系统动力学在城市水资源供需系统分析中的应用.doc

系统动力学在城市水资源供需系统分析中的应用于书霞尚金城 （东北师范大学环境科学系，长春 130024） 摘要 在分析长春市水资源供需系统所存在的问题的基础上，应用系统动力学方法，建立了水资源系统分析仿真模型。模型包括人口、工业生产、水资源供应和污染共4个子系统，并以此为基础对城市水资源供需系统进行趋势模拟分析。方案优化分析结果表明，水价和水污染投资比例是城市水资源供需系统中的控制因子，只有两者相互协调，同时作用，才能保证城市水资源的可持续利用，缺一不可。关键词： 系统仿真 水价供需系统城市水资源1 引言 利用系统动力学模型研究水资源与经济协调发展是切实可行的1,2。系统动力学是基于系统论，并吸收控制论、信息论的精髓，融结构与功能、物质与信息、科学与经验于一体，沟通了自然科学和社会科学的横向联系。系统动力学最为突出的优点在于它能处理高阶次、非线性、多重反馈、复杂时变的系统问题，成为研究复杂大系统运动规律的理想方法3,4。文章运用系统动力学的有关方法与理论，对长春市水资源供需系统中的有关问题作了论述，并进行了系统分析。考虑投资、经济发展与水资源供应之间的关系，以水价作为调节杠杆，分析了系统的结构和功能特征以及不同条件下的运行规律和发展趋势，提出可供借鉴的优化方案。2 长春市水资源系统存在的主要问题（1）水资源短缺，已制约经济的发展。全市人均水资源量是全省人均占有水资源量的1/3，是全国的1/5。（2）水污染严重，已影响到现有水体的使用功能。长春市2条主要河流水环境质量均为地面水环境质量标准的类或超类标准。（3）水资源市场扭曲，价格结构不合理，并由此导致水资源浪费现象严重。3 系统动力学仿真模型3.1 仿真模型的目的（1）确定城市水供需系统的主要影响因素，分析各因素间相互制约、相互促进的反馈关系，揭示系统的运行规律。（2）在对长春市水资源供需系统进行系统诊断与系统分析的基础上，找出水资源利用存在的主要问题。（3）模拟不同的污水治理投资比例以及在不同的价格影响下长春市水资源供需的变化趋势、运行规律，确定适宜的污水治理投资比例和水资源的价格。3.2 仿真模型的结构长春市水资源供需系统的模型，包括4个子系统，即人口、工业生产、水资源供应和污染子系统见图1。3.2.1 人口子系统 在人口子系统中，状态变量为总人口数，它由2个速率变量，即出生率和死亡率来表示，在本模型中，总人口数主要通过影响生活用水量和污水排放量而对水资源供需系统产生影响。系统没有考虑水污染及水资源供应能力对人口出生率、死亡率的影响。3.2.2 工业生产子系统 工业生产子系统中，状态变量为工业产值，速率变量为工业生产投资率和工业生产产出率，工业产值对整个系统的影响是通过工业用水量和工业污水产生量而产生的。另外，工业生产又为污水治理投资提供了经济支持。其中工业用水量除了与工业产值有关外，还与单位产值的用水量相关。工业污水产生量是工业生产对系统影响的另一重要方面，同时产生量还受污水产生率和水资源价格的影响。3.2.3 水资源供应子系统 水资源供应子系统中状态变量为总可供水量，它的2个速率变量为水供应率和水需求率。水需求率在本系统中分为生活用水量和工业用水量两大类。在水供应率这一速率变量中，包括已有水供应能力和新增供应能力两部分。新增供应能力这一辅助变量主要由回用水量与水利投资增加供应能力这两部分组成，水资源的价格对水的回用起到调控作用。3.2.4 污染子系统人均生活用水量水需求率工业用水量工业产值工业生产投资率工业生产产出率单位产值用量总可供水量水供应率已有供应能力新增加供应量水利投资边际投资人口出生率死亡率生活用水量污染水量回用量回用率水价污水治理投资生活污水产生率工业污水产生率治理率水价生活污水排放系数工业污水排放系数水价图1 长春市水资源系统仿真模型结构流 在污染子系统中，状态变量为污水总量，速率变量为污水产生率和污水治理率。水质污染是影响水供需系统平衡的重要因素。污水来源主要包括工业污水和生活污水两部分。影响污水治理率的因素有污水治理投资以及单位污水治理费用等，同时，治理的效率又通过影响回用水量而对水资源供应系统产生影响。回用水量是联系水污染子系统与水资源供应子系统的一个重要的辅助变量，污水回用比率与污水处理率决定了回用水量的大小，回用率则受污水治理投资和水价的影响。4 系统动力学模型仿真方案 根据系统结构流程图，建立Dynamo语言仿真程序，对系统的变化趋势、行为进行仿真模拟。该系统起始年为1990年，终止年为2030年，步长为1年。2000年为水价的调整年，用剪刀函数表示这一政策的变化。系统仿真结果显示，19902000年的预测结果与同时期长春市水资源供需系统的实际趋势大致相符，说明系统设计基本合理，可以据此进行发展趋势的预测。 在对系统进行仿真模拟时，应突出不同的投资、管理政策的调控作用，寻求解决经济发展与环境保护的有效措施。系统主要考虑2个控制因素的作用，即水环境污染治理投资比例（imi.k）和水资源价格(price.k)。投资比例用表函数表示，水价在不同方案中用不同常数值表示。 根据系统结构及多次模拟的结果，比较各种方案的优劣，以确定最佳的方案和控制措施。本系统在模拟过程中选择以下3个替代方案进行，水污染治理投资调整的时间跨度为10年。 方案1中水资源价格保持2元/t不变，加大水污染治理投资，2030年增加至8%。系统运行结果见图2。方案2中水资源价格从2000年开始增加至3.7元/t，水污染治理投资保持不变，系统运行结果见图3。方案3水资源价格在2000年之后增加至3.5元/t，同时水污染治理投资相应增加，到2030年增至4%，系统运行结果见图4。图3 方案2模型仿真结果图2 方案1模型仿真结果图4 方案3模型仿真结果5 系统动力学模型仿真方案优化分析5.1 人口及工业总产值 总人口和工业总产值的变化在3个方案中趋势大致相同（见图2）。总人口随着时间的推移呈指数形势增长，并且增长的速度逐渐减小。这表明，尽管我国控制人口增长的政策已经取得显著的效果，但由于人口基数大，人口净增长量大，直到2030年左右，总人口数才趋于稳定。经济一直保持较持续、稳定的增长趋势，随着经济实力的增强，经济净增长量逐渐增大。5.2 方案1模型仿真结果分析 方案1是在模型中，假定水资源价格保持不变，单方面加大水污染治理投资（例如模型中从现有的2%左右增长达到8%，这一比例远远超过了现有经济支持能力）的情况下，水环境供需系统的变化趋势。从图2中可以看出，系统中水资源总量一直处于供不应求的状态，总水量曲线持续下降。曲线在各点的切线斜率均为负值，这表明在模拟的时间段中，水资源供应量不能满足工业生产和人们生活的需求，且随着时间的推移，年缺水总量将逐步增加。主要原因是水资源价格偏低，低于其机会成本，外部不经济性使得供水系统只能通过减少供应量来减少自身的亏损额，由此造成生产的不足。同时，使用者使用量越多，获得的消费者剩余越多，由此造成水资源的不合理利用，甚至浪费现象严重。这表明，不合理的水资源价格直接影响了节约，间接鼓励了浪费3。方案1表明，在自然资源的利用和保护过程中，单方面加大污染治理、环境保护的投资力度，不重视资源的合理有偿使用，很难达到资源的保护、利用并重，及经济高速持续发展的目的。5.3 方案2模型仿真结果分析 方案2是假定在水资源价格从2000年之前的2元/t，调整到2000年以后的3.7元/t，而水污染治理投资比例保持2%不变的情况下各变量的变化趋势。图3表示的是在这一条件下的仿真结果。总水量变化最为显著，在2000年之前，水资源价格、水污染治理投资的比例与方案1相同。2000年以后，由于调整了资源的价格，其调控作用使得生产生活过程中的浪费现象得到了一定程度的遏制，水利用效率有所提高3，总水量下降趋势有所缓和，水资源供不应求的局面有了改善。然而由于水污染治理投入不足，水利用程度和回用水平较低，水资源的供应量仍不能满足经济持续发展的需求。由此可见，单独运用经济杠杆的调控作用只能从一定程度上改善城市水环境现状，不增加环境污染治理，同样不能达到预定目标。5.4 方案3模型仿真结果分析 方案3中，水资源价格从2000年之前的2元/t，调整到2000年以后的3.7元/t，并且水污染治理投资比例也从2%逐步增加到了4%水平。从仿真结果可以看出，在这种条件下，总水量从2000年后开始保持稳定。各点的总水量切线斜率均趋于零，表明供需已达到了平衡，既能满足经济发展的需求，又没有过多的水资源供应能力剩余而造成的浪费。此方案综合运用了价格调控机制和加大环境污染治理投资2种手段，给出了保证经济持续、稳定发展，自然资源永续利用的有效途径。一方面城市水环境污染治理投资力度的增加，使得城市水环境污染状况得到了改善，为提高水利用效率和增加中水回用程度提供了条件；另一方面，由于市场调节作用，水价的提高促使企业或个人为了自身经济利益，增强了节约用水的意识，水资源浪费和不合理利用现象得到遏制。这两方面同时作用，改善了城市水资源供需系统的现状，可为城市水资源供需系统和城市经济的可持续发展提供有效的解决问题的途径。5.5 系统仿真方案优化分析从方案3中可以看出，用于水环境污染治理的投资比例远小于方案2，可为经济发展和环境污染治理的其他方面节约大量资金，具有较高的经济效益。 因此，方案3综合考虑了各方面的作用，具有较高的环境效益、经济效益和社会效益，可以用来指导城市水资源供需系统的管理。在城市水资源供需系统中，水污染的治理和水资源的合理定价是2个关键因素，有效、合理地利用这2种工具，才能保持经济的可持续发展与资源的永续利用，单独强调某一方面的作用很难达到预期的效果。针对长春市的实际情况，在水资源短缺、水体污染现象严重，已经制约了经济发展的情况下，既要重视对水污染的治理，加大水污染治理投资的力度，同时又要善于利用经济杠杆，用水价调整用水量、回用水量，以达到资源的可持续利用，经济的持续、快速发展。6 结语 城市水资源供需系统涉及因子繁多，相互作用关系复杂，用传统的方法很难进行分析，系统动力学方法通过对系统各个部分反馈关系的模拟，可以综合反映各因子之间的相互作用与相互联系，动态模拟分析各状态随时间的变化。长春市水资源供需系统的分析表明，水污染治理投资和水资源的价格，是影响水资源供需系统平衡的2个关键因素，应该充分发挥两者的作用，相互协调，以保证资源的合理、永续利用和经济的可持续发展。7 参考文献1 Forrester J W. Urban dyn