通过构建水资源模型来预警的方法技术领域
本发明属于水资源短缺预警预测方法领域，特别涉及一种针对区域水资源短缺问题基于
系统动力学建立的通过构建水资源模型来预警的方法。
背景技术
近年来，随着全球气候变化的加剧和社会经济用水的增加，水资源短缺已经成为21世纪
人类继全球气候变暖之后所面临的第二大自然和社会问题。2007年世界水日联合国就已经开
始关注“应对水短缺”问题，这表明水资源危机已经成为国际社会关注的焦点。而在我国，
由于降雨从南到北逐渐降低，北方地区长期面临着水资源短缺的问题，70年代以来，海河、
黄河、辽河等流域的水量就已经大幅减少，甚至断流。近年来，在全球变暖的背景下，我国
水资源最为丰富的西南地区也出现了历史罕见的干旱气候，澜沧江、乌江、嘉陵江等江河水
位急剧下降，不断突破历史最低，由此引起了一系列影响社会稳定和环境健康的问题，如生
态需水不足，湖泊富营养化严重等。这表明水资源短缺问题已经成为我国环境资源诸问题中
的关键因素和首要难题。因此，研究构建一套综合考虑水质水量水生态的水资源短缺预警预
报体系，并及时制定应对水资源短缺的应急预案已是刻不容缓，这对于维护社会安定、保障
环境安全具有十分重要的现实意义。
但是，目前对于水资源短缺预警的研究往往更为关注水资源系统中径流、降雨量和土壤
相对湿度等水量指标，通过分析其变化规律来预测水资源短缺的风险，或是仅仅通过分析社
会经济系统需水是否得到满足来预警水资源危机。然而，水资源系统是一个与社会，经济，
生态，环境密切相关的复合反馈系统，水资源短缺会导致生态需水的匮乏，影响水环境质量，
反之生态破坏，环境污染同样会引起可用水资源的锐减，从而进一步加剧水资源短缺状况。
因此综合分析水量、水质和水生态要素之间的响应关系，将水质和水生态要素考虑到水资源
短缺预警系统中是十分科学和必要的。基于水系统的复杂性，一些学者选用了擅长研究动态
和非线性复杂系统的系统动力学模型来对水安全进行预警，但仍是偏重于对社会经济系统水
量变化的模拟和预测，这表明仅仅依靠系统方程来实现对水生态和水环境变化的预警是不够
的，只有加入专门的水质模型，才能实现对水资源危机的综合预警。
发明内容
本发明目的为提供一种通过构建水资源模型来预警的方法，该方法将水质模型与系统动
力学模型相结合以构建一套水资源短缺预警体系，有助于提高其科学性、有效性和定量性。
本发明的技术方案如下：
通过构建水资源模型来预警的方法，首先通过如下步骤建立水资源模型：
(1)根据社会经济子系统和生态系统水循环的规律，构建社会经济-生态系统的水动力学
模型，生态系统水循环由湖泊河流生态子系统及区域供水子系统构成；
(2)选择适当的水质模型，定量分析社会经济子系统所排放的污染物进入到水环境后水
质变化的响应关系以及供水子系统中水量变化对水质的影响机制，在此基础上将水环境子系
统嵌入到社会经济-生态系统的水动力学模型中，从而构建起能够从水质水量两方面进行综合
预警的系统动力学模型；
再根据系统模型通过如下步骤得出水资源危机应急调控策略：(1)通过对社会经济-生态
系统供需水量以及水环境质量变化的模拟仿真，得到该区域的水资源短缺警情等级；
(2)通过调整相关参数来模拟其对水资源危机警情的影响，并结合相应的应急调控策略
进行分析，并对应急调控策略的优化提供依据。
所述生态系统的水动力模型包括区域供水子系统及需水子系统。
所述供水子系统结构参见说明书附图2，供水量约束方程为：
(1)SW(t)＝SW(t-Δt)+[I(t)+P(t)+Ed(t)-E(t)-O(t)-SS(t)-SE(t)]*Δt；
(2)TS(t)＝SW(t)+SS(t)+GS(t)。
所述需水子系统结构参见说明书附图3中包括工业需水量、农业需水量、生活需水量、
生态需水量、总需水量。
所述工业需水量的需水量约束方程为：(1)IV(t)＝IV(t-Δt)+IV(t-Δt)KI(t)*Δt；(2)
DI(t)＝IV(t)*AI；(3)IR(t)＝DI(t)*ratio1；(4)IW(t)＝DI(t)ratio2。
所述农业需水量的需水约束方程为：(1)DA(t)＝∑Sn*AAn(t)；
(2)AR(t)＝DA(t)*ratio3；(3)AW(t)＝DA(t)*ratio4。
所述生活需水量的需水量约束方程为：(1)NP(t)＝NP(t-Δt)+NP(t-Δt)KD(t)*Δt；
(2)DD(t)＝NP(t)*AD；(3)DR(t)＝DD(t)*ratio5；(4)DW(t)＝DD(t)*ratio6。
所述生态需水量的需水量约束方程为：![]()
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所述总需水量的需水量约束方程为：D＝DI+DA+DD+DE-IR-AR-DR。
所述水环境子系统的约束方程为：
(1)SW(t)C(t)＝SW(t)C(t-Δt)+[I(t)CI(t)+Ed(t)Ce(t)-O(t)C(t)+kC(t)SW(t)]Δt；
(2)Ed(t)＝IW(t)+AW(t)+DW(t)。
本发明的技术效果在于：
该发明是以区域水资源为研究目标，从系统内部的反馈关系入手，分析社会经济子系统
和生态系统的水量供给及其与水环境质量之间的响应机制，针对干旱条件下可能出现的水资
源危机，从水质水量两个方面进行预警，为应急调控措施提供依据。
附图说明
图1为本发明所述通过构建水资源模型来预警的方法流程示意图。
图2为本发明的供水子系统结构示意图。
图3为本发明的需水子系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，通过构建水资源模型来预警的方法，通过如下步骤建立系统：
首先通过如下步骤建立系统模型：
(1)根据社会经济子系统和生态系统水循环的规律，构建社会经济-生态系统的水动力学
模型，生态系统水循环由湖泊河流生态子系统及区域供水子系统构成；
(2)选择适当的水质模型，定量分析社会经济子系统所排放的污染物进入到水环境后水
质变化的响应关系以及供水子系统中水量变化对水质的影响机制，在此基础上将水环境子系
统嵌入到社会经济-生态系统的水动力学模型中，从而构建起能够从水质水量两方面进行综合
预警的系统动力学模型；
再根据系统模型通过如下步骤得出水资源危机应急调控策略：
(1)通过对社会经济-生态系统供需水量以及水环境质量变化的模拟仿真，得到该区域的
水资源短缺警情等级；
(2)通过调整相关参数来模拟其对水资源危机警情的影响，并结合相应的应急调控策略
进行分析，并对应急调控策略的优化提供依据。
一、分析水资源在社会经济系统和生态系统的循环机制，以及二者间的反馈关系，例如，
区域供水子系统为社会经济子系统提供水资源，而社会经济系统的发展促进水资源的开发，
从而提高区域供水系统的供水能力，但区域供水系统的可供水量受到特定生态需水量的制约，
从而使区域供水子系统的供水能力保持在一定水平。根据这些内在的联系，利用系统动力学
软件Stella建立社会经济-生态系统的水动力学模型。主要涉及2大子系统，即区域供水子
系统，需水子系统(其中又包括工业需水子系统，农业需水子系统、生活需水子系统和生态
需水子系统)。
下列公式中t和t-Δt都是时间变量，会有一个模拟的初始值，比如以2000年1月为初始
值，则t-Δt代表1月的值，Δt相当于一个时间间隔，可以依据1月的值模拟得到2月的
值，t就代表2月的值，而3月的值根据2月的值得到，因此这时t-Δt是2月，t是3月。
(1)供水子系统的建模思路
考虑了地表水渗漏量的供水子系统结构如图2所示。
供水量约束方程：
SW(t)＝SW(t-Δt)+[I(t)+P(t)+Ed(t)-E(t)-O(t)-SS(t)-SE(t)]*Δt (1)
TS(t)＝SW(t)+SS(t)+GS(t) (2)
式中，SW为地表水量；I为入流水量；P为降雨量；Ed为污水排放量；E为蒸发量；O为
出流水量；SS为地表供水量；SE为渗漏量；GS为地下可供水量；Δt为时间步长；TS为
总供水量。
(2)需水子系统的建模思路
考虑了生态需水量的需水子系统结构如图3所示。
需水量约束方程：
1)工业需水量(DI)
IV(t)＝IV(t-Δt)+IV(t-Δt)KI(t)*Δt (3)
DI(t)＝IV(t)*AI (4)
IR(t)＝DI(t)*ratio1 (5)
IW(t)＝DI(t)*ratio2 (6)
式中，IV为工业产值；K1为工业产值增长率；DI为工业需水量；AI为万元工业产值用水量；
ratio1为工业回用水率；ratio2为工业废水排放率；IR为工业回用水量；IW为工业废水。
2)农业需水量(DA)
DA(t)＝∑Sn*AAn(t) (7)
AR(t)＝DA(t)*ratio3 (8)
AW(t)＝DA(t)*ratio4 (9)
式中，DA为农业需水量；AAn为各类农业用地耗水量；Sn为农业用地面积；ratio3为农业回
用水率；ratio4为农业退水排放率；AR(t)为农业回用水量；AW为农业退水排放量。
3)生活需水量(DD)
NP(t)＝NP(t-Δt)+NP(t-Δt)KD(t)*Δt (10)
DD(t)＝NP(t)*AD (11)
DR(t)＝DD(t)*ratio5 (12)
DW(t)＝DD(t)*ratio6 (13)
式中，NP为人口总数；KD为人口的变化率(出生率-死亡率+迁入率-迁出率)；DD为生活需水
量；DR为生活污水回用量；DW为生活污水排放量；ratio5为生活回用水率；ratio6为生活
污水排放率，AD为人均用水量。
4)生态需水量(DE)
λ
=
1
m
Σ
i
=
1
n
E
(
η
i
)
E
(
ϵ
i
)
-
-
-
(
14
)
]]>
D
E
=
λ
Σ
i
=
1
n
D
Ei
n
-
-
-
(
15
)
]]>
式中，λ为生态水位系数；m为生态状况指标个数；ηi为当i变化最大的时段内，所有年最低
生态水位变量；εi为所有年最低生态水位变量；E(ηi)为ηi的数学期望；E(εi)为εi的数学期望；
DE为生态需水量；DEi为最低月均水量；n为年份数。
5)总需水量(D)
D＝DI+DA+DD+DE-IR-AR-DR (16)
式中，D为总需水量；DI为工业需水量；DA为农业需水量；DD为生活需水量；DE为生态
需水量；IR为工业回用水量；AR为农业回用水量；DR为生活污水回用水量。
二、选择适当的水质模型，定量分析社会经济子系统所排放的污染物进入到水环境后水
质变化的响应关系以及供水子系统、需水子系统和湖泊(或者河流)生态子系统的水量变化
对水质的影响机制，由此水质模型与区域供水子系统、湖泊(河流)生态子系统和社会经济
子系统建立联系，将之作为水环境子系统嵌入到生态-社会经济系统的水动力学模型中，从而
构建起能够从水质水量两方面进行综合预警的系统动力学模型。
水环境子系统约束方程：
SW(t)C(t)＝SW(t)C(t-Δt)+[I(t)CI(t)+Ed(t)Ce(t)-O(t)C(t)+kC(t)SW(t)]Δt (17)
Ed(t)＝IW(t)+AW(t)+DW(t) (18)
式中：C-污染物浓度背景值；CI-入流水中典型污染物浓度；Ce-排放污水中典型污染
物浓度；I-入流水量；O-出流水量；SW-地表水量；k-典型污染物沉降系数。
三、由于本发明着眼于对水资源危机的综合预警预报，因此需要快速做出警情判断，为
应急决策提供依据，所以并不适合采用传统的评价水资源安全的方法(例如建立指标体系进
行评价和打分，根据分值确定等级)，但是在所构建的模型中已经基本囊括与水资源的质、
量相关的典型参数，并利用系统动力学模型建立起了这些参数间的相关关系，基于此，拟采
用两项指标——水量供需比(供需比小于1时显示警报)和监测断面典型污染物浓度(根据研
究区域的实际情况选择代表污染物，高于国家规定的水质标准显示警报)，分别对资源性缺
水和水质型缺水两类水资源危机预警。具体警情等级依国家标准和相关文献制定。
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四、根据水资源短缺预警级别的划分，可以调整相关参数(具体参数包括万元工业产值
用水量，农业亩均耗水量，人均用水量，工业和生活废水回用率，工业污水排放系数，污染
物浓度，调水入流量)以模拟其对水资源危机警情的影响，并结合相应的应急调控策略进行
分析，并对应急调控策略的优化提供依据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原
则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。