第 5 章 白城市水资源配置的系统动力学模型应用
本章利用白城市水资源配置的系统动力学模型对白城市的水资源配置进行优化模拟。
5.1 模型调整思路设计
社会经济发展格局不同、用水效率高低、水资源时空分布差异、工程水利的发展状况等都会对供需水结构产生重大影响。从规划角度上来说，应充分考虑这些因素，以期规划具有较好的适应性和可操作性。水资源优化配置的主要目的是为了解决水资源的供需矛盾，促进社会经济发展，进而加大对水资源开发和水利工程建设的投资力度，使水资源能够满足社会经济的需求，实现水资源与社会、经济和生态环境和谐可持续发展。在充分认识水资源优化配置的本质基础上，利用白城市水资源配置的系统动力学模型对白城市 5个县级行政区水资源进行优化模拟，其模型调整思路分为三个阶段：
（1）一次平衡调整阶段，即完全按照现状趋势进行水资源模拟。此阶段设置是分析白城市若按照现状年趋势进行用水配置将出现的问题，说明建立节水型社会，进行工农业结构调整、节水改造等措施的必要性。
（2）二次平衡调整阶段：在一次平衡分析的基础上，结合产业结构调整、节水和治污等措施，不考虑新修水利工程所进行的供需平衡分析。其目的是为了说明充分合理利用现状年水资源，是否能解决白城市水资源供需矛盾，从而确定是否有必要进行进一步水资源开发提供依据。
（3）三次平衡调整阶段：在二次平衡分析的基础上，考虑新修水利工程和加大过境水利用，进行的水资源优化配置模拟。
5.2 参数调整策略
5.2.1 期望参数调整策略
城镇化率、人口自然增长率、农田有效灌溉面积增加率、农业年增长率、工业年增长率、第三产业年增长率 6 个参数是期望参数，其值在模型中为固定值，不受水资源供需矛盾影响，见表 5-1.
5.2.2 敏感参数调整策略
优化配置模拟以提高研究区的水资源供给能力、污水处理能力和节水技术应用为主要目的，减轻水资源供需矛盾，遏制生态环境恶化，实现水资源与社会、经济和生态环境和谐可持续发展。其对敏感参数的调整受以下约束：
（1） 供需平衡约束
在模拟过程中，供水量基本满足用水量要求，既不超前也不落后，即余缺量与供水总量的比值的绝对值不超过 5%.
（2）开发利用约束
原则上优先使用地表水，加大中水回用，最后考虑开采地下水。但现状年（2010 年）洮南市、通榆县区内河流枯季基本断流，地表水可利用资源匮乏。
洮北区、镇赉县、大安市的主要开发利用水源是地下水和过境地表水，当地地表水开发价值不大。因此在模拟过程中按照实际选择合适水源开采，以可利用资源量作为用水量的上限值。
（3）配置约束
所开采地下水优先供应居民生活用水和工业用水；过境水主要用于农业灌溉用水和生态用水；地表水主要用于农业灌溉用水和生态用水。
（3）用水效率约束
白城市农业灌溉水利用系数在 0.51 左右，农业水资源浪费严重，中央一号文件提出到 2020 年全国提高到 0.55 以上，到 2030年提高到 0.6以上。工业水重复利用率仅为 24%左右，低于全国 50%的平均水平，工业节水潜力巨大。城镇污水处理率为 49.1%,有较大提升空间。本次用水效率约束充分考虑现状年（2010年）水平，结合《吉林省水资源综合规划》成果确定用水效率下限，见表 5-2.
5.3 优化结果
5.3.1 参数优化结果
将现状年（2010年）的数值作为初值代入白城市水资源配置的系统动力学模型，根据模型调整思路和参数调整策略不断调整参数数值，得到不同规划年敏感参数优化数值（表 5-3）。
5.3.2 水资源优化配置结果
将调整好的参数代入白城市水资源配置系统动力学模型，得到白城市 5个县级行政区域不同规划年水资源优化配置结果（表 5-4、表 5-5）。
5.3.3 供水模拟结果
供水结构主要包括地表水供水量、地下水供水量、过境水利用量 3个部分。
（1）当地地表水供水量
白城地区当地地表水资源匮乏，现状年仅洮北区将其作为供水水源开发，开发利用率已达 73.2%,在 2011~2030 年模拟过程中保持其开发利用程度不变，开采水量为 2627 万 m2.
（2）地下水供水量
地下水作为白城市最重要的供水水源，在白城市 5 个县级行政区的模拟结果不尽相同，其地下水开采动态模拟曲线如图 5-1.
从图 5-1（a）中可见，洮北区地下水开采量在预测期内开采量不断降低，2010~2020 年开采量降低速率较大，2020~2030 年降低速率较为平缓，说明洮北区现状年地下水超采严重，实行比较严格的限采措施，2020 年左右地下水超采得到比较有效控制，地下水开发利用率控制在 100%左右，2020~2030年实行较为温和的限采措施，到 2030年地下水开发利用率控制在 90%.
从图 5-1（b）~图 5-1（e）、图 5-2中可以看出，洮南市、镇赉县、通榆县、大安市的地下水在模拟预测年内开采量均有所增加，但均未超过地下水可开采资源量。从开采潜力分析，到 2030年白城市 5个县级行政区地下水开采潜力由小到大排列为：洮北区、洮南市、大安市、镇赉县、通榆县。从预测期内开采利用增长率分析，洮南市年均开采增长率最大，通榆县最小。
从图 5-2可以看出，白城市整体地下水开采利用率在 2010~2020年持续降低，到 2020 年降至 70.56%,2020年之后又缓慢增加，到 2030 年增至 75.08%,低于现状年 78.16%的水平，说明白城市水资源配置系统动力学模型对地下水供水结构模拟合理，能够保证白城市地下水资源的可持续利用。
洮北区现状年地下水超采严重，模拟过程中着重减低其开采利用率；其余四个县市都有一定的地下水开采潜力，模拟过程中合理增加其开采利用率。
（3）过境水利用量
《松辽流域水资源规划》分配给白城市过境水可利用总量为 21.4亿 m2/年。白城地区的洮北区、镇赉县、大安市境内有洮儿河或嫩江干流流过，具备过境水开发利用条件。从表 2-8、表 5-4、表 5-5 可知，通过地下水的开采即可满足镇赉县、大安市 2011~2030 年的用水需求，不必增加过境水开发利用。洮北区地下水超采严重，大力开采过境水来缓解供水压力，其过境水开采量由现状年的 3.46亿 m2增至 2030 年的 4.20亿 m2,白城市整体过境水利用率由 30.36%提升至45.16%.
5.3.4 用水模拟结果
用水部门主要包括农业用水、工业用水、建筑业及第三产业用水、生活用水和生态用水 5 个部分。其中农业用水又分为灌溉用水和林牧副渔用水。本文重点分析农田灌溉用水、工业用水、生活用水。
（1）农田灌溉用水量
影响农田灌溉用水量的敏感参数有灌溉水利用系数和灌溉用水定额。从图5-3 可以看出，镇赉县农田灌溉用水量在模拟预测期内持续降低，洮北区在 2020年前平稳下降，之后平稳上升，其他 3 个县市呈平稳增加趋势。
（2）工业用水量
根据规划未来白城市工业将得到长足发展，势必会增加白城市工业需水量。
降低万元工业耗水量数值和提高工业水重复利用率能够有效降低工业用说增长速率。工业需水量在不同方案下的动态模拟结果如图 5-4 所示。
（3）生活用水量
生活需水量受城镇化率和因生活水平提高而导致的个人生活用水定额增加的影响，生活需水量动态模拟结果如图 5-5.
5.4 优化结果分析
5.4.1 供需平衡分析
余缺量是供水量与用水量的差值，其值大小反映研究区水资源供需矛盾。若余缺量与供水量的比值在±5%区间内，即认为研究区达到供需平衡。采用白城市水资源配置系统动力学模型得到优化后的供水、用水数据进行供需平衡计算，计算结果见表 5-6.
从表 5-6可以看出，在优化模拟预测期内，余缺量与总供水量的比值均在±5%以内，水资源达到动态供需平衡，模拟结果符合供需平衡约束要求。从白城市整体来看，预测期内各水平年供需为紧平衡状态，2020 年缺水 1601万 m2,2030 年缺水 1507 万 m2,缺水量总体在减少。
5.4.2 用水经济效益分析
万元 GDP 用水量是反映一个地区用水效益的综合指标。采用白城市水资源进行优化配置后所得 GDP、总用水量数据进行万元 GDP 计算（表 5-7）。
从表 5-7可以看出，白城市各县市万元 GDP 用水量在优化模拟过程中随时间在不断降低。到 2030年，洮南市、通榆县、大安市的万元 GDP 用水量水平在70 m2/万元的水平，洮北区、镇赉县在 140 m2/万元的水平，白城市平均水平在100m2/万元，与 2010 年比有明显提高，每万元 GPD 节约水量达 280m2.
万元工业增加值用水量是反映一个地区工业用水效益的指标。采用白城市水资源进行优化配置后所得工业增加值、工业用水量数据进行万元工业增加值用水量计算（表 5-8）。
从表 5-8可以看出，白城市各市县万元工业增加值用水量在优化模拟过程中随时间不断降低。到 2030年，除洮北区外其余县市万元工业增加值用水量水平在 25 m2/万元左右，用水效益明显。洮北区到 2030年为 25 m2/万元，仍有提高空间。白城市整体由 2010年的 54m2/万元降至 2030年的 35m2/万元，每万元工业增加值用水量降低 19 m2/万元。
灌溉亩均用水量是反映一个地区农业用水效益的重要指标。采用白城市水资源进行优化配置后所得农业有效灌溉面积、灌溉用水量数据进行灌溉亩均用水量计算（表 5-8）。
从表 5-9可以看出，就地区而言，洮北区、镇赉县、大安市的灌溉亩均用水量相对较高，与其农业产业结构中水田所占比重较大有密切关系。在模拟过程中，各县市灌溉亩均用水量随时间不断降低。白城市整体由 2010 年的 328m2/亩降低至 240m2/亩，亩均节约水量 88m2.
5.4.3 产业用水结构分析
根据 2010~2030 年用水优化模拟结果绘制白城市产业用水结构变化图（图5-6），白城市在其经济结构调整中，主要变化是工业用水量比重由 2.83%增至8.13%,农业用水量比重由 80.67%降至 77.86%.由水资源经济效益低的部门向高的部门流动，一方面逐步降低第一产业比重，增加第二和第三产业比重，另一方面各产业内部也要调整，调整农业产业结构，在缺水地区应限制水田面积的增长，发展旱浇地、菜田，推广节水灌溉技术，一方面可以减少工业用水量，另一方面可以将节约出来的水用于经济效益较好的工业，提高人民收入。
