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涉煤生产对区域水资源承载系统的影响仿真

学术期刊发表网 位置:农业论文 时间:2019-03-21 16:31 (12)

摘要:摘要:富煤地区的煤炭开发利用对当地水资源的可持续发展带来压力。引入系统动力学,综合考虑区域的农业、煤炭开发利用、居民生活以及生态保护的需水,建立水资源承载互动仿真模型;以宁夏回族自治区为例,基于两种规划情景,对当地水资源承载系统的动态变化过

  摘要:富煤地区的煤炭开发利用对当地水资源的可持续发展带来压力。引入系统动力学,综合考虑区域的农业、煤炭开发利用、居民生活以及生态保护的需水,建立水资源承载互动仿真模型;以宁夏回族自治区为例,基于两种规划情景,对当地水资源承载系统的动态变化过程进行仿真;仿真结果说明:以市场为基础的资源配置方式下,区域水资源实现可持续发展,但区域均衡发展受到影响。如按照政府主导的资源规划发展,区域水资源供需缺口将进一步扩大;据此,提出相关规划建议。

  关键词:煤炭,规划,水资源承载系统,系统动力学,仿真

水资源与水工程学报

  煤炭占中国一次能源消费量的68%左右。煤炭产量从2001年的13.8亿吨迅速增加到2015年的37.5亿吨。尽管近年来煤炭消费需求增速减缓,但在今后较长时期内煤炭仍是中国主要的一次能源。煤炭开发利用主要形式包括:原煤开采洗选、燃煤发电与煤化工,均为高耗水产业。中国重点建设14个大型煤炭开采基地大部分处于水资源极为匮乏黄河中上游,据此,2013年12月国家水利部要求大型煤电基地建设需贯彻执行最严格水资源管理制度。

  由于水资源以流域为单位进行管理,煤炭开发利用规划由属地政府制定,形成“多龙争水”的局面,煤炭开发利用对水资源承载力形成挤压,因此,分析煤炭开发利用对区域水资源承载系统的影响,并据此形成对应规划,对于区域环境的可持续发展具有重要意义。

  1相关研究

  煤炭开发利用与水资源间的相互作用已引起国内外学者的广泛关注,研究初期以煤炭开发利用后的污染治理[1-5]为主线,已逐步过渡到研究水资源总量对煤炭开发利用的制约作用,倡导科学确定开发利用规模[6-10]。其中,BazilianM,etal.,分析发展中国家能源、水与粮食间的关系,提出政策有效传导的态度模型,指出由于缺乏对经济等因素的综合研究,造成了当地不平等的加剧;PanL,LiuP,etal,采用情景分析中国煤炭工业2020-2030年期间需水状况。

  结论显示未来水资源对中国煤炭工业的发展的制约作用愈发明显,成为当地可持续发展的不确定因素;MuddGM.,指出煤炭开发过程与可持续发展间存在悖论,建立半定量模型分析煤炭开发技术与可持续发展指标间互相制约关系;StillwellAS,KingCW,etal.,分析德克萨斯州的燃煤发电与水资源间的关系,表明提高用水效率会减少电力需求,提高能源效率将减少用水需求;FamigliettiJS,WoodEF.,考虑大气循环传输机制,建立水资源-能源平衡宏观分析框架,分析不同区域煤炭资源配置方案规划;SinghG,SierD,ErnstAT,etal.,提出MILP模型,以最大化成本效益与减少基础设施和滞期费的总成本和满足需求为目标,确定煤炭开发规划量。

  已有研究着重辨析煤炭开发利用与水资源间存在的关系,但考虑到水资源承载系统是一个多层次、多因素的开放、复杂系统,在研究煤炭开发利用对区域水资源承载情况影响时,需综合考虑其他产业、居民生活以及生态环境等发展的需水。由于难以从理论上计算、预测多因素、多层次的子系统间相互复杂影响,因此考虑利用系统动力学仿真上述多个需水子系统与水资源系统间的作用过程,形成对水资源承载系统状态的动态演化。

  系统动力学(SystemDynamics,SD)是较为广泛应用的连续、动态系统的仿真工具,BorisCM,KrutillaJV.,以美国西北部平原地区的黄石河流域的煤炭开发与水资源保护为对象,考虑水文、化学与水资源新技术应用,仿真当地的规划与政策。

  结果表明当能源开发增速时,水资源受到较大影响;SimonovicSP.,采用系统动力学建立Worldwater模型,对全球水资源使用情况进行评价,结果说明水资源与工业发展具有强联系,水污染问题将成为未来水资源将面临的重要问题;HeC,etal.,结合元胞自动机、系统动力学建立北京城市化影响仿真模型。

  结果表明持续推进当地的城市化建设,将陷入水资源与环境恶化的困境。根据已有水资源系统仿真的研究,本文考虑工业(特别是煤炭开发利用)、农业、生态、生活用水,建立区域水资源承载系统动力学仿真模型,并以宁夏回族自治区(以下简称“宁夏”)为例,对其煤炭开发利用的两种资源配置情景进行仿真,分别得到对应的当地水资源供求状况、水资源消费结构,据此分析相关规划情景的可持续性,为当地煤炭开发利用规划的修订提供参考依据。

  2水资源承载系统的动力模型

  2.1区域水资源承载系统分析与系统流图建立

  本文中界定水资源承载系统为:可持续利用的前提下,一定区域内,考虑水循环,满足自然与人类社会需水的系统。区域的水资源承载系统包含三层含义:首先,区域水资源承载系统是在一定社会技术经济阶段,可支撑的工业经济(包含区域煤炭开发利用)发展的最大规模;其次,以可以预见的技术、经济和社会发展水平为依据,区域社会经济发展的最大人口容量。

  最后,以可持续发展为原则,水资源承载系统是区域维护环境良性发展所需生态建设与维护的最低用水需求。因此,区域的水资源承载系统需要承载工业、生活、农业与生态四大部分的需水,而中水回用、地表、地下可用水则形成主要供水来源。即将水资源承载系统划分为6个子系统,分别是:工业用水(含煤炭开发利用)、农业用水、生活用水、生态用水、水资源供需和水污染处理,详述如下:(1)工业用水子系统。在富煤区域,煤炭开发利用多为当地支柱产业,占当地工业产值的比例记为p,则现状年工业产值=(燃煤发电产值+煤化工产值+原煤开采产值)/p。工业需水=现状年工业(万元)产值×工业万元产值需水量定额;(2)农业用水子系统。农业需水主要为农田灌溉用水和养殖业用水。因此该子系统以农田灌溉面积和牲畜数量为状态变量,通过农田灌溉面积变化率和牲畜数量变化率来反映农业需水的变化情况。

  (3)生活用水子系统。生活用水=农村居民用水+城镇居民用水;农村居民用水=现状年农村人口数×农村居民用水定额;城市居民用水=现状年城市人口数×城市居民用水定额;(4)生态用水子系统。考虑到区域生态环境需水总量年际间主要变化源自城市绿化园林需水及防护林地的需水,故只将城市环境需水作为每年需求的生态需水计入到水资源供需模块中。根据市政部门估算的单位园林地需水系数及城市园林绿地面积,可总体上估算出城市环境用水;(5)水资源供需子系统。供水紧张程度为水资源子系统主要变量,供水紧张度=水资源年需求总量/水资源年供给总量,供水紧张度<1,则水供给满足区域需水要求;供水紧张度=1,则供水平衡;供水紧张度>1,则当地水供给无法满足区域需水要求;(6)水污染子系统。工业污水和生活污水是污水来源,通过污水总量、污水处理率、中水回用率等几个指标建立与其它子系统互相影响、制约的关系。工业、农业、生活、生态、水污染五个子系统影响着水资源承载系统,同时水资源供给系统对这五个子系统也起着限制作用。

  2.2建立水资源承载力系统DYNAMO方程

  建立考虑煤炭开发利用的水资源承载力系统DYNAMO方程。下一部分将以宁夏地区为例,仿真当地对各需水子系统发展对当地水资源承载系统影响。

  3宁夏地区煤炭开发利用对水资源

  承载系统的影响仿真截至2012年末,宁夏累计探明煤炭储量461.82亿吨,潜在资源量有1305.15亿吨,人均占有量位列全国第一。当前宁夏煤炭工业是当地的支柱型产业,宁东地区是中国煤炭基地之一,是国家重要的煤炭净调出地区、火电装机容量及发电量和煤化工产量逐年上升。

  同时,宁夏位于我国西北内陆干旱半干旱地区,降水稀少,蒸发强烈,人均水资源占有量为165.159m3,属全国最少的地区之一,多年来其第一产业用水占总取水量90%左右,其中约90%用于煤炭的开发利用,当地煤炭开发利用对区域水资源影响显著。基于上文提出的仿真模型,通过调整控制变量,分别对以市场为资源配置方式和宁夏当前规划主导的两个情景模式下,仿真当地水资源承载系统的变化,从而论证水资源约束下当地的相关规划是否科学。

  3.1模型参数设置与检验

  根据收集的数据,初始化原煤开采、燃煤发电与煤化工的产值、农村\城市人口数量、农田灌溉面积、水土流失治理面积、生活污水量、中水回用量等;根据历年数据变化情况,设置绿地需水系数、水土保持用水定额、工业排水系数、生活污水系数、工业万元产值用水量、工业排水系数、工业水重复利用率、农村用水定额、渠系水利用系数、农田灌溉定额、牲畜初始数量、牲畜用水定额等表函数。

  通过控制原煤开采产值增长率、燃煤发电增长率、煤化工增长率、城市化率、人口增长率、地表水可供量、灌溉面积变化率、牲畜数量变化率、绿地面积变化率、污水处理率、中水回用率、渠系水利用系数、灌溉定额等常量,形成不同仿真情景。模型初始化与参数设置完成后,采用直观检验和历史检验,对2000-2012年的仿真预测结果与历史实际数据进行对比得到:水平变量农田灌溉面积、牲畜数量、工业产值与城市绿地园林的仿真结果与实际值的最大误差不超过9%,预测值与实际值拟合较好,模型行为与实际系统具有较好的一致性,模型参数设置通过检验。

  3.2情景仿真与结果分析

  本节将仿真宁夏地区水资源承载系统在2016-2020年的演化过程。考虑到煤炭开发利用所涉产业主要为原煤采掘、燃煤发电与煤化工,均为沉淀成本高、受宏观政策影响大的行业,因此,在本文中主要仿真两个情景:完全以市场为资源配置手段、存在煤炭开发利用行业规划的资源配置。其中,后者根据宁夏地区“十二五”、“十三五”的相关产业、社会与环境规划形成对六个子系统的情景参数设置。

  (1)情景模式1:以市场为资源配置手段在该情景模式假设六个子系统均保持当前发展趋势,宁夏当地水资源系统的历史数据数的变化趋势或者取值作为仿真模型中的参数取值。其中,工业万元产值需水量取0.176万立方/万元,污水处理率取0.7、污水回用率取0.45,各子系统需水定额均取最低标准,即仿真最低需水情形下的水资源承载系统变化情况。如果各产业保持当前的发展趋势,农业用水将呈现较为明显的下降,而工业用水明显上升,生态用水略有上升,生活用水上升幅度不明显。农业用水仍然占总用水较大比例。

  时间将保持不变,而经过缩减农业用水总用水量有所下降,在2015-2020年宁夏全区的水资源从总量上看是平衡的。供水紧张程度为区域供水量与需水量之比,表征当地水资源对用水的满足程度,2001-2020年宁夏当地的供水紧张程度呈现波动,在2015-2020年供水紧张得到缓解,供水和用水基本持平。

  (2)情景模式2:地方规划持续执行根据已颁布的宁夏能源发展“十三五”规划、宁夏农业和农村经济发展“十三五”规划、宁夏工业转型升级和结构调整实施方案以及宁夏回族自治区环境保护行动计划,设置仿真参数(部分尚未颁布的沿用“十二五”规划),仿真得到在十三五(2016-2020年)期间,当地工业、农业、社会、生态用水、总需水、总供水以及供水紧张程度变化情况。其中,工业、农业、社会。

  如果宁夏地区贯彻执行上述规划,则农业用水将在十三五期间呈现较为明显的上升,而生态用水在该情景模式下明显上升,工业鲜水去用量略有上升,生活用水上升幅度不明显。农业用水仍然占总用水较大比例,水资源可供量在未来一段时间将保持不变,而当地规划对各子系统的用水均没有有效的缩减,在2016-2020年宁夏全区的总用水量有明显的增加,与可供水资源的差异越来越大。

  2001-2020年宁夏当地的供水紧张程度呈现波动,在2011-2020年随着当地相关规划政策的实施,用水缺口进一步扩大。经比较不同情景的仿真结果,可知:以供水紧张程度为核心,当以市场为资源配置方式时,从2016-2020年,宁夏地区农业用水、生态用水增速降低,有助于缓解当地的水资源供需矛盾,在2020年供需水能够保持平衡;如果当地的相关规划思路在2016-2020年间继续实施,农业用水将出现较大幅度上升,同时其他三个子系统的用水也会呈现上升趋势,当地水资源供给缺口逐步扩大,煤炭开发利用规划使当地供水紧张程度进一步加剧。另外,本文仿真所取(农田灌溉、牲畜用水、城市居民、农村居民、水土保持、城市园林绿地用水)用水定额为最小值,其需水可视为最低需水额,供水紧张程度为乐观估计。

  4结论

  本研究综合考虑多种需水情况,建立区域水资源承载系统框架,考虑到系统的复杂性、开放性,基于系统动力学,形成流图与DYNAMO方程;以宁夏地区为例,建立当地水资源承载系统仿真模型,根据收集的数据,经计算与分析设置模型初始化参数,并经检验通过,对两种不同资源配置情景模式下的区域水资源承载系统的演变进行仿真,得到以下结论:(1)水资源承载系统的供水紧张度受多个需水子系统共同作用,因此实现区域水资源系统的可持续发展,必须加强顶层设计,实现多个需水子系统的协同作用,当前以流域为单位的水资源管理模式急需改进;(2)在宁夏地区,如果以市场为资源配置手段,会引致投资回报率高的煤炭开发利用产业规模扩大,而农业、生态用水规模将会进一步萎缩,不利于当地环境、经济与社会的可持续发展;(3)持续执行宁夏地区相关规划,将进一步加剧供水缺口,可见,地方规划需要进一步考虑水资源约束,协调各子系统的规划目标。本研究为规划的修订提供依据,是提高规划制定过程科学性的有益尝试。研究过程中缺乏对节水技术应用的考虑,在今后的工作中,将引入随机节水率,改进系统仿真模型的参数计算与设置方式,进一步提高仿真结果的政策参考价值。

  参考文献:

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  [8]FamigliettiJS,WoodEF.Multiscalemodelingofspatiallyvariablewaterandenergybalanceprocesses[J]WaterResourcesResearch,1994,30(11):3061-3078.

  水资源类刊物推荐:水资源与水工程学报主要刊登水资源与水工程领域的有关学术论文、专题述评、区域发展战略与对策,以及水工程、水环境,水质评价等方面的科技成就。本刊办刊宗旨是服务经济建设,促进学术繁荣,推动科技进步。力求反映国内外水利科技的最新成就、重要进展、当代水平与发展趋势,加速科研成果向现实生产力转化。

  


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