基于SD天津市水污染模型仿真

張雄

【摘要】隨著天津經濟快速發展和城鎮化進程的不斷加快，水污染逐步加重，使得這個原本就缺水的城市水資源短缺矛盾更加突出，已經嚴重影響到天津市的可持續發展。針對這一現狀，利用系統動力學軟件，構建2005年至2020年的天津市水污染調控模型，在2005年至2014年的基礎上模擬出6種不同方案下的水污染情況。結果表明，在統籌經濟發展和水環境保護的基礎上，保持經濟以10%的速度增長，要及時從生活、工業、農業三個污染源方面綜合調控水污染。開展農村生活污水處理工作，提高工業用水重復利用率和工業污水集中處理比例，限制化肥農藥使用，提高畜禽糞污削減率等可以有效的減少污染物的排放。

【關鍵詞】水污染；系統動力學；仿真模擬；天津市

0、引言

天津市地處我國華北平原東北部，海河流域的下游，是我國北方最大的首批沿海開放城市，也是資源性嚴重缺水城市。近五年來，天津市年均水資源總量約為16億立方米，人均本地水資源占有量僅為120立方米左右，都處于逐年減少的趨勢，遠低于國際公認的人均水資源占有量1000立方米的缺水警戒線。而且隨著天津市經濟快速發展和城鎮化進程的不斷加快，污染物排放量逐步增多，水資源受到了嚴重污染。全市2013年43條河流水質85%以上為V類水或劣V類水，其中V類水占14.4%，劣V類水占72.7%。水污染的加重致使少部分地區出現了水質性缺水的情況，使得水資源短缺更為嚴重，已經成為影響和制約天津市可持續發展的主要因素。因此，及時進行水污染的防治，阻止水污染產生進一步的惡化是保證天津市可持續發展的前提。

水污染的防控問題涉及人口、社會、經濟、環境等諸多因素。因素自身不斷發生動態變化，因素之間也不斷的相互作用、相互反饋，從而構成了一個多變量、多層次的復雜系統。對于這樣的系統，只考慮某一方面，采用單一的方法來研究顯然具有局限性。而能夠處理高階次、非線性、多回路的反饋系統的系統動力學，是進行此類研究的有力工具。

系統動力學（簡稱SD—system dynamics）由美國麻省理工學院的福瑞斯特（J.W.Forrester）教授于1956年提出，是一門基于系統方法論、信息論、反饋理論、控制理論和計算機模擬技術交叉學科。它以定性分析為先導，定量分析為支持，兩者相輔相成，借助計算機模擬技術來分析研究系統內部與其動態行為的關系，模擬系統的發展趨勢，進行中長期的預測，從而尋覓解決問題的對策。國內眾多學者利用系統動力學模型對水污染進行了許多研究，陳雪等利用系統動力學構建阿什河流域水污染控制規劃模型，但僅僅只對模型進行了有效性檢驗并未進行進一步分析和預測；秦翠紅等構建三峽庫區流域水污染仿真模型，并設置了4種發展方案進行模擬分析；榮紹輝等建立了許昌市水污染控制系統模型，模擬污染物排量和河流水質之間的聯動關系；李陽等以南京市為例，對水污染問題進行仿真研究，提出綠色GDP核算體系。但可以看出，以往的研究主要是集中在流域地區和南方城市，而專門針對北方嚴重缺水型城市的水污染系統動力學研究尚不多見。而且以往大家對天津市水資源的研究，大多是應用系統動力學從供需情況方面去對水資源承載力進行研究，或者只對天津市水污染進行定性分析。

因此，本文根據系統動力學的理論和方法，對天津市水污染情況進行模擬仿真，通過不同的系統行為和趨勢模擬，得到天津市水污染控制模擬的最佳方案，為天津市水污染防控提供一定的理論依據，也可為其他資源型缺水城市的水污染防控提供借鑒。

1、天津市水污染系統動力學模型構建

本文采用Ventana系統公司創建的Vensim DSS軟件來進行天津市水污染系統動力學模型的構建，分析水污染系統結構，確定變量間的關系以及相應的取值，用圖形化編程建立模型并進行模擬，對模擬結果進行有效性檢驗后，對比不同的發展方案下水污染的防控情況，找出最佳方案。

1.1 系統邊界的確定

根據天津市水污染現狀特征和相關資料數據的可得性及準確性，分析影響水污染各因素間的相互關系，確定模型系統的邊界為整個天津市。模擬時段為2005年至2020年，步長為1年，以2005年為基準年構建天津市水污染系統動力學模型，以便于能完整地反映天津市水污染情況。

1.2 模型子系統劃分

造成天津市水污染的污染源主要有家庭污水，農村生活、畜禽、化肥的流失，工業廢水的排放等。概括來說，天津市污染來源主要是生活污水、農業污水、工業污水，由此將天津市水污染系統劃分為四個子系統：人口子系統、農業子系統、工業子系統、污染子系統。模型結構見圖1。

人口子系統

人們在生產生活中不僅消耗水資源，還會產生污染物。天津市人口數量直接決定本市生活污染物排放量。選定總人口數為人口子系統的流量變量，其存量主要受出生率、死亡率和機械增長人口的影響。由于總人口包括城鎮人口和農村人口，但城鎮人口和農村人口在生活污水排放量和生活污染物排放等方面存在差異，因此城鎮化率的高低也會影響水資源的污染的情況。

農業子系統

農業子系統主要包括種植業和畜禽養殖業兩部分，這兩部分也正是農業面源污染的主要來源。結合天津市具體情況，本系統選取農田面積、豬養殖數量、牛養殖數量、羊養殖數量和家禽養殖數量為狀態變量。這些變量主要受到農田面積變化率和各畜禽養殖變化率等因素的影響。

工業子系統

工業生產過程中所形成的污水和工業污染物是工業污染的重要兩個部分，該子系統中選取工業增長值為流位變量，以工業增長值變化量為流率變量，結合工業萬元產值廢水排放量和工業萬元產值污染物排放量來確定工業子系統中的廢水和污染物排放量。

污染子系統

污染子系統由生活污染、農業面污染和工業污染三部分組成，這三部分分別對應人口、農業子和工業三個子系統。在此基礎上，結合污水處理能力所帶來的污染物消減量，得到污水和污染物的最終結果。考慮到天津市河流水質現狀，確定污染子系統主要關注的變量為COD、氨氮、污水排放量。

1.3 模型參數選取

本文建立的系統動力學模型中狀態變量有總人口數、工業增加值、耕地面積、四類畜禽養殖數量；控制變量有INTIAL TIME、FINAL TIME、SAVEPER、TIME STEP；變量方程包括基本運算函數、延時函數以及表函數；參數計算采用算數平均法、回歸分析、灰色系統預測模型等方法來計算。數據來源：2005年—2015年的《天津市統計年鑒》、《天津市水資源公報》、《中國統計年鑒》、《中國環境統計年鑒》、《2008-2020年天津水系規劃》、《天津市水資源與水環境綜合管理規劃的研究編制》、《第一次全國污染源普查城鎮生活源產排污系數手冊》、《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數與排污系數手冊》、《第一次全國污染源普查農業污染源肥料流失系數手冊》等。

1.4 模型有效性檢驗

構建模型后必須要進行檢驗來驗證模型構建的正確性，進而確保模型的運行結果與實際系統行為相符合。系統動力學有效性檢驗方法一般有直觀檢驗、歷史檢驗、運行檢驗和靈敏度分析幾種。本文采用歷史檢驗的方法來驗證模型的有效性，就是通過比較模型的仿真值與歷史統計的實際值，以驗證擬合度的好壞來判斷模型的有效性。選擇本模型中總人口數、工業增加值、生活產生的污水、COD、氨氮排放量和工業產生的污水、COD、氨氮排放量這八個變量的模擬值與真實數據進行對比，檢驗結果見表1。所有變量相對誤差均未超過10%，其中最大誤差率為6.24%，說明該模型的仿真結果和歷史實際值擬合度較高，可用于天津市水污染趨勢仿真預測。

2、方案設計及分析

天津市水污染的來源主要來自生活、工業和農業三個方面，要想調控天津市的水污染，應該從這三個方面去考慮，因此選取城鎮化率、工業增加值變化率、城鎮生活、農村生活、工業、畜禽養殖COD和氨氮排放系數等作為決策變量。通過改變不同的決策變量得到不同的方案，進而模擬出天津市水污染趨勢的動態變化；通過對不同方案模擬出的結果比較，找尋最優方案。

2.1 方案設計

方案1：維持現狀型。保持現有參數不變，按照現有發展趨勢自由發展，所有決策變量維持2014年現狀，不采取進一步的污染控制措施。該方案能反映政策在不發生變化情況下的發展趨勢，其結果可以作為其他方案的對比參考。

方案2：生活源消減型。該方案讓天津市經濟保持快速發展，主要從控制總人口數和提高水污染處理兩個方面考慮。在十三五期間，推進國家新型城鎮化，根據《天津市國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》，到2020年，天津市常住人口控制在1800萬人以內，城鎮化率將達84%。天津市城鎮生活污水和污染物處理率在原有的基礎上進一步提高，到2020年達95%以上，并及時發展農村生活污水的處理工作，到2020年達60%，從生活源方面降低水污染。

方案3：工業源消減型。該方案中讓天津市經濟保持10%的速度發展，設定工業增加值增長率為10%，通過將工業用水重復利用率由92.8%進一步提高到95%以上，萬元工業增加值耗水量降低到7立方米，并且隨著城市污水處理廠或工業集聚區的污水處理廠的興建，大大提高了工業廢水集中處理的比例，從而降低工業污染物的排放。

方案4：點源消減型。結合方案2和方案3，在保持經濟繼續發展的同時，一方面降低生活污染源、工業污染源點源污染的排放，一方面增強污染物的處理。

方案5：：農業面源消減型。該方案主要從農業污染源思考，通過降低化肥和農藥的使用量，以有機肥代替，使得耕地COD和氨氮的排放量降低10%；通過采用不同的飼養方式或畜禽糞污處理方式降低畜禽養殖業污染物造成的污染。以飼養生豬為例，當采用干清糞的清糞工藝時，每只育肥生豬COD的排放量為30.78克/天；當采用水沖清糞的清糞工藝時，每只育肥生豬COD的排放量為281.35克/天。由此可見，糞污處理方式會影響畜禽COD排放量的高低。

方案6：點源面源結合消減型。該方案在方案4的基礎上，增加對農業污染面源的考慮，主要從耕地污染物和畜禽養殖污染物的消減的方面去思考。

2.2 方案模擬分析

將以上六種方案下的決策變量取值輸入天津市水污染控制系統中進行模擬，得到不同方案下污水排放量，COD排放總量及氨氮排放總量的運行結果如表2和圖2-4所示。

由圖2可知，天津市污水排放總量在六種方案下不斷增加，原因是因為這六種方案下都以保持了經濟發展為前提，但是在不同的方案下，污水排放增加量不同。由圖3和圖4可知，天津市COD和氨氮排放總量在不同的方案下，有增有減，說明不同的方案設計對污染物的排放有截然相反的影響。

如果按照方案1維持現狀發展，在保持經濟繼續發展的前提下，天津市的污水排放總量以及COD和氨氮排放量迅速增加，增加率分別為27.8%、15.3%、24%，天津市的水污染程度將不斷惡化。方案2、方案3和方案5分別從生活源、工業源和農業源方面去調控天津市的水污染。在方案2的發展形勢下，天津市COD及氨氮排放總量都不斷減少，但污水排放的增加率較高，說明生活源對COD和氨氮排放起約束作用；在方案3的發展形勢下，污水的排放增加率為這三個方案中最低，但COD和氨氮排放量卻不斷增加，說明工業源對污水排放起的約束作用較大；在方案5的發展形勢下，COD的排放總量不斷減少，但污水和氨氮的排放量不斷增加，且增加率較高，說明農業污染源也對COD排放起約束作用。由此可見，為了改善天津市水污染情況，僅僅靠單一的手段去調控是遠遠不夠的，必須要考慮多個方面。

結合方案2和方案3，得到方案4，從點源污染對天津市水污染進行調控，起到的作用比較明顯。在保持經濟快速發展的前提下，污水排量增加了9.5%，COD排放量降低5.1%，氨氮排放量降低12.6%。如果在方案4的基礎上再考慮農業面源污染，降低耕地和畜禽養殖污染的排放，得到方案6。從點源和面源兩個方面去調控，污水排放量增加率為9.1%，COD排放量降低24.1%，氨氮排放量降低18.8%。污水排放量增加率和方案4的結果相近，但COD和氨氮排放量的削減率都遠高于方案4的結果。因此，方案6可以作為天津市水污染調控最優方案。

3、建議

通過建立天津市水污染模型并與對模型運行結果進行分析，對天津市水污染調控提出以下幾點建議：

3.1 天津市的水污染控制不能僅用單一的手段去調控，應該要從生活源、工業源、農業源三個方面去綜合考慮，從點源污染和面源污染兩個方面共同去制約水污染的加重。

3.2 對于點源污染調控來說，應該盡快開展農村生活污水的處理工作，提高生活污水的處理率；可以在保持經濟快速發展的同時緊抓工業企業污染達標工作，加大工業源污染的控制水平，提高工業用水重復利用率和工業廢水集中處理的比例，協調經濟發展和水環境治理保護。

要重視農業面源污染產生，由模擬結果可知，在點源污染防控基礎上考慮農業面源污染的防控，能使COD和氨氮排放量分別再降低19%和5%。由此說明，加大對農業污染治理的重視能在水污染防控上取得較好的效果。

3.3 對于農業面源污染調控來說，要加快建設生態農業體系建設，限制化肥農藥的使用，以環保型肥料代替；建造畜禽糞污無害化處理設備，防止相關污染物的流水對水體造成污染。

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基金項目：國家水體污染控制欲治理科技重大專項課題資助項目（2012ZX07308-001-06）。