北京市垃圾问题的系统动力学模拟分析，本文主要内容关键词为：北京市论文,动力学论文,垃圾论文,系统论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
垃圾，即固体废物。垃圾问题较之其他形式的环境问题的独特之处，在于垃圾有“五最”——是最难得到处置、最具综合性、与人口的关系最为密切、最晚得到重视、污染也最严重的环境问题。
一、人口增长与垃圾问题
随着人口的不断增长和生活水平的日益提高，垃圾的产量越来越大，成分也越来越复杂。据报道，我国仅“城市垃圾”的年产量就近1.5亿吨，垃圾产量每年大约以7％的速度增长；未经处理堆积下来的垃圾量已达到70多亿吨，侵占土地8亿多平方米；约有2／3的城市陷入垃圾围城的困境之中。
北京市现日产垃圾1.3万吨，全年产生495万吨，而且每年将以8％的速度递增。垃圾不仅数量增长快，而且成分也越来越复杂。其中，高分子有机物的成分已由20世纪80年代初的不足3％，增长到2004年的大约15％。
北京市生活垃圾2003年卫生填埋、堆肥、焚烧和综合处理的比例分别为：87.5％、4.5％、2.3％和5.7％。北京市城市生活垃圾目前的无害化处理主要依靠卫生填埋方式，利用垃圾生产有机堆肥所占比例很小，正规的垃圾焚烧厂现在还没有，综合处理水平也很低。
调查结果显示，北京市现有生活垃圾处理场地490处，总占地面积1007 万平方米，累计填埋量3206万吨。其中正在运营的生活垃圾处理场386处，已封场的104处。正在使用的垃圾处理场地中，正规垃圾处理场及转运站共18处，占正在使用的垃圾处理场地总数的5％；而非正规垃圾处理场及转运站共有368处，占正在使用的垃圾处理场地总数的95％，垃圾处理量却只占27％，占地面积达到了总占地面积的51％。
这些非正规的垃圾场，不仅占用大量土地，而且还污染水体、土壤、大气，传染疾病。尤其是城乡结合部、郊区乡镇等地区，尚未建立规范的垃圾管理系统。其中368处未经规划、环保部门审批的非正规垃圾处理厂，主要由废弃的砂石坑、 窑坑、低洼凹地和沟谷等构成，一般未采取有效的工程防护措施，排放出大量的有毒废气，严重地污染地下水。
如何妥善地解决人口增长与垃圾的无害化处理，关系到人口、环境与社会经济的健康和可持续发展，是北京市现在及未来长期面对的重大社会环境问题。
二、研究方法的选择和研究对象的界定
垃圾处理不是一个独立的环境保护工程，它与北京市的人口数量及消费行为的变化、土地资源的供应、购置和使用费用、垃圾处理方式的组合、经济增长的规模及速度、现行及未来的垃圾收费与处理制度等都有极为密切的关系，是一个复杂的综合系统；它既是工程问题，更是管理问题。所以，全面分析彼此之间的关系，构筑一个兼顾现在，又考虑未来变化的、可以灵活调控的系统预测与管理模型，对促进北京市区域的可持续发展至关重要。
基于前人的经验，本文采用系统动力学作为建模和政策调控的基本方法：建模使用美国VANTANA公司的VENSIM系统动力学软件。
按照现行的固体废弃物管理体制，生活垃圾和建筑垃圾（统称为生活垃圾）纳入市政管理体系；工业垃圾的监督和管理属于环保局系统，工业垃圾一般由企业自己处理，不能混入生活垃圾之中。本文的研究对象限定在纳入市政管理体系的生活垃圾范围。
三、人口与垃圾处理系统动力学模型的构筑
生活垃圾问题一直是困扰城乡环境和社会经济可持续发展的一个难以解决的严重问题，究其根本原因在于垃圾成分的复杂性、排放方式的分散性和处理费用的高昂性。
垃圾成分的复杂性和排放方式的分散性与人口的行为和分布密切相关。
随着社会经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们的消费物品和消费行为都发生了极大的变化。在计划经济时代，人们的主要消费品是基本生活物品，不仅品种单一，而且消耗量也少。垃圾的主要成分是很容易生物降解的菜帮、菜叶和没有什么污染性的炉灰，一般的堆积即可解决问题；改革开放以后，生活物质生产极大地提高，人们的生活日益丰富多彩。不仅消费量大大增加，消费行为也发生了巨大变化，用完即扔、一次性消费正在成为人们的新的消费习惯，致使垃圾的排放量急剧增长，垃圾成分也越来越复杂。原有的菜帮、菜叶变成了以剩饭菜为主的厨余垃圾；废电器、废塑料、废玻璃、旧衣物成了垃圾的主角。
此外，随着经济活动范围扩大和规模的提升，人口流动性进一步加强。不仅城市中常住人口的流动性在扩大，外来流动人口数量和活动范围也在迅速增加。垃圾排放已由过去的主要在家庭和工作单位，扩展到了大街小巷，垃圾排放的分散性进一步扩大。
垃圾成分的复杂性和排放方式的分散性决定了垃圾处理费用的高昂性，使得垃圾处理成本居高不下，财政补贴不断增加。同时，也进一步阻碍了垃圾处理率的提高和先进处理方式的采用。
再者，我国仍然处于市场经济发育初期，垃圾的管理和处理方式的选择还处于探索阶段，从某种意义上来说，现有的垃圾管理和处理方式是不可持续的；如何使现有的垃圾处理系统向可持续发展方向转化，必须从多方面和多视角去分析和调整。
综合分析垃圾的排放和处理特性，北京市垃圾处理系统系统动力学模型的设计，主要从四个方面考虑：一是以人口的数量及行为为中心研究垃圾的排放；二是以垃圾处理费用及损失为衡量目标；三是不拘泥于现有的垃圾处理系统，从国际先进经验和未来的发展趋势进行系统因子选择；四是从利用政策调控和管理的角度出发，进行窗口设计，充分发挥系统动力学政策实验室的作用。
基于上述指导思想，模型设计中主要的子模型包括：
（1）人口子模型：主要由两部分组成，一是常住人口，二是流动人口。
（2）垃圾排放子模型：包括居民及流动人口生活垃圾的排放、 建筑垃圾的排放和企事业单位生活垃圾的排放。
（3）垃圾处理子模型：包括填埋、堆肥、焚烧和分类回收四种处理方式。
（4）垃圾收费子模型：包括常住人口的排污收费、 建筑垃圾的收费和企事业单位生活垃圾的收费。
（5）垃圾积存及影响子模型：一是垃圾占地；二是垃圾堆放产生的污染影响。
（6）经济损失子模型：包括占地损失、垃圾处理财政补贴损失、 污染所造成的损失和投资机会成本等四大损失。
（7）经济增长与绿色GDP子模型：包括经济总量、累计财政补贴、累计垃圾处理投资和绿色GDP四个子模块。
北京市生活垃圾排放和处理系统研究框架见图1， 模型中各主要因子的反馈关系见图2。
图1 北京市垃圾排放与处理系统研究框架
图2 北京市垃圾排放与处理系统各主要因子反馈关系
四、模拟结果与讨论
通过7个子模型内部相关因子的逐层分析，将人口、资源、 环境与经济增长之间的关系，统一在一个系统之内，建立完整的北京市生活垃圾处理系统动力学流图，再通过现实状况的分析，以及未来可能的政策变化，进行参数的选择和界定，最终得到模拟结果。
1.经济总量的变化
区域经济总量决定劳动力需求，劳动力需求的增长带动人口总量增加。因此，首先让我们来看看北京市经济总量的变化情况。
北京市不断增加资本投入，技术进步显著， 劳动生产率逐步提高。 近些年来GDP增长率基本保持在10％以上，经济总量不断增长。模拟显示， 在经济增长率保持为10％的假设下，到2025年，北京市的经济总量将达到26533.5亿元，绿色GDP为20640.8亿元；到2050年经济总量会高达285397.0亿元，绿色GDP则为261304.0亿元。两者的差值，即垃圾污染的总损失也由5892.7亿元增长到24093.0亿元。随着经济发展，垃圾污染造成的总损失也在大规模增长。
2000年北京市经济总量GDP只有2460.5亿元，经过25年的发展将达到26533.5亿元，增长9.78倍；到2050年将会达到285397.0亿元，增长115倍。
北京市历来是个缺水的城市，能源基本上靠外来供应，后备土地资源十分有限。所以，从水资源、能源以及土地资源等制约因素来看，2025年以后，继续维持10％的经济增长率，并使经济总量达到高速增长，是有一定困难的。
2.人口的变化
模拟显示，随着经济的高速发展，北京市劳动力需求不断增加，导致常住人口流动人口持续增长，最终使北京市的总人口快速增长。
如果北京市人口容量没有能够得到提高，固定为1800万，到2010年总人口将达到1814万人，开始超过北京市的人口容量；2025年，常住人口将达到1863.62万， 仅常住人口就已经超过了北京市确定的人口容量；到2050年，常住人口将达到2243.87万，超过人口容量443.87万。总人口几乎呈直线增长的趋势，但常住人口在2025年以后的增长有些趋缓。
从模拟结果的对比中还可以看出：新出生人口占常住人口增量的比例很低。因此，在现行的人口计划生育政策不变的情况下，经济发展就是影响区域人口变动的主要因素，人口总量的增长主要是由外来暂住人口的增长引起的。
3.垃圾污染损失的变化
衡量垃圾处理与管理水平的主要指标是垃圾排放所造成的污染损失。从变化趋势来说，随着人口总量不断增加，垃圾产量迅速上升，居民生活垃圾收费也在增长；如果建筑垃圾产量按10％的速率增长，其处理费用每亩土地的征地费仅为8.67万元，收费为每吨渣土15元，所以建筑垃圾的收费增长更快。在居民的生活垃圾收集率和处理率维持现状的情况下，垃圾收费减去垃圾的治理投入，就会产生盈余，可使累计财政投入出现负值，而此时垃圾污染的总损失却在急剧上升。很显然，这种情况是不能持续的。
4.政策调整后的模拟结果
（1）相关参数的调整
世界经济的发展表明，当经济增长达到一定水平后，经济增长率都是下降的，呈现出“S型”的增长特征。北京市的经济增长率之所以近年来基本保持在10 ％以上的增长水平，一是经济规模还较小，再就是奥运经济的拉动作用。2008年奥运会结束以后，经济增长率应该呈现逐渐下降的趋势。到2025年左右，经济的增长率大约应在6％左右，2035年以后，北京市的经济发展水平基本达到2000年世界中等发达国家的经济发展水平，经济增长率大约在4.5％左右，这和2000年世界中等发达国家的经济增长率大体相当。
建筑垃圾的增长和经济发展规模及水平具有密切的关系。近年来，由于经济发展的需求，过去几十年来市民住房问题的积累，以及奥运经济的拉动，北京市的建筑业飞速发展，使得建筑渣土和垃圾的产量居高不下。但是，这种情况随着经济发展速度降低，旧城改造规模的减小，城市内部人口的外迁，以及奥运会结束，建筑渣土和垃圾的总产量也会逐渐降低，其增长率和经济增长率的变化趋势基本相仿。
2000年北京市的垃圾收集率大约只有50％，主要集中在城近郊区，以及远郊区县的县城地区。随着城市化进程加快，市民环境保护意识的加强和北京市经济实力的大幅度提升，垃圾的收集区域会越来越大，收集率也会越来越高，到2025年收集率应该达到100％。
2000年北京市垃圾无害化的处理率只有大约65％。按照北京市的总体规划，要不断提高城区垃圾无害化处理率。城八区垃圾无害化处理率2003年达到91％，2004年达到93％，2005年达到94％，2006年将达到96％，2007年将达到97％，2008年将达到98％，到2010年，北京市已收集到的垃圾无害化处理率应该达到100％。
北京市市政管理委员会的领导在“2003投资北京信息发布会”上说，要进一步提高垃圾处理设施科技含量，处理工艺从以填埋为主向填埋、焚烧和综合处理相结合处理方式转变。2008年前将填埋、焚烧、综合处理技术的应用比例调整到4∶3∶3。
关于建筑垃圾堆放占地费用指数，根据北京市2000～2003年8类土地购买费增长的实际状况，年增长率大约在3％左右。所以， 建筑渣土和垃圾的占地费用也应该随之上涨。
下面按照上述分析对参数进行调整，并进行模拟和讨论。
（2）调整后的人口总量
参数经过全面调整后，人口数量仍在不断上涨；无论是总人口，还是常住人口，2025年以前上涨速度较快，2025年以后上涨趋势减缓。
2010年为1814万人，超过北京市的人口容量；2020年为2060万人， 开始超过2000万人；2050年最高达到2593万人，在2000年的基础上，增加了1036万人，增长了66.54％。常住人口2035年左右基本达到平衡状态，总量基本稳定在1900万左右。
从模拟结果还可以看出，引起人口总量不断上涨的原因还是暂住人口的持续增长，虽然流动人口一直呈指数增长，但是在2025年以前其增长速度很缓慢。北京市人口还是以常住人口为主，流动人口总规模仍然远低于常住人口的规模。
（3）调整后的经济总量
模拟结果表明，经济总量呈现出“S型”的增长趋势。在2025年以前， 经济增长速度较快，2025年以后增长趋缓；2050年基本上达到了平衡状态。2025年以前，绿色GDP的增长基本上和经济总量的增长保持同步，2025年以后，绿色GDP的增长趋缓，在2035年左右达到了顶峰；随后就开始下降，而且下降速度不断加快，绿色GDP与经济总量的差距也越来越大。
绿色GDP的变化，与垃圾排放总损失息息相关。 从模拟结果可以清楚地看出垃圾排放总损失呈现出指数增长。如果这种态势继续的话，绿色GDP 的下降会越来越快，与经济总量的差距也会越来越大。
（4）调整后的总污染损失
垃圾排放总损失包括两部分：一是累计总污染损失，二是累计占地损失。
相关参数经过调整以后，垃圾排放的总损失大幅度下降，特别是在2025年以后，这种下降的幅度更为明显。这说明，垃圾排放的总损失与经济规模和发展速度，以及建筑渣土和垃圾的排放有密切的关系。
在垃圾排放总损失之中，累计总污染损失占垃圾排放总损失的主要份额。2000年污染总损失只占大约80％，然后不断上升，到2006年达到最高点89.80％，此后不断下降。这表明，随着垃圾治理工作的加强，垃圾污染所造成的累计损失在不断减少，而占地损失却在不断加大。
五、结论及建议
北京市垃圾处理系统的运行方式对北京市人口规模的影响较小，而人口规模的变化对垃圾处理系统，特别是垃圾处理投资的影响却很大。从垃圾处理的投资费用及能力来讲，任何放开北京市人口规模的政策调整都应该是慎重的。
按照经济增长率10％，建筑垃圾增长率也为10％，北京市的人口总规模在2010年左右将超过北京市的人口容量；常住人口数量在2025年左右开始超过北京市的人口容量。虽然对经济增长率和建筑垃圾增长率按照可能的速度进行了调整，但人口总量和常住人口总量在2025年以前变化不大，原因是上述两个主要的参数都是在2010年以后调整的，调整的结果有滞后效应。
北京市总人口的增长主要是由迁入人口的持续增长造成的，而经济发展的需求又是迁入人口持续增长的动因。要保持经济发展，控制人口总量不超过人口容量，必须继续降低就业弹性系数，即继续降低单位GDP增加值的劳动力需求数量。
在2035年以后，绿色GDP的增长状态开始下降，与经济总量的差距越来越大，垃圾排放造成的总损失呈现指数增长特征，是其主要原因。在垃圾排放总损失中，垃圾污染所造成的损失占主要份额。因此，必须迅速加大垃圾收集率和处理率，减少垃圾环境污染所造成的损失。
在现行的体制中，垃圾收费的主要来源是建筑渣土及垃圾的处置费；居民收费的比例还较低；单位生活垃圾的排放还未收费。全面、合理地对所有的垃圾排放者收费，可以各能力进行更大的垃圾处理投入，减少垃圾环境污染及占地的损失；减轻垃圾治理的财政补贴，达到投资与治理费用的平衡，促进全社会的和谐发展。具体调整方案可以按照表1来进行。
表1 垃圾收费调整方案
方案 居民收费
建筑渣土及 单位生活
垃圾收费
垃圾收费
Ⅰ3元/人·月 17.6元/吨 2元/人·月
Ⅱ3元/人·月 16.5元/吨 3元/人·月
Ⅲ4元/人·月 15.0元/吨 3元/人·月
本研究模型不仅可以进行人口、经济发展与垃圾处理方案的综合调控，还可以用于北京市垃圾排放造成的绿色GDP损失的单独核算，以及居民家庭、 企事业单位生活垃圾和建筑垃圾收费的论证等。
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