上海市未來綜合生活用水需求量預(yù)測(cè)及節(jié)水對(duì)策

上海市未來綜合生活用水需求量預(yù)測(cè)及節(jié)水對(duì)策

潘應(yīng)驥

(華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海200241)

摘要：運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法分析上海市未來綜合生活用水量各變量之間的復(fù)雜關(guān)系,構(gòu)建上海市未來綜合生活用水需求量的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,預(yù)測(cè)上海市未來綜合生活用水量的變化態(tài)勢(shì),進(jìn)一步探討水資源調(diào)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和措施。這些預(yù)測(cè)和探討旨在幫助提高上海市水資源可持續(xù)利用的規(guī)劃和管理水平,也為中國(guó)其他發(fā)達(dá)城市或快速城市化地區(qū)的水資源規(guī)劃和管理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：綜合生活用水量;系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型;需水量預(yù)測(cè);節(jié)水對(duì)策;上海市

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.020

基金項(xiàng)目:教育部哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究重大課題攻關(guān)項(xiàng)目(11JZD024)

作者簡(jiǎn)介:潘應(yīng)驥(1991—),男,碩士研究生，研究方向?yàn)槌鞘兴Y源管理與水生生態(tài)學(xué)。E-mail: panyingji@gmail.com

中圖分類號(hào)：TV213.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：(2014-05-13編輯：彭桃英)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.0021

Prediction of comprehensive domestic water demand in the future of

Shanghai City and its water-saving strategies

PAN Yingji

(SchoolofEcologicalandEnvironmentalSciences,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China)

Abstract：The author of this paper applied the system dynamics method to analyze the complex relationship among all variables of comprehensive domestic water consumption in the future of Shanghai City. A system dynamics model of prediction for the comprehensive domestic water demand in the future of Shanghai City was set up to predict the change trend of the comprehensive domestic water consumption in the future of Shanghai City and probe the critical link and measures of water resources regulation. The purpose of this paper is to help improve the planning and management level of water resources sustainable utilization in Shanghai City, as well as providing references for the water resources planning and management of the developed cities or rapid urbanization area in China.

Key words： comprehensive domestic water consumption;system dynamics model;water demand prediction; water-saving strategies; Shanghai City

水資源是一個(gè)城市生存和發(fā)展的命脈,研究和預(yù)測(cè)城市水資源的未來需求量有助于城市的可持續(xù)發(fā)展及未來規(guī)劃。上海市既是中國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、城市化進(jìn)程最快速的地區(qū),同時(shí)也是我國(guó)水質(zhì)型缺水的典型地區(qū)。研究和預(yù)測(cè)上海市水資源的未來需求狀況不僅有助于緩解上海市所面臨的水資源緊張局面,也能為中國(guó)其他發(fā)達(dá)城市及快速城市化地區(qū)的水資源規(guī)劃利用及其相關(guān)研究起到一定的借鑒作用。

與城市水資源需求量預(yù)測(cè)相關(guān)的研究方法主要有回歸分析法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法、自回歸移動(dòng)平均模型、灰色模型、BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、組合模型和指標(biāo)分析法等[1-3]。在諸多方法中,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(system dynamics, SD)方法能有效分析系統(tǒng)中的復(fù)雜組合之間的相互關(guān)系[4],且能對(duì)中長(zhǎng)期時(shí)間跨度的變化情況進(jìn)行有效預(yù)測(cè),因而在國(guó)際上已被廣泛運(yùn)用于水環(huán)境治理的政策研究[5]、城市水資源規(guī)劃[6]以及對(duì)洪水災(zāi)害的管理之中[7]。我國(guó)學(xué)者劉俊良等[8]率先將此方法應(yīng)用于國(guó)內(nèi)城市需水量的研究,張雪花等[9]建立了秦皇島市的水資源系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,李俊玲等[10]利用此方法研究了南水北調(diào)東線工程江蘇受水區(qū)的水資源需求和配制。但迄今為止,此方法尚未運(yùn)用于上海市這樣特大城市的未來水資源需求量預(yù)測(cè)研究,也缺乏對(duì)國(guó)家政策和我國(guó)特大城市節(jié)水調(diào)控措施特征的考慮。

本研究針對(duì)上海市綜合生活用水量的動(dòng)態(tài)變化,運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行系統(tǒng)仿真和分析,預(yù)測(cè)2013—2020年上海市綜合生活用水量的增長(zhǎng)趨勢(shì),并進(jìn)一步結(jié)合相關(guān)研究與城市規(guī)劃,探討上海市綜合生活用水節(jié)水的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和措施。

1研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

上海市是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最迅速、人口密度最大的城市之一。截至2012年,上海市的常住人口已達(dá)到2380.43萬,上海市的國(guó)民生產(chǎn)總值已達(dá)20181.72億元人民幣,城市總需水量也達(dá)到了87.02億t。伴隨經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,上海市水質(zhì)型缺水問題尤為嚴(yán)重。據(jù)2013年發(fā)布的《上海市第一次水利普查暨第二次水資源普查公報(bào)》[11]顯示,上海市地表水水質(zhì)全年優(yōu)于III類(含III類)的僅占3.4%,IV類占23.7%,V類占20%,劣V類占52.9%[12]。巨大的用水需求量與上海市水質(zhì)型缺水問題并存的現(xiàn)狀,給上海市未來的城市供水提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。掌握上海市未來用水量的發(fā)展趨勢(shì),做好相應(yīng)的應(yīng)對(duì)規(guī)劃是上海市水資源的可持續(xù)利用與城市進(jìn)一步發(fā)展的前提。

本研究中除特別說明之外,所有數(shù)據(jù)均來自2001—2013年《上海市統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》(2013年)[13]和《上海市水資源公報(bào)》(2001—2012)[12]。

2上海市綜合生活需水量系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立

2.1構(gòu)建上海市綜合生活需水量系統(tǒng)流程圖

上海市的綜合生活用水主要分為居民生活用水和城市公共用水兩部分。居民生活用水部分主要與人口、人均用水量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等有關(guān);城市公共用水則主要與機(jī)關(guān)、學(xué)校、飯店、商業(yè)等公共用水部門有關(guān)[14]。筆者將上海市的綜合生活用水系統(tǒng)分解為常住人口的變遷,經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r,學(xué)校、餐飲業(yè)、商業(yè)變化等模塊,構(gòu)建上海市綜合生活需水量的系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖(圖1)。

圖1　上海市綜合生活用水量系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型流程

2.2系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的主要方程

由于城市綜合生活用水量各組成部分之間的關(guān)系復(fù)雜,方程較多,故只將常住人數(shù)、居民生活用水量、城市公共用水量、綜合生活用水量、賓館營(yíng)業(yè)收入等幾個(gè)最主要影響因素的相關(guān)方程式列出:

(1)

Nrp,t=Nrp，t-1+Nbirth，t-1+Nimm，t-1-Ndead，t-1-Nemm，t-1

(2)

式中:Npop為常住人數(shù);Nrp為戶籍人數(shù);Nfp為流動(dòng)人數(shù);Nbirth為出生人數(shù);Nimm為遷入人數(shù);Ndead為死亡人數(shù);Nemm為遷出人數(shù);t為年份。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:W為上海市綜合生活需水量;Wr為上海市居民生活用水量;Wp為上海市城市公共用水量;Gpp為上海市人均生產(chǎn)總值;TGDP為上海市第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值;Nstu為上海市在校學(xué)生人數(shù);Nhos為上海市醫(yī)院床位總數(shù);Rres為上海市餐飲業(yè)收入;Nbusi為上海市商業(yè)從業(yè)人數(shù);Apark為上海市公園綠地面積;Rhotl為上海市賓館營(yíng)業(yè)收入;Ntoil為上海市公共廁所數(shù)量;Nint為國(guó)際來滬旅游人次數(shù);Ndom為國(guó)內(nèi)來滬旅游人次數(shù);其余變量均為系數(shù)。

2.3模型的有效性檢驗(yàn)

2.3.1模型基本參數(shù)的校正

取常住人口、戶籍人口、全國(guó)人均GDP、上海市人均GDP、公園綠地面積、衛(wèi)生機(jī)構(gòu)床位數(shù)、綜合生活用戶量及居民生活用水量等8個(gè)最主要的指標(biāo)作為模型校正的參數(shù)。以2000—2006年的歷史數(shù)據(jù)作為校正標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)調(diào)整后,對(duì)模型的擬合值和歷史值進(jìn)行回歸,見圖2。從圖2可以看出,R2值均達(dá)到較高水平(均大于0.90),說明模型已具有較好的精確度。

圖2　模型校正結(jié)果

2.3.2靈敏度分析

為了確保模型的穩(wěn)定可靠,還需對(duì)模型的靈敏度進(jìn)行檢驗(yàn),靈敏度分析公式為

(7)

式中:S為在t時(shí)刻參數(shù)x的靈敏度;Qt和xt分別為綜合生活用水量Q和測(cè)試參數(shù)x在t時(shí)刻的值;ΔQ和Δx分別為綜合生活用水量Q和參數(shù)x的增加量或減少量。

靈敏度分析中假設(shè)各參數(shù)x在2001—2020年中每5年增加10%,取St的平均值作為模型的靈敏度指標(biāo)(圖3)。從圖3可以看出,死亡率對(duì)城市綜合用水量的減少靈敏,而出生率、遷入率、第三產(chǎn)業(yè)系數(shù)及上海市總GDP增加額對(duì)城市綜合用水量的增加靈敏,且靈敏度最高穩(wěn)定在10%左右,說明模型具有良好的穩(wěn)定性和強(qiáng)壯性。

圖3　 模型的靈敏度分析結(jié)果

2.3.3模型的驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性,選取模型校正中所有8個(gè)主要變量2007—2012年這6年的歷史數(shù)據(jù)與模型運(yùn)行的模擬值進(jìn)行比對(duì),并計(jì)算模擬值與歷史數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差值(表1)。表1中指標(biāo)的相對(duì)誤差值基本控制在5%之內(nèi),個(gè)別相對(duì)誤差值控制在10%以內(nèi),說明模型精度良好,可以進(jìn)行下一步預(yù)測(cè)。

2.4模型的仿真結(jié)果

將模型的初始年份設(shè)為2000年,截止年份設(shè)置為2020年,步長(zhǎng)設(shè)置為1年,用模型對(duì)常住人口、戶籍人口、上海市人均GDP、生活綜合用水量、居民生活用水量以及城市公共用水量進(jìn)行仿真模擬,結(jié)果見圖4～6。

圖4　上海市人均GDP預(yù)測(cè)

圖5　上海市常住人口、戶籍人口預(yù)測(cè)

圖4～5表明上海市的人均GDP將持續(xù)增加,而上海市戶籍人口略有增加趨勢(shì),常住人口呈先上升后平穩(wěn)略降趨勢(shì)。預(yù)計(jì)至2020年,上海市的戶籍人口將達(dá)到1626.15萬人,該預(yù)測(cè)值與《上海市總體規(guī)劃1999—2020》中對(duì)于2020年戶籍人口控制在1600萬人左右的規(guī)劃要求相符[15]。

表1　模型結(jié)果的驗(yàn)證

圖6　上海市綜合生活用水量、城市公共用水量及 居民生活用水量預(yù)測(cè)

從圖6可看出,2000年至2020年的綜合生活用水量將持續(xù)增加。預(yù)計(jì)至2020年,上海市綜合生活用水總量將達(dá)到416.75L/(人·d)。該預(yù)測(cè)值與《上海市總體規(guī)劃1999—2020年》[15]中人均日生活用水量控制在450L的用水規(guī)劃要求相符。

模型的模擬值與歷史值具有較好的擬合度,模型對(duì)未來的預(yù)測(cè)值也與上海市政府相關(guān)規(guī)劃文件所要求的范圍相符,說明該模型具有較好的精確性和合理性,模擬過程和預(yù)測(cè)結(jié)果都具有較高的可信度。

3討論

從模型的預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出:2012—2020年,上海市的綜合生活用水量還將持續(xù)增加;2012年以后,居民生活用水量將維持在每年10億～13億t的水平,而城市公共用水量將超過居民生活用水量,其所占比例亦呈不斷增加的趨勢(shì)(由2012年占綜合生活用水量的48.16%,上升到2020年的68.81%)?？梢姵鞘泄灿盟繉⑹巧虾Ｊ形磥砭C合生活用水量增加的主要帶動(dòng)因素,因而城市公共用水量調(diào)控成為上海市未來綜合生活用水量調(diào)控的重點(diǎn)環(huán)節(jié),應(yīng)引起相關(guān)政府管理部門的高度重視。

根據(jù)模型可知,學(xué)校、商業(yè)、餐飲和醫(yī)院模塊是城市公共用水的主要消費(fèi)群。這些用水需求量既與廣大市民的日常生活息息相關(guān),又不同于城市居民日常的生活用水。由于影響城市公共用水的因素相對(duì)復(fù)雜,難以僅僅通過水價(jià)調(diào)控等手段來對(duì)該用水量進(jìn)行調(diào)節(jié)[16],因而應(yīng)從節(jié)水成本上作深入分析,在節(jié)水潛力上作深度挖掘。曾有研究[17]認(rèn)為,賓館和院校節(jié)水成本最低,而城市公共污水再生利用的單位成本也小于商業(yè)、文娛和醫(yī)療行業(yè)的單位節(jié)水成本。也有人作了這樣的估算,僅在學(xué)校安裝水表這一項(xiàng)措施,就可以將全市學(xué)生人均日用水量降低至250L,如此,上海市高等院校和寄宿制中學(xué)的總節(jié)水量可達(dá)每年102萬m3。再者,如果制定每人用水額度,并強(qiáng)化全市供水管網(wǎng)的維護(hù),則上海市的綜合生活用水量每年尚有1.72億～2.65億t的節(jié)水潛力可資利用[18]。其他如推廣公共用戶節(jié)水器具[19],實(shí)行雨水、中水的回收利用等[20],都是值得重視的有效措施。

筆者認(rèn)為,未來上海市居民生活用水量將趨于穩(wěn)定,但城市中的公共用水量將成為上海市綜合生活用水量不斷增加的主因, 成為上海市未來綜合生活用水量調(diào)控規(guī)劃和上海市地區(qū)水資源管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)城市公共用水方面加大調(diào)控力度,降低節(jié)水成本,并強(qiáng)化挖掘節(jié)約用水潛力,將有利于上海市水資源的可持續(xù)利用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王自勇,王圃.組合模型在城市用水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)給水排水, 2008,24(12):37-39.(WANG Ziyong, WANG Pu. Application of combined model to prediction of urban water consumption[J]. China Water and Wastewater, 2008,24(12):37-39.(in Chinese))

[2] 張雄,黨志良,張賢洪,等.城市用水量預(yù)測(cè)模型綜合研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào), 2005,16(4):28-32.(ZHANG Xiong, DANG Zhiliang, ZHANG Xianhong, et al. Comprehensive research on forecasting model of municipal water consumption[J]. Journal of Water Resource and Water Engineering, 2005, 16(4):28-32. (in Chinese))

[3] 王鳳仙,李樹平,陶濤.城市污水量預(yù)測(cè)模型及方法綜述[J].河南科學(xué), 2009,27(4):483-487. (WANG Fengxian, LI Shuping, TAO Tao. The study on forecasting models and methods of urban sewage[J]. Henan Science,2009,27(4): 483-487.(in Chinese))

[4] 王其藩. 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,1994.

[5] KRYSTYNA A S. A system dynamics model to facilitate public understanding of water management options in Las Vegas, Nevada[J]. Journal of Environmental Management, 2003, 67: 303-313.

[6] ZARGHAMI M, AKBARIYEH S. System dynamics modeling for complex urban water systems: application to the city of Tabriz Iran[J]. Resources, Conservation and Recycling, 2012, 60:99-106.

[7] AHMAD S，SIMONOVIC S P. System dynamics modeling of reservoir operations for flood management[J]. Journal of Computing in Civil Engineering, 2000(14): 190-198.

[8] 劉俊良,臧景紅,何延青.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型用于城市需水量預(yù)測(cè)[J].中國(guó)給水排水, 2005,21(6):31-34. (LIU Junliang, ZANG Jinghong, HE Yanqing. Application of system dynamics model for urban water demand prediction[J].China Water and Wastewater, 2005,21(6):31-34.(in Chinese))

[9] 張雪花,張宏偉,張寶安.SD法在城市需水量預(yù)測(cè)和水資源規(guī)劃中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)給水排水, 2008,24(9):42-46. (ZHANG Xuehua, ZHANG Hongwei, ZHANG Baoan. Application of system dynamics approach to urban water demand forecasting and water resources planning[J].China Water and Wastewater,2008,24(9):42-46.(in Chinese))

[10] 李俊玲,袁連沖,錢自立.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在需水量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江, 2008,39(2):20-22. (LI Junling, YUAN Lianchong, QIAN Zili. Application of systematic dynamics in water demand prediction[J]. Yangtze River, 2008,39(2):20-22.(in Chinese))

[11]上海市統(tǒng)計(jì)局.上海市第一次水利普查暨第二次水資源普查公報(bào)[R].上海:上海市統(tǒng)計(jì)局,2013.

[12] 上海市水務(wù)局.上海市水資源公報(bào)(2001-2012) [EB/OL].[2013-03-02]. http://www.shanghaiwater.gov.cn/web/sw/2012_1_1.htm.

[13] 中國(guó)統(tǒng)計(jì)局.中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 2013.

[14] 王 瑩,陳遠(yuǎn)生,翁建武,等.北京市城市公共生活用水特征分析[J].給水排水, 2008,34(11):138-143.(WANG Ying, CHEN Yuansheng, WENG Jianwu, et al. Characteristic analyze of public domestic water of Beingjing City[J]. Water and Wastewater Engineering,2008,34(11):138-143.(in Chinese))

[15] 上海市政府.上海市總體規(guī)劃1999—2020年[M].上海:上海人民出版社, 2001.

[16] 孫勇,徐祖信.城市綜合用水量影響因素權(quán)重分析法篩選研究[J].上海環(huán)境科學(xué), 2008,27(5):201-203. (SUN Yong, XU Zuxin. A study on screening of factors affecting integrated urban water demand by weighting process[J]. Shanghai Environmental Sciences, 2008,27(5):201-203.(in Chinese))

[17] 褚俊英,陳吉寧,王燦,等. 城市公共用水的節(jié)水和污水再生利用潛力分析[J].給水排水,2007,33(3):49-55. (CHU Junying, CHEN Jining, WANG Can, et al. Potential analysis on public water conservation and wastewater reclamation[J]. Water and Wastewater Engineering,2007,33(3):49-55.(in Chinese))

[18] 俞國(guó)平,朱慧峰.上海市節(jié)約用水規(guī)劃簡(jiǎn)介[J].給水排水, 2004,30(1):37-39. (YU Guoping, ZHU Huifeng. Introduction of water saving planning in Shanghai City[J]. Water and Wastewater Engineering,2004,30(1):37-39.(in Chinese))

[19] 鄧林,王峰,楊海真.基于需求側(cè)管理的城市公共用水節(jié)水激勵(lì)措施研究:以上海市節(jié)水器具為例[J]. 給水排水, 2010,36(3):148-152. (DENG Lin, WANG Feng, YANG Haizhen. The incentive strategy for public water conservation based on demand-side management: taking water-saving appliance in Shanghai as an example[J]. Water and Wastewater Engineering,2010,36(3):148-152.(in Chinese))

[20] 王紫雯,張向榮.城市生活用水多樣化趨勢(shì)與水資源的可持續(xù)利用[J].水資源保護(hù), 2004,20(4):15-18，27. (WANG Ziwen, ZHANG Xiangrong. Diversity trend of urban domestic water consumption and sustainable utilization of water resources[J]. Water Resources Protection,2004,20(4):15-18，27.(in Chinese))