能源研究与信息  2016, Vol. 32 Issue (1): 20-24   PDF    
引用本文
叶健飞. 上海市生活垃圾处理问题的系统动力学分析[J]. 能源研究与信息, 2016, 32(1): 20-24.
YE Jianfei. System dynamics analysis on the municipal solid waste disposal problems in Shanghai[J]. Energy Research and Information, 2016, 32(1): 20-24.
上海市生活垃圾处理问题的系统动力学分析
叶健飞     
上海理工大学 管理学院, 上海 200093
收稿日期: 2014-07-14;
基金项目: 上海电机学院重点学科建设资助项目(10XKJ01)
作者简介: 叶健飞(1992—),男,硕士研究生.研究方向:工业工程、管理工程.E-mail:yjf19920615@163.com
摘要: 与日俱增的人口产生了越来越多的生活垃圾.面对垃圾围城的严峻形势,城市生活垃圾处理变得越来越迫切.为了预测上海市未来的垃圾产生量,探讨合适的处置方法和调控措施,利用系统动力学的方法建立了上海市城市生活垃圾产生和处理系统的动力学模型.通过查阅大量文献并收集数据,预测未来生活垃圾的产生总量和处理总量,对各种处理方式的收益进行了对比,并利用系统动力学模型模拟软件VENSIM进行了模拟.结果表明:在调控措施下,未来上海市垃圾产生量能得到控制和更加环保的处理;同时,需要控制人口,提高环保投资占GDP比重,实行垃圾收费制度.
关键词: 系统理论     系统动力学     城市生活垃圾     调控措施    
System dynamics analysis on the municipal solid waste disposal problems in Shanghai
YE Jianfei     
School of Management, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
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 environment-friendly in the future in Shanghai by controlling the population,increasing the share of environmental protection investment in GDP,and implementing waste charging institution.
Key words: system theory     system dynamics     municipal solid waste     regulation measure    

随着上海自贸区的建立和沪苏浙皖超级经济区方案的上报,上海日益朝着国际化大都市迈进.面对大好的发展机会,越来越多的人口涌入上海,上海的环境压力与日俱增,生活垃圾清运量逐年上升.2012年上海市生活垃圾清运量为716万t,人均垃圾产生量为0.82 kg·d-1,无害化处理量为598.5万t,其中卫生填埋377.5万t、焚烧103.6万t,生活垃圾无害化处理率为83.6%[1].

如此之多的垃圾如何处理成为了一个难题.目前的做法是采取填埋、焚烧、堆肥和临时堆放的方式处理,以填埋为主[2].但是填埋会占用大量的土地,而且对地下水也有影响,会进一步加剧上海市人口与土地资源供应紧张的矛盾,形成垃圾与人争地的局面.因此,改革城市生活垃圾处理方式势在必行.针对上海市生活垃圾的特点,刘芳等[3]提出在垃圾分类回收的基础上对垃圾中的可回收成分尽可能地进行资源化利用,从源头上实行垃圾减量,然后对垃圾采取焚烧和生化处理,最后将处理后的残渣以及剩余不能处理的垃圾卫生填埋.

在利用系统动力学解决城市生活垃圾处理问题上,已有了一些研究成果.张蕾等[4]建立了深圳市城市生活垃圾产生量及其影响因素间关系的模型,并提出了调控方案.毕贵红等[5]建立了昆明市固体废弃物管理的模型,并研究人的行为对该系统的影响,提出了调控政策.侯燕等[6]建立了考虑源头减量的城市生活垃圾管理模型,并利用计划行为理论分析了减量的措施.蔡林[7]初步建立了城市生活垃圾处理模型,并以北京市为例进行了探讨.林子健等[8]利用STELLA软件建立了澳门固体垃圾产生量的预测模型,并根据预测结果分析了该模型的优缺点.黄宜等[9]分别利用指数平滑模型和系统动力学模型对云南省能源消费进行了预测,证明了该方法的可行性.

本文在借鉴前人建模思路的基础上[10],结合上海市城市生活垃圾处理实际情况,提出先分类回收,再回收利用,剩余垃圾尽量焚烧、生化处理,最后不能处理的进行填埋的处理方式,以此建立上海市城市生活垃圾处理模型,并研究了各种政策对垃圾产生量的影响.本文主要研究政策调控对居民垃圾投放行为和垃圾处理方式的影响,并模拟垃圾焚烧处理的收益,为垃圾处理产业化提供政策建议.

1 模型构建 1.1 系统分析

本文研究地域限定在上海市范围内,模拟时间为2010—2030年.按垃圾从产生到消亡的过程,本模型可分为三个子系统:垃圾产生子系统、垃圾处理子系统和处理效益子系统.

(1) 垃圾产生子系统

垃圾产生量主要和人口以及人均生活垃圾产生量有关.人口由户籍常住人口和外来常住人口组成,人口增长率受到人口调控的政策因素影响.人均生活垃圾产生量和居民收入、调控政策有关,居民收入越高,人们的消费水平也越高,购买物品的包装物也越多.为源头减量,可采取垃圾收费政策,目前上海市尚未收费。本文假设从2015年开始收费,并模拟收费所产生的影响.居民收入增长率受经济增长率和政策因素影响.

(2) 垃圾处理子系统

生活垃圾处理流程主要有:先进行回收利用,其余的垃圾尽可能地采取焚烧、生化处理.处理后的残渣和其余垃圾进行填埋处理,剩余未能处理的垃圾临时堆放.垃圾处理的目标是尽可能地焚烧、生化处理,少采用填埋处理.环保投资会影响这些处理方式的选择.随着环保投资的增加,回收率和焚烧比例会加大,填埋比例和临时堆放率会下降.环保投资受GDP(国民生产总值)影响,根据政府的承诺,环保投资占GDP比重会逐年提升.

(3) 处理效益子系统

在垃圾处理企业市场化的大背景下,为了吸引更多的企业参与,必须要有一定的经济效益.处理效益子系统主要包含了垃圾处理的收益和成本,其中焚烧发电收益主要来自于政府补贴和上网发电收入.在政策调控下,未来企业采取焚烧处理的收益会越来越高,甚至高于填埋处理的收益.因此,未来企业会更加倾向于采取焚烧处理.

1.2 系统流程

本文利用VENSIM软件进行模拟,在上述系统分析的基础上,建立了系统流图,如图 1所示.

图 1 系统流图 Fig. 1 The system flow chart
1.3 模型方程和参数设定

(1) 垃圾产生子系统

式中:S为户籍常住人口总量;T为时间(年);ΔT为时间间隔;I为户籍常住人口增长量;i为户籍常住人口增长率;α1为政策影响因子1;P为生活垃圾产生总量;Pa为人均生活垃圾产生量;β1、β2分别为垃圾收费及收入对垃圾产生量的影响因子.

式(1)为状态方程,用来确定状态变量;式(2)为速率方程,用来确定速率变量,其中政策影响因子1是基于发达国家人口增长随经济发展趋势的假设,假设人口增长率从2014年起逐步下降,到2030年人口增长率为2014年的1/2;式(3)表示生活垃圾产生总量,其中人均生活垃圾产生量根据2010—2013年的统计数据取平均值得到,为0.306 t·人-1·a-1.垃圾收费对人均生活垃圾产生量的影响因子和收入对人均生活垃圾产生量的影响因子的假设是基于上海市生活垃圾分类减量联席会议全体会议暨工作推进大会上制定的0.7 kg·d-1的上海市人均生活垃圾产生量目标.

(2) 垃圾处理子系统

式中:D为生活垃圾无害化处理量;Pt为生活垃圾临时堆放量;Pr为生活垃圾回收利用量;Db为生活垃圾焚烧、生化处理总量;DL为生活垃圾填埋处理总量;γ为环保投资对生活垃圾焚烧、生化处理的影响因子.

式(5)中对生活垃圾焚烧、生化处理的影响因子的预测与两个因素有关:一是未来垃圾焚烧生化率,二是环保投资.第一个因素的预测是基于发达国家处理现状,具体参考了日本的处理方法.因上海市人多地少的情况与日本相似,并且纬度与自然环境相近,具有很强的借鉴意义.第二个因素的预测是根据上海市2013年政府工作报告中提出的目标.报告中指出:“今后五年,环保投入占全市生产总值的比例保持在3%左右”.因此,本模型假设在2030年,环保投资占GDP的3.1%.

(3) 处理效益子系统

式中:Eb为焚烧处理总收益;EL为填埋处理总收益;a为垃圾处理单位补贴额;c1为焚烧单位成本;c2为填埋单位成本;e为焚烧发电收益.

式(8)中,垃圾焚烧成本为150元·t-1,填埋成本为60元·t-1,处理1 t垃圾政府补贴260元,上网发电价格为0.65元·t-1,每t垃圾折算成280 kW·h电能,其中25%~30%自用[10].

1.4 参数验证

为了增加模型的可信度,需要对主要变量进行验证,分别为人口总量、GDP和人均年收入.2010年人口、GDP、人均年收入分别为2 023.66万人、17 166亿元、31 838元. 2011—2013年的模拟值和真实值的对比结果如表 1所示,两者误差在-1.03%~0.01%,结果表明该模型有效,可以用于研究城市生活垃圾处理问题.

表 1 部分变量模拟结果验证 Tab. 1 Simulation results validation of Some variables
2 模拟结果和分析

若按照目前垃圾的产生速度和人口发展速度,到2030年上海市的居住环境质量将进一步下降.为了有效缓解人口剧增导致的垃圾产生量增大,进而降低居民生活质量的问题,本文设定了一系列调控方案,如控制户籍常住人口和外来人口增长率,调整GDP增长率.参考美国、日本等发达国家的经验,在高速增长期后经济增长逐渐放缓,设定上海市GDP增长率从目前的7.5%逐渐下调,到2030年,以4.5%的速度发展;增加垃圾收费的设定,随着居民收入的提高和人口的增加,垃圾产生量会逐步增大,因此必须通过收费制约垃圾的产生.假设从2015年开始收费,考虑到居民的收入水平,首先按照4元·月-1·户-1的标准进行收费,之后收费随着收入水平的提高而提高;参考发达国家的生活垃圾处理方法,回收利用率也要逐步增加,从目前的10%逐步提高到2030年的30%.对其中部分变量的模拟结果如表 2所示.

表 2 部分变量的模拟结果 Tab. 2 Simulation results of some variables

由表 2可知:2030年上海市人口将达3 085.13万人,这符合2030年上海市人口调控目标;GDP达55 261.8亿元,这符合经济增长规律;环保投资达1 713.110亿元,这会影响垃圾处理方式,表明有更多的垃圾采取焚烧、生化处理,回收利用率进一步提高,临时堆放量逐渐减少;人均收入达153 175.0元,这会促进消费能力的提高,虽然会增加个人垃圾产生量,但是垃圾收费也随之水涨船高,这从另一方面抑制了垃圾的产生.在众多因素影响下,垃圾产生量和不同处理方式的垃圾处理量的模拟结果如图 2所示.

图 2 垃圾产生量和不同处理方式的垃圾处理量 Fig. 2 Relationship between the volume of wastes and its disposed volume with different disposal methods

由图 2可知,生活垃圾产生量开始呈缓慢上升趋势,到2028年开始趋于平稳.生活垃圾填埋处理量持续下降,生活垃圾焚烧、生化处理量持续上升.由此可见,调控达到了应有的效果.在生活垃圾收费、环保投资增加和人口调控的多重因素下,生活垃圾产生量增长速度逐渐放缓,最终保持在一个合理的水平;而填埋处理量下降,表明占用更少的土地;焚烧、生化处理量的上升可以带来更多的经济效益.

采取不同处理方式时其收益的模拟结果如图 3所示.由图中可知,在调控因素的影响下,未来焚烧收益会逐渐升高,甚至高于填埋处理收益,这会进一步促进焚烧处理方式的使用,能有效减少填埋垃圾对土地资源的占用.

图 3 各种处理方式的垃圾处理收益 Fig. 3 Total benefits with different disposal methods
3 结 论

本文利用系统动力学方法对上海市生活垃圾处理进行了建模与仿真,结果表明:要实现生活垃圾的有效控制,必须在垃圾产生阶段和处理阶段采取一系列调控措施,尽可能采取分类回收的方式,并完善分类回收机制,从源头上减量,然后尽可能地采取焚烧、生化处理,处理后的残渣和剩余部分再进行卫生填埋.

上海市可以从以下几个方面解决生活垃圾处理问题:① 对人口进行调控,减缓人口增长率;② 提高环保投资占GDP比重,增加的投入会提高回收利用率,降低临时堆放率,提高垃圾焚烧、生化处理的比例;③ 实行生活垃圾收费制度,该措施能有效降低人均生活垃圾产生量,减轻政府财政压力.

参考文献
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