基于系统动力学的水资源可持续利用研究.doc

基于系统动力学的区域水资源可持续利用研究

范佳君 09096111
摘要：将系统动力学方法应用于区域水资源可持续利用研究,结合实际情况,在宏观调控的基础上,建立了水资源的系统动力学模型,涉及到整个区域的经济、社会、人口、环境等诸多因素,通过计算机仿真模拟,分析水资源的需求状况,改善水环境的严峻形式,提出了较为合理的水资源配置方案。
关键词：水资源；系统动力学；反馈回路；可持续利用

1引言
随着社会的快速发展，人们在水资源上的需求进一步提高，水资源相对稀缺。水资源分布不均的特性与地区经济发展的用水量不协调,地表径流少,保证程度差,主要靠开采地下水供水,导致浅层地下水开发利用率很高。现状一部分地区供水不能满足需水的要求,地表水水源工程供水量有限,为保证城市用水和工业用水,只有挤占农业用水、超采地下水和牺牲环境用水,导致城乡供水矛盾加大、地下水超量开采、水体污染严重等一系列问题,加之水资源浪费严重,节水投入不足,节水效率不高等,水资源问题已经成为制约区域经济发展的重要因素。水资源可持续利用其基本思路是在自然资源的开发中，注意因开发所致的不利于环境的副作用和预期取得的社会效益相平衡。保证为社会和经济可持续发展合理供应所需的水资源，满足各行各业用水要求并持续供水。此外，水在自然界循环过程中会受到干扰，应注意研究对策，使这种干扰不致影响水资源可持续利用。研究水资源可持续利用的相关影响因素，给出可行的规划方案有其重要意义。
2.1“可持续利用水资源系统”模型结构分析
水资源系统是一个具有动态复杂性的开放系统,在建立水资源的系统动力学模型时,不仅要考虑水资源系统本身的各个组成因素,还必须要考虑社会、经济、科学与技术、资源与环境等系统的交叉反馈作用。针对研究问题的需要,建立水资源系统模型的基本原则是将对水资源因子有直接影响关系的因素划分在边界之内。
水资源可持续利用模型是一个高阶、非线性和多回路的反馈系统,运用美国公司开发的专用系统动力学软件建立系统模型,可以对系统动力学模型进行构思、模拟、分析和优化。区域水资源系统的输入输出相对稳定。通过降水，河流湖泊补充水资源，而地下水的输出在一定时间内保持相对稳定。通过查询资料和分析，得出“可持续利用水资源”模型主要问题是供需不平衡所致,主要包括人口、农业、工业、政府制度、生态环境、水资源等6个子系统。由于影响因素较多及因素间的关系较复杂,多数的社会经济系统具有对系统内部参数变动不敏感性及对政策变更的抵制性等特性,所以表现为相对的稳定性。按问题的主要矛盾将系统分为可持续利用水资源量，居民数量，农业用地量，工厂数量，政府执行污染管制力度，区域湿地水土保持程度（注：湿地指陆地与水域之间的过渡地带，广义上包括沼泽、滩涂、低潮时水深不超过6米的浅海区、河流、湖泊、水库、稻田等）6个子系统的流位流率对。子系统的流位流率对如下（其中，（Li）(i=1,2,--6)表示流位变量，（Ri）(i=1,2,--6)）表示流率变量）：
L1(t),R1(t)——可持续利用水资源量（无纲量）及其改变量（无纲量）；
L2(t),R2(t)——居民数量（人）及其改变量（人/年）；
L3(t),R3(t)——农业用地量（公顷）及其改变量（公顷/年）；
L4(t),R4(t)——工厂数量（个）及其改变量（个/年）；
L5(t)，R5(t)——政府执行污染管制力度（无纲量）及其改变量（无纲量）；
L6(t),R6(t)——区域湿地水土保持程度（无纲量）及其改变量（无纲量）；从而得到整个“可持续利用水资源”模型的流位流率系：
{[ L1(t),R1(t)],[ L2(t),R2(t)],[ L3(t),R3(t)],[ L4(t）,R4(t)],[ L5(t)，R5(t)],[ L6(t),R6(t)]}。
针对已经建立的流位流率系，根据系统动力学的反馈思想，可以建立“可持续利用水资源”模型的系统流图，从而得到系统反馈结构。
2.2“可持续利用水资源”模型的整体反馈结构
根据系统动力学流率基本入树建模法建立模型的流率基本入树。
2.2.1建立流位控制流率的定性分析二部分图
根据流位控制流率变量的系统动力学建模思想，对所有流位变量和流率变量的内在关系进行定性分析，得到流位控制流率的定性分析二部分图。
1） 居民数量影响人均使用水资源量，农业用地、工厂数量都会占用可利用水资源量。政府执行污染管制力度 、区域湿地水土保持程度都会控制可用水资源量，所以流位L2(t)，L3(t)，L4(t)，L5(t)，L6(t)共同控制可持续利用水资源变化量R1(t)流率的变化。
2） 可持续利用水资源量，工厂数量，政府执行污染管制力度都影响着环境的变化，从而可知L1(t)，L4(t)，L5(t)共同控制居民数量变化量R2(t)流率的变化。
3） 居民数量影响所需粮食量，而区域湿地水土保持程度决定了可供水资源量，所以L2(t)，L6(t)共同控制农业用地变化量R3(t)流率的变化。

4） 工厂数量增加将加大工厂之间的资源占用和竞争，居民数量增加使得工厂土地成本增加，政府执行污染管制力度的加大使得工厂投资治理污染成本增加，工厂利润降低，也会减少工厂数量。所以L2(t)，L4(t)，L5(t)共同控制工厂数量改变量R4(t)流率的变化。
5） 可持续利用水资源量的降低将增大管制污染力度，工厂数量的增加将加大排放污水量，政府不得不加大管制力度，区域湿地水土保持程度的降低也迫使政府采取相关措施。所以，L1(t)，L4(t)，L6(t)共同控制政府执行污染管制力度改变量R5(t)流率的变化。
6） 居民对水土资源的一定程度的使用将破坏水土保持程度，农业用地的增加使得林地，植被资源减少。政府执行污染管制力度的改变对区域生态环境稳定因子有影响。所以，L2(t)，L3(t)，L5(t)共同控制区域湿地水土保持程度该变量R6(t)流率的变化。

图1 “可持续利用水资源”定性分析二部分图
综上分析，由流位控制流率关系的二部分图出发，考虑流位具体通过哪些中间变量或者之间控制流率的关系，便可建立流率基本入树模型，得到反映各流位控制各流率之间关系的二部分图（图1）。
2.2.2 构造流率基本入树模型
根据系统动力学流率基本入树建模法，通过对流位变量控制流率变量路径的分析，得到各流率基本入树模型（图2）。

(a) 可持续利用水资源流率基本入树T1

（b）居民数量流率基本入树T2 (c)农业用地流率基本入树T3

(d)工厂数量流率基本入树T4 (e)政府执行污染管制力度流率基本入树T5

(f)区域湿地水土保持程度流率基本入树T6
图2 “可持续利用水资源”模型流率基本入树
2.2.3构造“可持续利用水资源”系统基模生成集
建立极小基模生成集过程中，寻找极小基模元素时，采用树尾流位出发分析法。
第一步：求一阶极小基模
对每棵入树Ti(t)(i=1,2……6)，T4树尾含有对应的流位，因此自作嵌运算存在一阶极小基模。
第二步：求二阶极小基模
1）考察T1(t),从T1t)的树尾出发确定产生二阶极小基模的入树组合
因为T1(t)尾中含有L2(t),L3(t),L4(t),L5(t),L6(t)五个流位，而L2(t),L5(t)尾中有含有L1(t)的流位。所以，T1（t）分别与L2(t),L5(t)作嵌运算，可以生成二阶极小基模。
G12(t)=T1(t)UT2(t),G15(t)=T1(t)UT5(t)的流图结构如下图（图3）

二阶极小基模G12(t) 二阶极小基模 G15(t)
图3 G12(t),G15(t)的流图结构
基模1 : G12(t)=T1(t)UT2(t) 此基模刻画了可持续利用水资源量与居民数量的相互制约关系。从中可以发现，居民数量增加，可持续利用水资源量减少，制约环境影响因子，从而减少居民数量。
基模2: G15(t)=T1(t)UT5(t) 此基模刻画了可持续利用水资源量与政府执行污染管制力度的相互制约关系。从中可以发现，可持续利用水资源量增加，治理水污染需求程度降低，使得政府执行污染管制力度降低，工厂处理废水能力降低，从而可持续利用水资源量减少。

2） 分别考察T2(t)，T3(t),确定产生二阶极小基模的入数组合。
得到极小基模G24(t)=T2(t)UT4(t)如下图4

图4 G24(t)流图结构
基模3 : G24(t)=T2t)UT4(t) 此基模刻画了只考虑居民数量与工厂数量为主的流位情况下，二者出现恶性循环的影响关系。工厂数量增加，环境因子的影响使得人口数量降低，工厂获得的土地和水资源增多，促进工厂的发展，工厂数量增加。

3)考察T3，T4，T5，确定产生二阶极小基模的入树组合。
分析得到以下基模:
G36(t)=T3(t)UT6(t),G45(t)=T4(t)UT5(t),G56(t)=T5(t)UT6(t)
G36(t)流图结构 G45(t)流图结构
基模4: G36(t)=T3(t)UT6(t) 此基模刻画了农业用地量与区域湿地水土保持程度的相互制约关系。从中可以发现，农业用地量增加，林地、植被面积减少，区域湿地水土保持程度降低，可供农业用地量减少，使得农业用地量减少。
基模5 : G45(t)=T4(t)UT5(t) 此基模刻画了工厂数量与政府执行污染管制力度之间的相互制约关系。从中可以发现，工厂数量增加，治理水污染程度需求增加，政府执行污染管制力度增加，工厂投资治理水污染成本增加，工厂效益降低，从而使工厂数量减少。

G56(t)流图结构
基模6 :G56(t)=T5(t)UT6(t) 此基模刻画了政府执行污染管制力度与区域湿地水土保持程度之间的相互制约关系。从中可以发现，政府执行污染管制力度加大工厂投资治理水污染力度加大，区域湿地水土保持程度增大，可供农业用地量增大，治理水污染需求程度降低，从而政府执行污染管制力度降低。

此时二阶基模的集合为：
{G12(t),G15(t),G24(t),G36(t),G45(t),G56(t)}
不存在未进入反馈基模的入树。不必分析三阶极小基模。
3.影响水资源可持续利用的基模分析。
管理方针：
由基模1、3分析，人口数量应该控制在一个适当水平，不能超过系统的承载能力，否则将带来人口与环境之间的恶性循环。
由基模4分析，农业用地不得占用过大比重，在条件符合的范围，可以适当减少农业用地，扩大植被、林地的面积，保持区域水土、生态平衡
由基模2、5、6分析，政府执行污染管制力度对整个系统的平衡起到重要作用，政府应该严格控制工厂的水污染处理力度，尽可能的加大管制强度，保证居民的生活环境和周围水土保持程度。
由基模3、5分析，工厂数量对系统的影响同样重要，在保证工厂正常运作的情况下，减少工厂的浪费，资源的过量占用显得尤为重要。
4 结束语
依据系统动力学方法建立了水资源系统模型,综合反映了各因素之间的相互作用和相互关系,定性的分析了水资源系统各状态变量随时间的变化关系,通过宏观调控、合理配置水资源等措施可以使其达到尽可能的供需平衡状态。使用系统动力学复杂反馈分析能有效的得出总体结构，明确各因素之间的相互联系，为决策的制定提供依据。

参考文献
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