模型的系统流图与运行结果

第六章　区域典型水资源系统“易”理论SD建模仿真

第一节　安定区水资源系统SD模型构建

一、研究对象与基础数据来源

结合引洮工程水资源配置方案和第五章的研究成果，对工程受水区的水资源概况和开采利用现状做了必要的研究，对外调水资源的配置方面，给出了外调洮河水量分配给受水区11个县区的工业生产、农林灌溉、畜禽饲养、城乡生活计划水量，但是对具体的某个县区如何做到水资源循环经济利用以及如何确保地区水资源利用与环境保护之间的关系等方面未作深入系统地研究。

结合本研究的第五章分析后认为，定西市安定区是定西市的经济社会发展的中心和工农业生产的重点之一，同时，也是引洮工程一、二期的主要受益地区之一，其受水量占引洮工程外调水资源配置总量的24%，在11个受水区县区中占第一位。同时，选取安定区作为本研究的对象，因其具有如下特点:

该地区用水现状中水资源用户较全面，涉及农业灌溉、工业生产、畜禽养殖、城乡居民生活等，较为完整和有系统性;

引洮工程外调水资源分配给该地区的水量较大且涉及农业灌溉、工业生产、畜禽养殖、城乡居民生活等方面;

该地区社会经济各要素的关联性较强，且经济社会发展要素较全面，且影响因素较多，研究具有典型性;

由第五章结论知，该地区的水污染负荷分担率较高(52.09%)，有必要对水污染负荷的变化可能对地区水环境质量的影响进行研究;

该地区基础设施具有一定基础和发展条件，便于所制定各项调控策略在实际运作中具有较强的可操作性;

鉴于此，这里选取引洮工程研究区内的代表性地区之一——定西市下辖的安定区，将其作为水资源系统的SD建模仿真与调控管理的典型对象。对系统的动态模拟时段为2009年～2050年，其中，2009为基期年，2012年为引洮一期工程通水运行起始年; 2020年为引洮二期工程通水起始年。

本研究的数据主要来源于《甘肃省引洮供水一期工程水资源优化配置方案》、《引洮二期工程水资源配置方案》和历年的《定西市统计年鉴》、定西市环境质量统计数据、安定区(原定西县)国民经济和社会发展统计数据、《安定区国民经济和社会发展公报》，及实地调研中有关单位提供的其他一些补充资料。

二、模型的系统边界与框架结构

本研究将系统动力学方法与水资源系统“易”理论相结合，对安定区水资源数量和质量的系统演变进行建模分析，体现了系统分析的整体性、对立统一性的辩证思想。按照“自顶向下为主、上下联调为辅”的设计思路，根据所建立的安定区水资源系统SD模型，总体包括有:水资源数量盈亏平衡和水资源质量污染负荷两个子系统。前者又包括有工业生产、农业灌溉、畜禽饲养、污废水再生利用、城镇生活、农村生活等、水资源供给等模块;后者又包括有生活COD污染负荷、生活氨氮污染负荷、工业COD污染负荷、工业氨氮负荷、工业六价铬污染负荷、污染减排等模块，具体系统模型框架由两个模块组成(图6-1)。

基于“易学”中太极八卦思想，图6-1反映了本研究将水资源系统“易”理论中的思想贯穿于系统动力学建模之中。首先，安定区水资源调用系统是太极八卦途中的“太极”;水资源调用系统外的环境是八种卦象。太极阴阳对称代表着安定区水资源盈亏平衡与协整的措施;“阳鱼”表示水资源供给子系统;“阴鱼”表示水资源需用子系统，二者相互依赖相互作用，通过安定区污废水的产生、排放、处理、再生、回用而联系，从而使进入系统内部的水资源在安定区内相互转化、动态演替;而在系统与外环境之间通过水资源调节系数和水环境风险调控因子两个因素使系统与外环境得以联系，相互作用和影响。系统内水资源盈亏平衡直接作用于水资源调节系数，水资源调节系数又进一步影响水资源需用子系统和地区经济社会的发展的某些要素;在系统外环境中，污染负荷随着地区GDP和工业总产值的提升而增强，但同时地区GDP也带来相应的污染减排投资的增加，进而相应的减排措施在一定程度上又抑制了污染负荷;进入环境中的污染负荷因子不利于水环境的改善，而水环境风险程度又直接影响系统内水资源供给子系统的运行状态。由此，从整个的安定区水资源系统中解构出，水资源调用子系统的水资源盈亏平衡对应于“太极”，而外界水环境风险系统则对应于“八卦”。两者之间通过水资源调节系数和水环境风险系数相互关联和作用。

图6-1　安定区水资源系统模型的框架图解

通过水资源系统内部各要素以及水资源系统与外环境之间这种相互影响相互制约的系统规律，水资源系统随着时间的推移，系统的运行状态也呈现出某种规律性的变化，需通过进一步完善模型，随揭示其内部运行机理。因此，用SD对安定区水资源系统建模，解析系统与环境之间的相互作用关系，非常适合。

三、模型的系统反馈回路

通过构建系统模型的反馈回路，来确定参数变量之间的定性关系，因本系统结构较为复杂，系统反馈回路繁多，这里选取其中的几个回路说明:

盈亏水量占总需求量的比例(+)→水资源调节系数(+)→大牲畜存栏数变化率(+)→大牲畜存栏数变化量(+)→大牲畜存栏数(+)→大牲畜用水量(+)→畜禽饲养用水量(+)→水资源总需用量(+)→水资源供需盈亏(-)→盈亏水量占总需求量的比例(-)，正反馈回路;

水资源总供给量(+)→水资源供需盈亏(+)→盈亏水量占总需求量的比例(+)→水资源调节系数(+)→年均人口自然增长率(+)→年人口增长量(+)→总人口(+)→城镇人口(+)→农村人口(-)→农村家庭户数变化量(-)→农村家庭户数(-)→农村集雨面积(-)→农村地区集雨量(-)→雨水总利用量(-)→水资源总供给量(-)，负反馈回路;

水资源供需盈亏(+)→盈亏水量占总需求量的比例(+)→水资源调节系数(+)→年均人口自然增长率(+)→年人口增长量(+)→总人口(+)→城镇人口(+)→城镇日生活用水量(+)→地区城镇生活污水产生量(+)→城镇生活污水处理量(+)城镇生活污水再生利用量(+)→城镇污废水综合利用量(+)水资源总需用量(-)→水资源供需盈亏(-)，正反馈回路;

水资源总需用量(+)→盈亏水量占总需求量的比例(-)→水资源调节系数(-)→年均人口自然增长率(-)→年人口增长量(-)→总人口(-)→城镇人口(-)→城镇日生活用水量(-)→城乡年生活用水量(-)→水资源总需用量(-)，负反馈回路;

水环境风险系数(+)→地区生产总值增长率(+)→地区生产总值增长量(+)→地区生产总值(+)→年水污染治理环保投资(+)→当年水污染物减排资金(+)→水污染物减排资金增长率(+)→生活污水COD减排率(+)→进入环境水体中年生活污水COD的量(-)→当年进入环境中的COD总量(-)→上一年进入环境中的COD总量(-)→进入环境中的COD年增长率(-)→水环境风险系数(-)，负反馈回路;

年生活污水中COD的产生量(+)→进入环境水体中年生活污水COD的量(+)→当年进入环境中的COD总量(+)→上一年进入环境中的COD总量(+)→进入环境中的COD年增长率(+)→水环境风险系数(+)→地区生产总值增长率(-)→地区生产总值增长量(-)→地区生产总值(-)→年生活污水中COD的产生量(-)，正反馈回路;

四、模型的参数变量与方程

本系统的SD模型中共包含相关的SD方程和参数说明185个，其中水平变量有22个，对应的速率变量有22个;为了对主要变量和参数的描述更符合客观规律，另构造了若干辅助变量和表函数;此外，为便于清晰、准确、简明地展现系统模型中变量之间的相互关系，还构造出了一些隐藏变量。为使仿真模型更贴近现实情况的要求，其中的部分方程的构造，运用了Smooth函数等技术处理手段，具体模型的方程及变量的表达结果和有关说明详见附录。

五、模型的系统流图与运行结果

根据系统动力学的建模原理并基于Venism PLE 5.10软件平台，结合所构建的安定区水资源系统结构框图、反馈回路，依托课题调研所收集整理后的相关数据，分别赋给变量方程中有关参数的初值，经模拟实验，构建完成安定区水资源系统调控模型SD流图，该流图分为水资源盈亏平衡和水污染负荷调控两部分，二者之间通过某些隐藏变量相关联(图6-2，图6-3)。经过对系统反复调试实验，得到所建系统模型的仿真运行情况(附图1、2)。

图6-2　安定区水资源系统调控摸型的SD流图（Ⅰ）——水资源盈亏平衡部分

图6-3　安定区水资源系统调控摸型的SD流图（Ⅱ）——水资源盈亏平衡部分

第二节　安定区水资源系统SD模型仿真

一、水资源盈亏平衡模块

(1)经济社会发展态势

1)人口与城镇化水平

基于2009年安定区城镇化率21%的实情，城镇化率的变化按年均增长3%考虑，2009年～2050年全区总人口、城镇化水平的变化仿真趋势(图6-4和表6-1)。

图6-4　2009年～2050年安定区人口与城镇化水平动态模拟

表6-1　2009年～2050年安定区人口与城镇化水平仿真结果

由图6-4和表6-1分析可知，伴随着安定区城镇化率的不断提高，城镇人口的增速要高于总人口的增速，因此，农村人口数量总体呈现下降趋势，至2050年，城镇化率超过80%。

2)地区经济总体水平与工农业生产

根据统计资料，结合2009年安定区的地区生产总值、工业总产值农作物有效灌溉面积、人工造林面积、园地面积的现状，并通过实地调研和访谈，按照农作物有效灌溉面积年变化率1.5%、人工造林面积年变化率和园地面积变化率均为1%，结合水资源变化趋势(以水资源调节系数为参照)，对2009年～2050年全区的地区经济总体水平与工农业生产进行动态仿真(图6-5和表6-2)。

图6-5　2009年～2050年安定区地区经济总体水平与工农业生产动态模拟

由图6-5和表6-2分析可知，2009年～2020年期间，因为受到水资源匮乏的影响，安定区经济总体水平和工农业生产发展缓慢，2020年伴随引洮工程一、二期全线通水，水资源对地区经济的发展支撑作用表现明显，地区GDP和工业生产总值发展均现“指数型”增涨趋势，种植业和养殖业的发展速率也明显提升。

表6-2　2009年～2050年安定区经济总体水平与工农业生产动态仿真结果

(2)水资源利用需求

1)农业水资源需用情况

根据甘肃省农村生活用水定额和陇中片区主要作物用水定额，并参考引洮工程水资源配置方案等资料，确定出2009年安定区的畜禽用水定额、农作物与林木浇灌用水定额，结合地区农业发展实际与未来节水趋势，确定2009年～2050年各自用水定额序列(见附录相应的表函数)，进行动态仿真(图6-6和表6-3)。

图6-6　2009年～2050年安定区农业灌溉用水量与畜禽养殖用水量动态模拟

表6-3　2009年～2050年安定区农业灌溉用水量与畜禽养殖用水量仿真结果

由图6-6和表6-3分析可知，农业灌溉用水量与畜禽养殖用水量均呈现整体上升的趋势，但2009年～2020年由于引洮工程未全线通水，水资源对当地经济发展的制约作用还比较明显。因此，农业灌溉总需用水量会在2009年～2020年出现显著下降趋势;之后，伴随供水量提升必然促使包括农业在内的需水部门用水量的增加，但因农业灌溉水利用效率(由灌溉水利用系数表函数来控制，见附录)会随着科技的进步和节水效率的提高而提升; 2020年之后虽然农业灌溉对水的总需用量会有所上升，但是不会增长过快，且在2030年之后基本保持平稳。

2)工业水资源需用情况

根据调研有关资料，对安定区主要工业部门的用水定额平均后，确定2009年基期年的工业用水定额平均为36m3/单位工业产值，工业水重复利用率为平均为17%，按照地区未来经济社会发展计划和节能要求，设置地区工业用水定额和工业水重复利用率表函数(附录)，对2009年～2050年安定区的工业用水量和工业新水用量进行动态仿真(图6-7和表6-4)。

图6-7　2009年～2050年安定区工业用水量与工业新水用量动态模拟

表6-4　2009年～2050年安定区工业用水量与工业新水用量动态模拟

由图6-7和表6-4分析可知，2009年～2050年期间，安定区的工业用水量和工业新水用量均呈现明显增加趋势，但工业用水量总体上与工业增加值的增长态势趋近，即增速始终上升;而工业新水用量因为会随着工业水重复利用率的不断提升，其增速会不断放缓，即工业新水用量整体的增长地“加速度”小于零，dx2/dt＜0。

3)城乡生活需用情况

根据2009年安定区人口统计数据，并结合安定区总人口和城镇化率发展仿真结果以及甘肃城镇居民用水定额和农村居民用水定额的数值(以表函数形式，见附录)，模拟2009年～2050年安定区城乡居民用水量变化情况(图6-8和表6-5)。

图6-8　2009年～2050年安定区城乡居民用水量情况变化动态模拟

表6-5　2009年～2050年安定区城乡居民用水量情况变化仿真结果

由图6-8和表6-5分析可知，农村居民生活用水量随着农村人口的逐渐减少而不断下降，城镇生活用水量随着城镇化率的不断提升而逐渐上升，因引洮工程全线通水后，伴随供水量的大幅增加，这种趋势更为明显，在2020年前后，城镇生活用水量将逐渐超过农村居民生活用水量。此外，因城镇居民生活用水定额会随着城镇化水平的提升而增加，类比发达地区，城镇居民生活用水定额会由目前的130L/per·d左右提高到2050年的145L/per·d左右(详见附录)。

(3)水资源供给能力

1)常规水资源供给能力

在这里常规水资源是指，地表水与地下水资源，实地调研并根据前文分析(见第五章)后可得出，引洮工程的受水区，包括安定区在内，大部分地区的地下水已经超采，地表水虽有一定开发利用能力，但是根据目前水利设施基建情况，在未投运新的地表水水利设施的前提下，其进一步开发利用的潜能不太大。

鉴于此现实情况，在近期，外调水资源工程(如引洮工程)投运后对地区的水资源供给能力的提升将起到至关重要的作用。根据引洮水资源配置方案的设计，可分配给安定区的引洮水量一期工程为5982万m3，二期工程投运后合计为9707万m3。此外，根据保护地下水资源和水文地质环境的迫切需要，对地下水采取“限采”和“治超”的措施，控制并逐步削减对地下水资源的开采利用量。同时，根据2011年国家有关加强农田水利等基础设施建设的政策和要求，进一步挖掘和提升安定区现有地表水资源的开发利用潜能，对安定区常规水资源进行动态仿真(见图6-9和表6-6)。

图6-9　2009年～2050年安定区常规水资源供给能力动态模拟

表6-6　2009年～2050年安定区常规水资源供给能力动态模拟

由图6-9和表6-6分析可知，在2012年和2020年是安定区水资源的两个跃迁平台期;引洮供水前，地下水开采利用能力随得到一定的限制和抑制，总体呈下降趋势，但是因为考虑地区经济社会发展实际，不能一蹴而就，在引洮供水后，“限超”和“治采”措施得以显现，会经历一个比较快的下降期，2040年之后，地下水的开采降低到一个科学合理和环境可以承载的范围内。地表水资源的保障供给能力则会伴随水利设施的不断完善稳步提升。

2)非常规水资源(边缘水资源)供给能力

①雨水收集利用

安定区属陇中半干旱地区，多年平均年降水量425.1mm，根据农村集雨面积，和城区集雨面积，分别仿真2009年～2050年安定区农村和城区的集雨量。降水的实际利用水平伴随城镇化水平的提高相应的雨水收集利用水平也会相应地提高，通过模拟实验和类比有关资料，确定雨水实际利用系数变化规律(详见附录)。据此，对安定区雨水收集利用水平进行动态仿真(图6-10和表6-7)。

图6-10　2009年～2050年安定区雨水收集利用动态模拟

表6-7　2009年～2050年安定区雨水收集利用仿真结果

由图6-10和表6-7分析可知，农村地区的集雨量会伴随农村人口的逐步减少，而增长趋势放缓，增长率的变化率小于0，即，dx2/dt＜0;城区集雨量相反，会伴随城镇化率的提升，其增长率的变化率会大于0，即，dx2/dt＞0;因城区集雨量比重较农村地区集雨量的比重大。因此，雨水总可利用量的变化的“加速度”dx2/dt＞0。

②污废水与苦咸水再生利用

根据经济社会的发展和水资源总体需用量的增长，城乡污废水产生量也必然随之发生变化，经调研发现，2009年安定区基本没有对生活污水进行有效的再生利用;工业废水的再生利用仅10%左右，农村地区对污水的再生利用15%左右，根据地区缺水的实际和未来水资源再生利用技术的应用和推广，构造相应的污废水再生利用表函数(见附录)。另外，安定区主要地处陇中黄土沟壑地区，通过第五章研究发现，其境内至少有240万m3的苦咸水。据此，对安定区污废水和苦咸水的再生利用进行动态仿真(图6-11和表6-8、6-9)。

图6-11　2009年～2050年安定区城乡污废水产生量及其与苦咸水再生利用量动态模拟

表6-8　2009年～2050年安定区城乡污水与工业废水产生量仿真结果

表6-9　2009年～2050年安定区污废水与苦咸水再生利用量仿真结果

由图6-11左图和表6-8分析可知，农村居民污水产生量因农村人口的逐渐减少而相应递减，农村牲畜饲养的污水产生量因随着养殖业的发展会有所上升，2020年之前，后者增长的速率大于前者下降的速率，所以农村地区污水产生量呈现上升趋势; 2020年之后，则相反，因此，总体农村地区污水产生量变化的“加速度”dx2/dt＜0。城镇生活污水产生量和工业废水产生量会随着城镇人口数量和工业用水总量的不断提高，仔细观察发现，由于工业废水产生系数会随着地区清洁生产水平和生产工艺和技术的改进逐渐降低(以表函数形式表现，见附录)，因此，工业废水产生量的增长率在2040年之后会减缓。

由图6-11右图和表6-9分析可知，农村地区污水再生利用量会随着农村污水再生利用系数的不断提高和农村污水产生量的双重作用，表现为总体上升趋势，增长的变化率则逐渐减小;工业废水的再生利用量变化与工业废水的产生量趋同，由于工业废水的再生利用量远大于城镇生活污水再生利用量。因此，工业废水的再生利用量决定了城镇污水再生利用量的总体变化趋势。此外，随着未来需用水量的增加，部分矿化度不太高的苦咸水，经过一定的技术处理，可以作为城乡部分对水质要求不高的用户的补充水源。

3)虚拟水资源(嵌入水资源)供给能力

虚拟水资源(也称嵌入水资源)，是区别于普通水资源的流动性、以管道输送形式，通常是嵌入(或是封装、集成)在一定的固体物质中，通过一定的运输形式在人类经济社会活动中流转或市场化交易来完成对其的利用过程。比如农产品、生物或食品中所富含的水等，通过市场交易从水资源较为丰富的地区运送至对水资源需求的用户。对该类水资源的充分利用，可以在一定程度上缓解本地区自产水资源的不足，同时，也能够运用经济手段调整富水地区与贫水地区之间水资源的供需矛盾，激活水资源市场的动力。从这个角度上讲，也是对贫水地区水资源供给能力的提升起到了一定的补充和改善作用。

因为这部分水资源在实际经济社会系统中已经发生了作用，本系统将其纳入到水资源供给能力中进行了考虑，设计了虚拟水资源要素，但是该类水资源在我国目前主要以理论研究为主，还未被广泛地纳入实际的水资源计量账户中。因此，在本系统动态仿真结果中假定赋给安定区虚拟水资源一定的数值(见附录)，使其参与到整个水资源系统的动态仿真运行之中。

(4)水资源盈亏平衡

结合图6-1并对以上安定区水资源供需各变量的动态仿真后认为，水资源总需用与水资源总供给量之间必然存在盈亏关系的变化，该盈亏平衡因子也是整个水资源系统的调节杠杆和调和水资源供需矛盾的驱动因素。基于此，整个水资源系统的供需平衡关系会自然得出动态仿真结果(图6-12和表6-10)。

图6-12　2009年～2050年安定区水资源盈亏平衡动态模拟

表6-10　2009年～2050年安定区水资源盈亏平衡仿真结果

由图6-12和表6-10分析可知，2020年，即引洮工程全线通水之前，由于受水资源匮乏压力的影响，安定区水资源总需用量呈下降趋势，其中在2012年前，因水资源“需大于供”，所以水资源供需盈亏呈现负值，2009年基期年缺水4251万m3，2012年引洮一期工程向安定区配水约5900万m3，暂时扭转了水资源匮乏的局面，但是随着地区经济社会的发展，此种压力并未能得到较好地缓解;伴随着2020年引洮二期工程的结束，安定区从引洮供水中受益水资源总量达到9700万m3，使地区的水资源压力得到进一步缓解，2020年地区水资源过盈6700万m3，由于供水量的增加，地区工农业生产和城镇居民生活需用量也会随之在一定程度上增加，之后水资源过盈的势头逐渐消落，但随着诸如节水措施和水资源再生利用工程的投运、科学用水和配水机制的作用等一系列技术和管理举措发挥作用，2040年之后，水资源供需总体保持平衡，并略有盈余。

二、水环境风险调控模块

地区经济社会发展系统对其外环境的作用和影响势必会导致环境变化对系统的反作用。因此，对系统与环境之间作用演变的关系进行研究至关重要。

(1)水环境风险权重的确定

根据第五章中污染负荷分析中有关污染物指标权重系数的确定，这里选取其中的工业废水中的氨氮、工业废水中的化学需氧量(工业废水COD)、工业废水中的六价铬(Cr6+)，生活污水中的化学需氧量(生活污水COD)、生活污水中的氨氮为对安定区水资源系统仿真模型可能产生影响的水环境污染负荷风险因子。这里，选用AHP-Delphi法，确定上述因子的各自权重(表6-11)。

表6-11　研究区水污染风险权重系数

将所确定的污染风险权重赋于所构建的安定区水资源系统仿真模型(其流图见图6-2和6-3)中的污染负荷调控模块中相应的变量，就水资源系统对其水环境的影响进行动态模拟后，分析2009年～2050年安定区水污染负荷的演变情况。

(2)水环境风险调控的动态仿真

1)地区经济对污染物减排的影响变化

鉴于水资源系统与系统外水环境之间存在某种客观的联系，需要对系统外水环境随水资源系统的动态演变做以研究。据分析，地区污废水主要污染物与地区经济社会发展关系密切，相应的污染防治投资是削减和减缓污染对环境影响的主要调控手段。根据系统模型(图6-2)，设定环保投资所占比重表函数为当年地区生产总值的2%～3%(详见附录)，对地区生产总值、地区工业总产值、年水污染治理环保投资和水污染物减排资金增长率做动态仿真(图6-13和表6-12)。

图6-13　2009年～2050年安定区地区经济社会发展与环保投入动态模拟

表6-12　2009年～2050年安定区地区经济社会发展与环保投入仿真结果

由图6-13和表6-12分析可知，年水污染治理环保投资因受地区生产总值直接影响，也呈现指数型增长。水污染减排资金年递增率受时间延迟的影响，在2013年之前，由于受到地区水资源匮乏的约束继而影响到地区经济社会发展水平，因此水污染减排资金年递增率呈现下降趋势，即其变化的速度小于零，即，dx2/dt＜0;在2013年和2022年因为地区水资源得到补充，促进了地区经济社会的发展，相应的环保资金投入的增加量递增明显。因此，2013年～2023年之间水污染减排资金年递增率的变化速度大于零，即，dx2/dt＞0;之后伴随水资源需用量的增加，水资源过盈量占总需求量的比例略有下降，也即水资源调节系数略有下降，因此相应的地区经济发展递增速度和相应的污染物减排资金递增速度会略有放缓，但在2048年前后基本保持稳定。由此可看出，水污染物减排资金年增长率在一定程度上收到水资源系统运行状态的影响。

2)生活污染负荷变化量

根据地区生产总值和水污染减排资金的变化，并对单位GDP生活污水中COD和氨氮的排放量做了考虑，对生活污染物(主要是COD、氨氮)年单位GDP中产生量的递减率按照3%设定，进而构造单位GDP污水中主要污染物排放率的水平方程，使年生活污水中污染物产生量更符合实际要求。此外，对生活污水COD和氨氮进入环境的总量减排率(不是单位废水水中污染物去除率)也通过减排技术性因子表函数、污染物风险调控因子(根据本章2.2.1中确定的权重赋值)和水污染减排资金增长率等(详见附录)的共同作用来确定，从而对地区生活污染物的减排情况进行动态仿真(图6-14和表6-13)。

图6-14　2009年～2050年安定区生活污染物减排情况动态模拟

表6-13　2009年～2050年安定区生活污染物减排情况仿真结果

由图6-14和表6-13分析可知，因为年水污染减排资金保持递增趋势，且伴随污染治理技术水平的不断提高，生活污水COD和氨氮的减排率也逐年提升，但在2030年之后，由于污染治理工艺技术的去除率逐步趋近于100%，其污染减排率必然增长速率放缓，即在2030年后，污染减排率的变化率小于0，即，dx2/dt＜0;由于地区经济社会的发展，污染物进入环境水体的总量总体呈现逐年增长趋势，但伴随污染减排率的逐步提高和单位GDP污水中主要污染物排放率的下降，在2045年之后，每年进入环境水体中污染物量的增长率的变化率小于0，即，dx2/dt＜0，可看出其在2050年前后基本趋于稳定。

3)工业污染负荷变化量

因为工业污染物的产生，主要受工业发展速度的影响，同时，因清洁生产技术水平的不断提升，不仅要考虑污染治理，也应将单位工业生产总值废水中主要污染物排放率纳入研究范围，鉴于同等条件下，工业废水中污染物对环境的影响和污染风险较生活污水大，这里对工业废水污染物(主要是COD、氨氮、Cr6+)的年单位工业生产总值中产生量的递减率按3.5%设定，并基于本章2.2.1污染物风险权重的确定基础之上，对工业发展过程所产生废水中的COD、氨氮、六价铬(国家一类控制污染物，Cr6+)的减排和进入环境水体的情况进行动态仿真(图6-15和表6-14)。

图6-15　2009年～2050年安定区工业污染物减排情况动态模拟

表6-14　2009年～2050年安定区工业污染物减排情况仿真结果

由图6-14和表6-13分析可知，工业废水中污染物减排率均呈近似线性的增长趋势，主要缘于现阶段安定区的工业污染减排率较低，减排提升的空间较大。而工业废水中污染物进入环境水体中的量受地区工业的发展、单位工业总产值污染物排放率、污染物减排率的共同作用，在2040年之前呈现“正加速度”增长趋势; 2040年前后，逐渐转向“负加速度”增长趋势，至2050年前后逐步趋于稳定，这主要由于单位工业产值污染物排放率已经达到了较低的控制水平，污染物减排率都已经达到了一个较高的控制水平，故此尽管地区工业总产值仍呈现“指数型”增长趋势，但进入环境水体的量(因COD在河流中的衰减约为0.2d-1，氨氮在河流中的衰减约为0.1d-1;而Cr6+为重金属污染物，迁移非常低，几乎不衰减与水中物质络合后非常稳定，故COD和氨氮采用年进入环境水体中的量; Cr6+采用历年进入环境水体中的累积量)不断增加，但逐渐趋于稳定。

4)水环境风险调控状态变化量

根据地区主要水环境污染物的排放情况，从各主要污染物的时序变化解析出年变化规律，结合本章2.2.1中所确定的COD、氨氮、Cr6+的权重系数，并通过一定的数据技术处理(如用Smooth函数“降噪”处理等，保持数据更符合环境变化的实际情况)，构建水环境风险系数方程，并动态仿真(图6-16和表6-15)。

图6-16　2009年～2050年安定区水环境风险情况动态模拟

表6-15　2009年～2050年安定区水环境风险情况仿真结果

由图6-15和表6-14分析可知，2020年之前水资源的供给能力虽有所提升，但因地区经济社会发展水平还相对较低，对水资源的需用量也不太大，无论是生活污水还是工业废水的产生量都相对较小，污染物排放量也相对较小; 2020年之后一段时间内，伴随着水资源的供给能力进一步提升，地区经济社会发展水平逐步提高，对水资源的需用量也迅速增长，相应的污废水排放量也有所增加。因此，水环境风险系数会略有所上升，但是由于相应的环保投入的比例在增加，水污染治理、清洁生产工艺的实施使得单位废水中污染物排放量的减少，随着时间的推移，减排效果越好，水环境风险系数在略微上升后又逐渐降低。所以，总体而言，地区的水环境风险系数呈现逐渐下降的趋势，即有利于当地水环境改善。

(3)不同环保方案下的情景模拟

通过本章2.2.2水环境风险调控模型的动态仿真分析后，可以看出水环境与水资源系统之间存在着相互管理和相互制约的关系。进而认为，有必要对不同的水污染治理方案，可能会对水资源系统产生的影响做以研究。

根据环保投资占当年GDP的2%～3%，环保投资中，主要用于水污染防治、大气污染防治、固体废弃物污染治理等当面，设定水污染治理投资占环保总投资的比例有三种不同的方案:低方案(20%)、中方案(35%)、高方案(50%)，对三种不同的水污染防治环保方案分别进行动态仿真，环保方案与水环境风险、地表水开发利用增长量、水资源调节系数之间的关系如下:

水污染治理资金所占比例↑→水环境风险系数↓→地表水开发利用增长量↑→水资源调节系数↑

实验观察不同环保方案对水环境风险，进而对水资源系统中的当地地表水开发利用量作用结果，再对水资源调节系数可能产生的影响(表6-16)。

表6-16　三种环保方案的环境风险调控对水资源系统的影响仿真结果

注:水污染治理投资占环保总投资比例的三种方案:低方案为0.2;中方案为0.35;高方案为0.5

通过不同方案的动态仿真，由表6-16分析可知，三种环保方案的水环境风险系数总体随时序变化均呈现下降趋势。2020年之前，同一年中，水污染治理投资比重较高的方案，环境风险系数较小，分析认为在水资源需用量较低的时期，相应的环保投入比例较高，对环境风险的控制能起到一定的促进作用;当地区经济社会发展到一定程度，水资源需用量较大时，这种方案之间的差异越来越不明显，在某种情况下，可能高的环保方案所导致的环境风险的下降，促使了地区水资源利用量的增加，相应的污废水排放量必然增加，因为伴随污染减排能力和清洁生产工艺水平的提升(结合图6-14和图6-15)，2020年之后，出现了高的环保方案导致了高的环境风险系数。因此，随时间推移，环境风险受环保投资作用的影响更小，更多地其他影响因素的作用。鉴于总体环境风险逐步降低，对地表水资源，进而对水资源调节系数可起到促进作用。因此，较高的环保投资，对地表水环境的改善和水资源供给能力的提升起到的作用较大，但是随时间的推移，三种不同的环保方案对水资源系统作用效果之间的差距在逐渐缩小。

第三节　本章小结

根据“易”理论研究，构建适合安定区的水资源系统“易”模型，并分别对水资源盈亏平衡模块和水环境风险调控模块进行动态仿真实验，从实验结果看，按照该“易”模型构建的安定区水资源系统，在外调水资源的补充和对本区水资源的循环经济利用的基础上，从长远来看，安定区水资源总体为盈余状态，初步仿真结果表明，2050年，水资源盈余量约3600万m3。从水资源系统的仿真结果看，系统中最重要的是供与需、取与排之间的平衡关系起到调节的作用，有需求就促进供给，当供给不能满足需求时，有必然限制了需求的增长;取水量大，排水量相应增加。只有调整好二者之间的平衡关系，才能保证系统稳定。

对水资源系统外环境风险进行分析后，认为，水资源系统外环境对水资源本身也起到一定的调控作用。当水环境受到污染风险的压力加重时，其对水资源系统的运行主要起约束和限制作用;反之，则起到促进和改善的作用。在对安定区水资源系统构建的“易”模型中，充分考虑了制约系统运行稳定、健康、平衡等因素，充分考虑了系统与环境之间、系统内诸要素之间的关系，充分、高效、有序、合理地利用可控水资源。从长远角度看，水环境风险是呈下降趋势，正是水环境风险的逐步减小，确保了地区水资源盈亏平衡且略有盈余。在水资源的供给量较小时，整体体统的水环境承载力较弱，水环境风险较高，较高的环保投入能够较好地起到抑制和减缓环境风险的作用，当水资源供给量较大，其需用量自然也相应提高，这时，水资源的“抗风险的弹性”较强，较高的环保投入对水污染的治理率的提高程度有限，由于用水量的不断增长其单位时间内进入环境水体中的总量仍保持上升趋势，随着污废水中污染物的减排效能不断提高，单位时间内进入水环境中的污染物最终趋于稳定。因此，对安定区而言，在2020年以前，较高的环保投入对于降低水环境风险将起到直接的作用;之后，在保持一定的环保投入的基础上，还需要通过综合考量其他环境影响因素，确保水环境风险满足水资源系统长期健康稳定运行的需要。

通过本章水资源系统的“易”模型仿真实验，可认为，“易”模型充分考虑到了安定区水资源调用系统内，取水、调水、用水、排水之间的关系，用定量与定性相结合的手段为水资源的科学合理调配和利用提供了研究的思路与模式;同时，“易”模型也充分考虑到了系统与系统外环境之间的关系，通过对安定区环境的风险辨识与比较，给主要的环境风险赋以一定的权重，并通过系统动态模拟，实验分析了环境对系统的作用程度。综上所述，“易”模型在水资源系统方面的应用充分体现了统一对称、适度均衡、动态循环的易学思想，能够较好地适应对现代水资源系统的理论研究与实践管理的需要。