基于系统动力学的北京市水资源供需分析

基于系统动力学的北京市水资源供需分析

1基于系统动力学的城市水资源环境管理的总体思路水资源是生态系统生存的自然因素，也是经济和社会可持续发展的基本保证。随着中国经济的快速发展，区域水污染日益严重，水资源的缺乏和浪费也加剧了水环境问题。由于人口持续增长和城市地区转移的趋势，需求的增加集中在快速扩张的城市，城市化对区域和世界环境产生了重大影响。城市本身就面临着巨大的挑战，水污染和水传播疾病。因此，对城市水资源环境系统的研究具有重要意义，可以为城市水资源的管理做出可靠的理论依据。水资源环境问题是复杂、综合的难题,它涉及一系列社会、经济、环境、管理、规范和认知等各类因素,以及它们之间存在的动态相互作用.系统动力学(SystemDynamics,SD)作为一种研究系统动态行为的计算机仿真技术,通过建立动态系统的数学建模以及动态系统的相应分析,从而理解每个系统的动态特性,进而可改进系统的性能.它能够分析仿真模型中各种因子之间相互作用和反馈的关系模式,对于预测相互作用的动态结果和分析拥有复杂性的不同政策的应用行之有效.目前系统动力学已被广泛应用于水环境资源评价预测和管理的各个方面,包括大型复杂水资源系统研究,流域水资源规划与管理,区域水环境承载力模型,区域水安全模拟系统等.本文将系统动力学运用于北京城市水资源环境,建立城市水资源供需系统模型,在分析北京水资源开发利用现状的基础上,预测未来水资源的供需形势,研究北京市水资源供需矛盾,为解决北京水资源问题提供管理思路和决策依据.2北京市水资源短缺,年际变化北京地区属暖温带半湿润半干旱季风型大陆气候,冬春少雨雪,夏秋多阴雨.平均多年降水量为595毫米,年际、年内降水分布极不均匀.城市处于海河流域,从东到西分布有蓟运河、朝白河、北运河、永定河和大清河5大水系,其中蓟运河和潮白河为饮用水和市政用水服务,永定河和大清河为工业用水服务,北运河用于排放污水.北京水资源人均占有量约300立方米,远低于国际公认的人均1000立方米下限,属重度缺水地区,水资源短缺已成为影响和制约首都社会和经济发展的主要因素长期以来,用水需求已经超过了当地水资源的承载能力和环境容量,造成地下水严重超采.由于水资源短缺和近年来水供需矛盾加剧,北京市水危机问题主要体现在:1)降水季节和年际变化大,气候趋于干暖化;2)长期超采地下水导致地下水位下降;3)入境地表水量和地表水可用量连年衰减;4)水污染加重了水危机;5)人口膨胀和城市化发展加大了生活用水需求;6)水资源利用效率低,浪费严重.3学习方法3.1系统动力学模型城市水系统一般包含三个方面相互影响的研究领域:水供应与配给系统,废水回收与管理系统,雨洪排水管理系统.本文研究的城市水环境系统限于前两个领域,因此系统界定为包括城市范围内的水资源、水资源供需以及废水处理.系统简单因果关系图如图1所示.许多学者运用系统动力学对北京市水资源研究,一般分为水资源、农业用水、工业用水、生活用水、污水处理及回用水等若干子系统模型,其中对系统的建模均为面向事件的线性因果模式,缺乏利用系统思考中学习型组织的信息反馈回路模式.因此本文构建系统动力学模型将基于如下三个假设:1)研究关注于城市供需关系,将城市水需求总量的计算简化;只与人口增长以及人均综合用水定额有关;2)引入基于可持续发展系统生存回路(ViabilityLoops,VL)的水资源供需平衡指标,采用反映供需关系紧张的水供需一次、二次平衡作为衡量地区水危机的变量(见图2);3)暂时不考虑水质对城市水资源的影响.3.2基于sd的水资源供需系统建模本系统衡量水供需平衡,根据建模目的通过水需求总量、水供应总量、水供需系统一次、二次、三次平衡来描述系统.利用SD专用软件Vensim建立北京市水资源供需系统SD模型系统流图,研究系统内部结构及各系统成分之间的相互关系.SD模型主要由状态变量、速率变量、辅助变量和常量四类构成,本系统中所用指标类型如表1.主要系统动力学方程为:1人口迁移速率+1.2%水需求总量=人均综合用水量×城市人口人均综合用水量=INTEG(用水量变化率,人均综合用水量初始值)城市人口=INTEG(移入人口,城市人口初始值)移入人口=城市人口×移民速率2水资源开发及其所需资源量地区水资源总量=INTEG(水资源可再生速率+水资源补给×其它地区水资源量,地区水资源总量初始值)水资源可再生速率=水资源可再生系数×水资源可再生量水资源可再生量=地区多年自产水资源-地区水资源总量地区实际利用水资源=地区多年自产水资源×地区水资源开发力度地区水资源开发利用力度=水开发利用系数×水供需一次平衡3污水处理量及污水处理系数再生水量=再生比例×污水处理量再生比例=INTEG(再生比例增加,再生比例初始值)再生比例增加=再生比例×再生比例增加系数污水处理量=水需求总量×污水处理系数×污水排放系数污水处理系数=INTEG(处理增加,污水处理系数初始值)处理增加=处理率差距×处理率增加系数处理率差距=最佳处理率-污水处理系数污水排放系数=INTEG(排放增加,污水排放系数初始值)排放增加=排放率增加系数×污水排放系数32供水预测指标系统水供需一次平衡=水需求总量-地区水资源总量水供需二次平衡=水需求总量-地区实际利用水资源量-再生水量其它地区水资源量=水供需二次平衡3.3试验表明1检验结果分析将所建系统动力学模型在计算机上运行,应用Vensim软件所提供的编译检错和跟踪功能检验了模型的正确性,由观测运行结果判断模型的合理性.为检验模型的有效性,将2000-2005年的系统状态变量仿真值与历史数据对比,检验变量包括城市人口、地区水资源总量、水需求总量、污染水处理量、污水处理系数、再生水量.验证结果中城市人口等变量由于具有较高的稳定性和统一性,拟合程度较高.与再生水量有关的数据,因为原始数据增长速率年际差别较大,通过线性模拟时个别数据形成较大的误差,但不影响整体趋势.2灵敏度指数测试对仿真模型需要进行参数灵敏度的检验,通过变化模型方程中参数的值,观察系统行为,是否在特定干扰和随机干扰下仍能保持系统的稳定性.选取本系统中16个代表系统状态的变量和6个常量参数,计算每个参数在改变10%、20%、30%、40%下的灵敏度指数,具体方法见文献.结果表明,系统对参数变化的反映基本处于低灵敏度水平,从而证明了系统的有效性.3.4基于地域因素的水资源供应方案模型以2006年的统计数据为初始值,运行2006-2020年共15年的区间,以1年为仿真步长.通过历史数据拟合移民速率、排放率增加系数、最佳污水处理率、处理率增加系数、再生水比例增加系数、水资源可再生系数等参数;根据《北京市“十一五”时期水资源保护及利用规划》,确定地区水开发利用系数、用水变化率、水资源补给等几项指标的参数值.城市水需求量由城市人口和人均综合用水量决定.城市人口的膨胀是水供需系统最主要的动力因素,引起一个地区人口变化的因素主要有人口的自然增长和机械增长.北京市是流动人口较大的地区,因此人口的增长主要由人口的机械变动决定.2000年以来外来人口增长较快,占总人口比重明显上升,虽然常住人口的自然增长率已降到千分之一左右,城市总人口增长平均速率则达到2.5%.人均综合用水量则由1999年的330立方米下降到“十五”期间的245立方米,但考虑到城镇化进程加快,人口增加,提高三产比重,举办奥运会,增加环境用水等因素,到2010年人均综合用水量将由从245立方米增加到265立方米基于以上分析,本系统根据城市人口和人均用水定额增长的不同情况,设定4种未来水资源需求量的情境,分析不同情况下满足水需求的供应方案.情境一:城市总人口总量保持2.5%的增长速率,人均用水定额自2006年的219.9立方米/人,以4%-5%的速度增长至2010年的265立方米/人,并持续保持此速度.模拟结果如表2所示.情境二:分析表明,2010年北京市应以1600万人为上限;2020年以1800万人为上限.每年净增人口不宜突破20万人.将人口增长率调至0.3%可以实现上述人口控制目标,人均用水定额维持情境一不变.模拟结果如表3所示.情境三:假定人口仍保持高速增长,人民节约意识增强以及节水技术的广泛推广,使得2010年以后人均用水定额维持在265立方米/人不变.模拟结果如表4所示.情境四:假定人口与人均用水定额数目均得到改善.模拟结果如表5所示.3水供需二次平衡4种情境下,水需求总量随着人口增速的降低和人均用水定额的减少依次下降,水供需一次平衡所需水量也依次降低.水供需一次平衡反应了地区水资源的用水紧张程度,可以看到人口增长与人均综合用水量增加的速度越快,对地区水资源需求产生的压力越大.在情境一、二中,即使伴随着地区水资源的增长,水供需的一次平衡依然逐步扩大.而在情境三、四中,供需矛盾得到一定程度的缓解,水供需一次平衡在2010年以后变成下降趋势.城市供水主要来源可分为本地可利用水资源和外地调水,本地可利用水资源又分地表水地下水的开采和再生水量的回用.由于模型中假设地区水资源开发利用力度与水供需一次平衡成反比,即人们意识到地区水资源缺乏程度越严重,对本地水源的保护程度需要加强,因此开发利用地区水资源力度从情境一至情境四依次增大.城市再生水量与污水排放比重相关,需水量越大的情境中,再生水量相对越大.在这4个情境中,每年再生水量基本在6-10亿立方米之间,合理的反应了城市目前的再生水水平.城市实际利用水资源总量加上再生水量构成了水供需一次平衡上的二次平衡.水供需二次平衡反应了地区在充分发掘自身水资源潜力的条件下,仍存在的需水缺口,也就是城市需要从其它地区调用的水资源量.可以看到,水需求量越大,产生的对其它地区水资源需求的压力也越大,且随着时间的推移成增长趋势.只有在人口数量和人均用水额度都得到控制的最优情境(情境四)下,对其它地区水资源的需求才得到了缓解.在情境四中,水供需二次平衡在2010年后也呈下降趋势.北京的水资源条件与城市发展要求有很大距离的现状,使得城市除了需要最大限度地挖掘本地水资源结合应急水工程,还必须依靠南水北调工程作为解决地区缺水的根本措施.虽然水供应通过各种途径最终可以满足北京市不断增加的水需求量,用以支持城市的经济发展和人民生活,但是如果以更大的系统眼光看,北京地区的水资源缓解一定程度上加重了其它地区的水资源紧张.因此更有效的途径在于如何将目前的水需求水平控制在可能有的最优情境之下,保持较低的城市人口膨胀速度和人均综合用水量,这样北京市的水资源可持续化利用才最终得以实现.4水资源供需平衡动态仿真在研究北京市水资源供需现状的基础上,采用SD方法构建了城市水资源供需模型.利用系统思考中学习型组织的信息反馈回路模式,引入基于可持续发展系统生存回路的水资源供需平衡指标,采用反映供需关系紧张的水供需一次、二次平衡作为衡量地区水危机的变量,合理地模拟了北京水资源开发利用的现状和存在的供需矛盾,并用于未来若干年的水资源供需形势预测.通过研究未来北京市水资源供需平衡变化的四种情境,不同满足水需求的供应方案被提供.结果显示,人口增长与人均综合用水