1 研究背景

2008年5月，中共廣東省委,、廣東省人民政府頒布了推進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移的決定,，試圖通過(guò)“雙轉(zhuǎn)移”推動(dòng)全省經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，加快全省率先基本實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化步伐,。為此,，2009年至2015年期間，清遠(yuǎn)市共承接了4個(gè)省級(jí)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范園和2個(gè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移集聚地,。產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),，也給當(dāng)?shù)氐乃Y源帶來(lái)一定壓力。鑒于此,，本文采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)清遠(yuǎn)市“十三五”期間水資源承載力在不同方案下的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),，以期為清遠(yuǎn)市完成《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》中水資源與水環(huán)境相關(guān)指標(biāo)提供思路，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與水資源的協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考,。

2 清遠(yuǎn)市系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

1956年,，美國(guó)麻省理工學(xué)院Forrester教授創(chuàng)立了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),。它是一種以系統(tǒng)論、信息反饋控制理論為基礎(chǔ),，以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為手段,，定性與定量相結(jié)合，專門研究復(fù)雜社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的方法[1],。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型因其以反饋控制理論為基礎(chǔ),，可處理高階次、非線性,、多重反饋,、復(fù)雜時(shí)空變化系統(tǒng)問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)，自上世紀(jì)80年代引入國(guó)內(nèi)以來(lái),，廣泛被應(yīng)用于探究水資源承載力問(wèn)題[2-5],。

清遠(yuǎn)市水資源承載力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜大系統(tǒng)，涉及的因素包括人口,、經(jīng)濟(jì),、資源、環(huán)境等,，各因素之間既相互關(guān)聯(lián)又相互制約,。經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時(shí)對(duì)人口也有一定的集聚效應(yīng)，這兩者均會(huì)給水資源和水環(huán)境造成巨大的壓力,，進(jìn)而影響到水生態(tài)環(huán)境,，最終將會(huì)制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。本研究通過(guò)構(gòu)建清遠(yuǎn)市水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,，探究隨著清遠(yuǎn)市經(jīng)濟(jì)尤其是工業(yè)產(chǎn)值的增加,，引起的人口、經(jīng)濟(jì),、水資源,、水環(huán)境四者之間相互關(guān)系的改變，尋求社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的最佳方案,?？傁到y(tǒng)包括四個(gè)子系統(tǒng)：經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、人口子系統(tǒng),、水資源子系統(tǒng),、水環(huán)境子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系如圖1所示,。模型的邊界為清遠(yuǎn)全市行政邊界,，模擬年限為2015—2020年，基準(zhǔn)年為2014年，模擬時(shí)間間隔為1 a,。

2.1 子系統(tǒng)

1) 人口子系統(tǒng)

經(jīng)濟(jì)發(fā)展的人口集聚效應(yīng)使得短時(shí)間內(nèi)人口增長(zhǎng)迅速,，給水資源和水環(huán)境帶來(lái)巨大壓力，使得水資源短缺以和水生態(tài)惡化問(wèn)題突出,，從而造成水資源承載力下降,，最終影響到經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展?？?cè)丝跀?shù)是該模型的一個(gè)重要狀態(tài)變量,，涉及的變量包括：總?cè)丝凇⑷丝谀暝鲩L(zhǎng)速度,、農(nóng)村人口、城鎮(zhèn)人口等,。

圖1 清遠(yuǎn)市水資源承載力總系統(tǒng)示意

2) 經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)

經(jīng)濟(jì)發(fā)展必然要追求經(jīng)濟(jì)效益的最大化,，在利益的驅(qū)動(dòng)下，難免會(huì)造成自然資源的過(guò)度開(kāi)發(fā),。若協(xié)調(diào)不好經(jīng)濟(jì)發(fā)展,、水環(huán)境、水資源三者的關(guān)系,，那么水環(huán)境的污染和水資源的短缺將成為清遠(yuǎn)市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的絆腳石,。系統(tǒng)涉及的變量主要包括：工業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)率變化表函數(shù)等,。

3) 水資源子系統(tǒng)

水資源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),，又是社會(huì)生產(chǎn)力布局的必要條件?？晒┧偭亢涂傂杷渴潜灸Ｐ偷暮诵?，借助多種輔助變量與經(jīng)濟(jì)、人口子系統(tǒng)連接,，體現(xiàn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)與水資源之間的動(dòng)態(tài)制約關(guān)系,。涉及的變量主要有：總需水量、可供水總量,、地下水供水能力,、地表水供水能力、水資源供需差,、污水回用量等,。

4) 水環(huán)境子系統(tǒng)

水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的好壞是可持續(xù)發(fā)展的重要指示因子。水環(huán)境子系統(tǒng)的3個(gè)核心變量包括生活污水,、工業(yè)廢水和第三產(chǎn)業(yè)廢水,。考慮到指標(biāo)的代表性以及數(shù)據(jù)的可得性,，選取氨氮排放總量和COD排放總量作為廢水中污染物的參考指標(biāo),。涉及到的變量還包括：污水總量,、生活污水排放量、工業(yè)廢水排放量,、第三產(chǎn)業(yè)廢水排放量,、污水回用量、污水處理率等,。

2.2 變量方程

SD模型主要包括5類變量：狀態(tài)變量L,、輔助變量A、表函數(shù)T,、速率變量R和常數(shù)變量C,，清遠(yuǎn)市水資源承載力模型中的主要變量及相互關(guān)系見(jiàn)表1。

2.3 歷史檢驗(yàn)

所謂歷史檢驗(yàn),，就是選擇歷史時(shí)刻為初始點(diǎn),，從頭開(kāi)始進(jìn)行仿真，然后用已有歷史數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差,、關(guān)聯(lián)度等檢驗(yàn)[6],。一般認(rèn)為，誤差的絕對(duì)值在5%以內(nèi)表示模型可靠性較高,，可以接受模型結(jié)果,。對(duì)模型中污水總量、總?cè)丝?、總需水量,、COD排放總量4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的有效性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)時(shí)間為2010—2014年,。由表2可見(jiàn),，檢驗(yàn)的4個(gè)參數(shù)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的誤差的絕對(duì)值在0.05%～3.73%之內(nèi)，預(yù)測(cè)值較為準(zhǔn)確,，模型的可信度較高,。

2.4 預(yù)測(cè)方案設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)的總體因果關(guān)系回路以及各子塊的局部因果關(guān)系回路可以發(fā)現(xiàn)，位于主反饋回路與局部反饋回路交叉點(diǎn)上的參數(shù)往往起主導(dǎo)作用[6],。因此,，結(jié)合清遠(yuǎn)市水資源系統(tǒng)的具體情況，選取地表水供水能力,、

表1 SD模型主要方程

序號(hào)變量名稱變量方程式1總?cè)丝?萬(wàn)人L=INTEG(+人口年增長(zhǎng)速度,總?cè)丝诔跏贾?2工業(yè)產(chǎn)值/萬(wàn)元L=INTEG(+工業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)速度,工業(yè)產(chǎn)值初始值)3人口年增長(zhǎng)速度/萬(wàn)人R=總?cè)丝凇寥丝谠鲩L(zhǎng)率×(1-1×缺水程度×0.01)4第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)速度/萬(wàn)元R=第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值×第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)率×(1-2×缺水程度×0.01)5工業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)速度/萬(wàn)元R=工業(yè)產(chǎn)值×工業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)率×(1-2×缺水程度×0.01)6城鎮(zhèn)人口/萬(wàn)人A=總?cè)丝凇脸鞘谢?城鎮(zhèn)生活需水量/億m3A=城鎮(zhèn)人口×城鎮(zhèn)居民生活用水定額×365/1e+0078生活需水量/億m3A=城鎮(zhèn)生活需水量+農(nóng)村生活需水量9總需水量/億m3A=生活需水量+工業(yè)需水量+農(nóng)業(yè)需水量+第三產(chǎn)業(yè)需水量+生態(tài)需水量10第三產(chǎn)業(yè)需水量/億m3A=第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值×單位三產(chǎn)產(chǎn)值用水量/1e+00811工業(yè)需水量/億m3A=工業(yè)產(chǎn)值×萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值用水量/1e+00812工業(yè)新鮮用水量/億m3A=工業(yè)需水量×(1-工業(yè)用水重復(fù)利用率)13工業(yè)廢水排放量/億m3A=工業(yè)新鮮用水量×工業(yè)廢水排放系數(shù)14可供水總量/億m3A=地表水供水能力+地下水供水能力+污水回用量15污水總量/億tA=工業(yè)廢水排放量+生活污水排放量+第三產(chǎn)業(yè)廢水排放量16水資源開(kāi)發(fā)利用程度A=總需水量/(地表水資源總量+地下水資源總量)17污水回用量/億tA=污水處理量×污水回用率18污水處理量/億tA=(污水總量-農(nóng)村生活需水量×生活污水排放系數(shù))×污水處理率19COD排放總量/tA=(污水廠COD出水標(biāo)準(zhǔn)×污水處理量+未處理污水總量×單位污水中COD含量)×100+農(nóng)業(yè)COD排放量20氨氮排放總量/tA=(污水廠氨氮出水標(biāo)準(zhǔn)×污水處理量+單位污水中氨氮含量×未處理污水總量)×100+農(nóng)業(yè)氨氮排放量

地下水供水能力,、農(nóng)田灌溉定額、城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用水定額,、工業(yè)用水重復(fù)利用系率,、污水處理率、污水回用率作為決策變量，對(duì)清遠(yuǎn)市水資源承載力進(jìn)行4個(gè)方案的模擬仿真,，根據(jù)仿真結(jié)果,，最后確定清遠(yuǎn)市社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展最優(yōu)方案。

不同的水資源利用政策影響著水資源承載力的大小,，在SD模型中,，參數(shù)的數(shù)據(jù)在模擬仿真時(shí)可以根據(jù)不同的方案重新設(shè)定，以便于模擬不同水資源利用政策下的水資源承載能力,。各方案決策變量的取值參考了《清遠(yuǎn)市水資源綜合規(guī)劃》,、《清遠(yuǎn)市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》、《清遠(yuǎn)市水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃》等,。各方案名稱及決策變量取值見(jiàn)表3,。

表2 SD模型歷史檢驗(yàn)結(jié)果

參數(shù)2010年2011年2012年2013年2014年實(shí)際值/億m320.420.520.418.418.5總需水量運(yùn)行值/億m320.420.620.418.518.7相對(duì)誤差/%0.200.340.250.871.19實(shí)際值/萬(wàn)人370.4373.8376.6379.1381.9總?cè)丝谶\(yùn)行值/萬(wàn)人370.2372.8375.5377.8380.8相對(duì)誤差/%-0.05-0.27-0.29-0.35-0.29實(shí)際值/億t3.23.22.72.72.8污水總量運(yùn)行值/億t3.33.22.62.62.7相對(duì)誤差/%1.560.93-3.73-2.20-3.20實(shí)際值/t/78385709766968866184COD排放總量運(yùn)行值/t/80393686616841565515相對(duì)誤差/%/2.56-3.26-1.83-1.01

表3 清遠(yuǎn)市水資源承載力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬方案一覽

序號(hào)名稱決策變量取值方案一現(xiàn)狀發(fā)展模式根據(jù)清遠(yuǎn)市“十三五”經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展主要指標(biāo),2020年清遠(yuǎn)市的GDP達(dá)到2300億元,第二產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重49%,第三產(chǎn)業(yè)增加值所占比重達(dá)到43%,常住人口達(dá)到400萬(wàn)人以及常住人口城鎮(zhèn)化率達(dá)到60%方案二采用節(jié)流政策模式降低城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用水定額,降低農(nóng)田灌溉定額,提高工業(yè)用水重復(fù)利用系率、污水回用率方案三采用污染治理政策模式采用先進(jìn)技術(shù)提高污水處理率,清遠(yuǎn)市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要指出,到2020年,清遠(yuǎn)市城市污水處理率將達(dá)到95%方案四開(kāi)源,、節(jié)流,、污染治理政策并舉模式在合理的范圍內(nèi)提高地表和地下水供水能力,降低城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用水定額,降低農(nóng)田灌溉定額,提高污水處理率,提高工業(yè)用水重復(fù)利用系率、污水回用率

2.5 模型運(yùn)行結(jié)果分析

1) 總需水量分析

如表4和圖2所示,，水資源總需水量的4種模擬方案均呈現(xiàn)出逐年上升的變化趨勢(shì)，原因是隨著經(jīng)濟(jì)的逐步發(fā)展,，清遠(yuǎn)市城市化水平不斷加劇,，需水量也隨之激增。

表4 總需水量模擬變化結(jié)果 億m3

方案2015年2016年2017年2018年2019年2020年方案一19.55220.04420.59621.21621.91322.698方案二19.21619.58620.01620.51421.08821.750方案三19.55220.04420.59621.21621.91322.698方案四19.21619.58620.01620.51421.08821.750

(a)

(b)

圖2 總需水量模擬變化示意

由圖2可出,，各方案需水量遞增速率基本上集中于2種趨勢(shì),。方案一、三曲線的位置較高,，總需水量增長(zhǎng)最為迅速,，按照這兩個(gè)方案發(fā)展，到2020年清遠(yuǎn)市的總需水量將達(dá)到22.698億m3,。長(zhǎng)此以往,，清遠(yuǎn)市水資源將供不應(yīng)求。方案三和方案一2015—2020年的總需水量預(yù)測(cè)值相同,，說(shuō)明在目前清遠(yuǎn)市經(jīng)濟(jì)高速的發(fā)展模式下,，僅提高城市污水處理率對(duì)降低總需水量作用不大。方案二,、四預(yù)測(cè)出的2020年清遠(yuǎn)市總需水量相同,，均為21.750億m3，比方案一,、三少了近1億m3的需水量,。由此表明，采用節(jié)流政策，即提高工業(yè)用水重復(fù)利用系率,，提高污水回用率,，降低城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活用水定額，降低農(nóng)田灌溉定額這些節(jié)流政策對(duì)減緩總需水量增長(zhǎng)的效果十分顯著,。方案二和方案四總需水量逐年的預(yù)測(cè)值相同也進(jìn)一步論證了提高地表和地下水供水能力也不能達(dá)到降低需水量的效果,。城市高的需水量需要配備相應(yīng)高的水資源供給量，因此,，清遠(yuǎn)市若想經(jīng)濟(jì)獲得長(zhǎng)效穩(wěn)定的發(fā)展,，必須采取一定的節(jié)流措施減緩需水量的增加。

2) COD排放總量分析

工業(yè)廢水中COD的排放量一直在COD排放總量中占較高比重,，工業(yè)飛速發(fā)展的同時(shí)勢(shì)必會(huì)引起COD排放總量的不斷上升,。而清遠(yuǎn)市天然河道的納污量有限，若不采取措施,，定會(huì)影響水資源的持續(xù)利用以及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,。如表5和圖3所示，COD排放總量的4種模擬方案均呈逐年上升的趨勢(shì),，遞增速度方案一>方案二>方案三>方案四,。按照這些方案發(fā)展，到2020年清遠(yuǎn)市的COD排放總量為71 578.5～88 284.9 t,。

表5 COD排放總量模擬變化結(jié)果 t

方案2015年2016年2017年2018年2019年2020年方案一69963.672722.375874.279474.983587.788284.9方案二67632.670183.873096.076419.680212.084539.2方案三69963.670937.571898.372824.473688.374454.6方案四67621.868492.769346.870164.270919.171578.5

(a)

(b)

圖3 COD排放總量模擬變化示意

方案一是維持目前高速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式,，COD排放總量增長(zhǎng)最為迅速，方案二各年份COD排放總量預(yù)測(cè)值略低于方案一,，說(shuō)明單獨(dú)采用節(jié)流措施對(duì)COD排放有一定的抑制作用,。方案三和方案四中COD排放總量的增長(zhǎng)率顯著小于前兩個(gè)方案，由此可見(jiàn),，提高污水處理率的效果明顯好于提高工業(yè)用水重復(fù)利用系率,、污水回用率等節(jié)流措施。方案四中COD排放總量曲線位置最低,，若按這個(gè)方案發(fā)展,，到2020年清遠(yuǎn)市的COD排放總量為71 578.5 t。所以,，方案四是篩選出的最優(yōu)方案,，即同時(shí)實(shí)施開(kāi)源、節(jié)流,、治污措施能達(dá)到顯著減緩COD排放總量增長(zhǎng)的效果,。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)構(gòu)建清遠(yuǎn)市水資源承載力模型，模擬了“十三五”期間清遠(yuǎn)市需水總量和污染物排放總量的發(fā)展趨勢(shì),，由此可見(jiàn),，承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移引起了承接地的經(jīng)濟(jì),、社會(huì)及水資源開(kāi)發(fā)利用的狀態(tài)變化，清遠(yuǎn)市在“十三五”期間,，水資源和水環(huán)境仍然面臨巨大壓力,。因此，若想緩解當(dāng)?shù)氐乃Y源承載壓力,，保證經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,，必須開(kāi)源、節(jié)流,、治污多管齊下,。首先，采取節(jié)水,、清潔生產(chǎn)模式,，在居民中推廣節(jié)約用水，降低污水排放量,；其次,，加大科技投入、提高工業(yè)污水回用率,；此外,，還需改革管理模式，加強(qiáng)污水排放監(jiān)督,，加大污水偷排處罰力度等,。

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