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)動力學(xué)仿真與評價研究

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市實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)對模型調(diào)試檢驗后，以工業(yè)產(chǎn)值增長率、人口增長率和污水處理率為決策變量，以3種發(fā)展方案對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，特別是對人口增長率及水污染處理率不能忽視。

水資源質(zhì)量；系統(tǒng)動力學(xué)；仿真；評價

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影響關(guān)系越來越受到重視[1]。城市飛速發(fā)展的同時給區(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)量已是一個很重要的課題。

在對城市水資源質(zhì)量的研究中，大部分主要針對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)動力學(xué)應(yīng)用于污水再生利用的系統(tǒng)分析和預(yù)測[2]；徐志嬙等用系統(tǒng)動力學(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)動力學(xué)模型針對石家莊特點設(shè)計多情景，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，在水資源承載力、需水量預(yù)測、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，且未對水體質(zhì)量作深入分析。

系統(tǒng)動力學(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)是帶時滯的一階微分方程組,可作為實際系統(tǒng),特別是社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等復(fù)雜大系統(tǒng)的“實驗室”,是研究水資源系統(tǒng)的重要方法之一[5]。

下面，筆者針對城市水資源質(zhì)量變化影響因素，應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)方法對其進(jìn)行仿真建模分析，通過已有的經(jīng)濟(jì)水文數(shù)據(jù)檢驗調(diào)試模型的精度后，選取工業(yè)產(chǎn)值增長率、人口增長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)果的分析對城市未來發(fā)展規(guī)劃提出相應(yīng)的政策建議。

1 城市水資源質(zhì)量SD模型的建立

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)動力學(xué)模型首先需要對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，同時經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也會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)量的動態(tài)變化情況；④將各方案對比分析，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)動力學(xué)模型的邊界為對象城市范圍內(nèi)，將城市的水資源相對獨(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個正(+)反饋回路：工業(yè)產(chǎn)值、城市人口-社會總產(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，在一定時期內(nèi)，隨著工業(yè)產(chǎn)值及城市人口的增加，社會總產(chǎn)值必將隨之增加，于是政府對污水治理投資加大，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]。

2 城市水資源質(zhì)量SD分析

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)動力學(xué)分析[7]。

2.1 工業(yè)用水子系統(tǒng)

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，推測目前或?qū)頌閷崿F(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)計數(shù)據(jù)相對較少，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。

2.2 城市居民用水子系統(tǒng)

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)

2.3 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，同時隨著工業(yè)產(chǎn)值與城市人口的增加，導(dǎo)致社會總產(chǎn)值的上升，政府加大污水處理力度使得污水處理率呈動態(tài)變化趨勢。

3 模型的調(diào)試與檢驗

根據(jù)建模的目的，模型運(yùn)行之前應(yīng)對模型結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行全面的檢驗，以保障模型的有效性和真實性。系統(tǒng)動力學(xué)模型的適用性與一致性的檢驗過程包括以下4組：結(jié)構(gòu)的合適性檢驗、模型行為的適用性檢驗、模型結(jié)構(gòu)與實際系統(tǒng)的一致性檢驗、模型行為與實際系統(tǒng)的一致性檢驗[8]。

表1 模型的運(yùn)行結(jié)果檢驗

將W市2006～2010 年的歷史參數(shù)輸入模型進(jìn)行模型仿真，然后與歷史實際發(fā)生的行為、數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。選取人口數(shù)量和工業(yè)產(chǎn)值進(jìn)行歷史驗證。驗證結(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)果與實際值擬合較好，可運(yùn)用該模型進(jìn)行仿真。

4 城市水資源SD仿真與結(jié)果分析

已建立的城市水資源質(zhì)量SD模型通過實際數(shù)據(jù)的仿真檢驗保證了模型的精度符合要求，系統(tǒng)動力學(xué)又稱為政策實驗室，決策變量的選取引用多指標(biāo)綜合評價法中指標(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)值增長率、人口增長率、污水處理率3個量作為決策變量。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個方案進(jìn)行仿真模擬，其中方案1為現(xiàn)實情況，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，同時對人口增長率的控制較方案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，但對人口增長控制最為嚴(yán)格，同時方案3對污水處理的投入更大，使污水處理率維持在一個高水平。通過SD模型仿真后，得出城市資源水質(zhì)量動態(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)增長值最大，但由于對人口增長控制不嚴(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，人口的控制及污水處理水平的提升也不容忽視。

5 結(jié) 語

以城市水資源質(zhì)量為研究對象，用系統(tǒng)動力學(xué)方法建模。通過W市實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)對模型調(diào)試與檢驗后仿真，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)值增長率、人口增長率及水污染治理率為決策變量，了解3個參數(shù)對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)值增長率、人口增長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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