基于SD模型的城市生活垃圾资源化处理模拟研究——以大连市为例

王耕, 李优

1.辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁 大连　116029 2.辽宁师范大学海洋经济与可持续发展中心，辽宁 大连　116029



基于SD模型的城市生活垃圾资源化处理模拟研究
——以大连市为例

王耕1,2, 李优1

1.辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁 大连116029 2.辽宁师范大学海洋经济与可持续发展中心，辽宁 大连116029

以大连市为例，运用系统动力学方法建立了城市生活垃圾资源化处理的系统动力学仿真模型，并进行情景分析。对大连市各种垃圾处理方式的处理量进行了预测，并预测了2种不同方案(方案一，回收率和源头分类率提高后，大连市生活垃圾80%进行焚烧，20%进行填埋；方案二，回收率和源头分类率提高后，采用完全焚烧法，焚烧后的残渣进行填埋)下大连市垃圾填埋场的容量和使用寿命，针对垃圾焚烧模块进行了发电量的预测。结果表明：大连市毛茔子垃圾填埋场四期预计到2016年底达到饱和，要提高垃圾焚烧的投入，大力建设垃圾焚烧厂，将垃圾焚烧发电作为最主要的资源化处理方式。

系统动力学(SD)；生活垃圾；资源化；大连市

城市生活垃圾是指在城市地区范围内日常生活中所产生的固体废物[1]。随着经济发展和城市化水平的提高，垃圾产量逐年增加，目前我国约有23的城市出现“垃圾围城”的状况。生活垃圾危害巨大，不仅造成空气污染、水污染、土壤污染，还严重破坏城市人居环境，并对人民生活水平的提高产生重要影响。党的十八大报告提出，坚持节约资源和保护环境的基本国策，要形成新的空间格局、产业结构以及生产、生活方式[2-3]。2015年，“两会”又提出以国家意志大力推进生态文明建设。在此背景下，如何采取措施使垃圾处理系统能更合理、更环保、更加资源化并循环发展，是我国建设生态文明城市、提高人民生活质量迫切需要解决的问题。

传统的垃圾处理研究多运用静态模型和方法，对垃圾的处理模型上只强调处理，而不注重垃圾资源化。有学者将经济分析方法和数学模型引入城市生活垃圾管理系统，如混合整数线性规划、线性规划、多目标规划、演变发展的模糊规划等[4]。但各单项方法和模型过于简单，在应用上都存在一定的缺点和局限性，并且大多数方法都存在信息的不确定性，容易产生较大误差，与实际情况不相符[5]。系统动力学(system dynamics，SD)是认识系统问题和解决复杂性、综合性问题的交叉领域的横向学科，通过定性与定量结合，系统综合推理的方法，研究复杂问题的动态反馈过程，是一种结构-功能的模拟，是社会、经济、生态复杂大系统的“实验室”[6-7]。国内外已有很多学者运用该方法对垃圾进行研究：1993年Mashayekhi[8]运用系统动力学模型分析了纽约州固体废物管理，并预测了从以填埋为主转向其他方式时的所需资金和处理容量；1997年Sudhir等[9]运用系统动力学模型来获取城市固体废物中不同组成部分之间的动态本质，该模型为固体废物可持续管理的不同方案研究提供了一个平台；2004年Sufian等[10]提出了运用系统动力学模型预测废物的产生量、所需收集容量和固体废物发电量，并对加强固体废物管理提出建议；2010年Naushad等[11]用系统动态建模方法来评估城市固体废物产生，垃圾填埋容量和相关成本管理问题；2006年郭怀成等[12-13]应用系统动力学模型对城市环境经济系统进行研究，但只把垃圾处理作为一个子模块来研究，没有真正地建立起垃圾处理模型；2006年蔡林[14]初步建立了城市生活垃圾系统动力学模型框架，以北京市为例，建立了包含人口、经济与垃圾处理的系统动力学模型，并分析了模拟结果；2008年毕贵红等[15]根据计划行为理论，建立了垃圾源头减量的系统动力学模型，并分析了源头减量对垃圾处理减量化的影响；2015年宋金波等[16]运用系统动力学对垃圾焚烧发电BOT (build operate transfer)项目案例进行模拟，从而为政府和项目公司运作垃圾焚烧发电BOT项目提供了决策参考。国外在垃圾处理模型开发研究方面较成熟，但应用条件不适合我国；我国运用系统动力学模型研究分析问题的能力较为薄弱。系统动力学能将复杂的系统问题简化，从系统内部机制和微观结构入手，剖析系统进行建模，分析内部结构与其动态行为的关系，因而尤其适合分析解决社会、经济、生态等复杂问题。城市生活垃圾资源化处理是一个非常复杂的系统，包括源头分类、收集、回收利用和末端处理。运用系统动力学方法，不仅能从系统的角度出发，动态地模拟出未来城市垃圾的发展趋势，还能反馈和调控城市垃圾处理各环节上的问题，帮助政府进行宏观调控[17-18]。

大连市位于辽东半岛最南端，三面环海，是东北地区的对外门户，总人口约为591万。目前大连市的生活垃圾产生量正以每年超过3%的速度增长。研究大连市生活垃圾资源化处理，为大连市资源与环境发展提供政策建议，意义重大，也是大连市生态文明建设的重要任务。因此，笔者在分析总结前人研究的基础上，以大连市为例，对不同垃圾处理方式的垃圾处理量进行情景分析，预测大连市垃圾填埋场的剩余容量和使用寿命以及垃圾焚烧发电量和投入，以期提高大连市垃圾填埋场对生活垃圾的处理能力。

1　模型构建

通过对大连市垃圾处理系统的分析，综合考虑人口、经济、社会等因素，采用VensimPLE软件构建模型。依据系统动力学建模的原则和方法，大连市生活垃圾资源化处理的SD模型主要包括人口子模型、垃圾收集与回收子模型、垃圾处理子模型、垃圾发电子模型以及垃圾宏观经济子模型。各子模型内部相互联系、相互作用，共同构成一个具有多重反馈的复杂大系统。将上述各子模型建立在VensimPLE的窗口中，经过整合成为大连市垃圾资源化处理的总模型(图1)。

1.1模型数据及参数的选择和界定

研究范围包括大连市所有的城乡区域，时间的模拟边界为2007—2025年。模型中主要的数据以及参数来源于《大连市城市总体规划(2009—2020)》、2007—2013年的《大连市统计年鉴》以及《大连市环境状况公报》。2014—2025年的参数数据由历史统计资料及趋势外推法获得。

1.2模型有效性检验

模型的检验步骤主要包括结构检验、量纲检验和历史性检验。结构检验是在整个模型构建过程中，出现结构问题时，系统会自动提示，令操作者进行修正。量纲检验是检验方程两边的量纲是否一致。历史性检验是选定过去某一时段的历史数值作为参照值，然后从初始值进行模拟，将得到的结果与历史数据进行误差检验、关联度检验等，以判断该系统是否可以反映实际情况。本模型已经通过了结构检验和量纲检验。

选取2007—2013年总人口和垃圾产生总量的实际数据对模型进行历史性检验，检验结果如表1所示。

从表1可以看出，总人口模拟值与实际值最小误差为0，最大误差为1.82%；垃圾产生总量模拟值与实际值最小误差为0.62%，最大误差为2.06%。模拟值的相对误差均小于10%，与实际值相差较小，反映了实际情况，可进行实际模拟。

表1　2007—2013年总人口与垃圾产生总量历史性检验

2　大连市SD模型的模拟分析

2.1现状分析

人口是城市生活垃圾产生的根源，是影响城市生活垃圾产生量的直接因素。人口增长由出生人口、死亡人口和净迁入人口3种因素决定。2010—2014年，大连市平均人口自然增长率为1.68‰，出生率和死亡率保持相对稳定。由于大连市经济因素和政府政策的影响，人口平均机械增长率有所降低，由原来的5.5‰降为5.2‰。

在高素质人才引进和员工技能培训方面，武汉华工后勤管理有限公司也采取内外兼训的模式，组织厨师与普通员工每年参加各种形式的教育培训。通过创新烹饪方法、改革加工工艺和科学编制菜谱等手段，特别是对我国传统的中餐团膳加工方式进行脱胎换骨的改革，做到精细加工、粗菜精做、精菜细做、现做现卖，提高饭菜的口味、品质与档次，达到了家庭化的烹饪口味要求，师生的满意度和认同度不断提高。

大连市在2011年以前的垃圾处理方式主要以填埋为主，约80%的垃圾通过简易填埋或者卫生填埋来处理。大连市毛茔子垃圾填埋场是大连市最主要的垃圾填埋场，自1988年投入使用以来，一期、二期和三期都已达到饱和，2010年新建的毛茔子四期垃圾填埋场设计标准只有8.5 a，平均处置规模1 069.1 td[19]。2011年大连市建设了第一个垃圾焚烧厂，焚烧垃圾1 500 td，焚烧的垃圾用来发电，焚烧后的残渣进行回收利用或者填埋。由于垃圾焚烧厂的投入使用，到2015年垃圾填埋量下降50%。大连市垃圾填埋每年占地近6.67 hm2，致使周围环境严重恶化。

2.2基础模拟结果与分析

图2给出了大连市2007—2025年总人口规模的变化趋势。由图2可见，到2020年总人口为631万人，2025年将达到653万人。2015—2025年总人口呈平稳增长趋势，人口增长规模在政府可预测范围内。随着人口增长，垃圾产生总量将由2007年的121万t增加到2025年的294万t，垃圾回收量和垃圾收集总量也在不断增长，但增幅较小，远低于垃圾产生总量的增幅(图3)。

图3　大连市2007—2025年垃圾产生总量、回收量和收集总量基础模拟结果Fig.3　Waste generation, recycling, and collect the total amount based on the simulation results in Dalian 2007-2025

大连市不同垃圾处理方式的年处理量和投资额模拟结果见图4和图5。从图4和图5可以看出，自2011年大连市建设的第一座垃圾焚烧厂运营开始，大连市的垃圾填埋量和填埋投资额大幅减少。垃圾焚烧量从2012年开始超过垃圾填埋量，并且投资额迅速增多。自2013年以后，垃圾填埋量随着垃圾产生总量的增多，也在增长，但始终少于垃圾焚烧量；垃圾填埋投资额也在小幅增长，但远低于垃圾焚烧投资额。

图4　大连市2007—2025年不同垃圾处理方式的年处理量基础模拟结果Fig.4　Annual processing capacity of various waste disposal methods based on simulation results in Dalian 2007-2025

图5　大连市2007—2025年不同垃圾处理方式的投资额基础模拟结果 Fig.5　Investment of various waste disposal methods based on the simulation results in Dalian 2007-2025

以2011年毛茔子垃圾填埋场四期建设的容量为标准，结合垃圾填埋量的基础模拟数据进行情景模拟，预测未来的剩余容量。

2.3情景分析

城市生活垃圾资源化处理是对城市中产生的垃圾通过合理的方法进行处理，对垃圾进行回收、填埋、堆肥、焚烧发电等综合利用，实现城市生活垃圾的减量化、资源化和无害化。目前大连市的生活垃圾通过源头分类和回收后，有12的垃圾进行填埋，12的垃圾焚烧和堆肥，垃圾处理方式不合理，比例不协调。因此，进行情景分析时，优先提高垃圾的回收利用，将剩余垃圾处理的方式从填埋转为焚烧。

2.3.1优先回收

提高垃圾源头分类率和垃圾回收率，加大垃圾回收利用力度，才能减少垃圾收集总量。将垃圾源头分类率提高到0.5，垃圾回收率提高到0.09，垃圾源头分类率以及垃圾回收率提高后垃圾回收量和收集总量模拟结果见图6。由图6可知，按照目前的垃圾回收率和源头分类率，2020年垃圾回收量为34.5万t，将垃圾回收率和源头分类率提高后垃圾回收量增加为51.5万t。当垃圾回收量上升后，垃圾收集总量开始下降，由原来的205万t变为188万t。由此可以看出，垃圾分类回收能有效地减少当前的垃圾产量，垃圾回收利用也可缓解当前资源浪费和环境污染等问题。

图6　垃圾源头分类率以及垃圾回收率提高后垃圾回收量和收集总量模拟结果Fig.6　Source separation of waste and the waste recovery recycling and collection total results

2.3.2焚烧填埋

大连市第一座垃圾焚烧厂建成后，减少了垃圾填埋量，且垃圾焚烧用来发电，效益可观，对整个大连市的垃圾处理起到减量化、资源化和无害化的作用。现假设采用2种方案进行垃圾处理：方案一，回收率和源头分类率提高后，大连市生活垃圾80%进行焚烧，20%进行填埋；方案二，回收率和源头分类率提高后，采用完全焚烧法，焚烧后的残渣进行填埋。对2种方案的模拟结果与基础模拟结果进行比较。

毛茔子四期垃圾填埋场容量预计在2016年底达到饱和，大连市的垃圾填埋将依靠其他小型垃圾填埋场，但小型垃圾填埋场无法满足全市垃圾填埋处理的需求。大连市2007—2025年垃圾焚烧年处理量以及垃圾填埋年处理量2种方案模拟结果见图7和图8。

注：方案一，回收率和源头分类率提高后，生活垃圾80%进行焚烧，20%进行填埋；方案二，回收率和源头分类率提高后，采用完全焚烧法，焚烧后的残渣进行填埋。图7　大连市2007—2025年垃圾焚烧年处理量2种方案模拟结果Fig.7　Waste incineration programmes annual processingcapacity simulation results in Dalian 2007-2025

注：同图7。图8　大连市2007—2025年垃圾填埋年处理量2种方案模拟结果Fig.8　Landfill annual processing capacity of the simulation results in Dalian 2007-2025

由图7和图8可知，方案一将垃圾焚烧比例调高至80%，垃圾焚烧的年处理量比基础模拟明显增多，垃圾填埋的年处理量迅速减少。由于垃圾产生总量的增加，2013年后垃圾填埋量也呈逐渐上升趋势，但对垃圾填埋场的容量有一定的缓解，使垃圾填埋场使用时间比基础模拟的使用时间延长了3 a(图9)；方案二实施垃圾完全焚烧，垃圾填埋量从2011年开始逐渐减少，到2018年几乎没有需要填埋的垃圾，只有少量的焚烧废渣需填埋，这大大缓解了垃圾填埋场的容量，使垃圾填埋场使用时间延长了8 a(图9)。

将垃圾由填埋转为焚烧，延长了垃圾填埋场使用寿命；垃圾转化为电能，实现了垃圾资源化，缓解了大连市供电紧张；发电获得的经济利润，又能为政府提供财政收入，增加对垃圾处理的财政补贴。图10和图11为2种方案的垃圾焚烧年发电量和年发电利润。由图10和图11可知，方案二垃圾焚烧年发电量最多，可达77 046.8万kW·ha，可供47万户的居民用电[20]，城市发电所获得的年利润也最高。

注：同图7。图10　大连市2007—2025年垃圾焚烧年发电量2种方案模拟结果Fig.10　Waste incineration power generation of the simulation results in Dalian 2007-2025

注：同图7。图11　大连市2007—2025年垃圾焚烧年发电利润2种方案模拟结果Fig.11　Waste incineration for electricity generation-year profit simulation results in Dalian 2007-2025

大连市处理垃圾所需的费用主要来源于政府的财政投入与财政补贴，而居民交纳的垃圾管理费所占比例很小。图12和图13显示了2种方案下对垃圾处理的年投资额及其在GDP中的比例。垃圾焚烧比填埋需要更多的投资，2011年大连市垃圾焚烧厂开始使用后，政府对垃圾焚烧的资金投入量较大，且逐年增加，在方案二的情况下，政府对垃圾焚烧投入的资金更多。目前大连市垃圾焚烧厂的数量以及规模容量还不能适应方案二全部焚烧的垃圾量，且市政府对垃圾焚烧处理的财政资金投入也不足。因此，需要大连市政府加大对垃圾处理的投入，大力投资建设垃圾焚烧厂，利用垃圾发电获得的利润对垃圾进行处理[20]。另外适当提高居民生活垃圾管理费用，也能减少政府对垃圾焚烧处理投入的压力。由于经济不断发展，垃圾处理年投资额在GDP中的比例会越来越低，相较方案一，方案二的年投资额在GDP中所占比例最高。

注：同图7。图12　大连市2007—2025年垃圾处理年投资额2种方案模拟结果Fig.12　Municipal waste disposalin investment comparison of the program in Dalian 2007-2025

注：同图7。图13　大连市2007—2025年垃圾处理年投资额在GDP中的比例2种方案模拟结果Fig.13　Waste total annual investment programmes in share of GDP in Dalian 2007-2025

3　结论与展望

通过系统动力学的方法，对大连市生活垃圾资源化处理进行了模拟，研究发现大连市的垃圾产量在未来10 a仍会增长，毛茔子垃圾填埋场四期预计在2016年底达到饱和。大连市政府应当大力投资垃圾焚烧，延长垃圾填埋场使用寿命，将垃圾焚烧发电作为最主要的资源化处理方式。本研究仍有不足之处，由于影响垃圾产生子模型的因素过多，因而对垃圾源头减量的各种影响因素考虑不够全面；在参数的选择上，由于经验不足，对2种方案的模拟结果可能会造成一些误差。

科学地管理好城市生活垃圾，是城市生态文明建设的重要环节，不仅需要政府的管理调控和资金投入，也需要居民的大力支持。为实现大连市生活垃圾的资源化处理，结合本研究结果提出以下建议：1)源头减量。一方面加大宣传，提高居民的环境保护意识；另一方面适当提高生活垃圾管理费，或者实行垃圾从量收费。2)增加清运车辆和清运次数，提高生活垃圾回收率。3)提高垃圾的循环利用率。在居民区附近建立垃圾回收站，提高垃圾回收价格，回收可利用垃圾。4)末端处理转型。政府需要增加对垃圾焚烧的投入，加快建设垃圾焚烧厂，并利用先进的焚烧技术，提高发电效率，降低发电带来的二次污染；同时利用垃圾焚烧余热供暖，垃圾焚烧后的灰渣可制成水泥、地板砖等建筑材料。

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Simulation of Municipal Solid Waste Resource Recovery Based on System Dynamics Model: The Case of Dalian

WANG Geng1,2,LI You1

1.Urban and Environmental School, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China 2.Center for Studies of Maine Economy and Sustainable Development, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China

With Dalian city as an example, the system dynamics method was used to establish the system dynamic simulation model for MSW resource recovery, and the scenarios analysis was accordingly performed. The treatment amounts of various methods, the volumes and life of MSW landfill sites in Dalian city under two different schemes, and the power generation by MSW incineration were projected. The results show that the fourth phase of Maoyingzi MSW Landfill in Dalian will be filled by the end of 2016. Therefore, it is imperative to put waste incineration and power generation as the main way of resource recovery, by increasing investment in waste incineration and constructing more MSW incinerators.

system dynamics; solid waste; resource recovery; Dalian city

2016-01-13

教育部人文社科规划基金资助项目(13YJA790111)；辽宁省人文社科重点研究基地专项项目(ZJ2014030)

王耕(1973—)，女，教授，博士，主要研究方向为海岸带生态系统管理、区域环境质量评估与生态安全、环境风险评价与管理，wanggeng@lnnu.edu.cn

X705

1674-991X(2016)05-0493-08

10.3969j.issn.1674-991X.2016.05.072