水資源循環(huán)經(jīng)濟體系動(dòng)力學(xué)思考的論文

　　1水資源、社會(huì )經(jīng)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(jià)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(jīng)濟發(fā)達的金州以南地區人均占有量?jì)H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(lái)了水環(huán)境生態(tài)系統破壞。大連地區受氣候影響,降水時(shí)空分布階段性明顯、時(shí)空分布不均、局部地區強降雨或雷陣雨場(chǎng)次偏多而且強度偏大,降水過(guò)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(huì )經(jīng)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(wàn)人,全市戶(hù)籍人口584.8萬(wàn)人,其中非農業(yè)人口357.8萬(wàn)人,占總人口的61.2%。國民經(jīng)濟持續快速增長(cháng),2009年全市實(shí)現地區生產(chǎn)總值4417.7億元。其中,第一產(chǎn)業(yè)增加值313.4億元;第二產(chǎn)業(yè)增加值2314.8億元;第三產(chǎn)業(yè)增加值1789.5億元,增長(cháng)率分別為7.8%,16.5%和14.6%。3次產(chǎn)業(yè)構成比例為7.1∶52.4∶40.5,對經(jīng)濟增長(cháng)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(chǎn)總值由2008年的63198元增加到71833元。隨著(zhù)綜合經(jīng)濟實(shí)力的持續增強,大連市用水效率明顯提高,人均用水量、萬(wàn)元GDP用水量、農田灌溉畝均用水量、萬(wàn)元工業(yè)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(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介

　　系統動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)稱(chēng)SD(SystemDynalnics),以反饋控制理論為基礎,以數學(xué)計算機仿真技術(shù)為手段,研究復雜系統的行為,可用來(lái)定性和定量地剖析歷史、分析現在和研究未來(lái),是實(shí)現決策科學(xué)化和經(jīng)營(yíng)管理現代化的有力手段。它最為突出的優(yōu)點(diǎn)是處理周期性、長(cháng)期性、高階、非線(xiàn)性、時(shí)變的問(wèn)題。系統動(dòng)力學(xué)研究的問(wèn)題是動(dòng)態(tài)的,系統中所包含的變量是隨時(shí)間變化的,因此模型可以模擬系統的發(fā)展趨勢,進(jìn)行中長(cháng)期預測。目前,系統動(dòng)力學(xué)已成功應用于社會(huì )、經(jīng)濟、生態(tài)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(xiàn)性約束不能清楚地把握系統的各種反饋關(guān)系,只能追求最優(yōu)解。而SD方法將復雜系統分為若干子系統,再對選用的每個(gè)決策變量設定各種方案,通過(guò)對各子系統之間相互關(guān)系的分析,模擬不同發(fā)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(gè)水資源嚴重短缺的城市,隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展,人們對水資源的需求量持續增長(cháng),再加上干旱等自然災害頻繁發(fā)生,使已經(jīng)有限的水資源更加短缺。為避免生活用水、社會(huì )經(jīng)濟用水和生態(tài)用水之間的沖突,如何在有限的水資源條件下,實(shí)現水資源可持續利用,是一個(gè)迫在眉睫的任務(wù),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(huì )經(jīng)濟也高速發(fā)展,而其用水模式保持目前水平,如按萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量保持目前的下降趨勢,生活需水量和生態(tài)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(lái)需水情況,然后與可供水資源量進(jìn)行比較,得出未來(lái)大連市目前用水模式下,是否能承載社會(huì )經(jīng)濟的高速發(fā)展。

　　2.1.3系統動(dòng)力學(xué)原理

　　系統動(dòng)力學(xué)模型的本質(zhì)是一階微分方程組[3]。在SD模型中狀態(tài)方程系統描述了水準(狀態(tài))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(shí)刻的狀態(tài)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(shí)刻,J表示與K相鄰的前一時(shí)刻,DT是步長(cháng)且DT=JK。

　　2.1.4模型結構及流圖分析

　　結合系統動(dòng)力學(xué)研究問(wèn)題的主要特點(diǎn)和大連市的實(shí)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(huán)節進(jìn)行系統分析后,采用SD專(zhuān)用模型Vensim建立包含人口、經(jīng)濟、環(huán)境和資源4個(gè)子系統的大連市水資源承載力SD流圖(見(jiàn)圖1)。模型中主要變量為狀態(tài)變量和速率變量,狀態(tài)變量為總人口、工業(yè)總產(chǎn)值、道路面積、農業(yè)灌溉面積、綠地面積、節水灌溉面積、第三產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值,每一狀態(tài)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(cháng)率、自然增長(cháng)率的影響,常住人口由城鎮人口和農業(yè)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(tài)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(jīng)濟子系統。經(jīng)濟子系統用第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)來(lái)表示,其中第一產(chǎn)業(yè)主要指農業(yè),第二產(chǎn)業(yè)主要是工業(yè)。該子系統的主要變量分別由農田灌溉面積、工業(yè)增加值、第三產(chǎn)業(yè)增加值與農田畝均灌溉用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值耗水量、萬(wàn)元第三產(chǎn)業(yè)增加值耗水量?jì)山M數值相對應的乘積求出。(3)環(huán)境子系統。環(huán)境子系統包括城市環(huán)境和污水兩部分,城市環(huán)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(yè)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(guān)檢驗和運行檢驗由軟件自動(dòng)完成,以2004年為基準年,模擬步長(cháng)為1a,將2005~2009年的仿真結果與歷史數據相比較進(jìn)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(jìn)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(shí)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(lái)50a大連市水資源承載力在不同策略下的動(dòng)態(tài)演變過(guò)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(fā)展趨勢。方案2:經(jīng)濟發(fā)展型。強調經(jīng)濟發(fā)展的重要性,把經(jīng)濟發(fā)展放在重中之重的位置。為此,把工業(yè)產(chǎn)值增長(cháng)速度一度調整到大連市2001~2009年工業(yè)產(chǎn)值增長(cháng)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(huán)境保護的重要性,要求在合理開(kāi)發(fā)利用、保護水資源的前提下發(fā)展經(jīng)濟。因此在方案1的基礎上,降低經(jīng)濟發(fā)展速度,抑制城市人口的過(guò)快增長(cháng),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(yè)節水灌溉面積。根據預測,2025年工業(yè)產(chǎn)值增長(cháng)率控制在10%,城市化率提高至75%,工業(yè)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(cháng)率提高至9%,其他參數指標維持不變。方案4:協(xié)調發(fā)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(diǎn),要求兼顧經(jīng)濟和環(huán)境的協(xié)調發(fā)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(jīng)濟、灌溉面積適度增長(cháng)。2010年到2015年工業(yè)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(yè)總產(chǎn)值、污水排放總量、水資源供需差額4個(gè)主要變量進(jìn)行不同方案的對比。根據不同方案下4個(gè)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(yōu)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(shí)水資源短缺問(wèn)題、環(huán)境污染問(wèn)題將嚴重影響大連市的社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展,如何合理開(kāi)發(fā)和利用水資源、提高污水處理及回用率是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。在方案2的模式下,工業(yè)總產(chǎn)值增速大于其他3種方案,2025年工業(yè)總產(chǎn)值模擬值達到22053.36億元,城市人口達到513.013萬(wàn)人,工業(yè)總產(chǎn)值及人口數量的增加不僅加大了對水資源的需求量,工業(yè)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(huán)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(yè)產(chǎn)值增長(cháng)速度,降低萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量,提高工業(yè)用水重復利用率,使得工業(yè)生產(chǎn)對水資源的需求量大幅度降低;對環(huán)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(yè)需水量大大減少,到2025年大連市總需水量?jì)H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(shí)工業(yè)生產(chǎn)總值到達到7489.23億元�？梢�(jiàn)方案3中大連市的水資源基本上得到了合理開(kāi)發(fā)和利用。在方案4的模式下,按照協(xié)調發(fā)展原則,不以環(huán)境的犧牲換取發(fā)展的經(jīng)濟,適當限制經(jīng)濟增長(cháng)速度,同時(shí)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?jì)H0.106億m3,基本實(shí)現水資源供需平衡,大連市不會(huì )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(huì )出現嚴重的缺水問(wèn)題,但方案4的工業(yè)產(chǎn)值可達到8521.08億元,污水總量?jì)H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(lái)可以實(shí)現走上水資源可持續發(fā)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(huì )為核心、以水生態(tài)環(huán)境保護為根本、以非常規水充分利用為重點(diǎn)的“循環(huán)水務(wù)”體系。

　　3循環(huán)經(jīng)濟模式的構建

　　3.1構建思路

　　循環(huán)經(jīng)濟模式的構建應貫穿于水資源開(kāi)發(fā)利用的供、用、排環(huán)節中,統籌兼顧,全面考慮[1]。主要包括:在水資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中,注重合理開(kāi)發(fā),由傳統水源開(kāi)發(fā)逐步向非傳統水源開(kāi)發(fā)轉移,充分利用一切可利用的水資源,并通過(guò)水資源的優(yōu)化配置對水資源進(jìn)行合理調配;在利用過(guò)程中,注重節水用水,提高水資源利用率,同時(shí)注重各類(lèi)水資源的回收利用,減少廢、污水的產(chǎn)生;在廢、污水排放時(shí),以無(wú)害化為標準,使最終進(jìn)入自然界水體的廢、污水對生態(tài)環(huán)境不會(huì )造成影響,同時(shí)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(shí)施分質(zhì)供水,構建循環(huán)經(jīng)濟動(dòng)脈鏈

　　在大連地區通過(guò)淡水管線(xiàn)、海水管線(xiàn)和中水管線(xiàn)實(shí)行分質(zhì)供水,集雨設施和雨水管線(xiàn)供水根據實(shí)際情況采用就近原則。根據各單位的生產(chǎn)工藝和地理位置,在單位內部和單位之間,實(shí)施水資源的梯級利用和分質(zhì)利用。以海水為例,通過(guò)海水淡化、海水直接利用兩種方式形成與工業(yè)相關(guān)聯(lián)的海水動(dòng)脈鏈。

　　3.2.2通過(guò)廢水回用,構建循環(huán)經(jīng)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(xiàn)3種方式。在有條件的工企業(yè)、居民區和其他單位設立污水處理站,對自身產(chǎn)生廢水內部進(jìn)行處理和回用。城市污水處理廠(chǎng)對排入城市污水管線(xiàn)的各類(lèi)廢水進(jìn)行統一處理,部分以中水回用的方式由中水管線(xiàn)進(jìn)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(huán)經(jīng)濟網(wǎng)絡(luò )

　　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(huán)境數據庫和工業(yè)、農業(yè)、生活、生態(tài)環(huán)境用水狀況數據庫),及時(shí)、準確、客觀(guān)地反映水資源狀況,并科學(xué)預測未來(lái)水資源變化趨勢。通過(guò)水資源信息系統,對各種水資源、工業(yè)、農業(yè)和生活用水進(jìn)行統一調度,構建循環(huán)水資源經(jīng)濟網(wǎng)絡(luò )體系,最大限度地開(kāi)發(fā)水資源潛力,使有限的水資源發(fā)揮最大的經(jīng)濟效益。

　　4實(shí)現水資源循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的途徑

　　4.1節約用水,實(shí)現水資源利用的減量化

　　節約用水是循環(huán)經(jīng)濟的減量化原則的體現,是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、建立水資源循環(huán)經(jīng)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(huán)境。

　　4.1.1農業(yè)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(yè)科技,鼓勵、引導和扶持農戶(hù)種植產(chǎn)出高、耗水低的農產(chǎn)品。改進(jìn)古老的大水漫溉方式,采用節水的噴灌、微灌等新灌溉技術(shù)以及抗旱補灌技術(shù)。加大節水工程改造力度,降低無(wú)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(shù),提高農業(yè)水利用效率。

　　4.1.2工業(yè)節水

　　推廣風(fēng)力發(fā)電、水源熱泵等10大節水產(chǎn)業(yè),扶持生物工程、電子信息等10大高新產(chǎn)業(yè)示范項目,加快工業(yè)產(chǎn)業(yè)結構和布局調整。以高新技術(shù)改造傳統用水工藝,降低大連市工業(yè)產(chǎn)品的萬(wàn)元增加值耗水率,降低工業(yè)廢水的排放量。大力發(fā)展生產(chǎn)工藝節水技術(shù)、工業(yè)循環(huán)用水技術(shù)和其他節水技術(shù)。

　　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(huì )意識,樹(shù)立正確的節水觀(guān)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(wù)設施,以及環(huán)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(kāi)發(fā)新水源,實(shí)現水資源再循環(huán)

　　4.2.1跨流域調水

　　為解決大連市水資源短缺問(wèn)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(zhù)經(jīng)濟社會(huì )的快速發(fā)展,水資源問(wèn)題仍是大連市一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。但自引英入連工程結束后,大連境內已無(wú)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(xiàn)為40%),水資源開(kāi)發(fā)已達極根。境外調水已成為大連解決水資源保障問(wèn)題的必由之路。目前,大連市正著(zhù)手投巨資實(shí)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(shí)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(chǎng)14座,總設計處理能力87.3萬(wàn)m3/d,年末污水集中處理率超過(guò)90%。把污水作為非常規水資源,將達標排放變?yōu)殚_(kāi)發(fā)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(wú)疑會(huì )起很大作用。工業(yè)方面,在企業(yè)內部實(shí)施清潔生產(chǎn),消減新鮮水用量和廢水排放量,實(shí)現水資源利用效率的最大化。在企業(yè)間層面,為各企業(yè)內部無(wú)法充分利用或難以利用的排水尋找下游消費者,實(shí)現工業(yè)共生的循環(huán)模式,進(jìn)一步調高整個(gè)工業(yè)生態(tài)系統的用水效率。除了工業(yè)環(huán)節的污水再利用,還要在社會(huì )層面實(shí)現各系統之間的循環(huán)利用,把污水回用于農業(yè)、工業(yè)、生態(tài)環(huán)境包括地下回灌等,從而充分實(shí)現水資源的循環(huán)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(guān)及洗車(chē)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(tài)建設、城區美化等多方面結合起來(lái),統籌兼顧,達到高效利用。在農村,利用工程集水經(jīng)凈化處理后解決居民生活用水問(wèn)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(chǎn)業(yè)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(yè)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(chǎn)養殖業(yè)上做洗滌、水產(chǎn)冷凍品的解凍、水產(chǎn)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(guò)以上措施,提高水資源利用效率,實(shí)現水資源在各用水系統內部,社會(huì )經(jīng)濟系統,以及社會(huì )經(jīng)濟系統與自然系統的水循環(huán),從而實(shí)現水資源的循環(huán)利用。

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