水资源循环经济动力学分析
1水资源、社会经济现状
1.1水资源概况
大连市位于欧亚大陆东岸,中国东北辽东半岛最南端。根据大连市第2次水资源评价成果,全市多年平均地表水资源量为32.70亿m3,折合径流深260.06mm,地下水资源量为7.27亿m3,境内人均水资源仅为全国水平的1/5,特别是经济发达的金州以南地区人均占有量仅有116m3,远低于世界公认的人均水资源占有量1000m3的生存最低标准,多次出现严重缺水的紧张局面。且大连地区的海水入侵现状比较严重,不仅加剧了水资源紧缺形势,而且带来了水环境生态系统破坏。大连地区受气候影响,降水时空分布阶段性明显、时空分布不均、局部地区强降雨或雷阵雨场次偏多而且强度偏大,降水过程主要集中在6~8月份,约占全年降水量的60%~70%,容易形成春旱秋涝。地表径流和降水量空间分布由西南向东北递增,河流独流入海,现有水利工程调蓄工程较少,目前大连市地表水的拦截率仅为24.5%,地表径流利用率不高,每年绝大部分的水资源以汛期洪水方式白白流入渤海。
1.2社会经济现状
大连市下辖现设6区3市1县,土地面积12574km2,2009年末全市常住人口617万人,全市户籍人口584.8万人,其中非农业人口357.8万人,占总人口的61.2%。国民经济持续快速增长,2009年全市实现地区生产总值4417.7亿元。其中,第一产业增加值313.4亿元;第二产业增加值2314.8亿元;第三产业增加值1789.5亿元,增长率分别为7.8%,16.5%和14.6%。3次产业构成比例为7.1∶52.4∶40.5,对经济增长的贡献率分别为3.5%,55%和41.5%。按常住平均人口计算,全市人均生产总值由2008年的63198元增加到71833元。随着综合经济实力的持续增强,大连市用水效率明显提高,人均用水量、万元GDP用水量、农田灌溉亩均用水量、万元工业增加值用水量,这些指标的用水效率均比全国平均水平低。
2水资源承载力模型建立
2.1模型的建立
2.1.1系统动力学简介
系统动力学简称SD(SystemDynalnics),以反馈控制理论为基础,以数学计算机仿真技术为手段,研究复杂系统的行为,可用来定性和定量地剖析历史、分析现在和研究未来,是实现决策科学化和经营管理现代化的有力手段。它最为突出的优点是处理周期性、长期性、高阶、非线性、时变的问题。系统动力学研究的问题是动态的,系统中所包含的变量是随时间变化的,因此模型可以模拟系统的发展趋势,进行中长期预测。目前,系统动力学已成功应用于社会、经济、生态复杂大系统的许多战略与决策分析中。水资源承载力涉及面广、内容复杂,普通方法受线性约束不能清楚地把握系统的各种反馈关系,只能追求最优解。而SD方法将复杂系统分为若干子系统,再对选用的每个决策变量设定各种方案,通过对各子系统之间相互关系的分析,模拟不同发展战略得出水资源利用与各子系统之间的变化趋势。
2.1.2模型设计思路
大连是一个水资源严重短缺的城市,随着社会经济的发展,人们对水资源的需求量持续增长,再加上干旱等自然灾害频繁发生,使已经有限的水资源更加短缺。为避免生活用水、社会经济用水和生态用水之间的冲突,如何在有限的水资源条件下,实现水资源可持续利用,是一个迫在眉睫的任务,也是模型设计的目的。假设大连市城市化水平保持较快速度上升,对应的社会经济也高速发展,而其用水模式保持目前水平,如按万元工业增加值用水量保持目前的下降趋势,生活需水量和生态需水量保持目前的增加趋势不变等。在这样的前提下,预测大连市未来需水情况,然后与可供水资源量进行比较,得出未来大连市目前用水模式下,是否能承载社会经济的高速发展。
2.1.3系统动力学原理
系统动力学模型的本质是一阶微分方程组[3]。在SD模型中状态方程系统描述了水准(状态)变量(流位)的变化规律,用欧拉法数值积分表示,其一般形式为:L.K=L.J+DT(IR.JK-OR.JK)式中,L.K,L.J分别为K,J时刻的状态变量;IR.JK,OR.JK分别表示流入速率与流出速率,K表示现在时刻,J表示与K相邻的前一时刻,DT是步长且DT=JK。
2.1.4模型结构及流图分析结合系统动力学研究问题的主要特点和大连市的实际情况,将系统边界定在大连市土地面积范围内,对重要用水环节进行系统分析后,采用SD专用模型Vensim建立包含人口、经济、环境和资源4个子系统的大连市水资源承载力SD流图。模型中主要变量为状态变量和速率变量,状态变量为总人口、工业总产值、道路面积、农业灌溉面积、绿地面积、节水灌溉面积、第三产业总产值,每一状态变量对应相应的速率变量。
(1)人口子系统。本文总人口数主要考虑的是常住人口,它主要受机械增长率、自然增长率的影响,常住人口由城镇人口和农业人口两部分组成,人口子系统的主要变量包括总人口数、城镇人口和农村人口3部分,以人口总数为状态变量。该模块主要研究人口数量的变化及其变化对生活需水量的影响。
(2)经济子系统。经济子系统用第一产业、第二产业和第三产业来表示,其中第一产业主要指农业,第二产业主要是工业。该子系统的主要变量分别由农田灌溉面积、工业增加值、第三产业增加值与农田亩均灌溉用水量、万元工业增加值耗水量、万元第三产业增加值耗水量两组数值相对应的乘积求出。
(3)环境子系统。环境子系统包括城市环境和污水两部分,城市环境用水包括全市绿化用水、市区及近郊冲刷道路用水,污水部分由生活污水和工业废水排放量组成。污水总量由城市污水排放量与排污系数决定,选取污水处理率和污水回用率作为不同的政策输入。
(4)资源子系统。水资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模型调试模型直观检验和运行检验由软件自动完成,以2004年为基准年,模拟步长为1a,将2005~2009年的仿真结果与历史数据相比较进行一致性检验,若误差小于5%,则认为模型正确,否则对模型进行修改或调整。由表1可以看出模拟结果与历史数据拟合误差均小于5%,表明模型结构合理,能反映大连市水资源承载力的特征,能够模拟实际系统,有较高的可信度。
2.2方案设计和结果分析
2.2.1方案设计
为了比较和探讨未来50a大连市水资源承载力在不同策略下的动态演变过程,本文设计了4种方案。方案1:现状延续型。即不采取任何措施,保持现有状况不变。方案中各决策变量指标值维持现有发展趋势。方案2:经济发展型。强调经济发展的重要性,把经济发展放在重中之重的位置。为此,把工业产值增长速度一度调整到大连市2001~2009年工业产值增长率的最快值23%,把2025年的城市化率提高到85%,其他参数与方案一相同。方案3:节水型。此方案强调水资源和环境保护的重要性,要求在合理开发利用、保护水资源的前提下发展经济。因此在方案1的基础上,降低经济发展速度,抑制城市人口的过快增长,提高污水处理及回用率,降低居民生活用水量及农田灌溉用水定额,增加农业节水灌溉面积。根据预测,2025年工业产值增长率控制在10%,城市化率提高至75%,工业用水重复利用率提高到95%,污水处理率提高至100%,污水回用率提高至70%。把节水灌溉增长率提高至9%,其他参数指标维持不变。方案4:协调发展型。在建设节水型城市前提下,综合考虑以上3种方案各自的特点,要求兼顾经济和环境的协调发展。此方案污水处理率、回用率、重复利用率、废水排放系数等均与方案2相同,城市化水平、经济、灌溉面积适度增长。2010年到2015年工业增速为12%,其后保持5%的增速,其他参数指标维持不变。
2.2.2结果分析
选取模型中的城镇人口、工业总产值、污水排放总量、水资源供需差额4个主要变量进行不同方案的对比。根据不同方案下4个主要变量的模拟结果(表2),比较4种仿真方案,选取可提高大连市水资源承载力的优化方案。在方案1的模式下,2025年大连市总需水量达到36.93亿m3,可供水量为17.43亿m3,水资源供需差额达19.48亿m3,污水总量为16.42亿m3。此时水资源短缺问题、环境污染问题将严重影响大连市的社会经济发展,如何合理开发和利用水资源、提高污水处理及回用率是解决问题的关键。在方案2的模式下,工业总产值增速大于其他3种方案,2025年工业总产值模拟值达到22053.36亿元,城市人口达到513.013万人,工业总产值及人口数量的增加不仅加大了对水资源的需求量,工业废水、生活污水排放量也急剧增加。由于污水治理投资的限制,2025年大连市总需水量达41.38亿m3,水资源供需差额达23.94亿m3,污水总量达19.31亿m3。环境污染严重,大连市的缺水形势更加严峻,水资源承载力更加脆弱,此方案也不可取。在方案3模式下,减缓工业产值增长速度,降低万元工业增加值用水量,提高工业用水重复利用率,使得工业生产对水资源的需求量大幅度降低;对环境保护的投资加大,2025年污水处理率和污水回用率分别达到100%和80%;居民人均生活用水量及农田灌溉亩均用水量的降低,也使得生活需水量及农业需水量大大减少,到2025年大连市总需水量仅为16.89亿m3,可供水量大于总需水量,水资源盈余0.54亿m3;污水总量减少至8.34亿m3,同时工业生产总值到达到7489.23亿元。可见方案3中大连市的水资源基本上得到了合理开发和利用。在方案4的模式下,按照协调发展原则,不以环境的牺牲换取发展的经济,适当限制经济增长速度,同时加大污水处理、污水回用的投资力度,在建设节水型城市前提下,努力提高污水利用率。到2025年大连市总需水量为18.74亿m3,可供水量为18.86亿m3,缺水量仅0.106亿m3,基本实现水资源供需平衡,大连市不会出现严重的缺水现象。虽然方案4与方案3,都可保证大连市到2025年不会出现严重的缺水问题,但方案4的工业产值可达到8521.08亿元,污水总量仅为7.25亿m3,表明方案4是提高大连市水资源承载力的最可行方案。由此可看出,要提高大连市水资源承载力,使大连市未来可以实现走上水资源可持续发展的道路,就必须建立起以水资源保障为基础、以建设节水型社会为核心、以水生态环境保护为根本、以非常规水充分利用为重点的“循环水务”体系。
3循环经济模式的构建
3.1构建思路
循环经济模式的构建应贯穿于水资源开发利用的供、用、排环节中,统筹兼顾,全面考虑[1]。主要包括:在水资源开发过程中,注重合理开发,由传统水源开发逐步向非传统水源开发转移,充分利用一切可利用的水资源,并通过水资源的优化配置对水资源进行合理调配;在利用过程中,注重节水用水,提高水资源利用率,同时注重各类水资源的回收利用,减少废、污水的产生;在废、污水排放时,以无害化为标准,使最终进入自然界水体的废、污水对生态环境不会造成影响,同时尽可能地使废、污水资源化,为增加供水量提供保障。
3.2构建方法
3.2.1实施分质供水,构建循环经济动脉链
在大连地区通过淡水管线、海水管线和中水管线实行分质供水,集雨设施和雨水管线供水根据实际情况采用就近原则。根据各单位的生产工艺和地理位置,在单位内部和单位之间,实施水资源的梯级利用和分质利用。以海水为例,通过海水淡化、海水直接利用两种方式形成与工业相关联的海水动脉链。
3.2.2通过废水回用,构建循环经济静脉链
废水的处理和回用方式有:内部直接回用、内部处理后回用和处理后排入城市污水管线3种方式。在有条件的工企业、居民区和其他单位设立污水处理站,对自身产生废水内部进行处理和回用。城市污水处理厂对排入城市污水管线的各类废水进行统一处理,部分以中水回用的方式由中水管线进入城市供水系统,剩余的污水在达准后排入自然界水体。
3.2.3利用水资源信息系统,构建循环经济网络
综合大连市水资源情况,建立水资源信息系统平台(水资源信息库、水环境数据库和工业、农业、生活、生态环境用水状况数据库),及时、准确、客观地反映水资源状况,并科学预测未来水资源变化趋势。通过水资源信息系统,对各种水资源、工业、农业和生活用水进行统一调度,构建循环水资源经济网络体系,最大限度地开发水资源潜力,使有限的水资源发挥最大的经济效益。
4实现水资源循环经济发展的途径
4.1节约用水,实现水资源利用的减量化节约用水是循环经济的减量化原则的体现,是发展循环经济、建立水资源循环经济的基础。节约用水不但可以提高水资源利用效率,减少需水量,还可以减少废水排放量,保护水环境。
4.1.1农业节水
根据大连市水资源条件调整农作物种植结构,扩大耐旱作物种植面积。推广农业科技,鼓励、引导和扶持农户种植产出高、耗水低的农产品。改进古老的大水漫溉方式,采用节水的喷灌、微灌等新灌溉技术以及抗旱补灌技术。加大节水工程改造力度,降低无效损耗。利用各种综合节水措施,如生物节水、农艺节水、工程节水和管理节水等技术,提高农业水利用效率。
4.1.2工业节水
推广风力发电、水源热泵等10大节水产业,扶持生物工程、电子信息等10大高新产业示范项目,加快工业产业结构和布局调整。以高新技术改造传统用水工艺,降低大连市工业产品的万元增加值耗水率,降低工业废水的排放量。大力发展生产工艺节水技术、工业循环用水技术和其他节水技术。
4.1.3生活节水
最重要和最基础的节水途径是加强节水的宣传教育,让人们意识到节水的重要性,形成节水的社会意识,树立正确的节水观念,改变生活中的不良用水行为和习惯。在居民日常生活、公共服务设施,以及环境绿化等方面,推广节水器具的应用,从根本上抑制或消除不合理用水。
4.2开发新水源,实现水资源再循环
4.2.1跨流域调水
为解决大连市水资源短缺问题,大连市累计投资近百亿元,相继完成了引碧、引英入连等蓄输水工程,有效地缓解了水资源供需矛盾。随着经济社会的快速发展,水资源问题仍是大连市一个亟待解决的问题。但自引英入连工程结束后,大连境内已无较大规模的水利工程,且水资源利用率已达40%以上(世界公认的警戒线为40%),水资源开发已达极根。境外调水已成为大连解决水资源保障问题的必由之路。目前,大连市正着手投巨资实施大伙房水库向大连输水和引洋入连供水工程。
4.2.2污水回用
在实现水资源利用“减量化”的基础上,污水回用能够有效提高水资源的利用率。大连市已投入运行的大型污水集中处理厂14座,总设计处理能力87.3万m3/d,年末污水集中处理率超过90%。把污水作为非常规水资源,将达标排放变为开发利用为主,使污水处理率和中水回用率分别提高到70%和50%以上,对缓解城市供水短缺无疑会起很大作用。工业方面,在企业内部实施清洁生产,消减新鲜水用量和废水排放量,实现水资源利用效率的最大化。在企业间层面,为各企业内部无法充分利用或难以利用的排水寻找下游消费者,实现工业共生的循环模式,进一步调高整个工业生态系统的用水效率。除了工业环节的污水再利用,还要在社会层面实现各系统之间的循环利用,把污水回用于农业、工业、生态环境包括地下回灌等,从而充分实现水资源的循环利用。
4.2.3雨水资源化利用
雨水资源化利用,也是节水的新渠道。在认真调研、确认可行的前提下,大力推广集雨工程建设。城市雨水利用的途径主要包括加大雨水就地渗入量、雨水储蓄量,兴建拦截和蓄存雨水的设施及利用雨水回灌。在城市,居民小区利用工程集水直接用作绿化、冲洗、景观及洗车等城市非饮用水水源上下工夫,以缓解城市供水压力。在现有设施的基础上,把雨水资源利用与城市供水、城市规划、生态建设、城区美化等多方面结合起来,统筹兼顾,达到高效利用。在农村,利用工程集水经净化处理后解决居民生活用水问题。
4.2.4海水资源化
海水是大连市解决淡水资源缺乏的最大后备资源,要逐步扩大海水利用地域范围和产业范围[2]。目前,大连市海水淡化能力11400m3/d,年利用海水量13.14亿m3,占全国海水淡化总量的1/3。工业设备间接冷却水占海水直接利用量的97.87%,另外在化工、水产养殖业上做洗涤、水产冷冻品的解冻、水产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、冲厕、清扫、锅炉冲渣、除尘等方面,用量占全市海水利用量的1.18%。通过以上措施,提高水资源利用效率,实现水资源在各用水系统内部,社会经济系统,以及社会经济系统与自然系统的水循环,从而实现水资源的循环利用。
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