城市水資源質量系統動力學仿真與評價研究

毛敏華

(南水北調中線干線建設管理局機電物資部，北京 100382)

城市水資源質量系統動力學仿真與評價研究

毛敏華

(南水北調中線干線建設管理局機電物資部，北京 100382)

在分析城市水資源質量影響因素的基礎上，建立了城市水資源質量系統動力學仿真模型，模型由工業用水子系統、城市居民用水子系統及水污染處理子系統構成。通過W市實際統計數據對模型調試檢驗后，以工業產值增長率、人口增長率和污水處理率為決策變量，以3種發展方案對W市未來20年的COD排放量仿真，仿真結果說明城市發展規劃需要協調發展，特別是對人口增長率及水污染處理率不能忽視。

水資源質量；系統動力學；仿真；評價

水是城市經濟協調健康發展的戰略性基礎資源，也是生態環境系統維持良性循環的控制性要素，城市經濟發展和水安全之間的互動影響關系越來越受到重視[1]。城市飛速發展的同時給區域內用水安全帶來了更大的壓力，保證城市水資源質量已是一個很重要的課題。

在對城市水資源質量的研究中，大部分主要針對居民生活廢水的凈化再利用環節進行研究，李梅將系統動力學應用于污水再生利用的系統分析和預測[2]；徐志嬙等用系統動力學方法建立了分散式污水再生回用系統模型[3]；黃微等在污水再生利用規劃中運用系統動力學模型針對石家莊特點設計多情景，并以非線性優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量單一影響因素進行分析，但實際情況中工業的發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，但存在系統結構不完整、反饋回路斷裂的問題影響系統模擬效果，且未對水體質量作深入分析。

系統動力學(system dynamics, SD)是一種將結構、功能和歷史相結合,以反饋控制理論為基礎,借助計算機進行模擬仿真而定量地研究高階次、非線性、多重反饋復雜時變系統的系統分析理論和方法,是研究具有復雜反饋關系系統的重要方法。其本質是帶時滯的一階微分方程組,可作為實際系統,特別是社會、經濟、生態等復雜大系統的“實驗室”,是研究水資源系統的重要方法之一[5]。

下面，筆者針對城市水資源質量變化影響因素，應用系統動力學方法對其進行仿真建模分析，通過已有的經濟水文數據檢驗調試模型的精度后，選取工業產值增長率、人口增長率和污水處理率為決策變量，通過3種不同的城市發展方案對W市未來20年水資源質量進程仿真，通過仿真結果的分析對城市未來發展規劃提出相應的政策建議。

1 城市水資源質量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污水，經過污水處理設施后，這部分水再次進入城市內部循環，建立系統動力學模型首先需要對建模的目的及模型邊界、假設條件等進行確定。筆者建立的城市水資源質量模型，擬解決以下幾個問題：①更加直觀的表現城市水資源質量的主要影響因素，特別是經濟發展導致居民生活用水及工業用水的增加，同時經濟的發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、相互影響的關系；②通過調節模型決策變量來制定多種方案，模擬不同方案下水資源質量的變化情況；③定量描述W市未來20年水資源質量的動態變化情況；④將各方案對比分析，確定最優方案，為決策者提供依據。

由于數學模型是現實情況的抽象變現，故允許存在一定的誤差，筆者建立的城市水資源質量系統動力學模型的邊界為對象城市范圍內，將城市的水資源相對獨立起來進行研究，且假設城市污水處理能力不足。

建模的主要目的及模型的邊界、相關假設條件確定后，運用系統動力學軟件Vensim PLE得到城市水資源質量主要因果關系回路，按照城市主要污水產生系統分為居民生活污水及工業產生污水，具體的城市水資源質量主要因果關系回路如圖1所示。圖1中共有2個正(+)反饋回路：工業產值、城市人口-社會總產值-污水處理投資-污水處理量-COD排放量-水資源質量-工業產值、城市人口，在一定時期內，隨著工業產值及城市人口的增加，社會總產值必將隨之增加，于是政府對污水治理投資加大，COD排放下降，從而使水資源質量上升，反過來進一步促進工業產值及城市人口的增加；2個負(-)反饋回路：工業產值、城市人口-總污水量-直接排放量-COD排放量-水資源質量，主要表現為工業產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，但總體結果還是導致COD排放量上升，并最終導致水質惡化[6]。

2 城市水資源質量SD分析

圖1 城市水資源質量主要因果關系回路

城市水資源質量主要因果關系回路如圖1所示，由圖1可知城市水資源污染源主要分為工業污染和居民生活污染，同時將水污染處理作為單獨的子系統，將工業用水、城市居民用水和水污染處理分別作為獨立的子系統作詳細的系統動力學分析[7]。

2.1 工業用水子系統

工業用水子系統即城市中工業導致的污水量及相應的污水處理系統。該方法是通過調查工業萬元產值取水量的現狀和歷史變化趨勢，推測目前或將來為實現某一工業產值目標所需的工業用水量，并通過單位產值工業污水產生率研究相應時間段內工業污水的產生量。該子系統的核心變量是工業產值，由于工業用水的統計數據相對較少，該研究通過設定表函數，結合城市相關發展規劃指標的方法來表示工業產值增長率，確定工業用水量的變化狀況。該系統SD結構如圖2所示。

2.2 城市居民用水子系統

選定人口數量作為流位變量，人口變化率作為流率變量，總人口變化率可以通過多年的統計數據，通過VENSIM 軟件的表函數、分段函數相結合的方法來確定。該系統SD結構圖如圖3所示。

圖2 工業用水子系統 圖3 城市居民用水子系統

圖4 水污染處理子系統

2.3 水污染處理子系統

工業用水子系統及城市居民生活用水子系統產生的污水通過城市污水處理系統處理后排放(見圖4)，由于城市內污水處理能力有限，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別在于COD濃度的不同，同時隨著工業產值與城市人口的增加，導致社會總產值的上升，政府加大污水處理力度使得污水處理率呈動態變化趨勢。

3 模型的調試與檢驗

根據建模的目的，模型運行之前應對模型結構和功能進行全面的檢驗，以保障模型的有效性和真實性。系統動力學模型的適用性與一致性的檢驗過程包括以下4組：結構的合適性檢驗、模型行為的適用性檢驗、模型結構與實際系統的一致性檢驗、模型行為與實際系統的一致性檢驗[8]。

表1 模型的運行結果檢驗

將W市2006～2010 年的歷史參數輸入模型進行模型仿真，然后與歷史實際發生的行為、數據進行對比。選取人口數量和工業產值進行歷史驗證。驗證結果如表1所示。由表1可知，人口數量和工業產值的仿真結果與歷史值基本符合，其中人口數量的最大誤差不超過6%，工業產值額最大誤差不超過2%，認為模型模擬結果與實際值擬合較好，可運用該模型進行仿真。

4 城市水資源SD仿真與結果分析

已建立的城市水資源質量SD模型通過實際數據的仿真檢驗保證了模型的精度符合要求，系統動力學又稱為政策實驗室，決策變量的選取引用多指標綜合評價法中指標的選取原則，結合W市水資源質量影響因素的具體情況，選取工業產值增長率、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指標的模擬結果。再通過對不同方案的模擬結果分析方案可取之處及需要改進的地方。

選取3個方案進行仿真模擬，其中方案1為現實情況，方案2及方案3為假設情況，具體3種情況的決策變量值如表2所示。這3種方案變現出了3種不同的城市發展理念，方案2主要強調保持工業產值的高速增長，同時對人口增長率的控制較方案1更為嚴格；方案3強調工業產值與人口增長率的穩步發展，雖然工業產值不如其他方案增加的快，但對人口增長控制最為嚴格，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，得出城市資源水質量動態變化情況，即COD排放量仿真結果如表3所示。

表2 各方案決策變量取值

表3 各方案模擬仿真結果

以上仿真結果表明，針對W市水資源質量情況，工業用水量與城市居民用水量產生的污水是影響水質的主要原因，仿真方案中，雖然方案2的工業增長值最大，但由于對人口增長控制不嚴及污水處理率不高，COD排放量均大于方案3，同時該方案中還有很多指標有待改進，說明在城市的發展規劃中，不能只關注工業產值的增長，人口的控制及污水處理水平的提升也不容忽視。

5 結 語

以城市水資源質量為研究對象，用系統動力學方法建模。通過W市實際統計數據對模型調試與檢驗后仿真，將模型仿真精度校準到規定范圍后，選取城市發展規劃中工業產值增長率、人口增長率及水污染治理率為決策變量，了解3個參數對COD排放量產生的影響，為城市發展相關政策分析起參考作用。仿真結果表明，只有工業產值增長率、人口增長率和水污染治理率協調發展才能保障城市水資源質量。

[1]錢正英, 張光斗. 中國可持續發展水資源戰略研究綜合報告及各專題報告[M].北京: 中國水利水電出版社, 2001.

[2] 李梅. 城市污水再生回用系統分析及模擬預測[D]. 西安:西安建筑科技大學, 2003.

[3] 徐志嬙, 黃廷林. 分散式污水再生回用系統優化分析[J]. 西安建筑科技大學學報, 2005,37(2): 164-168.

[4] 黃徽, 杜鵬飛,曾思育. 基于系統動力學模型的石家莊污水再生利用規劃[J]. 清華大學學報(自然科學版)，2010,50(3): 391-395.

[5] 王其藩. 系統動力學[M]. 上海：上海財經大學出版有限公司,2009.

[6] 王薇, 雷學東, 余新曉，等. 基于SD模型的水資源承載力計算理論研究——以青海共和盆地水資源承載力研究為例[J]. 水資源與水工程學報, 2005, 16(3): 11-15.

[7] 惠泱河, 蔣曉輝, 黃強，等. 水資源承載力評價指標體系研究[J]. 水土保持通報, 2001, 21(1):30-34.

[8] 陳紅, 回燕斌. 遼中南城市群水資源承載力分析[J]. 科技情報開發與經濟, 2007, 17(10): 158-160.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.10.008

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