进一步分别测算多年平均、丰水年、偏丰水年、平水年和偏枯水年情景下，水资源配置低、中、高3种方案的缺水量，根据缺水情况，选择出较优方案。与其他同类研究相比，得出的结论更为接近实际。

(2)模型变量的设置还有待完善。受数据资料缺乏的限制没有将农村牲畜养殖用水、渔业养殖用水、回用水等纳入模型；同时，模型预测的时间过长，应分段设计速率预测将更符合实际情况。

4.2 结 论

未来23 a，乌鲁木齐市将面临较严重的缺水问题，通过比较分析水资源配置低、中、高3种方案，得出以下结论。

(1)水资源配置低方案不可持续。即保持2016年人口和产业发展速度，以及产业用水、城镇用水、农村居民生活用水等用水指标，适度增加生态用水量。2017-2040年乌鲁木齐市产业、城镇、农村居民生活和生态用水将呈增加态势，需水总量由10.75 亿m3增加到11.56 亿m3。在多年平均情景下，通过实施提、调水工程并使用中水共增加0.92 亿m3水量，水资源量能够保障经济社会用水；在丰水年和偏丰水年时，水资源量能够充分保障经济社会用水；但若遇到平水年和偏枯水年份，即使实施提、调水工程，并使用中水共增加0.92 亿m3水量，2040年缺水量分别为0.86 亿m3、1.36 亿m3，难以保障经济社会用水。

(2)水资源配置中方案也不可行。即适当提高水资源利用效率，降低人口和产业发展速度，进一步增加生态用水量。2017-2040年乌鲁木齐市的需水总量由10.71 亿m3减少到10.47 亿m3。其中，产业需水量呈减少趋势，城镇需水量、农村居民生活需水量、生态需水量呈增加趋势。在多年平均、丰水年和偏丰水年情况下，不用实施提、调水工程，也不使用中水情况下，水资源量能够保障经济社会用水；遇平水年，实施提、调水工程，并使用中水共0.92 亿m3，2017年缺水量为0.05 亿m3，到2040年剩余水量0.19 亿m3，水资源量勉强保障经济社会用水；遇偏枯水年，实施提、调水工程，并使用中水共0.92 亿m3，虽然缺水量由2017年的0.55 亿m3下降到2040年的0.31 亿m3，但是水资源量仍难以保障经济社会用水。

(3)水资源配置高方案是较优方案，但遇偏枯水年，需要加大提调水和使用中水力度，水资源才能保障经济社会用水。即加大节水力度，提高水资源利用效率，降低人口和产业发展速度，进一步增加生态用水量。2017-2040年乌鲁木齐市的需水总量由10.66 亿m3减少到9.12 亿m3，其中，产业需水量、城镇需水量、农村居民生活需水量减少，生态需水量呈增加趋势。在多年平均、丰水年和偏丰水年情况下，不用实施提、调水工程，也不使用中水情况下，水资源量能够保障经济社会用水。遇平水年，实施提、调水工程，并使用中水，水资源量能够保障经济社会用水；遇偏枯水年，实施提、调水工程，并使用中水，2017年的缺水量0.5 亿m3，之后缺水量逐年减少，到2040年剩余水量达到1.04 亿m3。其中：2017-2025年需要加大提、调水和使用中水力度，水资源才能保障经济社会用水；2026-2040年，提、调水和使用中水共0.92 亿m3，水资源能够保障经济社会用水。

□