黄河流域水资源供需平衡的动态仿真与模拟_孙久文.pdf

书书书文章编号：（）黄河流域水资源供需平衡的动态仿真与模拟孙久文，高宇杰（中国人民大学 应用经济学院，北京 ）摘要：水资源是经济社会发展的重要战略性资源，黄河流域水资源供需矛盾突出，水资源供需平衡将直接影响黄河流域生态保护与高质量发展。本文综合运用系统动力学和随机前沿分析方法，构建了黄河流域各省份水资源仿真模型，模拟预测了 年期间不同水资源利用方案和经济增长情景下的水资源供需缺口。结果表明：（）预测期间黄河流域整体需水量小幅增加，水资源供需缺口呈现先增加后下降的趋势；（）除青海和四川外，黄河流域其他省份均存在不同程度的水资源缺口；（）水资源利用方案是影响水资源利用状况的关键因素，高度协调方案下黄河流域 年水资源供需缺口比中度协调方案小 亿立方米至 亿立方米，比低度协调方案小 亿立方米至 亿立方米；（）影响各省份水资源供需平衡的主导因素不同，整体来看水资源供需缺口对单位农业用水量的变动更加敏感。关键词：系统动力学；随机前沿分析；水资源供需；情景分析中图分类号：文献标识码：引言作为联通中国东、中、西三大地带的重要通道，黄河流域是中国颇具发展潜力的带状区域。经过历史上的长期开发，尤其是改革开放以来工业化与城镇化的快速建设，黄河流域已基本形成了科学合理的国土空间开发格局。年，黄河流域总人口达 亿，占全国的；地区生产总值为 万亿，占全国的，黄河流域正上升为国民经济的重要增长极之一。然而，随着资源开发强度增加、城市建设规模扩大，加之过境水是黄河流域的主要水资源，生产、生活、生态用水需求已远远超过当地的水资源存蓄量，诱发了严重的水资源供需矛盾。年月 日，习近平总书记在河南考察调研时正式将黄河流域生态保护与高质量发展确立为国家战略，并指出黄河流域存在水资源利用较为粗放、农业用水效率不高、水资源开发利用率居高不下等问题，将推进水资源节约集约利用作为黄河流域生态保护与高质量发展的主要目标任务之一。为将黄河锻造成造福人民的幸福河，中央于 年 月再次强调“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”四项原则，将其作为驱动黄河流域绿色、可持续、高质量发展的战略指引。妥善解决黄河流域水资源短缺、水环境质量下降、水生态破坏等问题，在生产、生活、生态用水的三维刚性约束下探索绿色集约的用水模式，对于促进黄河流域生态保护与高质量发展具有重要意义。黄河流域水资源问题一直是学术界重点关注的问题，在黄河流域生态保护和高质量发展背景下，国内外学者从不同方面加强了黄河流域水资源问题的研究。一方面，当前较多研究从水资源利用效率、水资源脆弱性、水资源承载力，等角度，分析了当前黄河流域水资源利用现状及存在的问题。另一方面，一些学者深入研究了黄河流域水资源配置方案和管理制度，为新形势下黄河流域水资源的科学高效利用提供了重要参考。此外，国外一些研究还从水资源供需平衡的角度进行仿真模拟，利用大型水文模型预测了全球变暖等气候因素影响下的未来水资源供给变动情况 。值得注意的是，当前有关黄河流域水资源供需平衡的研究较为注重对水资源供给情第 卷第期（总第 期）系统工程 ，年月 ，收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：孙久文（），男，北京人，中国人民大学应用经济学院教授，博士生导师，研究方向：区域经济理论，资源经济学，中国经济地理。通信作者：高宇杰（），女，河南驻马店人，中国人民大学应用经济学院博士研究生，研究方向：资源经济学，区域创新。况的模拟，对用水需求的变动只是通过简单的线性模型进行推测，忽视了导致用水需求变动的经济增长、产业结构、人口增长、城镇化等社会经济因素，不能充分反映高质量发展战略背景以及经济社会发展新常态下的水资源供需变动情况。在水资源供需平衡的研究方面，由于系统动力学模型能够更好地处理非线性、多变量、多反馈的复杂系统问题，而水资源系统运行具有动态性和复杂性，当前较多研究采用该方法对水资源供需情况进行预测。通过构建包含经济要素、人口要素、环境要素的水资源供需系统模型，学者们 分 别 以 全 国、北 京 市、深 圳 市、青 岛市、长江流域、渭河流域 等地区为研究对象展开了丰富的研究。以上这些研究在有关水资源需求的模拟方面相对较为简单，一般通过直接设定产业、人口的增长率以及用水强度等变量预测各类用水需求，未考虑经济系统内部的投入产出关系，忽视水资源作为投入要素对经济增长的影响，不能充分反映“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”的战略总基调。实质上，当前有关水资源需求的预测方法非常丰富，总体可以划分为统计模型和机器学习模型两大类，前者通过构建相关解释变量与水资源需求的函数关系进行预测，后者利用各种复杂算法进行模拟推算。然而，当前运用系统动力学模型进行水资源供需平衡的研究未能较好地结合这两类方法测算水资源需求。为了克服现有研究的局限性，本文结合当前政策指引和发展实际，综合考虑水资源系统、经济系统和人口系统的耦合作用关系，在当前研究普遍采用的系统动力学模型基础上，结合统计模型预测水资源需求，利用随机前沿分析方法构建水资源主导的生产函数，充分反映经济社会发展和水资源系统之间的多重互动关系。设计高度协调、中度 协 调与低 度协 调 三 种 水资源 利 用 方 案，仿 真 模 拟 年不同经济增长情形下黄河流域各省份的水资源供需缺口量，并进一步对实现水资源供需平衡的路径进行探讨，为综合调整黄河流域生产力空间布局提供政策指引。与以往研究相比，本文可能的研究贡献包括：第一，本文在系统动力学模型的基础上结合相关统计模型，将以往研究所忽略的水资源作为重要的生产要素纳入生产函数，定量刻画了水资源对于经济社会发展的制约关系，综合利用系统动力学和随机前沿分析方法，将水资源作为经济社会发展系统的主控要素，更加全面地反映了经济社会发展和水资源等系统之间的多重反馈关系。第二，已有研究表明经济发展和水资源保护相协调是推动可持续发展的最佳方案，在此基础上，本文考虑到水资源政策弹性和经济社会发展的不确定性，设计不同的水资源利用方案和经济社会发展情景，探索多目标协同下水资源供需平衡情况，进一步说明了水资源利用政策对于实现水资源供需平衡的关键性作用。第三，本文在多维情景水资源供需平衡预测结果基础上，进一步测算各省份达到水资源供需平衡的关键参数目标值，探讨了各省实现水资源供需平衡的可能路径，并提出针对性的政策建议。研究区域与研究方法研究区域黄河流域发源于青海巴颜喀拉山脉，流经青海、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东等省（区），干流河道全长 ，流域面积 万，是中国第二长河流、世界第五长河流。黄河流经地区气候复杂多样，中上游大部分地区属于干旱、半干旱地区，多年平均降水量为 毫米，而年蒸发量却在 毫米左右。黄河流域水资源总量较少，流域面积占全国国土面积的，年径流量仅占全国的，人均水资源量仅为全国人均水平的，耕地亩均用水量仅为全国的。随着经济社会的快速发展，黄河流域水资源需求不断增加，年期间，黄河流域总用水量增长了 ，水资源利用率已高达，远超 的国际警戒线水平。与此同时，受到水资源过度开发和气候变暖等因素的影响，近年来黄河流域径流量明显减少，使得黄河流域水资源供需矛盾进一步加剧。本文拟以黄河流域各省份为研究对象，运用系统动力学模型和随机前沿分析方法，对各省份水资源供需关系进行模拟分析。研究方法（）系统动力学模型参照已有研究，构建包含水资源供给、水资源需求、水环境、经济和人口多个子系统在内的系统动力学模型，形成如图所示的耦合作用分析框架。水资源系统包括水资源供给、水资源需求与水环境三个子系统，各子系统之间相互作用从而实现水资源系统的平衡。水资源供给水平限制了水资源需求规模，而水资源需求的增加也会对水资源供给能力提出更高的要求；当水资源供给超过一定限度则会对水环境质量带来压力，而通过提高污水再利用率也可以相应增加水资源供给；水环境的改善需要增加生态环境用水，从而增加水资源需求量，而水资源需求的不断增加也会产生污水排放降低水环境质量。系统工程 年机器学习模型属于数据驱动的“黑箱”模型，主要基于历史数据进行预测，难以准确刻画各变量之间的关系，无法准确预测水资源利用政策变动产生的影响，因此本文采用更为直观的统计模型预测水资源需求的变动。图水资源系统、经济系统与人口系统的耦合作用关系除了水资源系统内部的相互作用外，水资源系统与经济系统、人口系统存在相互作用关系。对于水资源系统和经济系统，一方面，水资源作为重要的生产要素，其供应量的多少会影响高耗水行业和农业的发展，从而影响经济增长。另一方面，经济规模的增长会带来生产用水的增加，从而增加水资源需求；同时生产过程中会产生污水排放，从而影响水环境。对于水资源系统和人口系统，第一，水资源供给能力会影响城镇化进程，对城市人口的增长造成影响。第二，城市和农村人口的增长会增加生活用水需求，同时居民生活会产生一定的生活污水污染水环境。此外，经济系统和人口系统之间同样存在相互作用关系，人口系统为经济增长提供人力资本，而经济水平的提高会影响人口增长和城镇化水平。本文所构建的耦合作用分析框架与已有研究不同，遵循了“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”的原则，考虑到了被以往研究忽略的水资源系统对经济系统和人口系统的影响，使得各系统之间能够相互作用、相互制约，形成完整的反馈闭环。考虑到黄河流域各省份地形地貌、气候环境差异大，中上游地区生态环境较为脆弱，水土流失严重，生态用水需求较高；中下游地区人口密集、产业集聚，生产、生活用水需求较大，本文结合黄河流域各省份特点分省份进行模型参数设定。在生产用水方面，进一步将系统动力学模型与随机前沿分析方法结合，突出水资源对经济增长的约束作用，通过“以水定产”的分析思路对未来经济增长和水资源需求 进 行 模 拟。模型的构建和拟合预测均在 软件中进行，最终构建的模型如图所示，所涉及到的主要方程和参数设定如下，涉及到的主要变量之间的数量关系如表所示。图黄河流域水资源系统动力学模型示意图水资源供给系统：水资源供给（）主要包括地表水源供应量（）、地下水源供应量（）和再生水供应量（）。对于地表和地下水源供应量的预测，已有研究较多通过水资源量乘以水资源利用率的方法计算，为减少气候因素影响设定水资源量在预测期间为常数。然而，黄河流域各省份地表和地下水资源受气候因素影响历年波动幅度较大，变动趋势不明显，将其设定为常数不能较好地反映水资源供应量的年度变动情况，且数据的不稳定性导致无法得到较好的拟合结果。考虑到黄河流域各省份地表水资源供应量和地下水资源供应量变动幅度相对较 小 且 具 有 明 显 趋 势 的 特 点，本 文 参 照 等（）的研究，分别利用对数函数、指数函数、线性函第期 孙久文，高宇杰：黄河流域水资源供需平衡的动态仿真与模拟数、二元函数和灰色（，）等模型直接对各省份的地表水源供应量和地下水源供应量进行拟合，并选取拟合效果较好的模型对预测期间的地表和地下水资源供应量进行测 算。对 于 再 生 水 供 应 量（），根 据 等（）的研究，设定其等于废水排放量（）乘以再生水利用率（），废水排放量的计算将在下文中进行详细说明，再生水利用率在各省基期的基础上每年提高个百分点，从而反映污水处理技术的进步。水资源需求系统：水资源需求系统是系统动力模型的核心。水资源需求包括工业生产需水、农业生产需水、城镇和农村生活需水以及生态环境需水。其中，工业需水（）等于工业增加值（）乘以万元工业增加值需水量（）；农业需水（）等于农业增加值（）乘以万元农业增加值需水量（）；生活需水（）分为城镇生活需水（）和农村生活需水（），分别用城镇人均生活需水定额（）和农村人均生活需水定额（），乘以城镇人口（）和农村人口（）计算得到；生态环境需水（）根据分阶段历史增长率（）和生态环境需求因子（）进行预测。对于工业增加值和农业增加值，分别由工业和农业系统的物质资本、劳动力和水资源投入量决定，并根据拟合得到的生产函数进行预测，具体拟合方法将在随机前沿分析方法部分进行详细说明。万元工业增加值需水量、万元农业增加值需水量、城镇人均生活需水定额和农村人均生活需水定额等根据历史数据分阶段设定