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探析SD方法在水土資源管理與調節中的應用

文檔作者：蒲彥君王睿韓建忠嚴玉峰文檔來源：甘肅省科技發展促進中心		更新日期： 2026年08月11日	點擊數：
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137
區域治理 ECOLOGY 生 態
作者簡介：蒲彥君，生于1980年，本科，副高級工程師，研究方向為可持續發展相關規劃編制與研究。
基金項目：甘肅省軟科學專項“高質量發展背景下黃河流域甘肅段生態環境系統SD模型應用研究”（項目編
號：20CX9ZA009）。
探析SD 方法在水土資源管理與調節中的應用*
甘肅省科技發展促進中心　蒲彥君，王睿，韓建忠，嚴玉峰
摘要：為促進對水土資源系統中系統動力學(System dynamics, SD)的研究，論述了SD在水資源供需平衡、土
地利用動態變化、水土資源承載力評價以及優化配置等領域應用的研究現狀。鑒于此，提出了目前存在的問
題和面臨的發展空間，為今后的研究提供參考。
關鍵詞：SD模型；系統動力學；水土資源系統；模擬
中圖分類號：F301.2;TV213.4 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4595（2022）21-0137-0004
水資源作為人類賴以生存
的物質基礎，影響著人類的進步
和社會的健康發展。我國水資源
地區分布不均，年內分配不均、
年際變化大，且天然來水與用水
需求不匹配，導致水資源合理配
置難度較大[1]。土地資源同樣作
為自然要素之一，在經濟社會的
發展過程中有著重要的作用。人
口持續增長和經濟快速發展使土
地資源的需求也隨之增長，導致
后備土地資源不斷減少，我國土
地資源的承載水平受到嚴重削弱
[2]。水土資源系統是在限定的時
空范圍內，由水資源、土地資源
和經濟社會等要素組成，具有開
放性、復雜性和動態性等特點[3]。
目前，針對水土資源系統的研究
集中于對其承載力的評價及優化
配置等方面[4,5]。
系統動力學(System
Dynamics, SD) 的理論基礎是反
饋控制理論，主要依據組成系統
的內部各要素之間形成的關系和
各種反饋閉合環構建模型，同時
搜集與系統行為有關的數據進行
仿真驗證，最后做出預測[6]。目
前，基于SD 方法的應用研究主要
在環境保護、項目建設、糧食安
全、信息管理等領域[7,8]。同時
SD 方法在水土資源系統模擬與評
價方面也有廣泛應用[9,10]。
一、SD 模型應用于水土資源
系統
SD 可以定量分析各類復雜系
統的內部反饋環結構與系統功能
內在特性的關系，具有能處理高
階、非線性等復雜問題的優點，
在客觀的長期動態趨勢研究中應
用較廣。目前對于SD 方法應用于
水土資源系統的研究，主要是通
過設置變速率方程表達系統內部
各要素之間的關系，進而形成閉
合反饋回路進行動態模擬，實現
定量表達系統整體的行為表現。
本文通過總結概述SD 模型在水
土資源系統中的應用，探討彼此
的關聯與影響。
（一）SD 模型應用于水資源
供需平衡
從20 世紀50 年代末起，我
國開展了對水資源供需平衡的研
究[11]。隨著計算機技術的發展，
數字模擬與仿真技術也得到快速
發展，并被推廣應用于水資源領
域。針對我國水資源地區分布不
均，以及經濟社會發展的差異性，
學者們設想在時間、空間和跨部
門實現水資源優化配置，構建出
了三維優化分配水資源的理論模
型體系，從而實現解決多水源、
多目標、多用戶和多保證率的配
置問題[12,13]。這對區域生態系統
循環、社會經濟健康發展起到重
要作用。SD 模型以水資源、社會、
經濟、生態中的供需關系為要素
因子，在構建模型時輸入各個要
素，通過建立變速率方程表達各
要素之間的相互作用，構建出可
以實現交互作用的水資源供需平
衡的SD 模型，通過搜集該區域大
量歷史與現有數據，進行各項指
138
生 態 ECOLOGY 區域治理
標的預測模型。目前在水資源供
需平衡的應用研究中基于SD 模
型的適用性及有效性也得到了實
際驗證[14-16]。以水資源供需差額
為核心，構建SD 模型，評價分析
預測結果，從而發現水資源在利
用過程中存在的問題[17]。
目前，基于SD 模型的水資
源供需平衡應用研究主要是對某
一城市的水資源供需平衡預測模
擬及系統優化[18, 19]、工農業供
用水預測[20] 及生態需水預測[21]
等方面的研究。根據我國區域生
態經濟社會和區域生態物質文明
協同發展，考慮全球氣候變化、
水價調整機制、城鎮化建設進程
等因素對區域水資源供需情況的
影響，進一步完善區域水資源供
需系統的SD 應用模型。
（二）SD 模型應用于土地利
用的動態變化
土地利用系統受區域經濟發
展程度、自然環境開發利用程度
和政府決策等因素影響[3]。目前，
國內許多學者主要采用的是基于
計算機方法的數學模型和基于遙
感與地理信息系統技術的研究方
法來分析土地利用動態變化[22,
23]。其中數學模型主要有傳統土
地利用數量分析模型、綜合土地
利用動態分析模型和土地利用空
間格局分析模型等。
SD 以系統內部閉合反饋環為
研究基礎，以計算機仿真技術為
手段，進行定性分析與定量研究
復雜系統的動態發展。SD 模型是
土地資源配置的有效工具，用來
研究區域人口發展、土地開發利
用和區域社會經濟發展變化等之
間的內在聯系。許端陽等[26] 以
鄂爾多斯為研究區，利用SD 方法
構建了耦合自然和人文因素的沙
漠化動態系統動力學模型。任曉
霞等利用從1994 年到2009 年的
各項統計數據，在分析黑水縣土
地利用現狀、變化規律和驅動力
的基礎上，對黑水縣土地未來的
發展進行了預測。曹祺文等將土
地主控因子嵌入傳統中國城鎮化
SD 模型中，拓展出基于土地利用
的中國城鎮化SD 模型，開展了土
地利用的多種情景模擬。錢國英
等結合遙感技術與系統動力學對
土地利用狀況進行仿真分析，較
容易得出災害嚴重的土地類型，
同時表明在一定時期內無法正確
描述土地之間的轉換關系。
目前SD 模型在土地利用系
統中應用較為廣泛，但對于系統
內部閉合反饋環之間的相互作用
還難以定性表達，尚且無法準確
描述和反映某個因素在空間分布
上的具體變化。
（三）SD 模型應用于水土資
源承載力評價
水土資源承載力主要由環
境、資源、經濟和人口等因子
組成。由于其因子諸多，系統復
雜，SD 方法占據優勢。其作為區
域經濟發展潛力的指標，對未來
水土資源開發、生態環境保護和
社會經濟發展有一定的科學參考
價值。
利用SD 模型開展水資源承
載力方面的研究，主要集中在對
社會經濟發展起著重要保障能力
的地方自然資源的建模與評估。
陳興鵬等利用SD 理論基礎，建立
了西北干旱地區水土資源承載力
系統模型，同時以甘肅省河西地
區為例，分析了該地區的水土資
源承載力，并提出了相應對策。
崔海升等以地方自然資源供需平
衡理論為核心，建立了自然資源
與環境約束下的哈爾濱地區自然
資源承載力系統動力學模型，并
模擬與預測出在哈爾濱地區將發
生政策性的地方自然資源問題。
梁栩等建立了自然資源、水環境
與人類經濟社會關系的系統動力
學模式，并運用層次分析法構建
了自然資源的脆弱性評估系統，
得出了有利于區域經濟健康發展
的綜合模型。
采用SD 模型對土地資源承
載力研究重點則集中于社會經濟
承載力和土地生產能力這兩個方
面，通過動態模擬在長時間序列
條件下的土地資源承載力變動狀
況，選擇土地資源的最佳使用方
法，為土地規劃研究提出新依據
[3]。高新才等[34] 從張掖市農作物
的供需入手，構建了SD 仿真模型
預測干旱地區土地資源人口承載
力。賈立斌等從安徽省鳳臺縣的
主要矛盾入手，構建了該縣土地
資源承載力系統動力學模型，利
用3 種情景模擬對其進行評價和
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區域治理 ECOLOGY 生 態
預測，并做出警情判定。
運用SD 方法對水土資源承
載力的研究更多傾向于單一評估
指標，但目前來看，單一評價指
標方法不能滿足決策需要，也無
法反映系統內部反饋機制，導致
模型的模擬精度不夠，因此構建
SD 模型時需要綜合考慮各評價指
標對水土資源數量和質量影響。
（四）SD 模型應用于水土資
源優化配置
基于SD 模型的水土資源系
統優化配置的研究現已成為學者
們關注的熱點。通過蓄水方案實
現水資源系統優化綜合分配，并
通過與當前水資源系統供需驅動
因子和內部各子系統的聯合建立
蓄水庫容模式，按照優選時間序
列分析水資源系統運行規律和方
法。水資源系統調控理論采用構
建因果鏈和反饋環，跟蹤水質的
動態信息，通過模擬各種水文狀
態和多方法環境下水資源優化配
置結果，尋找自然資源的使用效
益最佳方法[3]。在使用SD 模型
實現水資源系統運行與調度時，
由于未充分考慮SD 方法在優化時
的局限，因此需要融合各知識領
域的方法進行優選。土地資源作
為不可再生資源，是整個社會的
“財富之母”，對土地資源進行
優化配置可提高土地利用的經濟
效益。關于土地資源配置的模型
和算法集中在線性規劃模型、多
目標模型和利用貝葉斯數據同化
技術構建土地優化模型。但基于
SD 模型對土地資源的研究主要是
通過研究土地資源的供求關系、
土地資源的利用結構調整以及土
地資源配置的市場化長期發展演
化等過程，構建土地利用層次結
構模型，模擬不同方案的土地資
源開發利用狀況。現有的SD 模型
關于土地資源系統的研究主要針
對系統整體的動態運行變化，系
統內部各因素（土地、經濟和社
會子系統反饋）之間反饋機制的
研究還相對較少，模型模擬精度
缺乏準確性。
二、問題與展望
（一）SD 模型應用于水土資
源系統中的問題
SD 模型應用于水土資源系統
中的研究已取得了一些成果，但
由于水土資源系統具有復雜性，
仍有很多問題尚未解決，需要進
一步研究。現如今將SD 方法應用
于水土資源系統的研究還處于初
始階段，理論還未成熟，實際應
用和成果并不多。目前存在以下
幾點問題還需深入研究。
（1）研究體系有待完善。
國內外學者進行的SD 模型研究，
應用領域廣泛。其中，在水資源
方面的研究集中度偏低，缺少大
范圍的水資源綜合研究模型；在
土地資源方面的研究則側重于污
染評價與土地規劃的單一層面，
綜合模型也較少。總而言之，目
前基于SD 模型的研究集中在水
資源和土地資源的單一系統，而
在水土資源綜合系統中的研究較
少。故及時建立完善的基于SD 模
型的水土資源系統研究體系很有
必要。
（2）模型不具針對性。在
水土資源系統的研究中，針對同
一研究內容，不同學者提出多種
SD 模型。模型還停留在初始理論
階段，模型預測也具有非常明顯
的隨機性，且大多數模型缺乏驗
證，基于SD 方法的水土資源系統
研究存在不足。因此，對應用于
先前水土資源系統SD 模型的不
足進行改進，并積極探索創新更
具針對性的SD 模型，更好地對水
土資源系統進行分析評價。
（二）SD 模型應用于水土資
源系統中的展望
目前基于SD 模型的研究仍
存在很多問題。基于水土資源系
統的SD 模型構建需要依靠大數
據分析，通過各種相關變量計算
和經驗數據所構成的微分方程，
與代數方程相互聯系而成的。所
以，我們處在大數據分析的背景
下，這使SD 模型與技術的融合產
生了巨大的發展空間，未來可以
通過獲取實時信息實現及時建模
和預測系統的真實性，提高水土
資源開發效率，提升模型數據處
理的實效性和SD 數據分析性能，
為決策者做良好的技術基礎。
三、結束語
本文通過綜述SD 在水資源
供需平衡、土地資源利用動態變
化、水土資源承載力評價和優化
配置方面的應用研究現狀，提出
140
生 態 ECOLOGY 區域治理
了問題和展望，為利用SD 模型反
饋調節水土資源系統內部各個因
素進而實現有效管理的研究以及
在區域經濟社會健康發展方面提
供科學依據。
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