基于ABM+SD耦合模型的滇池流域水價政策仿真

張家瑞,王慧慧,曾維華*

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基于ABM+SD耦合模型的滇池流域水價政策仿真

張家瑞1,2,王慧慧2,曾維華2*

(1.中交天津港航勘察設計研究院有限公司,天津 300461；2.北京師范大學環境學院,北京 100875)

針對滇池流域水資源短缺及現行水價政策存在的諸多問題,從政策仿真角度綜合考慮水資源供給會影響水資源價格,進而影響居民和工業企業的水資源消費行為,提出基于滇池流域水資源承載力約束下耦合多主體建模(ABM)和系統動力學(SD)的流域水價政策復雜系統模型,并依據滇池水污染防治“十三五”規劃目標,對滇池流域水價政策進行仿真分析.結果表明:若達到“十三五”規劃的目標要求,在綜合產業結構調整和政策調整的情況下,保持現有水價計量和計算方式不變,滇池流域居民水價應提高至3.23元/m3,工業水價應提高至4.99元/m3;通過加快對流域水價政策的調控,可有效引導居民Agents和企業Agents采取節水措施,提高其用水效率;建議滇池流域適當減少調水量至3.06億m3,可將支付調水補償的費用,用于再生水設施的建設,提高其再生水回用率至33%,從而保障水資源的長效可持續利用.

滇池流域；水資源承載力；居民水價；政策仿真

近年來,隨著工業化和城市化進程的加快,城市對水資源的需求日益增加,部分城市缺水問題已越發嚴峻,而城市水價制度和政策的不合理使得這一問題更加突出[1].眾所周知,水價的制定和實施是保證國家經濟可持續發展和長治久安的重要政策措施之一[2].合理水價不僅能反映供水的商品價值,也能充分體現出水資源的資源價值和環境價值[3].當前,中國水資源的一個突出問題是水定價不合理,水資源使用長期處于“廉價”狀態,對比生活用水平均價格最高的法國,中國城鎮居民用水價格極低,僅占法國的6%,而水價長期偏低一定程度上導致單位和居民的用水浪費、價格不能起到引導和改變人們的需求結構和用水行為的目的[4-5].諸多研究[6-10]也表明制定合理水價是使水資源得到最有效利用的最好方法,它是應對環境損害、資源短缺及其耗竭導致的供水成本迅速增長的一個重要措施.與此同時水價政策的制定對相關工業部門、第三產業以及城市居民的承受能力等都是政府決策部門和全社會所關注的重要問題[11].由于涉及因素多而復雜,這些問題尚未得到很好的研究[12].近幾年隨著計算機技術的發展針對政策的模擬仿真研究逐漸興起,由于該方法能最大程度上減小政策實施的成本和風險,幫助決策者制定正確的方針政策,從而得到了快速的發展.

在研究復雜適應性系統方面,ABM(Agent- Based Model)作為一種重要的工具已在國內外的水價政策實際應用中所發揮的決策支持作用越來越明顯.國內外學者利用ABM模型對水價政策開展了諸多研究[12-15].國內學者[13-14]基于ABM模型對水資源供需以及家庭用水需求開展相關研究.國外學者[15]利用ABM模型對城市發展中水資源需求以及水價格仿真模擬研究.與此同時,基于SD(System dynamics)模型的水價政策研究也有報道[16-21].國外學者[16-19]利用SD模型模擬水資源利用效率、水資源價格以及水定價等相關政策,認為合理的水價會促使水資源利用效率的提高,并保證社會的公平性.國內學者[20-21]主要利用SD模型對城市節水效果進行定量評估,同時還模擬了水價調控對產業結構以及生活需水的影響.

當前國內外研究多數是基于單一模型對水價政策進行研究,較少從宏觀社會-經濟-環境和微觀多Agents角度來探討其合理性,實際情況下由于ABM不能及時反饋整體效應給個體Agent,而宏觀SD模型也不能實時反映局部變化情況,使得這兩個單體模型尚不能很好解決一個整體復雜的系統仿真.為此,本研究基于復雜適應系統(CAS)理論,提出基于滇池流域水資源承載力約束下耦合ABM和SD的水價政策復雜系統模型框架,將系統中的政府、企業、居民等成員看做主體,通過智能仿真模擬微觀企業Agents和居民Agents對水價政策的適應行為,進而通過確定合理的微觀居民/工業用水價格,將各Agents對水價政策的結果涌現到宏觀社會–經濟–環境這個復雜系統.本研究意在通過模擬不同主體對水價政策的適應行為,確定合理水價,進而影響其用水行為,達到節水的目的.

1 數據來源和耦合模型設計

1.1 數據來源

本文研究所涉及的數據來源于滇池流域“十五”至“十二五”期間水污染防治規劃、《昆明城市總體規劃修編(2006~2020)》、昆明市歷年水價征收標準、2001~2014年昆明統計年鑒[22]、2001~2014年昆明環境狀況公報、2001~2014年昆明水資源公報、云南省環境狀況公報以及“滇池水專項”相關研究成果報告等確定模型中各參數.同時通過對昆明市主城區(盤龍區、五華區、西山區和官渡區)發放調查問卷以及咨詢當地供水部門等方式來獲取各Agents的基本屬性.模型以2009年為基準年,依據滇池流域水價政策現狀收費標準,運行至2014年,并根據率定后的模型參數,對滇池流域水價進行智能仿真分析.

1.2 耦合模型設計

1.2.1 滇池流域水價政策ABM仿真設計 由于滇池流域水價政策是當地實施較早、較成熟、開展最為廣泛的政策之一,同時水價政策通過制定一定的收費標準,直接作用于城鎮居民、企業等微觀主體,因此本研究采用ABM的方法,仿真模擬滇池流域水價政策對微觀居民Agents、企業Agents、各行業Agents等用水行為的調控,研究各政策對社會–經濟–環境的影響,為政府Agent決策提供支撐.

(1)政府Agents 政府Agents對應滇池流域(昆明市)政府及制定和實施其它水污染防治環境經濟政策的相關行政機構,是整個政策系統的最高層.政府Agent的行為主要包括:①制定水價政策的相關征收標準,從而調控企業Agents、居民Agents的用水行為;②統計分析各類Agent— —居民Agents、企業Agents、行業Agent的用水情況、經濟運行情況等信息,并作出決策,調整以上各政策的征收標準,再將信息發送給各用水Agent,其它用水Agent即會根據所獲取的政策標準信息,根據自身的情況,適應性的優化調整自身的用水行為,從而再次涌現到宏觀系統,政府Agent再次對這些新的信息進行統計分析,如此循環演化,實現整個系統的調控、反饋與優化.政府Agent水價收費政策傳導機制見圖1.

(2)居民Agents 居民Agents的主要行為是根據日常生活需要消費一定的水資源.生活用水的消費可為居民Agent帶來生活上的舒適;同時消費水也需要支出一定的水費,因此居民也會關注水價,根據自身的收入情況,進行自身用水行為的調整,以達到最大的用水舒適度.居民Agents的適應性主要是在一定的水價條件下,根據自身可支配收入情況,選擇消費水量,以獲取最大的用水舒適度.根據當地實際情況,滇池流域供水到戶的城鎮居民施行四級階梯水價(表1),本研究通過實地調研,獲取各個階梯家庭Agents的基本屬性——月用水量、各個用水階梯家庭的比例及可支配收入().根據可支配收入的多少,分為低收入家庭[0.6, 0.8]、中低收入家庭[0.8,]、中等收入家庭[, 1.2]和高收入家庭[1.2, 1.5].

圖1 政府Agents水價收費政策傳導機制

Fig 1 The conduction mechanism of water price charging policy for government Agents

表1 滇池流域水價政策征收標準歷年調整表

①當各個家庭的屬性確定后,每個家庭會自主計算水費支出p,根據滇池流域階梯水價情況,p的計算見式(1).

式中:1為基礎水價, 元/m3;為各家庭Agent月用水量, m3.

②各居民Agent可根據式(1)計算出當月水費支出是否超出可承受范圍.由于是家庭月用水量,采用下式計算水費支出情況:

式中:為城鎮居民平均每個家庭人口數,根據最新人口普查結果,滇池流域為2.73;為可支配收入.

如果p滿足上式,則計該居民Agent為超.根據滇池流域五華區《重大決策社會穩定風險評估實施細則》,以超是否大于20%,作為水價政策決策群眾支持率的評判標準.

③居民Agents根據本月的p來調整下一個月的用水量,對于超的居民Agents,下個月將減少用水量;對于p<2%的居民,下一個月可選擇增加、減少或保持現有用水量.

④系統每隔12個月(1a),將會根據5000居民Agents的用水情況采用下式統計一次整個流域城鎮人口年用水量城鎮:

式中:總為滇池流域總人口,萬人;為滇池流域城鎮化率;居民Agents為每月5000個居民Agents月總用水量, m3;同式(2),取2.73;12為月數.

⑤通過城鎮將微觀居民Agents的涌現結果反饋到宏觀環境系統中,與系統動力學(SD)耦合,即可得出城鎮生活用水總量和城鎮人均生活用水量V數據.如果城鎮人均生活用水量B大于人均年用水量指標,結果將反饋給政府Agent,政府Agent將再次調整并提高水價以控制和調節居民Agents的用水行為,進行下一循環的仿真.如果用水量低于,系統即可輸出水價,供政府Agent參考.

(3)企業Agents 企業Agents是這個系統中經濟運行的主體,通過生產活動,消耗一定的水量.企業Agents在生產過程中消費水量,需要交納水費.同時企業Agents在運營過程中主要是根據總費用最小的原則選擇用水方式.在模型開始時導入455家滇池流域污染源普查的企業,企業Agent的屬性包含以下5個指標:企業名稱(Name)、行業類別(Type)、工業增加值(萬元)、萬元工業增加值新鮮水耗(m3/萬元)、工業用水重復利用率(%).

①根據滇池流域水價政策的征收標準和征收范圍,在企業生產過程中產生的水價收費計算公式如下:

式中:S為水費,元;I企業Agent工業增加值;W為企業Agent萬元工業增加值新鮮水耗,m3/萬元;P為工業水價,元/m3.

此外,企業在重復使用二次水的過程中,由于引進技術或者改造升級設備等,也會產生二次水使用費用[23];二次水使用費用計算公式如下:

式中:E為二次水費用,元;W為企業Agent萬元工業增加值總耗水量,m3/萬元;β為企業Agent工業用水重復利用率;P為二次水價格,元/m3.

②每一年同一行業類型的企業Agents,將本行業的用水參數耦合到系統動力學(SD)各企業Agents所屬的行業Agent中,從而計算整個行業的用水量.在每一年仿真結束后,政府Agent將會統計分析并獲取整個工業企業的用水數據,與相關規劃和總量控制目標進行比較,如果達到相關指標的要求,則輸出各政策的價格;如果未達到要求,政府Agent將在下一仿真周期前對政策進行調整.

同時水價的完全成本包含資源水價、工程水價、環境水價和邊際使用成本[24],在同一區域內,可認為工程水價、環境水價和邊際使用者成本相同.我國水價正處于商品供水價格管理階段,作為一種商品,水資源稀缺性對水價的影響與普通商品類似,即商品越稀缺,價格越高;商品越豐富,價格越低[24].因此,一個地區的水價與該地區可供水資源利用量密不可分.水資源價格可采用下式表示:

式中:0為水資源價格;0為水資源價格調整系數,為1.15;0為水資源使用價值,參考相關文獻[24-25],本文取0.62元;d為水資源需求量,m3;s為可供水資源利用量,m3;0為水資源供給彈性系數,取0.28.

通過式(6)可看出,水資源價格與可供水資源利用量密切相關,且隨著可供水資源利用量的增加而減少.再生水回用相對增加了一個地區可供水資源利用量.因此,本文在調控水價時,考慮滇池流域內再生水回用量,增加再生水利用影響因子,采用下式計算調整后水價:

式中:Qh為再生水回用量,m3;當計算居民水價時,Po為居民基礎水價P1,當計算工業水價時,Po為工業水價Ps.

(4)行業和產業Agents 行業Agents和產業Agents是滇池流域主要用水主體,其中行業Agent主要包括煙草制品業、有色金屬冶煉及壓延加工業、醫藥制造業等21個Agent,產業Agent包含第一產業Agent、第二產業Agent和第三產業Agent.行業Agents和產業Agents是傳導和體現微觀企業Agents特征的橋梁,是將ABM和SD耦合起來的紐帶.各行業Agent通過獲取本行業內企業Agents的用水、排污參數,根據經濟增長情況,產生污水和排放污染物.政府Agent根據各個行業的用水排污情況,通過控制其經濟增長的方式,調控各行業Agent的用水和排污行為,從而達到經濟和環境的協調發展.行業Agents與政府Agent和企業Agents交互關系見圖2.

1.2.2 水價政策ABM+SD耦合系統設計 SD模型是將研究的復雜系統分為若干子系統,分析各子系統中各要素的因果關系,建立各子系統間的因果關聯,從而建立系統回路的綜合模型.SD模型通過定量與定性相結合的方式,具有處理非線性、時間延遲等能力,可用來模擬系統對不同政策的響應,并且可以通過仿真來預測不同政策下各子系統的運行結果,特別適合中長期系統研究[26].本文ABM與SD耦合系統主要包括:人口–資源子系統、經濟–資源子系統和水資源供需平衡子系統.

(1)人口–資源子系統 通過將滇池流域總人口(常住人口)分成農村人口和城鎮人口兩部分,并與居民Agents進行耦合.人口–資源–環境子系統中,居民Agents在日常生活中消耗水資源,產生生活污水,排放污染物到環境中;通過人均GDP體現流域內居民的社會生活水平.本文主要研究城鎮供水水價對城鎮“一表一戶”居民用水的影響,農村人口用水根據排污系數法,結合“滇池水專項”以往的調查數據確定參數,通過系統動力學進行仿真模擬.圖3人口–資源子系統ABM耦合SD系統流圖.

(2)經濟–資源子系統 經濟–資源子系統通過經濟活動創造社會產值,在生產過程中消耗水量.經濟–資源子系統中包含的Agent類型及名稱見表2.圖4為經濟–資源子系統ABM耦合SD系統流圖.

表2 經濟子系統Agents 類型

(3)水資源供需平衡子系統 水資源供需平衡子系統主要是通過ABM耦合SD模型計算流域內居民、企業等在生產和生活中消耗的水資源量,涵蓋滇池生態需水量和城市環境生態需水量(城市綠化、道路清掃等),匯總以上得出流域內總用水量,并與流域可供水資源量和再生水回用量(包含分散式再生水回用量和集中式再生水回用量)進行對比,如果供需平衡30,則說明水價政策與現階段的經濟發展和居民生活相適應;如果供需平衡<0,則提高再生水回用量,以滿足供需平衡30,同時根據再生水回用情況,進一步調整水價和各行業用水方式(圖5).

圖3 人口–資源子系統ABM耦合SD系統流

圖4 經濟–資源子系統ABM耦合SD系統流

1.3 耦合模型主要參數及Agents設置

1.3.1 耦合模型主要參數 模型以2009年為基準年,依據水價政策現狀收費標準,運行至2014年.根據《滇池流域水污染防治規劃研究報告》[中2014年滇池流域相關數據,對模型參數進行率定并輸入相關數據,根據模型主要參數及主要Agents設置,構建基于Anylogic平臺的ABM耦合SD智能仿真模型(表3).

1.3.2 主要Agents設置 以2009年為基準年,通過模型中各項參數,以2014年數據為依托,預測至2020年,從水價政策調整角度,對滇池流域水價進行智能仿真.

(1)居民Agents設置 居民Agents以家庭為單位,共5000戶,其中滇池流域城鎮居民人均年用水量指標設置為80m3/a;城鎮居民階梯水價政策直接影響居民Agents的用水行為,居民Agents通過式(3)耦合到SD模型.

表3 模型運行主要參數

(2)企業Agents、行業Agents和產業Agents設置 企業Agents有455家,包含行業Agents的所有類型,輸出萬元產值耗水量(m3/萬元)、萬元工業增加值新鮮水耗(m3/萬元)的參數至各行業Agents;各行業Agents增加值依據《規劃研究報告》,初始增長率設為0.1,最低不低于6.5%,高耗水的行業下一周期降低其增長率,低水耗的行業下一周期適當增加其增長率,6種情景方案(表4)均按照此增長率發展;第一產業Agents和第三產業Agents依照《規劃研究報告》和《總量控制報告》中速率發展和耗水,同時考慮產業節水技術的進步,6種情景方案中第一產業Agents和第三產業Agents的耗水強度,比2014年降低5%;第二產業Agents與行業Agents和企業Agents耦合,確定其增長和耗水情況.

圖5 水資源供需平衡子系統ABM耦合SD系統流

表4 滇池流域供水情景方案

2 滇池流域水價政策仿真分析

2.1 滇池流域供水情景方案

根據滇池流域1996~2000年共45a的水文系列分析計算,結合《昆明城市總體規劃修編(2006~2020)》和戴麗等[27]研究,滇池流域多年平均水資源量5.97億m3(其中地表水資源量5.4億m3,地下水資源量0.57億m3);外流域年調水量9.3億m3:“掌鳩河引水工程”,年調水量為2.20億m3;“清水海引水工程”,年調水量為1.04億m3;“牛欄江-滇池補水工程”,年調水量為6.06億m3.由于調水工程建設可能會對生態環境產生較大不利影響[28],因此針對滇池流域資源型和水質型缺水現狀,進一步探討通過深入挖掘其節水潛力和提高其深度處理和再生水回用量,以保證水資源供給的可能性.本研究根據滇池流域水資源利用現狀,在水資源供給側,根據“牛欄江-滇池補水工程”調水情況,設定6個情景方案(表4).

2.2 結果分析

根據各Agent設置和率定的參數,采用Anylogic軟件對各政策進行多次仿真, 6個情景方案各政策仿真結果見表5.

由表5可以看出,通過模型智能仿真, 6個供水情景下水價政策征收標準均較2014年有所提高.若采取調水方案,居民水價最高由2014年的2.45元/m3提高到3.57元/m3;工業水價最高由2014年的4.35元/m3提高到5.12元/m3.

由于水價與水資源量密切相關[19],通過模型智能仿真, 6個情景方案下,由于可供水資源量和再生水回用量的不同,居民水價和工業水價略有差異.其中,不調水方案的居民水價和工業水價最高,分別為3.62和5.14元/m3;調水方案一的居民水價和工業水價最低,分別為3.23和4.99元/m3.

考慮到滇池流域尚未充分挖掘滇池流域水資源回用潛力,由于昆明市政府每年以1.9元/m3價格,平均每年支付十幾億用于上游調水,本文根據調水情景四,建議滇池流域在未來規劃中可適當減少調水量至3.06億m3,將節省的調水費用用于流域內再生水回用基礎設施的建設,增加其水資源回用率至33%以上.

圖6 城鎮生活用水量與居民水價趨勢

根據智能仿真結果的居民水價和城鎮生活用水量變化情況如圖6.由圖6可看出,通過調整居民水價,滇池流域城鎮生活用水量增長幅度較小,沒有隨著城鎮居民的增加和生活水平的提高,出現較快的增長.說明滇池流域通過實施水價政策,可有效引導居民Agents的節水行為.同時根據智能仿真過程中工業水價和工業用水重復利用率變化情況如圖7.由圖7可看出,通過實施水價政策,可使滇池流域工業用水重復利用率呈現逐年增加的趨勢,說明工業水價政策有助于促使企業Agents在生產過程中采取節水措施,提高其用水效率.

同時通過對居民Agents行為進行分析可知居民Agents不同收入區間年均月用水量(圖8).由8圖可看出,滇池流域4類家庭月均用水量均超出水價的第一階梯,主要集中在水價的第二階梯11~15m3,其中低收入家庭月均用水量12m3左右,考慮水費價格,低收入家庭月均水費支出63.5元,2014年城鎮居民人均可支配收入為31295元,則水費支出占低收入家庭可支配收入的1.48%,在城鎮居民可承受范圍內[30-31].

表5 不同情景下水價政策仿真結果

圖8 居民Agents不同收入家庭年均月用水量

3 結論

3.1 從政策智能仿真角度構建了基于ABM耦合SD的滇池流域水價政策智能仿真模型.利用該模型模擬微觀企業Agents和居民Agents對水價政策的適應行為,通過行業Agents、產業Agent耦合至SD模型,進而確定合理的微觀居民/工業用水價格,并將政策的調控結果涌現到宏觀社會–經濟–環境這個復雜系統中,通過調整居民/工業水價,影響其用水行為,達到節水的目的,從而實現滇池流域水價政策對微觀主體行為調控和宏觀實施效果的模擬.

3.2 通過構建的ABM耦合SD智能仿真模型,依據滇池水污染防治“十三五”規劃的目標,對滇池流域水價政策的實施效果進行智能仿真.根據仿真結果,若達到“十三五”規劃目標要求,在綜合產業結構調整和政策調整的情況下,應保持現有城市階梯水價計量和計算方式不變,滇池流域居民水價應提高至3.23元/m3,工業水價應提高至4.99元/m3.同時,為保障流域內再生水設施的有效運行,再生水售賣價格應不低于1.4元/m3.

3.3 通過實行流域居民水價政策,滇池流域城鎮生活用水量增長幅度較小,說明通過居民水價政策的實施,可有效引導居民Agents的節水行為.同時通過實行流域工業水價政策,滇池流域工業用水重復利用率呈現逐年增加的趨勢,說明工業水價政策同樣有助于企業Agents在生產過程中采取節水措施,提高其用水效率.

3.4 通過仿真分析,現有規劃未能深入挖掘滇池流域再生水回用的潛力,建議在未來發展規劃中,滇池流域可適當減少調水量至3.06億m3,可將支付調水補償的費用,用于再生水設施的建設,提高其再生水回用率至33%,從而保障水資源的長效可持續利用.

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Simulation of water price policy coupled ABM and SD models in Dianchi Lake Basin.

ZHANG Jia-rui1, WANG Hui-hui2, ZENG Wei-hua2*

(1.China Communication Construction Company Tianjin Port & Waterway Prospection and Design Research Institute Co., Ltd., Tianjin 300461, China；2.School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)., 2017,37(10)：3991~4000

In view of the shortage of water resources and the existing many problems of water price policy in Dianchi Lake Basin, water supply will affect the price of water resources, and then affect the water consumption behavior of residents and industrial enterprises from the perspective of policy simulation. This study proposed a complex system model that coupled multi-agent based models (ABM) and system dynamics (SD) models of watershed water price policy based on the constraint of water resources carrying capacity in Dianchi Lake Basin. The water price policies was simulated and analyzed according to the targets of the 13th Five-Year Plan of water pollution prevention and control in Dianchi Lake Basin. The simulation results indicated that, in the case of the adjustment of comprehensive industrial structure and policy in the Dianchi Lake Basin, in order to achieve the 13th Five-Year Plan targets, the water price of residents and industrial should be raised to 3.23 yuan/m3and 4.99 yuan/m3, respectively. By speeding up the regulation and control of watershed water price policy, it can effectively guide the residents Agents and enterprises Agents to take water-saving measures and improve their water-using efficiency. It is suggested that the water diversion volume of Dianchi Lake Basin should reduce appropriately to attain 3.06 billion m3. Alternatively, the compensation expense of water diversion can be used for the construction of recycled water facilities. Accordingly, the reuse rates of recycled water should reach to 33% that can be ensured the sustainable utilization of water resources.

Dianchi Lake Basin；water resources carrying capacity；the water price of residents；policy simulation

X524

A

1000-6923(2017)10-3991-10

張家瑞(1986-),男,山東臨沂人,博士.主要從事流域水資源規劃與管理方面研究.發表論文8篇.

2017-03-09

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07102- 002-05)

* 責任作者, 教授, zengwh@bnu.edu.cn