上海市未来综合生活用水需求量预测及节水对策

上海市未来综合生活用水需求量预测及节水对策

潘应骥

(华东师范大学生态与环境科学学院,上海200241)

摘要：运用系统动力学方法分析上海市未来综合生活用水量各变量之间的复杂关系,构建上海市未来综合生活用水需求量的系统动力学模型,预测上海市未来综合生活用水量的变化态势,进一步探讨水资源调控的关键环节和措施。这些预测和探讨旨在帮助提高上海市水资源可持续利用的规划和管理水平,也为中国其他发达城市或快速城市化地区的水资源规划和管理提供借鉴。

关键词：综合生活用水量;系统动力学模型;需水量预测;节水对策;上海市

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.020

基金项目:教育部哲学社会科学研究重大课题攻关项目(11JZD024)

作者简介:潘应骥(1991—),男,硕士研究生，研究方向为城市水资源管理与水生生态学。E-mail: panyingji@gmail.com

中图分类号：TV213.4文献标志码：A

收稿日期：(2014-05-13编辑：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

水资源是一个城市生存和发展的命脉,研究和预测城市水资源的未来需求量有助于城市的可持续发展及未来规划。上海市既是中国经济最发达、城市化进程最快速的地区,同时也是我国水质型缺水的典型地区。研究和预测上海市水资源的未来需求状况不仅有助于缓解上海市所面临的水资源紧张局面,也能为中国其他发达城市及快速城市化地区的水资源规划利用及其相关研究起到一定的借鉴作用。

与城市水资源需求量预测相关的研究方法主要有回归分析法、系统动力学法、自回归移动平均模型、灰色模型、BP人工神经网络、组合模型和指标分析法等[1-3]。在诸多方法中,系统动力学(system dynamics, SD)方法能有效分析系统中的复杂组合之间的相互关系[4],且能对中长期时间跨度的变化情况进行有效预测,因而在国际上已被广泛运用于水环境治理的政策研究[5]、城市水资源规划[6]以及对洪水灾害的管理之中[7]。我国学者刘俊良等[8]率先将此方法应用于国内城市需水量的研究,张雪花等[9]建立了秦皇岛市的水资源系统动力学模型,李俊玲等[10]利用此方法研究了南水北调东线工程江苏受水区的水资源需求和配制。但迄今为止,此方法尚未运用于上海市这样特大城市的未来水资源需求量预测研究,也缺乏对国家政策和我国特大城市节水调控措施特征的考虑。

本研究针对上海市综合生活用水量的动态变化,运用系统动力学方法进行系统仿真和分析,预测2013—2020年上海市综合生活用水量的增长趋势,并进一步结合相关研究与城市规划,探讨上海市综合生活用水节水的关键环节和措施。

1研究区域概况及数据来源

上海市是我国经济发展最迅速、人口密度最大的城市之一。截至2012年,上海市的常住人口已达到2380.43万,上海市的国民生产总值已达20181.72亿元人民币,城市总需水量也达到了87.02亿t。伴随经济的快速发展,上海市水质型缺水问题尤为严重。据2013年发布的《上海市第一次水利普查暨第二次水资源普查公报》[11]显示,上海市地表水水质全年优于III类(含III类)的仅占3.4%,IV类占23.7%,V类占20%,劣V类占52.9%[12]。巨大的用水需求量与上海市水质型缺水问题并存的现状,给上海市未来的城市供水提出了严峻的挑战。掌握上海市未来用水量的发展趋势,做好相应的应对规划是上海市水资源的可持续利用与城市进一步发展的前提。

本研究中除特别说明之外,所有数据均来自2001—2013年《上海市统计年鉴》《中国统计年鉴》(2013年)[13]和《上海市水资源公报》(2001—2012)[12]。

2上海市综合生活需水量系统动力学模型的建立

2.1构建上海市综合生活需水量系统流程图

上海市的综合生活用水主要分为居民生活用水和城市公共用水两部分。居民生活用水部分主要与人口、人均用水量、经济发展水平等有关;城市公共用水则主要与机关、学校、饭店、商业等公共用水部门有关[14]。笔者将上海市的综合生活用水系统分解为常住人口的变迁,经济发展状况,学校、餐饮业、商业变化等模块,构建上海市综合生活需水量的系统流程简图(图1)。

图1　上海市综合生活用水量系统动力学模型流程

2.2系统动力学模型的主要方程

由于城市综合生活用水量各组成部分之间的关系复杂,方程较多,故只将常住人数、居民生活用水量、城市公共用水量、综合生活用水量、宾馆营业收入等几个最主要影响因素的相关方程式列出:

(1)

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

(2)

式中:Npop为常住人数;Nrp为户籍人数;Nfp为流动人数;Nbirth为出生人数;Nimm为迁入人数;Ndead为死亡人数;Nemm为迁出人数;t为年份。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:W为上海市综合生活需水量;Wr为上海市居民生活用水量;Wp为上海市城市公共用水量;Gpp为上海市人均生产总值;TGDP为上海市第三产业生产总值;Nstu为上海市在校学生人数;Nhos为上海市医院床位总数;Rres为上海市餐饮业收入;Nbusi为上海市商业从业人数;Apark为上海市公园绿地面积;Rhotl为上海市宾馆营业收入;Ntoil为上海市公共厕所数量;Nint为国际来沪旅游人次数;Ndom为国内来沪旅游人次数;其余变量均为系数。

2.3模型的有效性检验

2.3.1模型基本参数的校正

取常住人口、户籍人口、全国人均GDP、上海市人均GDP、公园绿地面积、卫生机构床位数、综合生活用户量及居民生活用水量等8个最主要的指标作为模型校正的参数。以2000—2006年的历史数据作为校正标准。经调整后,对模型的拟合值和历史值进行回归,见图2。从图2可以看出,R2值均达到较高水平(均大于0.90),说明模型已具有较好的精确度。

图2　模型校正结果

2.3.2灵敏度分析

为了确保模型的稳定可靠,还需对模型的灵敏度进行检验,灵敏度分析公式为

(7)

式中:S为在t时刻参数x的灵敏度;Qt和xt分别为综合生活用水量Q和测试参数x在t时刻的值;ΔQ和Δx分别为综合生活用水量Q和参数x的增加量或减少量。

灵敏度分析中假设各参数x在2001—2020年中每5年增加10%,取St的平均值作为模型的灵敏度指标(图3)。从图3可以看出,死亡率对城市综合用水量的减少灵敏,而出生率、迁入率、第三产业系数及上海市总GDP增加额对城市综合用水量的增加灵敏,且灵敏度最高稳定在10%左右,说明模型具有良好的稳定性和强壮性。

图3　 模型的灵敏度分析结果

2.3.3模型的验证

为了进一步验证模型的可靠性,选取模型校正中所有8个主要变量2007—2012年这6年的历史数据与模型运行的模拟值进行比对,并计算模拟值与历史数据的相对误差值(表1)。表1中指标的相对误差值基本控制在5%之内,个别相对误差值控制在10%以内,说明模型精度良好,可以进行下一步预测。

2.4模型的仿真结果

将模型的初始年份设为2000年,截止年份设置为2020年,步长设置为1年,用模型对常住人口、户籍人口、上海市人均GDP、生活综合用水量、居民生活用水量以及城市公共用水量进行仿真模拟,结果见图4～6。

图4　上海市人均GDP预测

图5　上海市常住人口、户籍人口预测

图4～5表明上海市的人均GDP将持续增加,而上海市户籍人口略有增加趋势,常住人口呈先上升后平稳略降趋势。预计至2020年,上海市的户籍人口将达到1626.15万人,该预测值与《上海市总体规划1999—2020》中对于2020年户籍人口控制在1600万人左右的规划要求相符[15]。

表1　模型结果的验证

图6　上海市综合生活用水量、城市公共用水量及 居民生活用水量预测

从图6可看出,2000年至2020年的综合生活用水量将持续增加。预计至2020年,上海市综合生活用水总量将达到416.75L/(人·d)。该预测值与《上海市总体规划1999—2020年》[15]中人均日生活用水量控制在450L的用水规划要求相符。

模型的模拟值与历史值具有较好的拟合度,模型对未来的预测值也与上海市政府相关规划文件所要求的范围相符,说明该模型具有较好的精确性和合理性,模拟过程和预测结果都具有较高的可信度。

3讨论

从模型的预测结果可以看出:2012—2020年,上海市的综合生活用水量还将持续增加;2012年以后,居民生活用水量将维持在每年10亿～13亿t的水平,而城市公共用水量将超过居民生活用水量,其所占比例亦呈不断增加的趋势(由2012年占综合生活用水量的48.16%,上升到2020年的68.81%)。可见城市公共用水量将是上海市未来综合生活用水量增加的主要带动因素,因而城市公共用水量调控成为上海市未来综合生活用水量调控的重点环节,应引起相关政府管理部门的高度重视。

根据模型可知,学校、商业、餐饮和医院模块是城市公共用水的主要消费群。这些用水需求量既与广大市民的日常生活息息相关,又不同于城市居民日常的生活用水。由于影响城市公共用水的因素相对复杂,难以仅仅通过水价调控等手段来对该用水量进行调节[16],因而应从节水成本上作深入分析,在节水潜力上作深度挖掘。曾有研究[17]认为,宾馆和院校节水成本最低,而城市公共污水再生利用的单位成本也小于商业、文娱和医疗行业的单位节水成本。也有人作了这样的估算,仅在学校安装水表这一项措施,就可以将全市学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学的总节水量可达每年102万m3。再者,如果制定每人用水额度,并强化全市供水管网的维护,则上海市的综合生活用水量每年尚有1.72亿～2.65亿t的节水潜力可资利用[18]。其他如推广公共用户节水器具[19],实行雨水、中水的回收利用等[20],都是值得重视的有效措施。

笔者认为,未来上海市居民生活用水量将趋于稳定,但城市中的公共用水量将成为上海市综合生活用水量不断增加的主因, 成为上海市未来综合生活用水量调控规划和上海市地区水资源管理的关键环节。对城市公共用水方面加大调控力度,降低节水成本,并强化挖掘节约用水潜力,将有利于上海市水资源的可持续利用。

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