系统动力学在水资源管理中的应用

水利水电技术第36卷2005年第6期系统动力学在水资源管理中的应用孙宗凤(河海大学水资源环境学院,江苏南京210098)【摘要】系统动力学是以反馈控制理论为基础,以仿真技术为手段,研究复杂社会经济系统的定量方法,目前已广泛地应用于可持续发展研究、水资源开发利用及承载力方面、水资源规划、城市水环境和环境经济中等方面的研究.文中在对系统动力学应用有关文献阅读的基础之上,对系统动力学应用的领域和方法进行了分类、归纳和整理,为系统动力学的进一步应用提供信息【关键词】系统动力学;应用;启中图分类号:TV21文献标识码:A文章编号:1000860(2005)06-0014-04Application of System Dynamics to water resources managementSun Zong-fengCollege of Water Resources and Environment, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, ChinaAbstract: System Dynamics(SD), based on the theory of feedback control, is a quantitative method to study the coreconomic system by means of emulation technology. SD method has a broad application field including sustainable development, utilization and development of water resources, water resources planning, city water enmethods and applications of SD are classified and summarized herein, and then theive of the sd method is made as wellKey words: System Dynamics; application; revelation引言市动力学模型的仿真时间均在100年;系统动力学在数据缺少的条件下仍可以进行研究,数据不足及某些系统动力学( System Dynamics,简称SD)是由美国参量难以量化时,SD模型以反馈环为基础依然可以做麻省理工学院的福瑞斯特教授于1956年创立的它是一些研究;SD模型还擅长处理高阶次、非线性、时变的以反馈控制理论为基础,以仿真技术为手段的研究复复杂问题杂社会经济系统的定量方法,专门分析研究复杂系统问题的科学系统动力学利用系统流图表示系统内部2系统动力学对可持续发展的研究各种流,其仿真模型用 DYNAMO语言编程系统动力陈成鲜、严广乐对我国水资源可持续发展进行了学建模本着目的就简、用户有效的原则,采取定性与定系统动力学模型研究,它从描述1987-1997年这一时量相结合的系统分析和综合推理的方法建模有以下域内的复杂系统行为借助计算机对11年内全国水资几个步骤:系统辩识与问题的分析、系统的结构分析、源可持续发展进行定性和定量情形的仿真,并预测了建立规范的数学模型,模型模拟与政策分析、模型的检2010年的水资源情况.肖广岭结合10多年从事系统验与评估.系统动力学擅长处理周期性问题,西方经济动力学研究经验和体会对长白山生态环境保护与可持出现各种周期性的波动4年左右的短周期,15年的中续发属泄亻了项实把≠白山地区的人口、自然周期,40~80年左右的长周期,已有不少的SD模型对上述各种周期形成的机制作出解释;SD模型是一种因CNMHG收稿日期果杋理性模型,它强调系统行为主要是由系统内部的作者简介:孙宗风(1963-),女,博士研究生,江苏省连云港市水利机制决定的,因此它的系统仿真时间可以比较长,如城局副局长14Water Resoures and Hydropower Engineering Vol 36 No 6孙宗风∥统动力学在水资源管理中的应用资源、生态环境、经济和社会作为一个有机的整体,作案:趋势发展型和综合协调发展型较好的解决了水资为复杂的时变系统,画出因果关系图,分析因果关系中源与社会、经济、生态间相互制约相互促进的反馈关各种变量,区分状态变量速率变量和辅助变量,利用系,有效的计算了水资源的承载力陈兴鹏等将系统动系统动力学的专门符号,将因果关系转化为流程图模力学应用于水土资源承载力中,依据水土资源自然属型通过历史检验模拟了1985-1994年的各种决策,性对水土资源现状作透彻分析,估算水土资源承载力通过实测数据检验调整某些参数构成了长白山生态应对土地利用的发展变化具有高度的科学遇见性惠环境保护与可持续发展战略目标表.王惠敏等人用系泱河等在二元模式下对水资源承载力系统进行了动态统动力学对流域可持续发展预警方法研究,以淮河流仿真研究,其结果是:开源节流、污水处理及区域外调域为例建立了预警模型,在社会经济子系统中重点考水等多项措施并举,是提高关中地区水资源承载力的虑了工业经济,预警模型主要描述流域人口一工业经重要途径,关中地区应适度控制城市发展规模,调整产济—水资源水环境杨建强、罗先香应用系统动力学的业结构,发展低耗水工业经检验运用系统动力学研究原理与方法对吉西平原重点农业区乾安县水资源可持水资源承载力与以往其他研究方法相比,更能真实地续利用系统仿真研究,建立了该区水资源可持续利用模拟区域水资源和社会经济、环境协调发展状况系统仿真模型.刘波等针对海洋国土观念不强乱开发乱利用海洋污染严重生态环境恶化自然灾害频繁发4系统动力学在水资源规划中的应用生、海洋产业结构层次低、科技含量不高等问题,从系张雪花等构建了一个完整的SD-MOP模型,边界统动力学的角度对海洋的可持续发展进行了研究阎为秦皇岛市区,得出该水资源利用方案达到了水资源二旺以山西省左云县为例将系统动力学应用于区域经供需平衡,对城市社会可持续水平较高.工业行业产业济可持续发展战略规划之中,把县域的全部作为一个结构调整是秦皇岛市水资源利用优化中不可缺少的内大系统进行整体性研究,建立了左云县经济可持续发容,是水资源优化结构的关键于书霞等运用系统动力展战略系统动力学模型模型重点对制约左云县经济学的的方法对长春市水资源供需系统的结构和功能特可持续发展的水资源、土地资源和劳动力资源进行模征以及不同经济发展水平、投资水平和不同投资政策型描述,把水资源、土地资源和劳动力资源及资金的配的运行规律和发展趋势.张亚君等对北京市用水系统置作为主要调控手段,使之成为区域结构合理与协调、流图进行了研究把整个用水系统看成一个大系统,系提高区域整体观念功能、最终使区域经济系统向优化、统流图把整个用水系统随时间而变化的动态特征描述有序、协调发展出来,解决了用系统动力学方法研究北京城市用水系3系统动力学在水资源开发利用及承载力方统的第一关键问题通过把变量之间的关系定量化建立系统结构方程式,运用计算机语言进行仿真实验,得面的应用出人口、工业总产值和第三产业产值是用水系统的重苏宁男刘新梅将系统动力学应用于水资源开发要动力因素利用,对水资源开发利用问题进行系统分析,结果表明其反映了所研究地区的发展趋势,为地区制定战略规5系统动力学在城市水环境方面的应用划、提出水资源政策建议奠定了基础.它弥补了以往静郭怀成以洛阳市为例建立了城市排污系统的SD态分析中自然因素与社会因素相分离的缺陷,克服了模型,为决策者提供了战略和策略实验室.高成康等人在不同方案下预测计算的难题为制定国民经济和社对长春市水环境系统进行了仿真模拟,建立了84个方会发展协调一致的水资源开发利用战略奠定了基础程,30个参数通过模型和系统分析,提出多种替代方王斌、王爱青在全面分析青岛地区水资源现状的基础案提出最为理想的发展模式是确定合理的水价,通过上,建立了青岛地区水资源系统动力学模型,通过计算教育、宣传提高市民的节水意识增加工业工艺中的科机运算,从定量的角度对未来水源开发状况不同时期技手段提高水资源的利用率加大工业用水中的中水水资源的需求构成及供求发展变化趋势,进行了模找回用量V凵中国煤化工最终是实现整个区分析,突破了以往仅从定性角度看待问题的局限性,为域的可CNMHG动力学的方法应用合理适度开发、保护水资源、制定正确的经济发展战略于战略現m,是立」EA刎学仿真模型,在划提供了科学的依据吴九红、曾开华利用系统动力学模定系统边界的时侯,力图把与建模目的密切相关的量型专门语言写出282个语言方程,设计了两种策略方都划入界限,根据不同的作用、特点和功能,把系统划水利水电技朽数据2005年第6期孙宗凤∥系统动力学在水资源管理中的应用分为人口、环境和资源三个子系统确立了指标体系人性张剑芳将系统动力学应用于系统物流中,他认为现口数等3个状态变量、出生率等6个速率变量污染物代物流发展极大的促进了经济发展随着世界经济全净化时间等5个辅助变量和工农业比重等10个常量.球化物流的作用将越来越重要将系统动力学分析方在构造仿真模型时采取调控工农业比重等2个限制因法引入对物流系统得分析过程,从全局的角度考察物素.仿真结果是环保投资、工农业比重这两个参数调空流系统的运行机制,制订相关物流政策,提升物流产业适中,使人口和环境子系统呈衰减的震荡趋势资本子的整体服务水平.林文浩郭东伟等应用遗传算法的理系统呈增长趋势,符合实际情况盖美等对大连海域水论方法提出了系统动力学模型关键参数估计的遗传环境质量、影响因素及调控进行了研究,采用模糊模式算法,构造了一个两种种群相互竞争的模型,模型的生识别模型对大连市近海海域水环境质量进行了动态分物意义是种群的增长受自身密度和表示对方竞争生存析,建立了水环境特征值与影响近海海域污染的陆源资源的当量密度两者的制约,这个模型在一般情况下废水经济结构、环保投资之间的多元回归方程,结果无法求解,而利用SD方法是求种群动态微分方程组表明废水排放总量、人均第三产业值和城市污水处理数值解的有利工具,数值模拟结果与理论分析完全一率是影响近海海域水环境的主要因数针对影响水环致陈爽运用系统动力学方法进行了生态经济规划,以境的主要因数用动力学模型,通过各种反馈控制,设库尔乐地区为例将系统变量归为四个层次:第一层次计了水环境的三种发展模型,既传统型、水环境维持现是绿洲生态经济系统;第二层次是资源、环境、经济和状型、水环境与经济协调发展型模拟结果是水环境与人口;第三层次从第二层次分出九个变量包括工业经经济协调发展型是一种合理的发展模型,也是切实可济等;第四层次是从第三层次中分离出的若干变量在行的发展模型对绿洲生态经济结构和功能得分析基础之上,进行了种植业结构、人工造林结构和环保投资比例结构等系6系统动力学在环境经济中的应用统结构,就机械人口、外来投资、外来调水量等政策变施国洪等以镇江市为例,运用系统动力学的方法量给出地区发展的七种可能方案,通过模型模拟得出建立了环境经济系统动力学模型,利用计算机对方案地区发展的最优方案.谷国锋等将系统动力学应用于进行了设计,为政府提出如下建议:调整产业结构,调区域创新系统(RS)研究之中,SD方法在RS研究中整工业结构,加大环保工作力度林年丰等以吉林西部的主要观点是微观结构及功能分析是深人研究R长岭为例,进行了探讨它以农业经济专业发展高效农的基础单元、单元的运动及信息链是RS的基本结业为目标,筛选了大量的指标研究结果表明,协调好构,主导反馈环的变化决定RS结构及其变化趋势,整农业和畜牧业的关系,使农牧业之间形成以农养牧、以体性与层次性是研究RS的理论依据牧促农朱敏等人将系统动力学方法应用于环境经济学中,建立了模型对模型进行了有效性检验和仿真实8几点启示验,提出了政策和建议.认为调整产业结构、调整工业(1)系统动力学应用行业广泛系统动力学已应结构和加大环保力度才能从根本上解决环境问题用于可持续发展、水资源开发利用及承载力分析计算7系统动力学在其他领域中的应用水资源规划、城市水环境方面、环境经济及现代物流、区域经济系统、遗传算法、生态经济规划以及区域创新蔡常丰将动力学用于经济系统,认为现代经济是系统之中.这充分说明系统动力学以其自身的优点适一个动态系统,它至少包括市场一产品研究一生产一用于多领域的仿真模拟,诊断系统存在问题,提出政策储运一流通销售一市场服务等环节,发展经济必须在和建议.因此,系统动力学也可以应用于生态效应分析生产、流通消费等巨大反馈环中实现闭环控制谷国中河流生态系统是一个负杂的时变的界限较为清晰丰将系统动力学的方法应用于区域经济系统研究中,的系统,完全可以建立某个河道的生态系统动力学模区域经济系统(简称)是国家经济系统的子系统,从型,模拟河道水质变化河道岸线材料的变化所带来的RE内的各子系统和组成要素看,RES具备了用SD生物方法研究的基本条件:RFS存在因果率,其结构以反馈中国煤化工泛.从上面阅读文献环为例,系统内部存在多从反馈环,各元素之间具有复中CNMHG于全国范围、流域、县杂的相互依赖关系,具有明显的非线性特征,原因与结市如淮河流域、长春市、秦皇岛市、北京市、大连市、镇果在时间上往往存在较长的延迟性,并具有很大的惯(下转第21页)16水利水电技术第36卷2005年第6期柳长顺,等∥流域生态用水与需水研究[(KZCX2SW.317-3),2003]计算结果为:2010年生平衡理论是研究流域生态需水的基本原理应用水量态需水量为104亿m3,2030年生态需水量为112平衡方程计算生态用水与需水,可以保证流域系统的亿m3.“华北水循环与水资源安全研究项目”所计算水资源输入与输出之间的平衡有利于水资源的合理的生态环境需水仅包括河道湖泊和地下水回补需配置.(2)总用水量按“三生”口径统计时,生活用水水量和生产用水应按耗水统计.生态用水等于水资源总量就现状生态用水而言,本文计算结果与“北方地减去生活生产耗水量.(3)在流域水资源配置时,根据区最小生态环境需水量研究”项目相近但是,关于最不同水资源条件下年生态需水量进行配水.根据小生态需水量,不同项目计算结果相差较大,主要是由1956~1979年生态用水分析,建议在水资源配置时,最于最小生态需水的定义与内涵不同本文从水资源配小生态用水取76.1亿m3,或生态用水最小比例取置的角度,认为研究时段海河流域生态环境的结构与3功能的完整性没有遭到严重破坏,最小生态需水量等参考文献于最小生态用水量,这种假定是科学的,也是安全的本研究利用1956-1979年的数据进行计算,得到1]刘昌明魏忠义等华北平原农业水文及水资源[M].北京:科学的生态用水与需水量不包括地下水恢复水量,因为80出版社,1989:96-97[2]王芳梁瑞驹杨小柳等.中国西北地区生态需水研究(1)-F年代以前海河流域地下水超采并不严重.如果本研究早半干旱地区生态需水理论分析[J].自然资源学报,2002a,17计算得到的生态用水与需水量加上1980-1998年年(1):1-8均地下水超采量约50m2,则本文计算的结果与其他研3]王芳王浩陈敏建等中国西北地区生态需水研究(2)基于遥感和地理信息系统技术的区域生态需水计算及分析[]究结果相近自然资源学报,2002b,17(2):129-1374]王西琴.黄淮河地区河道生态环境需水量研究[R].北京师范大4结论与建议学博士后研究工作报告2002:1-5.[5]贾宝全,慈龙骏新疆生态用水量的初步估算[J].生态学报本文从流域水资源配置的角度,应用水量平衡原200,20(2):243-250理对流域生态用水与需水进行研究,通过与其他项目的对比分析,可以得出如下结论:(1)水文循环与水量(责任编辑聂建平)(上接第16页)[5]吴九红,曾开华城市水资源水资源承载力系统动力学研究[刀江市、左云县、青岛地区、关中地区、吉西地区、库尔乐水利经济,2003,21(3)地区等10个地区.从大到全国范围小至一个区域,无[6]陈兴鹏戴琴系统动力学在甘肃省河西地区水土资源承载力中应用[J].干早区地理,2002,25(4)论大小都能解决7]惠泱河蒋小辉黄强等,二元模式下水资源承载力系统动态(3)系统动力学应用前景广泛.从本人检索的文仿真模型研究[J].地理研究,2001,20(2)章来看,目前只有部分地方应用了系统动力学模型解[8]张雪花郭怀成张宝安系统动力学—多目标规划整合模型在决了部分问题,从发展前景来看,目前存在的生态环境秦皇岛市水资源规划中的利用[J].水科学进展,2002,13(4)恶化问题、粮食危机、能源危机等问题都能够用系统动9]张雅君,冯萃敏,刘全胜北京城市用水系统流图的研究,北京力学诊断和破解,尤其是生态问题中的渔场崩溃、森林建筑工程学院学报,2003,19(1)土壤侵蚀、物种消失等方面问题0)尚金成,张妍刘仁战略环境评价的系统动力学方法[东北师范大学报自然科学版,2001,33(1)的研究[1]施国洪朱敏系统动力学的方法在环境经济学的应用[刀].系统工程理论与实践,2001,(12)参考文献[12]林年丰,王娟汤洁等农业生态环境系统的优化研究[J1]杨京平.生态系统管理与技术[M].北京;化学工业出版社,2004林大学学报,2004,34(1)[2]陈成鲜严广乐我国水资源可持续发展系统动力学模型研究13]谷国丰区域经济系统研究中的动力学方法与模型[J东北师[J].上海理工大学学报,2000,22(2)中国煤化工[3]刘波,陆海波顾培亮从系统动力学的角度研究海洋的可持续4CNMHG遗传算法的估计[冂,福建发展[J].天津大学学报,2004,6(1)大学字报(目然科字版),2,(3)[4]阎二旺系统动力学在区域经济可持续发展战略规划中的应用J].太原师范学院学报,2003,2,(2)(责任编辑聂建平)水利水电擔205年第6期