毛敏華
(南水北調(diào)中線干線建設(shè)管理局機(jī)電物資部,北京 100382)
城市水資源質(zhì)量系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真與評(píng)價(jià)研究
毛敏華
(南水北調(diào)中線干線建設(shè)管理局機(jī)電物資部,北京 100382)
在分析城市水資源質(zhì)量影響因素的基礎(chǔ)上,建立了城市水資源質(zhì)量系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型,模型由工業(yè)用水子系統(tǒng)、城市居民用水子系統(tǒng)及水污染處理子系統(tǒng)構(gòu)成。通過W市實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)模型調(diào)試檢驗(yàn)后,以工業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)率、人口增長(zhǎng)率和污水處理率為決策變量,以3種發(fā)展方案對(duì)W市未來20年的COD排放量仿真,仿真結(jié)果說明城市發(fā)展規(guī)劃需要協(xié)調(diào)發(fā)展,特別是對(duì)人口增長(zhǎng)率及水污染處理率不能忽視。
水資源質(zhì)量;系統(tǒng)動(dòng)力學(xué);仿真;評(píng)價(jià)
水是城市經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)健康發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)資源,也是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)維持良性循環(huán)的控制性要素,城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水安全之間的互動(dòng)影響關(guān)系越來越受到重視[1]。城市飛速發(fā)展的同時(shí)給區(qū)域內(nèi)用水安全帶來了更大的壓力,保證城市水資源質(zhì)量已是一個(gè)很重要的課題。
在對(duì)城市水資源質(zhì)量的研究中,大部分主要針對(duì)居民生活廢水的凈化再利用環(huán)節(jié)進(jìn)行研究,李梅將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)應(yīng)用于污水再生利用的系統(tǒng)分析和預(yù)測(cè)[2];徐志嬙等用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立了分散式污水再生回用系統(tǒng)模型[3];黃微等在污水再生利用規(guī)劃中運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型針對(duì)石家莊特點(diǎn)設(shè)計(jì)多情景,并以非線性優(yōu)化方法得到具體再生水水源和回用對(duì)象的配水方案[4]。以上的研究中將城市居民生活用水造成的污染作為城市水資源質(zhì)量單一影響因素進(jìn)行分析,但實(shí)際情況中工業(yè)的發(fā)展也是城市的重要組成部分;與此同時(shí),在水資源承載力、需水量預(yù)測(cè)、水資源供需平衡分析等方面也開展了廣泛的研究,但存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不完整、反饋回路斷裂的問題影響系統(tǒng)模擬效果,且未對(duì)水體質(zhì)量作深入分析。
系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(system dynamics, SD)是一種將結(jié)構(gòu)、功能和歷史相結(jié)合,以反饋控制理論為基礎(chǔ),借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬仿真而定量地研究高階次、非線性、多重反饋復(fù)雜時(shí)變系統(tǒng)的系統(tǒng)分析理論和方法,是研究具有復(fù)雜反饋關(guān)系系統(tǒng)的重要方法。其本質(zhì)是帶時(shí)滯的一階微分方程組,可作為實(shí)際系統(tǒng),特別是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等復(fù)雜大系統(tǒng)的“實(shí)驗(yàn)室”,是研究水資源系統(tǒng)的重要方法之一[5]。
下面,筆者針對(duì)城市水資源質(zhì)量變化影響因素,應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行仿真建模分析,通過已有的經(jīng)濟(jì)水文數(shù)據(jù)檢驗(yàn)調(diào)試模型的精度后,選取工業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)率、人口增長(zhǎng)率和污水處理率為決策變量,通過3種不同的城市發(fā)展方案對(duì)W市未來20年水資源質(zhì)量進(jìn)程仿真,通過仿真結(jié)果的分析對(duì)城市未來發(fā)展規(guī)劃提出相應(yīng)的政策建議。
城市水資源的主要污染源為居民生活污水及工業(yè)污水,經(jīng)過污水處理設(shè)施后,這部分水再次進(jìn)入城市內(nèi)部循環(huán),建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型首先需要對(duì)建模的目的及模型邊界、假設(shè)條件等進(jìn)行確定。筆者建立的城市水資源質(zhì)量模型,擬解決以下幾個(gè)問題:①更加直觀的表現(xiàn)城市水資源質(zhì)量的主要影響因素,特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致居民生活用水及工業(yè)用水的增加,同時(shí)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也會(huì)使城市水污染處理能力的增加,通過建模較為直觀的表述上述因素之前的相互作用、相互影響的關(guān)系;②通過調(diào)節(jié)模型決策變量來制定多種方案,模擬不同方案下水資源質(zhì)量的變化情況;③定量描述W市未來20年水資源質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化情況;④將各方案對(duì)比分析,確定最優(yōu)方案,為決策者提供依據(jù)。
由于數(shù)學(xué)模型是現(xiàn)實(shí)情況的抽象變現(xiàn),故允許存在一定的誤差,筆者建立的城市水資源質(zhì)量系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的邊界為對(duì)象城市范圍內(nèi),將城市的水資源相對(duì)獨(dú)立起來進(jìn)行研究,且假設(shè)城市污水處理能力不足。
建模的主要目的及模型的邊界、相關(guān)假設(shè)條件確定后,運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件Vensim PLE得到城市水資源質(zhì)量主要因果關(guān)系回路,按照城市主要污水產(chǎn)生系統(tǒng)分為居民生活污水及工業(yè)產(chǎn)生污水,具體的城市水資源質(zhì)量主要因果關(guān)系回路如圖1所示。圖1中共有2個(gè)正(+)反饋回路:工業(yè)產(chǎn)值、城市人口-社會(huì)總產(chǎn)值-污水處理投資-污水處理量-COD排放量-水資源質(zhì)量-工業(yè)產(chǎn)值、城市人口,在一定時(shí)期內(nèi),隨著工業(yè)產(chǎn)值及城市人口的增加,社會(huì)總產(chǎn)值必將隨之增加,于是政府對(duì)污水治理投資加大,COD排放下降,從而使水資源質(zhì)量上升,反過來進(jìn)一步促進(jìn)工業(yè)產(chǎn)值及城市人口的增加;2個(gè)負(fù)(-)反饋回路:工業(yè)產(chǎn)值、城市人口-總污水量-直接排放量-COD排放量-水資源質(zhì)量,主要表現(xiàn)為工業(yè)產(chǎn)值和城市人口使得總體污水排放量增加,盡管污水處理能力也在上升,但總體結(jié)果還是導(dǎo)致COD排放量上升,并最終導(dǎo)致水質(zhì)惡化[6]。
圖1 城市水資源質(zhì)量主要因果關(guān)系回路
城市水資源質(zhì)量主要因果關(guān)系回路如圖1所示,由圖1可知城市水資源污染源主要分為工業(yè)污染和居民生活污染,同時(shí)將水污染處理作為單獨(dú)的子系統(tǒng),將工業(yè)用水、城市居民用水和水污染處理分別作為獨(dú)立的子系統(tǒng)作詳細(xì)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析[7]。
工業(yè)用水子系統(tǒng)即城市中工業(yè)導(dǎo)致的污水量及相應(yīng)的污水處理系統(tǒng)。該方法是通過調(diào)查工業(yè)萬元產(chǎn)值取水量的現(xiàn)狀和歷史變化趨勢(shì),推測(cè)目前或?qū)頌閷?shí)現(xiàn)某一工業(yè)產(chǎn)值目標(biāo)所需的工業(yè)用水量,并通過單位產(chǎn)值工業(yè)污水產(chǎn)生率研究相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)工業(yè)污水的產(chǎn)生量。該子系統(tǒng)的核心變量是工業(yè)產(chǎn)值,由于工業(yè)用水的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相對(duì)較少,該研究通過設(shè)定表函數(shù),結(jié)合城市相關(guān)發(fā)展規(guī)劃指標(biāo)的方法來表示工業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)率,確定工業(yè)用水量的變化狀況。該系統(tǒng)SD結(jié)構(gòu)如圖2所示。
選定人口數(shù)量作為流位變量,人口變化率作為流率變量,總?cè)丝谧兓士梢酝ㄟ^多年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),通過VENSIM 軟件的表函數(shù)、分段函數(shù)相結(jié)合的方法來確定。該系統(tǒng)SD結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
圖2 工業(yè)用水子系統(tǒng) 圖3 城市居民用水子系統(tǒng)
圖4 水污染處理子系統(tǒng)
工業(yè)用水子系統(tǒng)及城市居民生活用水子系統(tǒng)產(chǎn)生的污水通過城市污水處理系統(tǒng)處理后排放(見圖4),由于城市內(nèi)污水處理能力有限,故有一部分廢水直接排放,處理后污水與直接排放污水的區(qū)別在于COD濃度的不同,同時(shí)隨著工業(yè)產(chǎn)值與城市人口的增加,導(dǎo)致社會(huì)總產(chǎn)值的上升,政府加大污水處理力度使得污水處理率呈動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。
根據(jù)建模的目的,模型運(yùn)行之前應(yīng)對(duì)模型結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行全面的檢驗(yàn),以保障模型的有效性和真實(shí)性。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的適用性與一致性的檢驗(yàn)過程包括以下4組:結(jié)構(gòu)的合適性檢驗(yàn)、模型行為的適用性檢驗(yàn)、模型結(jié)構(gòu)與實(shí)際系統(tǒng)的一致性檢驗(yàn)、模型行為與實(shí)際系統(tǒng)的一致性檢驗(yàn)[8]。
表1 模型的運(yùn)行結(jié)果檢驗(yàn)
將W市2006~2010 年的歷史參數(shù)輸入模型進(jìn)行模型仿真,然后與歷史實(shí)際發(fā)生的行為、數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。選取人口數(shù)量和工業(yè)產(chǎn)值進(jìn)行歷史驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。由表1可知,人口數(shù)量和工業(yè)產(chǎn)值的仿真結(jié)果與歷史值基本符合,其中人口數(shù)量的最大誤差不超過6%,工業(yè)產(chǎn)值額最大誤差不超過2%,認(rèn)為模型模擬結(jié)果與實(shí)際值擬合較好,可運(yùn)用該模型進(jìn)行仿真。
已建立的城市水資源質(zhì)量SD模型通過實(shí)際數(shù)據(jù)的仿真檢驗(yàn)保證了模型的精度符合要求,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)又稱為政策實(shí)驗(yàn)室,決策變量的選取引用多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法中指標(biāo)的選取原則,結(jié)合W市水資源質(zhì)量影響因素的具體情況,選取工業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)率、人口增長(zhǎng)率、污水處理率3個(gè)量作為決策變量。通過改變決策變量的值得到不同方案下相關(guān)指標(biāo)的模擬結(jié)果。再通過對(duì)不同方案的模擬結(jié)果分析方案可取之處及需要改進(jìn)的地方。
選取3個(gè)方案進(jìn)行仿真模擬,其中方案1為現(xiàn)實(shí)情況,方案2及方案3為假設(shè)情況,具體3種情況的決策變量值如表2所示。這3種方案變現(xiàn)出了3種不同的城市發(fā)展理念,方案2主要強(qiáng)調(diào)保持工業(yè)產(chǎn)值的高速增長(zhǎng),同時(shí)對(duì)人口增長(zhǎng)率的控制較方案1更為嚴(yán)格;方案3強(qiáng)調(diào)工業(yè)產(chǎn)值與人口增長(zhǎng)率的穩(wěn)步發(fā)展,雖然工業(yè)產(chǎn)值不如其他方案增加的快,但對(duì)人口增長(zhǎng)控制最為嚴(yán)格,同時(shí)方案3對(duì)污水處理的投入更大,使污水處理率維持在一個(gè)高水平。通過SD模型仿真后,得出城市資源水質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化情況,即COD排放量仿真結(jié)果如表3所示。
表2 各方案決策變量取值
表3 各方案模擬仿真結(jié)果
以上仿真結(jié)果表明,針對(duì)W市水資源質(zhì)量情況,工業(yè)用水量與城市居民用水量產(chǎn)生的污水是影響水質(zhì)的主要原因,仿真方案中,雖然方案2的工業(yè)增長(zhǎng)值最大,但由于對(duì)人口增長(zhǎng)控制不嚴(yán)及污水處理率不高,COD排放量均大于方案3,同時(shí)該方案中還有很多指標(biāo)有待改進(jìn),說明在城市的發(fā)展規(guī)劃中,不能只關(guān)注工業(yè)產(chǎn)值的增長(zhǎng),人口的控制及污水處理水平的提升也不容忽視。
以城市水資源質(zhì)量為研究對(duì)象,用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建模。通過W市實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)模型調(diào)試與檢驗(yàn)后仿真,將模型仿真精度校準(zhǔn)到規(guī)定范圍后,選取城市發(fā)展規(guī)劃中工業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)率、人口增長(zhǎng)率及水污染治理率為決策變量,了解3個(gè)參數(shù)對(duì)COD排放量產(chǎn)生的影響,為城市發(fā)展相關(guān)政策分析起參考作用。仿真結(jié)果表明,只有工業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)率、人口增長(zhǎng)率和水污染治理率協(xié)調(diào)發(fā)展才能保障城市水資源質(zhì)量。
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[編輯] 洪云飛
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