上海市生活垃圾處理問題的系統動力學分析

葉健飛

摘要：

與日俱增的人口產生了越來越多的生活垃圾.面對垃圾圍城的嚴峻形勢，城市生活垃圾處理變得越來越迫切.為了預測上海市未來的垃圾產生量，探討合適的處置方法和調控措施，利用系統動力學的方法建立了上海市城市生活垃圾產生和處理系統的動力學模型.通過查閱大量文獻并收集數據，預測未來生活垃圾的產生總量和處理總量，對各種處理方式的收益進行了對比，并利用系統動力學模型模擬軟件VENSIM進行了模擬.結果表明：在調控措施下，未來上海市垃圾產生量能得到控制和更加環保的處理；同時，需要控制人口，提高環保投資占GDP比重，實行垃圾收費制度.

關鍵詞：

系統理論； 系統動力學； 城市生活垃圾； 調控措施

中圖分類號： N 941.3； X 32文獻標志碼： A

Abstract：

Due to the population growing，more and more municipal solid wastes（MSW） are generated.The serious situation of MSW surrounding city has made its disposal become an urgent problem.The purpose of this paper was to forecast the MSW production and to find its appropriate disposal method and regulation measures.Dynamics model of the MSW generation and disposal system in Shanghai was constructed with system dynamics method.The data in the model was collected from the published literatures，and was used to predict the total volume of produced MSW，total volume of treated MSW.The comparison of benefits was made among a variety of waste treatment methods.The simulation was conducted using VENSIM software.It was found that，with the regulation measure，the MSW output could be controlled and its disposal could be more environmentfriendly in the future in Shanghai by controlling the population，increasing the share of environmental protection investment in GDP，and implementing waste charging institution.

Keywords：

system theory；system dynamics；municipal solid waste；regulation measure

隨著上海自貿區的建立和滬蘇浙皖超級經濟區方案的上報，上海日益朝著國際化大都市邁進.面對大好的發展機會，越來越多的人口涌入上海，上海的環境壓力與日俱增，生活垃圾清運量逐年上升.2012年上海市生活垃圾清運量為716萬t，人均垃圾產生量為0.82 kg·d-1，無害化處理量為598.5萬t，其中衛生填埋377.5萬t、焚燒103.6萬t，生活垃圾無害化處理率為83.6%[1].

如此之多的垃圾如何處理成為了一個難題.目前的做法是采取填埋、焚燒、堆肥和臨時堆放的方式處理，以填埋為主[2].但是填埋會占用大量的土地，而且對地下水也有影響，會進一步加劇上海市人口與土地資源供應緊張的矛盾，形成垃圾與人爭地的局面.因此，改革城市生活垃圾處理方式勢在必行.針對上海市生活垃圾的特點，劉芳等[3]提出在垃圾分類回收的基礎上對垃圾中的可回收成分盡可能地進行資源化利用，從源頭上實行垃圾減量，然后對垃圾采取焚燒和生化處理，最后將處理后的殘渣以及剩余不能處理的垃圾衛生填埋.

在利用系統動力學解決城市生活垃圾處理問題上，已有了一些研究成果.張蕾等[4]建立了深圳市城市生活垃圾產生量及其影響因素間關系的模型，并提出了調控方案.畢貴紅等[5]建立了昆明市固體廢棄物管理的模型，并研究人的行為對該系統的影響，提出了調控政策.侯燕等[6]建立了考慮源頭減量的城市生活垃圾管理模型，并利用計劃行為理論分析了減量的措施.蔡林[7]初步建立了城市生活垃圾處理模型，并以北京市為例進行了探討.林子健等[8]利用STELLA軟件建立了澳門固體垃圾產生量的預測模型，并根據預測結果分析了該模型的優缺點.黃宜等[9]分別利用指數平滑模型和系統動力學模型對云南省能源消費進行了預測，證明了該方法的可行性.

本文在借鑒前人建模思路的基礎上[10]，結合上海市城市生活垃圾處理實際情況，提出先分類回收，再回收利用，剩余垃圾盡量焚燒、生化處理，最后不能處理的進行填埋的處理方式，以此建立上海市城市生活垃圾處理模型，并研究了各種政策對垃圾產生量的影響.本文主要研究政策調控對居民垃圾投放行為和垃圾處理方式的影響，并模擬垃圾焚燒處理的收益，為垃圾處理產業化提供政策建議.

1模型構建

1.1系統分析

本文研究地域限定在上海市范圍內，模擬時間為2010—2030年.按垃圾從產生到消亡的過程，本模型可分為三個子系統：垃圾產生子系統、垃圾處理子系統和處理效益子系統.

（1） 垃圾產生子系統

垃圾產生量主要和人口以及人均生活垃圾產生量有關.人口由戶籍常住人口和外來常住人口組成，人口增長率受到人口調控的政策因素影響.人均生活垃圾產生量和居民收入、調控政策有關，居民收入越高，人們的消費水平也越高，購買物品的包裝物也越多.為源頭減量，可采取垃圾收費政策，目前上海市尚未收費。本文假設從2015年開始收費，并模擬收費所產生的影響.居民收入增長率受經濟增長率和政策因素影響.

（2） 垃圾處理子系統

生活垃圾處理流程主要有：先進行回收利用，其余的垃圾盡可能地采取焚燒、生化處理.處理后的殘渣和其余垃圾進行填埋處理，剩余未能處理的垃圾臨時堆放.垃圾處理的目標是盡可能地焚燒、生化處理，少采用填埋處理.環保投資會影響這些處理方式的選擇.隨著環保投資的增加，回收率和焚燒比例會加大，填埋比例和臨時堆放率會下降.環保投資受GDP（國民生產總值）影響，根據政府的承諾，環保投資占GDP比重會逐年提升.

（3） 處理效益子系統

在垃圾處理企業市場化的大背景下，為了吸引更多的企業參與，必須要有一定的經濟效益.處理效益子系統主要包含了垃圾處理的收益和成本，其中焚燒發電收益主要來自于政府補貼和上網發電收入.在政策調控下，未來企業采取焚燒處理的收益會越來越高，甚至高于填埋處理的收益.因此，未來企業會更加傾向于采取焚燒處理.

1.2系統流程

本文利用VENSIM軟件進行模擬，在上述系統分析的基礎上，建立了系統流圖，如圖1所示.

1.3模型方程和參數設定

（1） 垃圾產生子系統

式中：S為戶籍常住人口總量；T為時間（年）；ΔT為時間間隔；I為戶籍常住人口增長量；i為戶籍常住人口增長率；α1為政策影響因子1；P為生活垃圾產生總量；Pa為人均生活垃圾產生量；β1、β2分別為垃圾收費及收入對垃圾產生量的影響因子.

式（1）為狀態方程，用來確定狀態變量；式（2）為速率方程，用來確定速率變量，其中政策影響因子1是基于發達國家人口增長隨經濟發展趨勢的假設，假設人口增長率從2014年起逐步下降，到2030年人口增長率為2014年的1/2；式（3）表示生活垃圾產生總量，其中人均生活垃圾產生量根據2010—2013年的統計數據取平均值得到，為0.306 t·人-1·a-1.垃圾收費對人均生活垃圾產生量的影響因子和收入對人均生活垃圾產生量的影響因子的假設是基于上海市生活垃圾分類減量聯席會議全體會議暨工作推進大會上制定的0.7 kg·d-1的上海市人均生活垃圾產生量目標.

（2） 垃圾處理子系統

式中：D為生活垃圾無害化處理量；Pt為生活垃圾臨時堆放量；Pr為生活垃圾回收利用量；Db為生活垃圾焚燒、生化處理總量；DL為生活垃圾填埋處理總量；γ為環保投資對生活垃圾焚燒、生化處理的影響因子.

式（5）中對生活垃圾焚燒、生化處理的影響因子的預測與兩個因素有關：一是未來垃圾焚燒生化率，二是環保投資.第一個因素的預測是基于發達國家處理現狀，具體參考了日本的處理方法.因上海市人多地少的情況與日本相似，并且緯度與自然環境相近，具有很強的借鑒意義.第二個因素的預測是根據上海市2013年政府工作報告中提出的目標.報告中指出：“今后五年，環保投入占全市生產總值的比例保持在3%左右”.因此，本模型假設在2030年，環保投資占GDP的3.1%.

（3） 處理效益子系統

式中：Eb為焚燒處理總收益；EL為填埋處理總收益；a為垃圾處理單位補貼額；c1為焚燒單位成本；c2為填埋單位成本；e為焚燒發電收益.

式（8）中，垃圾焚燒成本為150元·t-1，填埋成本為60元·t-1，處理1 t垃圾政府補貼260元，上網發電價格為0.65元·t-1，每t垃圾折算成280 kW·h電能，其中25%～30%自用[10].

1.4參數驗證

為了增加模型的可信度，需要對主要變量進行驗證，分別為人口總量、GDP和人均年收入.2010年人口、GDP、人均年收入分別為2 023.66萬人、17 166億元、31 838元.

2011—2013年的模擬值和真實值的對比結果如表1所示，兩者誤差在-1.03%～0.01%，結果表明該模型有效，可以用于研究城市生活垃圾處理問題.

2模擬結果和分析

若按照目前垃圾的產生速度和人口發展速度，到2030年上海市的居住環境質量將進一步下降.為了有效緩解人口劇增導致的垃圾產生量增大，進而降低居民生活質量的問題，本文設定了一系列調控方案，如控制戶籍常住人口和外來人口增長率，調整GDP增長率.參考美國、日本等發達國家的經驗，在高速增長期后經濟增長逐漸放緩，設定上海市GDP增長率從目前的7.5%逐漸下調，到2030年，以4.5%的速度發展；增加垃圾收費的設定，隨著居民收入的提高和人口的增加，垃圾產生量會逐步增大，因此必須通過收費制約垃圾的產生.假設從2015年開始收費，考慮到居民的收入水平，首先按照4元·月-1·戶-1的標準進行收費，之后收費隨著收入水平的提高而提高；參考發達國家的生活垃圾處理方法，回收利用率也要逐步增加，從目前的10%逐步提高到2030年的30%.對其中部分變量的模擬結果如表2所示.

由表2可知：2030年上海市人口將達3 085.13萬人，這符合2030年上海市人口調控目標；GDP達55 261.8億元，這符合經濟增長規律；環保投資達1 713.110億元，這會影響垃圾處理方式，表明有更多的垃圾采取焚燒、生化處理，回收利用率進一步提高，臨時堆放量逐漸減少；人均收入達153 175.0元，這會促進消費能力的提高，雖然會增加個人垃圾產生量，但是垃圾收費也隨之水漲船高，這從另一方面抑制了垃圾的產生.在眾多因素影響下，垃圾產生量和不同處理方式的垃圾處理量的模擬結果如圖2所示.

由圖2可知，生活垃圾產生量開始呈緩慢上升趨勢，到2028年開始趨于平穩.生活垃圾填埋處理量持續下降，生活垃圾焚燒、生化處理量持續上升.由此可見，調控達到了應有的效果.在生活垃圾收費、環保投資增加和人口調控的多重因素下，生活垃圾產生量增長速度逐漸放緩，最終保持在一個合理的水平；而填埋處理量下降，表明占用更少的土地；焚燒、生化處理量的上升可以帶來更多的經濟效益.

采取不同處理方式時其收益的模擬結果如圖3所示.由圖中可知，在調控因素的影響下，未來焚燒收益會逐漸升高，甚至高于填埋處理收益，這會進一步促進焚燒處理方式的使用，能有效減少填埋垃圾對土地資源的占用.

3結論

本文利用系統動力學方法對上海市生活垃圾處理進行了建模與仿真，結果表明：要實現生活垃圾的有效控制，必須在垃圾產生階段和處理階段采取一系列調控措施，盡可能采取分類回收的方式，并完善分類回收機制，從源頭上減量，然后盡可能地采取焚燒、生化處理，處理后的殘渣和剩余部分再進行衛生填埋.

上海市可以從以下幾個方面解決生活垃圾處理問題：① 對人口進行調控，減緩人口增長率；② 提高環保投資占GDP比重，增加的投入會提高回收利用率，降低臨時堆放率，提高垃圾焚燒、

生化處理的比例；③ 實行生活垃圾收費制度，

該措施能有效降低人均生活垃圾產生量，減輕政府財政壓力.

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家統計局.中國統計年鑒2013[M].北京，中國統計出版社，2014.

[2]朱志玲.上海市生活垃圾處理處置現狀與對策[J].環境衛生工程，2009，17（4）：51-53.

[3]劉芳，陳季華，奚旦立，等.上海城市生活垃圾處置及污染防治對策研究[J].中國資源綜合利用，2005（5）：13-17.

[4]張蕾，席北斗，王京剛，等.系統動力學方法在城市生活垃圾產生系統的應用[J].環境科學研究，2007，20（5）：72-78.

[5]畢貴紅，王華.城市固體廢物管理源頭政策調控系統動力學模型[J].環境工程學報，2008，2（8）：1103-1109.

[6]侯燕，王華，畢貴紅.考慮源頭減量的城市生活垃圾管理系統動力學研究[J].環境科學與管理，2007，32（11）：1-6.

[7]蔡林.城市生活垃圾問題研究的系統動力學方法[J].環境污染治理技術與設備，2006，7（5）：65-69.

[8]林子健，路良剛，李金平，等.基于人口模型的澳門固體垃圾產生量的初步模擬[J].環境科學與管理，2008，33（10）：67-71.

[9]黃宜，趙光洲，王艷偉.基于Shapley值的云南省能源消費綜合預測方法研究[J].能源研究與信息，2013，29（1）：57-61.

[10]王其藩.系統動力學[M].上海：上海財經大學出版社，2009：40-57.

[11]官平.上海生活垃圾的70%采用填埋方式處理難以為繼[N].東方早報，2011-06-08.