系统动力学模型建构.docx

系统动力学模型建构青海湖流域生态环境问题集中表现在青海湖水量平衡和水位变化上［1］。由于人为活动相对较少青海湖被认为是研究近代环境演化和气候变化的良好地区之一国内许多学者利用水文、气象实测资料定量分析计算青海湖水量平衡要素及其与气象因素的关系预测未来可能的水位变化［2－4］。近几十年由于人类活动加剧和气候变化的综合影响青海湖流域天然草地退化、沙化、河道侵蚀、湿地旱化湖区沼泽面积逐年缩小使青海湖流域水资源重新分配并影响其入湖水量［5］。为了恢复和保护青海湖流域生态国家实施了退化草地综合治理、河道整治、沙漠化土地治理、生态林建设、湿地保护等一系列的综合措施［6］。但是由于社会、经济、环境系统及其关系的复杂性和动态性以及流域生态治理和水资源开发利用的不确定性和多目标性［7］使得各种水资源政策对青海湖水安全格局的影响缺乏定量化的手段和方法［8］。因此有必要建立一个系统的、动态的水资源预测模型以反映水资源供求、分配关系和不同政策的影响［9］。系统动力学方法可以动态反映复杂系统的组分关系并具有定量预测的优点［10－11］是研究青海湖水量平衡和水资源承载力的理想工具。笔者在分析青海湖流域水资源和社会系统相关要素的基础上建立青海湖流域水资源系统动力学模型对青海湖流域生态保护与综合治理实施后青海湖流域水资源环境承载力与承载状况进行动态仿真及趋势预测为青海湖流域的社会经济与水资源之间寻求一种协调发展的有效途径。1系统动力学模型构建1．1系统边界青海湖流域位于青藏高原东北隅为四周群山环抱的封闭式山间内陆盆地流域面积29661km2山区面积约占流域面积的68．6%。2000年底青海湖流域拥有人口9．72万人其中农村人口7．41万人;各类牲畜共302．86万头(只)其中大牲畜34．78万头猪3．33万头小牲畜264．75万只;耕地面积约20000hm2其中灌溉面积11400hm2。主要的农作物有小麦、青稞、燕麦、豌豆及青饲料等以油菜、青稞占主导地位;年产粮食3600t;工业产值1．19亿元。2000年青海湖流域现状总用水量0．49x108m3其中工业用水0．0016x108m3牲畜用水0．1504x108m3生活用水0．0142x108m3灌溉用水0．3216x108m3。模型的空间边界是整个青海湖流域。模拟时间段为2001——2050年以2001年为基准年模拟步长为1a。1．2系统反馈机制图的构建青海湖流域水资源系统是一个复杂大系统以青海湖水量平衡为核心以整个流域为研究对象通过系统结构和因素分析确定与水资源相关的主要因素及其与水资源承载力的关系。青海湖水量平衡中来水量主要包括湖面降水、地表水入湖补给和地下水入湖补给3部分耗水量包括青海湖水面蒸发、人类生活用水、牲畜饮用水、农业灌溉用水、工业耗水和生态环境用水据此建立青海湖水量平衡方程如下:ΔW=P+Rs+Rg－E－Hu。(1)式中:E为湖水面蒸发量P为湖面降水量Rs为地表水入湖补给量Rg为地下水入湖补给量Hu为人类活动耗水ΔW为湖水储量变化。青海湖流域水资源系统因果反馈机制如图1。1．3系统流图的建立在分析青海湖流域水资源系统特征和影响因素的基础上采用SD方法构建青海湖水量平衡和水资源动态预测模型从整体上反映政策、资源、人口和经济发展之间的相互关系模拟不同生态治理措施对青海湖水量平衡和水资源承载力的影响及其长远效果。青海湖水资源系统动力学模型由6个模块组构建成分别是:工业用水、农业灌溉用水、生态环境用水、人口用水、牲畜饮用水和水量平衡模块。运用SD专用建模软件VensimPLE来表示子系统间的相互联系及内部的结构关系建立青海湖流域水资源系统流图(图2)。1．4数据来源及参变量的确定系统流图仅表明系统结构与各变量间的逻辑关系不能显示其定量关系。通常情况下由于数据不足或函数关系复杂变量间的关系难以用严格的数学函数关系量化需采用简化、近似、概括等方法进行处理。本研究采用了灰色系统预测、趋势外推法及依据调查与统计数据估测参数并进行必要的检验将复杂的函数关系加以简化来确定模型中的参数值。模型数据主要来源于青海省统计年鉴青海湖流域海北州刚察县和海晏县、海西州天峻县、海南州共和县及国有农牧场(三角城种羊场、湖东种羊场、铁卜加草改站和青海湖农场)的调查资料。农田和草地灌溉用水以及生活和牲畜用水来源于青海省用水定额。变量初始值以2001年为基准年基准年以前的数据为模型检验数据基准年以后的变量值分别采用了灰色模型预测、几何平均值法、加权平均值法、趋势外推等方法部分变量值参考有关规划和研究成果确定(表1)。有关参数和变量的说明:青海湖水资源系统动力学模型包含工业用水、农业用水、生态环境用水、人口和牲畜用水和青海湖水量平衡模块其中工业用水以万元GDP用水