生活垃圾处理系统动力学仿真与调控

关 华，刘长玉，杨豪杰

(1.河北经贸大学《经济与管理》编辑部，河北省石家庄市学府路47号 050061；2.河北经贸大学经济研究所，河北省石家庄市学府路47号 050061；3.河北省地矿局第四水文工程地质大队，沧州市黄河东路蔡御街1号 061000)

随着我国经济与城市化的快速发展，城市生活垃圾问题愈发严重，2019年生活垃圾清运量已经达到了24206.19万t，比2010年增加了约8400万t，垃圾数量已经超出环境承载力，加之处理方式的不恰当，使我国付出了沉重的环境代价，垃圾处理成为制约城市发展的重要难题。在我国发展的初期，我国采取先发展后治理较粗放的经济发展模式，垃圾处理水平和技术相对落后，大部分进行填埋处理，多地填埋厂出现饱和现象，造成“垃圾围城”。习总书记在2005年提出“绿水青山就是金山银山”的发展理念，2020年10月召开的党的十九届五中全会再次强调建设人与自然和谐共生的现代化，强调“全面提高资源利用效率”，针对当前的垃圾现状，国家在发展过程中提出应对生活垃圾进行分类，通过垃圾分类来提高垃圾处理工作的质量和水平。在此背景下，如何采取措施，推动生活垃圾资源化、减量化、无害化处理，是建设美丽城市和提高人民生活水平亟待解决的问题。

1 文献综述

系统动力学由麻省理工J.W.Forrester教授创造，目前被广泛应用于经济、管理、社会、环境等诸多领域。学者们将系统动力学应用到城市垃圾管理中，研究多以垃圾产生和处理为关注点，研究角度更为宽泛，将微观层面上居民的个人行为纳入到系统中，主要包括以下三方面的研究。

第一，利用现有的人口、经济数据对城市生活垃圾产量和处理情况进行预测。张蕾预测了深圳市的垃圾产生系统，将垃圾产生分为居民生活垃圾、企事业单位垃圾和商业垃圾[1]。Khatib和Eleyan等以纳布卢斯为例，以人口为主要的影响因素，利用系统动力学对发展中城市的垃圾产生和处置成本进行了预测[2]。唐睿等学者构建人口、经济、垃圾产生子系统，预测厦门市的垃圾产量[3]。近几年，有学者将垃圾分类环节考虑进垃圾处理系统中，Wang以天津2006-2017年数据为例，建立系统动力学用以评估废物分类对社会经济、环境和资源方面的影响，其研究得出随着分类率的增加，社会效益和经济效益都会提高[4]。陈雪萍以分类收集环节为主体建立了垃圾处理过程因果回路图，遗憾的是并没有建立相应的流量存量图和系统仿真[5]。

第二，研究个体行为在垃圾处理系统中的作用。Ulli-Beer考虑了个人行为因素，对德国特定区域的激励政策驱动与个人选择的相互关系进行研究[6]。

侯燕等基于计划行为理论，通过系统动力学建立垃圾产生模型，在模型中纳入了居民的个人行为和个人基本情况，研究认为源头减少垃圾产生才能减少垃圾带来的危害[7]。陶立等将计划行为理论与系统动力学结合起来应用，将居民垃圾分类行为与垃圾减量化联系，建立系统动力学模型[8]。

第三，非正式回收行为在垃圾处理中起到了一定的影响。Velez构建了哥伦比亚其中一个城市的固体废物管理系统，研究分析非正式垃圾拾荒者的作用，认为非正规回收在垃圾管理起到了积极作用[9]，佟贺丰、杨岩从经济、社会和环境的大视角出发，在分析和解决城市生活垃圾问题的过程中,研究了回收过程中的非正式就业问题，垃圾分类处理中会出现三次回收行为，第一次是生产环节的非正式回收，第二次是清运环节的非正式回收，第三次是在垃圾进入处理环节前的回收[10]。

以上研究多是通过生活垃圾产生、收集和垃圾处理几个环节建立整个垃圾处理系统，很少将分类环节纳入系统中。文中在已有研究基础上考虑垃圾分类对整个系统带来的作用，将政府投入的市政固定资产投资额和垃圾处理投资额、居民分类意愿等指标纳入系统，分析政策调控和居民态度对垃圾处理系统产生的影响。

2 垃圾分类处理的系统动力学模型构建

2.1 数据来源

文中将运用VENSIM软件，构建垃圾处理的系统动力学模型，通过仿真模拟及量化分析，分析垃圾处理的全过程。构建的系统动力学模型模拟区间为2010-2025年，仿真步长设置为1年，仿真的时间为2010-2019年，2020-2025年为预测期，利用建立的系统动力学模型对预测期内的城市生活垃圾产生量、垃圾分类收集量、再生资源回收量等进行预测，并根据调控方案提出相关对策建议。系统变量数据主要来自《中国统计年鉴》和《中国环境统计年鉴》，垃圾分类回收利用率、市场回收率、市场回收价格等垃圾相关数据因难以完全统计，文中参考已有文献和相关网站数据整理计算得出。

2.2 因果回路图

城市生活垃圾资源化处理是复杂系统，包括产生、分类收集、回收利用和处理多个环节。经济发展和人口增加是垃圾产生的最直接影响因素，垃圾产生量会影响清运、再生资源回收、垃圾处理量等后续环节，垃圾最终的处理效果影响着城市环境，城市环境反过来影响经济发展和人口总量，垃圾处理系统形成一个完整的链条,相互关联、相互制约[11]，城市生活垃圾处理系统动力学模型因果回路图如图1所示。

图1 城市生活垃圾处理系统动力学模型因果回路图Fig.1 Causal loop diagram of dynamic model of MSW treatment system

垃圾处理系统动力学模型可以分为6条反馈路径。

以上回路均为正反馈回路，各个回路中指标相互关联，相互影响。在回路(1)中，经济发展带动人口增加，促进人均消费支出和垃圾产生量增加，垃圾收费额会随着垃圾产量的增加而上涨，垃圾收费额上涨可以激发公众的环保意识促成垃圾分类回收率将进一步提高，垃圾分类有益于再生资源回收利用，回收量增加使城市得以环境改善，政府用于环境污染治理投资将会减少。在回路(2)，(3)，(4)中，随着政府垃圾处理投资额的增加、垃圾管理相关制度的完善，垃圾清运、处理的技术与体系日渐成熟，垃圾分类和回收再利用比例会逐渐提高，垃圾分类回收、可回收资源循环利用以及市民对于城市环境和垃圾的观念都会受到影响。在回路(5)和(6)中，城镇基础设施投资增加，政府利用基础设施方面的完善、改造，例如增加分类垃圾回收设施、完善垃圾循环再利用渠道的措施，促进居民环保意识提升，政府增加相关的投资力度可以有效减少不必要的生活垃圾产生。

2.3 流量存量图

采用VENSIM软件建立流量存量图,将模型分为人口、经济、垃圾产生、垃圾分类收集、再生资源回收和垃圾处理6个子系统，子系统间关系如图2所示。经济和人口共同影响垃圾产生量，居民是垃圾产生的主体，由于非正式回收行为，垃圾产生后一部分可再生资源直接进入回收市场，剩余垃圾进入收集和清运环节[12]，未来的垃圾将分类投放，因此将垃圾清运环节重新定义为垃圾分类收集环节。在集中收集后可回收资源进入回收市场，不可回收垃圾进入垃圾处理环节，目前我国垃圾处理方式仍以焚烧、填埋和堆积为主。

图2 垃圾分类处理系统Fig.2 Garbage classification and treatment system

2.3.1 人口子系统模型

人口总量取国内城市人口和境外来华旅游人口总和，二者共同影响垃圾产生量。国内城市人口的增加率取历年平均值，平均增加率为2.7%。随着交通条件的便利和城市化发展，境外人员来华旅游数量逐年增多，据国研网统计入境过夜游客平均停留时间为7d，计算得到初始值人数，来华游客增加率为历年平均值0.9%。

2.3.2 经济子系统

GDP是衡量经济发展水平的主要指标，GDP总量为状态变量，GDP增长量为速率变量，GDP增长量=GDP总量×GDP增长率，人均GDP=GDP总量/总人口。经过计算得知近十年人均收入为人均GDP的62%，人均收入与人均消费支出的关系为人均消费支出=1783.1+0.615×城镇人均可支配收入。Daniel研究美国卡罗来纳州的人均垃圾日产生量，研究发现人均消费性支出提高1000美元，生活垃圾人均日产生量增加0.15kg，基于此，建立人均消费支出与人均日生活垃圾的表函数。

2.3.3 垃圾产生子系统

统计年鉴只有垃圾清运量数据，而实际垃圾产生量大于垃圾清运量，文中通过人口、经济发展和人均垃圾产生量建立垃圾产生子系统，得到垃圾产生量，我国垃圾人均日产生量在1～1.2kg。当前垃圾收费模式是按户每月收取固定费用，垃圾收费政策会引起公众对垃圾问题的重视，政府利用城镇基础设施投资可以改造垃圾相关基础设施，有助于提升居民环保意识，减少垃圾产生。

2.3.4 垃圾分类收集子系统

垃圾分类收集主要受垃圾收集率、垃圾回收利用率、居民垃圾分类意愿以及资源回收价格的影响。我国有大量拾荒者，非正式回收行为较多，垃圾收集率为70%～100%。生活垃圾回收利用率是检验垃圾分类工作成效的重要指标，《关于进一步推进生活垃圾分类工作的若干意见》提出2025年全国城市生活垃圾回收利用率将达到35%以上的要求，文中将此指标纳入垃圾分类收集子系统，但基于我国垃圾处理的特殊性，相关数据不可获取，文中参考周传斌等学者测算出的城市生活垃圾回收利用率[13]。居民的分类意愿影响垃圾分类能否顺利开展，回收意识将直接影响回收行为，上海交通大学民意与舆情调查研究中心每两年发布《中国城市居民环保态度行为调查报告》报告显示，2019年居民分类意愿达到94.6%，随着教育宣传的普及，居民分类意愿会持续提升。资源回收价格也是重要的影响因素，再生资源回收价格上涨，会使更多的可回收资源在收集清运之前就被回收到回收市场，减少了收集和运输环节可回收垃圾量。按户每月收取固定费用的垃圾收费模式对垃圾收集和再生资源回收影响不大，因此不再考虑其影响。

2.3.5 再生资源回收子系统

生活垃圾中再生资源以废纸、塑料、金属、织物、玻璃五类为主，均可以进入回收系统加工再利用，回收再加工利用能够较大程度地节约资源、保护环境，文中将佟贺丰[10]提出的第二、三次回收行为合并，第一次回收的回收率称为再生资源回收率1，第二、三次回收行为合并后的回收率称为再生资源回收率2，整个处理过程总共经过两次回收行为。资源回收率数据不可获取，但此指标对资源回收子系统具有重要作用，因此根据Wind数据库资源回收量数据与实际情况进行推测得出资源回收率1与资源回收率2。生产环节的资源回收率即资源回收率1为15%，垃圾清运和投入处理前的回收率即资源回收率2为21%。资源回收价格越高，会有越多的资源流入回收市场，因此资源价格与回收量成正比。

2.3.6 垃圾处理子系统

垃圾处理主要受垃圾收集量和无害化处理率影响，随着近几年垃圾问题越来越得到重视，垃圾处理投资额逐年增加，推动垃圾清运、处理的技术与体系发展完善，对垃圾处理提供了积极的影响[14-15]。

城市生活垃圾分类处理系统动力学模型流图如图3所示。

图3 城市生活垃圾处理系统动力学模型流图Fig.3 Dynamic model flow diagram of MSW treatment system

3 结果与讨论

3.1 自然趋势结果与分析

3.1.1历史趋势检验

在仿真过程中，通过VENSIM软件，模拟全国垃圾分处理系统运行情况，得到2010-2019年垃圾清运量、垃圾处理量等部分指标的仿真值、实际值及误差值，如表1所示。

表1 主要变量的历史数据、模拟值与相对误差

表1列出了部分变量的历史数据及模拟数据,将历史数据与软件运行的模拟数据比较,最大的误差出现在2010年的历史清运量，相对误差为5.78%，最小的相对误差为0%，所有数据的相对误差都在10%以内，证明该模型正确适用，可以用来对垃圾处理系统进行分析。

3.1.2 系统结果分析

VENSIM软件可以对研究对象未来一段时间内的发展趋势进行预测，垃圾处理系统城市人口、经济总量的仿真结果进行分析如图4所示，城市人口总量和经济总量都呈现持续性增加态势，图4为2010-2025年城市人口总量变化趋势，图5为我国2010-2025年经济总量变化趋势。

图4 城市人口总量模拟结果Fig.4 Simulation results of total population

如图4显示的仿真结果所示，城市人口总量在预测期内呈平稳增加状态，到2022年城市人口总量为96899万人，2025年将达到106174万人，按照当前的趋势，2025年的城市人口总量接近2010年的1.6倍，现阶段的发展趋势符合政府宏观预期。在此种背景下，优化人口结构，提高人口素质就格外重要，政府要适时出台政策，对垃圾产生的主体进行管理，优化人口结构。图5为我国2010-2025年的GDP发展水平，由图5可见，到2025年GDP总量将达到1133960亿元。当前我国经济已基本从新冠疫情带来的影响中恢复，未来几年将稳中向好的态势发展。按照当前我国人口和经济发展的趋势，提升人口素质是我国人口发展战略中的重要内容，在环境保护中，提升公众环保意识的重要性日益凸显。我国2010-2025年垃圾产生量、收集量、回收量、处理量模拟结果见图6。

图5 经济总量模拟结果Fig.5 Economic aggregate simulation results

图6 垃圾产生量、收集量、回收量、处理量模拟结果Fig.6 Simulation results of garbage production, collection, recycling and treatment

如图6所示，垃圾产生量在2010-2025年一直是长期持续增长趋势，垃圾产生量在2010年为21695.19万t，2019年已经达到28126.01万t，按照这种趋势，2025年将达到33106.35万t，超出2010年的1.5倍，垃圾产生量巨大，将会对环境产生恶劣的影响。随着社会各界对垃圾问题的重视程度加深，基础设施、相关法律体系的完善和垃圾无害化处理的技术、设备升级，垃圾收集量和无害化处理量增加，到2025年垃圾收集率和垃圾无害化处理率可以达到100%。城市居民生活垃圾中的再生资源回收行为存在于多个环节，涉及多个部门，部门之间跨度较大，很难进行完全统计，通过回收率、回收价格对资源回收量进行预测，资源回收量呈持续上涨的趋势，2010年的生活垃圾再生资源回收量为6668.678万t，随着垃圾收集率和回收价格的上涨，回收量将在2025年达到12775.30万t，接近2010年的2倍，2010年的资源回收量为垃圾产生量的25%，2025年资源回收量为垃圾总产生量的35%，资源回收量占比增加10%，垃圾分类的目的是提高资源回收率，从结果上看垃圾分类起到了一定效果。城市生活垃圾中包括了大量的可回收资源，这些资源经过回收再加工可以二次利用，市场的作用体现在资源回收环节，随着回收价格的上涨，资源回收行为会更加普遍，资源回收率会进一步上升。

3.2 调控结果与分析

调控中涉及市场、政府、居民3个变量，分析变量对垃圾分类回收量带来的影响。

方案一：提高市场回收价格。由于非正式回收的存在，垃圾收集量会受到资源再生回收市场的影响，回收价格下降，非正式回收行为减少，垃圾收集量会有所提升，而回收价格上升，非正式回收行为增加，垃圾产生环节就会有大量的可回收资源转向回收市场，进而减少垃圾收集量。

方案二：提高垃圾收费价格。分析经济政策对垃圾产生量的影响，当前的垃圾收费费用，垃圾收费政策能在一定程度上将增强公众的环境意识。

方案三：提高居民的垃圾分类意识。在原本的基础上进行上调，分析对垃圾收集量带来的影响。随着垃圾分类的进行，政府进行多种形势的宣传，居民对分类的接受程度会逐渐提升，垃圾分类意愿的提升会增加垃圾分类的行为[16]。具体的结果如图7所示。

图7 垃圾清运量方案调控模拟结果Fig.7 Simulation results of garbage collection volume scheme regulation

如图7、图8所示，垃圾清运量方案调控模拟结果中再生资源市场回收价格引起的变化最显著，2025年回收价格调控方案得到垃圾清运量为30117.9万t，与最初方案相比变化率为6.2%，垃圾收费额调控方案收集量为30752万t，垃圾分类意愿调控方案为32113.16万t，回收价格变化产生的影响最为明显。图8垃圾无害化处理方案调控模拟结果中价格回收调控方案引起的变化依然最大，其次是垃圾收费调控引起的变化，最后是垃圾分类意愿变动引起的影响。2025年回收价格调控方案中垃圾处理量为30920.7万t，垃圾收费额和分类意愿调控结果分别为31403.8万t和31965.8万t，与最初建立的模型相比变化率分别为3.05%，1.4%和0.32%。以上两个环节均显示市场在系统运行中发挥了巨大的作用。垃圾处理系统涉及多个主体，政府在管控时要发挥多主体的作用，引入市场机制，让价格机制发挥作用，同时加大宣传教育，推动公民参与其中[17]。

图8 垃圾无害化处理方案调控模拟结果Fig.8 Simulation results of the control of garbage harmless treatment scheme

4 结语

垃圾处理问题不但影响了居民的身体健康，同时制约了城市的可持续发展，如何有效解决此问题成为各界关注的焦点。人口、经济、垃圾产生、分类收集、再生资源回收、无害化处理共同组成了垃圾处理系统，文中通过VENSIM软件建立垃圾处理系统的因果回路图和流量存量图，通过调整模型中垃圾收费额、再生资源回收价格、居民分类意愿3个参考变量，运行系统模型得到3个不同的数据，将其与原有仿真数据进行比较，得出适合我国垃圾处理的政策措施。

按照模型中的运行结果分析2010-2025年生活垃圾相关变量的发展趋势，人口总量和经济总量带动生活垃圾产生量的增加，政府要出台政策，对人口、经济发展速度予以调整优化，通过提高人口素质、发展循环经济、提升公众的环保意识等措施能很大程度避免环境问题。模拟结果中产生总量、分类收集量、回收量、无害化处理量等变量都呈现持续性增加趋势，2010年的资源回收量为垃圾产生量的25%，2025年资源回收量为垃圾总产生量的35%，由此得知垃圾分类起到了一定效果，垃圾分类是需要长期坚持的政策，政府要大力推行垃圾分类政策，通过垃圾分类促进垃圾资源化、无害化、减量化。除落实垃圾分类政策外，市场在垃圾处理中的作用不可忽视，垃圾管理中要有效利用经济手段，利用市场价格推动可再生资源的回收再利用，健全循环回收体系，提高可回收利用率，还要通过技术进步、健全处理体系等手段提高我国的无害化处理技术，采用多种手段解决垃圾处理难题。

垃圾分类涉及的环节较多，需要结合实际情况考虑多个变量，模型中涵盖的主体包括政府、市场、公众，政府在整个系统中发挥宏观调控作用，通过制定完善适用的政策进行垃圾治理，市场运用价格机制引导垃圾市场，公众提高环保意识和参与的主动性积极性，政府、市场、公众应共同发力营造多元主体共同参与的治理环境解决垃圾问题。