基于SD天津市水污染模型仿真

2016-05-30张雄

水能经济 2016年3期

张雄

【摘要】随着天津经济快速发展和城镇化进程的不断加快，水污染逐步加重，使得这个原本就缺水的城市水资源短缺矛盾更加突出，已经严重影响到天津市的可持续发展。针对这一现状，利用系统动力学软件，构建2005年至2020年的天津市水污染调控模型，在2005年至2014年的基础上模拟出6种不同方案下的水污染情况。结果表明，在统筹经济发展和水环境保护的基础上，保持经济以10%的速度增长，要及时从生活、工业、农业三个污染源方面综合调控水污染。开展农村生活污水处理工作，提高工业用水重复利用率和工业污水集中处理比例，限制化肥农药使用，提高畜禽粪污削减率等可以有效的减少污染物的排放。

【关键词】水污染；系统动力学；仿真模拟；天津市

0、引言

天津市地处我国华北平原东北部，海河流域的下游，是我国北方最大的首批沿海开放城市，也是资源性严重缺水城市。近五年来，天津市年均水资源总量约为16亿立方米，人均本地水资源占有量仅为120立方米左右，都处于逐年减少的趋势，远低于国际公认的人均水资源占有量1000立方米的缺水警戒线。而且随着天津市经济快速发展和城镇化进程的不断加快，污染物排放量逐步增多，水资源受到了严重污染。全市2013年43条河流水质85%以上为V类水或劣V类水，其中V类水占14.4%，劣V类水占72.7%。水污染的加重致使少部分地区出现了水质性缺水的情况，使得水资源短缺更为严重，已经成为影响和制约天津市可持续发展的主要因素。因此，及时进行水污染的防治，阻止水污染产生进一步的恶化是保证天津市可持续发展的前提。

水污染的防控问题涉及人口、社会、经济、环境等诸多因素。因素自身不断发生动态变化，因素之间也不断的相互作用、相互反馈，从而构成了一个多变量、多层次的复杂系统。对于这样的系统，只考虑某一方面，采用单一的方法来研究显然具有局限性。而能够处理高阶次、非线性、多回路的反馈系统的系统动力学，是进行此类研究的有力工具。

系统动力学（简称SD—system dynamics）由美国麻省理工学院的福瑞斯特（J.W.Forrester）教授于1956年提出，是一门基于系统方法论、信息论、反馈理论、控制理论和计算机模拟技术交叉学科。它以定性分析为先导，定量分析为支持，两者相辅相成，借助计算机模拟技术来分析研究系统内部与其动态行为的关系，模拟系统的发展趋势，进行中长期的预测，从而寻觅解决问题的对策。国内众多学者利用系统动力学模型对水污染进行了许多研究，陈雪等利用系统动力学构建阿什河流域水污染控制规划模型，但仅仅只对模型进行了有效性检验并未进行进一步分析和预测；秦翠红等构建三峡库区流域水污染仿真模型，并设置了4种发展方案进行模拟分析；荣绍辉等建立了许昌市水污染控制系统模型，模拟污染物排量和河流水质之间的联动关系；李阳等以南京市为例，对水污染问题进行仿真研究，提出绿色GDP核算体系。但可以看出，以往的研究主要是集中在流域地区和南方城市，而专门针对北方严重缺水型城市的水污染系统动力学研究尚不多见。而且以往大家对天津市水资源的研究，大多是应用系统动力学从供需情况方面去对水资源承载力进行研究，或者只对天津市水污染进行定性分析。

因此，本文根据系统动力学的理论和方法，对天津市水污染情况进行模拟仿真，通过不同的系统行为和趋势模拟，得到天津市水污染控制模拟的最佳方案，为天津市水污染防控提供一定的理论依据，也可为其他资源型缺水城市的水污染防控提供借鉴。

1、天津市水污染系统动力学模型构建

本文采用Ventana系统公司创建的Vensim DSS软件来进行天津市水污染系统动力学模型的构建，分析水污染系统结构，确定变量间的关系以及相应的取值，用图形化编程建立模型并进行模拟，对模拟结果进行有效性检验后，对比不同的发展方案下水污染的防控情况，找出最佳方案。

1.1 系统边界的确定

根据天津市水污染现状特征和相关资料数据的可得性及准确性，分析影响水污染各因素间的相互关系，确定模型系统的边界为整个天津市。模拟时段为2005年至2020年，步长为1年，以2005年为基准年构建天津市水污染系统动力学模型，以便于能完整地反映天津市水污染情况。

1.2 模型子系统划分

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，工业废水的排放等。概括来说，天津市污染来源主要是生活污水、农业污水、工业污水，由此将天津市水污染系统划分为四个子系统：人口子系统、农业子系统、工业子系统、污染子系统。模型结构见图1。

人口子系统

人们在生产生活中不仅消耗水资源，还会产生污染物。天津市人口数量直接决定本市生活污染物排放量。选定总人口数为人口子系统的流量变量，其存量主要受出生率、死亡率和机械增长人口的影响。由于总人口包括城镇人口和农村人口，但城镇人口和农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异，因此城镇化率的高低也会影响水资源的污染的情况。

农业子系统

农业子系统主要包括种植业和畜禽养殖业两部分，这两部分也正是农业面源污染的主要来源。结合天津市具体情况，本系统选取农田面积、猪养殖数量、牛养殖数量、羊养殖数量和家禽养殖数量为状态变量。这些变量主要受到农田面积变化率和各畜禽养殖变化率等因素的影响。

工业子系统

工业生产过程中所形成的污水和工业污染物是工业污染的重要两个部分，该子系统中选取工业增长值为流位变量，以工业增长值变化量为流率变量，结合工业万元产值废水排放量和工业万元产值污染物排放量来确定工业子系统中的废水和污染物排放量。

污染子系统

污染子系统由生活污染、农业面污染和工业污染三部分组成，这三部分分别对应人口、农业子和工业三个子系统。在此基础上，结合污水处理能力所带来的污染物消减量，得到污水和污染物的最终结果。考虑到天津市河流水质现状，确定污染子系统主要关注的变量为COD、氨氮、污水排放量。

1.3 模型参数选取

本文建立的系统动力学模型中状态变量有总人口数、工业增加值、耕地面积、四类畜禽养殖数量；控制变量有INTIAL TIME、FINAL TIME、SAVEPER、TIME STEP；变量方程包括基本运算函数、延时函数以及表函数；参数计算采用算数平均法、回归分析、灰色系统预测模型等方法来计算。数据来源：2005年—2015年的《天津市统计年鉴》、《天津市水资源公报》、《中国统计年鉴》、《中国环境统计年鉴》、《2008-2020年天津水系规划》、《天津市水资源与水环境综合管理规划的研究编制》、《第一次全国污染源普查城镇生活源产排污系数手册》、《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数与排污系数手册》、《第一次全国污染源普查农业污染源肥料流失系数手册》等。

1.4 模型有效性检验

构建模型后必须要进行检验来验证模型构建的正确性，进而确保模型的运行结果与实际系统行为相符合。系统动力学有效性检验方法一般有直观检验、历史检验、运行检验和灵敏度分析几种。本文采用历史检验的方法来验证模型的有效性，就是通过比较模型的仿真值与历史统计的实际值，以验证拟合度的好坏来判断模型的有效性。选择本模型中总人口数、工业增加值、生活产生的污水、COD、氨氮排放量和工业产生的污水、COD、氨氮排放量这八个变量的模拟值与真实数据进行对比，检验结果见表1。所有变量相对误差均未超过10%，其中最大误差率为6.24%，说明该模型的仿真结果和历史实际值拟合度较高，可用于天津市水污染趋势仿真预测。

2、方案设计及分析

天津市水污染的来源主要来自生活、工业和农业三个方面，要想调控天津市的水污染，应该从这三个方面去考虑，因此选取城镇化率、工业增加值变化率、城镇生活、农村生活、工业、畜禽养殖COD和氨氮排放系数等作为决策变量。通过改变不同的决策变量得到不同的方案，进而模拟出天津市水污染趋势的动态变化；通过对不同方案模拟出的结果比较，找寻最优方案。

2.1 方案设计

方案1：维持现状型。保持现有参数不变，按照现有发展趋势自由发展，所有决策变量维持2014年现状，不采取进一步的污染控制措施。该方案能反映政策在不发生变化情况下的发展趋势，其结果可以作为其他方案的对比参考。

方案2：生活源消减型。该方案让天津市经济保持快速发展，主要从控制总人口数和提高水污染处理两个方面考虑。在十三五期间，推进国家新型城镇化，根据《天津市国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》，到2020年，天津市常住人口控制在1800万人以内，城镇化率将达84%。天津市城镇生活污水和污染物处理率在原有的基础上进一步提高，到2020年达95%以上，并及时发展农村生活污水的处理工作，到2020年达60%，从生活源方面降低水污染。

方案3：工业源消减型。该方案中让天津市经济保持10%的速度发展，设定工业增加值增长率为10%，通过将工业用水重复利用率由92.8%进一步提高到95%以上，万元工业增加值耗水量降低到7立方米，并且随着城市污水处理厂或工业集聚区的污水处理厂的兴建，大大提高了工业废水集中处理的比例，从而降低工业污染物的排放。

方案4：点源消减型。结合方案2和方案3，在保持经济继续发展的同时，一方面降低生活污染源、工业污染源点源污染的排放，一方面增强污染物的处理。

方案5：：农业面源消减型。该方案主要从农业污染源思考，通过降低化肥和农药的使用量，以有机肥代替，使得耕地COD和氨氮的排放量降低10%；通过采用不同的饲养方式或畜禽粪污处理方式降低畜禽养殖业污染物造成的污染。以饲养生猪为例，当采用干清粪的清粪工艺时，每只育肥生猪COD的排放量为30.78克/天；当采用水冲清粪的清粪工艺时，每只育肥生猪COD的排放量为281.35克/天。由此可见，粪污处理方式会影响畜禽COD排放量的高低。

方案6：点源面源结合消减型。该方案在方案4的基础上，增加对农业污染面源的考虑，主要从耕地污染物和畜禽养殖污染物的消减的方面去思考。

2.2 方案模拟分析

将以上六种方案下的决策变量取值输入天津市水污染控制系统中进行模拟，得到不同方案下污水排放量，COD排放总量及氨氮排放总量的运行结果如表2和图2-4所示。

由图2可知，天津市污水排放总量在六種方案下不断增加，原因是因为这六种方案下都以保持了经济发展为前提，但是在不同的方案下，污水排放增加量不同。由图3和图4可知，天津市COD和氨氮排放总量在不同的方案下，有增有减，说明不同的方案设计对污染物的排放有截然相反的影响。

如果按照方案1维持现状发展，在保持经济继续发展的前提下，天津市的污水排放总量以及COD和氨氮排放量迅速增加，增加率分别为27.8%、15.3%、24%，天津市的水污染程度将不断恶化。方案2、方案3和方案5分别从生活源、工业源和农业源方面去调控天津市的水污染。在方案2的发展形势下，天津市COD及氨氮排放总量都不断减少，但污水排放的增加率较高，说明生活源对COD和氨氮排放起约束作用；在方案3的发展形势下，污水的排放增加率为这三个方案中最低，但COD和氨氮排放量却不断增加，说明工业源对污水排放起的约束作用较大；在方案5的发展形势下，COD的排放总量不断减少，但污水和氨氮的排放量不断增加，且增加率较高，说明农业污染源也对COD排放起约束作用。由此可见，为了改善天津市水污染情况，仅仅靠单一的手段去调控是远远不够的，必须要考虑多个方面。

结合方案2和方案3，得到方案4，从点源污染对天津市水污染进行调控，起到的作用比较明显。在保持经济快速发展的前提下，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的基础上再考虑农业面源污染，降低耕地和畜禽养殖污染的排放，得到方案6。从点源和面源两个方面去调控，污水排放量增加率为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的结果相近，但COD和氨氮排放量的削减率都远高于方案4的结果。因此，方案6可以作为天津市水污染调控最优方案。

3、建议

通过建立天津市水污染模型并与对模型运行结果进行分析，对天津市水污染调控提出以下几点建议：

3.1 天津市的水污染控制不能仅用单一的手段去调控，应该要从生活源、工业源、农业源三个方面去综合考虑，从点源污染和面源污染两个方面共同去制约水污染的加重。

3.2 对于点源污染调控来说，应该尽快开展农村生活污水的处理工作，提高生活污水的处理率；可以在保持经济快速发展的同时紧抓工业企业污染达标工作，加大工业源污染的控制水平，提高工业用水重复利用率和工业废水集中处理的比例，协调经济发展和水环境治理保护。

要重视农业面源污染产生，由模拟结果可知，在点源污染防控基础上考虑农业面源污染的防控，能使COD和氨氮排放量分别再降低19%和5%。由此说明，加大对农业污染治理的重视能在水污染防控上取得较好的效果。

3.3 对于农业面源污染调控来说，要加快建设生态农业体系建设，限制化肥农药的使用，以环保型肥料代替；建造畜禽粪污无害化处理设备，防止相关污染物的流水对水体造成污染。

参考文献：

[1]王其藩. 系统动力学[M].北京：清华大学出版社，1994.

[2]陈雪，刘光有. 系统动力学在阿什河流域水污染控制规划中的应用[J].环境科学与管理，2010，35（5）：73-76.

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[4]荣绍辉，王莉等. 系统动力学在水污染控制系统中的应用研究[J].生态经济，2012，4：30-34

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