水資源利用的系統動(dòng)力學(xué)問(wèn)題

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水資源利用的系統動(dòng)力學(xué)問(wèn)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(wú)錫214122)摘要:以地區用水指標為基礎,利用系統動(dòng)力學(xué)方法研究了地區水資源利用系統.通過(guò)SD模型分析了地區水資源利用系統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,對地區用水的供需趨勢進(jìn)行預測、分析.通過(guò)應用實(shí)例,對某一地區的水資源利用進(jìn)行模擬仿真,并分析了未來(lái)某些時(shí)期該地區水資源利用的狀況,其結果對于該地區水資源利用系統的可持續發(fā)展的管理具有一定指導意義關(guān)鍵詞:系統動(dòng)力學(xué);水資源利用;預測模型;系統分析中圖分類(lèi)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(gè)涉及到社會(huì )、經(jīng)濟、環(huán)境、生復雜時(shí)變的系統通過(guò)研究不同時(shí)期水資源的需求態(tài)等多個(gè)領(lǐng)域的系統問(wèn)題各系統要素之間通常存供給結構及其變化趨勢,可以對未來(lái)水用量進(jìn)行預在多重影響和聯(lián)系,同時(shí)這些要素往往又是隨時(shí)間測、水安全預警以及進(jìn)行水資源的可持續性指標計的變量所以水資源利用是一個(gè)具有反饋動(dòng)態(tài)性和算等還可以通過(guò)研究水資源利用系統結構之間的收稿日期: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(jiǎn)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劃和結水子系統S3和污水回用子系統S等用數學(xué)表達式構性調整等.正是基于這種思想,文中采用系統動(dòng)表示地區水資源利用系統:力學(xué)的方法,結合我國水利主要指標對地區水資源s={S1,S2,S3,S4利用進(jìn)行系統分析,并建立了系統動(dòng)力學(xué)模型地區水資源利用系統中,水資源的使用量一般包括兩個(gè)部分,即需水量和耗水量.人口用水子系1研究方法統中,人口數量和人均用水量是其最主要的兩個(gè)影系統動(dòng)力學(xué)是以微分方程為理論工具,分析研響因素,人口數量又與自然增長(cháng)率和遷移率等有究信息反饋系統的學(xué)科口.系統動(dòng)力學(xué)最突出的特關(guān),而人均用水則跟地區的水資源量和經(jīng)濟發(fā)展水點(diǎn)是能夠處理高階層、非線(xiàn)性多重反饋復雜時(shí)變平等問(wèn)題有關(guān);工業(yè)用水子系統中,涉及到的系統問(wèn)題,采取定性與定量相結合的研究方法業(yè)產(chǎn)值用水量、工業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)耗水率等有關(guān)問(wèn)題在對問(wèn)題進(jìn)行分析時(shí),強調系統動(dòng)態(tài)和反饋,并使農業(yè)子系統中為了和統計年鑒以水資源公報中的三者結合起來(lái)同時(shí)強調系統的機構決定系統的功用水指標相統一,文中主要考察了灌溉用水,其中能23).對于系統問(wèn)題,特別是復雜的大系統來(lái)說(shuō)農村人口用水和畜牧用水在人口子系統中體現;污利用系統動(dòng)力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)和思想進(jìn)行研究往往非?！に赜米酉到y中,包括污水排放量污水回用量、環(huán)有效,系統動(dòng)力學(xué)已經(jīng)廣泛地應用到包括水資源保投資等問(wèn)題在內的各個(gè)領(lǐng)域5需要說(shuō)明的是,地區水資源利用系統SD模型在系統動(dòng)力學(xué)中微分方程組描述了系統各狀是以實(shí)際的水資源利用為基礎建立的,但畢竟不是態(tài)變量的變化率(流率)對個(gè)狀態(tài)變量(流位變量實(shí)際系統本身對實(shí)際系統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(jìn)行了刻畫(huà)和描述地區水資源利用系統所涉及受到狀態(tài)變量、外生變量以及常量的控制.流位變的問(wèn)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(jìn)行分析和建模LEVEL K= LEVEL. J+DT(R,K-Ror.JK)·2.2模型結構(1)分析系統的結構是系統動(dòng)力學(xué)建立模型的關(guān)LEVEL K- LEVEL2= R.JK-RourJK(2鍵在因果關(guān)系分析的基礎上,利用系統動(dòng)力學(xué)仿真軟件 Vensim對地區水資源利用系統繪制仿真模其中 LEVEL為水準方程;K為正在實(shí)施計算的現型流圖,如圖1所示在時(shí)刻;J為計算實(shí)施完畢的上一時(shí)刻;RmK與23變量說(shuō)明及主要方程RorK分別為在JK時(shí)間間隔內的流人率和流出在地區水資源利用系統模型中,以人口生活用率;DT表示時(shí)間間隔水、工業(yè)用水、農業(yè)用水、污水回用和地區用水量為2模型的建立主線(xiàn),它們之間的關(guān)系同時(shí)涉及人口、經(jīng)濟、環(huán)保等多個(gè)因素對系統的影響涉及到的狀態(tài)變量如污水2.1地區水資源利用的系統分析回用量、地區水資源供給量、人口用水量、農業(yè)用水在我國,反映水資源利用情況主要考察幾個(gè)主量等;速率變量如城市人口增長(cháng)率、農村人口增長(cháng)要的用水指標,如在我國的統計年鑒和水資源公報率、工業(yè)產(chǎn)值增長(cháng)率等;輔助變量如缺水量、地區用中,常用的指標有人均用水量、萬(wàn)元GDP(當年價(jià))水量農業(yè)耗水量等;常量如城市人口用水標準、農用水量、農田灌溉667m2均用水量、萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)村人口用水標準等值(當年價(jià))用水量、城鎮人均生活用水量、農村人模型系統流圖說(shuō)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結構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中的人口子系統、工業(yè)子系立系統動(dòng)力學(xué)方程.限于篇幅,只在下面列出部分統、農業(yè)子系統文中主要在用水指標基礎上對人主要方程口子系統、工業(yè)子系統和農業(yè)子系統進(jìn)行系統分1)人口用水子系統析,同時(shí)也對污水回用系統進(jìn)行分析,因為污水回用在水資源的供給應用中具有重要意義和地位中國煤化工+ NRKSY KCRKBZ K這樣地區水資源利用系統S中的問(wèn)題主要包CNMHGK. RCRK CRK括人口用水子系統S1、工業(yè)用水子系統S2農業(yè)用 INITIALⅤALUE}第5期徐玉升等:水資源利用的系統動(dòng)力學(xué)問(wèn)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:地區用水量:QSL:缺水量量; NRKSY:農村人口用水量;CRK:城市人口;2.4模型參數的確定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、表函數以及狀態(tài)變量的初始值賦值才能進(jìn)行模2)工業(yè)用水子系統:擬有些參數可以從統計年鑒和水資源公報中直接A GYYS. K= GYCZ K* WYGC引用,有的參數則需要通過(guò)數學(xué)、統計方法計算出L GYCZ INTEG RGYCZ* GYCZ, GYCZ結果,再代入模型中.文中應用回歸分析、趨勢外INITIAL VALUEI推簡(jiǎn)易平均法等方法確定一些參數,并將這些參L GYHS INTEG GYYS* RGYHS, GYHS數輸入模型中INITIALⅤALUE2.5模型的檢驗其中,GYYS:工業(yè)用水量;GYCZ:工業(yè)產(chǎn)值系統動(dòng)力學(xué)模型有效性檢驗方法可以分為直WYGC:萬(wàn)元產(chǎn)值用水量觀(guān)檢驗、運行檢驗、歷史檢驗、靈敏度分析4個(gè)部3)農業(yè)用水子系統:分.直觀(guān)檢驗和運行檢驗在建模過(guò)程中已經(jīng)進(jìn)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(guò)比較仿真數據與歷史數據之間A NYHS K RNYHS K* NYYS K的吻合情況進(jìn)行判斷而靈敏度檢驗則比較復雜,其中,NYYS:農業(yè)用水量;NYHS:農業(yè)耗水量它要通過(guò)改變模型方程和模型參數值才能得知這4)污水回用子系統: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,系統都能實(shí)現特定的目標,從而對模型進(jìn)A WSPFK= DYS. K* RWY. K行結構和靈敏度檢驗.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(gè)地區水資源利用系統建立了兩個(gè)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(cháng)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業(yè)用水增口用水業(yè)用水量農業(yè)耗水率農村人口用水量農業(yè)耗水量r用水耗水量萬(wàn)元產(chǎn)量圖1地區水資源利用SD模型系統流Fig 1 System flow of SD model in regional water resources utilization進(jìn)度指標為依據選取和確定的.模型的基準年份為應用實(shí)例2003年,仿真時(shí)間為10年,步長(cháng)為1年,使用軟件為Vensim5.4.在模型中選擇了人口子系統污水回用以我國東北某地區為例,2003年該地區水資源子系統和其他3個(gè)變量作靈敏度檢驗,結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仿人口3815萬(wàn),其中城鎮人口206.3萬(wàn)人,鄉村人真結口1808.7萬(wàn)人模型參數基本上是根據該地區歷變CNMH(決策變量)的改門(mén)力來(lái)以佚以,得出推薦方案年統計資料來(lái)確定的部分參數根據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地區水資源利用系統仿真結果Tab 1 Results of SD simulation in regional water resources utilization缺水量/污水回用污水回用農業(yè)用水農業(yè)耗水工業(yè)用水指標污染系數230778量60率/%0.04837140000.63200714164260205608180001783000525260.04200.0.0380525954625320.350020110000.50526424萬(wàn)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(guò)對表1的運行結果進(jìn)行分析可以得出如下具有較強的作用結論:4)污水回用率、污染系數以及耗水率對于區域1)各行業(yè)用水量逐年增加給地區用水配水帶污水的回用關(guān)系密切這些參數的改善有助于提高來(lái)壓力但是通過(guò)污水回用及其他耗水指標和用水用水和節水的效率指標的調整,用水緊張情況得到改善2)模型中沒(méi)有考慮到水資源供給增長(cháng)的情況,4結語(yǔ)實(shí)際隨著(zhù)水資源的開(kāi)發(fā)利用,水資源的供給將是不斷增長(cháng)的,這對緩解水資源缺水狀況比較有利應用系統動(dòng)力學(xué)的方法,建立了地區水資源利3)隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展和人口消費水平的提高對用系統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(lái)越大,這也影響到一些指標變動(dòng)能定量地描述地區水資源利用系統諸多因素之間趨緩,如人口用水標準等.盡管變動(dòng)緩慢,但是還是的相互關(guān)系,并可以通過(guò)調整參數,用于其他地區呈現下降趨勢,這表明大力開(kāi)展水資源供給管理、的模擬同時(shí),該模型也具有很好的擴展性,可以根提高用水效率和節水意識,對水資源的利用和保護據不同需要和目的對模型中因素進(jìn)行調整和補充參考文獻( References):[1]賈仁安,丁榮華系統動(dòng)力學(xué)[M]北京:高等教育出版社,2002.[2]李梅,黃廷林徐志嬙系統動(dòng)力學(xué)在城市污水再生回用中的應用[J數學(xué)的實(shí)踐與認識2005,35(8):7883LI Mei, HUANG Ting-lin, XU Zhi-qiang. 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