水资源利用的系统动力学问题

第7卷第5期江南大学学报(自然科学版)No 5008年10月Journal of Jiangnan University( Natural Science Edition)文章编号:1671-7147(2008)05-0615-04水资源利用的系统动力学问题徐玉升,祁凯,丁小明,李磊”2(1.哈尔滨理工大学经济管理学院,黑龙江哈尔滨150080;2.江南大学商学院,江苏无锡214122)摘要:以地区用水指标为基础,利用系统动力学方法研究了地区水资源利用系统.通过SD模型分析了地区水资源利用系統中的主要因素及它们之间的相互联系,确定了它们之间的定量关系,对地区用水的供需趋势进行预测、分析.通过应用实例,对某一地区的水资源利用进行模拟仿真,并分析了未来某些时期该地区水资源利用的状况,其结果对于该地区水資源利用系统的可持续发展的管理具有一定指导意义关键词:系统动力学;水资源利用;预测模型;系统分析中图分类号:F205文献标识码:AStudy on System Dynamics Problems of Water Resource UtilizationXU Yu-sheng, QI Kai, DING Xiao-ming, LI Lei2(1. School of Economic Management, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China: 2.School of Business, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)Abstract: The paper investigates the water resources utilization system in some regions by systemon the basis of regional water utilization indexes. The main factors and their relationship inregional water resource utilization system through SD model are analyzed. The quantitativerelationship among them and the region supply-demand trend are presented. Finally, through aapplication example, the paper simulates the water resource utilization in some region and analyzesthe situation of this region in future. The achieved result has certain guiding significance ofsustainable development for this region water resource utilization systemKey words: system dynamics; water resource utilization; prediction model; system analysis水资源利用是一个涉及到社会、经济、环境、生复杂时变的系统通过研究不同时期水资源的需求态等多个领域的系统问题各系统要素之间通常存供给结构及其变化趋势,可以对未来水用量进行预在多重影响和联系,同时这些要素往往又是随时间测、水安全预警以及进行水资源的可持续性指标计的变量所以水资源利用是一个具有反馈动态性和算等还可以通过研究水资源利用系统结构之间的收稿日期:2007-10-22;修订日期:200-12-18基金项目:中国博士后科学基金项目(2005038201)中国煤化工作者简介:徐玉升(1966-),男黑龙江哈尔滨人,管理科学与工程章通讯联系人:李磊(1959-),男,黑龙江哈尔滨人,教授博士生CNMHG置等研究Email:inf2007@126.com616江南大学学报(自然科学版第7卷相互影响关系,对以后的水资源利用作出规划和结水子系统S3和污水回用子系统S等用数学表达式构性调整等.正是基于这种思想,文中采用系统动表示地区水资源利用系统:力学的方法,结合我国水利主要指标对地区水资源s={S1,S2,S3,S4利用进行系统分析,并建立了系统动力学模型地区水资源利用系统中,水资源的使用量一般包括两个部分,即需水量和耗水量.人口用水子系1研究方法统中,人口数量和人均用水量是其最主要的两个影系统动力学是以微分方程为理论工具,分析研响因素,人口数量又与自然增长率和迁移率等有究信息反馈系统的学科口.系统动力学最突出的特关,而人均用水则跟地区的水资源量和经济发展水点是能够处理高阶层、非线性多重反馈复杂时变平等问题有关;工业用水子系统中,涉及到的系统问题,采取定性与定量相结合的研究方法业产值用水量、工业产值、工业耗水率等有关问题在对问题进行分析时,强调系统动态和反馈,并使农业子系统中为了和统计年鉴以水资源公报中的三者结合起来同时强调系统的机构决定系统的功用水指标相统一,文中主要考察了灌溉用水,其中能23).对于系统问题,特别是复杂的大系统来说农村人口用水和畜牧用水在人口子系统中体现;污利用系统动力学的观点和思想进行研究往往非常·水回用子系统中,包括污水排放量污水回用量、环有效,系统动力学已经广泛地应用到包括水资源保投资等问题在内的各个领域5需要说明的是,地区水资源利用系统SD模型在系统动力学中微分方程组描述了系统各状是以实际的水资源利用为基础建立的,但毕竟不是态变量的变化率(流率)对个状态变量(流位变量实际系统本身对实际系统中的主要影响因素和关或特定输入等的依存关系,状态变量的变化率最终系进行了刻画和描述地区水资源利用系统所涉及受到状态变量、外生变量以及常量的控制.流位变的问题并不是独立的,而是相互联系的,可以从不量的一般形式为同的角度和方面进行分析和建模LEVEL K= LEVEL. J+DT(R,K-Ror.JK)·2.2模型结构(1)分析系统的结构是系统动力学建立模型的关LEVEL K- LEVEL2= R.JK-RourJK(2键在因果关系分析的基础上,利用系统动力学仿真软件 Vensim对地区水资源利用系统绘制仿真模其中 LEVEL为水准方程;K为正在实施计算的现型流图,如图1所示在时刻;J为计算实施完毕的上一时刻;RmK与23变量说明及主要方程RorK分别为在JK时间间隔内的流人率和流出在地区水资源利用系统模型中,以人口生活用率;DT表示时间间隔水、工业用水、农业用水、污水回用和地区用水量为2模型的建立主线,它们之间的关系同时涉及人口、经济、环保等多个因素对系统的影响涉及到的状态变量如污水2.1地区水资源利用的系统分析回用量、地区水资源供给量、人口用水量、农业用水在我国,反映水资源利用情况主要考察几个主量等;速率变量如城市人口增长率、农村人口增长要的用水指标,如在我国的统计年鉴和水资源公报率、工业产值增长率等;辅助变量如缺水量、地区用中,常用的指标有人均用水量、万元GDP(当年价)水量农业耗水量等;常量如城市人口用水标准、农用水量、农田灌溉667m2均用水量、万元工业产村人口用水标准等值(当年价)用水量、城镇人均生活用水量、农村人模型系统流图说明了各变量之间的逻辑关系均生活用水量(含牲畜用水)等这些指标基本上涵和系统结构但是不能显示定量关系,因此需要建盖了水资源利用系统中的人口子系统、工业子系立系统动力学方程.限于篇幅,只在下面列出部分统、农业子系统文中主要在用水指标基础上对人主要方程口子系统、工业子系统和农业子系统进行系统分1)人口用水子系统析,同时也对污水回用系统进行分析,因为污水回用在水资源的供给应用中具有重要意义和地位中国煤化工+ NRKSY KCRKBZ K这样地区水资源利用系统S中的问题主要包CNMHGK. RCRK CRK括人口用水子系统S1、工业用水子系统S2农业用 INITIALⅤALUE}第5期徐玉升等:水资源利用的系统动力学问题617R RCRK KL CBR. K-CDR. K+ CMR KA QSL K= DYS. K+WSHY. K-DSGJK其中,RKYS:人口用水量; CRKYS:城市人口用水其中,DYS:地区用水量:QSL:缺水量量; NRKSY:农村人口用水量;CRK:城市人口;2.4模型参数的确定CRKBZ:城市人口用水标准;CBR:人口出生率;模型建立后,需要对模型中的一些变量如常CDR:人口死亡率;CMR:人口迁移率数、表函数以及状态变量的初始值赋值才能进行模2)工业用水子系统:拟有些参数可以从统计年鉴和水资源公报中直接A GYYS. K= GYCZ K* WYGC引用,有的参数则需要通过数学、统计方法计算出L GYCZ INTEG RGYCZ* GYCZ, GYCZ结果,再代入模型中.文中应用回归分析、趋势外INITIAL VALUEI推简易平均法等方法确定一些参数,并将这些参L GYHS INTEG GYYS* RGYHS, GYHS数输入模型中INITIALⅤALUE2.5模型的检验其中,GYYS:工业用水量;GYCZ:工业产值系统动力学模型有效性检验方法可以分为直WYGC:万元产值用水量观检验、运行检验、历史检验、灵敏度分析4个部3)农业用水子系统:分.直观检验和运行检验在建模过程中已经进L NYYS= INTEG|NYYS* RNYYS,NYYs-行利用 Vensim软件提供的编译检错、跟踪功能、历INITIALⅤALUE史检验则可以通过比较仿真数据与历史数据之间A NYHS K RNYHS K* NYYS K的吻合情况进行判断而灵敏度检验则比较复杂,其中,NYYS:农业用水量;NYHS:农业耗水量它要通过改变模型方程和模型参数值才能得知这4)污水回用子系统:种变化对模型行为的影响,而且在特定干扰和随机A WSHY K WSPF K RWSHY K干扰下,系统都能实现特定的目标,从而对模型进A WSPFK= DYS. K* RWY. K行结构和灵敏度检验.文献[8]给出的灵敏度检其中,WSHY:污水回用量;WSPF:污水排放量;验公式如下RWSHY:污水回用率对整个地区水资源利用系统建立了两个方程:S(r)△Y(t)/Y(4)A DYS.K= RKYS. K+GYYSK+ NYYS K△X(t)/K(t)城市人口增长率污水回用率城市人口用水标准表村人日城市人日用水量污水排放量村人口农业用水增口用水业用水量农业耗水率农村人口用水量农业耗水量r用水耗水量万元产量图1地区水资源利用SD模型系统流Fig 1 System flow of SD model in regional water resources utilization进度指标为依据选取和确定的.模型的基准年份为应用实例2003年,仿真时间为10年,步长为1年,使用软件为Vensim5.4.在模型中选择了人口子系统污水回用以我国东北某地区为例,2003年该地区水资源子系统和其他3个变量作灵敏度检验,结果表明模供给总量为2458亿m3,工业产值为2532亿元总型具有中国煤化工在初始参数仿人口3815万,其中城镇人口206.3万人,乡村人真结口1808.7万人模型参数基本上是根据该地区历变CNMH(决策变量)的改門力来以佚以,得出推荐方案年统计资料来确定的部分参数根据003年的各项如表1所示618江南大学学报(自然科学版)第7卷衰1地区水资源利用系统仿真结果Tab 1 Results of SD simulation in regional water resources utilization缺水量/污水回用污水回用农业用水农业耗水工业用水指标污染系数230778量60率/%0.04837140000.63200714164260205608180001783000525260.04200.0.0380525954625320.350020110000.50526424万元产值用工业耗水人口用水城市人口用人口耗水指标水量/m3量/m3水标准/m3水标准/m3率/%20030.04630.005840.0040150.04500.230.005841974100.0040200.500.04200.210.005802047700.0040000.480.04000.005700.4520110.03800180.0050210840.0038000.42通过对表1的运行结果进行分析可以得出如下具有较强的作用结论:4)污水回用率、污染系数以及耗水率对于区域1)各行业用水量逐年增加给地区用水配水带污水的回用关系密切这些参数的改善有助于提高来压力但是通过污水回用及其他耗水指标和用水用水和节水的效率指标的调整,用水紧张情况得到改善2)模型中没有考虑到水资源供给增长的情况,4结语实际随着水资源的开发利用,水资源的供给将是不断增长的,这对缓解水资源缺水状况比较有利应用系统动力学的方法,建立了地区水资源利3)随着经济的发展和人口消费水平的提高对用系统的仿真模型该模型不仅能够定性,而且还水资源的需求越来越大,这也影响到一些指标变动能定量地描述地区水资源利用系统诸多因素之间趋缓,如人口用水标准等.尽管变动缓慢,但是还是的相互关系,并可以通过调整参数,用于其他地区呈现下降趋势,这表明大力开展水资源供给管理、的模拟同时,该模型也具有很好的扩展性,可以根提高用水效率和节水意识,对水资源的利用和保护据不同需要和目的对模型中因素进行调整和补充参考文献( References):[1]贾仁安,丁荣华系统动力学[M]北京:高等教育出版社,2002.[2]李梅,黄廷林徐志嫱系统动力学在城市污水再生回用中的应用[J数学的实践与认识2005,35(8):7883LI Mei, HUANG Ting-lin, XU Zhi-qiang. 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