上海市生活垃圾處理問題的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

葉健飛

摘要：

與日俱增的人口產(chǎn)生了越來越多的生活垃圾.面對(duì)垃圾圍城的嚴(yán)峻形勢(shì)，城市生活垃圾處理變得越來越迫切.為了預(yù)測(cè)上海市未來的垃圾產(chǎn)生量，探討合適的處置方法和調(diào)控措施，利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法建立了上海市城市生活垃圾產(chǎn)生和處理系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型.通過查閱大量文獻(xiàn)并收集數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)未來生活垃圾的產(chǎn)生總量和處理總量，對(duì)各種處理方式的收益進(jìn)行了對(duì)比，并利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型模擬軟件VENSIM進(jìn)行了模擬.結(jié)果表明：在調(diào)控措施下，未來上海市垃圾產(chǎn)生量能得到控制和更加環(huán)保的處理；同時(shí)，需要控制人口，提高環(huán)保投資占GDP比重，實(shí)行垃圾收費(fèi)制度.

關(guān)鍵詞：

系統(tǒng)理論； 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)； 城市生活垃圾； 調(diào)控措施

中圖分類號(hào)： N 941.3； X 32文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：

Due to the population growing，more and more municipal solid wastes（MSW） are generated.The serious situation of MSW surrounding city has made its disposal become an urgent problem.The purpose of this paper was to forecast the MSW production and to find its appropriate disposal method and regulation measures.Dynamics model of the MSW generation and disposal system in Shanghai was constructed with system dynamics method.The data in the model was collected from the published literatures，and was used to predict the total volume of produced MSW，total volume of treated MSW.The comparison of benefits was made among a variety of waste treatment methods.The simulation was conducted using VENSIM software.It was found that，with the regulation measure，the MSW output could be controlled and its disposal could be more environmentfriendly in the future in Shanghai by controlling the population，increasing the share of environmental protection investment in GDP，and implementing waste charging institution.

Keywords：

system theory；system dynamics；municipal solid waste；regulation measure

隨著上海自貿(mào)區(qū)的建立和滬蘇浙皖超級(jí)經(jīng)濟(jì)區(qū)方案的上報(bào)，上海日益朝著國(guó)際化大都市邁進(jìn).面對(duì)大好的發(fā)展機(jī)會(huì)，越來越多的人口涌入上海，上海的環(huán)境壓力與日俱增，生活垃圾清運(yùn)量逐年上升.2012年上海市生活垃圾清運(yùn)量為716萬t，人均垃圾產(chǎn)生量為0.82 kg·d-1，無害化處理量為598.5萬t，其中衛(wèi)生填埋377.5萬t、焚燒103.6萬t，生活垃圾無害化處理率為83.6%[1].

如此之多的垃圾如何處理成為了一個(gè)難題.目前的做法是采取填埋、焚燒、堆肥和臨時(shí)堆放的方式處理，以填埋為主[2].但是填埋會(huì)占用大量的土地，而且對(duì)地下水也有影響，會(huì)進(jìn)一步加劇上海市人口與土地資源供應(yīng)緊張的矛盾，形成垃圾與人爭(zhēng)地的局面.因此，改革城市生活垃圾處理方式勢(shì)在必行.針對(duì)上海市生活垃圾的特點(diǎn)，劉芳等[3]提出在垃圾分類回收的基礎(chǔ)上對(duì)垃圾中的可回收成分盡可能地進(jìn)行資源化利用，從源頭上實(shí)行垃圾減量，然后對(duì)垃圾采取焚燒和生化處理，最后將處理后的殘?jiān)约笆Ｓ嗖荒芴幚淼睦l(wèi)生填埋.

在利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解決城市生活垃圾處理問題上，已有了一些研究成果.張蕾等[4]建立了深圳市城市生活垃圾產(chǎn)生量及其影響因素間關(guān)系的模型，并提出了調(diào)控方案.畢貴紅等[5]建立了昆明市固體廢棄物管理的模型，并研究人的行為對(duì)該系統(tǒng)的影響，提出了調(diào)控政策.侯燕等[6]建立了考慮源頭減量的城市生活垃圾管理模型，并利用計(jì)劃行為理論分析了減量的措施.蔡林[7]初步建立了城市生活垃圾處理模型，并以北京市為例進(jìn)行了探討.林子健等[8]利用STELLA軟件建立了澳門固體垃圾產(chǎn)生量的預(yù)測(cè)模型，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果分析了該模型的優(yōu)缺點(diǎn).黃宜等[9]分別利用指數(shù)平滑模型和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)云南省能源消費(fèi)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，證明了該方法的可行性.

本文在借鑒前人建模思路的基礎(chǔ)上[10]，結(jié)合上海市城市生活垃圾處理實(shí)際情況，提出先分類回收，再回收利用，剩余垃圾盡量焚燒、生化處理，最后不能處理的進(jìn)行填埋的處理方式，以此建立上海市城市生活垃圾處理模型，并研究了各種政策對(duì)垃圾產(chǎn)生量的影響.本文主要研究政策調(diào)控對(duì)居民垃圾投放行為和垃圾處理方式的影響，并模擬垃圾焚燒處理的收益，為垃圾處理產(chǎn)業(yè)化提供政策建議.

1模型構(gòu)建

1.1系統(tǒng)分析

本文研究地域限定在上海市范圍內(nèi)，模擬時(shí)間為2010—2030年.按垃圾從產(chǎn)生到消亡的過程，本模型可分為三個(gè)子系統(tǒng)：垃圾產(chǎn)生子系統(tǒng)、垃圾處理子系統(tǒng)和處理效益子系統(tǒng).

（1） 垃圾產(chǎn)生子系統(tǒng)

垃圾產(chǎn)生量主要和人口以及人均生活垃圾產(chǎn)生量有關(guān).人口由戶籍常住人口和外來常住人口組成，人口增長(zhǎng)率受到人口調(diào)控的政策因素影響.人均生活垃圾產(chǎn)生量和居民收入、調(diào)控政策有關(guān)，居民收入越高，人們的消費(fèi)水平也越高，購(gòu)買物品的包裝物也越多.為源頭減量，可采取垃圾收費(fèi)政策，目前上海市尚未收費(fèi)。本文假設(shè)從2015年開始收費(fèi)，并模擬收費(fèi)所產(chǎn)生的影響.居民收入增長(zhǎng)率受經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率和政策因素影響.

（2） 垃圾處理子系統(tǒng)

生活垃圾處理流程主要有：先進(jìn)行回收利用，其余的垃圾盡可能地采取焚燒、生化處理.處理后的殘?jiān)推溆嗬M(jìn)行填埋處理，剩余未能處理的垃圾臨時(shí)堆放.垃圾處理的目標(biāo)是盡可能地焚燒、生化處理，少采用填埋處理.環(huán)保投資會(huì)影響這些處理方式的選擇.隨著環(huán)保投資的增加，回收率和焚燒比例會(huì)加大，填埋比例和臨時(shí)堆放率會(huì)下降.環(huán)保投資受GDP（國(guó)民生產(chǎn)總值）影響，根據(jù)政府的承諾，環(huán)保投資占GDP比重會(huì)逐年提升.

（3） 處理效益子系統(tǒng)

在垃圾處理企業(yè)市場(chǎng)化的大背景下，為了吸引更多的企業(yè)參與，必須要有一定的經(jīng)濟(jì)效益.處理效益子系統(tǒng)主要包含了垃圾處理的收益和成本，其中焚燒發(fā)電收益主要來自于政府補(bǔ)貼和上網(wǎng)發(fā)電收入.在政策調(diào)控下，未來企業(yè)采取焚燒處理的收益會(huì)越來越高，甚至高于填埋處理的收益.因此，未來企業(yè)會(huì)更加傾向于采取焚燒處理.

1.2系統(tǒng)流程

本文利用VENSIM軟件進(jìn)行模擬，在上述系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，建立了系統(tǒng)流圖，如圖1所示.

1.3模型方程和參數(shù)設(shè)定

（1） 垃圾產(chǎn)生子系統(tǒng)

式中：S為戶籍常住人口總量；T為時(shí)間（年）；ΔT為時(shí)間間隔；I為戶籍常住人口增長(zhǎng)量；i為戶籍常住人口增長(zhǎng)率；α1為政策影響因子1；P為生活垃圾產(chǎn)生總量；Pa為人均生活垃圾產(chǎn)生量；β1、β2分別為垃圾收費(fèi)及收入對(duì)垃圾產(chǎn)生量的影響因子.

式（1）為狀態(tài)方程，用來確定狀態(tài)變量；式（2）為速率方程，用來確定速率變量，其中政策影響因子1是基于發(fā)達(dá)國(guó)家人口增長(zhǎng)隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)的假設(shè)，假設(shè)人口增長(zhǎng)率從2014年起逐步下降，到2030年人口增長(zhǎng)率為2014年的1/2；式（3）表示生活垃圾產(chǎn)生總量，其中人均生活垃圾產(chǎn)生量根據(jù)2010—2013年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)取平均值得到，為0.306 t·人-1·a-1.垃圾收費(fèi)對(duì)人均生活垃圾產(chǎn)生量的影響因子和收入對(duì)人均生活垃圾產(chǎn)生量的影響因子的假設(shè)是基于上海市生活垃圾分類減量聯(lián)席會(huì)議全體會(huì)議暨工作推進(jìn)大會(huì)上制定的0.7 kg·d-1的上海市人均生活垃圾產(chǎn)生量目標(biāo).

（2） 垃圾處理子系統(tǒng)

式中：D為生活垃圾無害化處理量；Pt為生活垃圾臨時(shí)堆放量；Pr為生活垃圾回收利用量；Db為生活垃圾焚燒、生化處理總量；DL為生活垃圾填埋處理總量；γ為環(huán)保投資對(duì)生活垃圾焚燒、生化處理的影響因子.

式（5）中對(duì)生活垃圾焚燒、生化處理的影響因子的預(yù)測(cè)與兩個(gè)因素有關(guān)：一是未來垃圾焚燒生化率，二是環(huán)保投資.第一個(gè)因素的預(yù)測(cè)是基于發(fā)達(dá)國(guó)家處理現(xiàn)狀，具體參考了日本的處理方法.因上海市人多地少的情況與日本相似，并且緯度與自然環(huán)境相近，具有很強(qiáng)的借鑒意義.第二個(gè)因素的預(yù)測(cè)是根據(jù)上海市2013年政府工作報(bào)告中提出的目標(biāo).報(bào)告中指出：“今后五年，環(huán)保投入占全市生產(chǎn)總值的比例保持在3%左右”.因此，本模型假設(shè)在2030年，環(huán)保投資占GDP的3.1%.

（3） 處理效益子系統(tǒng)

式中：Eb為焚燒處理總收益；EL為填埋處理總收益；a為垃圾處理單位補(bǔ)貼額；c1為焚燒單位成本；c2為填埋單位成本；e為焚燒發(fā)電收益.

式（8）中，垃圾焚燒成本為150元·t-1，填埋成本為60元·t-1，處理1 t垃圾政府補(bǔ)貼260元，上網(wǎng)發(fā)電價(jià)格為0.65元·t-1，每t垃圾折算成280 kW·h電能，其中25%～30%自用[10].

1.4參數(shù)驗(yàn)證

為了增加模型的可信度，需要對(duì)主要變量進(jìn)行驗(yàn)證，分別為人口總量、GDP和人均年收入.2010年人口、GDP、人均年收入分別為2 023.66萬人、17 166億元、31 838元.

2011—2013年的模擬值和真實(shí)值的對(duì)比結(jié)果如表1所示，兩者誤差在-1.03%～0.01%，結(jié)果表明該模型有效，可以用于研究城市生活垃圾處理問題.

2模擬結(jié)果和分析

若按照目前垃圾的產(chǎn)生速度和人口發(fā)展速度，到2030年上海市的居住環(huán)境質(zhì)量將進(jìn)一步下降.為了有效緩解人口劇增導(dǎo)致的垃圾產(chǎn)生量增大，進(jìn)而降低居民生活質(zhì)量的問題，本文設(shè)定了一系列調(diào)控方案，如控制戶籍常住人口和外來人口增長(zhǎng)率，調(diào)整GDP增長(zhǎng)率.參考美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，在高速增長(zhǎng)期后經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)逐漸放緩，設(shè)定上海市GDP增長(zhǎng)率從目前的7.5%逐漸下調(diào)，到2030年，以4.5%的速度發(fā)展；增加垃圾收費(fèi)的設(shè)定，隨著居民收入的提高和人口的增加，垃圾產(chǎn)生量會(huì)逐步增大，因此必須通過收費(fèi)制約垃圾的產(chǎn)生.假設(shè)從2015年開始收費(fèi)，考慮到居民的收入水平，首先按照4元·月-1·戶-1的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行收費(fèi)，之后收費(fèi)隨著收入水平的提高而提高；參考發(fā)達(dá)國(guó)家的生活垃圾處理方法，回收利用率也要逐步增加，從目前的10%逐步提高到2030年的30%.對(duì)其中部分變量的模擬結(jié)果如表2所示.

由表2可知：2030年上海市人口將達(dá)3 085.13萬人，這符合2030年上海市人口調(diào)控目標(biāo)；GDP達(dá)55 261.8億元，這符合經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)規(guī)律；環(huán)保投資達(dá)1 713.110億元，這會(huì)影響垃圾處理方式，表明有更多的垃圾采取焚燒、生化處理，回收利用率進(jìn)一步提高，臨時(shí)堆放量逐漸減少；人均收入達(dá)153 175.0元，這會(huì)促進(jìn)消費(fèi)能力的提高，雖然會(huì)增加個(gè)人垃圾產(chǎn)生量，但是垃圾收費(fèi)也隨之水漲船高，這從另一方面抑制了垃圾的產(chǎn)生.在眾多因素影響下，垃圾產(chǎn)生量和不同處理方式的垃圾處理量的模擬結(jié)果如圖2所示.

由圖2可知，生活垃圾產(chǎn)生量開始呈緩慢上升趨勢(shì)，到2028年開始趨于平穩(wěn).生活垃圾填埋處理量持續(xù)下降，生活垃圾焚燒、生化處理量持續(xù)上升.由此可見，調(diào)控達(dá)到了應(yīng)有的效果.在生活垃圾收費(fèi)、環(huán)保投資增加和人口調(diào)控的多重因素下，生活垃圾產(chǎn)生量增長(zhǎng)速度逐漸放緩，最終保持在一個(gè)合理的水平；而填埋處理量下降，表明占用更少的土地；焚燒、生化處理量的上升可以帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益.

采取不同處理方式時(shí)其收益的模擬結(jié)果如圖3所示.由圖中可知，在調(diào)控因素的影響下，未來焚燒收益會(huì)逐漸升高，甚至高于填埋處理收益，這會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)焚燒處理方式的使用，能有效減少填埋垃圾對(duì)土地資源的占用.

3結(jié)論

本文利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)上海市生活垃圾處理進(jìn)行了建模與仿真，結(jié)果表明：要實(shí)現(xiàn)生活垃圾的有效控制，必須在垃圾產(chǎn)生階段和處理階段采取一系列調(diào)控措施，盡可能采取分類回收的方式，并完善分類回收機(jī)制，從源頭上減量，然后盡可能地采取焚燒、生化處理，處理后的殘?jiān)褪Ｓ嗖糠衷龠M(jìn)行衛(wèi)生填埋.

上海市可以從以下幾個(gè)方面解決生活垃圾處理問題：① 對(duì)人口進(jìn)行調(diào)控，減緩人口增長(zhǎng)率；② 提高環(huán)保投資占GDP比重，增加的投入會(huì)提高回收利用率，降低臨時(shí)堆放率，提高垃圾焚燒、

生化處理的比例；③ 實(shí)行生活垃圾收費(fèi)制度，

該措施能有效降低人均生活垃圾產(chǎn)生量，減輕政府財(cái)政壓力.

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