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《資源科學(xué)雜志》2014年第六期

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況烏魯木齊市地處天山北麓中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，東、南、西三面環(huán)山，地勢南高北低，兼具山地城市和平原城市的特點，是典型的干旱區(qū)綠洲城市。區(qū)域?qū)僦袦貛Т箨懶愿珊禋夂颍邓∩偾宜募痉植疾痪嗄昶骄涤炅繛?97.99mm，2010年水資源總量為9.39億m3。烏魯木齊市作為新疆的政治、經(jīng)濟、文化和科技中心，是經(jīng)濟高速發(fā)展、人口密集的特大城市，2011年全市總?cè)丝?49.35萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值為1690億元，占新疆地區(qū)生產(chǎn)總值的25.57%，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比例為1.31∶44.91∶53.78。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，以烏魯木齊為中心城市的天山北坡經(jīng)濟區(qū)被納入國家重點發(fā)展區(qū)域，成為中國擴大向西開放、開展對外經(jīng)濟文化交流的重要窗口，未來烏魯木齊市將進入大規(guī)模開發(fā)和建設(shè)的新時期，水資源需求將不斷增長。但水資源嚴(yán)重衰竭和水污染加劇導(dǎo)致烏魯木齊市的水資源環(huán)境容量和承載能力大大降低，城市發(fā)展和水資源之間的矛盾日益加劇，必須對水資源開發(fā)利用提出更高的要求。

1.2研究方法系統(tǒng)動力學(xué)認(rèn)為系統(tǒng)的行為模式與特性主要取決于其內(nèi)部的動態(tài)結(jié)構(gòu)與反饋機制，通過定性與定量結(jié)合、系統(tǒng)綜合推理，可以用于研究復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能與行為之間的動態(tài)關(guān)系[19]。綠洲城市系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，城市發(fā)展與水資源開發(fā)利用的相互作用機制難以用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法進行揭示，而系統(tǒng)動力學(xué)對處理非線性復(fù)雜反饋系統(tǒng)具有獨特優(yōu)勢，可以進行長期、動態(tài)的定量分析，因此本文選擇系統(tǒng)動力仿真模型對烏魯木齊市城市發(fā)展進程與水資源利用潛力進行多情景模擬與預(yù)測。根據(jù)城市發(fā)展進程中的水資源約束理論與機制，建立系統(tǒng)動力仿真模型，將區(qū)域水資源－城市發(fā)展復(fù)合系統(tǒng)劃分為水資源和城市發(fā)展兩個系統(tǒng)，其中水資源系統(tǒng)包括供水、用水、水資源利用綜合潛力等模塊，城市發(fā)展系統(tǒng)包括人口、經(jīng)濟和城市發(fā)展綜合指數(shù)等模塊，對城市發(fā)展進程與水資源需求進行多情景模擬與預(yù)測。其中，水資源利用綜合潛力由本底條件、開發(fā)程度、利用效率、管理能力4個方面、15個指標(biāo)構(gòu)建的評價體系計算得出，城市發(fā)展綜合指數(shù)由城市人口、城市經(jīng)濟、城市社會、城市空間4個方面、16個指標(biāo)構(gòu)建的評價體系計算得出[18]。為提高模型的科學(xué)性和可操作性，適當(dāng)規(guī)避難以確定的因素，在模型構(gòu)建時假定區(qū)域可利用水資源確定，可利用土地資源不變，節(jié)水技術(shù)改進速度穩(wěn)定，城市水平根據(jù)設(shè)定情景發(fā)展[13]。系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建的概念框架如圖1.在模型構(gòu)建基礎(chǔ)上，根據(jù)控制參量的調(diào)控原則和情景預(yù)測模型的因果反饋流程，將具有能動調(diào)控作用的城市發(fā)展系統(tǒng)的7個參量作為控制參量（表1），根據(jù)區(qū)域現(xiàn)實情況、未來發(fā)展環(huán)境及城市發(fā)展模式選擇等進行初步實驗調(diào)控，對烏魯木齊市城市發(fā)展情景進行高、中、低三種發(fā)展方案設(shè)定，其中，高速方案采用烏魯木齊市“十二五”規(guī)劃發(fā)展速度，中速方案采用1995-2010年平均增速，低速發(fā)展則假定城市發(fā)展速度相對保守。水資源開發(fā)利用則從供水和用水兩個方面設(shè)定了現(xiàn)狀供水、跨流域調(diào)水、現(xiàn)狀用水和節(jié)水利用四種方案：①現(xiàn)狀供水方案假定區(qū)域地表、地下水資源量為1995-2010年均值，分別為10.52億m3、5.82億m3，地表水源供水量占地表水資源量的比例由2010年的62.68%勻速增至2030年的75%，地下水源供水量占地下水資源量的比例維持在50%不變，到2030年區(qū)域可供水資源總量為11.15億m3；②調(diào)水方案中區(qū)域調(diào)水能力逐漸增強，調(diào)水量以每年0.2億m3的速度勻速增加，到2030年調(diào)水量達4億m3，可供水資源總量達15.15億m3；③現(xiàn)狀用水方案中，工業(yè)重復(fù)用水率保持2010年70%的水平，農(nóng)業(yè)灌溉用水定額以50m3/hm2的速度逐年遞減；④節(jié)水方案中，工業(yè)重復(fù)用水率到2030年勻速提高到85%，灌溉用水定額的降幅有所加大。基于不同方案，以2010年為現(xiàn)狀基礎(chǔ)年，對烏魯木齊市2010-2030年城市發(fā)展水平與水資源需求進行情景模擬。同時，借鑒城市發(fā)展與水資源發(fā)展?jié)摿C合測度的相關(guān)成果[17，18]和水資源對城市發(fā)展的約束強度模型[20]，計算不同方案下的水資源缺口和水資源系統(tǒng)對城市發(fā)展系統(tǒng)的約束強度，比較分析各城市發(fā)展和水資源開發(fā)利用方案，對不同情景下水資源對城市發(fā)展的支撐能力進行預(yù)測。

2結(jié)果分析

2.1城市發(fā)展水平的情景模擬采用城市發(fā)展綜合水平指數(shù)反映烏魯木齊市城市人口、城市經(jīng)濟、城市社會和城市空間的整體發(fā)展水平[18]。在不同的城市發(fā)展速度下，烏魯木齊市主要年份的城市發(fā)展指標(biāo)和綜合指標(biāo)的模擬結(jié)果如表2。（1）高速發(fā)展方案中，區(qū)域總?cè)丝谟?010年的243.03萬人增至2030年的422.21萬人，城鎮(zhèn)人口增加到413.76萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值由303.76億元增加到8895.62億元（圖2），三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)由1.49∶44.86∶53.65變?yōu)?.14∶49.68∶50.18，工業(yè)總產(chǎn)值由391.36億元增至12691億元，建成區(qū)面積由343km2增至433.7km2。城市發(fā)展綜合指數(shù)由0.5637上升到0.9226（圖3）。（2）城市中速發(fā)展方案中，到2030年烏魯木齊市總?cè)丝谠鲋?20.94萬人，城鎮(zhèn)人口增至314.52萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值增加到2605.62億元，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變?yōu)?.48∶54.04∶45.48，工業(yè)總產(chǎn)值增至4281億元，建成區(qū)面積增至408.69km2（圖2）。城市發(fā)展綜合指數(shù)上升到0.7115（圖3）。（3）城市低速發(fā)展方案中，烏魯木齊市2030年總?cè)丝谠鲋?79.42萬人，城鎮(zhèn)人口增加到273.83萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值增加到1183.42億元，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變?yōu)?.07∶54.43∶44.51，工業(yè)總產(chǎn)值增加到2000億元，建成區(qū)面積增加到385.82km2（圖2）。城市發(fā)展綜合指數(shù)上升到0.6374（圖3）。

2.2水資源供需水平的情景模擬高、中、低3種城市發(fā)展方案下用水人口與用水產(chǎn)業(yè)的不同使水資源需求量有所差異。相同城市發(fā)展方案下，用水方案的不同導(dǎo)致用水定額的變化，也帶來需水總量的差異（表3）。（1）社會經(jīng)濟高速發(fā)展情景下，除農(nóng)業(yè)需水呈下降趨勢，2010-2030年烏魯木齊市工業(yè)需水、生活需水、生態(tài)需水和需水總量均呈增長趨勢（表3）。現(xiàn)狀用水方案中，需水總量從10.89億m3增至53.80億m3，增加了3.94倍，年均增加2.15億m3，主要用于工業(yè)發(fā)展，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水比重由2010年的64.36∶18.00∶13.74∶3.89變?yōu)?030年的9.41∶83.18∶4.39∶3.03，工業(yè)產(chǎn)值的高速增長導(dǎo)致工業(yè)用水需求增加迅速，工業(yè)成為烏魯木齊市用水的重要部門。節(jié)水方案中，需水總量增至45.30億m3，年均增加1.72億m3，需水結(jié)構(gòu)調(diào)整為9.85∶81.35∶5.21∶3.60，水資源利用結(jié)構(gòu)較現(xiàn)狀用水方案得到了一定優(yōu)化。社會經(jīng)濟高速發(fā)展帶來水資源需求的加大，超過供水能力時必然導(dǎo)致較大的水資源供需差額。按照現(xiàn)狀供水方案，到2030年烏魯木齊市可供水資源總量為11.15億m3，現(xiàn)狀用水和節(jié)水方案下缺水量將分別達42.65億m3和34.15億m3（圖4）。若有外調(diào)水補給供水，2030年供水總量為15.15億m3，現(xiàn)狀用水和節(jié)水方案下缺水量分別為38.65億m3和30.15億m3。（2）城市中速發(fā)展情景下，農(nóng)業(yè)需水量呈下降趨勢，工業(yè)需水、生活需水、生態(tài)需水和需水總量均有所增長。現(xiàn)狀用水方案中，2030年需水總量增加到23.58億m3，增加了1.17倍，年均增加0.63億m3.農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)需水結(jié)構(gòu)為21.48∶63.99∶7.61∶6.91。節(jié)水方案中需水總量增加到20.32億m3，年均增加0.47億m3，需水結(jié)構(gòu)調(diào)整為21.97∶61.17∶8.83∶8.02。中速發(fā)展情景下的缺水程度較高速情景大大減小。在現(xiàn)狀供水條件下，烏魯木齊市從2011年開始缺水，現(xiàn)狀用水方案下到2030年缺水量為12.43億m3，節(jié)水方案下2030年缺水量為9.17億m3。調(diào)水情景下，現(xiàn)狀用水方案使烏魯木齊市2017年開始缺水，到2030年缺水量為8.43億m3，節(jié)水方案使烏魯木齊市2021年開始缺水，到2030年缺水量為5.17億m3。（3）在低速發(fā)展情景下，2011-2030年農(nóng)業(yè)需水量和生活需水量呈現(xiàn)下降趨勢，工業(yè)需水量、生態(tài)需水量和需水總量有所增長。現(xiàn)狀用水方案中，2030年需水總量增加到15.31億m3，年均增加0.22億m3，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)需水結(jié)構(gòu)為33.08∶46.05∶10.20∶10.65。節(jié)水方案中需水總量增加到13.46億m3，年均增加0.13億m3，需水結(jié)構(gòu)調(diào)整為33.16∶43.14∶11.60∶12.11。烏魯木齊市需水總量大大減小，在現(xiàn)狀供水條件下，現(xiàn)狀用水方案2012年開始缺水，到2030年缺水量為4.16億m3，節(jié)水方案2017年開始缺水，2030年缺水量為2.31億m3。調(diào)水情景下，水資源處于盈余狀態(tài)，水資源能夠滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的需要。

2.3水資源對城市發(fā)展約束強度的情景仿真水資源對城市發(fā)展的約束強度反映水資源短缺對城市發(fā)展進程的影響[20]，水資源條件較好、水資源開發(fā)利用潛力較大，其對城市發(fā)展的約束強度較小，城市發(fā)展水平較高，對水資源約束力的抗拒能力較強，也在一定程度上減輕水資源帶來的約束作用。不同情景下的仿真結(jié)果顯示，由于城市發(fā)展綜合水平和水資源開發(fā)利用潛力的提高，水資源系統(tǒng)對城市發(fā)展系統(tǒng)的約束強度有所下降（表4）。社會經(jīng)濟高速發(fā)展，導(dǎo)致城市發(fā)展綜合指數(shù)較高，使得城市對水資源短缺的抗約束能力越強，較中、低情景下的水資源約束強度更小。但現(xiàn)狀用水方式下，社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，也帶來水資源開發(fā)程度的加劇，影響水資源開發(fā)利用潛力，導(dǎo)致到2030年高情景下的水資源約束強度反而低于中、低情景。在現(xiàn)狀供用水方案下，水資源對城市發(fā)展的約束強度逐年下降，從2011年的0.5083降到2027年的0.4602，后有所上升，到2030年為0.4654；調(diào)水方案下，從2011年的0.5080降到2027年D0.4567，后上升到2030年的0.4606。節(jié)水利用方案下，現(xiàn)狀供水和調(diào)水方案分別導(dǎo)致烏魯木齊市水資源對城市發(fā)展的約束強度從2011年的0.5073、0.5070降到2030年的0.4050、0.4002。中速和低速發(fā)展情景下，社會經(jīng)濟的發(fā)展帶來的城市發(fā)展水平的提高，均導(dǎo)致各用水方案下的水資源約束強度降低。比較而言，在現(xiàn)狀用水方案下，城市低速發(fā)展的水資源約束強度最小；節(jié)水利用方案下，城市高速發(fā)展的水資源約束強度則最小。總體來看，未來烏魯木齊市水資源系統(tǒng)對城市發(fā)展系統(tǒng)的約束強度基本在0.4~0.5之間，按水資源對城市發(fā)展約束強度的分級標(biāo)準(zhǔn)[20]，約束強度<0.3為弱約束，0.3~0.5為較強約束，0.5~0.7為強約束，>0.7為極強約束，則烏魯木齊市未來基本屬于較強約束。社會經(jīng)濟發(fā)展速度較快，城市發(fā)展綜合水平較高，有助于提高對水資源約束強度的抵抗能力；節(jié)水方案較現(xiàn)狀用水方案，水資源開發(fā)利用潛力指數(shù)較高，水資源約束強度也低于現(xiàn)狀用水方案。

3結(jié)論

（1）城市發(fā)展方案和用水方案共同影響需水總量。按照現(xiàn)狀用水方案，到2030年高、中、低三種城市發(fā)展情景下烏魯木齊市的需水總量將分別達53.80億m3、23.58億m3和15.31億m3，若采用節(jié)水方案，需水總量則分別為45.30億m3、20.32億m3、13.46億m3。（2）現(xiàn)狀供水方案下，2030年烏魯木齊市供水總量為11.15億m3，水資源甚至難以支撐社會經(jīng)濟的低速發(fā)展，未來烏魯木齊市水資源系統(tǒng)對城市發(fā)展系統(tǒng)基本屬于較強約束。若采用調(diào)水方案，調(diào)水量以每年0.2億m3的速度遞增，可以滿足城市低速發(fā)展的要求，但按照中速發(fā)展方案，2017年將出現(xiàn)缺水，2030年水資源缺口為8.43億m3，如果采用節(jié)水措施，中速發(fā)展情景下缺水將推遲到2021年，2030年水資源缺口減少到5.17億m3。設(shè)定的調(diào)水方案和節(jié)水方案也難以滿足社會經(jīng)濟高速增長帶來的用水需求增加，必須加大調(diào)水和節(jié)水力度，否則水資源對城市發(fā)展的約束將限制烏魯木齊市社會經(jīng)濟的健康發(fā)展。（3）節(jié)水對水資源開發(fā)利用潛力提高的效果遠大于調(diào)水，社會經(jīng)濟發(fā)展速度越快，節(jié)水帶來的效果越明顯。在現(xiàn)狀用水方案下城市低速發(fā)展的水資源約束強度最小，節(jié)水利用方案下城市高速發(fā)展的水資源約束強度則最小。（4）烏魯木齊市水資源開發(fā)利用潛力提升空間較大，適度擴大城市規(guī)模，加快人口和產(chǎn)業(yè)的集聚與規(guī)模效應(yīng)，采取節(jié)水措施，降低用水定額，提高水資源利用效率，是提高水資源開發(fā)利用潛力最有效的途徑。在節(jié)水技術(shù)滿足社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源需求的同時，通過跨流域調(diào)水提高區(qū)域的供水能力，也有助于減弱水資源系統(tǒng)對城市發(fā)展系統(tǒng)的約束作用。

作者：唐宏夏富強楊德剛黃鳳喬旭寧單位：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院四川省農(nóng)村發(fā)展研究中心中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所四川省宜賓市城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)地理信息中心河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院