基于ABM+SD耦合模型的滇池流域水價(jià)政策仿真

張家瑞,王慧慧,曾維華*

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基于ABM+SD耦合模型的滇池流域水價(jià)政策仿真

張家瑞1,2,王慧慧2,曾維華2*

(1.中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,天津 300461；2.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100875)

針對(duì)滇池流域水資源短缺及現(xiàn)行水價(jià)政策存在的諸多問題,從政策仿真角度綜合考慮水資源供給會(huì)影響水資源價(jià)格,進(jìn)而影響居民和工業(yè)企業(yè)的水資源消費(fèi)行為,提出基于滇池流域水資源承載力約束下耦合多主體建模(ABM)和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SD)的流域水價(jià)政策復(fù)雜系統(tǒng)模型,并依據(jù)滇池水污染防治“十三五”規(guī)劃目標(biāo),對(duì)滇池流域水價(jià)政策進(jìn)行仿真分析.結(jié)果表明:若達(dá)到“十三五”規(guī)劃的目標(biāo)要求,在綜合產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和政策調(diào)整的情況下,保持現(xiàn)有水價(jià)計(jì)量和計(jì)算方式不變,滇池流域居民水價(jià)應(yīng)提高至3.23元/m3,工業(yè)水價(jià)應(yīng)提高至4.99元/m3;通過加快對(duì)流域水價(jià)政策的調(diào)控,可有效引導(dǎo)居民Agents和企業(yè)Agents采取節(jié)水措施,提高其用水效率;建議滇池流域適當(dāng)減少調(diào)水量至3.06億m3,可將支付調(diào)水補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用,用于再生水設(shè)施的建設(shè),提高其再生水回用率至33%,從而保障水資源的長(zhǎng)效可持續(xù)利用.

滇池流域；水資源承載力；居民水價(jià)；政策仿真

近年來,隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快,城市對(duì)水資源的需求日益增加,部分城市缺水問題已越發(fā)嚴(yán)峻,而城市水價(jià)制度和政策的不合理使得這一問題更加突出[1].眾所周知,水價(jià)的制定和實(shí)施是保證國(guó)家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和長(zhǎng)治久安的重要政策措施之一[2].合理水價(jià)不僅能反映供水的商品價(jià)值,也能充分體現(xiàn)出水資源的資源價(jià)值和環(huán)境價(jià)值[3].當(dāng)前,中國(guó)水資源的一個(gè)突出問題是水定價(jià)不合理,水資源使用長(zhǎng)期處于“廉價(jià)”狀態(tài),對(duì)比生活用水平均價(jià)格最高的法國(guó),中國(guó)城鎮(zhèn)居民用水價(jià)格極低,僅占法國(guó)的6%,而水價(jià)長(zhǎng)期偏低一定程度上導(dǎo)致單位和居民的用水浪費(fèi)、價(jià)格不能起到引導(dǎo)和改變?nèi)藗兊男枨蠼Y(jié)構(gòu)和用水行為的目的[4-5].諸多研究[6-10]也表明制定合理水價(jià)是使水資源得到最有效利用的最好方法,它是應(yīng)對(duì)環(huán)境損害、資源短缺及其耗竭導(dǎo)致的供水成本迅速增長(zhǎng)的一個(gè)重要措施.與此同時(shí)水價(jià)政策的制定對(duì)相關(guān)工業(yè)部門、第三產(chǎn)業(yè)以及城市居民的承受能力等都是政府決策部門和全社會(huì)所關(guān)注的重要問題[11].由于涉及因素多而復(fù)雜,這些問題尚未得到很好的研究[12].近幾年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展針對(duì)政策的模擬仿真研究逐漸興起,由于該方法能最大程度上減小政策實(shí)施的成本和風(fēng)險(xiǎn),幫助決策者制定正確的方針政策,從而得到了快速的發(fā)展.

在研究復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)方面,ABM(Agent- Based Model)作為一種重要的工具已在國(guó)內(nèi)外的水價(jià)政策實(shí)際應(yīng)用中所發(fā)揮的決策支持作用越來越明顯.國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用ABM模型對(duì)水價(jià)政策開展了諸多研究[12-15].國(guó)內(nèi)學(xué)者[13-14]基于ABM模型對(duì)水資源供需以及家庭用水需求開展相關(guān)研究.國(guó)外學(xué)者[15]利用ABM模型對(duì)城市發(fā)展中水資源需求以及水價(jià)格仿真模擬研究.與此同時(shí),基于SD(System dynamics)模型的水價(jià)政策研究也有報(bào)道[16-21].國(guó)外學(xué)者[16-19]利用SD模型模擬水資源利用效率、水資源價(jià)格以及水定價(jià)等相關(guān)政策,認(rèn)為合理的水價(jià)會(huì)促使水資源利用效率的提高,并保證社會(huì)的公平性.國(guó)內(nèi)學(xué)者[20-21]主要利用SD模型對(duì)城市節(jié)水效果進(jìn)行定量評(píng)估,同時(shí)還模擬了水價(jià)調(diào)控對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及生活需水的影響.

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究多數(shù)是基于單一模型對(duì)水價(jià)政策進(jìn)行研究,較少從宏觀社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境和微觀多Agents角度來探討其合理性,實(shí)際情況下由于ABM不能及時(shí)反饋整體效應(yīng)給個(gè)體Agent,而宏觀SD模型也不能實(shí)時(shí)反映局部變化情況,使得這兩個(gè)單體模型尚不能很好解決一個(gè)整體復(fù)雜的系統(tǒng)仿真.為此,本研究基于復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)(CAS)理論,提出基于滇池流域水資源承載力約束下耦合ABM和SD的水價(jià)政策復(fù)雜系統(tǒng)模型框架,將系統(tǒng)中的政府、企業(yè)、居民等成員看做主體,通過智能仿真模擬微觀企業(yè)Agents和居民Agents對(duì)水價(jià)政策的適應(yīng)行為,進(jìn)而通過確定合理的微觀居民/工業(yè)用水價(jià)格,將各Agents對(duì)水價(jià)政策的結(jié)果涌現(xiàn)到宏觀社會(huì)–經(jīng)濟(jì)–環(huán)境這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng).本研究意在通過模擬不同主體對(duì)水價(jià)政策的適應(yīng)行為,確定合理水價(jià),進(jìn)而影響其用水行為,達(dá)到節(jié)水的目的.

1 數(shù)據(jù)來源和耦合模型設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究所涉及的數(shù)據(jù)來源于滇池流域“十五”至“十二五”期間水污染防治規(guī)劃、《昆明城市總體規(guī)劃修編(2006~2020)》、昆明市歷年水價(jià)征收標(biāo)準(zhǔn)、2001~2014年昆明統(tǒng)計(jì)年鑒[22]、2001~2014年昆明環(huán)境狀況公報(bào)、2001~2014年昆明水資源公報(bào)、云南省環(huán)境狀況公報(bào)以及“滇池水專項(xiàng)”相關(guān)研究成果報(bào)告等確定模型中各參數(shù).同時(shí)通過對(duì)昆明市主城區(qū)(盤龍區(qū)、五華區(qū)、西山區(qū)和官渡區(qū))發(fā)放調(diào)查問卷以及咨詢當(dāng)?shù)毓┧块T等方式來獲取各Agents的基本屬性.模型以2009年為基準(zhǔn)年,依據(jù)滇池流域水價(jià)政策現(xiàn)狀收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),運(yùn)行至2014年,并根據(jù)率定后的模型參數(shù),對(duì)滇池流域水價(jià)進(jìn)行智能仿真分析.

1.2 耦合模型設(shè)計(jì)

1.2.1 滇池流域水價(jià)政策ABM仿真設(shè)計(jì) 由于滇池流域水價(jià)政策是當(dāng)?shù)貙?shí)施較早、較成熟、開展最為廣泛的政策之一,同時(shí)水價(jià)政策通過制定一定的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),直接作用于城鎮(zhèn)居民、企業(yè)等微觀主體,因此本研究采用ABM的方法,仿真模擬滇池流域水價(jià)政策對(duì)微觀居民Agents、企業(yè)Agents、各行業(yè)Agents等用水行為的調(diào)控,研究各政策對(duì)社會(huì)–經(jīng)濟(jì)–環(huán)境的影響,為政府Agent決策提供支撐.

(1)政府Agents 政府Agents對(duì)應(yīng)滇池流域(昆明市)政府及制定和實(shí)施其它水污染防治環(huán)境經(jīng)濟(jì)政策的相關(guān)行政機(jī)構(gòu),是整個(gè)政策系統(tǒng)的最高層.政府Agent的行為主要包括:①制定水價(jià)政策的相關(guān)征收標(biāo)準(zhǔn),從而調(diào)控企業(yè)Agents、居民Agents的用水行為;②統(tǒng)計(jì)分析各類Agent— —居民Agents、企業(yè)Agents、行業(yè)Agent的用水情況、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況等信息,并作出決策,調(diào)整以上各政策的征收標(biāo)準(zhǔn),再將信息發(fā)送給各用水Agent,其它用水Agent即會(huì)根據(jù)所獲取的政策標(biāo)準(zhǔn)信息,根據(jù)自身的情況,適應(yīng)性的優(yōu)化調(diào)整自身的用水行為,從而再次涌現(xiàn)到宏觀系統(tǒng),政府Agent再次對(duì)這些新的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如此循環(huán)演化,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)控、反饋與優(yōu)化.政府Agent水價(jià)收費(fèi)政策傳導(dǎo)機(jī)制見圖1.

(2)居民Agents 居民Agents的主要行為是根據(jù)日常生活需要消費(fèi)一定的水資源.生活用水的消費(fèi)可為居民Agent帶來生活上的舒適;同時(shí)消費(fèi)水也需要支出一定的水費(fèi),因此居民也會(huì)關(guān)注水價(jià),根據(jù)自身的收入情況,進(jìn)行自身用水行為的調(diào)整,以達(dá)到最大的用水舒適度.居民Agents的適應(yīng)性主要是在一定的水價(jià)條件下,根據(jù)自身可支配收入情況,選擇消費(fèi)水量,以獲取最大的用水舒適度.根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,滇池流域供水到戶的城鎮(zhèn)居民施行四級(jí)階梯水價(jià)(表1),本研究通過實(shí)地調(diào)研,獲取各個(gè)階梯家庭Agents的基本屬性——月用水量、各個(gè)用水階梯家庭的比例及可支配收入().根據(jù)可支配收入的多少,分為低收入家庭[0.6, 0.8]、中低收入家庭[0.8,]、中等收入家庭[, 1.2]和高收入家庭[1.2, 1.5].

圖1 政府Agents水價(jià)收費(fèi)政策傳導(dǎo)機(jī)制

Fig 1 The conduction mechanism of water price charging policy for government Agents

表1 滇池流域水價(jià)政策征收標(biāo)準(zhǔn)歷年調(diào)整表

①當(dāng)各個(gè)家庭的屬性確定后,每個(gè)家庭會(huì)自主計(jì)算水費(fèi)支出p,根據(jù)滇池流域階梯水價(jià)情況,p的計(jì)算見式(1).

式中:1為基礎(chǔ)水價(jià), 元/m3;為各家庭Agent月用水量, m3.

②各居民Agent可根據(jù)式(1)計(jì)算出當(dāng)月水費(fèi)支出是否超出可承受范圍.由于是家庭月用水量,采用下式計(jì)算水費(fèi)支出情況:

式中:為城鎮(zhèn)居民平均每個(gè)家庭人口數(shù),根據(jù)最新人口普查結(jié)果,滇池流域?yàn)?.73;為可支配收入.

如果p滿足上式,則計(jì)該居民Agent為超.根據(jù)滇池流域五華區(qū)《重大決策社會(huì)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)施細(xì)則》,以超是否大于20%,作為水價(jià)政策決策群眾支持率的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).

③居民Agents根據(jù)本月的p來調(diào)整下一個(gè)月的用水量,對(duì)于超的居民Agents,下個(gè)月將減少用水量;對(duì)于p<2%的居民,下一個(gè)月可選擇增加、減少或保持現(xiàn)有用水量.

④系統(tǒng)每隔12個(gè)月(1a),將會(huì)根據(jù)5000居民Agents的用水情況采用下式統(tǒng)計(jì)一次整個(gè)流域城鎮(zhèn)人口年用水量城鎮(zhèn):

式中:總為滇池流域總?cè)丝?萬人;為滇池流域城鎮(zhèn)化率;居民Agents為每月5000個(gè)居民Agents月總用水量, m3;同式(2),取2.73;12為月數(shù).

⑤通過城鎮(zhèn)將微觀居民Agents的涌現(xiàn)結(jié)果反饋到宏觀環(huán)境系統(tǒng)中,與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SD)耦合,即可得出城鎮(zhèn)生活用水總量和城鎮(zhèn)人均生活用水量V數(shù)據(jù).如果城鎮(zhèn)人均生活用水量B大于人均年用水量指標(biāo),結(jié)果將反饋給政府Agent,政府Agent將再次調(diào)整并提高水價(jià)以控制和調(diào)節(jié)居民Agents的用水行為,進(jìn)行下一循環(huán)的仿真.如果用水量低于,系統(tǒng)即可輸出水價(jià),供政府Agent參考.

(3)企業(yè)Agents 企業(yè)Agents是這個(gè)系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主體,通過生產(chǎn)活動(dòng),消耗一定的水量.企業(yè)Agents在生產(chǎn)過程中消費(fèi)水量,需要交納水費(fèi).同時(shí)企業(yè)Agents在運(yùn)營(yíng)過程中主要是根據(jù)總費(fèi)用最小的原則選擇用水方式.在模型開始時(shí)導(dǎo)入455家滇池流域污染源普查的企業(yè),企業(yè)Agent的屬性包含以下5個(gè)指標(biāo):企業(yè)名稱(Name)、行業(yè)類別(Type)、工業(yè)增加值(萬元)、萬元工業(yè)增加值新鮮水耗(m3/萬元)、工業(yè)用水重復(fù)利用率(%).

①根據(jù)滇池流域水價(jià)政策的征收標(biāo)準(zhǔn)和征收范圍,在企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的水價(jià)收費(fèi)計(jì)算公式如下:

式中:S為水費(fèi),元;I企業(yè)Agent工業(yè)增加值;W為企業(yè)Agent萬元工業(yè)增加值新鮮水耗,m3/萬元;P為工業(yè)水價(jià),元/m3.

此外,企業(yè)在重復(fù)使用二次水的過程中,由于引進(jìn)技術(shù)或者改造升級(jí)設(shè)備等,也會(huì)產(chǎn)生二次水使用費(fèi)用[23];二次水使用費(fèi)用計(jì)算公式如下:

式中:E為二次水費(fèi)用,元;W為企業(yè)Agent萬元工業(yè)增加值總耗水量,m3/萬元;β為企業(yè)Agent工業(yè)用水重復(fù)利用率;P為二次水價(jià)格,元/m3.

②每一年同一行業(yè)類型的企業(yè)Agents,將本行業(yè)的用水參數(shù)耦合到系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SD)各企業(yè)Agents所屬的行業(yè)Agent中,從而計(jì)算整個(gè)行業(yè)的用水量.在每一年仿真結(jié)束后,政府Agent將會(huì)統(tǒng)計(jì)分析并獲取整個(gè)工業(yè)企業(yè)的用水?dāng)?shù)據(jù),與相關(guān)規(guī)劃和總量控制目標(biāo)進(jìn)行比較,如果達(dá)到相關(guān)指標(biāo)的要求,則輸出各政策的價(jià)格;如果未達(dá)到要求,政府Agent將在下一仿真周期前對(duì)政策進(jìn)行調(diào)整.

同時(shí)水價(jià)的完全成本包含資源水價(jià)、工程水價(jià)、環(huán)境水價(jià)和邊際使用成本[24],在同一區(qū)域內(nèi),可認(rèn)為工程水價(jià)、環(huán)境水價(jià)和邊際使用者成本相同.我國(guó)水價(jià)正處于商品供水價(jià)格管理階段,作為一種商品,水資源稀缺性對(duì)水價(jià)的影響與普通商品類似,即商品越稀缺,價(jià)格越高;商品越豐富,價(jià)格越低[24].因此,一個(gè)地區(qū)的水價(jià)與該地區(qū)可供水資源利用量密不可分.水資源價(jià)格可采用下式表示:

式中:0為水資源價(jià)格;0為水資源價(jià)格調(diào)整系數(shù),為1.15;0為水資源使用價(jià)值,參考相關(guān)文獻(xiàn)[24-25],本文取0.62元;d為水資源需求量,m3;s為可供水資源利用量,m3;0為水資源供給彈性系數(shù),取0.28.

通過式(6)可看出,水資源價(jià)格與可供水資源利用量密切相關(guān),且隨著可供水資源利用量的增加而減少.再生水回用相對(duì)增加了一個(gè)地區(qū)可供水資源利用量.因此,本文在調(diào)控水價(jià)時(shí),考慮滇池流域內(nèi)再生水回用量,增加再生水利用影響因子,采用下式計(jì)算調(diào)整后水價(jià):

式中:Qh為再生水回用量,m3;當(dāng)計(jì)算居民水價(jià)時(shí),Po為居民基礎(chǔ)水價(jià)P1,當(dāng)計(jì)算工業(yè)水價(jià)時(shí),Po為工業(yè)水價(jià)Ps.

(4)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)Agents 行業(yè)Agents和產(chǎn)業(yè)Agents是滇池流域主要用水主體,其中行業(yè)Agent主要包括煙草制品業(yè)、有色金屬冶煉及壓延加工業(yè)、醫(yī)藥制造業(yè)等21個(gè)Agent,產(chǎn)業(yè)Agent包含第一產(chǎn)業(yè)Agent、第二產(chǎn)業(yè)Agent和第三產(chǎn)業(yè)Agent.行業(yè)Agents和產(chǎn)業(yè)Agents是傳導(dǎo)和體現(xiàn)微觀企業(yè)Agents特征的橋梁,是將ABM和SD耦合起來的紐帶.各行業(yè)Agent通過獲取本行業(yè)內(nèi)企業(yè)Agents的用水、排污參數(shù),根據(jù)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)情況,產(chǎn)生污水和排放污染物.政府Agent根據(jù)各個(gè)行業(yè)的用水排污情況,通過控制其經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的方式,調(diào)控各行業(yè)Agent的用水和排污行為,從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展.行業(yè)Agents與政府Agent和企業(yè)Agents交互關(guān)系見圖2.

1.2.2 水價(jià)政策ABM+SD耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì) SD模型是將研究的復(fù)雜系統(tǒng)分為若干子系統(tǒng),分析各子系統(tǒng)中各要素的因果關(guān)系,建立各子系統(tǒng)間的因果關(guān)聯(lián),從而建立系統(tǒng)回路的綜合模型.SD模型通過定量與定性相結(jié)合的方式,具有處理非線性、時(shí)間延遲等能力,可用來模擬系統(tǒng)對(duì)不同政策的響應(yīng),并且可以通過仿真來預(yù)測(cè)不同政策下各子系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果,特別適合中長(zhǎng)期系統(tǒng)研究[26].本文ABM與SD耦合系統(tǒng)主要包括:人口–資源子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)–資源子系統(tǒng)和水資源供需平衡子系統(tǒng).

(1)人口–資源子系統(tǒng) 通過將滇池流域總?cè)丝?常住人口)分成農(nóng)村人口和城鎮(zhèn)人口兩部分,并與居民Agents進(jìn)行耦合.人口–資源–環(huán)境子系統(tǒng)中,居民Agents在日常生活中消耗水資源,產(chǎn)生生活污水,排放污染物到環(huán)境中;通過人均GDP體現(xiàn)流域內(nèi)居民的社會(huì)生活水平.本文主要研究城鎮(zhèn)供水水價(jià)對(duì)城鎮(zhèn)“一表一戶”居民用水的影響,農(nóng)村人口用水根據(jù)排污系數(shù)法,結(jié)合“滇池水專項(xiàng)”以往的調(diào)查數(shù)據(jù)確定參數(shù),通過系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真模擬.圖3人口–資源子系統(tǒng)ABM耦合SD系統(tǒng)流圖.

(2)經(jīng)濟(jì)–資源子系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)–資源子系統(tǒng)通過經(jīng)濟(jì)活動(dòng)創(chuàng)造社會(huì)產(chǎn)值,在生產(chǎn)過程中消耗水量.經(jīng)濟(jì)–資源子系統(tǒng)中包含的Agent類型及名稱見表2.圖4為經(jīng)濟(jì)–資源子系統(tǒng)ABM耦合SD系統(tǒng)流圖.

表2 經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)Agents 類型

(3)水資源供需平衡子系統(tǒng) 水資源供需平衡子系統(tǒng)主要是通過ABM耦合SD模型計(jì)算流域內(nèi)居民、企業(yè)等在生產(chǎn)和生活中消耗的水資源量,涵蓋滇池生態(tài)需水量和城市環(huán)境生態(tài)需水量(城市綠化、道路清掃等),匯總以上得出流域內(nèi)總用水量,并與流域可供水資源量和再生水回用量(包含分散式再生水回用量和集中式再生水回用量)進(jìn)行對(duì)比,如果供需平衡30,則說明水價(jià)政策與現(xiàn)階段的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活相適應(yīng);如果供需平衡<0,則提高再生水回用量,以滿足供需平衡30,同時(shí)根據(jù)再生水回用情況,進(jìn)一步調(diào)整水價(jià)和各行業(yè)用水方式(圖5).

圖3 人口–資源子系統(tǒng)ABM耦合SD系統(tǒng)流

圖4 經(jīng)濟(jì)–資源子系統(tǒng)ABM耦合SD系統(tǒng)流

1.3 耦合模型主要參數(shù)及Agents設(shè)置

1.3.1 耦合模型主要參數(shù) 模型以2009年為基準(zhǔn)年,依據(jù)水價(jià)政策現(xiàn)狀收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),運(yùn)行至2014年.根據(jù)《滇池流域水污染防治規(guī)劃研究報(bào)告》[中2014年滇池流域相關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定并輸入相關(guān)數(shù)據(jù),根據(jù)模型主要參數(shù)及主要Agents設(shè)置,構(gòu)建基于Anylogic平臺(tái)的ABM耦合SD智能仿真模型(表3).

1.3.2 主要Agents設(shè)置 以2009年為基準(zhǔn)年,通過模型中各項(xiàng)參數(shù),以2014年數(shù)據(jù)為依托,預(yù)測(cè)至2020年,從水價(jià)政策調(diào)整角度,對(duì)滇池流域水價(jià)進(jìn)行智能仿真.

(1)居民Agents設(shè)置 居民Agents以家庭為單位,共5000戶,其中滇池流域城鎮(zhèn)居民人均年用水量指標(biāo)設(shè)置為80m3/a;城鎮(zhèn)居民階梯水價(jià)政策直接影響居民Agents的用水行為,居民Agents通過式(3)耦合到SD模型.

表3 模型運(yùn)行主要參數(shù)

(2)企業(yè)Agents、行業(yè)Agents和產(chǎn)業(yè)Agents設(shè)置 企業(yè)Agents有455家,包含行業(yè)Agents的所有類型,輸出萬元產(chǎn)值耗水量(m3/萬元)、萬元工業(yè)增加值新鮮水耗(m3/萬元)的參數(shù)至各行業(yè)Agents;各行業(yè)Agents增加值依據(jù)《規(guī)劃研究報(bào)告》,初始增長(zhǎng)率設(shè)為0.1,最低不低于6.5%,高耗水的行業(yè)下一周期降低其增長(zhǎng)率,低水耗的行業(yè)下一周期適當(dāng)增加其增長(zhǎng)率,6種情景方案(表4)均按照此增長(zhǎng)率發(fā)展;第一產(chǎn)業(yè)Agents和第三產(chǎn)業(yè)Agents依照《規(guī)劃研究報(bào)告》和《總量控制報(bào)告》中速率發(fā)展和耗水,同時(shí)考慮產(chǎn)業(yè)節(jié)水技術(shù)的進(jìn)步,6種情景方案中第一產(chǎn)業(yè)Agents和第三產(chǎn)業(yè)Agents的耗水強(qiáng)度,比2014年降低5%;第二產(chǎn)業(yè)Agents與行業(yè)Agents和企業(yè)Agents耦合,確定其增長(zhǎng)和耗水情況.

圖5 水資源供需平衡子系統(tǒng)ABM耦合SD系統(tǒng)流

表4 滇池流域供水情景方案

2 滇池流域水價(jià)政策仿真分析

2.1 滇池流域供水情景方案

根據(jù)滇池流域1996~2000年共45a的水文系列分析計(jì)算,結(jié)合《昆明城市總體規(guī)劃修編(2006~2020)》和戴麗等[27]研究,滇池流域多年平均水資源量5.97億m3(其中地表水資源量5.4億m3,地下水資源量0.57億m3);外流域年調(diào)水量9.3億m3:“掌鳩河引水工程”,年調(diào)水量為2.20億m3;“清水海引水工程”,年調(diào)水量為1.04億m3;“牛欄江-滇池補(bǔ)水工程”,年調(diào)水量為6.06億m3.由于調(diào)水工程建設(shè)可能會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大不利影響[28],因此針對(duì)滇池流域資源型和水質(zhì)型缺水現(xiàn)狀,進(jìn)一步探討通過深入挖掘其節(jié)水潛力和提高其深度處理和再生水回用量,以保證水資源供給的可能性.本研究根據(jù)滇池流域水資源利用現(xiàn)狀,在水資源供給側(cè),根據(jù)“牛欄江-滇池補(bǔ)水工程”調(diào)水情況,設(shè)定6個(gè)情景方案(表4).

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)各Agent設(shè)置和率定的參數(shù),采用Anylogic軟件對(duì)各政策進(jìn)行多次仿真, 6個(gè)情景方案各政策仿真結(jié)果見表5.

由表5可以看出,通過模型智能仿真, 6個(gè)供水情景下水價(jià)政策征收標(biāo)準(zhǔn)均較2014年有所提高.若采取調(diào)水方案,居民水價(jià)最高由2014年的2.45元/m3提高到3.57元/m3;工業(yè)水價(jià)最高由2014年的4.35元/m3提高到5.12元/m3.

由于水價(jià)與水資源量密切相關(guān)[19],通過模型智能仿真, 6個(gè)情景方案下,由于可供水資源量和再生水回用量的不同,居民水價(jià)和工業(yè)水價(jià)略有差異.其中,不調(diào)水方案的居民水價(jià)和工業(yè)水價(jià)最高,分別為3.62和5.14元/m3;調(diào)水方案一的居民水價(jià)和工業(yè)水價(jià)最低,分別為3.23和4.99元/m3.

考慮到滇池流域尚未充分挖掘滇池流域水資源回用潛力,由于昆明市政府每年以1.9元/m3價(jià)格,平均每年支付十幾億用于上游調(diào)水,本文根據(jù)調(diào)水情景四,建議滇池流域在未來規(guī)劃中可適當(dāng)減少調(diào)水量至3.06億m3,將節(jié)省的調(diào)水費(fèi)用用于流域內(nèi)再生水回用基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),增加其水資源回用率至33%以上.

圖6 城鎮(zhèn)生活用水量與居民水價(jià)趨勢(shì)

根據(jù)智能仿真結(jié)果的居民水價(jià)和城鎮(zhèn)生活用水量變化情況如圖6.由圖6可看出,通過調(diào)整居民水價(jià),滇池流域城鎮(zhèn)生活用水量增長(zhǎng)幅度較小,沒有隨著城鎮(zhèn)居民的增加和生活水平的提高,出現(xiàn)較快的增長(zhǎng).說明滇池流域通過實(shí)施水價(jià)政策,可有效引導(dǎo)居民Agents的節(jié)水行為.同時(shí)根據(jù)智能仿真過程中工業(yè)水價(jià)和工業(yè)用水重復(fù)利用率變化情況如圖7.由圖7可看出,通過實(shí)施水價(jià)政策,可使滇池流域工業(yè)用水重復(fù)利用率呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì),說明工業(yè)水價(jià)政策有助于促使企業(yè)Agents在生產(chǎn)過程中采取節(jié)水措施,提高其用水效率.

同時(shí)通過對(duì)居民Agents行為進(jìn)行分析可知居民Agents不同收入?yún)^(qū)間年均月用水量(圖8).由8圖可看出,滇池流域4類家庭月均用水量均超出水價(jià)的第一階梯,主要集中在水價(jià)的第二階梯11~15m3,其中低收入家庭月均用水量12m3左右,考慮水費(fèi)價(jià)格,低收入家庭月均水費(fèi)支出63.5元,2014年城鎮(zhèn)居民人均可支配收入為31295元,則水費(fèi)支出占低收入家庭可支配收入的1.48%,在城鎮(zhèn)居民可承受范圍內(nèi)[30-31].

表5 不同情景下水價(jià)政策仿真結(jié)果

圖8 居民Agents不同收入家庭年均月用水量

3 結(jié)論

3.1 從政策智能仿真角度構(gòu)建了基于ABM耦合SD的滇池流域水價(jià)政策智能仿真模型.利用該模型模擬微觀企業(yè)Agents和居民Agents對(duì)水價(jià)政策的適應(yīng)行為,通過行業(yè)Agents、產(chǎn)業(yè)Agent耦合至SD模型,進(jìn)而確定合理的微觀居民/工業(yè)用水價(jià)格,并將政策的調(diào)控結(jié)果涌現(xiàn)到宏觀社會(huì)–經(jīng)濟(jì)–環(huán)境這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中,通過調(diào)整居民/工業(yè)水價(jià),影響其用水行為,達(dá)到節(jié)水的目的,從而實(shí)現(xiàn)滇池流域水價(jià)政策對(duì)微觀主體行為調(diào)控和宏觀實(shí)施效果的模擬.

3.2 通過構(gòu)建的ABM耦合SD智能仿真模型,依據(jù)滇池水污染防治“十三五”規(guī)劃的目標(biāo),對(duì)滇池流域水價(jià)政策的實(shí)施效果進(jìn)行智能仿真.根據(jù)仿真結(jié)果,若達(dá)到“十三五”規(guī)劃目標(biāo)要求,在綜合產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和政策調(diào)整的情況下,應(yīng)保持現(xiàn)有城市階梯水價(jià)計(jì)量和計(jì)算方式不變,滇池流域居民水價(jià)應(yīng)提高至3.23元/m3,工業(yè)水價(jià)應(yīng)提高至4.99元/m3.同時(shí),為保障流域內(nèi)再生水設(shè)施的有效運(yùn)行,再生水售賣價(jià)格應(yīng)不低于1.4元/m3.

3.3 通過實(shí)行流域居民水價(jià)政策,滇池流域城鎮(zhèn)生活用水量增長(zhǎng)幅度較小,說明通過居民水價(jià)政策的實(shí)施,可有效引導(dǎo)居民Agents的節(jié)水行為.同時(shí)通過實(shí)行流域工業(yè)水價(jià)政策,滇池流域工業(yè)用水重復(fù)利用率呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì),說明工業(yè)水價(jià)政策同樣有助于企業(yè)Agents在生產(chǎn)過程中采取節(jié)水措施,提高其用水效率.

3.4 通過仿真分析,現(xiàn)有規(guī)劃未能深入挖掘滇池流域再生水回用的潛力,建議在未來發(fā)展規(guī)劃中,滇池流域可適當(dāng)減少調(diào)水量至3.06億m3,可將支付調(diào)水補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用,用于再生水設(shè)施的建設(shè),提高其再生水回用率至33%,從而保障水資源的長(zhǎng)效可持續(xù)利用.

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Simulation of water price policy coupled ABM and SD models in Dianchi Lake Basin.

ZHANG Jia-rui1, WANG Hui-hui2, ZENG Wei-hua2*

(1.China Communication Construction Company Tianjin Port & Waterway Prospection and Design Research Institute Co., Ltd., Tianjin 300461, China；2.School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)., 2017,37(10)：3991~4000

In view of the shortage of water resources and the existing many problems of water price policy in Dianchi Lake Basin, water supply will affect the price of water resources, and then affect the water consumption behavior of residents and industrial enterprises from the perspective of policy simulation. This study proposed a complex system model that coupled multi-agent based models (ABM) and system dynamics (SD) models of watershed water price policy based on the constraint of water resources carrying capacity in Dianchi Lake Basin. The water price policies was simulated and analyzed according to the targets of the 13th Five-Year Plan of water pollution prevention and control in Dianchi Lake Basin. The simulation results indicated that, in the case of the adjustment of comprehensive industrial structure and policy in the Dianchi Lake Basin, in order to achieve the 13th Five-Year Plan targets, the water price of residents and industrial should be raised to 3.23 yuan/m3and 4.99 yuan/m3, respectively. By speeding up the regulation and control of watershed water price policy, it can effectively guide the residents Agents and enterprises Agents to take water-saving measures and improve their water-using efficiency. It is suggested that the water diversion volume of Dianchi Lake Basin should reduce appropriately to attain 3.06 billion m3. Alternatively, the compensation expense of water diversion can be used for the construction of recycled water facilities. Accordingly, the reuse rates of recycled water should reach to 33% that can be ensured the sustainable utilization of water resources.

Dianchi Lake Basin；water resources carrying capacity；the water price of residents；policy simulation

X524

A

1000-6923(2017)10-3991-10

張家瑞(1986-),男,山東臨沂人,博士.主要從事流域水資源規(guī)劃與管理方面研究.發(fā)表論文8篇.

2017-03-09

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07102- 002-05)

* 責(zé)任作者, 教授, zengwh@bnu.edu.cn