收稿日期 : 2004205209 ; 修订日期 : 2004209222 基金项目 : 国家环境保护总局项目 作者简介 : 郭怀成 (19532) , 男,北京人 , 教授 , 博导.主要从事环境规划与管理研究. 城市水资源政策实施效果的定量化评估 郭怀成 , 戴永立 , 王丹,刘永(北京大学环境学院 , 北京 100871) 摘要 : 在研究水循环和水量转换规律的基础上 , 以城市为研究范围 , 找出影响水资源系统可 持续发展的主要控制因素 , 建立水资源系统动力学模型 , 进行动态仿真模拟 , 并对模拟结果 进行多因素的综合评价 , 从定量的角度说明政策在系统中的长期影响.本文以沈阳为例 , 运 用该方法分析不同政策的实施对水资源可持续利用能力的作用和影响 , 为城市水资源合理开 发利用提供科学的决策依据. 关键词:城市水资源 ; 定量化 ; 系统动力学 ; 沈阳市 中图分类号 : TV21314 文章编号 : 100020585(2004) 0620745208 水资源短缺是当前困扰我国许多城市发展的首要问题 , 造成这种现象的重要原因之 一,是水资源利用政策未得到有效实施 , 加剧了水资源的危机[1~3] .为了合理有效地开发 利用城市水资源 , 国家有关部门颁布了相关政策法规[4] , 国内学者对此也提出各种开发利 用政策 , 总的概括为"节流、治污、开源"三个重要环节.但由于水资源开发利用的总体 性、动态性和多目标性 , 以及与社会、经济、环境系统关系的复杂性 , 使得常用的趋势预 测、要素分析等研究方法束手无策 , 对于各种开发利用的政策往往停留在宏观的战略分析 或定性描述方面 , 而缺少对水资源开发利用过程和开发行为的定量分析与综合评估方 法[5~6] .基于此 , 本文针对城市水资源合理利用政策的实施效果构建了定量评估方法 , 该 方法将水资源系统动力学模型和水资源可持续发展能力评价指标体系集成在一起 , 构成城 市水资源利用政策的定量评估模型体系 , 对水资源利用政策的实施效果作出定量评判 , 从 而为城市水资源合理开发利用提供科学的决策依据. 1 城市水资源利用政策的定量化评估方法 本文对城市水资源利用政策实施效果进行了定量化研究 , 方法框架见图 1 , 思路如 下:(1) 研究城市水循环和水量转换规律 , 分析供水系统与生活、生产、生态 ( "三生" ) 需水系统的相互制约关系 ; (2) 找出影响水资源系统可持续发展的主要控制因素 , 建立水 资源系统动力学 (SD) 模型 , 对实施不同政策下的水资源系统进行动态仿真模拟 ; (3) 建 立评价指标体系对模拟结果进行定量评估 , 得到综合指标值 ; (4) 分析不同政策的实施对 水资源可持续利用能力的作用和影响. 111 基于水资源的可持续利用的系统动力学 (SD) 模型 水是关联着整个社会经济环境系统的资源要素 , 从整个系统的角度来分析水资源是近 年来的发展趋势[7~11] .引入系统动力学对水资源进行建模 , 包括水的供给、输送、使用、 第23 卷第6期2004 年11 月地理研究GEOGRAPHICAL RESEARCH Vol123 , No16 Nov1, 2004 排放、污水处理的全过程 , 涉及到生态环境、工农业、服务业、人口以及市政工程等多个 子系统 (图2) .为了研究方便 , 突出主要问题 , 以水为核心 , 进行系统分析 , 确定系统 边界.以城市为研究对象 , 包括为市区提供水源的其他地区.系统的界限并不是一个地理 边界 , 而是根据建模的目的 , 把与问题有重要关系的概念和变量包括进系统.这样的系统 仍是一个开放的系统 , 与研究对象之外的部分仍有物质和信息的输入输出 , 例如上游来水 和下游去水 , 反映上游的用水状况及其对下游用水的影响.在对城市水资源进行研究时 , 把这些与外界交换的变量看作是已知变量. 图2反映了各个系统之间的主要关系 , 可分为供水子系统、需水子系统和污水处理子系 统,通过分析系统内部以及系统间主要的因果关系和反馈回路 , 选定状态变量、速度变量和 辅助变量 , 建立系统流图.鉴于篇幅限制 , 这里仅给出需水子系统模块的流程图 (图3) . 图3城市水资源需水子系统 SD 模型 Fig13 System dynamics (SD) model for urban water resources water2demand subsystem 746 地理研究23 卷 结合上述分析 , 对系统的主要因果关系和方程概括如下 : (1) 工业和第三产业用水子系统 工业和第三产业的发展在很大程度上受到水资源量的制约.如工业有两个主要的流位 变量 , 即工业产值和工业用水需求.工业的发展增加了对水资源的需求 , 加剧了水资源的 紧缺程度 ; 但工业发展可以推动经济增长 , 促进水资源的开发利用 , 提高水的重复利用 率,从而又为工业的发展提供了源泉和动力.第三产业的情况与工业类似.总的需水量 为:需水量 = 居民生活用水量 + 工业用水量 + 第三产业用水量 + 环境用水量 ; (2) 污水处理子系统 污水处理子系统主要有两个流位变量 , 即污水产生量和污水处理量.该模块主要研究 供水量、工艺技术和政策的变化所导致的污水排放量的变化 , 以及采用不同的技术手段引 起污水处理量的变化趋势. 污水排放累积量 = INTEG ( + 污水产生量 - 污水处理量 , 初始污水排放量) ; (3) 供水系统子模块 工业、第三产业和生活用水共享用一个水资源系统 , 该模块主要有两个流位变量 , 即 区内可供水资源量和区外可供水资源量.前者包括区内河流淡水及地下水资源和中水回用 得到的水资源量 , 后者主要包括外流域调水的水资源量. 每年可供水资源量 = 区内可供水资源量 + 区外可供水资源量 = 可利用的地面水量 + 每年可回用水量 + 每年可利用的地下水量 + 每年可调区外水资源量. 本研究利用 VENSIM 软件进行系统动力学建模 , 该软件界面友好 , 流图构建、方程编 写与模拟分析融为一体.系统流图仅反映了变量之间的定性关系和系统构造 , 在此基础上 编写方程以建立变量之间的定量关系 , 就可以实现动态仿真的目的. 112 城市水资源可持续发展能力评价指标体系 城市系统可持续发展指标是由若干相互联系、相互补充、具有层次性和结构性的指标 组成的有机整体.在参考了国内外相关研究的基础上[12~14] , 遵循科学性、系统全面性、 综合性和可操作性、定量和定性结合的基本原则 , 选取了与水资源系统有关的主要指标 , 构建城市水资源可持续发展能力评价指标体系.采用德尔菲法 (专家经验统计判断法) 确 定各指标的权重.鉴于目前国内外对可持续发展尚无一个统一的、令人满意的评价标准 , 本文采用式 1 和式 2 分别计算各单项指标 (按效益型指标和成本型指标的分类计算) 的指 数值.效益型指标值越大 , 越有利于系统正向发展 , 成本型指标正好相反 , 指标值越小 , 越有利于系统正向发展. 效益型指标 : 成本型指标 : Ui = 1 xi - bi ai - bi 0 xi ≥ai bi < xi < ai xi ≤bi (1) Ui = 1 ai - xi ai - bi 0 xi ≤bi bi < xi < ai xi ≥ai (2) 其中 , Ui为I指标的指数值 ; xi为实际数值 ; ai和bi分别为 I 指标的上、下限.指标 的下限以基本满足温饱水平的社会实际经济状况、可接受的最低效的资源利用和最差的环 境质量水平为界 ; 指标的上限以 20 世纪末发达国家 (主要为日本、韩国、新加坡、德国、 6 期 郭怀成 等:城市水资源政策实施效果的定量化评估 747 美国、加拿大等) 的相关指标值为参考 , 选定其中的满意值为上限.为计算一致性 , 对上 下限指标作适当调整 , 保证 ai > bi .根据以上指标体系建立原则 , 得到城市水资源开发利 用可持续发展能力评价指标体系及其各指标的权重值 (表1) .在上述指标标准化的基础 上,通过线性加权法 , 进一步求出综合指数. 表1城市水资源开发利用可持续发展能力评价指标体系 Tab11 Evaluation indicator system for sustainability of urban water resources development and utilization 指标 单位 上限 下限 权重 (总分 100) 3 人口增长率 ‰ 7 - 1 515 3 城市市区人口密度 人/ km2 4000 200 415 建成区绿地覆盖率 % 45 10 5 人均国内生产总值 元/ 人150000 1000 13 3 工业万元产值用水量 万吨/ 万元 012 01001 815 3 第二、三产业产值比率 % 130 50 315 3 工业万元产值废水排放量 万吨/ 万元 0105 010005 715 工业废水处理率 % 100 30 9 人均日生活用水量 升/ (人· 日) 450 100 9 工业废水处理回用率 % 95 30 915 人均绿地面积 m2 / 人15 110 615 工业废水排放达标率 % 100 60 815 3 万元 G DP 用水量 万吨/ 万元 012 01001 10 注:3表示成本型指标 2 应用实例 — — — 沈阳市水资源利用政策的动态仿真与评估 211 研究区概况 沈阳是辽宁省省会 , 是中国特大城市和重要工业基地之一 , 又是东北地区经济、文化、科技、商贸、金融、交通的中心.沈阳市水资源总量为 34127 * 108 m3 / a , 其中可利用 量约为 23118 * 108 m3 / a , 仅占全市水资源的 67164 % , 缺水量达 14167 * 108 m3 / a.人均占有 可利用水资源量低 , 仅为 354 m3 / a , 已处于水危机状态 , 为严重缺水城市. 除了资源性缺水突出 , 水质性缺水问题也很严重.目前全市所有地表水、地下水都受 到不同程度污染 , 浑河、细河等地表水及一些地区地下水已经不能使用 , 由污染造成的工 农业及生活用水供需矛盾日益突出.建成区内水面缺乏问题最为严重 , 现有水面面积 59716 hm2 , 仅占建成区面积的 2151 % , 根本起不到城市小气候调节作用[15~17] . 212 沈阳市水资源利用的动态仿真模型 21211 确定模型初始状态及主要方程构建 按图 3 构建了沈阳市水资源系统动力学模型 , 以2001 年沈阳的统计数据为模型初始状态[16 ,17] , 模拟在不同水资源利用政策下 , 系统中 主要指标从 2001 到2020 年之间的动态变化趋势. 该系统包括变量及常量共 84 个.其中状态变量是系统的核心 , 表示系统在变化过程 中某个具体时刻的状态 , 用差分方程表示.速度变量和辅助变量之间的定量关系比较复 杂,需要对历史数据进行局部分析 , 并且对整个系统仿真的有效性和稳定性进行了历史检 验和灵敏度分析 (方程略) . 21212 策略设计与仿真模拟 控制反馈回路中的决策变量 , 分别模拟不采取措施 (维持 现在有的水资源政策) , 采取节约用水、污水治理、中水回用三个策略下系统的发展变化 过程.各阶段缺水状况如表 2. 748 地理研究23 卷表2各种水资源政策下的缺水状况 ( 可用量/ 需求量) Tab12 Water shortage conditions under different water resources policies (available quantity/ required quantity) 时间 (年) 2001 2005 2010 2015 2020 不采取措施 017861 017134 016534 015913 015392 节约用水 017861 017811 01744 016976 016522 污水治理 017861 017243 016774 016203 015767 中水回用 017861 01802 018038 017649 017631 (1) 不采取措施 不采取措施通常用作政策分析中的背景 , 即维持现行的政策 : 废 水处理率和达标率、工业重复用水率都维持在 2001 年水平 , 以及无中水回用措施.模拟 结果表明 , 对水资源的需求逐渐增加 , 可利用的水资源量趋于减少 , 对水资源的需求逐渐 增加 , 缺水状况越来越严重 (表2) , 到2020 年,可用水量仅为需求量的 54 % , 并影响到 人口和经济的长期发展. (2) 节约用水 从减少水资源需求的角度 , 加强节约用水宣传 , 促进节水设施的使 用,发展节水产业类型.沈阳的城市供水结构中 , 工业用水占绝对比重 , 2000 年达到 57141 %.城市工业用水主要分为间接冷却水 , 工艺用水 , 锅炉用水和厂区生活用水.通 过技术进步针对不同的用水性质对耗水量大的旧设备逐步改造 , 引进先进的节水型用水设 备,对新建 , 改建 , 扩建企业要严格执行"三同时" , 要求其达到先进的用水水平 , 此外 要加强企业水平衡测试工作 , 通过水平衡分析找出各个节水环节和节水潜力 , 制定合理用 水的技改方案.在模型中 , 根据沈阳的节水潜力 , 以表函数的形式逐渐增大生活、生产用 水的节水系数 , 通过理论分析和实际情况考证 , 生产用水的节水系数其增长速度和最后的 比例都将大于生活用水的相关值.变量值的变化主要体现在工业产值连续递增的情况下 , 工业取水量逐年递减和人均生活用水的增长速度小于人均 G DP 增长速度.采取节水措施 减少了水资源需求增长的速度 , 例如 2020 年万元工业产值需水量仅为 2005 年的 60 % , 但 缺水逐渐严重的趋势并未改变 , 缺水因子 (可用量/ 需求量) 仍逐渐减小. (3) 污水治理 加强污水处理 , 用表函数的形式 , 在模型中逐渐提高工业废水排放 达标率和生活污水处理率 , 到2020 年,基本上实现处理率和排放达标率接近 100 % , 其中 万元 G DP 的耗水量也有所下降 , 仅为 2001 年现值的 1/ 3.但是由于增加了污水处理费用 , 使水价在工业产品成本中的结构或比重发生变化.该措施在现期的工业重复用水率和无中 水回用条件下 , 增加了可利用的水资源量 , 能缓解水质性缺水状况 , 并且具有环境保护效 应,可是却提高了企业的产品成本. (4) 中水回用 "中水"主要指城市污水经处理达到某一水质标准 , 可在一定范围 内重复使用的非饮用的杂用水 , 其水质介于上水与下水之间.采取中水回用的政策实际包 含污水治理措施 , 在改善水质的同时 , 中水成为可利用水资源的一个重要来源.城市中的 "中水"建设应该走分散与集中相结合的路子 , 包括推广家庭中水利用简易装置 , 占家庭 所使用的清洁水量的 30 %~50 %的冲厕用水可由中水代替.模型中 , 体现为在不影响居 民生活水平的情况下 , 人均用水量的减少.工业用水方面 , 在提高工业废水排放达标率的 基础上 , 提高工业重复用水率和中水回用率 , 使这两项指标到 2020 年基本上接近 100 %. 可采用组织区域性的一水多用的措施 , 在特大型、大型企业建立废水闭路循环系统或在厂 际之间进行区域性综合利用 , 这样 , 逐步提高可获得水资源的有效使用 , 尤其是在不开辟 6 期 郭怀成 等:城市水资源政策实施效果的定量化评估 749 另外新水源的情况下 , 从数量上实际增加了可利用水资源量.在模型中体现在工业万元产 值取水量呈下降趋势 , 随着社会经济的发展 , 需水量增加 , 但供求状况基本保持在现有水 平.到2020 年,中水回用政策下的可用量与需求量之比 (017631) 明显高于其他几种政 策下的数值 (表2) . 213 仿真结果的可持续发展评估 21311 动态仿真结果及综合指标值 根据表 1 中的评价指标体系 , 对在不同的水资源政 策下 , 模型仿真运行结果进行定量化评价 (表3) .为了便于对结果有更直观的比较 , 本 研究根据 2002 年全国城市统计年鉴[17] , 以数据的完备性和城市区位的代表性为标准 , 选 取了北京、上海、天津、重庆、西宁、济南、武汉七所城市的统计资料 , 建立原始参考数 据库.用线性加权法 , 进一步求出各城市 2001 年水资源可持续发展能力综合指标值.同理,根据系统仿真模拟得到的结果 , 求出在四种不同水资源利用政策下 , 沈阳市未来不同 发展时期的水资源可持续发展能力综合指标值 (表3) . 表3沈阳水资源可持续开发能力综合指标 Tab13 General indexes of water resources sustainable development in Shenyang City 时间 (年) 2001 2005 2010 2015 2020 不采用任何水资源措施 55173 57120 59164 62158 66165 采用节约用水措施 55173 59136 61108 63152 67144 采用污水处理措施 55173 59102 63113 68132 74141 采用中水回用措施 55173 58168 64176 72149 83128 21312 方案对比分析 由表 3 可知 , 在每种策略情况下 , 沈阳水资源的可持续开发能力 , 均呈增加趋势.把沈阳 2001 年的值 (55173) 与全国七座城市相比 , 可见沈阳的状况在北 京(73185) 、天津 (64101) 等区位条件和发展情况都较好的城市之后 , 综合水平比重庆 (52168) 略好 , 仅优于西宁 (44165) 这座严重的缺水城市. 图4沈阳水资源可持续开发能力变化趋势图 Fig14 Trend of water resources sustainable development in Shenyang City 图4给出了沈阳水资源可持续开发 能力变化趋势 , 其可更直观反映不同政 策实施的效果情况.由图 4 可见 , 如不 采取任何措施 , 保持目前的水资源开发 利用政策 , 指标值增长缓慢 , 到2020 年,也仅为目前武汉、济南等城市的综 合水平.结合表 2 中的缺水因子 , 表明 沈阳的缺水状况日益严峻 , 将严重制约 城市社会经济的发展. 采用节约用水措施 , 在短期内效果 比较明显 (其2005 年的综合值 59136 为 四种措施之首) , 缺水状况也得到了很 大的缓解 , 但是长期效果不明显 , 到2020 年,仅略优于不采取措施 (图4) . 这说明沈阳市社会经济的发展导致需水 量持续增加 , 节约用水的潜力毕竟有限 , 不能根本实现水资源的持续利用.采用污水处理 的措施 , 如果污水处理之后未被再次利用 , 尽管环境状况得以改善 , 可持续发展能力有所 750 地理研究23 卷 提高 (2020 年的综合指标值达到 74141) , 但缺水状况仍然很严峻.在污水处理的基础上 进行中水回用 , 使中水成为一种重要的水源 , 既改善了环境 , 又缓解了缺水状况 (缺水因 子控制在 21 世纪初的水平 , 系统内水资源的需求接近零增长) , 大大提高了水资源可持续 开发能力 , 到2020 年,综合指标值达到 83128 , 约为现值的 115 倍 (表 3) . 3 结论 在研究水循环和水量转换规律的基础上 , 以城市为研究范围 , 根据供水系统和需水系 统相互制约关系的理论内涵 , 对常用的水资源利用政策在社会经济环境系统中的作用 , 进 行系统动力学的动态仿真模拟 , 并对模拟结果进行多因素的综合评价 , 能够从定量的角度 说明政策在系统中的长期影响.这不仅可以使决策者根据实际情况选择相应的政策 , 而且 可以决定政策推行的进程 , 以及进行多个政策的最佳组合. 以沈阳为例 , 根据建立的水资源政策系统动力学仿真模型 , 模拟不同水资源利用政策 下,系统中主要指标从 2001 到2020 年之间的动态变化趋势.该城市水资源利用已存在很 大的缺口 , 对需求的满足程度低于 80 %.通过得到不同政策实施的定量化结果 , 能够对 水资源利用政策的理解从定性分析转向定量化比较 , 即该市需要尽快采取节约用水的政 策,可以在短期内收到较好的效果 , 但从长期来看 , 必须进行污水治理 , 推广中水回用 , 开源与节流并重 , 才能跟上社会经济持续发展对水资源需求的增长. 参考文献 : [ 1 ] 中国工程院 "21 世纪中国可持续发展水资源战略研究" 项目组. 中国可持续发展水资源战略研究综合报告. 中国工 程科学 , 2000 ,(8) : 1~17. 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Water short2 age is a common problem confronted by many cities. A number of countermeasures , including saving , pollution control , seeking new water source , have been put forward to solve the problem. The purpose of this paper is to identify a better one from the measures and to facilitate sustainable use of urban wa2 ter resources. Therefore , it is necessary to assess the effect of implementing the countermeasures. In order to achieve both conservation and effective utilization of water resources , a careful analysis of the region is very important. In the study , the relations among population , economics , government and ecosystem almost always constitute highly complex dynamic systems. That makes some common methods useless for solving the problem of the complex systems. So a holistic point of view is to be adopted and considerable amount of effort must be devoted to the analysis of water resources system (WRS) and strategy improvements. System Dynamics ( SD) , founded by J . W. Forrester in the 1950s , has been testified to be an effective way to the analysis of strategies and decision2making. In this study , SD is applied to quantitatively analyze and to synthetically assess the measures of urban wa2 ter resources , in virtue of multi2factor general evaluation. Based on the research of water circulation and the law of water quantity transformation , within the fields of urban areas , this paper endeavors to find out the main dominant factor influencing sustainable WRS development , to build WRS system dynamic (WRSSD) model for dynamical simulation , and then to apply the multi2factor general evaluation to the simulation results. In this paper , WRSSD model is used in the WRS of Shenyang City as a case study. Four policies are taken into account : no2does , frugal use , pollution control , and sewage purification and reuse. Based on the quantitive analysis of the long2run impact of the measures , the effects and influences of different policies are fully clarified. The final result indicates that : (1) frugally use and pollution con2 trol are not enough , regarding the constant growth of water demand ; and (2) the gray water will be an important part of water resources. The study can provide a scientific foundation for the rational devel2 opment and utilization of urban water resources. The case study confirms the practicability and operability of the method. It indicates that SD mod2 el , in virtue of multi2factor general evaluation , is a useful tool for sustainable development of urban water resources. Key words : urban water resources system; quantitative ; system dynamic ; Shenyang City 752 地理研究23 卷
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收稿日期 : 2004205209 ; 修订日期 : 2004209222 基金项目 : 国家环境保护总局项目 作者简介 : 郭怀成 (19532) , 男,北京人 , 教授 , 博导.主要从事环境规划与管理研究. 城市水资源政策实施效果的定量化评估 郭怀成 , 戴永立 , 王丹,刘永(北京大学环境学院 , 北京 100871) 摘要 : 在研究水循环和水量转换规律的基础上 , 以城市为研究范围 , 找出影响水资源系统可 持续发展的主要控制因素 , 建立水资源系统动力学模型 , 进行动态仿真模拟 , 并对模拟结果 进行多因素的综合评价 , 从定量的角度说明政策在系统中的长期影响.本文以沈阳为例 , 运 用该方法分析不同政策的实施对水资源可持续利用能力的作用和影响 , 为城市水资源合理开 发利用提供科学的决策依据. 关键词:城市水资源 ; 定量化 ; 系统动力学 ; 沈阳市 中图分类号 : TV21314 文章编号 : 100020585(2004) 0620745208 水资源短缺是当前困扰我国许多城市发展的首要问题 , 造成这种现象的重要原因之 一,是水资源利用政策未得到有效实施 , 加剧了水资源的危机[1~3] .为了合理有效地开发 利用城市水资源 , 国家有关部门颁布了相关政策法规[4] , 国内学者对此也提出各种开发利 用政策 , 总的概括为"节流、治污、开源"三个重要环节.但由于水资源开发利用的总体 性、动态性和多目标性 , 以及与社会、经济、环境系统关系的复杂性 , 使得常用的趋势预 测、要素分析等研究方法束手无策 , 对于各种开发利用的政策往往停留在宏观的战略分析 或定性描述方面 , 而缺少对水资源开发利用过程和开发行为的定量分析与综合评估方 法[5~6] .基于此 , 本文针对城市水资源合理利用政策的实施效果构建了定量评估方法 , 该 方法将水资源系统动力学模型和水资源可持续发展能力评价指标体系集成在一起 , 构成城 市水资源利用政策的定量评估模型体系 , 对水资源利用政策的实施效果作出定量评判 , 从 而为城市水资源合理开发利用提供科学的决策依据. 1 城市水资源利用政策的定量化评估方法 本文对城市水资源利用政策实施效果进行了定量化研究 , 方法框架见图 1 , 思路如 下:(1) 研究城市水循环和水量转换规律 , 分析供水系统与生活、生产、生态 ( "三生" ) 需水系统的相互制约关系 ; (2) 找出影响水资源系统可持续发展的主要控制因素 , 建立水 资源系统动力学 (SD) 模型 , 对实施不同政策下的水资源系统进行动态仿真模拟 ; (3) 建 立评价指标体系对模拟结果进行定量评估 , 得到综合指标值 ; (4) 分析不同政策的实施对 水资源可持续利用能力的作用和影响. 111 基于水资源的可持续利用的系统动力学 (SD) 模型 水是关联着整个社会经济环境系统的资源要素 , 从整个系统的角度来分析水资源是近 年来的发展趋势[7~11] .引入系统动力学对水资源进行建模 , 包括水的供给、输送、使用、 第23 卷第6期2004 年11 月地理研究GEOGRAPHICAL RESEARCH Vol123 , No16 Nov1, 2004 排放、污水处理的全过程 , 涉及到生态环境、工农业、服务业、人口以及市政工程等多个 子系统 (图2) .为了研究方便 , 突出主要问题 , 以水为核心 , 进行系统分析 , 确定系统 边界.以城市为研究对象 , 包括为市区提供水源的其他地区.系统的界限并不是一个地理 边界 , 而是根据建模的目的 , 把与问题有重要关系的概念和变量包括进系统.这样的系统 仍是一个开放的系统 , 与研究对象之外的部分仍有物质和信息的输入输出 , 例如上游来水 和下游去水 , 反映上游的用水状况及其对下游用水的影响.在对城市水资源进行研究时 , 把这些与外界交换的变量看作是已知变量. 图2反映了各个系统之间的主要关系 , 可分为供水子系统、需水子系统和污水处理子系 统,通过分析系统内部以及系统间主要的因果关系和反馈回路 , 选定状态变量、速度变量和 辅助变量 , 建立系统流图.鉴于篇幅限制 , 这里仅给出需水子系统模块的流程图 (图3) . 图3城市水资源需水子系统 SD 模型 Fig13 System dynamics (SD) model for urban water resources water2demand subsystem 746 地理研究23 卷 结合上述分析 , 对系统的主要因果关系和方程概括如下 : (1) 工业和第三产业用水子系统 工业和第三产业的发展在很大程度上受到水资源量的制约.如工业有两个主要的流位 变量 , 即工业产值和工业用水需求.工业的发展增加了对水资源的需求 , 加剧了水资源的 紧缺程度 ; 但工业发展可以推动经济增长 , 促进水资源的开发利用 , 提高水的重复利用 率,从而又为工业的发展提供了源泉和动力.第三产业的情况与工业类似.总的需水量 为:需水量 = 居民生活用水量 + 工业用水量 + 第三产业用水量 + 环境用水量 ; (2) 污水处理子系统 污水处理子系统主要有两个流位变量 , 即污水产生量和污水处理量.该模块主要研究 供水量、工艺技术和政策的变化所导致的污水排放量的变化 , 以及采用不同的技术手段引 起污水处理量的变化趋势. 污水排放累积量 = INTEG ( + 污水产生量 - 污水处理量 , 初始污水排放量) ; (3) 供水系统子模块 工业、第三产业和生活用水共享用一个水资源系统 , 该模块主要有两个流位变量 , 即 区内可供水资源量和区外可供水资源量.前者包括区内河流淡水及地下水资源和中水回用 得到的水资源量 , 后者主要包括外流域调水的水资源量. 每年可供水资源量 = 区内可供水资源量 + 区外可供水资源量 = 可利用的地面水量 + 每年可回用水量 + 每年可利用的地下水量 + 每年可调区外水资源量. 本研究利用 VENSIM 软件进行系统动力学建模 , 该软件界面友好 , 流图构建、方程编 写与模拟分析融为一体.系统流图仅反映了变量之间的定性关系和系统构造 , 在此基础上 编写方程以建立变量之间的定量关系 , 就可以实现动态仿真的目的. 112 城市水资源可持续发展能力评价指标体系 城市系统可持续发展指标是由若干相互联系、相互补充、具有层次性和结构性的指标 组成的有机整体.在参考了国内外相关研究的基础上[12~14] , 遵循科学性、系统全面性、 综合性和可操作性、定量和定性结合的基本原则 , 选取了与水资源系统有关的主要指标 , 构建城市水资源可持续发展能力评价指标体系.采用德尔菲法 (专家经验统计判断法) 确 定各指标的权重.鉴于目前国内外对可持续发展尚无一个统一的、令人满意的评价标准 , 本文采用式 1 和式 2 分别计算各单项指标 (按效益型指标和成本型指标的分类计算) 的指 数值.效益型指标值越大 , 越有利于系统正向发展 , 成本型指标正好相反 , 指标值越小 , 越有利于系统正向发展. 效益型指标 : 成本型指标 : Ui = 1 xi - bi ai - bi 0 xi ≥ai bi < xi < ai xi ≤bi (1) Ui = 1 ai - xi ai - bi 0 xi ≤bi bi < xi < ai xi ≥ai (2) 其中 , Ui为I指标的指数值 ; xi为实际数值 ; ai和bi分别为 I 指标的上、下限.指标 的下限以基本满足温饱水平的社会实际经济状况、可接受的最低效的资源利用和最差的环 境质量水平为界 ; 指标的上限以 20 世纪末发达国家 (主要为日本、韩国、新加坡、德国、 6 期 郭怀成 等:城市水资源政策实施效果的定量化评估 747 美国、加拿大等) 的相关指标值为参考 , 选定其中的满意值为上限.为计算一致性 , 对上 下限指标作适当调整 , 保证 ai > bi .根据以上指标体系建立原则 , 得到城市水资源开发利 用可持续发展能力评价指标体系及其各指标的权重值 (表1) .在上述指标标准化的基础 上,通过线性加权法 , 进一步求出综合指数. 表1城市水资源开发利用可持续发展能力评价指标体系 Tab11 Evaluation indicator system for sustainability of urban water resources development and utilization 指标 单位 上限 下限 权重 (总分 100) 3 人口增长率 ‰ 7 - 1 515 3 城市市区人口密度 人/ km2 4000 200 415 建成区绿地覆盖率 % 45 10 5 人均国内生产总值 元/ 人150000 1000 13 3 工业万元产值用水量 万吨/ 万元 012 01001 815 3 第二、三产业产值比率 % 130 50 315 3 工业万元产值废水排放量 万吨/ 万元 0105 010005 715 工业废水处理率 % 100 30 9 人均日生活用水量 升/ (人· 日) 450 100 9 工业废水处理回用率 % 95 30 915 人均绿地面积 m2 / 人15 110 615 工业废水排放达标率 % 100 60 815 3 万元 G DP 用水量 万吨/ 万元 012 01001 10 注:3表示成本型指标 2 应用实例 — — — 沈阳市水资源利用政策的动态仿真与评估 211 研究区概况 沈阳是辽宁省省会 , 是中国特大城市和重要工业基地之一 , 又是东北地区经济、文化、科技、商贸、金融、交通的中心.沈阳市水资源总量为 34127 * 108 m3 / a , 其中可利用 量约为 23118 * 108 m3 / a , 仅占全市水资源的 67164 % , 缺水量达 14167 * 108 m3 / a.人均占有 可利用水资源量低 , 仅为 354 m3 / a , 已处于水危机状态 , 为严重缺水城市. 除了资源性缺水突出 , 水质性缺水问题也很严重.目前全市所有地表水、地下水都受 到不同程度污染 , 浑河、细河等地表水及一些地区地下水已经不能使用 , 由污染造成的工 农业及生活用水供需矛盾日益突出.建成区内水面缺乏问题最为严重 , 现有水面面积 59716 hm2 , 仅占建成区面积的 2151 % , 根本起不到城市小气候调节作用[15~17] . 212 沈阳市水资源利用的动态仿真模型 21211 确定模型初始状态及主要方程构建 按图 3 构建了沈阳市水资源系统动力学模型 , 以2001 年沈阳的统计数据为模型初始状态[16 ,17] , 模拟在不同水资源利用政策下 , 系统中 主要指标从 2001 到2020 年之间的动态变化趋势. 该系统包括变量及常量共 84 个.其中状态变量是系统的核心 , 表示系统在变化过程 中某个具体时刻的状态 , 用差分方程表示.速度变量和辅助变量之间的定量关系比较复 杂,需要对历史数据进行局部分析 , 并且对整个系统仿真的有效性和稳定性进行了历史检 验和灵敏度分析 (方程略) . 21212 策略设计与仿真模拟 控制反馈回路中的决策变量 , 分别模拟不采取措施 (维持 现在有的水资源政策) , 采取节约用水、污水治理、中水回用三个策略下系统的发展变化 过程.各阶段缺水状况如表 2. 748 地理研究23 卷表2各种水资源政策下的缺水状况 ( 可用量/ 需求量) Tab12 Water shortage conditions under different water resources policies (available quantity/ required quantity) 时间 (年) 2001 2005 2010 2015 2020 不采取措施 017861 017134 016534 015913 015392 节约用水 017861 017811 01744 016976 016522 污水治理 017861 017243 016774 016203 015767 中水回用 017861 01802 018038 017649 017631 (1) 不采取措施 不采取措施通常用作政策分析中的背景 , 即维持现行的政策 : 废 水处理率和达标率、工业重复用水率都维持在 2001 年水平 , 以及无中水回用措施.模拟 结果表明 , 对水资源的需求逐渐增加 , 可利用的水资源量趋于减少 , 对水资源的需求逐渐 增加 , 缺水状况越来越严重 (表2) , 到2020 年,可用水量仅为需求量的 54 % , 并影响到 人口和经济的长期发展. (2) 节约用水 从减少水资源需求的角度 , 加强节约用水宣传 , 促进节水设施的使 用,发展节水产业类型.沈阳的城市供水结构中 , 工业用水占绝对比重 , 2000 年达到 57141 %.城市工业用水主要分为间接冷却水 , 工艺用水 , 锅炉用水和厂区生活用水.通 过技术进步针对不同的用水性质对耗水量大的旧设备逐步改造 , 引进先进的节水型用水设 备,对新建 , 改建 , 扩建企业要严格执行"三同时" , 要求其达到先进的用水水平 , 此外 要加强企业水平衡测试工作 , 通过水平衡分析找出各个节水环节和节水潜力 , 制定合理用 水的技改方案.在模型中 , 根据沈阳的节水潜力 , 以表函数的形式逐渐增大生活、生产用 水的节水系数 , 通过理论分析和实际情况考证 , 生产用水的节水系数其增长速度和最后的 比例都将大于生活用水的相关值.变量值的变化主要体现在工业产值连续递增的情况下 , 工业取水量逐年递减和人均生活用水的增长速度小于人均 G DP 增长速度.采取节水措施 减少了水资源需求增长的速度 , 例如 2020 年万元工业产值需水量仅为 2005 年的 60 % , 但 缺水逐渐严重的趋势并未改变 , 缺水因子 (可用量/ 需求量) 仍逐渐减小. (3) 污水治理 加强污水处理 , 用表函数的形式 , 在模型中逐渐提高工业废水排放 达标率和生活污水处理率 , 到2020 年,基本上实现处理率和排放达标率接近 100 % , 其中 万元 G DP 的耗水量也有所下降 , 仅为 2001 年现值的 1/ 3.但是由于增加了污水处理费用 , 使水价在工业产品成本中的结构或比重发生变化.该措施在现期的工业重复用水率和无中 水回用条件下 , 增加了可利用的水资源量 , 能缓解水质性缺水状况 , 并且具有环境保护效 应,可是却提高了企业的产品成本. (4) 中水回用 "中水"主要指城市污水经处理达到某一水质标准 , 可在一定范围 内重复使用的非饮用的杂用水 , 其水质介于上水与下水之间.采取中水回用的政策实际包 含污水治理措施 , 在改善水质的同时 , 中水成为可利用水资源的一个重要来源.城市中的 "中水"建设应该走分散与集中相结合的路子 , 包括推广家庭中水利用简易装置 , 占家庭 所使用的清洁水量的 30 %~50 %的冲厕用水可由中水代替.模型中 , 体现为在不影响居 民生活水平的情况下 , 人均用水量的减少.工业用水方面 , 在提高工业废水排放达标率的 基础上 , 提高工业重复用水率和中水回用率 , 使这两项指标到 2020 年基本上接近 100 %. 可采用组织区域性的一水多用的措施 , 在特大型、大型企业建立废水闭路循环系统或在厂 际之间进行区域性综合利用 , 这样 , 逐步提高可获得水资源的有效使用 , 尤其是在不开辟 6 期 郭怀成 等:城市水资源政策实施效果的定量化评估 749 另外新水源的情况下 , 从数量上实际增加了可利用水资源量.在模型中体现在工业万元产 值取水量呈下降趋势 , 随着社会经济的发展 , 需水量增加 , 但供求状况基本保持在现有水 平.到2020 年,中水回用政策下的可用量与需求量之比 (017631) 明显高于其他几种政 策下的数值 (表2) . 213 仿真结果的可持续发展评估 21311 动态仿真结果及综合指标值 根据表 1 中的评价指标体系 , 对在不同的水资源政 策下 , 模型仿真运行结果进行定量化评价 (表3) .为了便于对结果有更直观的比较 , 本 研究根据 2002 年全国城市统计年鉴[17] , 以数据的完备性和城市区位的代表性为标准 , 选 取了北京、上海、天津、重庆、西宁、济南、武汉七所城市的统计资料 , 建立原始参考数 据库.用线性加权法 , 进一步求出各城市 2001 年水资源可持续发展能力综合指标值.同理,根据系统仿真模拟得到的结果 , 求出在四种不同水资源利用政策下 , 沈阳市未来不同 发展时期的水资源可持续发展能力综合指标值 (表3) . 表3沈阳水资源可持续开发能力综合指标 Tab13 General indexes of water resources sustainable development in Shenyang City 时间 (年) 2001 2005 2010 2015 2020 不采用任何水资源措施 55173 57120 59164 62158 66165 采用节约用水措施 55173 59136 61108 63152 67144 采用污水处理措施 55173 59102 63113 68132 74141 采用中水回用措施 55173 58168 64176 72149 83128 21312 方案对比分析 由表 3 可知 , 在每种策略情况下 , 沈阳水资源的可持续开发能力 , 均呈增加趋势.把沈阳 2001 年的值 (55173) 与全国七座城市相比 , 可见沈阳的状况在北 京(73185) 、天津 (64101) 等区位条件和发展情况都较好的城市之后 , 综合水平比重庆 (52168) 略好 , 仅优于西宁 (44165) 这座严重的缺水城市. 图4沈阳水资源可持续开发能力变化趋势图 Fig14 Trend of water resources sustainable development in Shenyang City 图4给出了沈阳水资源可持续开发 能力变化趋势 , 其可更直观反映不同政 策实施的效果情况.由图 4 可见 , 如不 采取任何措施 , 保持目前的水资源开发 利用政策 , 指标值增长缓慢 , 到2020 年,也仅为目前武汉、济南等城市的综 合水平.结合表 2 中的缺水因子 , 表明 沈阳的缺水状况日益严峻 , 将严重制约 城市社会经济的发展. 采用节约用水措施 , 在短期内效果 比较明显 (其2005 年的综合值 59136 为 四种措施之首) , 缺水状况也得到了很 大的缓解 , 但是长期效果不明显 , 到2020 年,仅略优于不采取措施 (图4) . 这说明沈阳市社会经济的发展导致需水 量持续增加 , 节约用水的潜力毕竟有限 , 不能根本实现水资源的持续利用.采用污水处理 的措施 , 如果污水处理之后未被再次利用 , 尽管环境状况得以改善 , 可持续发展能力有所 750 地理研究23 卷 提高 (2020 年的综合指标值达到 74141) , 但缺水状况仍然很严峻.在污水处理的基础上 进行中水回用 , 使中水成为一种重要的水源 , 既改善了环境 , 又缓解了缺水状况 (缺水因 子控制在 21 世纪初的水平 , 系统内水资源的需求接近零增长) , 大大提高了水资源可持续 开发能力 , 到2020 年,综合指标值达到 83128 , 约为现值的 115 倍 (表 3) . 3 结论 在研究水循环和水量转换规律的基础上 , 以城市为研究范围 , 根据供水系统和需水系 统相互制约关系的理论内涵 , 对常用的水资源利用政策在社会经济环境系统中的作用 , 进 行系统动力学的动态仿真模拟 , 并对模拟结果进行多因素的综合评价 , 能够从定量的角度 说明政策在系统中的长期影响.这不仅可以使决策者根据实际情况选择相应的政策 , 而且 可以决定政策推行的进程 , 以及进行多个政策的最佳组合. 以沈阳为例 , 根据建立的水资源政策系统动力学仿真模型 , 模拟不同水资源利用政策 下,系统中主要指标从 2001 到2020 年之间的动态变化趋势.该城市水资源利用已存在很 大的缺口 , 对需求的满足程度低于 80 %.通过得到不同政策实施的定量化结果 , 能够对 水资源利用政策的理解从定性分析转向定量化比较 , 即该市需要尽快采取节约用水的政 策,可以在短期内收到较好的效果 , 但从长期来看 , 必须进行污水治理 , 推广中水回用 , 开源与节流并重 , 才能跟上社会经济持续发展对水资源需求的增长. 参考文献 : [ 1 ] 中国工程院 "21 世纪中国可持续发展水资源战略研究" 项目组. 中国可持续发展水资源战略研究综合报告. 中国工 程科学 , 2000 ,(8) : 1~17. 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Water short2 age is a common problem confronted by many cities. A number of countermeasures , including saving , pollution control , seeking new water source , have been put forward to solve the problem. The purpose of this paper is to identify a better one from the measures and to facilitate sustainable use of urban wa2 ter resources. Therefore , it is necessary to assess the effect of implementing the countermeasures. In order to achieve both conservation and effective utilization of water resources , a careful analysis of the region is very important. In the study , the relations among population , economics , government and ecosystem almost always constitute highly complex dynamic systems. That makes some common methods useless for solving the problem of the complex systems. So a holistic point of view is to be adopted and considerable amount of effort must be devoted to the analysis of water resources system (WRS) and strategy improvements. System Dynamics ( SD) , founded by J . W. Forrester in the 1950s , has been testified to be an effective way to the analysis of strategies and decision2making. In this study , SD is applied to quantitatively analyze and to synthetically assess the measures of urban wa2 ter resources , in virtue of multi2factor general evaluation. Based on the research of water circulation and the law of water quantity transformation , within the fields of urban areas , this paper endeavors to find out the main dominant factor influencing sustainable WRS development , to build WRS system dynamic (WRSSD) model for dynamical simulation , and then to apply the multi2factor general evaluation to the simulation results. In this paper , WRSSD model is used in the WRS of Shenyang City as a case study. Four policies are taken into account : no2does , frugal use , pollution control , and sewage purification and reuse. Based on the quantitive analysis of the long2run impact of the measures , the effects and influences of different policies are fully clarified. The final result indicates that : (1) frugally use and pollution con2 trol are not enough , regarding the constant growth of water demand ; and (2) the gray water will be an important part of water resources. The study can provide a scientific foundation for the rational devel2 opment and utilization of urban water resources. The case study confirms the practicability and operability of the method. It indicates that SD mod2 el , in virtue of multi2factor general evaluation , is a useful tool for sustainable development of urban water resources. Key words : urban water resources system; quantitative ; system dynamic ; Shenyang City 752 地理研究23 卷