（环境工程专业论文）天津市水资源系统动力学模型的研究.pdf

中文摘要 随着经济社会的快速发展、人口过度膨胀和水环境污染的加剧，水资源危机 已经成为许多国家社会、经济可持续发展的瓶颈，如何处理好水资源与人口、经 济与环境可持续发展之间的关系，成为全社会普遍关心的热点问题。本文根据天 津市水资源系统是一个巨型复杂非线性系统的特点，运用系统动力学方法，从系 统结构入手，充分考虑了人口、经济、资源和环境等因素，构建天津市水资源系 统动力学模型，成功实现了对未来水资源利用情况的模拟及预测；结合可持续利 用指标体系，研究不同方案下水资源的可持续利用能力，实现了方案选择的定量 化，提高了决策的科学性，并为实现水资源的可持续利用提出了一系列政策性建 议。 首先，通过收集历年统计资料，详细的分析了天津市水资源和水环境现状， 并从中总结出天津市水资源开发利用中存在的问题。 其次，通过对天津市水资源系统的系统分析，利用v e n s i m 软件开发了天津 市水资源系统动力学模型，并以2 0 1 0 和2 0 2 0 年为研究的水平年，模拟了常规发展 模式下天津市生活、生产和生态的需水量和可供水量及供需平衡情况。结果表明， 按常规发展模式，天津市水资源将出现严重不足，难于支撑天津市社会经济的长 远发展。 再次，根据常规发展模式下水资源匮乏问题及系统动力学灵敏度分析结果， 选择对系统影响较大的参数做为主要的调控变量，设计出五种对比方案；构建推 荐方案选择的水资源可持续利用指标体系，运用层次分析法( a h p ) 确定各项指 标的权重，通过系统动力学模型来模拟不同方案下水资源可持续利用综合指标值 的变化并对其进行分析评价，得出方案五为天津市水资源可持续利用的推荐方 案，并对该方案的实施效果进行了模拟；结果表明，通过节约用水、污水治理和 产业结构调整等主要措施，天津市水资源可持续利用综合指标值比常规发展模下 的现状方案平均提高了7 ，水资源供需比平均提高2 3 ，水污染比平均降低了 4 0 。 最后，根据研究结果，为了保障天津市水资源可持续利用，实现社会经济的 可持续发展，在今后应该加大节水力度和治污投资，并采取相应措施确实保证节 水的执行和水环境的改善。 关键词：天津市水资源系统动力学模型可持续利用 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ti nt h ee c o n o m i ca n ds o c i a lp r o g r e s s ，t h ep r o b l e m so f w a t e rr e s o u r c e sh a db e c o m er e s t r a i n t sa n d ”b o t t l en e c k a g a i n s tt h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n ds o c i a lp r o g r e s s h o wt op r o p e r l yh a n d l et h e r e l a t i o n sb e t w e e nw a t e rr e s o u r c e sa n ds o i lp o p u l a t i o na sw e l la sb e t w e e ne n v i r o n m e n t a n ds u s t a i n a b l ee c o n o m i cd e v e l o p m e n th a db e c o m eaf o c u so fs o c i a lc o n c e m u n d e r t h en o n l i n e a ra n df r o ms y s t e ms t r u c t u r e ，t h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tm o d e lh a db e e n e s t a b l i s h e di nf o u rs u b - m o d e l sw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no fp o p u l a t i o n ，e c o n o m i c s ，w a t e r r e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t b a s e do nt h em o d e l ，w es i m u l a t e dt h ep r o g r e s so fw a t e r r e s o u r c e ss y s t e mi nt h ef u t u r e t h ea s s e s s m e n ti n d e xs y s t e mo fw a t e rr e s o u r c e s s u s t a i n z b l eu t i l i z a t i o nw a ss e tu pt os e l e c tt h eb e t t e rp l a nf r o mf i v es c h e m e sa n ds o m e s u g g e s t i o n sw e r ep r o p o s e dt or e a l i z et h es u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s f i r s t l y ，t h ep r e s e n ts t a t u so fw a t e rr e s o u r c ea n dw a t e re n v i r o n m e n ti nt i a n j i nw a s i n v e s t i g a t e di nd e t a i l b a s e do nt h i s ，t h em a i np r o b l e m si nt h ew a t e re x p l o i t a t i o na r e s u m m a r i z e d s e c o n d l y ，b a s e do nt h es i m u l a t i o nt o o lv e n s i m ，t h ew a t e rr e s o u r c es y s t e m d y n a m i c sm o d e lw a ss e tu pa f t e rs y s t e ma n a l y s i st os i m u l a t et h ep r o g r e s so ft h ew a t e r r e s o u r c e ss y s t e ma n dp r e d i c tt h ei n s t a n c eo fw a t e rs u p p l ya n dd e m a n d t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs e n s i t i v i t ya n a l y s i si nt h ew a t e rr e s o u r c e ss d m o d e l ，f i v ec o m p a r a t i v es c h e m e sw e r ed e s i g n e d t h ea s s e s s m e n ti n d e xs y s t e mo f w a t e rr e s o u r c e ss u s t a i n b l eu t i l i z a t i o nw a ss e tu pa n dt h ef a c t o rw e i g h tw e r ec o n f i r m e d b yt h em e t h o do fa h et h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dp r o c e s s i n go ft h es i m u l a t e dv a l u e s ， t h eb e t t e rs c h e m ew h i c hi sp r o p i t i o u st ot h es u s t a i n i n gu t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s w a st h ef i f t hs c h e m e t h ew a t e rr e s o u r c e ss u s t a i n i n gu t i l i z a t i o ni n d e xv a l u ec a nb e i m p r o v e db y7 c o m p a r i n gw i t ht h ec u r r e n ts t a t u s ；t h er a t i oo fs u p p l ya n dd e m a n d c a nb ei m p r o v e db y2 3 ：t h er a t i oo fw a t e rp o l l u t i o nw i l lf a l lb y4 0 a tl a s t ，b a s e do nt h er e s u l t ，w es h o u l di n c r e a s et h ed e g r e eo fs a v i n gw a t e ra n d e n h a n c et h es e w a g et r e a t m e n tr a t e k e y w o r d s ：t i a n j i nc i t y , w a t e rr e s o u r c e s ，s y s t e md y n a m i c sm o d e l ，s u s t a i n i n g u t i l i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢互银彳签字隰卅年月俨 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 学位论文作者签名： 签字日期：7 唧年 互獬 i 月日 | ：“翟i ；o 咄鲤呐 鼍，：。； 导师签名：j 毒三；j ? i ”o ? ： 签字同期：棚年 f 了炫律 月 矽同 天津大学硕士论文第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 随着经济的不断发展、人口过度膨胀和水环境污染的加剧，水资源危机已经 成为许多国家社会、经济可持续发展的瓶颈，也是我国在2 l 世纪亟待解决的重 大问题。 天津市是我国四个直辖市之一，是世界性的特大城市。众所周知，我国的华 北地区是一个水资源短缺的地区，天津市更是水资源严重缺乏的地区之一。人均 本地水资源占有量仅1 6 0 e 1 1 m 3 ，加上入境水、外调水量人均水量也仅有3 7 0m 3 ， 远远低于世界公认的人均水资源占有量( 1 0 0 0m 3 ) 的缺水警戒线，属重度缺水 地区。由于海河流域水体污水和径流量比重严重失衡，致使处于下游的天津水污 染严重，水环境恶化，更加剧了缺水矛盾，水资源短缺已成为影响和制约天津市 社会、经济发展的主要因烈2 1 。 根据国家和天津市的发展战略，天津市未来将要建成北方的经济中心和现代 化港口城市，加之滨海新区的快速发展，天津市整体经济规模将不断扩大，人民 生活水平大幅度提高，城市对水资源的需求也将会有较大的增长，寻求解决水资 源紧缺与社会发展相矛盾的方法对天津市来说具有重大的现实意义。合理取水、 科学用水、强化节水是解决天津市水危机问题行之有效的方法，而实施这些办法 的关键就是加强用水的科学管理，即实现水资源的可持续利用。天津市的既定发 展目标能否顺利实现，在很大程度上取决于能否从可持续发展的高度出发，及时 制定和调整水资源的有关政策，做到合理开发、科学利用、优化配置、有效保护， 使有限的水资源发挥出最大的经济效益和社会效益，更好地为经济和社会发展服 务。因此，研究天津市水资源的可持续利用问题变得尤其重要。本课题就是在这 一背景下提出来的。 研究水资源的可持续利用，解决天津市水资源短缺问题，实现天津市水资源 可持续开发利用和天津市经济的可持续发展，对天津市在2 l 世纪的未来发展有 特殊重要的理论和现实意义。 天津大学硕士论文第一章绪论 1 2 国内外研究现状 从2 0 世纪6 0 年代起，水资源问题在全球范围日渐突出，水资源的研究工作也 越来越受到各国的重视，并成为当今重要的研究领域【3 1 。实际上，对水资源的认 识和开发利用并非始于近代。早在数千年前，人类已开始了利用地表水和地下水 的实践活动，我国则是世界上水资源开发利用最早的国家之一。早期人类在水资 源上的社会行为主要是开发利用，过度消耗，谋求社会财富的增长。水资源不被 当作资产，水资源无价或低价，加剧了水资源浪费。现代水资源不仅总量发生了 短缺，而且环境问题也突显出来。因此，现在必须节约利用、合理配置水资源， 加强对水资源保护建议，走经济、社会与环境相协调的可持续发展道路【4 1 。 关于可持续发展，公认的概念是世界环境与发展委员会( l a c e d ) 1 9 8 7 年 在我们共同的未来( o u rc o m m o nf u t u r e ) 中提出的定义【引，即指“既满足当 代人的需要，又不损坏后代人满足其需要的发展”。它有两个基本点：一是人类 要发展，必须满足当代人的需要，否则他们就无法生存；二是发展要有限度，今 天的发展不能损坏后代人满足需要的能力。这一定义包含的思想原则为世界各国 所接受和运用。 水是自然界中一切生物和生命之源，是构成环境的基本要素，是维系社会进 步和人类文明的重要物质基础。中国二十一世纪议程明确指出：“中国可持 续发展建立在资源的可持续利用和良好的生态环境基础上”。而“水资源的持续 利用是所有自然资源保护和可持续利用中最重要的一个问题”。因此，只有合理 的开发、利用、保护和管理水资源，才能为经济和社会的持续发展提供可靠的水 资源保障。根据水资源的特性，冯尚友先生提出这样的定义【6 1 ：水资源可持续利 用是在维持水的持续性和生态系统完整性的条件下，支持入口、资源、环境和经 济协调发展和满足代内和代际的用水需要的全部过程。每年的世界人口、资源、 环境大会也都特别强调了水资源的可持续开发利用问题。水资源作为各种自然资 源的重要载体，它的可持续开发利用关乎世界的可持续发展。 随着城市化进程的加快及水资源供求矛盾的日益突出，关于城市水资源利用 管理的研究，在国内外越来越受到重视，研究成果逐步增多。 国外对城市水资源的合理利用和可持续利用研究早于国内，如美国、法国、 荷兰、日本等发达国家，在各类水源的综合研究利用方面已经积累了较成熟的经 验。这些同家多年以前就已经开始研究海水利用、地下水与地表水的联合开发、 相互调剂利用等问题；分质供水技术方面，国外许多城市早在2 0 世纪初就己实 行按不同用途采取分质供水的措施，例如巴黎在1 9 世纪末就已建成饮用水的双 重供水系统，优质优用；日本的大城i 订多数建有饮用水、生活用水的分质供水系 2 天津大学硕士论文 第一章绪论 统；同时，发达国家一直在研究水资源可持续利用问题，将与水资源利用有关的 社会、经济、环境等各方面因素均考虑在内，从整个系统上不断协调和完善用水 结构【7 8 】。例如，2 0 世纪8 0 年代由v e n t a t a i n c 公司开发的兼有系统整合和优化 功能的v e n s i m 软件( 用于系统动力学模拟分析) ，现在已经运用到区域水资源可 持续利用中。 在国内北京大学侯仁之教授关于北京城市发展与水资源关系的研究可称为 我国该领域的开拓性范例；徐乾清、陈志恺从宏观上对中国城市水资源的可持续 开发利用进行阐述，提出节流优先、治污为本、多渠道开源的利用战略【9 , 1 0 ；夏 军对可持续水资源系统管理进行了研究与展望；陈家琦等对水资源可持续利用的 原理、定义与内涵的探讨，均有各自的见解 1 1 , 1 2 】。 近年来，北京大学的郭怀成教授在对过去城市水资源可持续利用研究的基础 上，引入了系统动力学理论，建立系统动力学仿真模型对水资源的供需情况进行 模拟、预测【1 3 , 1 4 】。 国内外对于城市水资源的可持续利用研究已经开展了很多年 1 5 - 1 7 】，也解决了 一些实际问题，但大部分研究集中在水资源使用的不同领域内，如在城市的供水 领域、污水领域、再生水领域、海水淡化领域等，围绕水资源可持续利用的某些 局部性、专门性问题展开，在城市社会一经济一环境复杂系统的大背景下进行的 研究尚处于探索阶段，其应用理论和方法还有待于进一步完善和补充【l8 1 。从复杂 系统理论的角度进行的综合研究，在国内外均不够成熟，缺乏有系统的研究。本 着实现代际间发展的公平性、区域间发展的公平性和社会经济发展与人口、资源、 环境间的协调性等原则，各国已经开始从系统的角度来看待和解决可持续发展问 题。 1 3 系统动力学理论在水资源研究中的应用 对水资源可持续利用的量化研究，要求把人口、经济和社会、自然资源、生 态环境作为一个动态复杂系统【1 9 】，而系统动力学则是人们研究和处理这种动态复 杂系统的有效认识和模拟实验工具。可持续发展观的形成与发展也与采用系统动 力学对此进行研究有着密切的关系。 系统动力学( s d ) 由美国j a y w f o r r e s t e r 教授于1 9 5 6 年提出 2 0 l 。它利用了 系统论、控制论、信息论来解决庞大系统的模拟问题。系统动力学仿真作为一种 研究、发展新产品、新技术的科学手段，在全球可持续发展等涉及相关宏观问题 的科研中首先发展起来，并正不断向电力、交通、水利、通讯、社会、经济等多 个领域扩展。水资源管理中也进行了大量的局部的仿真技术应用。在水资源与国 天津大学硕士论文 第一章绪论 民经济协调发展、水资源可持续利用模式、区域水资源系统仿真预测及优化决策、 水资源承载力预测、水土保持规划、节水水平评价、长距离输水工程等方面都建 立了仿真系统。 系统动力学在国外的研究应用有三大里程碑：一是两个世界模型的研制与分 析( w o r l di i ：w o r l dd y n a m i c s 和w o r l di i i ：t h el i m i t st og r o w t h 及t o w a r d g l o b a le q u i l i b r i u m ) 与罗马俱乐部一起闻名于世，走向世界；二是对美国全国系 统动力学模型的研制和对美国与整个西方国家经济长波( l o n gw a v e ) l h q 题的研究 2 1 - 2 3 ：三是运用系统动力学方法建立的世界水模型及其对世界水资源的评价应用 2 4 - 2 7 o 国内运用系统动力学方法解决水问题的研究应用也有一些成就。申碧峰 ( 1 9 9 5 ) 2 8 】以北京市为例，运用系统动力学和投入产出方法建立数学模型，融社 会、经济、水资源和环境于一个整体之中，从系统内部的微观结构着手来预测和 分析北京市水资源供需矛盾对经济发展及社会环境带来的影响，并以人机对话的 方式，支持决策者决策，实现对现行政策的跟踪和对新的发展策略的仿真模拟； 高岩春和刘昌d 凋( 1 9 9 7 ) 1 2 9 】提出合理的区域水资源开发战略是区域经济和生态环 境可持续发展的根本条件，并以汉中流域为例，通过对区域水资源系统的系统分 析，建立了系统动力学模型，并根据模型建立了不同的开发方案，最后通过对不 同方案的多目标的评价，优选出区域水资源系统开发的最佳方案和配套政策；杨 建强和罗先香( 1 9 9 9 ) t 3 0 】应用系统动力学的原理与方法，以吉林省西部平原重点农 业区乾安县为例，建立了该区水资源可持续利用的系统动力学仿真模型，经 过对政策仿真模拟对比，提出了符合本区经济发展的最佳方案：陈成鲜和严广乐 ( 2 0 0 0 ) 3 1 】运用系统动力学方法，将水资源与社会、经济、人口、环境放在一个 大系统中，引入水资源可持续发展因子，建立了我国水资源可持续发展的系统动 力学模型，研究分析了满足我国未来用水需求和保证水资源可持续发展的策略， 并对我国2 0 1 0 年水战略探析及其系统仿真模型研究年水资源可持续发展的具体 情况加以预测，研究结果还表明：系统动力学模拟可以得到难以用数学分析得到 的系统特性参数和政策调整的合理模式，是水资源可持续发展战略研究和系统运 行控制策略研究的一条可行途径。 1 4 课题研究的内容和特点 本课题的研究区域为天津市。首先，从社会一经济一环境复杂系统分析入手， 调查研究区域的社会、经济发展现状和用水情况，取得了该地区生产、生活、生 态用水结构和用水量数据以及与之相关的社会、经济等基础数据；其次，以水资 4 天津大学硕：七论文 第一章绪论 源为研究切入点，采用系统动力学方法，进行社会一经济一环境复杂系统分析， 利用v e n s i m 仿真软件建立天津市水资源系统动力学模型，应用系统动力学模型， 模拟预测社会子系统、经济子系统、环境子系统在常规发展模式下的需水量和需 水结构，并进行常规发展模式下的水资源供需平衡分析，分析影响水资源供需平 衡和水环境质量的主要因素；再次，将模型灵敏度分析辨析出的主要影响因子作 为调控变量，通过优化调整其在模型中取值，组合设计出五种对比方案，并构建 推荐方案选择的水资源可持续利用指标体系对各方案的模拟运行结果进行评价 和分析，优选出水资源利用的推荐方案，并对推荐方案的实施效果进行模拟；最 后在基本分析和对比方案的模拟研究的基础上，为天津市水资源的可持续利用提 出了政策性建议。 本课题运用系统动力学仿真模拟进行水资源利用的分析，是一种新的十分有 用的方法，也是本文的创新点所在。该方法既能做现状的趋势模拟，从而提出警 告性的预测，又能进行水资源与环境对社会经济的影响分析和水资源配置结构的 影响分析，并给出对未来的模拟。课题的研究对水资源可持续利用的进一步研究 也具有一定的意义。 天津大学硕士论文 第二章天津市水资源系统现状及存在问题 第二章天津市水资源系统现状及存在问题 本论文中水资源系统动力学模型包括了人口、经济、资源和环境四个子系统， 并以水资源主线，将各个子系统联结成有一个有机的整体。本章主要对天津市的 水资源现状、供需水结构及水环境质量进行分析和评价，以找出天津市水资源利 用现状的特点和存在的问题，深入挖掘其改进的潜力，为系统动力学模型的建立、 水资源系统的模拟预测和推荐方案的选择提供基础材料。 2 1 区域概况 2 1 1 自然地理及气候特征 天津市北依燕山，东临渤海，西靠首都北京，属华北平原东北部，位于北纬 3 8 0 3 4 7 - 4 0 0 1 57 ，东经l1 6 0 4 37 一1 1 8 。0 4 之间，南北长约1 8 9 k i n ，东西宽约l1 7 k m ， 全市辖区总面积1 1 9 1 9 7 平方公里。疆域周长约9 0 0 公里，其中海岸线长1 5 3 公 里，陆界长7 0 0 多公里。总体地势西北高，东南低，有山地、丘陵、平原、低平 海岸等四种地貌类型，平原面积占全市面积的9 4 。2 ，山区和丘陵占5 8 t 3 2 1 。 天津市气候特征主要受季风影响，属暖温带半湿润大陆性季风型气候，年内 温差较大，四季分明。春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季明朗气爽，冬季寒冷 干燥。冬季1 6 0 天左右，夏季1 0 0 天左右，春、秋季均为5 0 5 5 天左右。年平 均气温在l l 一1 4 摄氏度之间，1 月份的月平均气温最低一般在一7 摄氏度以下， 月平均最高气温出现在7 月，一般都在2 9 摄氏度以上，历史极端最高气温为4 2 7 摄氏度( 1 9 4 2 年6 月1 5 日) ，极端最低气温为- - 2 7 4 摄氏度( 1 9 6 6 年) 。多年平 均降水量由北向南递减，在7 2 0 - - 5 8 6 m m 之间。年内降水集中在七、八月份，约 占全年降水量的6 5 左右。降水量的年际变化较大，多雨年与少雨年的降水量相 差3 4 倍，因而旱、涝灾害十分突出，最近5 0 0 年中，有3 0 0 年都是早年或涝 年。春季气温回升快，多大风，蒸发强烈，但降水量只有5 0 - - 7 0 m m ，故经常发 生春旱，对农业生产有较大的不利影响。夏季不但雨量集中，而且常有暴雨，一 天或两天的雨量可达全年降水量的1 3 一l 2 。全市多年水面蒸发量平均在1 0 0 0 1 2 0 0 m m 之间，干旱指数1 6 2 0 之间，年内p l q 至六月份蒸发量最大，约占全 年的4 5 。 6 天津大学硕士论文 第二章天津市水资源系统现状及存在问题 2 1 2 社会与经济 天津市是中国四大直辖市之一，汽车及机械装备、电子、化工和冶金产业已 成为天津市的支柱产业，商贸、金融保险、交通运输、科技教育等第三产业日益 发达。国务院给天津的定位是“天津是环渤海的经济中心，要努力建成现代化的 港口城市和我国北方重要的经济中心。 天津行政辖1 5 个区、3 个县，市辖区面积7 4 1 8 平方公里，市辖县面积4 5 0 2 平方公里。其中市辖区包括：市区有和平区、河东区、河西区、南开区、河北区、 红桥区；滨海区有塘沽区、汉沽区、大港区；环城区有东丽区、西青区、律南区、 北辰区、武清区和宝坻区；市辖县包括：静海县、宁河县、蓟县。2 0 0 4 年全市 常住人口1 0 2 3 6 7 万人，其中非农业人口5 5 6 1 7 万人，占总人口的5 9 6 4 。全 市户籍人口9 3 2 5 5 万人，其中市辖区人口7 6 4 3 7 万人，市辖区县人口1 6 8 1 8 万 人【3 3 】。 2 0 0 4 年全年实现国民生产总值2 9 3 1 8 8 亿元，其中工业增加值1 4 3 6 7 3 亿元， 占生产总值的5 3 2 ，第三产业增加值1 31 4 亿元，占生产总值的4 3 2 ，按可 比价格计算，分别比2 0 0 3 年增长1 5 7 、2 1 5 和1 1 7 ；人均国民生产总值由 2 0 0 3 年的2 6 5 3 2 元增加到3 1 5 5 0 元，增长1 4 9 t 2 9 1 。天津市近十年人口和经济 状况如表2 1 和图2 1 、图2 2 所示。 表2 11 9 9 5 - - 2 0 0 4 年天津市入口及经济状况 常住人口数国内生产总值 工业增加值第三产业增加值人均国民生产总值 年份 ( 万人)( 亿元)( 亿元)( 亿元)( 元) 1 9 9 59 4 1 8 39 1 7 6 54 5 1 8 43 5 5 6 81 0 2 8 1 1 9 9 69 4 8 1 91 0 9 9 4 75 2 7 0 74 4 7 4 41 2 2 6 3 1 9 9 79 5 2 5 91 2 3 5 2 85 8 0 2 l 5 2 1 9 71 3 7 3 9 1 9 9 89 5 6 6 41 3 3 6 3 85 8 7 8 3 6 0 2 3 51 4 8 0 8 1 9 9 9 9 5 9 4 81 4 5 0 0 66 4 0 2 l6 6 7 1 21 5 9 7 6 2 0 0 01 0 0 1 1 4 1 6 3 9 - 3 67 4 7 2 87 4 5 6 51 7 9 9 3 2 0 0 l1 0 0 4 0 6 1 8 4 0 18 2 1 1 88 5 6 9 l2 0 1 5 4 2 0 0 2l 0 0 7 1 8 2 0 5 1 1 69 0 9 2 49 6 5 2 62 2 3 8 0 2 0 0 31 0 1 1 3 2 4 4 7 6 61 1 3 6 2 41 1 1 2 7 l2 6 5 3 2 2 0 0 41 0 2 3 6 7 2 9 3 1 8 81 4 3 6 7 31 2 6 6 7 l 3 1 5 5 0 注：表中数据来自天津市2 0 0 5 年统计年鉴 7 天津大学硕上论文第二章天津市水资源系统现状及存在问题 图2 1 天津市1 9 9 5 2 0 0 4 年常住人口情况 1 更 、- ， 也 o ( 9 霹 c 卜q ( g ) 物质延迟 ( h ) 信息平滑 s m o o t h 平滑 平滑 变量， 图3 2 系统动力学流图使用符号 符号的简要说明： ( a ) 流( f l o w ) 。它是系统中的活动或行为，可以是物流、信息流，分别用 2 6 天津大学硕士论文第三章系统动力学理论 实线和虚线表示。 ( b ) 流位( l e v e l ) 。流位反映系统中要素状态，例如，人口等等。流位是物 流的积累，用矩形框表示。流位的流有流入和流出之分，使流位朝着增加或减少 的方向变化。 ( c ) 速率( r a t e ) 。它用来描述系统中物流随时间变化的活动状态，例如，物 资的进库速率，人口的出生速率等等。在系统动力学中，速率变量是一种决策函 数。 ( d ) 参数( p a r a m e t e r ) 。它表示系统在一次运行过程中保持不变的量，例如， 调整生产的时间。参数一旦确定，则在同一仿真实验中就保持不变，即是一个常 量。 ( e ) 辅助变量( a u x i l i a r yv a r i a b l e ) 。辅助变量是简化速率的方程，使 复杂的函数易于理解，它是今后在d y n a m o 方程中经常使用的一种变量。 ( f ) 源( s o u r c e ) 与汇( s i n k ) 。源是指物流的来源，相当于供应点；汇是指物 流的归宿，相当于消费点。 ( g ) 物质延迟( d e l a y ) 。在系统中物质的流动、传递是有时间延迟的。所谓 时间延迟是指系统对应于某一输入，产生输出需要延迟一段时间。 ( h ) 信息平滑( s m o o t h ) 。信息平滑实质上是求变量的动态平均过程。信息 平滑具有指数加权滑动平均功能，它能平抑输入变量变化的剧烈程度。平滑时间 s t i m e 通常为常数，平滑时间越长，平抑作用越大。 3 4 2 结构方程式 结构方程式是用来定量分析系统动态行为的方程式，它应用专门的 d y n a m o ( d y n a m i cm o d e l 动力学模型编写) 语言建立方程，一般称为 d y n a m o 方程。它是由麻省理工学院有关人员为系统动力学所设计的计算机语 言，是在仿真语言s i m p l e 的基础上设计的。随着时间的推移，d y n a m o 有所改 进。d y n a m o 最大的特点是面向方程，容易使用。它不需要编程者考虑执行顺 序，程序书写比较简单，输出计算机结果的图表非常直观。 d y n a m o 方程的建立过程是通过确定对象系统的流位变量、速率变量、常 数、辅助变量等的相关关系来进行的。首先，分析各变量之间存在的函数关系， 进而建立d y n a m o 仿真方程，进行计算机仿真。d y n a m o 是采用差分方程来描 述具有反馈的社会系统的宏观动态行为，并通过对差分方程的求解进行仿真的一 种算法。d y n a m o 的对象系统是随着时间连续变化的，系统的状态变量是连续 的。 d y n a m o ( d y n a m i c mo d e l ) 是专为系统动力学模型设计的连续系统仿 2 7 天津大学硕士论文第三章系统动力学理论 真语言，具有如下功能： ( 1 ) 检验方程的逻辑。 ( 2 ) 按动态方程组数值求解的原理，对方程进行重新排序。 ( 3 ) 按用户指定的步长及仿真时间等控制命令，逐步计算，产生仿真结果。 ( 4 ) 以用户指定的形式打印所需要的输出。 ( 5 ) 用户可以根据需要，改变模型中参数重新仿真运算。 方程种类主要有： ( 1 ) 流位方程( l ) ：也称水平方程。流位是积累量，任何时刻的流位值等于前 一时刻的流位值加上仿真步长内入流率与出流率差值的累积。 ( 2 ) 流率方程( r ) ：描述流率是如何控制或影响流位的。 ( 3 ) 辅助方程( a ) ：当流率依存于流位或常量的关系相当复杂时，可将流率方 程中的一部分以辅助方程的形式单独列出辅助变量常具有独立的经济意义。 ( 4 ) 常量方程( c ) ：给模型中常量赋值的方程。 ( 5 ) 表方程( t ) ：为表函数关系赋以变量己知点数值用的。 ( 6 ) 初值方程州) ：为流位变量赋初值，设置仿真起始时刻和为必须经过计算 才能确定的常量赋值。 3 5 系统动力学建模软件 3 5 1 软件介绍 专门用于系统动力学的计算机仿真语言d y n a m o 的研制始于六十年代，美 国p u g h r o b e r t sa s s o c i a t e s 公司( p r a ) 研制了各种类型的d y n a m o 软件，对于微 机系统，在m i c r o - - d y n a m o 多年来被广泛采用之后，p r a 又研制了适于i b m 微 机系列、功能很强的系统动力学仿真软件：p r o f e s s i o n a ld y n a m o 。1 9 8 6 年该公 司推出了d y n a m o 的最新微机版本- - p r o f e s s i o n a ld y n a m op l u s ( 简称p d p ) 。 清华大学于8 0 年代末引进p d p 软件，并在全国范围内得到广泛应用。但由于该软 件是基于d o s 系统下的，对于非计算机专业人士操作起来，不易掌握。 本论文所使用的v e n s i m p l e 3 2v e r s i o n 5 4 a 软件是由美国v e n t a n as y s t e m s ， i n c 所开发，为一可视化的仿真、分析系统图形软件。v e n s i m p l e 全名为v e n t a n a s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tp e r s o n a ll e a r n i n ge d i t i o n 。县p v e n t a n a 系统动力学模拟环境 个人学习版。 v e n s i m 可提供一种简易而具有弹性的方式，以建立包括因果循环( c a s u a l l o o p ) 、存货( s t o c k ) 与流程图等相关模型。使用v e n s i m 建立动态模型，只要用图形 2 8 天津大学硕士论文 第三章系统动力学理论 化的各式箭头记号连接变量记号，并将各变量之间的关系以适当方式写入模型， 各变量之间的因果关系便随之记录完成。而各变量、参数间的数量关系以方程式 功能写入模型。通过建立模型的过程，我们可以了解变量间的因果关系与回路， 了解各变量的输入与输出间的关系，便于使用者了解模型架构，也便于模型建立 者修改模型的内容。 3 5 2v e n s i m 软件处理问题的特点 v e n s i m 提供对于模型的结构分析和数据集分析。结构分析包括原因树分析 ( 逐层列举作用于指定变量的变量) 、结果树分析( 逐层列举该变量对于其他变量的 作用) 和反馈列表。数据集分析包括对指定变量，给出它随时间的变化图，列出 数据表；原因图分析，列出作用于该变量的其他变量随时间变化的比较图；结果 图分析，列出该变量与所有它作用的变量随时间变化的比较图；并且可以将多次 运行的结果进行比较分析。运用v e n s i m 软件处理问题的一般过程如图3 3 所 示。 图3 3v e n s i m 软件处理问题的一般过程 此软件可以对模型进行概念化、分析、优化和方针，它对模型的容量没有限 制，可以处理一般用于研究的模型。其特点如下： ( 1 ) 友好的界面，易于操作，软件基于w i n d o w s 平台，而以往的系统动力学 天津太学硕士论文 第三章系统动力学理论 模拟软件大多基于d o s 平台； ( 2 ) 良好的中文支持，不必像以往的软件用英文字母代替使得模型易于读 懂： 0 ) 可以使用它快速、直观的建立模型、定义方程，省去了编程的麻烦： ( 4 ) 自动对模型进行检验，分为模型方程检验和单位检验，软件本身自带 d e b u g 功能可以提示错误位置和原因，从而提高建模的效率： ( 5 ) 强大的各种函数功能，如表函数、延迟函数等； ( 6 ) 输出数据方便，不仅可以将运算数据转存为其它格式，还可以将结构图 直接粘贴到w o r d 文档之中。 总之，v e n s i m 软件是一款非常优秀的系统动力学建模软件。 3 5 3v e n s i m 软件主要功能说明 v e n s i m 软件能够使建模过程更清晰、透明，便于操作和修改，比其他系统 动力学模型工具更为优越【4 8 】。v c n s i r a 软件操作界面及主要流图符号如图3 _ 4 所 示。 - ：l d * m- 1 1 - tm 自8 q axq 自甜瓜鬲i # 肆自e o 扣e 眄* 曲广争v 庄挂” ( w 。 ( 。) 囊# 黼书 l 呼遵 。 ( b ) 图3 4v e n s i m 软件操作界面及主要流图符号 图3 - 4 中界面的左侧为分析工具栏，可对模型进行结构分析和数据集分析 天津大学硕士论文第三章系统动力学理论 上侧从上到下依次为标题列、功能列、工具列和绘图工具列。标鹿列显示目前正 在运行的模型的名称，通过功能列可以实现建立、打开v e n s i m 模块，建立和执 行模块的模拟等目的：利用绘图工具列可以建立系统的因果关系图和系统动力学 流图等等。 图3 _ 4 绘图视窗中所显示的图形即为利用v e n s i m 软件所绘出的系统动力学 流图主要符号。其中( a ) 为状态变量即流位：嘞为速率变量：( c ) 为变量符号可以 是常数、辅助变量及函数等：( d ) 为系统的源与汇；( e ) 、( o 均为流，其中( c ) 为物 质流，( o 为信息流，本论文中表示方式相同。 在v e m i m 软件中，系统动力学方程可通过绘图列中的w 工具来建立与编 辑模块方程式，图3 - 5 为查看公式情况时的界面。 自口口暑* _ bm 医蔓至二二二二二二二二二二二二 i i 肆自o 图3 - 5v e n s i m 工作界面 在v e n s i m 软件中用中文文字来表述方程式的内容，使得方程的建立变得更 加简单，方程更易读懂。 v e m i m 软件做为当前最先进的系统动力学建模软件有着非常强大的功能 使得系统动力学模型的应用研究变得更为简易。有关该软件的一些其它功能，如 系统功能模拟、灵敏度分析、方案对比图形分析等均在本论文中有所应用，相关 内容将在后文介绍。 天津大学硕士论文第四章天津市水资源s d 模型的构建 第四章天津市水资源s d 模型的构建 在上一章对系统动力学模型进行简单介绍的基础上，可知系统动力学可以用 来模拟微观的企业系统，也可以模拟宏观的社会经济系统，能处理高阶次、非线 性、多重反馈、复杂时变的系统问题，并可以对这些领域的发展决策进行实验分 析，从而有利于决策的合理化与科学化【4 9 1 。水资源可持续利用问题是一个复杂的 系统问题，因此本论文引入系统动力学仿真模型来进行水资源开发利用的模拟。 本章主要对s d 模型的构建过程进行详细的介绍，其中包括模型边界的确定；子 系统间及其内部因果关系、各子系统主要变量、方程的确定；s d 模型流图的确 定；模型参数的估计；模型有效性的检验，并对历史性检验和灵敏度分析进行了 比较详细的说明。 4 1 天津市水资源s d 模型的建立 4 1 1 模型的边界 水是关联着整个社会一经济一环境系统的资源要素，用系统动力学对水资源 进行建模，包括水的供给、使用、排放和污水处理的全过程，涉及到人口、经济、 环境等多个子系统。为了研究方便，突出主要问题，以水为核心，进行系统分析， 确定系统边界。 从系统的意义上讲，系统的界限并不是一个地理边界，而是根据建模的目的， 把与问题有关的重要关系的概念和变量包括进系统。这样的系统仍是一个开放的 系统，与研究对象之外的部分仍有物质和信息的输入输出【5 0 1 。水资源系统仅是复 杂社会经济系统中的一个子系统，除了系统内的系统关联，还要和其它外部系统 发生联系，所以系统的边界很模糊，不易确定。 为了研究问题的方便，以天津市的行政分区确定模型的边界为天津市，即包 括市内中心六区( 和平区、河东区、河西区、南开区、河北区、红桥区) 、滨海 新区( 塘沽区、汉沽区、大港区) 、环城区( 东丽区、西青区、津南区、北辰区、 武清区、宝坻区) 及周边三县( 静海县、宁河县、蓟县) 共计1 5 区三县。模型 的模拟的时间为2 0 0 5 年至2 0 2 0 年，共分两个阶段，第阶段为2 0 0 5 2 0 1 0 年， 第二阶段为2 0 1 0 年- - 2 0 2 0 年，基准年为2 0 0 4 年，模拟时间间隔为一年。 3 2 天津大学硕士论文第四章天津市水资源s d 模型的构建 4 1 2 模型的主要状态变量 天津市水资源系统s d 模型共选择了9 3 个变量和参数( 变量、参数s d 方程 参见附录) 。其中主要状态变量如下： ( 1 ) 人口规模：为人口子系统主要状态指标，是影响生活用水量的主要因素： ( 2 ) t 业增加值：为经济子系统主要状态指标，是影响生产用水的主要因素； ( 3 ) 第三产业增加值：为经济子系统主要状态指标，是影响生产用水总量的 因素之一； ( 4 ) 农业耕地面积：为经济子系统主要状态指标，第一产业用