水資源循環(huán)經(jīng)濟體系動力學(xué)思考

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1水資源、社會經(jīng)濟現(xiàn)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(jù)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(nèi)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(qū)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(xiàn)嚴重缺水的緊張局面。且大連地區(qū)的海水入侵現(xiàn)狀比較嚴重,不僅加劇了水資源緊缺形勢,而且?guī)砹怂h(huán)境生態(tài)系統(tǒng)破壞。大連地區(qū)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(qū)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(xiàn)有水利工程調(diào)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(jīng)濟現(xiàn)狀

大連市下轄現(xiàn)設(shè)6區(qū)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(nóng)業(yè)人口357.8萬人,占總?cè)丝诘?1.2%。國民經(jīng)濟持續(xù)快速增長,2009年全市實現(xiàn)地區(qū)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,增長率分別為7.8%,16.5%和14.6%。3次產(chǎn)業(yè)構(gòu)成比例為7.1∶52.4∶40.5,對經(jīng)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(chǎn)總值由2008年的63198元增加到71833元。隨著綜合經(jīng)濟實力的持續(xù)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(nóng)田灌溉畝均用水量、萬元工業(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(tǒng)動力學(xué)簡介

系統(tǒng)動力學(xué)簡稱SD(SystemDynalnics),以反饋控制理論為基礎(chǔ),以數(shù)學(xué)計算機仿真技術(shù)為手段,研究復(fù)雜系統(tǒng)的行為,可用來定性和定量地剖析歷史、分析現(xiàn)在和研究未來,是實現(xiàn)決策科學(xué)化和經(jīng)營管理現(xiàn)代化的有力手段。它最為突出的優(yōu)點是處理周期性、長期性、高階、非線性、時變的問題。系統(tǒng)動力學(xué)研究的問題是動態(tài)的,系統(tǒng)中所包含的變量是隨時間變化的,因此模型可以模擬系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,進行中長期預(yù)測。目前,系統(tǒng)動力學(xué)已成功應(yīng)用于社會、經(jīng)濟、生態(tài)復(fù)雜大系統(tǒng)的許多戰(zhàn)略與決策分析中。水資源承載力涉及面廣、內(nèi)容復(fù)雜,普通方法受線性約束不能清楚地把握系統(tǒng)的各種反饋關(guān)系,只能追求最優(yōu)解。而SD方法將復(fù)雜系統(tǒng)分為若干子系統(tǒng),再對選用的每個決策變量設(shè)定各種方案,通過對各子系統(tǒng)之間相互關(guān)系的分析,模擬不同發(fā)展戰(zhàn)略得出水資源利用與各子系統(tǒng)之間的變化趨勢。

2.1.2模型設(shè)計思路

大連是一個水資源嚴重短缺的城市,隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,人們對水資源的需求量持續(xù)增長,再加上干旱等自然災(zāi)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,實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用,是一個迫在眉睫的任務(wù),也是模型設(shè)計的目的。假設(shè)大連市城市化水平保持較快速度上升,對應(yīng)的社會經(jīng)濟也高速發(fā)展,而其用水模式保持目前水平,如按萬元工業(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(yù)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(jīng)濟的高速發(fā)展。

2.1.3系統(tǒng)動力學(xué)原理

系統(tǒng)動力學(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(tǒng)描述了水準(狀態(tài))變量(流位)的變化規(guī)律,用歐拉法數(shù)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(tài)變量;IR.JK,OR.JK分別表示流入速率與流出速率,K表示現(xiàn)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(jié)構(gòu)及流圖分析

結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)研究問題的主要特點和大連市的實際情況,將系統(tǒng)邊界定在大連市土地面積范圍內(nèi),對重要用水環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)分析后,采用SD專用模型Vensim建立包含人口、經(jīng)濟、環(huán)境和資源4個子系統(tǒng)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(tài)變量和速率變量,狀態(tài)變量為總?cè)丝凇⒐I(yè)總產(chǎn)值、道路面積、農(nóng)業(yè)灌溉面積、綠地面積、節(jié)水灌溉面積、第三產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值,每一狀態(tài)變量對應(yīng)相應(yīng)的速率變量。(1)人口子系統(tǒng)。本文總?cè)丝跀?shù)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(zhèn)人口和農(nóng)業(yè)人口兩部分組成,人口子系統(tǒng)的主要變量包括總?cè)丝跀?shù)、城鎮(zhèn)人口和農(nóng)村人口3部分,以人口總數(shù)為狀態(tài)變量。該模塊主要研究人口數(shù)量的變化及其變化對生活需水量的影響。(2)經(jīng)濟子系統(tǒng)。經(jīng)濟子系統(tǒng)用第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)來表示,其中第一產(chǎn)業(yè)主要指農(nóng)業(yè),第二產(chǎn)業(yè)主要是工業(yè)。該子系統(tǒng)的主要變量分別由農(nóng)田灌溉面積、工業(yè)增加值、第三產(chǎn)業(yè)增加值與農(nóng)田畝均灌溉用水量、萬元工業(yè)增加值耗水量、萬元第三產(chǎn)業(yè)增加值耗水量兩組數(shù)值相對應(yīng)的乘積求出。(3)環(huán)境子系統(tǒng)。環(huán)境子系統(tǒng)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(qū)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(shù)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(tǒng)。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(diào)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(jié)果與歷史數(shù)據(jù)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(diào)整。由表1可以看出模擬結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)擬合誤差均小于5%,表明模型結(jié)構(gòu)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(tǒng),有較高的可信度。

2.2方案設(shè)計和結(jié)果分析

2.2.1方案設(shè)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(tài)演變過程,本文設(shè)計了4種方案。方案1:現(xiàn)狀延續(xù)型。即不采取任何措施,保持現(xiàn)有狀況不變。方案中各決策變量指標值維持現(xiàn)有發(fā)展趨勢。方案2:經(jīng)濟發(fā)展型。強調(diào)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)值增長速度一度調(diào)整到大連市2001~2009年工業(yè)產(chǎn)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(shù)與方案一相同。方案3:節(jié)水型。此方案強調(diào)水資源和環(huán)境保護的重要性,要求在合理開發(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(chǔ)上,降低經(jīng)濟發(fā)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(nóng)田灌溉用水定額,增加農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉面積。根據(jù)預(yù)測,2025年工業(yè)產(chǎn)值增長率控制在10%,城市化率提高至75%,工業(yè)用水重復(fù)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(jié)水灌溉增長率提高至9%,其他參數(shù)指標維持不變。方案4:協(xié)調(diào)發(fā)展型。在建設(shè)節(jié)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(jīng)濟和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。此方案污水處理率、回用率、重復(fù)利用率、廢水排放系數(shù)等均與方案2相同,城市化水平、經(jīng)濟、灌溉面積適度增長。2010年到2015年工業(yè)增速為12%,其后保持5%的增速,其他參數(shù)指標維持不變。

2.2.2結(jié)果分析

選取模型中的城鎮(zhèn)人口、工業(yè)總產(chǎn)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(jù)不同方案下4個主要變量的模擬結(jié)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。此時水資源短缺問題、環(huán)境污染問題將嚴重影響大連市的社會經(jīng)濟發(fā)展,如何合理開發(fā)和利用水資源、提高污水處理及回用率是解決問題的關(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513.013萬人,工業(yè)總產(chǎn)值及人口數(shù)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)值增長速度,降低萬元工業(yè)增加值用水量,提高工業(yè)用水重復(fù)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(nóng)田灌溉畝均用水量的降低,也使得生活需水量及農(nóng)業(yè)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(yè)生產(chǎn)總值到達到7489.23億元?？梢姺桨?中大連市的水資源基本上得到了合理開發(fā)和利用。在方案4的模式下,按照協(xié)調(diào)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)濟增長速度,同時加大污水處理、污水回用的投資力度,在建設(shè)節(jié)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(xiàn)水資源供需平衡,大連市不會出現(xiàn)嚴重的缺水現(xiàn)象。雖然方案4與方案3,都可保證大連市到2025年不會出現(xiàn)嚴重的缺水問題,但方案4的工業(yè)產(chǎn)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(xiàn)走上水資源可持續(xù)發(fā)展的道路,就必須建立起以水資源保障為基礎(chǔ)、以建設(shè)節(jié)水型社會為核心、以水生態(tài)環(huán)境保護為根本、以非常規(guī)水充分利用為重點的“循環(huán)水務(wù)”體系。

3循環(huán)經(jīng)濟模式的構(gòu)建

3.1構(gòu)建思路

循環(huán)經(jīng)濟模式的構(gòu)建應(yīng)貫穿于水資源開發(fā)利用的供、用、排環(huán)節(jié)中,統(tǒng)籌兼顧,全面考慮[1]。主要包括:在水資源開發(fā)過程中,注重合理開發(fā),由傳統(tǒng)水源開發(fā)逐步向非傳統(tǒng)水源開發(fā)轉(zhuǎn)移,充分利用一切可利用的水資源,并通過水資源的優(yōu)化配置對水資源進行合理調(diào)配;在利用過程中,注重節(jié)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(chǎn)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(tài)環(huán)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(gòu)建方法

3.2.1實施分質(zhì)供水,構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟動脈鏈

在大連地區(qū)通過淡水管線、海水管線和中水管線實行分質(zhì)供水,集雨設(shè)施和雨水管線供水根據(jù)實際情況采用就近原則。根據(jù)各單位的生產(chǎn)工藝和地理位置,在單位內(nèi)部和單位之間,實施水資源的梯級利用和分質(zhì)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(yè)相關(guān)聯(lián)的海水動脈鏈。

3.2.2通過廢水回用,構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟靜脈鏈

廢水的處理和回用方式有:內(nèi)部直接回用、內(nèi)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(yè)、居民區(qū)和其他單位設(shè)立污水處理站,對自身產(chǎn)生廢水內(nèi)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(tǒng)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(tǒng),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(tǒng),構(gòu)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(tǒng)平臺(水資源信息庫、水環(huán)境數(shù)據(jù)庫和工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)環(huán)境用水狀況數(shù)據(jù)庫),及時、準確、客觀地反映水資源狀況,并科學(xué)預(yù)測未來水資源變化趨勢。通過水資源信息系統(tǒng),對各種水資源、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活用水進行統(tǒng)一調(diào)度,構(gòu)建循環(huán)水資源經(jīng)濟網(wǎng)絡(luò)體系,最大限度地開發(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實現(xiàn)水資源循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的途徑

4.1節(jié)約用水,實現(xiàn)水資源利用的減量化

節(jié)約用水是循環(huán)經(jīng)濟的減量化原則的體現(xiàn),是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、建立水資源循環(huán)經(jīng)濟的基礎(chǔ)。節(jié)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(nóng)業(yè)節(jié)水

根據(jù)大連市水資源條件調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu),擴大耐旱作物種植面積。推廣農(nóng)業(yè)科技,鼓勵、引導(dǎo)和扶持農(nóng)戶種植產(chǎn)出高、耗水低的農(nóng)產(chǎn)品。改進古老的大水漫溉方式,采用節(jié)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(jié)水工程改造力度,降低無效損耗。利用各種綜合節(jié)水措施,如生物節(jié)水、農(nóng)藝節(jié)水、工程節(jié)水和管理節(jié)水等技術(shù),提高農(nóng)業(yè)水利用效率。

4.1.2工業(yè)節(jié)水

推廣風(fēng)力發(fā)電、水源熱泵等10大節(jié)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(jié)構(gòu)和布局調(diào)整。以高新技術(shù)改造傳統(tǒng)用水工藝,降低大連市工業(yè)產(chǎn)品的萬元增加值耗水率,降低工業(yè)廢水的排放量。大力發(fā)展生產(chǎn)工藝節(jié)水技術(shù)、工業(yè)循環(huán)用水技術(shù)和其他節(jié)水技術(shù)。

4.1.3生活節(jié)水

最重要和最基礎(chǔ)的節(jié)水途徑是加強節(jié)水的宣傳教育,讓人們意識到節(jié)水的重要性,形成節(jié)水的社會意識,樹立正確的節(jié)水觀念,改變生活中的不良用水行為和習(xí)慣。在居民日常生活、公共服務(wù)設(shè)施,以及環(huán)境綠化等方面,推廣節(jié)水器具的應(yīng)用,從根本上抑制或消除不合理用水。

4.2開發(fā)新水源,實現(xiàn)水資源再循環(huán)

4.2.1跨流域調(diào)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(jīng)濟社會的快速發(fā)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(jié)束后,大連境內(nèi)已無較大規(guī)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(fā)已達極根。境外調(diào)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(xiàn)水資源利用“減量化”的基礎(chǔ)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(shè)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(guī)水資源,將達標排放變?yōu)殚_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疑會起很大作用。工業(yè)方面,在企業(yè)內(nèi)部實施清潔生產(chǎn),消減新鮮水用量和廢水排放量,實現(xiàn)水資源利用效率的最大化。在企業(yè)間層面,為各企業(yè)內(nèi)部無法充分利用或難以利用的排水尋找下游消費者,實現(xiàn)工業(yè)共生的循環(huán)模式,進一步調(diào)高整個工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的用水效率。除了工業(yè)環(huán)節(jié)的污水再利用,還要在社會層面實現(xiàn)各系統(tǒng)之間的循環(huán)利用,把污水回用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)環(huán)境包括地下回灌等,從而充分實現(xiàn)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(jié)水的新渠道。在認真調(diào)研、確認可行的前提下,大力推廣集雨工程建設(shè)。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(shè)施及利用雨水回灌。在城市,居民小區(qū)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(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上,把雨水資源利用與城市供水、城市規(guī)劃、生態(tài)建設(shè)、城區(qū)美化等多方面結(jié)合起來,統(tǒng)籌兼顧,達到高效利用。在農(nóng)村,利用工程集水經(jīng)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(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(shè)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(yǎng)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%。通過以上措施,提高水資源利用效率,實現(xiàn)水資源在各用水系統(tǒng)內(nèi)部,社會經(jīng)濟系統(tǒng),以及社會經(jīng)濟系統(tǒng)與自然系統(tǒng)的水循環(huán),從而實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。