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探析SD方法在水土资源管理与调节中的应用

文档作者：蒲彦君王睿韩建忠严玉峰文档来源：甘肃省科技发展促进中心		更新日期： 2026年08月11日	点击数：
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区域治理 ECOLOGY 生 态
作者简介：蒲彦君，生于1980年，本科，副高级工程师，研究方向为可持续发展相关规划编制与研究。
基金项目：甘肃省软科学专项“高质量发展背景下黄河流域甘肃段生态环境系统SD模型应用研究”（项目编
号：20CX9ZA009）。
探析SD 方法在水土资源管理与调节中的应用*
甘肃省科技发展促进中心　蒲彦君，王睿，韩建忠，严玉峰
摘要：为促进对水土资源系统中系统动力学(System dynamics, SD)的研究，论述了SD在水资源供需平衡、土
地利用动态变化、水土资源承载力评价以及优化配置等领域应用的研究现状。鉴于此，提出了目前存在的问
题和面临的发展空间，为今后的研究提供参考。
关键词：SD模型；系统动力学；水土资源系统；模拟
中图分类号：F301.2;TV213.4 文献标识码：A 文章编号：2096-4595（2022）21-0137-0004
水资源作为人类赖以生存
的物质基础，影响着人类的进步
和社会的健康发展。我国水资源
地区分布不均，年内分配不均、
年际变化大，且天然来水与用水
需求不匹配，导致水资源合理配
置难度较大[1]。土地资源同样作
为自然要素之一，在经济社会的
发展过程中有着重要的作用。人
口持续增长和经济快速发展使土
地资源的需求也随之增长，导致
后备土地资源不断减少，我国土
地资源的承载水平受到严重削弱
[2]。水土资源系统是在限定的时
空范围内，由水资源、土地资源
和经济社会等要素组成，具有开
放性、复杂性和动态性等特点[3]。
目前，针对水土资源系统的研究
集中于对其承载力的评价及优化
配置等方面[4,5]。
系统动力学(System
Dynamics, SD) 的理论基础是反
馈控制理论，主要依据组成系统
的内部各要素之间形成的关系和
各种反馈闭合环构建模型，同时
搜集与系统行为有关的数据进行
仿真验证，最后做出预测[6]。目
前，基于SD 方法的应用研究主要
在环境保护、项目建设、粮食安
全、信息管理等领域[7,8]。同时
SD 方法在水土资源系统模拟与评
价方面也有广泛应用[9,10]。
一、SD 模型应用于水土资源
系统
SD 可以定量分析各类复杂系
统的内部反馈环结构与系统功能
内在特性的关系，具有能处理高
阶、非线性等复杂问题的优点，
在客观的长期动态趋势研究中应
用较广。目前对于SD 方法应用于
水土资源系统的研究，主要是通
过设置变速率方程表达系统内部
各要素之间的关系，进而形成闭
合反馈回路进行动态模拟，实现
定量表达系统整体的行为表现。
本文通过总结概述SD 模型在水
土资源系统中的应用，探讨彼此
的关联与影响。
（一）SD 模型应用于水资源
供需平衡
从20 世纪50 年代末起，我
国开展了对水资源供需平衡的研
究[11]。随着计算机技术的发展，
数字模拟与仿真技术也得到快速
发展，并被推广应用于水资源领
域。针对我国水资源地区分布不
均，以及经济社会发展的差异性，
学者们设想在时间、空间和跨部
门实现水资源优化配置，构建出
了三维优化分配水资源的理论模
型体系，从而实现解决多水源、
多目标、多用户和多保证率的配
置问题[12,13]。这对区域生态系统
循环、社会经济健康发展起到重
要作用。SD 模型以水资源、社会、
经济、生态中的供需关系为要素
因子，在构建模型时输入各个要
素，通过建立变速率方程表达各
要素之间的相互作用，构建出可
以实现交互作用的水资源供需平
衡的SD 模型，通过搜集该区域大
量历史与现有数据，进行各项指
138
生 态 ECOLOGY 区域治理
标的预测模型。目前在水资源供
需平衡的应用研究中基于SD 模
型的适用性及有效性也得到了实
际验证[14-16]。以水资源供需差额
为核心，构建SD 模型，评价分析
预测结果，从而发现水资源在利
用过程中存在的问题[17]。
目前，基于SD 模型的水资
源供需平衡应用研究主要是对某
一城市的水资源供需平衡预测模
拟及系统优化[18, 19]、工农业供
用水预测[20] 及生态需水预测[21]
等方面的研究。根据我国区域生
态经济社会和区域生态物质文明
协同发展，考虑全球气候变化、
水价调整机制、城镇化建设进程
等因素对区域水资源供需情况的
影响，进一步完善区域水资源供
需系统的SD 应用模型。
（二）SD 模型应用于土地利
用的动态变化
土地利用系统受区域经济发
展程度、自然环境开发利用程度
和政府决策等因素影响[3]。目前，
国内许多学者主要采用的是基于
计算机方法的数学模型和基于遥
感与地理信息系统技术的研究方
法来分析土地利用动态变化[22,
23]。其中数学模型主要有传统土
地利用数量分析模型、综合土地
利用动态分析模型和土地利用空
间格局分析模型等。
SD 以系统内部闭合反馈环为
研究基础，以计算机仿真技术为
手段，进行定性分析与定量研究
复杂系统的动态发展。SD 模型是
土地资源配置的有效工具，用来
研究区域人口发展、土地开发利
用和区域社会经济发展变化等之
间的内在联系。许端阳等[26] 以
鄂尔多斯为研究区，利用SD 方法
构建了耦合自然和人文因素的沙
漠化动态系统动力学模型。任晓
霞等利用从1994 年到2009 年的
各项统计数据，在分析黑水县土
地利用现状、变化规律和驱动力
的基础上，对黑水县土地未来的
发展进行了预测。曹祺文等将土
地主控因子嵌入传统中国城镇化
SD 模型中，拓展出基于土地利用
的中国城镇化SD 模型，开展了土
地利用的多种情景模拟。钱国英
等结合遥感技术与系统动力学对
土地利用状况进行仿真分析，较
容易得出灾害严重的土地类型，
同时表明在一定时期内无法正确
描述土地之间的转换关系。
目前SD 模型在土地利用系
统中应用较为广泛，但对于系统
内部闭合反馈环之间的相互作用
还难以定性表达，尚且无法准确
描述和反映某个因素在空间分布
上的具体变化。
（三）SD 模型应用于水土资
源承载力评价
水土资源承载力主要由环
境、资源、经济和人口等因子
组成。由于其因子诸多，系统复
杂，SD 方法占据优势。其作为区
域经济发展潜力的指标，对未来
水土资源开发、生态环境保护和
社会经济发展有一定的科学参考
价值。
利用SD 模型开展水资源承
载力方面的研究，主要集中在对
社会经济发展起着重要保障能力
的地方自然资源的建模与评估。
陈兴鹏等利用SD 理论基础，建立
了西北干旱地区水土资源承载力
系统模型，同时以甘肃省河西地
区为例，分析了该地区的水土资
源承载力，并提出了相应对策。
崔海升等以地方自然资源供需平
衡理论为核心，建立了自然资源
与环境约束下的哈尔滨地区自然
资源承载力系统动力学模型，并
模拟与预测出在哈尔滨地区将发
生政策性的地方自然资源问题。
梁栩等建立了自然资源、水环境
与人类经济社会关系的系统动力
学模式，并运用层次分析法构建
了自然资源的脆弱性评估系统，
得出了有利于区域经济健康发展
的综合模型。
采用SD 模型对土地资源承
载力研究重点则集中于社会经济
承载力和土地生产能力这两个方
面，通过动态模拟在长时间序列
条件下的土地资源承载力变动状
况，选择土地资源的最佳使用方
法，为土地规划研究提出新依据
[3]。高新才等[34] 从张掖市农作物
的供需入手，构建了SD 仿真模型
预测干旱地区土地资源人口承载
力。贾立斌等从安徽省凤台县的
主要矛盾入手，构建了该县土地
资源承载力系统动力学模型，利
用3 种情景模拟对其进行评价和
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区域治理 ECOLOGY 生 态
预测，并做出警情判定。
运用SD 方法对水土资源承
载力的研究更多倾向于单一评估
指标，但目前来看，单一评价指
标方法不能满足决策需要，也无
法反映系统内部反馈机制，导致
模型的模拟精度不够，因此构建
SD 模型时需要综合考虑各评价指
标对水土资源数量和质量影响。
（四）SD 模型应用于水土资
源优化配置
基于SD 模型的水土资源系
统优化配置的研究现已成为学者
们关注的热点。通过蓄水方案实
现水资源系统优化综合分配，并
通过与当前水资源系统供需驱动
因子和内部各子系统的联合建立
蓄水库容模式，按照优选时间序
列分析水资源系统运行规律和方
法。水资源系统调控理论采用构
建因果链和反馈环，跟踪水质的
动态信息，通过模拟各种水文状
态和多方法环境下水资源优化配
置结果，寻找自然资源的使用效
益最佳方法[3]。在使用SD 模型
实现水资源系统运行与调度时，
由于未充分考虑SD 方法在优化时
的局限，因此需要融合各知识领
域的方法进行优选。土地资源作
为不可再生资源，是整个社会的
“财富之母”，对土地资源进行
优化配置可提高土地利用的经济
效益。关于土地资源配置的模型
和算法集中在线性规划模型、多
目标模型和利用贝叶斯数据同化
技术构建土地优化模型。但基于
SD 模型对土地资源的研究主要是
通过研究土地资源的供求关系、
土地资源的利用结构调整以及土
地资源配置的市场化长期发展演
化等过程，构建土地利用层次结
构模型，模拟不同方案的土地资
源开发利用状况。现有的SD 模型
关于土地资源系统的研究主要针
对系统整体的动态运行变化，系
统内部各因素（土地、经济和社
会子系统反馈）之间反馈机制的
研究还相对较少，模型模拟精度
缺乏准确性。
二、问题与展望
（一）SD 模型应用于水土资
源系统中的问题
SD 模型应用于水土资源系统
中的研究已取得了一些成果，但
由于水土资源系统具有复杂性，
仍有很多问题尚未解决，需要进
一步研究。现如今将SD 方法应用
于水土资源系统的研究还处于初
始阶段，理论还未成熟，实际应
用和成果并不多。目前存在以下
几点问题还需深入研究。
（1）研究体系有待完善。
国内外学者进行的SD 模型研究，
应用领域广泛。其中，在水资源
方面的研究集中度偏低，缺少大
范围的水资源综合研究模型；在
土地资源方面的研究则侧重于污
染评价与土地规划的单一层面，
综合模型也较少。总而言之，目
前基于SD 模型的研究集中在水
资源和土地资源的单一系统，而
在水土资源综合系统中的研究较
少。故及时建立完善的基于SD 模
型的水土资源系统研究体系很有
必要。
（2）模型不具针对性。在
水土资源系统的研究中，针对同
一研究内容，不同学者提出多种
SD 模型。模型还停留在初始理论
阶段，模型预测也具有非常明显
的随机性，且大多数模型缺乏验
证，基于SD 方法的水土资源系统
研究存在不足。因此，对应用于
先前水土资源系统SD 模型的不
足进行改进，并积极探索创新更
具针对性的SD 模型，更好地对水
土资源系统进行分析评价。
（二）SD 模型应用于水土资
源系统中的展望
目前基于SD 模型的研究仍
存在很多问题。基于水土资源系
统的SD 模型构建需要依靠大数
据分析，通过各种相关变量计算
和经验数据所构成的微分方程，
与代数方程相互联系而成的。所
以，我们处在大数据分析的背景
下，这使SD 模型与技术的融合产
生了巨大的发展空间，未来可以
通过获取实时信息实现及时建模
和预测系统的真实性，提高水土
资源开发效率，提升模型数据处
理的实效性和SD 数据分析性能，
为决策者做良好的技术基础。
三、结束语
本文通过综述SD 在水资源
供需平衡、土地资源利用动态变
化、水土资源承载力评价和优化
配置方面的应用研究现状，提出
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生 态 ECOLOGY 区域治理
了问题和展望，为利用SD 模型反
馈调节水土资源系统内部各个因
素进而实现有效管理的研究以及
在区域经济社会健康发展方面提
供科学依据。
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