水資源循環經濟體系動力學思考的論文
1水資源、社會經濟現狀
1.1水資源概況
大連市位于歐亞大陸東岸,中國東北遼東半島最南端。根據大連市第2次水資源評價成果,全市多年平均地表水資源量為32.70億m3,折合徑流深260.06mm,地下水資源量為7.27億m3,境內人均水資源僅為全國水平的1/5,特別是經濟發達的金州以南地區人均占有量僅有116m3,遠低于世界公認的人均水資源占有量1000m3的生存最低標準,多次出現嚴重缺水的緊張局面。且大連地區的海水入侵現狀比較嚴重,不僅加劇了水資源緊缺形勢,而且帶來了水環境生態系統破壞。大連地區受氣候影響,降水時空分布階段性明顯、時空分布不均、局部地區強降雨或雷陣雨場次偏多而且強度偏大,降水過程主要集中在6~8月份,約占全年降水量的60%~70%,容易形成春旱秋澇。地表徑流和降水量空間分布由西南向東北遞增,河流獨流入海,現有水利工程調蓄工程較少,目前大連市地表水的攔截率僅為24.5%,地表徑流利用率不高,每年絕大部分的水資源以汛期洪水方式白白流入渤海。
1.2社會經濟現狀
大連市下轄現設6區3市1縣,土地面積12574km2,2009年末全市常住人口617萬人,全市戶籍人口584.8萬人,其中非農業人口357.8萬人,占總人口的61.2%。國民經濟持續快速增長,2009年全市實現地區生產總值4417.7億元。其中,第一產業增加值313.4億元;第二產業增加值2314.8億元;第三產業增加值1789.5億元,增長率分別為7.8%,16.5%和14.6%。3次產業構成比例為7.1∶52.4∶40.5,對經濟增長的貢獻率分別為3.5%,55%和41.5%。按常住平均人口計算,全市人均生產總值由2008年的63198元增加到71833元。隨著綜合經濟實力的持續增強,大連市用水效率明顯提高,人均用水量、萬元GDP用水量、農田灌溉畝均用水量、萬元工業增加值用水量,這些指標的用水效率均比全國平均水平低。
2水資源承載力模型建立
2.1模型的建立
2.1.1系統動力學簡介
系統動力學簡稱SD(SystemDynalnics),以反饋控制理論為基礎,以數學計算機仿真技術為手段,研究復雜系統的行為,可用來定性和定量地剖析歷史、分析現在和研究未來,是實現決策科學化和經營管理現代化的有力手段。它最為突出的優點是處理周期性、長期性、高階、非線性、時變的問題。系統動力學研究的問題是動態的,系統中所包含的變量是隨時間變化的,因此模型可以模擬系統的發展趨勢,進行中長期預測。目前,系統動力學已成功應用于社會、經濟、生態復雜大系統的許多戰略與決策分析中。水資源承載力涉及面廣、內容復雜,普通方法受線性約束不能清楚地把握系統的各種反饋關系,只能追求最優解。而SD方法將復雜系統分為若干子系統,再對選用的每個決策變量設定各種方案,通過對各子系統之間相互關系的分析,模擬不同發展戰略得出水資源利用與各子系統之間的變化趨勢。
2.1.2模型設計思路
大連是一個水資源嚴重短缺的城市,隨著社會經濟的發展,人們對水資源的需求量持續增長,再加上干旱等自然災害頻繁發生,使已經有限的水資源更加短缺。為避免生活用水、社會經濟用水和生態用水之間的沖突,如何在有限的水資源條件下,實現水資源可持續利用,是一個迫在眉睫的任務,也是模型設計的目的。假設大連市城市化水平保持較快速度上升,對應的社會經濟也高速發展,而其用水模式保持目前水平,如按萬元工業增加值用水量保持目前的下降趨勢,生活需水量和生態需水量保持目前的增加趨勢不變等。在這樣的前提下,預測大連市未來需水情況,然后與可供水資源量進行比較,得出未來大連市目前用水模式下,是否能承載社會經濟的高速發展。
2.1.3系統動力學原理
系統動力學模型的本質是一階微分方程組[3]。在SD模型中狀態方程系統描述了水準(狀態)變量(流位)的變化規律,用歐拉法數值積分表示,其一般形式為:L.K=L.J+DT(IR.JK-OR.JK)式中,L.K,L.J分別為K,J時刻的狀態變量;IR.JK,OR.JK分別表示流入速率與流出速率,K表示現在時刻,J表示與K相鄰的前一時刻,DT是步長且DT=JK。
2.1.4模型結構及流圖分析
結合系統動力學研究問題的主要特點和大連市的實際情況,將系統邊界定在大連市土地面積范圍內,對重要用水環節進行系統分析后,采用SD專用模型Vensim建立包含人口、經濟、環境和資源4個子系統的大連市水資源承載力SD流圖(見圖1)。模型中主要變量為狀態變量和速率變量,狀態變量為總人口、工業總產值、道路面積、農業灌溉面積、綠地面積、節水灌溉面積、第三產業總產值,每一狀態變量對應相應的速率變量。(1)人口子系統。本文總人口數主要考慮的是常住人口，它主要受機械增長率、自然增長率的影響,常住人口由城鎮人口和農業人口兩部分組成,人口子系統的主要變量包括總人口數、城鎮人口和農村人口3部分,以人口總數為狀態變量。該模塊主要研究人口數量的變化及其變化對生活需水量的影響。(2)經濟子系統。經濟子系統用第一產業、第二產業和第三產業來表示,其中第一產業主要指農業,第二產業主要是工業。該子系統的主要變量分別由農田灌溉面積、工業增加值、第三產業增加值與農田畝均灌溉用水量、萬元工業增加值耗水量、萬元第三產業增加值耗水量兩組數值相對應的乘積求出。(3)環境子系統。環境子系統包括城市環境和污水兩部分,城市環境用水包括全市綠化用水、市區及近郊沖刷道路用水,污水部分由生活污水和工業廢水排放量組成。污水總量由城市污水排放量與排污系數決定,選取污水處理率和污水回用率作為不同的政策輸入。(4)資源子系統。水資源量主要包含地表水供水量、地下水供水量、雨水、海水淡化供水量。
2.1.5模型調試
模型直觀檢驗和運行檢驗由軟件自動完成,以2004年為基準年,模擬步長為1a,將2005~2009年的仿真結果與歷史數據相比較進行一致性檢驗,若誤差小于5%,則認為模型正確,否則對模型進行修改或調整。由表1可以看出模擬結果與歷史數據擬合誤差均小于5%,表明模型結構合理,能反映大連市水資源承載力的特征,能夠模擬實際系統,有較高的可信度。
2.2方案設計和結果分析
2.2.1方案設計
為了比較和探討未來50a大連市水資源承載力在不同策略下的動態演變過程,本文設計了4種方案。方案1:現狀延續型。即不采取任何措施,保持現有狀況不變。方案中各決策變量指標值維持現有發展趨勢。方案2:經濟發展型。強調經濟發展的重要性,把經濟發展放在重中之重的位置。為此,把工業產值增長速度一度調整到大連市2001~2009年工業產值增長率的最快值23%,把2025年的城市化率提高到85%,其他參數與方案一相同。方案3:節水型。此方案強調水資源和環境保護的重要性,要求在合理開發利用、保護水資源的前提下發展經濟。因此在方案1的基礎上,降低經濟發展速度,抑制城市人口的過快增長,提高污水處理及回用率,降低居民生活用水量及農田灌溉用水定額,增加農業節水灌溉面積。根據預測,2025年工業產值增長率控制在10%,城市化率提高至75%,工業用水重復利用率提高到95%,污水處理率提高至100%,污水回用率提高至70%。把節水灌溉增長率提高至9%,其他參數指標維持不變。方案4:協調發展型。在建設節水型城市前提下,綜合考慮以上3種方案各自的特點,要求兼顧經濟和環境的協調發展。此方案污水處理率、回用率、重復利用率、廢水排放系數等均與方案2相同,城市化水平、經濟、灌溉面積適度增長。2010年到2015年工業增速為12%,其后保持5%的增速,其他參數指標維持不變。
2.2.2結果分析
選取模型中的城鎮人口、工業總產值、污水排放總量、水資源供需差額4個主要變量進行不同方案的對比。根據不同方案下4個主要變量的模擬結果(表2),比較4種仿真方案,選取可提高大連市水資源承載力的優化方案。在方案1的模式下,2025年大連市總需水量達到36.93億m3,可供水量為17.43億m3,水資源供需差額達19.48億m3,污水總量為16.42億m3。此時水資源短缺問題、環境污染問題將嚴重影響大連市的社會經濟發展,如何合理開發和利用水資源、提高污水處理及回用率是解決問題的關鍵。在方案2的模式下,工業總產值增速大于其他3種方案,2025年工業總產值模擬值達到22053.36億元,城市人口達到513.013萬人,工業總產值及人口數量的增加不僅加大了對水資源的需求量,工業廢水、生活污水排放量也急劇增加。由于污水治理投資的限制,2025年大連市總需水量達41.38億m3,水資源供需差額達23.94億m3,污水總量達19.31億m3。環境污染嚴重,大連市的缺水形勢更加嚴峻,水資源承載力更加脆弱,此方案也不可取。在方案3模式下,減緩工業產值增長速度,降低萬元工業增加值用水量,提高工業用水重復利用率,使得工業生產對水資源的需求量大幅度降低;對環境保護的投資加大,2025年污水處理率和污水回用率分別達到100%和80%;居民人均生活用水量及農田灌溉畝均用水量的降低,也使得生活需水量及農業需水量大大減少,到2025年大連市總需水量僅為16.89億m3,可供水量大于總需水量,水資源盈余0.54億m3;污水總量減少至8.34億m3,同時工業生產總值到達到7489.23億元�？梢姺桨�3中大連市的水資源基本上得到了合理開發和利用。在方案4的模式下,按照協調發展原則,不以環境的犧牲換取發展的經濟,適當限制經濟增長速度,同時加大污水處理、污水回用的投資力度,在建設節水型城市前提下,努力提高污水利用率。到2025年大連市總需水量為18.74億m3,可供水量為18.86億m3,缺水量僅0.106億m3,基本實現水資源供需平衡,大連市不會出現嚴重的缺水現象。雖然方案4與方案3,都可保證大連市到2025年不會出現嚴重的缺水問題,但方案4的工業產值可達到8521.08億元,污水總量僅為7.25億m3,表明方案4是提高大連市水資源承載力的最可行方案。由此可看出,要提高大連市水資源承載力,使大連市未來可以實現走上水資源可持續發展的道路,就必須建立起以水資源保障為基礎、以建設節水型社會為核心、以水生態環境保護為根本、以非常規水充分利用為重點的“循環水務”體系。
3循環經濟模式的構建
3.1構建思路
循環經濟模式的構建應貫穿于水資源開發利用的供、用、排環節中,統籌兼顧,全面考慮[1]。主要包括:在水資源開發過程中,注重合理開發,由傳統水源開發逐步向非傳統水源開發轉移,充分利用一切可利用的水資源,并通過水資源的優化配置對水資源進行合理調配;在利用過程中,注重節水用水,提高水資源利用率,同時注重各類水資源的回收利用,減少廢、污水的產生;在廢、污水排放時,以無害化為標準,使最終進入自然界水體的廢、污水對生態環境不會造成影響,同時盡可能地使廢、污水資源化,為增加供水量提供保障。
3.2構建方法
3.2.1實施分質供水,構建循環經濟動脈鏈
在大連地區通過淡水管線、海水管線和中水管線實行分質供水,集雨設施和雨水管線供水根據實際情況采用就近原則。根據各單位的生產工藝和地理位置,在單位內部和單位之間,實施水資源的梯級利用和分質利用。以海水為例,通過海水淡化、海水直接利用兩種方式形成與工業相關聯的海水動脈鏈。
3.2.2通過廢水回用,構建循環經濟靜脈鏈
廢水的處理和回用方式有:內部直接回用、內部處理后回用和處理后排入城市污水管線3種方式。在有條件的工企業、居民區和其他單位設立污水處理站,對自身產生廢水內部進行處理和回用。城市污水處理廠對排入城市污水管線的各類廢水進行統一處理,部分以中水回用的方式由中水管線進入城市供水系統,剩余的污水在達準后排入自然界水體。
3.2.3利用水資源信息系統,構建循環經濟網絡
綜合大連市水資源情況,建立水資源信息系統平臺(水資源信息庫、水環境數據庫和工業、農業、生活、生態環境用水狀況數據庫),及時、準確、客觀地反映水資源狀況,并科學預測未來水資源變化趨勢。通過水資源信息系統,對各種水資源、工業、農業和生活用水進行統一調度,構建循環水資源經濟網絡體系,最大限度地開發水資源潛力,使有限的水資源發揮最大的經濟效益。
4實現水資源循環經濟發展的途徑
4.1節約用水,實現水資源利用的減量化
節約用水是循環經濟的減量化原則的體現,是發展循環經濟、建立水資源循環經濟的基礎。節約用水不但可以提高水資源利用效率,減少需水量,還可以減少廢水排放量,保護水環境。
4.1.1農業節水
根據大連市水資源條件調整農作物種植結構,擴大耐旱作物種植面積。推廣農業科技,鼓勵、引導和扶持農戶種植產出高、耗水低的農產品。改進古老的大水漫溉方式,采用節水的噴灌、微灌等新灌溉技術以及抗旱補灌技術。加大節水工程改造力度,降低無效損耗。利用各種綜合節水措施,如生物節水、農藝節水、工程節水和管理節水等技術,提高農業水利用效率。
4.1.2工業節水
推廣風力發電、水源熱泵等10大節水產業,扶持生物工程、電子信息等10大高新產業示范項目,加快工業產業結構和布局調整。以高新技術改造傳統用水工藝,降低大連市工業產品的萬元增加值耗水率,降低工業廢水的排放量。大力發展生產工藝節水技術、工業循環用水技術和其他節水技術。
4.1.3生活節水
最重要和最基礎的節水途徑是加強節水的宣傳教育,讓人們意識到節水的重要性,形成節水的社會意識,樹立正確的節水觀念,改變生活中的不良用水行為和習慣。在居民日常生活、公共服務設施,以及環境綠化等方面,推廣節水器具的應用,從根本上抑制或消除不合理用水。
4.2開發新水源,實現水資源再循環
4.2.1跨流域調水
為解決大連市水資源短缺問題,大連市累計投資近百億元,相繼完成了引碧、引英入連等蓄輸水工程,有效地緩解了水資源供需矛盾。隨著經濟社會的快速發展,水資源問題仍是大連市一個亟待解決的問題。但自引英入連工程結束后,大連境內已無較大規模的水利工程,且水資源利用率已達40%以上(世界公認的警戒線為40%),水資源開發已達極根。境外調水已成為大連解決水資源保障問題的必由之路。目前,大連市正著手投巨資實施大伙房水庫向大連輸水和引洋入連供水工程。
4.2.2污水回用
在實現水資源利用“減量化”的基礎上,污水回用能夠有效提高水資源的利用率。大連市已投入運行的大型污水集中處理廠14座,總設計處理能力87.3萬m3/d,年末污水集中處理率超過90%。把污水作為非常規水資源,將達標排放變為開發利用為主,使污水處理率和中水回用率分別提高到70%和50%以上,對緩解城市供水短缺無疑會起很大作用。工業方面,在企業內部實施清潔生產,消減新鮮水用量和廢水排放量,實現水資源利用效率的最大化。在企業間層面,為各企業內部無法充分利用或難以利用的排水尋找下游消費者,實現工業共生的循環模式,進一步調高整個工業生態系統的用水效率。除了工業環節的污水再利用,還要在社會層面實現各系統之間的循環利用,把污水回用于農業、工業、生態環境包括地下回灌等,從而充分實現水資源的循環利用。
4.2.3雨水資源化利用
雨水資源化利用,也是節水的新渠道。在認真調研、確認可行的前提下,大力推廣集雨工程建設。城市雨水利用的途徑主要包括加大雨水就地滲入量、雨水儲蓄量,興建攔截和蓄存雨水的設施及利用雨水回灌。在城市,居民小區利用工程集水直接用作綠化、沖洗、景觀及洗車等城市非飲用水水源上下工夫,以緩解城市供水壓力。在現有設施的基礎上,把雨水資源利用與城市供水、城市規劃、生態建設、城區美化等多方面結合起來,統籌兼顧,達到高效利用。在農村,利用工程集水經凈化處理后解決居民生活用水問題。
4.2.4海水資源化
海水是大連市解決淡水資源缺乏的最大后備資源,要逐步擴大海水利用地域范圍和產業范圍[2]。目前,大連市海水淡化能力11400m3/d,年利用海水量13.14億m3,占全國海水淡化總量的1/3。工業設備間接冷卻水占海水直接利用量的97.87%,另外在化工、水產養殖業上做洗滌、水產冷凍品的解凍、水產品初加工等占全市海水利用量的0.85%。海水用在其他方面,包括洗浴、沖廁、清掃、鍋爐沖渣、除塵等方面,用量占全市海水利用量的1.18%。通過以上措施,提高水資源利用效率,實現水資源在各用水系統內部,社會經濟系統,以及社會經濟系統與自然系統的水循環,從而實現水資源的循環利用。
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