基于SD天津市水污染模型仿真

張雄

【摘要】隨著天津經(jīng)濟快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，水污染逐步加重，使得這個原本就缺水的城市水資源短缺矛盾更加突出，已經(jīng)嚴重影響到天津市的可持續(xù)發(fā)展。針對這一現(xiàn)狀，利用系統(tǒng)動力學軟件，構(gòu)建2005年至2020年的天津市水污染調(diào)控模型，在2005年至2014年的基礎(chǔ)上模擬出6種不同方案下的水污染情況。結(jié)果表明，在統(tǒng)籌經(jīng)濟發(fā)展和水環(huán)境保護的基礎(chǔ)上，保持經(jīng)濟以10%的速度增長，要及時從生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)三個污染源方面綜合調(diào)控水污染。開展農(nóng)村生活污水處理工作，提高工業(yè)用水重復(fù)利用率和工業(yè)污水集中處理比例，限制化肥農(nóng)藥使用，提高畜禽糞污削減率等可以有效的減少污染物的排放。

【關(guān)鍵詞】水污染；系統(tǒng)動力學；仿真模擬；天津市

0、引言

天津市地處我國華北平原東北部，海河流域的下游，是我國北方最大的首批沿海開放城市，也是資源性嚴重缺水城市。近五年來，天津市年均水資源總量約為16億立方米，人均本地水資源占有量僅為120立方米左右，都處于逐年減少的趨勢，遠低于國際公認的人均水資源占有量1000立方米的缺水警戒線。而且隨著天津市經(jīng)濟快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，污染物排放量逐步增多，水資源受到了嚴重污染。全市2013年43條河流水質(zhì)85%以上為V類水或劣V類水，其中V類水占14.4%，劣V類水占72.7%。水污染的加重致使少部分地區(qū)出現(xiàn)了水質(zhì)性缺水的情況，使得水資源短缺更為嚴重，已經(jīng)成為影響和制約天津市可持續(xù)發(fā)展的主要因素。因此，及時進行水污染的防治，阻止水污染產(chǎn)生進一步的惡化是保證天津市可持續(xù)發(fā)展的前提。

水污染的防控問題涉及人口、社會、經(jīng)濟、環(huán)境等諸多因素。因素自身不斷發(fā)生動態(tài)變化，因素之間也不斷的相互作用、相互反饋，從而構(gòu)成了一個多變量、多層次的復(fù)雜系統(tǒng)。對于這樣的系統(tǒng)，只考慮某一方面，采用單一的方法來研究顯然具有局限性。而能夠處理高階次、非線性、多回路的反饋系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學，是進行此類研究的有力工具。

系統(tǒng)動力學（簡稱SD—system dynamics）由美國麻省理工學院的福瑞斯特（J.W.Forrester）教授于1956年提出，是一門基于系統(tǒng)方法論、信息論、反饋理論、控制理論和計算機模擬技術(shù)交叉學科。它以定性分析為先導(dǎo)，定量分析為支持，兩者相輔相成，借助計算機模擬技術(shù)來分析研究系統(tǒng)內(nèi)部與其動態(tài)行為的關(guān)系，模擬系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，進行中長期的預(yù)測，從而尋覓解決問題的對策。國內(nèi)眾多學者利用系統(tǒng)動力學模型對水污染進行了許多研究，陳雪等利用系統(tǒng)動力學構(gòu)建阿什河流域水污染控制規(guī)劃模型，但僅僅只對模型進行了有效性檢驗并未進行進一步分析和預(yù)測；秦翠紅等構(gòu)建三峽庫區(qū)流域水污染仿真模型，并設(shè)置了4種發(fā)展方案進行模擬分析；榮紹輝等建立了許昌市水污染控制系統(tǒng)模型，模擬污染物排量和河流水質(zhì)之間的聯(lián)動關(guān)系；李陽等以南京市為例，對水污染問題進行仿真研究，提出綠色GDP核算體系。但可以看出，以往的研究主要是集中在流域地區(qū)和南方城市，而專門針對北方嚴重缺水型城市的水污染系統(tǒng)動力學研究尚不多見。而且以往大家對天津市水資源的研究，大多是應(yīng)用系統(tǒng)動力學從供需情況方面去對水資源承載力進行研究，或者只對天津市水污染進行定性分析。

因此，本文根據(jù)系統(tǒng)動力學的理論和方法，對天津市水污染情況進行模擬仿真，通過不同的系統(tǒng)行為和趨勢模擬，得到天津市水污染控制模擬的最佳方案，為天津市水污染防控提供一定的理論依據(jù)，也可為其他資源型缺水城市的水污染防控提供借鑒。

1、天津市水污染系統(tǒng)動力學模型構(gòu)建

本文采用Ventana系統(tǒng)公司創(chuàng)建的Vensim DSS軟件來進行天津市水污染系統(tǒng)動力學模型的構(gòu)建，分析水污染系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，確定變量間的關(guān)系以及相應(yīng)的取值，用圖形化編程建立模型并進行模擬，對模擬結(jié)果進行有效性檢驗后，對比不同的發(fā)展方案下水污染的防控情況，找出最佳方案。

1.1 系統(tǒng)邊界的確定

根據(jù)天津市水污染現(xiàn)狀特征和相關(guān)資料數(shù)據(jù)的可得性及準確性，分析影響水污染各因素間的相互關(guān)系，確定模型系統(tǒng)的邊界為整個天津市。模擬時段為2005年至2020年，步長為1年，以2005年為基準年構(gòu)建天津市水污染系統(tǒng)動力學模型，以便于能完整地反映天津市水污染情況。

1.2 模型子系統(tǒng)劃分

造成天津市水污染的污染源主要有家庭污水，農(nóng)村生活、畜禽、化肥的流失，工業(yè)廢水的排放等。概括來說，天津市污染來源主要是生活污水、農(nóng)業(yè)污水、工業(yè)污水，由此將天津市水污染系統(tǒng)劃分為四個子系統(tǒng)：人口子系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)、工業(yè)子系統(tǒng)、污染子系統(tǒng)。模型結(jié)構(gòu)見圖1。

人口子系統(tǒng)

人們在生產(chǎn)生活中不僅消耗水資源，還會產(chǎn)生污染物。天津市人口數(shù)量直接決定本市生活污染物排放量。選定總?cè)丝跀?shù)為人口子系統(tǒng)的流量變量，其存量主要受出生率、死亡率和機械增長人口的影響。由于總?cè)丝诎ǔ擎?zhèn)人口和農(nóng)村人口，但城鎮(zhèn)人口和農(nóng)村人口在生活污水排放量和生活污染物排放等方面存在差異，因此城鎮(zhèn)化率的高低也會影響水資源的污染的情況。

農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)主要包括種植業(yè)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)兩部分，這兩部分也正是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源。結(jié)合天津市具體情況，本系統(tǒng)選取農(nóng)田面積、豬養(yǎng)殖數(shù)量、牛養(yǎng)殖數(shù)量、羊養(yǎng)殖數(shù)量和家禽養(yǎng)殖數(shù)量為狀態(tài)變量。這些變量主要受到農(nóng)田面積變化率和各畜禽養(yǎng)殖變化率等因素的影響。

工業(yè)子系統(tǒng)

工業(yè)生產(chǎn)過程中所形成的污水和工業(yè)污染物是工業(yè)污染的重要兩個部分，該子系統(tǒng)中選取工業(yè)增長值為流位變量，以工業(yè)增長值變化量為流率變量，結(jié)合工業(yè)萬元產(chǎn)值廢水排放量和工業(yè)萬元產(chǎn)值污染物排放量來確定工業(yè)子系統(tǒng)中的廢水和污染物排放量。

污染子系統(tǒng)

污染子系統(tǒng)由生活污染、農(nóng)業(yè)面污染和工業(yè)污染三部分組成，這三部分分別對應(yīng)人口、農(nóng)業(yè)子和工業(yè)三個子系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合污水處理能力所帶來的污染物消減量，得到污水和污染物的最終結(jié)果?？紤]到天津市河流水質(zhì)現(xiàn)狀，確定污染子系統(tǒng)主要關(guān)注的變量為COD、氨氮、污水排放量。

1.3 模型參數(shù)選取

本文建立的系統(tǒng)動力學模型中狀態(tài)變量有總?cè)丝跀?shù)、工業(yè)增加值、耕地面積、四類畜禽養(yǎng)殖數(shù)量；控制變量有INTIAL TIME、FINAL TIME、SAVEPER、TIME STEP；變量方程包括基本運算函數(shù)、延時函數(shù)以及表函數(shù)；參數(shù)計算采用算數(shù)平均法、回歸分析、灰色系統(tǒng)預(yù)測模型等方法來計算。數(shù)據(jù)來源：2005年—2015年的《天津市統(tǒng)計年鑒》、《天津市水資源公報》、《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》、《2008-2020年天津水系規(guī)劃》、《天津市水資源與水環(huán)境綜合管理規(guī)劃的研究編制》、《第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》、《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)與排污系數(shù)手冊》、《第一次全國污染源普查農(nóng)業(yè)污染源肥料流失系數(shù)手冊》等。

1.4 模型有效性檢驗

構(gòu)建模型后必須要進行檢驗來驗證模型構(gòu)建的正確性，進而確保模型的運行結(jié)果與實際系統(tǒng)行為相符合。系統(tǒng)動力學有效性檢驗方法一般有直觀檢驗、歷史檢驗、運行檢驗和靈敏度分析幾種。本文采用歷史檢驗的方法來驗證模型的有效性，就是通過比較模型的仿真值與歷史統(tǒng)計的實際值，以驗證擬合度的好壞來判斷模型的有效性。選擇本模型中總?cè)丝跀?shù)、工業(yè)增加值、生活產(chǎn)生的污水、COD、氨氮排放量和工業(yè)產(chǎn)生的污水、COD、氨氮排放量這八個變量的模擬值與真實數(shù)據(jù)進行對比，檢驗結(jié)果見表1。所有變量相對誤差均未超過10%，其中最大誤差率為6.24%，說明該模型的仿真結(jié)果和歷史實際值擬合度較高，可用于天津市水污染趨勢仿真預(yù)測。

2、方案設(shè)計及分析

天津市水污染的來源主要來自生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)三個方面，要想調(diào)控天津市的水污染，應(yīng)該從這三個方面去考慮，因此選取城鎮(zhèn)化率、工業(yè)增加值變化率、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、工業(yè)、畜禽養(yǎng)殖COD和氨氮排放系數(shù)等作為決策變量。通過改變不同的決策變量得到不同的方案，進而模擬出天津市水污染趨勢的動態(tài)變化；通過對不同方案模擬出的結(jié)果比較，找尋最優(yōu)方案。

2.1 方案設(shè)計

方案1：維持現(xiàn)狀型。保持現(xiàn)有參數(shù)不變，按照現(xiàn)有發(fā)展趨勢自由發(fā)展，所有決策變量維持2014年現(xiàn)狀，不采取進一步的污染控制措施。該方案能反映政策在不發(fā)生變化情況下的發(fā)展趨勢，其結(jié)果可以作為其他方案的對比參考。

方案2：生活源消減型。該方案讓天津市經(jīng)濟保持快速發(fā)展，主要從控制總?cè)丝跀?shù)和提高水污染處理兩個方面考慮。在十三五期間，推進國家新型城鎮(zhèn)化，根據(jù)《天津市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》，到2020年，天津市常住人口控制在1800萬人以內(nèi)，城鎮(zhèn)化率將達84%。天津市城鎮(zhèn)生活污水和污染物處理率在原有的基礎(chǔ)上進一步提高，到2020年達95%以上，并及時發(fā)展農(nóng)村生活污水的處理工作，到2020年達60%，從生活源方面降低水污染。

方案3：工業(yè)源消減型。該方案中讓天津市經(jīng)濟保持10%的速度發(fā)展，設(shè)定工業(yè)增加值增長率為10%，通過將工業(yè)用水重復(fù)利用率由92.8%進一步提高到95%以上，萬元工業(yè)增加值耗水量降低到7立方米，并且隨著城市污水處理廠或工業(yè)集聚區(qū)的污水處理廠的興建，大大提高了工業(yè)廢水集中處理的比例，從而降低工業(yè)污染物的排放。

方案4：點源消減型。結(jié)合方案2和方案3，在保持經(jīng)濟繼續(xù)發(fā)展的同時，一方面降低生活污染源、工業(yè)污染源點源污染的排放，一方面增強污染物的處理。

方案5：：農(nóng)業(yè)面源消減型。該方案主要從農(nóng)業(yè)污染源思考，通過降低化肥和農(nóng)藥的使用量，以有機肥代替，使得耕地COD和氨氮的排放量降低10%；通過采用不同的飼養(yǎng)方式或畜禽糞污處理方式降低畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物造成的污染。以飼養(yǎng)生豬為例，當采用干清糞的清糞工藝時，每只育肥生豬COD的排放量為30.78克/天；當采用水沖清糞的清糞工藝時，每只育肥生豬COD的排放量為281.35克/天。由此可見，糞污處理方式會影響畜禽COD排放量的高低。

方案6：點源面源結(jié)合消減型。該方案在方案4的基礎(chǔ)上，增加對農(nóng)業(yè)污染面源的考慮，主要從耕地污染物和畜禽養(yǎng)殖污染物的消減的方面去思考。

2.2 方案模擬分析

將以上六種方案下的決策變量取值輸入天津市水污染控制系統(tǒng)中進行模擬，得到不同方案下污水排放量，COD排放總量及氨氮排放總量的運行結(jié)果如表2和圖2-4所示。

由圖2可知，天津市污水排放總量在六種方案下不斷增加，原因是因為這六種方案下都以保持了經(jīng)濟發(fā)展為前提，但是在不同的方案下，污水排放增加量不同。由圖3和圖4可知，天津市COD和氨氮排放總量在不同的方案下，有增有減，說明不同的方案設(shè)計對污染物的排放有截然相反的影響。

如果按照方案1維持現(xiàn)狀發(fā)展，在保持經(jīng)濟繼續(xù)發(fā)展的前提下，天津市的污水排放總量以及COD和氨氮排放量迅速增加，增加率分別為27.8%、15.3%、24%，天津市的水污染程度將不斷惡化。方案2、方案3和方案5分別從生活源、工業(yè)源和農(nóng)業(yè)源方面去調(diào)控天津市的水污染。在方案2的發(fā)展形勢下，天津市COD及氨氮排放總量都不斷減少，但污水排放的增加率較高，說明生活源對COD和氨氮排放起約束作用；在方案3的發(fā)展形勢下，污水的排放增加率為這三個方案中最低，但COD和氨氮排放量卻不斷增加，說明工業(yè)源對污水排放起的約束作用較大；在方案5的發(fā)展形勢下，COD的排放總量不斷減少，但污水和氨氮的排放量不斷增加，且增加率較高，說明農(nóng)業(yè)污染源也對COD排放起約束作用。由此可見，為了改善天津市水污染情況，僅僅靠單一的手段去調(diào)控是遠遠不夠的，必須要考慮多個方面。

結(jié)合方案2和方案3，得到方案4，從點源污染對天津市水污染進行調(diào)控，起到的作用比較明顯。在保持經(jīng)濟快速發(fā)展的前提下，污水排量增加了9.5%，COD排放量降低5.1%，氨氮排放量降低12.6%。如果在方案4的基礎(chǔ)上再考慮農(nóng)業(yè)面源污染，降低耕地和畜禽養(yǎng)殖污染的排放，得到方案6。從點源和面源兩個方面去調(diào)控，污水排放量增加率為9.1%，COD排放量降低24.1%，氨氮排放量降低18.8%。污水排放量增加率和方案4的結(jié)果相近，但COD和氨氮排放量的削減率都遠高于方案4的結(jié)果。因此，方案6可以作為天津市水污染調(diào)控最優(yōu)方案。

3、建議

通過建立天津市水污染模型并與對模型運行結(jié)果進行分析，對天津市水污染調(diào)控提出以下幾點建議：

3.1 天津市的水污染控制不能僅用單一的手段去調(diào)控，應(yīng)該要從生活源、工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源三個方面去綜合考慮，從點源污染和面源污染兩個方面共同去制約水污染的加重。

3.2 對于點源污染調(diào)控來說，應(yīng)該盡快開展農(nóng)村生活污水的處理工作，提高生活污水的處理率；可以在保持經(jīng)濟快速發(fā)展的同時緊抓工業(yè)企業(yè)污染達標工作，加大工業(yè)源污染的控制水平，提高工業(yè)用水重復(fù)利用率和工業(yè)廢水集中處理的比例，協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展和水環(huán)境治理保護。

要重視農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生，由模擬結(jié)果可知，在點源污染防控基礎(chǔ)上考慮農(nóng)業(yè)面源污染的防控，能使COD和氨氮排放量分別再降低19%和5%。由此說明，加大對農(nóng)業(yè)污染治理的重視能在水污染防控上取得較好的效果。

3.3 對于農(nóng)業(yè)面源污染調(diào)控來說，要加快建設(shè)生態(tài)農(nóng)業(yè)體系建設(shè)，限制化肥農(nóng)藥的使用，以環(huán)保型肥料代替；建造畜禽糞污無害化處理設(shè)備，防止相關(guān)污染物的流水對水體造成污染。

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基金項目：國家水體污染控制欲治理科技重大專項課題資助項目（2012ZX07308-001-06）。