CN113704978B - 一种基于社会水文学的城市圈人水耦合模拟方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于社会水文学的城市圈人水耦合模拟方法及系统，可耦合水资源、社会、科技、人类意识、经济和水环境等因素，建立以针对人类意识激发的水环境负反馈回路和针对科技激发的经济发展正反馈回路为核心的模型理论结构。建立数学方程量化科技和人类意识，表述科技模块、经济模块、水量模块、水环境模块、社会模块之间的相互作用与反馈，可针对不同研究区域的特点及研究需求，建立相应的城市圈人水耦合模型，并依据模型模拟结果给出相应的决策分析以及预测分析，为城市圈人水耦合模拟提供新思路。

Description

一种基于社会水文学的城市圈人水耦合模拟方法及系统

技术领域

本发明属于城市水文技术领域，具体涉及一种基于社会水文学的城市圈人水耦合模拟方法。

背景技术

随着城市集群规模的不断扩大，水环境污染、水资源缺失等水问题对生活在城市区域的居民造成了很大困扰。人水之间矛盾的日益显著制约了城市群的进一步高质量发展。在城市圈的人水交互过程中，科技和人类意识的影响逐渐凸显，为了能够更好探究城市圈人水耦合机制，模拟人水耦合系统的演变规律，亟需一种可以借助社会水文学的理念建立的基于社会水文学的城市圈人水耦合模型，可将人类意识与科技发展作为模型内生变量进行大时间尺度的互馈研究。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于社会水文学的城市圈人水耦合模拟方法和系统。该城市圈人水耦合模拟方法通过建立数学方程量化科技和人类意识，表述科技模块、经济模块、水量模块、水环境模块、社会模块之间的相互作用与反馈，可耦合水资源、社会、科技、人类意识、经济和水环境等因素，建立以针对人类意识激发的水环境负反馈回路和针对科技激发的经济发展正反馈回路为核心的模型理论结构。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种基于社会水文学的城市圈人水耦合模拟方法，包括以下步骤：

步骤1：构建城市圈人水耦合模拟模型；

所述城市圈人水耦合模拟模型，由科技模拟子模型、经济模拟子模型、水量模拟子模型、水环境模拟子模型和社会模拟子模型组成；

所述科技模拟子模型，用于模拟量化科技水平，其函数式为：

A_t＝K·α_a ^t (2)

式中，t表示第t年，A_t为第t年专利授权量；K为科技产出基数；α_a为科技产出增长系数；T₀为科技因子基准年初始值；T(t)为技术因子；α_b为专利有效率；

经济模拟子模型，用于模拟GDP和人口变化，，其函数式为：

GDP(t)＝P(t)·M(t) (4)

式中，M(t)表示人均GDP；M_min表示人均GDP最小值；λ_M表示生产科技作用系数；GDP(t)为国内生产总值；P(t)表示常住人口；x(t)表示t时刻种群的数量；r是种群的内禀增长率；N为环境能容纳的种群的最大数量；x₀表示环境能容纳的种群最小数量；λ_D为人口迁移常数；P_max为最大容纳人口数；P_min为最小容纳人口数；P₀为基准年初始值；r_p为人口内增长率；t表示第t年；E为水环境危机意识；E’为水环境危机意识阈值；

所述水量模拟子模型，同于模拟城市圈生产、生活和生态用水过程，其函数式为：

U(t)＝β_N(t)·P(t)+β_m(t)·GDP(t)+Q (10)

式中：β_m(t)为单位生产GDP用水量；β_max为最大单位生产用水量；λ_m为科技转化系数；β_min为最小单位生产用水量；β_N(t)为人均生活用水量；N_max为人均最大生活用水量；N_min为人均最小生活用水量；r_N为用水量内增长率；U(t)为用水总量；Q为生态用水量；

所述水环境模拟子模型，用于模拟水环境的客观状况，其函数式为：

C(t)＝[μ_Cμ_DU(t)+C_m]·G(t) (11)

G(t)＝G₀+λ_E·E_t-1+λ_n·n (12)

式中，C(t)为水环境污染物；G(t)为水环境污染物削减率；G₀为污染物削减率初始值；μ_C为污水含量；μ_D为污染物含量；C_m为面源污染物；λ_E单位意识削减作用；λ_n为绿色设施污染物削减率；E_t-1为第t-1年水环境危机意识；n表示水环境危机意识超过阈值E’的时间；

所述社会模拟子模型，用于模拟反应政策对人类取用水行为的影响，主要包括人口变化以及环境危机意识变化，其函数式为：

式中，E为水环境危机意识；μ_e为意识衰退系数；为水环境污染的函数；C为水环境污染指数；C_opt为水环境污染适宜值；α_c为水环境污染影响系数；

步骤2：利用所述城市圈人水耦合模拟模型，耦合科技、经济、社会、水量和水环境五因素，模拟人类意识激发的水环境负反馈回路和针对科技激发的经济发展正反馈回路。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种基于社会水文学的城市圈人水耦合模拟系统，包括以下模块：

模块1：用于构建城市圈人水耦合模拟模型；

所述城市圈人水耦合模拟模型，由科技模拟子模型、经济模拟子模型、水量模拟子模型、水环境模拟子模型和社会模拟子模型组成；

所述科技模拟子模型，用于模拟量化科技水平，其函数式为：

A_t＝K·α_a ^t (2)

式中，t表示第t年，A_t为第t年专利授权量；K为科技产出基数；α_a为科技产出增长系数；T₀为科技因子基准年初始值；T(t)为技术因子；α_b为专利有效率；

经济模拟子模型，用于模拟GDP和人口变化，其函数式为：

GDP(t)＝P(t)·M(t) (4)

式中，M(t)表示人均GDP；M_min表示人均GDP最小值；λ_M表示生产科技作用系数；GDP(t)为国内生产总值；P(t)表示常住人口；x(t)表示t时刻种群的数量；r是种群的内禀增长率；N为环境能容纳的种群的最大数量；x₀表示环境能容纳的种群最小数量；λ_D为人口迁移常数；P_max为最大容纳人口数；P_min为最小容纳人口数；P₀为基准年初始值；r_p为人口内增长率；t表示第t年；E为水环境危机意识；E’为水环境危机意识阈值；

所述水量模拟子模型，同于模拟城市圈生产、生活和生态用水过程，其函数式为：

U(t)＝β_N(t)·P(t)+β_m(t)·GDP(t)+Q (10)

式中：β_m(t)为单位生产GDP用水量；β_max为最大单位生产用水量；λ_m为科技转化系数；β_min为最小单位生产用水量；β_N(t)为人均生活用水量；N_max为人均最大生活用水量；N_min为人均最小生活用水量；r_N为用水量内增长率；U(t)为用水总量；Q为生态用水量；

所述水环境模拟子模型，用于模拟水环境的客观状况，其函数式为：

C(t)＝[μ_Cμ_DU(t)+C_m]·G(t) (11)

G(t)＝G₀+λ_E·E_t-1+λ_n·n (12)

式中，C(t)为水环境污染物；G(t)为水环境污染物削减率；G₀为污染物削减率初始值；μ_C为污水含量；μ_D为污染物含量；C_m为面源污染物；λ_E单位意识削减作用；λ_n为绿色设施污染物削减率；E_t-1为第t-1年水环境危机意识；n表示水环境危机意识超过阈值E’的时间；

所述社会模拟子模型，用于模拟反应政策对人类取用水行为的影响，主要包括人口变化以及环境危机意识变化，其函数式为：

式中，E为水环境危机意识；μ_e为意识衰退系数；为水环境污染的函数；C为水环境污染指数；C_opt为水环境污染适宜值；α_c为水环境污染影响系数；

模块2，用于利用所述城市圈人水耦合模拟模型，耦合科技、经济、社会、水量和水环境五因素，模拟人类意识激发的水环境负反馈回路和针对科技激发的经济发展正反馈回路。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：综合考虑了科技、经济、社会、水环境、水量在城市水文水循环中的作用，将人类社会对自然水文循环的能动的反馈和影响纳入水文模拟过程中，相比现有的水文模拟更加科学合理，为未来城市区域的水文模拟提供新的思考方向。

附图说明

图1本发明实施例的方法原理图；

图2本发明实施例中武汉城市圈水系图；

图3本发明实施例的模型实测值、模拟值对比图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一种基于社会水文学的城市圈人水耦合模拟方法，包括以下步骤：

步骤1：构建城市圈人水耦合模拟模型；

城市圈人水耦合模拟模型，由科技模拟子模型、经济模拟子模型、水量模拟子模型、水环境模拟子模型和社会模拟子模型组成；

(1)科技模拟子模型

科技水平评价体系多以科技论文和专利产出作为主要的分析对象。现代化城市实际的生产过程中，专利更能代表实际的技术水平高低，本发明建立的城市圈人水耦合模型在技术的量化研究上选用专利授权数作为主要指标，将每年新授权的专利数量考虑为时间和科技投入的函数。但授权的专利并不是都能转化为实际的科技水平，所以设置专利的有效率系数表示授权专利转化为实际科技水平的效率。由发明专利表示的科技水平普及到不同的地区的时间会有所差距，原因是最先进的科技并不会很快应用于所有地区。所以，城市圈人水耦合模型采用滞后期来表示这种差距，应用于不同地区建模时可选取适当的滞后时间，本模型取滞后期为一年。量化科技水平的方程如下所示。

A_t＝K·α_a ^t (2)

式中，t表示第t年，A_t为第t年专利授权量；T₀为科技因子基准年初始值；α_a为科技产出增长系数；K为科技产出基数；T(t)为技术因子；α_b为专利有效率。对于模型基准年之前已有的科技水平(包括现代与古代)，假定相应的初始值T₀表示。

(2)经济模拟子模型

经济模拟子模型包含城市圈的GDP以及常住人口，人均GDP能够体现一个地区整体实际的生产效率和产业结构，如下式所示。

式中：M(t)表示人均GDP；M_min表示人均GDP最小值(是不是某个时间段的最小值？)；λ_M表示生产科技作用系数，科技作用系数λm表示科技水平对于单位生产用水量的削减作用效率。科技作用系数越大，科技因子T对单位最大生产用水量削减作用效率就越明显。λm应该是一个大于0的数，具体需要根据拟合情况进行调整。

常住人口规模大意味着城市圈有较多的人口迁入，这部分人口大多数都是正处于劳动年龄，丰富了城市圈的劳动力资源，对经济发展同样具有强劲地推动作用。GDP表示为常住人口与人均GDP的乘积，如式。

GDP(t)＝P(t)·M(t)(4)

式中：GDP为国内生产总值；M表示人均GDP；P表示常住人口。

随着科技的进步，人均GDP不断提高，越来越多的人口迁入城市圈，城市圈经济发展水平在叠加作用下应呈现快速增长。但是，人口的增多也带来了用水需求的激增，产生更多的生活污水，激起人类意识的反馈作用。水污染企业搬出城市圈的过程中造成了常住人口流失，但良好的水环境又会吸引更多的人迁入城市圈，城市圈人水耦合模型借鉴成熟的Logistic方法模拟人口增长，在此基础上加入人类意识反馈作用。Logistic模型曲线的基本形式如下所示：

式中，x(t)表示t时刻种群的数量；r是种群的内禀增长率；N为环境能容纳的种群的最大数量。

应用微分方程的分离变量法，可求得式(5)的解析解为：

式中，x(t)表示t时刻种群的数量；r是种群的内禀增长率；N为环境能容纳的种群的最大数量，x₀表示环境能容纳的种群最小数量。

加入人类意识反馈作用后人口方程如式：

式中：P为人口；λ_D为人口迁移常数；P_max为最大容纳人口数；P_min为最小容纳人口数(一般根据情况取较低的环境容纳量)；P₀为基准年初始值；r_p为人口内增长率(反映人口在没有年龄构成和性别构成影响下的人口自然增长速度)；t为时间；E为水环境危机意识(可通过历史资料率定拟合，选取拟合效果最优数值)；E’为水环境危机意识阈值。

(3)水量模拟子模型

水量模拟子模型主要包括城市圈生产、生活和生态用水过程。城市圈人水耦合模型使用科技因子T衡量农业和工业领域的科技水平，既包括机械化等先进的灌溉方式(例如滴灌)和植物育种提高作物产量，也包含工业结构的改进(例如从传统产业到高新产业)。在没有任何科技作用下的单位生产GDP用水量称为最大单位生产GDP用水量，科技进步造成的下降可以表示为对最大单位生产GDP用水量的削减。但这种下降不会是没有限值的，因为任何科技都不能改变生产需水的本质，所以设置相应的限值表示，即最小单位生产GDP用水量。城区居民人均生活用水量正好相反，城市化带来了经济发展，但同时也使居民的城市生活也变得更加丰富，造成了居民人均生活用水量的逐步上升并趋于稳定。单位生产GDP用水量和人均生活用水量方程如下所示：

式中：β_m为单位生产GDP用水量；β_max为最大单位生产用水量；λ_m为科技转化系数；β_min为最小单位生产用水量；β_N为人均生活用水量；N_max为人均最大生活用水量；N_min为人均最小生活用水量；r_N为用水量内增长率。

生态用水量指维护或改善组成现有生态系统的植物群落、动物以及非生物部分的平衡所需要的水量。根据2010年水利部《河流健康评估指标、标准与方法(试点工作用)》相关规定，维持河道健康的生态需水量可取河道多年平均流量的20％作为最小生态需水量。生产用水量、生活用水量、生态用水量相加可得总用水量如下：

U(t)＝β_N(t)·P(t)+β_m(t)·GDP(t)+Q (10)

式中，β_m为单位生产GDP用水量；β_N为人均生活用水量；U为用水总量。P为人口；GDP为国内生产总值；Q为生态用水量。

(4)水环境模拟子模型

城市圈人水耦合模型充分考虑污水处理系统、海绵设施等灰绿设施影响，采用水环境污染物排放指标表示水环境客观状况，并以一定的阈值区分水环境的不同状态。将污水大致分为工业废水、生活污水、农业污水以及面源污水，一定比例的城市用水会转化为污水进入各种绿色设施、灰色设施，同时以具体的污染物削减率来衡量绿色设施、灰色设施的建设程度和实际效果。具体方程如下所示。

C(t)＝[μ_Cμ_DU(t)+C_m]·G(t) (11)

G(t)＝G₀+λ_E·E_t-1+λ_n·n (12)

式中，C(t)为水环境污染物；G(t)为水环境污染物削减率；μ_C为污水含量；μ_D为污染物含量；C_m为面源污染物；G₀为污染物削减率初始值；λ_E单位意识削减作用；λ_n为绿色设施污染物削减率；E_t-1为第t-1年水环境危机意识；n表示水环境危机意识超过阈值E’的时间。水污染削减率由上一年度的水环境危机意识决定，并且在水环境危机意识达到一定的阈值E’之后会激发新的额外的削减，其数值由超过阈值的总时间长短决定且过程不可逆。总的污染物削减率由两部分共同计算得出。随着水环境危机意识线性增长的部分主要是考虑到意识会作用于人类的日常生活，水环境危机意识越高，人们越会自发的去保护环境，减少排污。超过阈值的增长部分主要考虑水环境危机意识达到一定程度后会激发相应的城市行为，譬如制订新的政策改善环境、迁出部分污染企业等。这些政策使绿色设施、污水处理设施等不断完善以及污水处理技术的不断进步，并且设施一旦建成就是不可逆的，这部分的削减会一直存在，随着超过阈值的年数而增长。

(5)社会模拟子模型

本模拟子模型选择水环境危机意识作为衡量人类在城市区域的意识作用。水污染状况被认为会影响人类在城区的绿色设施建设等行为，有助于维持或改善水环境、水生态系统健康。在城市圈人水耦合模型中，这样的人类反馈通过水环境危机意识即E来引导。当水环境污染指标C高于适宜值C_opt时，水环境污染就会达到显著恶化的程度，只有在这种情况下，社会才会认识到水环境恶化，水环境恶化持续的时间越长，人们积累的环境意识也就越多。当C小于C_opt时，E的值会随着时间逐渐衰减，直到累积的E耗尽。具体方程如下所示。

式中，E为水环境危机意识；μ_e为意识衰退系数；为水环境污染的函数；C为水环境污染指数；C_opt为水环境污染适宜值；α_c为水环境污染影响系数。

步骤2：利用城市圈人水耦合模拟模型，耦合科技、经济、社会、水量和水环境五因素，模拟人类意识激发的水环境负反馈回路和针对科技激发的经济发展正反馈回路。

本实施例以武汉城市圈水系图为例进一步阐述本发明。武汉城市圈是是指以武汉市为中心，由周边的鄂州市、黄石市、黄冈市、潜江市、咸宁市、孝感市、天门市、仙桃市等8个城市构成的1+8区域联合体，如图2所示。武汉城市圈水资源丰富，河流、湖泊星罗棋布，其中以武汉市最为密集，丰富的水资源也导致了武汉城市圈洪涝灾害频发、湖泊湿地萎缩等问题。

武汉市城市圈人水耦合模型的空间边界为武汉城市圈的行政边界，时间边界为2006年至2035年。根据城市圈人水耦合模型，采用2006-2014年武汉城市圈各项数据进行参数率定，过程中充分考虑武汉城市圈的实际情况。

专利有效率α_b表示授权专利转化为实际科技生产力的效率，这个值应当在0-1之间，综合武汉城市圈的相关数据以及模型拟合效果确定专利有效率α_b的值为0.6。基准年初始值T₀代表的是基准年2006年的以前的科技水平。β_max表示最大单位生产用水量，本实施例用它表示在没有任何科技作用效果下的单位生产用水量。考虑到武汉城市圈地处亚热带季风区域，湿润多雨，单位生产最大用水量粗略估算应该在2000-3000立方米之间。β_min最小单位生产用水量表示单位生产总值可能消耗的最小用水量。工业的发展会让单位生产总值消耗的水量不断减小，直至达到非常小。但是农业灌溉技术的发展并不能改变作用需水的本质，相关研究表明武汉市的亩均灌溉用水量逐年下降到37立方米附近以后，下降的速率就变得非常缓慢。所以本实施例中β_min的值应当在20-40立方米之间。科技作用系数λ_m表示科技水平对于单位生产用水量的削减作用效率，λ_m应该是一个大于0的数，具体需要根据拟合情况进行调整。污染物削减率初始值G₀基准年的污水总量与污染物排放量计算得出，为0.40。由于武汉城市圈主要污染物来源为点源污染，面源污染占比太小且无相关数据，故本实施例中C_m取0。μ_e为意识衰减系数，在本实施例中规定取值范围为0-1之间。C_opt表示环境污染适宜值，武汉城市圈2006-2019年的氨氮、COD排放总量数据最大值为404409吨，最小值为150656吨，C_opt值选取最大值与最小值的中间位置，故定为250000吨。

在本实施例行为检验所选的5个变量中，由于GDP和污染物排放量皆为自身各组分变量计算所得，二者的相对误差都受到自身组分的影响。污染物排放量个别年份的相对误差较大，一方面是由于加入了水环境危机意识作用的结果，另一方面2011～2015年的污染物排放量数据口径与其他年份不同，所以这一时段的数据根据前后数据线性插值所得。造成各种数据误差的原因主要包括气象、土壤状况、复杂的社会因素、各种不可预见性的政策、变化的管理水平等。经计算所得，(1)专利；(2)总人口；(3)GDP；(4)单位生产总值用水量；(5)污染物排放量，这5个关键变量的相对误差绝对值的平均值分别为8.25％、0.14％、1.12％、5.83％、3.47％，绝对值相对误差均未超过15％，故相对误差在可接受的范围之内，模型的精度符合要求。变量实测值与模拟值对比如图3所示，其中，a、b、c、d、e分别表示专利、总人口、GDP、单位生产总值用水量和污染物排放量的变化趋势实测值与模拟值。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种基于社会水文学的城市圈人水耦合模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：构建城市圈人水耦合模拟模型；

所述城市圈人水耦合模拟模型，由科技模拟子模型、经济模拟子模型、水量模拟子模型、水环境模拟子模型和社会模拟子模型组成；

所述科技模拟子模型，用于模拟量化科技水平，其函数式为：

A_t＝K·α_a ^t (2)

式中，t表示第t年，A_t为第t年专利授权量；K为科技产出基数；α_a为科技产出增长系数；T₀为科技因子基准年初始值；T(t)为技术因子；α_b为专利有效率；

经济模拟子模型，用于模拟GDP和人口变化，，其函数式为：

GDP(t)＝P(t)·M(t) (4)

式中，M(t)表示人均GDP；M_min表示人均GDP最小值；λ_M表示生产科技作用系数；GDP(t)为国内生产总值；P(t)表示常住人口；x(t)表示t时刻种群的数量；r是种群的内禀增长率；N为环境能容纳的种群的最大数量；x₀表示环境能容纳的种群最小数量；λ_D为人口迁移常数；P_max为最大容纳人口数；P_min为最小容纳人口数；P₀为基准年初始值；r_p为人口内增长率；t表示第t年；E为水环境危机意识；E’为水环境危机意识阈值；

所述水量模拟子模型，同于模拟城市圈生产、生活和生态用水过程，其函数式为：

U(t)＝β_N(t)·P(t)+β_m(t)·GDP(t)+Q (10)

式中：β_m(t)为单位生产GDP用水量；β_max为最大单位生产用水量；λ_m为科技转化系数；β_min为最小单位生产用水量；β_N(t)为人均生活用水量；N_max为人均最大生活用水量；N_min为人均最小生活用水量；r_N为用水量内增长率；U(t)为用水总量；Q为生态用水量；

所述水环境模拟子模型，用于模拟水环境的客观状况，其函数式为：

C(t)＝[μ_Cμ_DU(t)+C_m]·G(t) (11)

G(t)＝G₀+λ_E·E_t-1+λ_n·n (12)

式中，C(t)为水环境污染物；G(t)为水环境污染物削减率；G₀为污染物削减率初始值；μ_C为污水含量；μ_D为污染物含量；C_m为面源污染物；λ_E单位意识削减作用；λ_n为绿色设施污染物削减率；E_t-1为第t-1年水环境危机意识；n表示水环境危机意识超过阈值E’的时间；

所述社会模拟子模型，用于模拟反应政策对人类取用水行为的影响，主要包括人口变化以及环境危机意识变化，其函数式为：

式中，E为水环境危机意识；μ_e为意识衰退系数；为水环境污染的函数；C为水环境污染指数；C_opt为水环境污染适宜值；α_c为水环境污染影响系数；

步骤2：利用所述城市圈人水耦合模拟模型，耦合科技、经济、社会、水量和水环境五因素，模拟人类意识激发的水环境负反馈回路和针对科技激发的经济发展正反馈回路。

2.一种基于社会水文学的城市圈人水耦合模拟系统，其特征在于，包括以下模块：

模块1：用于构建城市圈人水耦合模拟模型；

所述城市圈人水耦合模拟模型，由科技模拟子模型、经济模拟子模型、水量模拟子模型、水环境模拟子模型和社会模拟子模型组成；

所述科技模拟子模型，用于模拟量化科技水平，其函数式为：

A_t＝K·α_a ^t (2)

式中，t表示第t年，A_t为第t年专利授权量；K为科技产出基数；α_a为科技产出增长系数；T₀为科技因子基准年初始值；T(t)为技术因子；α_b为专利有效率；

经济模拟子模型，用于模拟GDP和人口变化，其函数式为：

GDP(t)＝P(t)·M(t) (4)

式中，M(t)表示人均GDP；M_min表示人均GDP最小值；λ_M表示生产科技作用系数；GDP(t)为国内生产总值；P(t)表示常住人口；x(t)表示t时刻种群的数量；r是种群的内禀增长率；N为环境能容纳的种群的最大数量；x₀表示环境能容纳的种群最小数量；λ_D为人口迁移常数；P_max为最大容纳人口数；P_min为最小容纳人口数；P₀为基准年初始值；r_p为人口内增长率；t表示第t年；E为水环境危机意识；E’为水环境危机意识阈值；

所述水量模拟子模型，同于模拟城市圈生产、生活和生态用水过程，其函数式为：

U(t)＝β_N(t)·P(t)+β_m(t)·GDP(t)+Q (10)

式中：β_m(t)为单位生产GDP用水量；β_max为最大单位生产用水量；λ_m为科技转化系数；β_min为最小单位生产用水量；β_N(t)为人均生活用水量；N_max为人均最大生活用水量；N_min为人均最小生活用水量；r_N为用水量内增长率；U(t)为用水总量；Q为生态用水量；

所述水环境模拟子模型，用于模拟水环境的客观状况，其函数式为：

C(t)＝[μ_Cμ_DU(t)+C_m]·G(t) (11)

G(t)＝G₀+λ_E·E_t-1+λ_n·n (12)

式中，C(t)为水环境污染物；G(t)为水环境污染物削减率；G₀为污染物削减率初始值；μ_C为污水含量；μ_D为污染物含量；C_m为面源污染物；λ_E单位意识削减作用；λ_n为绿色设施污染物削减率；E_t-1为第t-1年水环境危机意识；n表示水环境危机意识超过阈值E’的时间；

所述社会模拟子模型，用于模拟反应政策对人类取用水行为的影响，主要包括人口变化以及环境危机意识变化，其函数式为：

式中，E为水环境危机意识；μ_e为意识衰退系数；为水环境污染的函数；

C为水环境污染指数；C_opt为水环境污染适宜值；α_c为水环境污染影响系数；

模块2，用于利用所述城市圈人水耦合模拟模型，耦合科技、经济、社会、水量和水环境五因素，模拟人类意识激发的水环境负反馈回路和针对科技激发的经济发展正反馈回路。