運(yùn)用灰色GM（1，1）系統(tǒng)模型預(yù)測北京市污水排放量

羨瑛楠，李云燕

（北京工業(yè)大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院，北京100124）

運(yùn)用灰色GM（1，1）系統(tǒng)模型預(yù)測北京市污水排放量

羨瑛楠，李云燕

（北京工業(yè)大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院，北京100124）

北京市水資源開發(fā)利用已經(jīng)超過了水資源承載能力范圍，由此引發(fā)的水資源短缺問題日益嚴(yán)重。對污水的綜合利用進(jìn)行研究可以達(dá)到持續(xù)利用水資源的目的，解決水資源短缺問題。以北京市2005—2012年污水排放量資料為基礎(chǔ)，運(yùn)用灰色系統(tǒng)模型，對工業(yè)、生活污水排放量及總污水排放量進(jìn)行了預(yù)測，分析北京市污水排放量走勢及存在的問題，提出未來北京市污水綜合利用的對策措施。

灰色系統(tǒng)模型；污水排放量；對策措施

水資源是人類生產(chǎn)和生活不可缺少的自然資源，也是生物賴以生存的環(huán)境資源。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人類對水資源的需求不斷增加，對環(huán)境的破壞日益加劇，造成了水資源短缺和水資源惡化。如果以國際極度缺水標(biāo)準(zhǔn)來衡量，北京能發(fā)展到今天可謂奇跡。國際極度缺水標(biāo)準(zhǔn)是人均500 m3，300m3是危及人類生存生活底線的災(zāi)難性標(biāo)準(zhǔn)，而北京人均水資源量則不到100m3。隨著北京的城市擴(kuò)張、工業(yè)發(fā)展和人口膨脹，豐富的地表水系迅速斷流、干涸，甚至地下水也超采嚴(yán)重，形成“有河皆干，有水皆污”的局面，缺水局面漸漸逼近。北京市1956—2000年平均水資源總量37.4億m3，但是從1999年以來，北京進(jìn)入連續(xù)枯水期，地表水資源量衰減59%，地下水資源量衰減37%，入境水量衰減77%。而同期北京城市人口快速增加，二者共同作用導(dǎo)致北京市人均水資源量減少到不足100m3，不到全國平均水平的1/20，成為全國人均水資源最少的地區(qū)。水資源已經(jīng)成為制約北京市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的第一瓶頸。因此研究污水綜合利用對北京市解決缺水問題有重要意義[1]。

本課題利用灰色系統(tǒng)理論建立預(yù)測用水量和污水排放量的GM（1，1）模型，并根據(jù)2003—2011年的原始數(shù)據(jù)對北京市2012—2020年不同的結(jié)構(gòu)用水量和污水排放量進(jìn)行預(yù)測，并對模型進(jìn)行檢驗(yàn)。最后根據(jù)預(yù)測量分析如何合理配置用水量，探討污水的回收利用途徑，為北京市解決水資源缺乏這一問題提供建議和參考辦法。

1 研究區(qū)域概況

1.1 自然地理概況

北京市位于北緯39°56'，東經(jīng)116°20'，地處華北大平原的北部，全市土地面積16 410.54 km2。北京地勢西北高聳，東南低緩。西部、北部和東北部是連綿不斷的群山，東南是一片緩緩向渤海傾斜的平原。北京市東部與天津市毗鄰，其余均與河北省交界。北京市共有大小河流200多條，但實(shí)際可歸納為天然河道自西向東五大水系：拒馬河水系和永定河水系、北運(yùn)河水系、潮白河水系和薊運(yùn)河水系。北京沒有天然湖泊。全市有水庫82座，其中大型水庫有密云水庫、官廳水庫、懷柔水庫和海子水庫。

1.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)概況

北京是我國首都，是中國的政治、文化、科教和國際交往中心，中國經(jīng)濟(jì)、金融的決策和管理中心，中華人民共和國中央人民政府和全國人民代表大會(huì)所在地，也是世界上最大的城市之一?，F(xiàn)有兩核心區(qū)，東城區(qū)和西城區(qū)；4個(gè)功能拓展區(qū)，海淀區(qū)、朝陽區(qū)、豐臺(tái)區(qū)、石景山區(qū)；以及5個(gè)城市發(fā)展新區(qū)和5個(gè)生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)。2012年末全市常住人口2 069.3萬人，比上年末增加50.7萬人。其中，在京居住半年以上的外來人口773.8萬人，增加31.6萬人。2012年全市實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值17 801億元，第一產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)增加值150.3億元，增長3.2%；第二產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)增加值4 058.3億元，增長7.5%，其中工業(yè)實(shí)現(xiàn)增加值3 294.3億元，增長7%；第三產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)增加值13 592.4億元，增長7.8%。

2 研究方法

2.1 灰色系統(tǒng)概念與內(nèi)容

在系統(tǒng)研究中，由于內(nèi)外擾動(dòng)的存在和認(rèn)識(shí)水平的局限，人們所得到的信息往往帶有某種不確定性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類社會(huì)的進(jìn)步，人們對各類系統(tǒng)不確定性的認(rèn)識(shí)逐步深化，不確定性系統(tǒng)的研究也日益深入。鄧聚龍教授于1982年在國際上首先提出的灰色系統(tǒng)理論[2]，灰色系統(tǒng)理論主要內(nèi)容包括以灰色朦朧集為基礎(chǔ)的理論體系，以灰色關(guān)聯(lián)空間為依托的分析體系，以灰色序列生成為基礎(chǔ)的方法體系，以灰色模型為核心的模型體系等。文中主要研究的是灰色理論中最主要、應(yīng)用最廣泛的GM（1，1）灰色預(yù)測模型。灰色模型既不是一般的函數(shù)模型，也不是完全的差分方程模型，或者完全的差分方程模型，而是具有部分差分、部分微分性質(zhì)的模型。

2.2 灰色系統(tǒng)模型概述

GM表示灰色理論的灰微分方程模型。GM（1，1）即一階一個(gè)變量的灰微分方程模型。GM（1，1）預(yù)測模型是最常用的一種灰色動(dòng)態(tài)預(yù)測模型[3]，其建模原理是：

設(shè)有一組原始序列：

對原始序列作一階累加生成，得：

再作x（1）的一階均值生成，得：

x=（x（2），x（3），…x（n））

解此微分方程的時(shí)間響應(yīng)函數(shù)為：

則此微分方程的時(shí)間響應(yīng)序列為：

式中參數(shù)a，u，可由最小二乘法求得：

通過累減還原得到x（0）的預(yù)測模型為：

3 北京市污水排放量預(yù)測模型

以2005—2012年北京市水資源公報(bào)公布的排污數(shù)據(jù)作為原始序列，分別對北京市污水排放總量、工業(yè)排放總量、生活污水排放量建立GM（1，1）模型，并運(yùn)用該模型預(yù)測北京市2013—2020年連續(xù)的污水排放量。

根據(jù)原始數(shù)據(jù)建立灰色模型，得污水排放總量預(yù)測模型為：

生活污水排放總量預(yù)測模型：

工業(yè)用水量預(yù)測模型：

后驗(yàn)差比值均小于0.35且小誤差概率均大于0.95，說明這3個(gè)模型精度高，均可用于預(yù)測。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 污水預(yù)測結(jié)果與分析

如圖1所示，2013—2020年，北京市污水排放總量呈上升趨勢，從2013年15.24億m3上升到2020年18.28億m3，平均上升速率為0.434億m3/a。且每年上升速率基本保持穩(wěn)定。另外，從圖1中可以看出污水排放總量與生活污水排放量的變化情況基本一致，由此可見，城市污水排放主要受生活污水排放的影響。

圖2中顯示工業(yè)污水排放量逐年下降，從2013年75.36萬t/d下降到2020年65.58萬t/d，平均下降速率為1.40萬t/d。生活污水排放量逐年上升，從2013年166.85萬t/d上升到2020年184.49萬t/d，平均上升速率為2.52萬t/d，與城市污水排放總量趨勢圖變化一致。

圖1 北京市2013—2020年污水排放總量

圖2 北京市2013—2020年生活污水和工業(yè)污水排放量

由于受到科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的制約，工業(yè)污水排放量下降趨勢會(huì)受到限制。影響其排放量下降的因素主要取決于兩個(gè)方面，一方面是當(dāng)工業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大時(shí)，工業(yè)污水排放量也隨著增加；另一方面依賴于社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，大大提高了工業(yè)用水的利用率，因工業(yè)用水量的下降會(huì)一定程度減少工業(yè)污水排放量[3]。要想進(jìn)一步減少工業(yè)污水排放量，要繼續(xù)加大對節(jié)水工藝、中水回收技術(shù)的研究，研發(fā)新工藝，推行清潔生產(chǎn)。

由于城市數(shù)量與規(guī)模迅速擴(kuò)張，使我國城市現(xiàn)有污水處理設(shè)施已“力不從心”，生活污水污染越來越嚴(yán)重，遠(yuǎn)超過工業(yè)污水排放量，占全國污水排放總量的一半以上。生活污水排放量的增長主要是因北京市人口不斷增加[4]，而人口增加也是因社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對第三產(chǎn)業(yè)需求不斷增大，從而提供了大量的就業(yè)機(jī)會(huì)，吸引了更多的勞動(dòng)力涌入城市，對水需求量的增加，也必然造成污水排放量的增加。

未來10年，北京市污水排放總量呈緩慢上升趨勢，2020年將達(dá)到18.279億m3/a。生活污水排放量占污水排放總量的70%，比重將進(jìn)一步加大，同時(shí)也說明生活污水排放造成的水污染會(huì)進(jìn)一步加大，工業(yè)污水排放造成的水污染趨勢有所抑制。所以如何有效控制生活污水排放對水環(huán)境的影響，是今后一段時(shí)期的重點(diǎn)工作。

4.2 污水可持續(xù)利用策略分析

4.2.1 制定科學(xué)利用污水的標(biāo)準(zhǔn)

污水處理廠決不能成為排污大戶，而應(yīng)該成為名副其實(shí)的污水過濾器。要想達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，必須重視污水處理廠的職能，科學(xué)監(jiān)管到位。首先，要及時(shí)對現(xiàn)有污水處理廠的水處理能力、吸納排放情況進(jìn)行調(diào)查摸底，科學(xué)評估每個(gè)污水處理廠的處理能力和處理效果，并依據(jù)這一調(diào)查結(jié)果，明確污水處理廠負(fù)責(zé)區(qū)域的工業(yè)排放控量標(biāo)準(zhǔn)，決不允許超標(biāo)準(zhǔn)排放和超處理承載能力的污水進(jìn)入。從而避免污水處理廠超標(biāo)排污行為的發(fā)生。

其次，建立嚴(yán)格的污水處理工藝評價(jià)檢測指標(biāo)，并建立相應(yīng)責(zé)任機(jī)制。對隨意調(diào)整污水處理標(biāo)準(zhǔn)、擅自降低處理成本從而導(dǎo)致處理結(jié)果不達(dá)標(biāo)，或者不經(jīng)處理直接排污的污水處理廠，要按照二次污染環(huán)境的違法事實(shí)，對污水處理廠進(jìn)行責(zé)任追究，并將其上升到失職失責(zé)和違反環(huán)境保護(hù)法的角度，從嚴(yán)處理。

4.2.2 理順?biāo)畠r(jià)體系，健全政策法規(guī)

環(huán)保部門作為水污染防治的行政主管部門，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)監(jiān)督執(zhí)法職能。以環(huán)保部門牽頭，其他部門積極參與水污染防治，各部門加強(qiáng)溝通、協(xié)調(diào)和配合。對水價(jià)改革的基本原則：一是調(diào)整水價(jià)與理順?biāo)畠r(jià)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，按照不同用戶的承受能力，建立多層次供水價(jià)格體系，充分發(fā)揮價(jià)格機(jī)制對用水需求的調(diào)節(jié)作用；二是水價(jià)制定與供水設(shè)施建設(shè)相結(jié)合，積極建立和培育水資源開發(fā)利用市場，實(shí)現(xiàn)水資源合理配置；三是合理利用水資源與防治水污染相結(jié)合，努力實(shí)現(xiàn)污水再生利用；四是水價(jià)形成機(jī)制改革與供水單位經(jīng)營管理體制改革相結(jié)合，推進(jìn)企業(yè)化管理和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營，強(qiáng)化水價(jià)對供水單位的成本約束，努力發(fā)揮市場機(jī)制在水資源配置中的基礎(chǔ)性作用；五是水價(jià)改革要結(jié)合北京市水資源供求狀況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)程以及社會(huì)承受能力，統(tǒng)籌規(guī)劃，分步實(shí)施[5]。

4.2.3 健全水資源補(bǔ)償制度

在市場經(jīng)濟(jì)體制下，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮市場機(jī)制在資源配置中的基礎(chǔ)作用。建立水資源補(bǔ)償制度就是利用市場機(jī)制配置水資源。通過建立水資源補(bǔ)償制度，利用經(jīng)濟(jì)手段實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置，從而實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，體現(xiàn)社會(huì)公平和諧，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，進(jìn)一步制定和完善水資源補(bǔ)償政策和相關(guān)法律法規(guī)，建立合理的污水補(bǔ)償政策，提高排污收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，才能以經(jīng)濟(jì)手段對企事業(yè)單位的排污行為施加影響，從而促使其主動(dòng)節(jié)水、治水，保護(hù)水資源及生態(tài)環(huán)境。

4.2.4 污水回收利用途徑

應(yīng)依據(jù)北京市水資源供需現(xiàn)狀、變化趨勢及潛在用戶分布，確定不同用途的再生水水質(zhì)水量需求。第一，污水再利用變成農(nóng)業(yè)用水。對當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及工業(yè)用水大戶的用水特點(diǎn)與現(xiàn)狀進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，確定工業(yè)用再生水的水質(zhì)水量需求，在其符合回收利用的標(biāo)準(zhǔn)后，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、土壤特征、綠地類型、農(nóng)作物類型，以及灌溉面積和灌溉周期等確定綠地灌溉用再生水的水質(zhì)水量需求，最后進(jìn)行綠地、農(nóng)林灌溉。其回收利用的優(yōu)點(diǎn)是水源成本低，且回收利用的水種含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)。第二，作為嚴(yán)重缺水的中國北方大都市的北京，利用污水處理廠的二級出水，滿足城市觀賞水面需水要求不僅是必要的，同時(shí)也是可行的。景觀環(huán)境用水，根據(jù)水體功能、環(huán)境，以及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、容量、蒸發(fā)耗散量、換水周期、地下滲透量、水體流動(dòng)性等因素，確定景觀環(huán)境用再生水的水質(zhì)水量需求。目前我國現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平下仍有一定困難，有關(guān)方面正在對再生水回用于景觀水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究與探討。第三，城市雜用及工業(yè)用水。二級處理后的再生水，無法直接用于工業(yè)，需進(jìn)行深度處理。工業(yè)回用應(yīng)采取城市處理回用與工廠、單位內(nèi)部處理回用相結(jié)合的原則。對于具備污水回用條件的、離城市污水處理廠近的工業(yè)企業(yè)應(yīng)優(yōu)先考慮利用再生水。對于距離城市污水處理廠遠(yuǎn)的工業(yè)企業(yè)，提倡內(nèi)部處理回用[6]。

在水資源十分緊缺的北京，污水回用為人們提供了一個(gè)非常經(jīng)濟(jì)的新水源，減少了社會(huì)對新鮮水資源的需求，同時(shí)也保護(hù)優(yōu)質(zhì)的飲用水源。通過將污水處理后回用，減少了污染物排放量，從而減輕了對城市周圍的水環(huán)境影響。比起南水北調(diào)巨大的工程投資更具有經(jīng)濟(jì)和實(shí)用價(jià)值，具有廣闊的發(fā)展前景。

[1] 楊勝敏，李法虎，劉洪祿.污水資源化是解決北京城市缺水的有效途徑[J].北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，19(6):33-36.

[2] 鄧聚龍.灰色系統(tǒng)理論教程[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1990:1-20.

[3] 劉思峰.灰色系統(tǒng)理論的產(chǎn)生與發(fā)展[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，36(2):267-272.

[4]蔣琴，曹國良，阮幸，等.基于灰色理論GM(1，1)模型的陜西省工業(yè)廢水排放量預(yù)測[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2012，37(2):91-95.

[5] 廖日紅.北京市再生水綜合利用策略研究[J].水利發(fā)展研究，2004(1):32-34.

[6] 趙寶江，李江，王麗萍.污水處理廠節(jié)能減排的實(shí)現(xiàn)途徑分析[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2010，30(011):49-52.

The gray GM(1,1)model to predict Beijing sewage system em issions

XIAN Yingnan,LIYunyan
（Institute of Recycling Economy,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China）

The developm ent and utilization of Beijing w ater resources has exceeded the scope of its w ater resources carrying capacity and triggered w orsening w ater shortages.The research of the utilization of sew age can use the w ater resources continuously and solve w ater shortage problem s.Based on Beijing sew age em issions data from 2005 to 2012, this paper uses Gray System Model;forecasts industrial sew age discharge,dom estic sew age discharge and the total volum e of sew age discharge;analyses Beijing w ater em issions trends and problem s;propose future sew age utilization countermeasures in Beijing.

Grey System M odel;w ater em issions;counterm easures

X703

A

1674-0912（2013）11-0027-04

2013－10－15）

北京工業(yè)大學(xué)第十一屆科技基金研究項(xiàng)目成果（ykj-2012-8509）；北京市重點(diǎn)學(xué)科資源、環(huán)境及循環(huán)經(jīng)濟(jì)資助項(xiàng)目（033000541213004）

羨瑛楠（1989-），女，河北保定人，人口資源與環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)專業(yè)碩士研究生，研究方向：環(huán)境經(jīng)濟(jì)與評價(jià)。