系统动力学及其在环境水利方面的应用

1、系统动力学及其在环境水利方面的应用,2011-4-23,雷宏军69127405，,系统的定义 从组成角度看，系统由两个或两个以上相互联系的要素组成的、具有整体功能和综合行为的集合。系统的边界把系统与系统的环境区分开来，环境的边界把系统的环境与非系统集合区分开来。边界理论、边壳理论 从系统与环境相互作用角度看，系统是由系统输入、系统转换和系统输出组成的集合。,系统思考简介,就是整体考虑，综合分析。 “整体大于局部之和 ” 、 “牵一发而动全身” 、“四两拨千斤” 、“过犹不及” 、“围魏救赵”、“田忌赛马”等都是系统思考 当面对的系统比较大，内部关系比较复杂时尤其需要，

2、全面考虑。但这时候我们的思维往往有定势，或者可能脑袋不够用了。 比如：应对金融危机、房产泡沫的策略,第五项修炼第一部：全面体检你的组织第二部：新思考、新视野第三部：四项核心修练第四部：进入学习型组织的时代第五部：余响,凡是值得思考的事情，没有不是被人思考过的，我们必须做的只是试图重新加以思考而已。 -歌德 系统思考就是属于歌德说的“教人重新思考问题”。,贫困饥荒,放牧垦荒,荒漠化,土地生产力,人口,恶性循环或良性循环,库存信息反馈调节过程,库存订货系统是一个简单的反馈系统。从图中可知它形成闭合的回路(或称环)，称之为反馈回路(或环)。反馈回路就是由一系列的因果与相互作用链组成的闭合回路或者说是

3、由信息与动作构成的闭合路径。,系统思考方法,表象背后的系统结构倒水之系统思考,系統思考方法,系统语言的基本组件 (Building Blocks),增强、平衡环路说明,系统思考建模原则与程序,建模原则（Anderson，1990） （1）清楚地定义各影响因子。 （2）动态性的数据适合以时间序列的图形趋势显示。 （3）避免数据冗余与负荷过重。 （4）将信息分类以层级化设计。,系統思考建模程序,模拟评估阶段 （scenario analysis）,1、唐家山堰塞湖泄洪过程风险评估与预测 -STELLA软件建模分析,1、唐家山堰塞湖泄洪过程风险评估与预测,泄洪的流量未达到堰塞湖水位警戒水位，不会全面

4、溃坝； 但是如果降水不减少，堰塞湖的水位将在164小时后到达导流明渠的设计泄洪水位，应提高施工的速度。,2、流域水生态承载力评价-流域系统动力学模型,1972 年，“罗马俱乐部”提出了著名的增长的极限“世界模型”，该模型的开发是系统动力学研究在大尺度生态系统中应用的标志性事件。 进入 20 世纪 90 年代之后，面对可持续发展的概念，SD 模型在很多领域都得以广泛的应用，并开始同其它承载力研究方法进行整合，最常见的是结合评价指标体系。,太子河流域水生态承载力系统动力学模型； 赣江袁河流域水生态承载力系统动力学模型 太湖河网地区流域水生态承载力系统动力学模型,太子河流域水生态承载力系统动力学模型

5、,太子河流域系统动力学模型流图,2、流域水生态承载力评价-流域系统动力学模型,太子河流域水生态承载力系统动力学模型,太子河流域水生态承载力计算结果,2、流域水生态承载力评价-流域系统动力学模型,袁河流域系统动力学模型流图,2、流域水生态承载力评价-流域系统动力学模型,赣江袁河流域水生态承载力系统动力学模型,赣江袁河流域水生态承载力系统动力学模型,芦溪县水生态承载力发展预测图,2、流域水生态承载力评价-流域系统动力学模型,3、乌梁素海流域水环境承载力仿真,运用耦合模型，对多种情景（阶段新标准）进行需求分析与评估,乌梁素海流域水环境承载力系统动力学仿真模拟,从系统动力学(SD)和多目标规划(MOP

6、)的基本理论出发，利用SD模型寻找出对乌梁素海流域水生态系统发展影响较大的敏感因素，并以敏感性因素为核心建立多目标规划(MOP)模型并求解；针对具 体情况设计模拟运行方案，与决策者进行交互，取得系统发展的优化规划方案；并对方案实施后的社会、经济、环境等结果进行了预测和评价。,湖泊流域经济发展与湖泊承载力关系研究,分期、分区的湖泊环境承载力,发展模式的合理性判别,判别典型湖泊区域社会经济发展模式与湖泊环境承载力的协调性 阐明湖泊承载力对流域生态环境和经济社会发展的制约机制,典型湖泊区域社会经济发展现状模式,湖泊环境承载量,优化调整,基于湖泊承载力典型湖泊流域经济发展模式研究,研究确定： 优先和禁

7、止发展行业 行业规模、结构 清洁发展模式,农业产业最优投入要素效率分析,主要农产品生产发展排序,主要农业产业最适规模核定,技术进步对农业污染治理的贡献度,工业结构与污染物排放量的定量关系,环境导向型的工业结构的评价体系,技术进步对工业污染治理的贡献度,基于环境友好的流域企业准入标准,环境导向的旅游容量核定,旅游行业、模式的发展排序及规模,流域环境友好旅游发展模式,生态村庄和生态社区模式构建,环境友好型服务业模式,生态农业 发展模式,生态工业 发展模式,生态旅游业 发展模式,生态城镇 发展模式,典型 湖泊流域经济协调发展模式研究,根据流域总体规划的定位设计模型,是否满足湖泊水环境容量约束条件？,

8、湖泊流域最优经济发展模式的确定,改变量化指标,情景设计时，涉及流域因素较多，要避免出现以下情况： 发展模式能够满足容量要求，但流域经济和环境的综合发展水平较低； 流域经济和环境的综合发展水平较高，但发展模式超过水环境容量要求；,湖泊水资源子系统,人口子系统,经济子系统,湖泊水质量子系统,首先，满足湖泊水环境容量要求； 其次，评估满足湖泊水环境容量要求的发展模式，择优选取。,社会进程,入湖污染负荷,湖泊水环境容量,2010,2015,2020,2025,SD模型输出,A.SD建模方法,SD模型建模步骤,利用Vensim PLE（Ventana Simulation Environment Per

9、sonal Learning Edition） 软件来完成系统建模过程，直观的给出流域环境与人口、社会经济发展水平、水资源 和水质量之间的关系；定量的分析在现有社会经济条件下，水环境承载力在未来时段 的动态发展变化 。,（1）模型构建,建模流程 系统边界确定 系统结构分析及变量确定 系统因果关系分析 系统模型构建（流图及方程） 模型有效性检验,B.SD模型系统结构,湖泊流域生态与经济系统耦合模型,流域人口子系统,B.SD模型系统结构,流域农林子系统,B.SD模型系统结构,流域工业子系统,B.SD模型系统结构,湖泊水平衡子系统,B.SD模型系统结构,湖泊污染物平衡子系统,B.SD模型系统结构,流

10、域水平衡子系统,B.SD模型系统结构,C. 多目标规划模型（MOP）,目标函数： max(收益-成本),1 种植业子系统 2. 畜牧业子系统 3. 工业子系统 4. 农村生活子系统 5. 城镇生活子系统,收益：,成本：,收益：,成本：,收益：,成本：,成本：,成本：0,C. 多目标规划模型（MOP）,约束条件：,1 种植业子系统 2. 畜牧业子系统 3. 工业子系统 4. 农村生活子系统 5. 城镇生活子系统,1.1 粮食产量约束 1.2 种植面积约束 1.3 种植水量约束,2.1 最低养殖量约束 2.2 畜牧业水量约束,3.1 工业水量约束 3.2 工业产值约束,4.1 生活用水量约束,5.

11、1 乌梁素海水量平衡 5.2 乌梁素海水质约束： 考虑TN、TP、COD、氨氮、盐度约束,湖泊水环境承载力指标体系,人口及社会经济发展水平,水资源禀赋及开发利用水平,环境容量与污染负荷水平,环境保护与治理水平,生态系统功能水平,7个,6个,10个,6个,7个,量化指标36个,评估指标13个：用于评估湖泊水环境对经济发展模式的承载度,量化指标也称为约束性指标，是建模时需要考虑的因素。 在考虑特殊湖泊流域时，可以适当增加量化指标。,（2）评价指标体系构建,共6个,共7个,共6个,共7个,共10个,确定流域内点源及非点源的入湖负荷时，要进行详细的源解析，并且要考虑污染源时空布局、降雨量、河流水文等因

12、素。,评估指标：流域最优经济发展模式评估指标,人均GDP,工业万元GDP需水量,万元GDP污水排放量,万元GDP污水处理量,水资源供需比,人均水资源可供量,COD环境容量比入湖负荷,TN环境容量比入湖负荷,TP环境容量比入湖负荷,农业万元GDP需水量,工业GDP增长率,流域生态环境需水量,城市化水平,部分评估指标来源于量化指标； 部分评估指标是综合多个量化指标后产生的指标； 评估指标可根据湖泊流域的特征适当增删指标，但指标要有实际的意义。,c. 湖泊水环境承载度计算：,Cj 第j个方案对应的湖泊水环境承载度； Xi 无量纲化后的第i个指标值； Wi 第i个指标的权重。,以承载度最大的方案优化湖

13、泊流域 经济发展模式,a. 指标无量纲化处理：极值处理法,b. 指标权重赋值：层次分析法（偏重政策导向）,乌梁素海绿色流域建设与污染综合治理,生态需水,产业政策与结构调整减排,生态水核算,农业产业调整与布局,工业产业结构调整与布局,水生态产业构建方案,补水方案,配套工程,污染源工程治理与控制,低污染水净化处理系统,城镇生活污染控制,农村面源污染系统控制,畜禽养殖污染治理,工业园区废水处理与回用控制,排干污染水处理系统,河口湿地修复方案,农田排水湿地净化方案,水土流失防治,林业 建设,库塘湿地修复,物理化学措施,湖滨带构建,环湖带景观带构建,截渗沟建设,环湖公路修建,湖泊水体生境改善方案,底泥疏

14、浚与处理处置及资源化,网格水道工程,植物平衡收割与资源化工程,生物多样性保护,生态补水,（3）方案制定与情景分析（四大类方案）,内源污染治理与生境改善,清水产流机制修复与排干水净化,污染源系统控制,情景1：村落生活污水-畜禽-垃圾系统治理工程的实施 情景2：在情景1基础上，增加农田污染径流系统治理工程（含产业结构的调整） 情景3：在情景2基础上，增加入湖河流污染控制与生态修复工程的实施,4、水资源永续管理系统动力决策支持系统,策略面 : 供给面与需求面策略之拟定。 财务面 : 针对策略面所拟定的策略，进行财务成本效益分析。 水量面 : 计算于预先拟定之供给面与需求面策略下，系统整体的供水量。

15、水质面 : 计算在系统的供水量给定下，水库与河川的水质状况。 指标面 : 藉由指标的设计来反应水量面、水质面与财务面的冲击。,4-1水量系统动力模型建置,4-2人工湖系统动力模型,4-3废污水再利用系统动力模型,4-4自来水管线更换系统动力学模型,4-5净水场扩充系统动态模型,4-6 跨流域供水动力学模型,4-7 农业用水系统动力学模型,4-8 水价调整系统动力模型,4-9整体水量和水质问题整合之系统动流图,4-10 生活污染之系统动力学模型,4-11 畜牧污染之系统动力学模型,4-12工业污染之系统动力学模型,4-13旅游污染之系统动力模型,4-14 水库富营养化与淤积系统动力模型,4-15

16、 GIS与Vensim间数据转换示意图,4-16 可持续利用评价指标体系构建,4-17 系统架构画面窗口,4-18 水量面策略情境仿真操作窗口,4-19 水量面策略模拟结果展示,4-20 水质面河川污染策略情境仿真及结果展示窗口,参数调整,结果输出,4-21 水质面水库富营养化与淤积策略情境仿真及结果展示窗口,系统动力学解决问题的主要步骤,系统动力学解决问题的主要步骤,大体可分为五步 首先要用系统动力学的理论、原理和方法对研究对象进行系统分析 其次进行系统的结构分析，划分系统层次与子块，确定总体的与局部的反馈机制 第三步建立数学的、规范的模型 第四步以系统动力学理论为指导藉助模型进行模拟与政策

17、分析，可进一步剖析系统得到更多的信息，发现新的问题然后反过来再修改模型 第五步检验评估模型,系统动力学解决问题的主要步骤系统分析,系统分析是用系统动力学解决问题的第一步，其主要任务在于分析问题，剖析要因。 调查收集有关系统的情况与统计数据 了解用户提出的要求、目的与明确所要解决的问题 分析系统的基本问题与主要问题，基本矛盾与主要矛盾，变量与主要变量 初步划定系统的界限，并确定内生变量，外生变量，输入量 确定系统行为的参考模式,系统动力学解决问题的主要步骤系统的结构分析,这一步主要任务在于处理系统信息，分析系统的反馈机制。 分析系统总体的与局部的反馈机制 划分系统的层次与子块 分析系统的变量、变

18、量间关系，定义变量(包括常数)，确定变量的种类及主要变量 确定回路及回路间的反馈耦合关系；初步确定系统的主回路及它们的性质；分析主回路随时间转移的可能性,系统动力学解决问题的主要步骤建立数学的规范模型,建立数学的规范模型 建立L，R，A，C诸方程 确定与估计参数 给所有N方程，C方程与表函数赋值,系统动力学解决问题的主要步骤模型模拟与政策分析,模型模拟与政策分析 以系统动力学的理论为指导进行模型模拟与政策分析，更深入地剖析系统 寻找解决问题的决策，并尽可能付之实施，取得实践结果，获取更丰富的信息，发现新的矛盾与问题 修改模型，包括结构与参数的修改。,系统动力学解决问题的主要步骤模型的检验与评估

19、,模型的检验与评估 这一步骤的内容并不都是放在最后一齐来做的，其中相当一部分内容是在上述其他步骤中分散进行的,系统动力学解决问题的主要步骤,系统动力学解决问题的主要步骤,系统动力学的建模工具 VenSim,Vensim 运用 创建水平变量,Vensim 运用 创建速率变量,Vensim 运用 创建因果关系,Vensim 运用 创建方程式,Vensim 运用 创建变量的副本,Vensim 运用 删除图元,Vensim 运用 创建常数、其他变量,Vensim 运用 创建常数、其他变量,Vensim 运用 创建注释,Vensim 运用 字体,Vensim 运用 字体颜色,Vensim 运用 边框颜色

20、,Vensim 运用 边框样式,Vensim 运用 文字位置,Vensim 运用 箭线颜色,Vensim 运用 箭线形式与粗细,Vensim 运用 箭线极性,Vensim 运用 文字置后,Vensim 运用 结构分析工具 Tree Diagram Causes,Vensim 运用 结构分析工具 Tree Diagram Causes,Vensim 运用 结构分析工具 Tree Diagram Uses,Vensim 运用 结构分析工具 Tree Diagram Uses,Vensim 运用 结构分析工具 Document,Vensim 运用 结构分析工具 Document,Vensim 运用

21、结构分析工具 Loops,Vensim 运用 结构分析工具 Loops,Vensim 运用 结构分析工具 Units Check,Vensim 运用 数据集分析工具 Strip Graph Causes,Vensim 运用 数据集分析工具 Strip Graph,Vensim 运用 数据集分析工具 Strip Graph Uses,Vensim 运用 数据集分析工具 Table,Vensim 运用 数据集分析工具 Runs Compare,Vensim 运用 数据集分析工具 Runs Compare,Vensim 运用 Custom Graph,Custom graphs allow you

22、to customize the content of a graph, to show exactly the variables, runs, and style of graph you want.,Vensim 运用 Custom Graph,Custom graphs allow you to customize the content of a graph, to show exactly the variables, runs, and style of graph you want.,Vensim 运用 Custom Graph,Custom graphs allow you

23、to customize the content of a graph, to show exactly the variables, runs, and style of graph you want.,Vensim 运用 Custom Graph,Custom graphs allow you to customize the content of a graph, to show exactly the variables, runs, and style of graph you want.,Vensim 运用 Custom Graph,Custom graphs allow you

24、to customize the content of a graph, to show exactly the variables, runs, and style of graph you want.,Building a Simulation Model Using Vensim,Vensim Conventions The Population Model Writing Formulas Checking for Model Syntax and Units Errors Simulating the Model Model Analysis,Vensim Naming Conven

25、tions,Levels have initial letters capitalized Population Rates and auxiliaries are all lower case births Constants and Lookup Tables are all capitals AVERAGE LIFETIME,The Population Model (rabbit),FINAL TIME: 52 TIME STEP: 0.25 Units: weeks,Writing Formulas,AVERAGE LIFETIME = 25 Units: week BIRTH RA

26、TE = 0.04 Units: 1/week births = Population * BIRTH RATE Units: rabbits/week deaths = Population / AVERAGE LIFETIME Units: rabbits/week Population = INTEG(births-deaths,500) Units: rabbits,Writing Formulas,INTEG (rate, initial value) Returns the integral of the rate. The rate is numerically integrat

27、ed. The initial value is the value of the variable that is being integrated, at the start of the simulation. Restrictions: INTEG must directly follow the equal sign. It signals Vensim that the variable on the left-hand side of the equation is a Level or State variable. INTEG ( unit / time, unit ) -

28、unit The units of the integral must be the same as the units of the initial condition. The rate must have the same units, divided by the units of TIME_STEP. Examples Valid L = INTEG( R, 0.0 ) L = INTEG(A, B ) Invalid L = A + INTEG( R, 0.0 ) L = INTEG( B, 0.0 ) + 1 L = 2.0 * INTEG( R, 0.0 ) + 1.0 INT

29、EG must follow the equal sign, and it cannot be part of a more complex mathematical expression. These formulations are made valid by defining an auxiliary variable to perform the indicated operations， e.g. L = INTEG( R, 0.0 ) aux = A + L,Checking for Model Syntax and Units Errors,Simulating the Mode

30、l,Model Analysis Strip Graph and Table,Population appears unchanging from 500 rabbits equilibrium,Model Analysis Unconstrained Growth,Changes of birth rate from 0.04 to 0.08 can generate unconstrained growth. This is one of the simplest possible dynamic behaviors, also known as exponential growth.,r

31、abbit2,Model Analysis Unconstrained Growth,Model Analysis Unconstrained Growth,Model Analysis Exponential Decay,Changes of AVERAGE LIFETIME from 25 to 10 can generate exponential decay in the population. This is one of the simplest possible dynamic behaviors, also known as exponential decay.,rabbit3

32、,Model Analysis Exponential Decay,Model Analysis Exponential Decay,Nonlinear Relationships,The population model presented in the previous is a simple model that uses only multiplication and division in its formulas. While addition, subtraction, multiplication and division are the most common compone

33、nts of formulas, sometimes it is necessary to capture different types of relationships. Vensim PLE has a number of functions such as EXP (exponential) and LN (natural logarithm) that can be helpful. Most of the time, however, it is more convenient to make up functions with customized properties. The

34、 development of Lookup Tables is a means of capturing nonlinear relationships.,Nonlinear Relationships Rabbits Limited By Food Resource,Lets examine a simulation model of growth in a rabbit population until it hits a resource constraint, in this case a fixed land area resulting in a fixed food suppl

35、y. Rabbits can multiply as long as sufficient food is available; when the rabbit population approaches the constraint (carrying capacity), the population is limited by an increase in rabbit deaths (from insufficient food). The relationship between the carrying capacity and rabbit deaths is described

36、 by a nonlinear Lookup Table.,FINAL TIME: 10 TIME STEP: 0.125 Units for Time: Year,Nonlinear Relationships Rabbits Limited By Food Resource,Nonlinear Relationships Rabbits Limited By Food Resource,INITIAL RABBIT POPULATION = 100 Units: Rabbit RABBIT BIRTH RATE = 1.1 Units: 1/Year AVERAGE RABBIT LIFE

37、 = 2 Units: Year rabbit births = Rabbit Population * RABBIT BIRTH RATE Units: Rabbit/Year rabbit deaths = (Rabbit Population / AVERAGE RABBIT LIFE) * effect of crowding on deaths Units: Rabbit/Year Rabbit Population = INTEG(rabbit birthsrabbit deaths, INITIAL RABBIT POPULATION) Units: Rabbit,Nonline

38、ar Relationships Rabbits Limited By Food Resource,Now you will define the carrying capacity. A certain area of grassland exists and each rabbit requires an amount of grass to live on. Dividing the area of grassland by the area of grass required per rabbit gives the number of rabbits that can live on

39、 that land. AREA OF GRASSLAND = 20000 Units: square yards GRASS REQUIRED PER RABBIT = 10 Units: square yards/Rabbit carrying capacity = AREA OF GRASSLAND / GRASS REQUIRED PER RABBIT Units: Rabbit Rabbit crowding is defined as the rabbit population divided by carrying capacity. This model will expect

40、 the numerical value to fall within the range from 0 (if no rabbits exist) to 2 (when rabbit population is double the carrying capacity). rabbit crowding = Rabbit Population / carrying capacity Units: dmnl The amount of rabbit crowding will affect the death rate of rabbits: higher crowding implies a

41、 higher death rate. To change the death rate based on rabbit crowding, you will use a graphical Lookup Table.,Nonlinear Relationships The Effect of Crowding on Deaths,In the formulation of this model we have said that the more crowded it is, the more rabbits will die. In thinking about this it seems

42、 likely that a little bit of crowding will not make to much difference, whereas a lot of crowding would. Extending this to an extreme, if the rabbits were so crowded that they were squishing each other we would not expect them to live for more than a few moments. While you could try to find a functi

43、on that has this property, the Lookup Table provides an easier solution. A Lookup Table is an arbitrary function, one that you define as a table or graph, that describes a relationship between an input and an output. The Lookup Table for this model allows us to describe how rabbit deaths change when

44、 the rabbit population exceeds the carrying capacity. An intermediate concept, effect of crowding on deaths, will relate the rabbit crowding to rabbits deaths through the Lookup Table. The effect of crowding on deaths will take the input values from the variable rabbit crowding and convert them to output values by using the Lookup Table.,Nonlinear Relationships The Effect of Crowding on Deaths,Nonlinear Relationships The Effect of Crowding on Deaths,Nonlinear Relationships The Effect of Crowding on Deaths,This graph, in words, says that as the input (rabbit crowding