人工岛地下水稳定条件（海南岛南渡江流域水资源安全系统起作用的原因及如何演变）

人工岛地下水稳定条件（海南岛南渡江流域水资源安全系统起作用的原因及如何演变）南渡江是海南岛最大河流，受自然因素影响，其水文、地质、光照等条件与其他河流相差较大。河流全长333.8 km 流域面积7 033 km2 上游建有松涛水库、龙塘水坝等大型工程，流经7个市县，最后注入琼州海峡。流域地处海南省北部，具有丰富的光照和热能，流域内有明显的干、湿两季，台风较为频繁；多年平均气温23.5 ℃ 年均日照时长为2 100 h 年均相对湿度85% 年均降水量1 929.2 mm。受气候变化和人类活动影响，当前南渡江水资源存在以下几个问题：(1)季节性缺水；(2)主要污染为COD排放，其比重占有机污染排放的89.44%;(3)水土涵养功能下降。本研究通过采用系统动力学软件VENSIM建立南渡江水资源安全系统模型，从系统结构、系统特征定量分析其影响机理，并探究其演变规律，旨在为热带典型流域可持续发展提供参考。基金：海南省自然科学基金(419MS019);国家自然科学基金(5

摘 要：

水资源是区域可持续发展的重要部分，当前流域水资源问题频发，研究水资源安全系统影响机理及演变可为流域水资源管理提供参考。应用系统动力学(SD)方法建立南渡江水资源安全系统模型，探索系统的制约因素及其主要驱动因子变化时系统的反馈结果。结果表明：(1)水资源安全系统的主要制约因素为经济受COD排放的影响和缺水程度，前者主要驱动因子为工业废水排放系数和GDP变化率，后者主要驱动因子为GDP变化率、污水处理率和第三产业产值变化率；(2)降低工业废水排放系数，可有效降低水环境污染对经济的影响，提高城市污水回用能有效解决流域缺水问题；(3)在2025年，GDP增长率提高5%、10%、15%、20%的过程中，缺水程度分别达到-2.17%、-0.97%、0.23%、1.43% 适当提高污水处理率对南渡江流域水资源可持续发展有促进作用，研究可为其他水资源可持续发展提供参考。

关键词：南渡江;水资源安全;系统动力学;影响机理;演变;

作者简介：梁栩(1995—) 男，硕士，主要从事水资源与水环境研究。E-mail:347604464@qq.com;*叶长青(1982—) 男，副教授，博士，主要从事水资源与水环境研究。E-mail:yechangqing2001@hotmail.com;

基金：海南省自然科学基金(419MS019);国家自然科学基金(52069006 51569009);海南省科协青年科技英才学术创新计划项目(HAST201629);

引用：梁栩，朱丽蓉，林尤文，等． 海南岛南渡江流域水资源安全系统影响机理及演变研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52 ( 8) : 101-109. LIANG Xu，ZHU Lirong，LIN Youwen，et al． Influence mechanism and evolution of water resources security system in Nandu Ｒiver Basin ［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 8) : 101-109.

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0 引 言

水资源是地球表层系统中最易受影响和最活跃的因子。随着人类活动的加剧，水资源的开发和利用受到了严峻的挑战，主要表现在水资源短缺和极端水文事件的增加。关于水资源的研究开展较早，主要有水资源承载力评价、水资源风险评估以及生态水环境等。但就已有成果而言，对水资源安全系统影响机制和演变规律研究较少且存在一定的困难，主要是因为水资源安全系统的复杂性以及系统中众多影响因素使水资源系统呈现模糊性。水资源安全是指区域人类生存发展所需水资源、维系流域中生态环境、人民生命财产免受水资源短缺、水环境污染等损失的能力。系统影响机理指系统中各要素之间的互相作用 水资源系统演变指影响因子和变化趋势的综合分析。李春梅等利用统计学方法研究了北方干旱半干旱地区水资源的演变规律，评价了开发利用及供需状况。贾仰文等利用分布式水文模型对人类影响下黄河流域水资源演化规律进行了探究。宋保平等对近50年来滹沱河不同流域水资源安全演变规律和影响机理进行了研究。然而，从水资源安全影响机理研究成果看，目前热带流域水资源安全研究甚少，且人类活动加剧促使水资源系统不确定性更加突出，研究愈发困难。SD(System Dynamics)是一种能研究复杂系统的科学，能反映系统参数影响机理，适用于不确定性、非线性、多变量的水资源系统。SIMONOVIC[20 21]运用SD建立了全球水模型，对世界水资源情况进行了宏观评价，表明系统动力学能有效处理复杂的水系统。张巧显等认为，SD在处理复杂的水资源系统中优势显著。

本研究通过采用系统动力学软件VENSIM建立南渡江水资源安全系统模型，从系统结构、系统特征定量分析其影响机理，并探究其演变规律，旨在为热带典型流域可持续发展提供参考。

1 研究区域及数据来源

南渡江是海南岛最大河流，受自然因素影响，其水文、地质、光照等条件与其他河流相差较大。河流全长333.8 km 流域面积7 033 km2 上游建有松涛水库、龙塘水坝等大型工程，流经7个市县，最后注入琼州海峡。流域地处海南省北部，具有丰富的光照和热能，流域内有明显的干、湿两季，台风较为频繁；多年平均气温23.5 ℃ 年均日照时长为2 100 h 年均相对湿度85% 年均降水量1 929.2 mm。受气候变化和人类活动影响，当前南渡江水资源存在以下几个问题：(1)季节性缺水；(2)主要污染为COD排放，其比重占有机污染排放的89.44%;(3)水土涵养功能下降。

模型参数及指标标准的原始数据来源于海南省统计年鉴、海南省环境统计公报、海南省环境状况公报、海南省水资源公报、海南省最严格水资源管理制度指标和海南省人口发展规划等。

2 研究方法2.1 模型介绍

系统动力学(System Dynamics 简称SD)是始于上世纪50年代的一种研究复杂系统机制、动态反馈并具有仿真预测功能的科学。其核心是反馈回路，根据参数动态行为可定量分析影响机理，并能预测仿真结果，具有良好的弹性，能够处理高阶复杂的系统问题。系统动力学模型方程包括状态变量、速率变量、辅助变量和常量，其中状态变量的动态由流率方程体现，反映其输入输出的关系，其本质是一阶微分方程组，用欧拉法数值积分表示为

式(2)的物理意义是流位的导数等于入流率同岀流率之间的代数和。

2.2 系统结构分析

水资源安全系统包括水资源、水环境和社会经济子系统，系统内部互相制约关系如图1所示。水资源安全受水系统和社会经济系统影响与制约，水资源、水环境、社会经济耦合为水系统，社会经济管理水系统，反馈作用于社会经济系统影响其发展。

系统内各要素跨子系统相互影响、相互制约，形成多重反馈的因果回路图(见图2)。主要因果链有以下几条(“ ”为正反馈，“-”为负反馈):

(1)总人口→ 城镇人口→ 城镇生活用水量→ 水资源总用水量→ 供需缺口→ 总人口。

(2)总人口→ 城镇人口→ 城镇生活用水量→ 生活污水处理量→ 水资源总供水量→-供需缺口→ 总人口。

(3)总人口→ 城镇人口→ 城镇生活用水量→ 生活污水处理量→ COD总量→ 经济受COD排放的影响→-GDP→-第三产业产值→-第三产业产值用水量→-水资源总用水量→ 供需缺口→ 总人口。

(4)供需缺口→ 缺水程度→ 水资源总用水量→ 供需缺口。

(5)供需缺口→ 缺水程度→-GDP→-第三产业产值→-第三产业产值用水量→-水资源总用水量→ 供需缺口。

(6)供需缺口→ 缺水程度→-GDP→-第二产业产值→-第二产业产值用水量→-水资源总用水量→ 供需缺口。

(7)GDP→ COD排放程度→ COD排放总量→ 经济受COD排放的影响→-GDP。

其中，(1)、(2)、(3)表示随着人口的增加，城镇人口相应增加，城镇生活用水以及生活污水处理量随之增加，水资源总供水量增加，供需缺口减小，反之刺激人口的增长；(4)表示供需缺口的扩大使缺水程度增加，水资源总用水量增加，供需缺口再一次扩大；(5) (6)表示供需缺口越大，各产业用水越多，水资源的总需求量越多，使供需缺口增大；(7)表示GDP的增加使COD排放强度增加，COD总量增加，经济受COD排放的影响变大，反之影响GDP增长。

2.3 模型建立

模型所设定的模拟时间为2010—2030年，用系统动力学软件Vensim-PLE建立南渡江流域水资源安全系统模型并进行有效性验证(步骤见参考文献[26]) 流图如图3所示。模型所涉及的主要变量方程有：(1)COD排放强度=COD排放总量/GDP(kg/万元);(2)水资源总供水量=地下供水量 污水回用总量 地表供水量 调水量(万m3);(3)GDP=GDP×GDP变化率×(1-2×缺水程度×0.01)-经济受COD排放的影响/10 000(亿元);(4)供需缺口=水资源总供水量-水资源总用水量(万m3);(5)COD排放总量=工业废水COD排放量 生活污水COD排放量 经处理COD排放量(kg)。

2.4 模型检验

2.4.1 历史检验

选取三个子系统中6个指标进行验证。将2010—2017年仿真值与历史值比较，计算误差，结果如表1所列，仿真值和历史值误差绝对值均小于10%。

2.4.2 灵敏度分析

选取模型中较重要的5个变量和5个参数，对2010—2015年序列分析。利用控制变量原则，每次改变一个参数的10% 求其他5个变量的响应值。其中，S为平均灵敏度，结果如表2所列。结果表明只有污水处理率的灵敏度达到10% 其余均低于10% 表明模型稳定性较高，适用性强。综合历史检验结果，该模型可实际用于南渡江水资源安全系统模拟。

3 结果与讨论3.1 系统影响机理分析

以南渡江水资源安全系统为基础，探索水资源安全系统制约因素对社会经济、水资源与环境的影响程度。21世纪的水资源在战略层面要注重水资源量的储存 且影响我国社会经济发展的制约因素有水资源短缺和水环境污染。取水资源层面的缺水程度(正值表示缺水，负值表示不缺水)和水环境—社会经济层面的经济受COD排放的影响两大制约因素。经济受COD排放的影响是指排放的COD总量对水体造成污染，进而对经济发展产生影响；缺水程度是指水资源量供不应求的程度，区域性缺水会对社会经济产生不良影响。图4表明南渡江水资源安全系统的影响机制，其中，经济受COD排放影响受城市污水排放系数、工业废水排放系数、工业产值变化率、GDP变化率和人口变化率影响；缺水程度受GDP变化率、人口变化率、污水处理率和第三产业产值变化率影响；二者的共同影响因子为GDP变化率和人口变化率。

将各因子较常规值提高10%和降低10% 其输出值分别与常规值比较。具体如表3和表4所列。

表3表明工业废水排放系数变化所来带的制约因素变化幅度最大，参数值提高10%的情况下2020、2025、2030年变化幅度分别达到9.172%、9.129%、8.820% 参数值降低10%的情况下变化幅度分别达到-9.172%、-9.129%、-8.820%。人口变化率所造成的变化幅度最小，其余影响因子除GDP外，绝对值均低于2%。故工业废水排放系数对经济系统受COD排放的影响作用最大，其次是GDP变化率，其他驱动因子对制约值影响不明显。

表1 历史验证结果

Table 1 Historical verification results

年 份	总人口/万人			GDP/亿元			污水总量/104 m3
	仿真值	历史值	误差/%	仿真值	历史值	误差/%	仿真值	历史值	误差/%
2010	430.46	430.46	0	2 405.7	2 405.7	0	8 563.7	8 175.6	4.74
2011	431.48	432.49	-0.23	2 581.3	2 583.9	-0.10	9 531.2	9 278.8	2.72
2012	424.20	423.65	0.12	2 699.3	2 703.9	-0.17	11415.6	11156.6	2.32
2013	427.36	426.37	0.23	2 863.4	2 870.6	-0.25	13485.4	13356.6	0.89
2014	428.05	428.00	0.01	2 985.7	2 995.4	-0.32	16151.5	15996.6	0.97
2015	425.76	426.69	-0.22	3 077.1	3 089.2	-0.39	18129.0	17963.5	0.92
2016	423.38	427.80	-1.03	3 203.2	3 218.4	-0.47	19666.4	20113.2	-2.22
2017	429.07	429.92	-0.20	3 372.5	3 391.1	-0.55	20758.4	21701.1	-4.34
年 份	城镇化率/%			污水处理率/%			工业用水量/104 m3
	仿真值	历史值	误差/%	仿真值	历史值	误差/%	仿真值	历史值	误差/%
2010	49.7	47.2	5.27	62.0	62.0	0.00	5 590.9	5 590.9	0.00
2011	50.5	50.2	0.60	64.0	69.5	-7.91	7 513.3	7 356.4	2.13
2012	52.6	51.3	0.58	69.0	73.4	-6.00	9 235.9	9 023.8	2.35
2013	53.1	53.1	0.00	74.0	76.0	-2.63	11256.2	11023.9	2.11
2014	53.8	53.7	0.19	82.0	78.7	4.19	13380.5	13452.6	-0.54
2015	55.1	55.1	0.04	84.0	80.2	4.74	15084.8	14623.1	3.16
2016	56.8	56.7	0.18	85.0	82.7	2.78	17012.3	16523.1	2.96
2017	58.0	58.1	-0.17	86.0	85.6	0.47	19005.1	18693.3	1.67

表2 灵敏度检验

Table 2 Sensitivity checklist

项 目	人口变 化率	GDP 变化率	污水 处理率	牲畜 变化率	城镇 化率
总人口	0.003 1	0	0	0	0
GDP	0	0.024 4	0	0	0
污水处理总量	0.001	0	0.100 0	0	0.048 3
COD排放总量	0.000 3	0.000 6	0	0	0.008 0
水资源总用水量	0.000 7	0	0	0.003 0	0.003 0
S	0.001 2	0.005 0	0.020 0	0.000 6	0.011 9

表4表明不同影响因子对缺水程度这一制约因素的作用，GDP变化率造成制约因素变化幅度最大，参数值提高10%的情况下，GDP变化率造成的缺水程度在2020、2025、2030年变化幅度分别为12.381%、15.116%、20.341% 参数值降低10%的情况下，缺水程度分别为-11.877%、-14.665%、-19.169%;污水处理率造成制约因素变化幅度次之。此外第三产业产值变化率在参数值分别提高和降低10%的情况下，缺水程度2025、2030年变化幅度分别为9.026%、4.408%、-9.027%、-4.377% 人口变化率造成的变化幅度最小，故GDP变化率、污水处理率及第三产业产值变化率为缺水程度的主要驱动因子。

综上，工业污水排放系数、GDP变化率、污水处理率和第三产业产值变化率为制约因素的主要驱动因子。

3.2 水资源安全系统演变研究

探索对不同影响因子的调节下，南渡江流域经济受COD排放的影响和缺水程度相关因子受上述4个主要驱动因子影响的变化趋势。模型设定在常规模式发展的基础上，将GDP变化率和工业及生活污水处理率较常规模式提高5%、10%、15%、20% 第三产业产值变化率、工业废水排放系数降低5%、10%、15%、20% 即方案均朝有利于流域安全方向发展。此外，设置一组综合发展模式，即将各因子均做相同变幅作为对比，得到不同变幅下制约因素的演变规律，如图5和图6所示。

表3 不同影响因子下经济系统受COD排放的影响变化

Table 3 Changes in economic systems affected by COD emissions under different impact factors

影响因子	年 份	常 规		参数提高10%			参数降低10%
		参数值	制约因素值 /万元	参数值	制约因素值 /万元	变化幅 度/%	参数值	制约因素值 /万元	变化幅 度/%
生活污水 排放系数	2020	0.800	25 377.8	0.880	25 536.9	0.627	0.720	25 218.7	-0.627
	2025	0.780	33 614.7	0.858	33 813.4	0.591	0.702	33 415.9	-0.591
	2030	0.750	38 198.0	0.825	38 426.1	0.597	0.675	37 969.8	-0.597
工业废水 排放系数	2020	0.730	25 377.8	0.803	27 705.4	9.172	0.657	23 050.2	-9.172
	2025	0.720	33 614.7	0.792	36 683.4	9.129	0.648	30 545.9	-9.129
	2030	0.700	38 198.0	0.770	41 566.9	8.820	0.630	34 829.1	-8.820
GDP 变化率	2020	0.106	25 377.8	0.117	25 377.8	0.000	0.095	25 377.8	0.000
	2025	0.164	33 614.7	0.180	34 669.5	3.227	0.148	32 562.6	-3.130
	2030	0.222	38 198.0	0.244	39 513.6	3.444	0.199	36 916.4	-3.355
人口变 化率	2020	0.016	25 377.8	0.018	25 377.8	0.000	0.014	25 377.8	0.000
	2025	0.012	33 614.7	0.013	33 628.8	0.042	0.011	33 600.6	-0.042
	2030	0.008	38 198.0	0.009	38 226.2	0.074	0.007	38 170.1	-0.073
工业产 值变化率	2020	0.116	25 377.8	0.128	25 377.8	0.000	0.104	25 377.8	0.000
	2025	0.090	33 614.7	0.100	33 944.7	0.982	0.081	33 284.6	-0.982
	2030	0.038	38 198.0	0.042	38 873.0	1.777	0.034	37 560.2	-1.670

表4 不同影响因子下缺水程度变化

Table 4 Changes in water shortage under different impact factors

影响因子	年 份	常 规		参数提高10%			参数降低10%
		参数值	制约因素 值/%	参数值	制约因素 值/%	变化幅 度/%	参数值	制约因素 值/%	变化幅 度/%
人口 变化率	2020	0.016	0.148	0.018	0.148	0.000	0.014	0.148	0.000
	2025	0.012	-0.041	0.013	-0.042	1.230	0.011	-0.040	-1.220
	2030	0.008	-0.168	0.009	-0.168	0.360	0.007	-0.167	-0.380
污水 处理率	2020	0.860	0.148	0.946	0.163	10.830	0.774	0.131	-11.252
	2025	0.880	-0.041	0.968	-0.037	10.170	0.792	-0.036	-11.358
	2030	0.900	-0.168	0.990	-0.138	17.860	0.810	-0.199	-18.807
第三产业产 值变化率	2020	0.181	0.148	0.199	0.148	0.000	0.163	0.148	0.000
	2025	0.108	-0.041	0.119	-0.045	9.026	0.097	-0.038	-9.027
	2030	0.069	-0.168	0.076	-0.175	4.408	0.062	-0.160	-4.377
GDP 变化率	2020	0.106	0.148	0.117	0.166	12.387	0.095	0.130	-11.877
	2025	0.164	-0.041	0.180	-0.035	15.116	0.148	-0.047	-14.665
	2030	0.222	-0.168	0.244	-0.134	20.341	0.199	-0.200	-19.169

图5表明经济受COD排放影响参数值随4个驱动因子的变化均有明显上升趋势。变化幅度从5%到20%的过程中，4个驱动因子对其产生不同程度的影响。污水处理率、综合模式与工业废水排放系数带来的变化逐渐变小，其中，工业废水排放系数带来的影响最小，这与高亚研究的降低工业废水排放系数能改善水环境一致；GDP变化率带来的影响逐渐变大，与邱德华得到的GDP增长率的变化会影响社会经济全面协调和快速发展相一致。第三产业产值变化率带来的影响与常规模式基本相同。因此，未来南渡江流域的发展过程中，适当提高污水处理率和降低工业废水排放系数有利于流域经济社会健康可持续发展。

图6表明在海南省最严格水资源管理等政策作用下南渡江流域缺水问题不太明显，缺水程度随4个驱动因子的变化均有下降的趋势。影响最大的驱动因子为GDP变化率，在2025年时，参数值提高5%到20%的过程中，其制约值分别达到-2.17%、-0.97%、0.23%、1.43% 当GDP增长率逐渐提高时，缺水程度逐渐增加，这与位帅所指出GDP的增长会给城市带来缺水问题所一致；此外，南渡江流域第三产业占比较大，其参数降低5%到20%的情况下，缺水程度最低。适当提高污水处理率、降低工业废水排放系数以及维持经济中低速增长对南渡江流域水资源供需不平衡有缓解作用。因此，未来流域追求经济发展的同时，增加污水处理的投资与革新COD排放处理技术对于流域水资源与水环境有积极意义。

4 结 论

以热带典型流域南渡江为例，针对其社会经济快速增长而带来的水资源安全问题进行研究。用SD方法建立南渡江流域水资源安全系统模型，分析影响机理及其演变，识别在水资源安全三大系统中主要制约因素的相关影响因子，探索不同变化幅度调节下，相关因子的变化趋势，判断水资源在可预测未来的发展。主要结论如下：

(1)南渡江流域水资源安全系统主要制约因素为经济受COD排放影响和缺水程度，前者主要驱动因子为工业废水排放系数和GDP变化率，后者的主要制约因子为GDP变化率、污水处理率和第三产业产值变化率。

(2)工业废水排放系数变化对经济受COD排放影响变幅最大，流域在今后发展中注重产业技术革新，降低工业废水排放系数从而有效降低水环境污染对经济的影响；GDP变化率和污水处理率变化对缺水程度的影响幅度最大，提高城市污水处理率和回用率是缓解城市经济发展中水资源供需问题的有效途径。

(3)GDP的快速增长会给未来流域造成缺水问题，在2025年时，GDP增长率提高5%、10%、15%、20%的过程中，缺水程度分别达到-2.17%、-0.97%、0.23%、1.43%;流域在未来发展中保持经济中低速增长的同时适当提高污水处理率对水资源的可持续发展有促进作用。

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水利水电技术（中英文）

水利部《水利水电技术（中英文）》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。