基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的再生水供水量預(yù)測(cè)模型研究

基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的再生水供水量預(yù)測(cè)模型研究

隨著城市的快速擴(kuò)張和水資源的大量消耗，水資源的缺乏已成為阻礙城市發(fā)展的重要因素。再生水的利用是解決水資源短缺的有效途徑,且符合可持續(xù)發(fā)展的理念。城市再生水供水量的預(yù)測(cè)是一個(gè)涉及到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域的系統(tǒng)問(wèn)題,在水資源規(guī)劃和管理中起著非常重要的作用,是供水決策、投資的重要參考指標(biāo)。定額法、灰色預(yù)測(cè)法、回歸分析法等已在解決這一問(wèn)題時(shí)得到了應(yīng)用,但是由于其均以以往的供水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ),不能客觀考慮到影響再生水供應(yīng)的各種因素及其相互關(guān)系的變化,導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果無(wú)法真實(shí)地反映再生水的需求變化。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法能夠綜合考慮多種因素,并把各種因素統(tǒng)一到一個(gè)模型中,為再生水供水量預(yù)測(cè)提供了一種新思路,具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。1系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的建模和分析系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法是一種以反饋控制理論為基礎(chǔ)、以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為手段,研究動(dòng)態(tài)復(fù)雜問(wèn)題的定量方法,其主要功能在于提供了一個(gè)中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)及政策分析的工具。它最突出的特點(diǎn)是能處理高階層、非線性、多重反饋、復(fù)雜時(shí)變的系統(tǒng)問(wèn)題。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法能夠運(yùn)用定性與定量、綜合與推理的方法研究系統(tǒng),適于研究復(fù)雜系統(tǒng)隨時(shí)間變化的問(wèn)題。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法可以綜合考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等系統(tǒng)的發(fā)展和相互關(guān)系,在缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或定量表達(dá)式難以建立的情況下,利用一些變量來(lái)對(duì)系統(tǒng)發(fā)展的整體水平進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在解決社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題、水資源承載力問(wèn)題方面得到了廣泛的應(yīng)用,然而其在再生水預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究尚未大量展開(kāi)。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的本質(zhì)是一階微分方程組。一階微分方程組描述了系統(tǒng)中各狀態(tài)變量的變化率(速率變量)對(duì)各狀態(tài)變量或特定輸入等的依存關(guān)系;而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)則進(jìn)一步考慮了促成狀態(tài)變量變化的因素。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的情況和研究的需要,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)將變化率的描述分解為若干流率方程來(lái)描述,流率方程表述了狀態(tài)變量的變化規(guī)律,其實(shí)質(zhì)為歐拉法數(shù)值積分(DT),其一般形式為:L.K=L.J+DT(IR.JK-OR.KJ)式中,L.K、L.J為狀態(tài)變量,IR.JK、OR.JK為變化率。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解決問(wèn)題的方法和步驟是:(1)分析系統(tǒng)內(nèi)部以及系統(tǒng)本身主要的因果關(guān)系和反饋回路;(2)選定各狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量和常量,建立系統(tǒng)流圖;(3)在系統(tǒng)內(nèi)部的變量之間建立聯(lián)系方程式,用差分方法在時(shí)間軸上模擬變量隨時(shí)間的發(fā)展變化,分析系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)有專門(mén)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和軟件,主要軟件有ITHINK、STELLA、POWERSIM、VENSIM等。本文選用VENSIM軟件。VENSIM全稱VentanaSimulationEnvironment,即Ventana系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬環(huán)境。VENSIN利用圖示化編程建立模型,只要在模型建立窗口畫(huà)出流程圖,再通過(guò)Equations輸入方程和參數(shù)就可以直接進(jìn)行模擬。2再生水供水量的成因本文所選研究區(qū)域位于華北某水系下游,為典型資源性缺水地區(qū),降水量少,且過(guò)境河水水質(zhì)較差,可用水量十分匱乏。大力發(fā)展再生水、海水淡化等非傳統(tǒng)水源是解決該地區(qū)用水問(wèn)題的重要途徑。其中,再生水供水量受到多種因素的影響,主要包括居民生活習(xí)慣、企業(yè)生產(chǎn)方式、城市供水情況、再生水廠建設(shè)情況、城市環(huán)衛(wèi)建設(shè)、水價(jià)、水利用政策、管網(wǎng)鋪設(shè)、城市污水處理設(shè)施建設(shè)、污水量等。由于這些因素的時(shí)間變化規(guī)律差異較大,且各因素間也存在著相互作用的非線性關(guān)系,因此再生水供水量的因果反饋關(guān)系亦十分復(fù)雜。按照系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解決問(wèn)題的步驟,建立研究區(qū)域的再生水供水量預(yù)測(cè)模型。該模型以研究區(qū)域再生水水廠初步供水的時(shí)間,即2005年,為起始年,以2020年為結(jié)束年,步長(zhǎng)為1。2.1再生水可供水量預(yù)測(cè)模型再生水按用途分為道路清掃、綠地澆灑、河湖補(bǔ)水、生活雜用、工業(yè)冷卻五個(gè)方面。按用途分類不僅可以發(fā)現(xiàn)總利用量的變化規(guī)律,而且可以找出各用途的利用量,從而確定再生水在供水時(shí)的優(yōu)先方向。在城市發(fā)展過(guò)程中,再生水來(lái)源于城市污水,所以再生水可供水量與污水排放量、排污系數(shù)、污水處理率、再生水處理率等多種因素有關(guān)。再生水可供水量與總利用量的差距將為該市制定促進(jìn)再生水利用的各項(xiàng)政策以及所采取的行動(dòng)起指導(dǎo)作用。本文以再生水的用途和供需平衡為主線,建立研究區(qū)域再生水供水量預(yù)測(cè)模型。表1列出了本模型中的主要變量與常量;預(yù)測(cè)模型的系統(tǒng)流程圖如圖1所示。模型中的變量來(lái)源于并反映了影響再生水供水量的各種因素,其中水價(jià)彈性系數(shù)取自張輝等的文獻(xiàn),它表示水價(jià)上漲1%時(shí),用水量減少的比例;生活供水管網(wǎng)用來(lái)反映管道建設(shè)等市政設(shè)施對(duì)再生水利用的影響;其他再生水水量相對(duì)比率表征再生水滲漏等不可測(cè)因素。2.2再生水可供量再生水量在建模過(guò)程中,對(duì)存在相互影響的變量建立表征相互影響關(guān)系的方程式,即聯(lián)系方程式。本模型中主要聯(lián)系方程式如下:再生水供應(yīng)緊張程度=(再生水可供量-再生水利用量)/再生水可供量再生水利用量=(道路清掃用水量+綠地澆灑用水量+生活再生水水量+河湖補(bǔ)水量+工業(yè)再生水需求量)×其他再生水水量相對(duì)比率生活再生水水量=生活用水量×生活再生水使用比例×生活供水管網(wǎng)工業(yè)再生水需求量=工業(yè)用水量表函數(shù)(〈Time〉)×工業(yè)再生水使用比例河湖補(bǔ)水量=河湖補(bǔ)水定額表函數(shù)(〈Time〉)×河湖補(bǔ)水面積×河湖再生水使用比例污水量=排污系數(shù)×地下水滲入量相對(duì)比率×供水量再生水可供量=污水量×再生水利用率×污水處理率3再生水用量預(yù)測(cè)模型分析將各參數(shù)及關(guān)系方程式輸入模型進(jìn)行計(jì)算,得到中心城區(qū)2006~2020年再生水供水量模擬計(jì)算結(jié)果,如圖2所示。將該模型的計(jì)算結(jié)果與該中心城區(qū)的實(shí)際再生水供水量進(jìn)行比較,進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)。基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的再生水供水量預(yù)測(cè)2008年研究區(qū)域再生水供水量為327.9萬(wàn)立方米,實(shí)際供水量為353萬(wàn)立方米,相對(duì)誤差較小,僅為7.11%,仿真結(jié)果真實(shí)性較高,表明基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法的供水量預(yù)測(cè)模型基本可靠?？梢钥闯?河湖補(bǔ)水和工業(yè)用水是再生水利用的兩個(gè)主要途徑,在后期尤為明顯。主要是因?yàn)槠溆盟c(diǎn)集中且易于大量供應(yīng),所以再生水廠在供應(yīng)再生水時(shí)應(yīng)首先滿足河湖補(bǔ)水和工業(yè)用水這兩種用途,這樣既能緩解水資源的短缺狀況,改善市中心環(huán)境,還能因集中大量供水,使再生水廠供水管網(wǎng)的管理、維修得到保障。此外,再生水供水量呈現(xiàn)出加速增長(zhǎng)的現(xiàn)象且后期增加顯著,可能是因?yàn)殡S著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的不斷發(fā)展,管網(wǎng)建設(shè)不斷完善,相應(yīng)水利用政策也進(jìn)一步落實(shí),多種因素共同促進(jìn)了再生水的使用,從而工業(yè)、生活、河湖補(bǔ)水的再生水使用比例不斷增加。道路清掃再生水用量和綠地澆灑再生水用量增長(zhǎng)速度較緩,這是因?yàn)槟壳斑@兩種再生水應(yīng)用方式對(duì)管網(wǎng)的依賴度較小,且道路和綠地面積變化不大。而工業(yè)用水穩(wěn)步增長(zhǎng),河湖補(bǔ)水再生水用量開(kāi)始時(shí)增長(zhǎng)較慢而后期增長(zhǎng)非常迅速,這表明在再生水的利用較為充分的情況下,該地區(qū)水資源短缺狀況得到了有效緩解,因而有更大比例的再生水可用于河湖補(bǔ)水以修復(fù)生態(tài)。再生水的使用對(duì)于緩解城市水資源短缺具有顯著作用。4系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建立的優(yōu)勢(shì)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法建立的再生水供水量預(yù)測(cè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,能夠全面考慮影響再生水供應(yīng)量的各主