王耕, 李優(yōu)

1.遼寧師范大學城市與環(huán)境學院，遼寧 大連　116029 2.遼寧師范大學海洋經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展中心，遼寧 大連　116029

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基于SD模型的城市生活垃圾資源化處理模擬研究
——以大連市為例

王耕1,2, 李優(yōu)1

1.遼寧師范大學城市與環(huán)境學院，遼寧 大連116029 2.遼寧師范大學海洋經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展中心，遼寧 大連116029

以大連市為例，運用系統(tǒng)動力學方法建立了城市生活垃圾資源化處理的系統(tǒng)動力學仿真模型，并進行情景分析。對大連市各種垃圾處理方式的處理量進行了預(yù)測，并預(yù)測了2種不同方案(方案一，回收率和源頭分類率提高后，大連市生活垃圾80%進行焚燒，20%進行填埋；方案二，回收率和源頭分類率提高后，采用完全焚燒法，焚燒后的殘渣進行填埋)下大連市垃圾填埋場的容量和使用壽命，針對垃圾焚燒模塊進行了發(fā)電量的預(yù)測。結(jié)果表明：大連市毛塋子垃圾填埋場四期預(yù)計到2016年底達到飽和，要提高垃圾焚燒的投入，大力建設(shè)垃圾焚燒廠，將垃圾焚燒發(fā)電作為最主要的資源化處理方式。

系統(tǒng)動力學(SD)；生活垃圾；資源化；大連市

城市生活垃圾是指在城市地區(qū)范圍內(nèi)日常生活中所產(chǎn)生的固體廢物[1]。隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市化水平的提高，垃圾產(chǎn)量逐年增加，目前我國約有23的城市出現(xiàn)“垃圾圍城”的狀況。生活垃圾危害巨大，不僅造成空氣污染、水污染、土壤污染，還嚴重破壞城市人居環(huán)境，并對人民生活水平的提高產(chǎn)生重要影響。黨的十八大報告提出，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，要形成新的空間格局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及生產(chǎn)、生活方式[2-3]。2015年，“兩會”又提出以國家意志大力推進生態(tài)文明建設(shè)。在此背景下，如何采取措施使垃圾處理系統(tǒng)能更合理、更環(huán)保、更加資源化并循環(huán)發(fā)展，是我國建設(shè)生態(tài)文明城市、提高人民生活質(zhì)量迫切需要解決的問題。

傳統(tǒng)的垃圾處理研究多運用靜態(tài)模型和方法，對垃圾的處理模型上只強調(diào)處理，而不注重垃圾資源化。有學者將經(jīng)濟分析方法和數(shù)學模型引入城市生活垃圾管理系統(tǒng)，如混合整數(shù)線性規(guī)劃、線性規(guī)劃、多目標規(guī)劃、演變發(fā)展的模糊規(guī)劃等[4]。但各單項方法和模型過于簡單，在應(yīng)用上都存在一定的缺點和局限性，并且大多數(shù)方法都存在信息的不確定性，容易產(chǎn)生較大誤差，與實際情況不相符[5]。系統(tǒng)動力學(system dynamics，SD)是認識系統(tǒng)問題和解決復(fù)雜性、綜合性問題的交叉領(lǐng)域的橫向?qū)W科，通過定性與定量結(jié)合，系統(tǒng)綜合推理的方法，研究復(fù)雜問題的動態(tài)反饋過程，是一種結(jié)構(gòu)-功能的模擬，是社會、經(jīng)濟、生態(tài)復(fù)雜大系統(tǒng)的“實驗室”[6-7]。國內(nèi)外已有很多學者運用該方法對垃圾進行研究：1993年Mashayekhi[8]運用系統(tǒng)動力學模型分析了紐約州固體廢物管理，并預(yù)測了從以填埋為主轉(zhuǎn)向其他方式時的所需資金和處理容量；1997年Sudhir等[9]運用系統(tǒng)動力學模型來獲取城市固體廢物中不同組成部分之間的動態(tài)本質(zhì)，該模型為固體廢物可持續(xù)管理的不同方案研究提供了一個平臺；2004年Sufian等[10]提出了運用系統(tǒng)動力學模型預(yù)測廢物的產(chǎn)生量、所需收集容量和固體廢物發(fā)電量，并對加強固體廢物管理提出建議；2010年Naushad等[11]用系統(tǒng)動態(tài)建模方法來評估城市固體廢物產(chǎn)生，垃圾填埋容量和相關(guān)成本管理問題；2006年郭懷成等[12-13]應(yīng)用系統(tǒng)動力學模型對城市環(huán)境經(jīng)濟系統(tǒng)進行研究，但只把垃圾處理作為一個子模塊來研究，沒有真正地建立起垃圾處理模型；2006年蔡林[14]初步建立了城市生活垃圾系統(tǒng)動力學模型框架，以北京市為例，建立了包含人口、經(jīng)濟與垃圾處理的系統(tǒng)動力學模型，并分析了模擬結(jié)果；2008年畢貴紅等[15]根據(jù)計劃行為理論，建立了垃圾源頭減量的系統(tǒng)動力學模型，并分析了源頭減量對垃圾處理減量化的影響；2015年宋金波等[16]運用系統(tǒng)動力學對垃圾焚燒發(fā)電BOT (build operate transfer)項目案例進行模擬，從而為政府和項目公司運作垃圾焚燒發(fā)電BOT項目提供了決策參考。國外在垃圾處理模型開發(fā)研究方面較成熟，但應(yīng)用條件不適合我國；我國運用系統(tǒng)動力學模型研究分析問題的能力較為薄弱。系統(tǒng)動力學能將復(fù)雜的系統(tǒng)問題簡化，從系統(tǒng)內(nèi)部機制和微觀結(jié)構(gòu)入手，剖析系統(tǒng)進行建模，分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)與其動態(tài)行為的關(guān)系，因而尤其適合分析解決社會、經(jīng)濟、生態(tài)等復(fù)雜問題。城市生活垃圾資源化處理是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，包括源頭分類、收集、回收利用和末端處理。運用系統(tǒng)動力學方法，不僅能從系統(tǒng)的角度出發(fā)，動態(tài)地模擬出未來城市垃圾的發(fā)展趨勢，還能反饋和調(diào)控城市垃圾處理各環(huán)節(jié)上的問題，幫助政府進行宏觀調(diào)控[17-18]。

大連市位于遼東半島最南端，三面環(huán)海，是東北地區(qū)的對外門戶，總?cè)丝诩s為591萬。目前大連市的生活垃圾產(chǎn)生量正以每年超過3%的速度增長。研究大連市生活垃圾資源化處理，為大連市資源與環(huán)境發(fā)展提供政策建議，意義重大，也是大連市生態(tài)文明建設(shè)的重要任務(wù)。因此，筆者在分析總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，以大連市為例，對不同垃圾處理方式的垃圾處理量進行情景分析，預(yù)測大連市垃圾填埋場的剩余容量和使用壽命以及垃圾焚燒發(fā)電量和投入，以期提高大連市垃圾填埋場對生活垃圾的處理能力。

1　模型構(gòu)建

通過對大連市垃圾處理系統(tǒng)的分析，綜合考慮人口、經(jīng)濟、社會等因素，采用VensimPLE軟件構(gòu)建模型。依據(jù)系統(tǒng)動力學建模的原則和方法，大連市生活垃圾資源化處理的SD模型主要包括人口子模型、垃圾收集與回收子模型、垃圾處理子模型、垃圾發(fā)電子模型以及垃圾宏觀經(jīng)濟子模型。各子模型內(nèi)部相互聯(lián)系、相互作用，共同構(gòu)成一個具有多重反饋的復(fù)雜大系統(tǒng)。將上述各子模型建立在VensimPLE的窗口中，經(jīng)過整合成為大連市垃圾資源化處理的總模型(圖1)。

1.1模型數(shù)據(jù)及參數(shù)的選擇和界定

研究范圍包括大連市所有的城鄉(xiāng)區(qū)域，時間的模擬邊界為2007—2025年。模型中主要的數(shù)據(jù)以及參數(shù)來源于《大連市城市總體規(guī)劃(2009—2020)》、2007—2013年的《大連市統(tǒng)計年鑒》以及《大連市環(huán)境狀況公報》。2014—2025年的參數(shù)數(shù)據(jù)由歷史統(tǒng)計資料及趨勢外推法獲得。

1.2模型有效性檢驗

模型的檢驗步驟主要包括結(jié)構(gòu)檢驗、量綱檢驗和歷史性檢驗。結(jié)構(gòu)檢驗是在整個模型構(gòu)建過程中，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)問題時，系統(tǒng)會自動提示，令操作者進行修正。量綱檢驗是檢驗方程兩邊的量綱是否一致。歷史性檢驗是選定過去某一時段的歷史數(shù)值作為參照值，然后從初始值進行模擬，將得到的結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)進行誤差檢驗、關(guān)聯(lián)度檢驗等，以判斷該系統(tǒng)是否可以反映實際情況。本模型已經(jīng)通過了結(jié)構(gòu)檢驗和量綱檢驗。

選取2007—2013年總?cè)丝诤屠a(chǎn)生總量的實際數(shù)據(jù)對模型進行歷史性檢驗，檢驗結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，總?cè)丝谀M值與實際值最小誤差為0，最大誤差為1.82%；垃圾產(chǎn)生總量模擬值與實際值最小誤差為0.62%，最大誤差為2.06%。模擬值的相對誤差均小于10%，與實際值相差較小，反映了實際情況，可進行實際模擬。

表1　2007—2013年總?cè)丝谂c垃圾產(chǎn)生總量歷史性檢驗

2　大連市SD模型的模擬分析

2.1現(xiàn)狀分析

人口是城市生活垃圾產(chǎn)生的根源，是影響城市生活垃圾產(chǎn)生量的直接因素。人口增長由出生人口、死亡人口和凈遷入人口3種因素決定。2010—2014年，大連市平均人口自然增長率為1.68‰，出生率和死亡率保持相對穩(wěn)定。由于大連市經(jīng)濟因素和政府政策的影響，人口平均機械增長率有所降低，由原來的5.5‰降為5.2‰。

在高素質(zhì)人才引進和員工技能培訓(xùn)方面，武漢華工后勤管理有限公司也采取內(nèi)外兼訓(xùn)的模式，組織廚師與普通員工每年參加各種形式的教育培訓(xùn)。通過創(chuàng)新烹飪方法、改革加工工藝和科學編制菜譜等手段，特別是對我國傳統(tǒng)的中餐團膳加工方式進行脫胎換骨的改革，做到精細加工、粗菜精做、精菜細做、現(xiàn)做現(xiàn)賣，提高飯菜的口味、品質(zhì)與檔次，達到了家庭化的烹飪口味要求，師生的滿意度和認同度不斷提高。

大連市在2011年以前的垃圾處理方式主要以填埋為主，約80%的垃圾通過簡易填埋或者衛(wèi)生填埋來處理。大連市毛塋子垃圾填埋場是大連市最主要的垃圾填埋場，自1988年投入使用以來，一期、二期和三期都已達到飽和，2010年新建的毛塋子四期垃圾填埋場設(shè)計標準只有8.5 a，平均處置規(guī)模1 069.1 td[19]。2011年大連市建設(shè)了第一個垃圾焚燒廠，焚燒垃圾1 500 td，焚燒的垃圾用來發(fā)電，焚燒后的殘渣進行回收利用或者填埋。由于垃圾焚燒廠的投入使用，到2015年垃圾填埋量下降50%。大連市垃圾填埋每年占地近6.67 hm2，致使周圍環(huán)境嚴重惡化。

2.2基礎(chǔ)模擬結(jié)果與分析

圖2給出了大連市2007—2025年總?cè)丝谝?guī)模的變化趨勢。由圖2可見，到2020年總?cè)丝跒?31萬人，2025年將達到653萬人。2015—2025年總?cè)丝诔势椒€(wěn)增長趨勢，人口增長規(guī)模在政府可預(yù)測范圍內(nèi)。隨著人口增長，垃圾產(chǎn)生總量將由2007年的121萬t增加到2025年的294萬t，垃圾回收量和垃圾收集總量也在不斷增長，但增幅較小，遠低于垃圾產(chǎn)生總量的增幅(圖3)。

圖3　大連市2007—2025年垃圾產(chǎn)生總量、回收量和收集總量基礎(chǔ)模擬結(jié)果Fig.3　Waste generation, recycling, and collect the total amount based on the simulation results in Dalian 2007-2025

大連市不同垃圾處理方式的年處理量和投資額模擬結(jié)果見圖4和圖5。從圖4和圖5可以看出，自2011年大連市建設(shè)的第一座垃圾焚燒廠運營開始，大連市的垃圾填埋量和填埋投資額大幅減少。垃圾焚燒量從2012年開始超過垃圾填埋量，并且投資額迅速增多。自2013年以后，垃圾填埋量隨著垃圾產(chǎn)生總量的增多，也在增長，但始終少于垃圾焚燒量；垃圾填埋投資額也在小幅增長，但遠低于垃圾焚燒投資額。

圖4　大連市2007—2025年不同垃圾處理方式的年處理量基礎(chǔ)模擬結(jié)果Fig.4　Annual processing capacity of various waste disposal methods based on simulation results in Dalian 2007-2025

圖5　大連市2007—2025年不同垃圾處理方式的投資額基礎(chǔ)模擬結(jié)果 Fig.5　Investment of various waste disposal methods based on the simulation results in Dalian 2007-2025

以2011年毛塋子垃圾填埋場四期建設(shè)的容量為標準，結(jié)合垃圾填埋量的基礎(chǔ)模擬數(shù)據(jù)進行情景模擬，預(yù)測未來的剩余容量。

2.3情景分析

城市生活垃圾資源化處理是對城市中產(chǎn)生的垃圾通過合理的方法進行處理，對垃圾進行回收、填埋、堆肥、焚燒發(fā)電等綜合利用，實現(xiàn)城市生活垃圾的減量化、資源化和無害化。目前大連市的生活垃圾通過源頭分類和回收后，有12的垃圾進行填埋，12的垃圾焚燒和堆肥，垃圾處理方式不合理，比例不協(xié)調(diào)。因此，進行情景分析時，優(yōu)先提高垃圾的回收利用，將剩余垃圾處理的方式從填埋轉(zhuǎn)為焚燒。

2.3.1優(yōu)先回收

提高垃圾源頭分類率和垃圾回收率，加大垃圾回收利用力度，才能減少垃圾收集總量。將垃圾源頭分類率提高到0.5，垃圾回收率提高到0.09，垃圾源頭分類率以及垃圾回收率提高后垃圾回收量和收集總量模擬結(jié)果見圖6。由圖6可知，按照目前的垃圾回收率和源頭分類率，2020年垃圾回收量為34.5萬t，將垃圾回收率和源頭分類率提高后垃圾回收量增加為51.5萬t。當垃圾回收量上升后，垃圾收集總量開始下降，由原來的205萬t變?yōu)?88萬t。由此可以看出，垃圾分類回收能有效地減少當前的垃圾產(chǎn)量，垃圾回收利用也可緩解當前資源浪費和環(huán)境污染等問題。

圖6　垃圾源頭分類率以及垃圾回收率提高后垃圾回收量和收集總量模擬結(jié)果Fig.6　Source separation of waste and the waste recovery recycling and collection total results

2.3.2焚燒填埋

大連市第一座垃圾焚燒廠建成后，減少了垃圾填埋量，且垃圾焚燒用來發(fā)電，效益可觀，對整個大連市的垃圾處理起到減量化、資源化和無害化的作用。現(xiàn)假設(shè)采用2種方案進行垃圾處理：方案一，回收率和源頭分類率提高后，大連市生活垃圾80%進行焚燒，20%進行填埋；方案二，回收率和源頭分類率提高后，采用完全焚燒法，焚燒后的殘渣進行填埋。對2種方案的模擬結(jié)果與基礎(chǔ)模擬結(jié)果進行比較。

毛塋子四期垃圾填埋場容量預(yù)計在2016年底達到飽和，大連市的垃圾填埋將依靠其他小型垃圾填埋場，但小型垃圾填埋場無法滿足全市垃圾填埋處理的需求。大連市2007—2025年垃圾焚燒年處理量以及垃圾填埋年處理量2種方案模擬結(jié)果見圖7和圖8。

注：方案一，回收率和源頭分類率提高后，生活垃圾80%進行焚燒，20%進行填埋；方案二，回收率和源頭分類率提高后，采用完全焚燒法，焚燒后的殘渣進行填埋。圖7　大連市2007—2025年垃圾焚燒年處理量2種方案模擬結(jié)果Fig.7　Waste incineration programmes annual processingcapacity simulation results in Dalian 2007-2025

注：同圖7。圖8　大連市2007—2025年垃圾填埋年處理量2種方案模擬結(jié)果Fig.8　Landfill annual processing capacity of the simulation results in Dalian 2007-2025

由圖7和圖8可知，方案一將垃圾焚燒比例調(diào)高至80%，垃圾焚燒的年處理量比基礎(chǔ)模擬明顯增多，垃圾填埋的年處理量迅速減少。由于垃圾產(chǎn)生總量的增加，2013年后垃圾填埋量也呈逐漸上升趨勢，但對垃圾填埋場的容量有一定的緩解，使垃圾填埋場使用時間比基礎(chǔ)模擬的使用時間延長了3 a(圖9)；方案二實施垃圾完全焚燒，垃圾填埋量從2011年開始逐漸減少，到2018年幾乎沒有需要填埋的垃圾，只有少量的焚燒廢渣需填埋，這大大緩解了垃圾填埋場的容量，使垃圾填埋場使用時間延長了8 a(圖9)。

將垃圾由填埋轉(zhuǎn)為焚燒，延長了垃圾填埋場使用壽命；垃圾轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)了垃圾資源化，緩解了大連市供電緊張；發(fā)電獲得的經(jīng)濟利潤，又能為政府提供財政收入，增加對垃圾處理的財政補貼。圖10和圖11為2種方案的垃圾焚燒年發(fā)電量和年發(fā)電利潤。由圖10和圖11可知，方案二垃圾焚燒年發(fā)電量最多，可達77 046.8萬kW·ha，可供47萬戶的居民用電[20]，城市發(fā)電所獲得的年利潤也最高。

注：同圖7。圖10　大連市2007—2025年垃圾焚燒年發(fā)電量2種方案模擬結(jié)果Fig.10　Waste incineration power generation of the simulation results in Dalian 2007-2025

注：同圖7。圖11　大連市2007—2025年垃圾焚燒年發(fā)電利潤2種方案模擬結(jié)果Fig.11　Waste incineration for electricity generation-year profit simulation results in Dalian 2007-2025

大連市處理垃圾所需的費用主要來源于政府的財政投入與財政補貼，而居民交納的垃圾管理費所占比例很小。圖12和圖13顯示了2種方案下對垃圾處理的年投資額及其在GDP中的比例。垃圾焚燒比填埋需要更多的投資，2011年大連市垃圾焚燒廠開始使用后，政府對垃圾焚燒的資金投入量較大，且逐年增加，在方案二的情況下，政府對垃圾焚燒投入的資金更多。目前大連市垃圾焚燒廠的數(shù)量以及規(guī)模容量還不能適應(yīng)方案二全部焚燒的垃圾量，且市政府對垃圾焚燒處理的財政資金投入也不足。因此，需要大連市政府加大對垃圾處理的投入，大力投資建設(shè)垃圾焚燒廠，利用垃圾發(fā)電獲得的利潤對垃圾進行處理[20]。另外適當提高居民生活垃圾管理費用，也能減少政府對垃圾焚燒處理投入的壓力。由于經(jīng)濟不斷發(fā)展，垃圾處理年投資額在GDP中的比例會越來越低，相較方案一，方案二的年投資額在GDP中所占比例最高。

注：同圖7。圖12　大連市2007—2025年垃圾處理年投資額2種方案模擬結(jié)果Fig.12　Municipal waste disposalin investment comparison of the program in Dalian 2007-2025

注：同圖7。圖13　大連市2007—2025年垃圾處理年投資額在GDP中的比例2種方案模擬結(jié)果Fig.13　Waste total annual investment programmes in share of GDP in Dalian 2007-2025

3　結(jié)論與展望

通過系統(tǒng)動力學的方法，對大連市生活垃圾資源化處理進行了模擬，研究發(fā)現(xiàn)大連市的垃圾產(chǎn)量在未來10 a仍會增長，毛塋子垃圾填埋場四期預(yù)計在2016年底達到飽和。大連市政府應(yīng)當大力投資垃圾焚燒，延長垃圾填埋場使用壽命，將垃圾焚燒發(fā)電作為最主要的資源化處理方式。本研究仍有不足之處，由于影響垃圾產(chǎn)生子模型的因素過多，因而對垃圾源頭減量的各種影響因素考慮不夠全面；在參數(shù)的選擇上，由于經(jīng)驗不足，對2種方案的模擬結(jié)果可能會造成一些誤差。

科學地管理好城市生活垃圾，是城市生態(tài)文明建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，不僅需要政府的管理調(diào)控和資金投入，也需要居民的大力支持。為實現(xiàn)大連市生活垃圾的資源化處理，結(jié)合本研究結(jié)果提出以下建議：1)源頭減量。一方面加大宣傳，提高居民的環(huán)境保護意識；另一方面適當提高生活垃圾管理費，或者實行垃圾從量收費。2)增加清運車輛和清運次數(shù)，提高生活垃圾回收率。3)提高垃圾的循環(huán)利用率。在居民區(qū)附近建立垃圾回收站，提高垃圾回收價格，回收可利用垃圾。4)末端處理轉(zhuǎn)型。政府需要增加對垃圾焚燒的投入，加快建設(shè)垃圾焚燒廠，并利用先進的焚燒技術(shù)，提高發(fā)電效率，降低發(fā)電帶來的二次污染；同時利用垃圾焚燒余熱供暖，垃圾焚燒后的灰渣可制成水泥、地板磚等建筑材料。

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Simulation of Municipal Solid Waste Resource Recovery Based on System Dynamics Model: The Case of Dalian

WANG Geng1,2,LI You1

1.Urban and Environmental School, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China 2.Center for Studies of Maine Economy and Sustainable Development, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China

With Dalian city as an example, the system dynamics method was used to establish the system dynamic simulation model for MSW resource recovery, and the scenarios analysis was accordingly performed. The treatment amounts of various methods, the volumes and life of MSW landfill sites in Dalian city under two different schemes, and the power generation by MSW incineration were projected. The results show that the fourth phase of Maoyingzi MSW Landfill in Dalian will be filled by the end of 2016. Therefore, it is imperative to put waste incineration and power generation as the main way of resource recovery, by increasing investment in waste incineration and constructing more MSW incinerators.

system dynamics; solid waste; resource recovery; Dalian city

2016-01-13

教育部人文社科規(guī)劃基金資助項目(13YJA790111)；遼寧省人文社科重點研究基地專項項目(ZJ2014030)

王耕(1973—)，女，教授，博士，主要研究方向為海岸帶生態(tài)系統(tǒng)管理、區(qū)域環(huán)境質(zhì)量評估與生態(tài)安全、環(huán)境風險評價與管理，wanggeng@lnnu.edu.cn

X705

1674-991X(2016)05-0493-08

10.3969j.issn.1674-991X.2016.05.072