基于系统动力学的再生水供水量预测模型研究

基于系统动力学的再生水供水量预测模型研究

随着城市的快速扩张和水资源的大量消耗，水资源的缺乏已成为阻碍城市发展的重要因素。再生水的利用是解决水资源短缺的有效途径,且符合可持续发展的理念。城市再生水供水量的预测是一个涉及到社会、经济、环境等多个领域的系统问题,在水资源规划和管理中起着非常重要的作用,是供水决策、投资的重要参考指标。定额法、灰色预测法、回归分析法等已在解决这一问题时得到了应用,但是由于其均以以往的供水数据为基础,不能客观考虑到影响再生水供应的各种因素及其相互关系的变化,导致预测结果无法真实地反映再生水的需求变化。系统动力学方法能够综合考虑多种因素,并把各种因素统一到一个模型中,为再生水供水量预测提供了一种新思路,具有独特的优势。1系统动力学的建模和分析系统动力学方法是一种以反馈控制理论为基础、以计算机仿真技术为手段,研究动态复杂问题的定量方法,其主要功能在于提供了一个中长期预测及政策分析的工具。它最突出的特点是能处理高阶层、非线性、多重反馈、复杂时变的系统问题。系统动力学方法能够运用定性与定量、综合与推理的方法研究系统,适于研究复杂系统随时间变化的问题。系统动力学方法可以综合考虑社会、经济、环境等系统的发展和相互关系,在缺乏基础数据或定量表达式难以建立的情况下,利用一些变量来对系统发展的整体水平进行预测和分析。系统动力学在解决社会经济问题、水资源承载力问题方面得到了广泛的应用,然而其在再生水预测中的应用研究尚未大量展开。系统动力学的本质是一阶微分方程组。一阶微分方程组描述了系统中各状态变量的变化率(速率变量)对各状态变量或特定输入等的依存关系;而系统动力学则进一步考虑了促成状态变量变化的因素。根据实际系统的情况和研究的需要,系统动力学将变化率的描述分解为若干流率方程来描述,流率方程表述了状态变量的变化规律,其实质为欧拉法数值积分(DT),其一般形式为:L.K=L.J+DT(IR.JK-OR.KJ)式中,L.K、L.J为状态变量,IR.JK、OR.JK为变化率。系统动力学解决问题的方法和步骤是:(1)分析系统内部以及系统本身主要的因果关系和反馈回路;(2)选定各状态变量、速率变量、辅助变量和常量,建立系统流图;(3)在系统内部的变量之间建立联系方程式,用差分方法在时间轴上模拟变量随时间的发展变化,分析系统发展的趋势。系统动力学有专门的计算机语言和软件,主要软件有ITHINK、STELLA、POWERSIM、VENSIM等。本文选用VENSIM软件。VENSIM全称VentanaSimulationEnvironment,即Ventana系统动力学模拟环境。VENSIN利用图示化编程建立模型,只要在模型建立窗口画出流程图,再通过Equations输入方程和参数就可以直接进行模拟。2再生水供水量的成因本文所选研究区域位于华北某水系下游,为典型资源性缺水地区,降水量少,且过境河水水质较差,可用水量十分匮乏。大力发展再生水、海水淡化等非传统水源是解决该地区用水问题的重要途径。其中,再生水供水量受到多种因素的影响,主要包括居民生活习惯、企业生产方式、城市供水情况、再生水厂建设情况、城市环卫建设、水价、水利用政策、管网铺设、城市污水处理设施建设、污水量等。由于这些因素的时间变化规律差异较大,且各因素间也存在着相互作用的非线性关系,因此再生水供水量的因果反馈关系亦十分复杂。按照系统动力学解决问题的步骤,建立研究区域的再生水供水量预测模型。该模型以研究区域再生水水厂初步供水的时间,即2005年,为起始年,以2020年为结束年,步长为1。2.1再生水可供水量预测模型再生水按用途分为道路清扫、绿地浇洒、河湖补水、生活杂用、工业冷却五个方面。按用途分类不仅可以发现总利用量的变化规律,而且可以找出各用途的利用量,从而确定再生水在供水时的优先方向。在城市发展过程中,再生水来源于城市污水,所以再生水可供水量与污水排放量、排污系数、污水处理率、再生水处理率等多种因素有关。再生水可供水量与总利用量的差距将为该市制定促进再生水利用的各项政策以及所采取的行动起指导作用。本文以再生水的用途和供需平衡为主线,建立研究区域再生水供水量预测模型。表1列出了本模型中的主要变量与常量;预测模型的系统流程图如图1所示。模型中的变量来源于并反映了影响再生水供水量的各种因素,其中水价弹性系数取自张辉等的文献,它表示水价上涨1%时,用水量减少的比例;生活供水管网用来反映管道建设等市政设施对再生水利用的影响;其他再生水水量相对比率表征再生水渗漏等不可测因素。2.2再生水可供量再生水量在建模过程中,对存在相互影响的变量建立表征相互影响关系的方程式,即联系方程式。本模型中主要联系方程式如下:再生水供应紧张程度=(再生水可供量-再生水利用量)/再生水可供量再生水利用量=(道路清扫用水量+绿地浇洒用水量+生活再生水水量+河湖补水量+工业再生水需求量)×其他再生水水量相对比率生活再生水水量=生活用水量×生活再生水使用比例×生活供水管网工业再生水需求量=工业用水量表函数(〈Time〉)×工业再生水使用比例河湖补水量=河湖补水定额表函数(〈Time〉)×河湖补水面积×河湖再生水使用比例污水量=排污系数×地下水渗入量相对比率×供水量再生水可供量=污水量×再生水利用率×污水处理率3再生水用量预测模型分析将各参数及关系方程式输入模型进行计算,得到中心城区2006~2020年再生水供水量模拟计算结果,如图2所示。将该模型的计算结果与该中心城区的实际再生水供水量进行比较,进行真实性检验。基于系统动力学的再生水供水量预测2008年研究区域再生水供水量为327.9万立方米,实际供水量为353万立方米,相对误差较小,仅为7.11%,仿真结果真实性较高,表明基于系统动力学方法的供水量预测模型基本可靠。可以看出,河湖补水和工业用水是再生水利用的两个主要途径,在后期尤为明显。主要是因为其用水点集中且易于大量供应,所以再生水厂在供应再生水时应首先满足河湖补水和工业用水这两种用途,这样既能缓解水资源的短缺状况,改善市中心环境,还能因集中大量供水,使再生水厂供水管网的管理、维修得到保障。此外,再生水供水量呈现出加速增长的现象且后期增加显著,可能是因为随着经济、社会的不断发展,管网建设不断完善,相应水利用政策也进一步落实,多种因素共同促进了再生水的使用,从而工业、生活、河湖补水的再生水使用比例不断增加。道路清扫再生水用量和绿地浇洒再生水用量增长速度较缓,这是因为目前这两种再生水应用方式对管网的依赖度较小,且道路和绿地面积变化不大。而工业用水稳步增长,河湖补水再生水用量开始时增长较慢而后期增长非常迅速,这表明在再生水的利用较为充分的情况下,该地区水资源短缺状况得到了有效缓解,因而有更大比例的再生水可用于河湖补水以修复生态。再生水的使用对于缓解城市水资源短缺具有显著作用。4系统动力学模型建立的优势用系统动力学的方法建立的再生水供水量预测系统动力学模型,能够全面考虑影响再生水供应量的各主