第7卷第5期江南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)No 5008年10月Journal of Jiangnan University( Natural Science Edition)文章編號:1671-7147(2008)05-0615-04水資源利用的系統(tǒng)動力學(xué)問題徐玉升,祁凱,丁小明,李磊”2(1.哈爾濱理工大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院,黑龍江哈爾濱150080;2.江南大學(xué)商學(xué)院,江蘇無錫214122)摘要:以地區(qū)用水指標為基礎(chǔ),利用系統(tǒng)動力學(xué)方法研究了地區(qū)水資源利用系統(tǒng).通過SD模型分析了地區(qū)水資源利用系統(tǒng)中的主要因素及它們之間的相互聯(lián)系,確定了它們之間的定量關(guān)系,對地區(qū)用水的供需趨勢進行預(yù)測、分析.通過應(yīng)用實例,對某一地區(qū)的水資源利用進行模擬仿真,并分析了未來某些時期該地區(qū)水資源利用的狀況,其結(jié)果對于該地區(qū)水資源利用系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展的管理具有一定指導(dǎo)意義關(guān)鍵詞:系統(tǒng)動力學(xué);水資源利用;預(yù)測模型;系統(tǒng)分析中圖分類號:F205文獻標識碼: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水資源利用是一個涉及到社會、經(jīng)濟、環(huán)境、生復(fù)雜時變的系統(tǒng)通過研究不同時期水資源的需求態(tài)等多個領(lǐng)域的系統(tǒng)問題各系統(tǒng)要素之間通常存供給結(jié)構(gòu)及其變化趨勢,可以對未來水用量進行預(yù)在多重影響和聯(lián)系,同時這些要素往往又是隨時間測、水安全預(yù)警以及進行水資源的可持續(xù)性指標計的變量所以水資源利用是一個具有反饋動態(tài)性和算等還可以通過研究水資源利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的收稿日期:2007-10-22;修訂日期:200-12-18基金項目:中國博士后科學(xué)基金項目(2005038201)中國煤化工作者簡介:徐玉升(1966-),男黑龍江哈爾濱人,管理科學(xué)與工程章通訊聯(lián)系人:李磊(1959-),男,黑龍江哈爾濱人,教授博士生CNMHG置等研究Email:inf2007@126.com616江南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版第7卷相互影響關(guān)系,對以后的水資源利用作出規(guī)劃和結(jié)水子系統(tǒng)S3和污水回用子系統(tǒng)S等用數(shù)學(xué)表達式構(gòu)性調(diào)整等.正是基于這種思想,文中采用系統(tǒng)動表示地區(qū)水資源利用系統(tǒng):力學(xué)的方法,結(jié)合我國水利主要指標對地區(qū)水資源s={S1,S2,S3,S4利用進行系統(tǒng)分析,并建立了系統(tǒng)動力學(xué)模型地區(qū)水資源利用系統(tǒng)中,水資源的使用量一般包括兩個部分,即需水量和耗水量.人口用水子系1研究方法統(tǒng)中,人口數(shù)量和人均用水量是其最主要的兩個影系統(tǒng)動力學(xué)是以微分方程為理論工具,分析研響因素,人口數(shù)量又與自然增長率和遷移率等有究信息反饋系統(tǒng)的學(xué)科口.系統(tǒng)動力學(xué)最突出的特關(guān),而人均用水則跟地區(qū)的水資源量和經(jīng)濟發(fā)展水點是能夠處理高階層、非線性多重反饋復(fù)雜時變平等問題有關(guān);工業(yè)用水子系統(tǒng)中,涉及到的系統(tǒng)問題,采取定性與定量相結(jié)合的研究方法業(yè)產(chǎn)值用水量、工業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)耗水率等有關(guān)問題在對問題進行分析時,強調(diào)系統(tǒng)動態(tài)和反饋,并使農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)中為了和統(tǒng)計年鑒以水資源公報中的三者結(jié)合起來同時強調(diào)系統(tǒng)的機構(gòu)決定系統(tǒng)的功用水指標相統(tǒng)一,文中主要考察了灌溉用水,其中能23).對于系統(tǒng)問題,特別是復(fù)雜的大系統(tǒng)來說農(nóng)村人口用水和畜牧用水在人口子系統(tǒng)中體現(xiàn);污利用系統(tǒng)動力學(xué)的觀點和思想進行研究往往非?！に赜米酉到y(tǒng)中,包括污水排放量污水回用量、環(huán)有效,系統(tǒng)動力學(xué)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到包括水資源保投資等問題在內(nèi)的各個領(lǐng)域5需要說明的是,地區(qū)水資源利用系統(tǒng)SD模型在系統(tǒng)動力學(xué)中微分方程組描述了系統(tǒng)各狀是以實際的水資源利用為基礎(chǔ)建立的,但畢竟不是態(tài)變量的變化率(流率)對個狀態(tài)變量(流位變量實際系統(tǒng)本身對實際系統(tǒng)中的主要影響因素和關(guān)或特定輸入等的依存關(guān)系,狀態(tài)變量的變化率最終系進行了刻畫和描述地區(qū)水資源利用系統(tǒng)所涉及受到狀態(tài)變量、外生變量以及常量的控制.流位變的問題并不是獨立的,而是相互聯(lián)系的,可以從不量的一般形式為同的角度和方面進行分析和建模LEVEL K= LEVEL. J+DT(R,K-Ror.JK)·2.2模型結(jié)構(gòu)(1)分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)動力學(xué)建立模型的關(guān)LEVEL K- LEVEL2= R.JK-RourJK(2鍵在因果關(guān)系分析的基礎(chǔ)上,利用系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件 Vensim對地區(qū)水資源利用系統(tǒng)繪制仿真模其中 LEVEL為水準方程;K為正在實施計算的現(xiàn)型流圖,如圖1所示在時刻;J為計算實施完畢的上一時刻;RmK與23變量說明及主要方程RorK分別為在JK時間間隔內(nèi)的流人率和流出在地區(qū)水資源利用系統(tǒng)模型中,以人口生活用率;DT表示時間間隔水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、污水回用和地區(qū)用水量為2模型的建立主線,它們之間的關(guān)系同時涉及人口、經(jīng)濟、環(huán)保等多個因素對系統(tǒng)的影響涉及到的狀態(tài)變量如污水2.1地區(qū)水資源利用的系統(tǒng)分析回用量、地區(qū)水資源供給量、人口用水量、農(nóng)業(yè)用水在我國,反映水資源利用情況主要考察幾個主量等;速率變量如城市人口增長率、農(nóng)村人口增長要的用水指標,如在我國的統(tǒng)計年鑒和水資源公報率、工業(yè)產(chǎn)值增長率等;輔助變量如缺水量、地區(qū)用中,常用的指標有人均用水量、萬元GDP(當(dāng)年價)水量農(nóng)業(yè)耗水量等;常量如城市人口用水標準、農(nóng)用水量、農(nóng)田灌溉667m2均用水量、萬元工業(yè)產(chǎn)村人口用水標準等值(當(dāng)年價)用水量、城鎮(zhèn)人均生活用水量、農(nóng)村人模型系統(tǒng)流圖說明了各變量之間的邏輯關(guān)系均生活用水量(含牲畜用水)等這些指標基本上涵和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)但是不能顯示定量關(guān)系,因此需要建蓋了水資源利用系統(tǒng)中的人口子系統(tǒng)、工業(yè)子系立系統(tǒng)動力學(xué)方程.限于篇幅,只在下面列出部分統(tǒng)、農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)文中主要在用水指標基礎(chǔ)上對人主要方程口子系統(tǒng)、工業(yè)子系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)進行系統(tǒng)分1)人口用水子系統(tǒng)析,同時也對污水回用系統(tǒng)進行分析,因為污水回用在水資源的供給應(yīng)用中具有重要意義和地位中國煤化工+ NRKSY KCRKBZ K這樣地區(qū)水資源利用系統(tǒng)S中的問題主要包CNMHGK. RCRK CRK括人口用水子系統(tǒng)S1、工業(yè)用水子系統(tǒng)S2農(nóng)業(yè)用 INITIALⅤALUE}第5期徐玉升等:水資源利用的系統(tǒng)動力學(xué)問題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:地區(qū)用水量:QSL:缺水量量; NRKSY:農(nóng)村人口用水量;CRK:城市人口;2.4模型參數(shù)的確定CRKBZ:城市人口用水標準;CBR:人口出生率;模型建立后,需要對模型中的一些變量如常CDR:人口死亡率;CMR:人口遷移率數(shù)、表函數(shù)以及狀態(tài)變量的初始值賦值才能進行模2)工業(yè)用水子系統(tǒng):擬有些參數(shù)可以從統(tǒng)計年鑒和水資源公報中直接A GYYS. K= GYCZ K* WYGC引用,有的參數(shù)則需要通過數(shù)學(xué)、統(tǒng)計方法計算出L GYCZ INTEG RGYCZ* GYCZ, GYCZ結(jié)果,再代入模型中.文中應(yīng)用回歸分析、趨勢外INITIAL VALUEI推簡易平均法等方法確定一些參數(shù),并將這些參L GYHS INTEG GYYS* RGYHS, GYHS數(shù)輸入模型中INITIALⅤALUE2.5模型的檢驗其中,GYYS:工業(yè)用水量;GYCZ:工業(yè)產(chǎn)值系統(tǒng)動力學(xué)模型有效性檢驗方法可以分為直WYGC:萬元產(chǎn)值用水量觀檢驗、運行檢驗、歷史檢驗、靈敏度分析4個部3)農(nóng)業(yè)用水子系統(tǒng):分.直觀檢驗和運行檢驗在建模過程中已經(jīng)進L NYYS= INTEG|NYYS* RNYYS,NYYs-行利用 Vensim軟件提供的編譯檢錯、跟蹤功能、歷INITIALⅤALUE史檢驗則可以通過比較仿真數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)之間A NYHS K RNYHS K* NYYS K的吻合情況進行判斷而靈敏度檢驗則比較復(fù)雜,其中,NYYS:農(nóng)業(yè)用水量;NYHS:農(nóng)業(yè)耗水量它要通過改變模型方程和模型參數(shù)值才能得知這4)污水回用子系統(tǒng):種變化對模型行為的影響,而且在特定干擾和隨機A WSHY K WSPF K RWSHY K干擾下,系統(tǒng)都能實現(xiàn)特定的目標,從而對模型進A WSPFK= DYS. K* RWY. K行結(jié)構(gòu)和靈敏度檢驗.文獻[8]給出的靈敏度檢其中,WSHY:污水回用量;WSPF:污水排放量;驗公式如下RWSHY:污水回用率對整個地區(qū)水資源利用系統(tǒng)建立了兩個方程:S(r)△Y(t)/Y(4)A DYS.K= RKYS. K+GYYSK+ NYYS K△X(t)/K(t)城市人口增長率污水回用率城市人口用水標準表村人日城市人日用水量污水排放量村人口農(nóng)業(yè)用水增口用水業(yè)用水量農(nóng)業(yè)耗水率農(nóng)村人口用水量農(nóng)業(yè)耗水量r用水耗水量萬元產(chǎn)量圖1地區(qū)水資源利用SD模型系統(tǒng)流Fig 1 System flow of SD model in regional water resources utilization進度指標為依據(jù)選取和確定的.模型的基準年份為應(yīng)用實例2003年,仿真時間為10年,步長為1年,使用軟件為Vensim5.4.在模型中選擇了人口子系統(tǒng)污水回用以我國東北某地區(qū)為例,2003年該地區(qū)水資源子系統(tǒng)和其他3個變量作靈敏度檢驗,結(jié)果表明模供給總量為2458億m3,工業(yè)產(chǎn)值為2532億元總型具有中國煤化工在初始參數(shù)仿人口3815萬,其中城鎮(zhèn)人口206.3萬人,鄉(xiāng)村人真結(jié)口1808.7萬人模型參數(shù)基本上是根據(jù)該地區(qū)歷變CNMH(決策變量)的改門力來以佚以,得出推薦方案年統(tǒng)計資料來確定的部分參數(shù)根據(jù)003年的各項如表1所示618江南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第7卷衰1地區(qū)水資源利用系統(tǒng)仿真結(jié)果Tab 1 Results of SD simulation in regional water resources utilization缺水量/污水回用污水回用農(nóng)業(yè)用水農(nóng)業(yè)耗水工業(yè)用水指標污染系數(shù)230778量60率/%0.04837140000.63200714164260205608180001783000525260.04200.0.0380525954625320.350020110000.50526424萬元產(chǎn)值用工業(yè)耗水人口用水城市人口用人口耗水指標水量/m3量/m3水標準/m3水標準/m3率/%20030.04630.005840.0040150.04500.230.005841974100.0040200.500.04200.210.005802047700.0040000.480.04000.005700.4520110.03800180.0050210840.0038000.42通過對表1的運行結(jié)果進行分析可以得出如下具有較強的作用結(jié)論:4)污水回用率、污染系數(shù)以及耗水率對于區(qū)域1)各行業(yè)用水量逐年增加給地區(qū)用水配水帶污水的回用關(guān)系密切這些參數(shù)的改善有助于提高來壓力但是通過污水回用及其他耗水指標和用水用水和節(jié)水的效率指標的調(diào)整,用水緊張情況得到改善2)模型中沒有考慮到水資源供給增長的情況,4結(jié)語實際隨著水資源的開發(fā)利用,水資源的供給將是不斷增長的,這對緩解水資源缺水狀況比較有利應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)的方法,建立了地區(qū)水資源利3)隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人口消費水平的提高對用系統(tǒng)的仿真模型該模型不僅能夠定性,而且還水資源的需求越來越大,這也影響到一些指標變動能定量地描述地區(qū)水資源利用系統(tǒng)諸多因素之間趨緩,如人口用水標準等.盡管變動緩慢,但是還是的相互關(guān)系,并可以通過調(diào)整參數(shù),用于其他地區(qū)呈現(xiàn)下降趨勢,這表明大力開展水資源供給管理、的模擬同時,該模型也具有很好的擴展性,可以根提高用水效率和節(jié)水意識,對水資源的利用和保護據(jù)不同需要和目的對模型中因素進行調(diào)整和補充參考文獻( References):[1]賈仁安,丁榮華系統(tǒng)動力學(xué)[M]北京:高等教育出版社,2002.[2]李梅,黃廷林徐志嬙系統(tǒng)動力學(xué)在城市污水再生回用中的應(yīng)用[J數(shù)學(xué)的實踐與認識2005,35(8):7883LI Mei, HUANG Ting-lin, XU Zhi-qiang. 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