基于系统动力学模型的清水河流域水资源承载力研究

doi:10.11988/ckyyb.20231245

raybet体育在线院报 ›› 2025, Vol. 42 ›› Issue (4): 71-79.DOI: 10.11988/ckyyb.20231245

基于系统动力学模型的清水河流域水资源承载力研究

武佳维¹(), 李金燕¹^,²^,³(), 马占存¹

¹ 宁夏大学土木与水利工程学院,银川 750021
² 宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心,银川 750021
³ 旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心,银川 750021

收稿日期:2023-11-14 修回日期:2024-01-31 出版日期:2025-04-01 发布日期:2025-04-01
通信作者:
李金燕(1976-),女,宁夏石嘴山人,教授,博士,硕士生导师,主要从事旱区水环境与水土资源调控研究。E-mail: lijinyan001@163.com
作者简介:
武佳维(1999-),男,宁夏银川人,硕士研究生,主要从事水文水资源研究。E-mail:1650941991@qq.com
基金资助:
宁夏自然科学基金项目(2021AAC03018); 宁夏大学水利工程一流学科资助项目(NXYLXK2021A03)

Water Resources Carrying Capacity of Qingshui River Basin Based on System Dynamics Modeling

WU Jia-wei¹(), LI Jin-yan¹^,²^,³(), MA Zhan-cun¹

¹ School of Civil and Hydraulic Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750021,China
² Engineering Technique Research Center for Water Saving Irrigation and Water Resources Regulation in Ningxia, Yinchuan 750021, China
³ Engineering Research Center of Ministry of Education for Efficient Utilization of Water Resources in Modern Agriculture in Arid Regions, Yinchuan 750021, China

Received:2023-11-14 Revised:2024-01-31 Published:2025-04-01 Online:2025-04-01

摘要/Abstract

摘要： 以宁夏境内黄河最大的一级支流清水河流域为研究区域,综合考虑清水河流域水资源子系统、社会经济子系统及水环境子系统共同发展,运用系统动力学方法,利用Vensim软件建立清水河流域系统动力学模型,并设定5种不同的情景方案,基于2006—2020年历史数据,并利用熵权-TOPSIS法进行综合评价,预测了2021—2030年5种方案下水资源承载力的动态变化,从而找到提高该流域水资源承载力的最佳方案。结果表明:在现状延续型方案下,清水河流域水资源承载力较差,经济优先型、农业优先型及环境优先型方案只能对社会经济、水资源供需压力及水环境做出局部改善,而综合协调型方案能够全面提高水资源承载力评价指标,符合推进流域可持续发展的要求,该研究可以为清水河流域水资源管理与规划提供参考依据。

关键词: 水资源承载力, 水资源预测, 系统动力学, 熵权-TOPSIS法, 清水河流域

Abstract:

This study selects the Qingshui River Basin, the largest first-order tributary of the Yellow River in Ningxia, as the research area. It comprehensively considers the co-development of water resources, socio-economic, and water environment subsystems in this basin. By applying the system dynamics method, we established a system dynamics model of the Qingshui River Basin using Vensim software and set up five different scenarios. Based on historical data from 2006 to 2020, we employed the entropy weighting-TOPSIS method to predict the dynamic changes in water resources carrying capacity under these five scenarios from 2021 to 2030 so as to identify the optimal solution for enhancing the basin’s water resources carrying capacity. Results indicate that the water resources carrying capacity of the Qingshui River Basin remains inferior under the status-quo continuation scenario. The economic-priority, agricultural-priority, and environmental-priority scenarios can only partially alleviate the pressures on socio-economic development, water resources supply and demand, and the water environment. In contrast, the comprehensive and coordinated scenario can comprehensively improve the evaluation indicators of water resources carrying capacity, meeting the requirements for promoting the basin’s sustainable development. This study offers a reference for water resources management and planning in the Qingshui River Basin.

Key words: water carrying capacity, water resource forecasting, system dynamics, entropy weight-TOPSIS method, Qingshui River basin

中图分类号:

TV213.4水利资源的管理、保护与改造

武佳维, 李金燕, 马占存. 基于系统动力学模型的清水河流域水资源承载力研究[J]. raybet体育在线院报, 2025, 42(4): 71-79.

WU Jia-wei, LI Jin-yan, MA Zhan-cun. Water Resources Carrying Capacity of Qingshui River Basin Based on System Dynamics Modeling[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025, 42(4): 71-79.

图/表 14

图1 清水河流域

Fig.1 Map of the Qingshui River Basin

图2 研究路线

Fig.2 Research roadmap

图3 水资源承载力模型流程

Fig.3 Flow chart of the water resource carrying capacity model

表1 SD模型主要参数方程

Table 1 Equations for main parameters of the SD model

用水总量/ (亿m³)	畜牧用水/ (亿m³)	水资源供水量/(亿m³)	第三产业增加值/(亿元)	第三产业用水量/(亿m³)	城镇人口数量/(万人)	农村人口数量/(万人)	农业灌溉用水量/(亿m³)	地区生产总值/(亿元)	人均 GDP/元
用水总量=生产用水量+生活用水量+生态环境用水量	畜牧用水=大牲蓄用水量+小牲蓄用水量	水资源供水量=地表水资源+地下水资源+污水处理回用	第三产业增加值=INGET(第三产业增长率,第三产业增加值初始值)	第三产业用水量=第三产业万元增加值用水量×第三产业增加值	城镇人口数量=总人口数量×城镇化率	农村人口数量=总人口数量—城镇人口数量	农业灌溉用水量=农业灌溉面积×农业灌溉用水定额	地区生产总值=第一产业增加值+第二产业增加值+第三产业增加值	人均GDP=地区生产总值/总人口数量

表2 历史性检验数据

Table 2 Historical test data

年份	总人口数量/(万人)			地区生产总值/(亿元)
年份	Y_t	$Y ∧ t$	ARE		Y_t	$Y ∧ t$	ARE
2016	141.453	138.62	0.02		73.96	77.66	0.05
2017	143.182	141.75	0.01		77.77	79.33	0.02
2018	144.787	146.23	0.01		81.92	85.20	0.04
2019	146.393	149.32	0.02		86.57	84.84	0.02
2020	147.998	143.56	0.03		91.92	91.00	0.01
年份	农业灌溉面积/hm²			水资源供水量/(亿m³)
年份	Y_t	$Y ∧ t$	ARE		Y_t	$Y ∧ t$	ARE
2016	112 000	108 640	0.03		3.127	3.10	0.01
2017	116 480	119 973	0.03		3.610	3.65	0.01
2018	119 470	120 010	0.01		3.254	3.29	0.01
2019	126 200	124 930	0.01		3.131	3.29	0.05
2020	129 170	131 760	0.02		3.131	3.26	0.04

表2 历史性检验数据

Table 2 Historical test data

年份	总人口数量/(万人)			地区生产总值/(亿元)
年份	Y_t	$Y ∧ t$	ARE		Y_t	$Y ∧ t$	ARE
2016	141.453	138.62	0.02		73.96	77.66	0.05
2017	143.182	141.75	0.01		77.77	79.33	0.02
2018	144.787	146.23	0.01		81.92	85.20	0.04
2019	146.393	149.32	0.02		86.57	84.84	0.02
2020	147.998	143.56	0.03		91.92	91.00	0.01
年份	农业灌溉面积/hm²			水资源供水量/(亿m³)
年份	Y_t	$Y ∧ t$	ARE		Y_t	$Y ∧ t$	ARE
2016	112 000	108 640	0.03		3.127	3.10	0.01
2017	116 480	119 973	0.03		3.610	3.65	0.01
2018	119 470	120 010	0.01		3.254	3.29	0.01
2019	126 200	124 930	0.01		3.131	3.29	0.05
2020	129 170	131 760	0.02		3.131	3.26	0.04

表3 清水河流域水资源承载力综合评价指标体系

Table 3 Indicator system for comprehensive evaluation of water resources carrying capacity of the Qingshui River Basin

目标层	准则层	指标层	指标层符号	准则层权重/%	单位	指标层权重/%	反馈
水资源承载力评价指标体系	水资源	水资源供需比	A₁	33.848	%	7.421	+
		人均水资源量	A₂		m³	5.316	+
		人均用水量	A₃		m³	4.134	+
		农业用水效率	A₄		%	5.217	+
		工业用水效率	A₅		%	3.931	+
		水资源开发利用率	A₆		%	7.827	+
	社会经济	城镇化率	A₇	50.314	%	8.176	+
		人口密度	A₈		人/km²	9.590	-
		人均GDP	A₉		元	11.983	+
		地区生产总值	A₁₀		亿元	10.258	+
		第三产业增加值用水量	A₁₁		m³/万元	5.390	-
		第二产业增加值用水量	A₁₂		m³/万元	4.917	-
	水环境	城市绿地用水量	A₁₃	15.838	亿m³	3.795	-
		第二产业污水排放量	A₁₄		亿m³	5.823	-
		人均绿地面积	A₁₅		m³	2.572	+
		生活污水排放量	A₁₆		亿m³	3.648	-

表4 水资源承载力等级

Table 4 Rating of water carrying capacity

级别	差	较差	中等	良好	优秀
$c i$	[0,0.2]	(0.2,0.4]	(0.4,0.6]	(0.6,0.8]	(0.8,1.0]

表4 水资源承载力等级

Table 4 Rating of water carrying capacity

级别	差	较差	中等	良好	优秀
$c i$	[0,0.2]	(0.2,0.4]	(0.4,0.6]	(0.6,0.8]	(0.8,1.0]

表5 SD情景方案设定

Table 5 Settings of SD scenarios

模式	方案
现状延续型	该模式依据研究区现有发展速度和发展规划
经济优先型	根据研究区发展现状,突出社会经济发展的要求,将产业增长率上调3%、人口增长率、城镇化等参数上调2%,产业万元用水量增加10%
环境优先型	根据研究区发展现状,突出环境保护的重要性,将产业增长率、城镇化等参数下调2%,人口增长率下调1%、用水定额相应减少,污水回用量调整为现状延续模式的1.2倍
农业优先型	根据研究区域产业发展特点,突出发展流域主要产业,在现状延续模式基础上将第一产业增长率、农业灌溉率提高3%,城镇化率下调3%
综合协调型	在现状延续模式基础上,保证社会经济发展的同时,注重环境保护,对社会经济、水资源与水环境参数下调

表6 各情景方案参数

Table 6 Parameters of scenarios

情景方案	人口增长率/%	第一产业增长率/%	第二产业增长率/%	第三产业增长率/%	污水回用量/(亿m³)	第二产业万元增加值用水量/(m³·(万元)^-1)	第三产业万元增加值用水量/(m³·(万元)^-1)	城镇化率/%
现状延续型	1.3	4.1	6.5	6.8	0.018	32.0	41.0	15.5
经济优先型	3.3	7.1	9.5	9.8	0.024	35.2	45.1	17.5
环境优先型	0.3	2.1	4.5	4.8	0.026	28.8	36.9	13.5
农业优先型	1.3	9.1	6.5	6.8	0.016	32.0	41.0	12.5
综合协调型	1.3	3.1	5.5	5.8	0.018	30.0	38.0	15.5

图4 需水总量

Fig.4 Total water demand

图5 供需水量比值

Fig.5 Ratio of water supply to demand

图6 地区生产总值

Fig.6 Gross Regional Product

图7 人均GDP

Fig.7 GDP per capita

图8 不同方案下水资源承载力

Fig.8 Water resources carrying capacity under different scenarios

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基于系统动力学模型的清水河流域水资源承载力研究

Water Resources Carrying Capacity of Qingshui River Basin Based on System Dynamics Modeling

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