系統(tǒng)動力學在流域水環(huán)境整治規(guī)劃中的應用

□ 中國環(huán)境科學研究院環(huán)境技術工程有限公司 朱建超 孟繁華 王月

摘要：本研究基于系統(tǒng)動力學反饋控制理論與仿真技術，將其應用于流域水環(huán)境整治規(guī)劃，構建區(qū)域經濟——環(huán)境耦合發(fā)展模型，結合研究區(qū)域近年來經濟統(tǒng)計數(shù)據、環(huán)境污染統(tǒng)計數(shù)據對模型參數(shù)率定以及模型驗證。結果表明：系統(tǒng)動力學應用于流域環(huán)境整治規(guī)劃可有效為規(guī)劃的規(guī)模、結構、布局等全局性優(yōu)化調整提供科學決策和數(shù)據支撐。

關鍵詞：系統(tǒng)動力學；環(huán)境整治規(guī)劃；水環(huán)境容量

注：本文課題編號：D141100004514001

我國環(huán)境規(guī)劃起步于20世紀70年代，國內學者對我國環(huán)境規(guī)劃開展了相關研究，探討了我國環(huán)境規(guī)劃取得的進展和現(xiàn)存問題，總結出的技術方法也得到了普遍使用?？v觀我國環(huán)境規(guī)劃的發(fā)展歷程，也發(fā)現(xiàn)我國環(huán)境規(guī)劃存在著重科學和工程技術以及方法模型，輕社會可行性以及環(huán)境規(guī)劃的管理和政策屬性的傾向，或者說是重視技術忽視管理的傾向。因此有必要應用綜合性高、操作性強的方法和模型來解決這些問題。針對傳統(tǒng)靜態(tài)分析中，機械的并過分依賴于數(shù)據且很難聯(lián)系研究環(huán)境發(fā)展和經濟社會的動態(tài)發(fā)展關系的缺陷導致的準確性差，預測結果不理想，緩解措施制定不夠詳細等問題，決定采用系統(tǒng)動力學SD(System Dynamics)模型系統(tǒng)的角度考慮一個動態(tài)的、復雜系統(tǒng)的經濟——環(huán)境耦合關系，來反映復雜系統(tǒng)結構功能與動態(tài)行為之間的相互作用關系。其適用于處理精度要求不高的復雜的社會經濟及生態(tài)環(huán)境問題，其代表性工作是發(fā)表于20世紀70年代初的《增長的極限》(Dennis Let al.,1974)。目前國際上系統(tǒng)動力學已泛應用于生態(tài)環(huán)境研究領域 (Guneralp,2003;Saysel,2002；Costanza,2001；Shi,2005)。

1、研究區(qū)域概況

研究區(qū)域為竹皮河流域，流域內主要干流為竹皮河，其位于湖北荊門市境內，河流貫穿荊門市城區(qū)及其主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)，全流域主河道長約74km。根據地區(qū)環(huán)境部門調查，竹皮河已不能滿足荊門地區(qū)各社會產業(yè)與生活對水環(huán)境容量的需求。現(xiàn)急需研究解決流域生態(tài)環(huán)境與荊門地區(qū)城市化這一耦合關系體間的矛盾。根據當?shù)卣枰谝员ＷC流域水生態(tài)功能與地區(qū)經濟發(fā)展的前提下，制定出2012年——2025年間的竹皮河環(huán)境整治規(guī)劃，最終促成荊門經濟的全面可持續(xù)發(fā)展。以年為時間單位，區(qū)域經濟－生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)為研究對象，系統(tǒng)工程理論為基礎，基于竹皮河污染物來源的特點及輸移變化規(guī)律，在竹皮河水環(huán)境容量綜合利用最優(yōu)化與竹皮河生態(tài)功能保障為目標，多種治理方案為依據，建立流域社會經濟發(fā)展演化（考慮城市化，工業(yè)生產總值，人口增長，產業(yè)結構調整等）與生態(tài)功能耦合的系統(tǒng)動力學模型模型，模型預測數(shù)據參考荊門地區(qū)年鑒、竹皮河環(huán)境污染統(tǒng)計、荊門市地區(qū)經濟發(fā)展規(guī)劃要求等，在對模型率定的基礎上，透過模型的社會經濟生產生活中污染物排入竹皮河的變化規(guī)律，研究竹皮河流域產業(yè)-竹皮河流域水環(huán)境容量關系，預測竹皮河污染物總量發(fā)展趨勢，分析發(fā)展變化原因，結合模型自我反饋，合理的模擬出竹皮河水環(huán)境容量變化預測，為荊門地區(qū)環(huán)境整治規(guī)劃方案與產業(yè)政策，找到影響的關鍵因素，為流域環(huán)境整治規(guī)劃提供工程方案組合與其理論依據。

2、系統(tǒng)動力學模型建立

系統(tǒng)分析及指標體系建立。研究流域容納市區(qū)工業(yè)、生活、郊區(qū)農業(yè)等污廢水的環(huán)境負荷，經過長年積累，現(xiàn)已嚴重超過竹皮河水環(huán)境容量，已無剩余水環(huán)境容量可用。SD模型結合環(huán)境規(guī)劃治理技術中“總量控制”的要求，對污染物存于竹皮河水環(huán)境容量變化發(fā)展進行模擬預測。參考同類型研究與本研究區(qū)域特點，SD系統(tǒng)分為城鎮(zhèn)生活子系統(tǒng)、工業(yè)生產子系統(tǒng)、農業(yè)生產子系統(tǒng)。SD 模型中系統(tǒng)的指標包括狀態(tài)變量、輔助變量和變化速率變量。作為系統(tǒng)動態(tài)行為的參照系，狀態(tài)變量反映了系統(tǒng)內各子系統(tǒng)的主要狀態(tài)。輔助變量和速率變量是狀態(tài)變量的變化速度和影響因子，狀態(tài)變量間通過物流和信息流建立起聯(lián)系，構成一個相互影響的一體化的網絡。根據上述分析，模型設計時選取12個狀態(tài)變量，分別用于表征城鎮(zhèn)生活、工業(yè)生產、農業(yè)生產和水環(huán)境容量4個子系統(tǒng)。18個速率和23個輔助變量組成整個系統(tǒng)模型，如表1。

表1 竹皮河流域水環(huán)境容量SD模型指標體系

子系統(tǒng)狀態(tài)變量速率輔助變量城鎮(zhèn)生活城鎮(zhèn)生活污水實際入河量生活污染物凈排入量總人口城鎮(zhèn)生活污水污染物產生量城鎮(zhèn)生活污水減排量生活污染物凈排入量變化量人口機械增長率城市化城鎮(zhèn)生活用水定額城鎮(zhèn)生活污染物濃度單次治理耗水單次治理效果生活污染治理需求城鎮(zhèn)人口農村人口城鎮(zhèn)生活污染物負荷比工業(yè)生產工業(yè)污染物凈排入量工業(yè)廢水減排量工業(yè)廢水凈排入量變化率工業(yè)廢水排放總量工業(yè)廢水減排率工業(yè)廢水治理措施設計運行時間工業(yè)總產值工業(yè)污染治理需求工業(yè)污染物負荷比

農業(yè)生產農業(yè)污染物凈排入量總養(yǎng)殖量農業(yè)種植畜禽養(yǎng)殖污染物進入量農業(yè)污染物凈排入量變化量規(guī)模養(yǎng)殖量散養(yǎng)量農村規(guī)模養(yǎng)殖污水產生量農村養(yǎng)殖污水減排量農村散養(yǎng)污水產生量養(yǎng)殖量增長系數(shù)規(guī)模化養(yǎng)殖比例農業(yè)污染治理需求養(yǎng)殖業(yè)廢水減排率農業(yè)種植蓄禽養(yǎng)殖治理措施實施延遲養(yǎng)殖產污系數(shù)農業(yè)污染物負荷比水環(huán)境容量污染物處在于竹皮河的量水環(huán)境容量剩余環(huán)境容量污染物存在于竹皮河的量變化量剩余環(huán)境容量變化量水環(huán)境容量變化量環(huán)境壓力指數(shù)地表水質量標準河流本底值河流衰減距離衰減系數(shù)本底濃度河流設計流速補水流量

傳統(tǒng)指標不能有針對性地反映實際情況變化對模型預測結果產生的影響，因此本研究引入城市化、環(huán)境壓力和污染負荷比，對水環(huán)境容量的影響進行動態(tài)分析。（1）城市化。伴隨荊門市地區(qū)城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，各方面經濟水平勢必大幅度增長，環(huán)境壓力也會越來越大。城鎮(zhèn)化作為模型主要促使原因，綜合來看，主要包括人口遷移、經濟發(fā)展、空間擴張和生活提高之間互相聯(lián)系、互相促進的4個方面。其中，經濟發(fā)展是基礎，人口遷移和地域擴張是表現(xiàn)，生活水平提高是最終結果或目標，地區(qū)生態(tài)環(huán)境作為地區(qū)經濟發(fā)展產生的污染物的承載體，生態(tài)環(huán)境影響隨之變化。（2）污染物負荷比。某子系統(tǒng)污染物排入量與污染物在河體中的存在量的比值得到污染物負荷比，其可以表現(xiàn)某產業(yè)污染物在現(xiàn)污染物總量中所占比例，比值最大說明此產業(yè)為主要污染源，次之；

Wp－污染物負荷比；Wi－污染物凈排入量；Wo－污染物在河體的存在量。

（3）環(huán)境壓力比。污染物在河體中存在量與水環(huán)境容量比，可以得到環(huán)境壓力指數(shù)。壓力指數(shù)越大，說明現(xiàn)狀水環(huán)境質量越惡劣。

We－環(huán)境壓力指數(shù)；Wo－污染物在河體的存在量；Wt－水環(huán)境容量。

根據GB3838-2004地表水分為1～5類，每一類水體有響應的水環(huán)境容量，環(huán)境壓力指數(shù)可以側面反應水體是否被污染，污染的程度是多少。程度等級見表2。

表2 環(huán)境壓力比

We污染等級0.6一級0.8二級1三級1.5四級2五級

（4）壓力響應關系。基于系統(tǒng)動力學的自我調節(jié)機制，引入了響應關系。利用環(huán)境壓力與負荷比的相關性，可以得到相對產業(yè)社會與政府對其污染治理需求程度，最終促成相對應的治理政策。

（5）工程方案概化。為不同環(huán)境時期找到適應的環(huán)保工程措施，治理工程這里將其概化為點型、線型、面型。

點型(P)：以污水處理廠為主的大型中型工程措施，治理效果穩(wěn)定，治理效果可以達到80%-90%的去除率，工程建設時間一般為12-24個月。投資相對較大。線型(L)：以雨-污管道為主的長距離收集攔截效果治理措施，配合終端處理設施（污水處理廠等），收集攔截效果一般為40%-50%，工程建設時間與覆蓋面積有關，一般為12-36個月。投資一般。面型(A)：以區(qū)域功能規(guī)劃為要求，工業(yè)：入園標準等；農業(yè)：禁養(yǎng)限養(yǎng)休漁期等；城鎮(zhèn)：自然保護區(qū)禁入等，治理效果與政策執(zhí)行有關，效果一般為60%-100%，根據政策要求不同，執(zhí)行時間12個月以上。投資不定。

（6）工程方案自我調節(jié)。根據不同時期的環(huán)境壓力與污染物負荷比采取相應的工程方案，此方法針對性與操作性均好過傳統(tǒng)分析方法。（表3）

表3 環(huán)境壓力指數(shù)與污染負荷比

污染物負荷比（Wp）≥ 30%≥20%≥10%≥2點型治理措施點型治理措施≥1.5點型治理措施點型治理措施面型治理措施≥1點型治理措施環(huán)境壓力指數(shù)(We)點型治理措施線型治理措施保持現(xiàn)狀≥0.8線型治理措施面型治理措施保持現(xiàn)狀≥0.6線型治理措施保持現(xiàn)狀保持現(xiàn)狀

3、參數(shù)驗證與優(yōu)化

對系統(tǒng)動力學模型而言，模型行為主要取決于模型結構，而不是參數(shù)值的大小，模型對參數(shù)精度的要求只要能滿足建模要求與目的就可以。文章模擬主要使用以下方法：（1）通過社會調查以及向統(tǒng)計、規(guī)劃、水利等部門搜集所需的數(shù)據資料；（2）從政府發(fā)布的統(tǒng)計年鑒和水利部門發(fā)布的水資源公報中獲取相關信息；（3）利用專業(yè)知識，以已有的數(shù)據為基礎，運用統(tǒng)計方法、回歸技術和適當?shù)臄?shù)學方法對未來的數(shù)據進行預測；（4）根據模型中各變量的數(shù)量關系，運用數(shù)學公式來確定。在模型運行中，對系統(tǒng)參數(shù)進行不斷修正，使其更加合理、符合實際情況。采用真實性檢驗方法來驗證模型。通過《荊門市經濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》、《荊門市工業(yè)經濟“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中人口變化、工業(yè)GDP變化數(shù)據、城鎮(zhèn)化比例數(shù)據進行率定。結果顯示（見表4），系統(tǒng)模擬結果與荊門市城市發(fā)展狀況基本一致，相對誤差在-6.9%～2.43%之間。從總體上看模型具有較好的模擬能力，基本真實反映了荊門市未來經濟發(fā)展狀況，可以作為荊門市水環(huán)境容量發(fā)展模擬與預測的依據。本文僅展示城鎮(zhèn)化、工業(yè)GDP兩項對比。（表4）

表4 變量結果模擬驗證表

變量年份總人口(萬人)城鎮(zhèn)人口(萬人)農村人口（萬人）城鎮(zhèn)化比例（%）工業(yè)GDP（億元）

2012(現(xiàn)狀年)7117925836691281238718 2015真實值7612116437991174128718.5模擬值7607036431291175748518.05誤差00.13%-0.13%2.29%2.43% 2020真實值851317758121931969119模擬值849806756262935448917.72誤差0.17%0.24%-0.37%2.19%6.73% 2025真實值973634907515661199420模擬值949345877958713879321.38誤差2.49%3.25%-7.96%1.06%-6.9%

4、系統(tǒng)動力學動態(tài)模擬結果與分析

4.1 仿真結果。應用系統(tǒng)動力學建模軟件Vensim PLE 建立模型，實現(xiàn)對竹皮河流域經濟-環(huán)境耦合發(fā)展的模擬，時間從2012年到2025年時間跨度為24年，主要輸出結果如圖1、圖2、表5。規(guī)劃最終需得到完整的工程方案組合，結合輸出結果，得到優(yōu)化后的工程方案：2012-2015年：現(xiàn)有污水處理設施執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠排放標準》一級A排放標準；污水處理廠指標滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠排放標準》一級A排放標準；污水處理廠指標滿足地表水IV類標準；農村生活廢水和垃圾的入河量減少10%；規(guī)?；B(yǎng)殖企業(yè)需要建集中處理設施。2016-2020年：現(xiàn)有污水城市處理廠出水滿足地表水IV標準；現(xiàn)有園區(qū)外工業(yè)企業(yè)出水滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠排放標準》一級A標準；園區(qū)內企業(yè)滿足地表水IV標準；鄉(xiāng)鎮(zhèn)級執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠排放標準》一級A標準；農村生活污水和垃圾的收集和處理率達到70%，規(guī)?；B(yǎng)殖執(zhí)行限養(yǎng)30%的政策。2021-2025年：城市污水處理廠和園區(qū)污水處理廠執(zhí)行地表水IV類水標準，同時分別進行30%和50%的回用。園區(qū)外污水處理廠滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠》一級A排放標準的同時，水重復利用率達到50%以上。鄉(xiāng)鎮(zhèn)級污水處理廠仍然保持一級A排放標準。農村生活廢水和垃圾治理率需要達到90%。規(guī)模化蓄禽養(yǎng)殖繼續(xù)執(zhí)行限養(yǎng)政策，限養(yǎng)率為40%。

表5 污染物負荷比與環(huán)境壓力

污染物負荷比環(huán)境壓力201520202025201520202025城鎮(zhèn)生活11.7818.7141.8921.00.6工業(yè)49.2429.9324.5621.00.6農業(yè)38.9651.3533.3521.00.6

4.2 預測結果與傳統(tǒng)方案的比較。靜態(tài)分析多是理想狀況，污染物穩(wěn)步消減，這與系統(tǒng)動力學模擬有相似也有區(qū)別（如圖3所示）。區(qū)別原因是由于系統(tǒng)動力學模擬考慮以下幾點：（1）農業(yè)面源污染控制是否能達到設計效果，農業(yè)面源治理工程設計比較嚴格，其中：流域多處設為限養(yǎng)區(qū)，這是否可以執(zhí)行到位；（2）散養(yǎng)化養(yǎng)殖的治理工程政府如何控制，這都會直接影響治理設計效果。在SD 預測中認為，流域多出設為限養(yǎng)區(qū)和散養(yǎng)化養(yǎng)殖管理的執(zhí)行度和當時環(huán)境容量需求有關，水環(huán)境壓力的增大帶來的剩余容量需求會促使政府強硬執(zhí)行，環(huán)境-經濟的耦合存在一個平衡關系?？梢酝ㄟ^SD 中延遲變量進行計算。在常規(guī)靜態(tài)分析中，這種延遲變量與壓力響應關系，很難數(shù)字化的表達出來，即使表達出來，也得不到驗證;（3）對工業(yè)廢水凈排放量預測，認為工業(yè)生產計劃性較強、廠址集中便于管理、政府態(tài)度明確。荊門為新興工業(yè)型城市，工業(yè)污染治理將是現(xiàn)階段與今后長期面對的問題，初期形成良好的模式對今后竹皮河流域工業(yè)發(fā)展有重大影響與作用。兩點結合起來，呈現(xiàn)出圖3效果。

圖1 SD 河體中污染物總量變化趨勢

圖 2各子系統(tǒng)污染物總量變化趨勢

圖3 方法效果比較

5、結論

本文提出以系統(tǒng)動力學作為相關規(guī)劃與承載系統(tǒng)的動態(tài)連接工具，定性地分析了經濟——環(huán)境耦合發(fā)展關系，對各變量間的關系加以描述并模擬系統(tǒng)的變化規(guī)律，構建出系統(tǒng)動力學模型；定量得到了各產業(yè)污染物總量和河體中污染物總量發(fā)展趨勢變化；動態(tài)得到了治理工程方案組合。結果顯示出了系統(tǒng)動力學分析與靜態(tài)分析的異同點，表現(xiàn)出了系統(tǒng)動力學的分析方法與模擬數(shù)據優(yōu)勢。該方法的運用可以有效地為規(guī)劃規(guī)模、結構、布局等方案的全局性優(yōu)化調整提供科學決策的基礎支撐。C

作者簡介：第一作者：朱建超，畢業(yè)于中南林業(yè)科技大學。現(xiàn)中國環(huán)境科學研究院工作，主要從事水環(huán)境數(shù)值模擬工作。

DOI：10.16116/j.cnki.jskj.2017.04.016