基于RepastS平台的太湖水环境系统承载力研究.pdf

基于 RepastS 平台的太湖水环境系统承载力研究 * 张道海 1， 2 杜建国 1， 2 1. 江苏大学工商管理学院， 江苏 镇江 212013;2. 南京大学工程管理学院， 南京 210093 摘要 运用计算实验方法， 以计算机为工具， 构造太湖水环境系统承载力模型， 通过研究水和人类的各主体行为得出太 湖水环境系统的整体特征， 并通过人口、 TP、 TN、 CODMn承载度来反映。研究结果表明太湖目前点源污染得到了有效 控制， 但面源污染和城镇生活用水污染尚需要重点治理。实验显示 通过系统参数的调整， 将大大改善太湖现有水环 境系统。 关键词 复杂适应系统; 水环境; 承载力; 计算实验; 太湖 RESEARCH ON THE BEARING CAPACITY OF THE WATER ENVIRONMENT IN TAIHU LAKE BASED ON REPASTS PLAT Zhang Daohai1， 2Du Jianguo1， 2 1. School of Business and Administration，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China; 2. College of Engineering Management，Nanjing University，Nanjing 210093，China AbstractUsing computing experiment s，taking computer as a tool，it builds the bearing capacity model of Taihu Lake water environment. The overall characteristics of Taihu Lake environment system are gotten by studying the agents of water and human behavior，which are reflected by the bearing inds of population，TP，TN，and CODMn. The results show that the current point source pollution in Taihu Lake has been effectively controlled，but governance of non-point source pollution and the pollution from urban water used in daily life needs to be stressed. The experiment also shows that the present water environment system of Taihu Lake will be improved greatly through the adjustment of system parameters. Keywordscomplex adaptive system;water environment;bearing capacity;computing experiment;Taihu Lake * 国家自然科学基金资助项目 70731002;70773051 ;国家社会科学 基金资助项目 07CJL028 ;江苏省教育厅高校哲学社会科学基金项目 08SJD6300005 ; 江苏大学校高级人才基金项目 06JDG025 ; 教育部 博士点基金项目 20090091110001 。 0引言 我国水环境系统形势严峻， 水资源短缺和水污染 严重已成为制约当今世界各国经济、 社会发展的重要 因素。水环境系统是一个典型的复杂适应系统， 按照 霍兰的复杂适应系统理论的核心思想 “适应性 造就复杂性” ［ 1］。在复杂适应系统理论的指导下， 使 用基于 Agent 的建模方法对水环境系统进行分析和 研究也越来越显示出它的生命力。 水环境系统承载力是指水体能够继续使用保持 良好生态系统时所能够容纳人类各种社会、 经济活动 的最大能力 ［ 2- 3］。 纵观国内外有关文献， 对于水环境系统承载力的 研究主要是基于数学模型和环境指标相结合的方 法 ［ 2- 4］， 通过历史的数据计算出水的承载力指数， 对未 来的预测也仅靠相应的数学模型， 这种方法是自上而 下并假设水环境系统是有规律基础上的， 而实际上水 环境系统是典型的复杂适应系统， 主体是离散不确定 的， 并具有混沌性。为了使得研究更符合实际， 课题 组 基 于 目 前 普 遍 使 用 的 RepastS 平 台 Repast Simphony 简称 RepastS 来分析太湖水环境系统的承 载力， 尝试采用基于离散的 Agent 建模方法来研究太 湖水环境这一复杂适应系统。本文从个体的自身性 质出发， 通过各主体之间的不断运动产生总体的涌 现， 采用自下而上的计算实验研究方法。 1太湖水环境总体描述 太湖流域地处长江三角洲南缘， 包括江苏、 浙江、 92 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 安徽、 上海三省一市， 流域面积达36 500 km2， 总人口 达4 533万。随着太湖流域经济的快速发展， 流域内 的资源、 环境问题日趋严重， 20 世纪 90 年代以后， 太 湖平均水质由原来的Ⅱ类为主变为以劣Ⅴ类为主。 近年来， 根据统计数据及相关文献显示， 影响太湖水 质的主要污染因子高锰酸盐 CODMn 、 总磷 TP 、 总 氮 TN指 数 年 平 均 增 长 率 分 别 为 10 、 10 、 25 ［ 5- 6］; 2007 年， 太湖蓝藻大规模爆发， 并导致无锡 城市供水危机， 再次说明太湖水环境治理存在不少问 题和薄弱环节， 水环境问题仍然长期客观存在。 2研究方法 2. 1计算实验 计算实验方法采用自下而上的研究方法， 通过研 究微观层次的个体行为来获取宏观层次的系统整体 涌现。计算实验方法以计算机为基本工具， 运用面向 对象的编程技术将现实系统中种种要素进行抽象， 在 计算环境中产生需要研究的人工对象， 通过人工对象 之间的相互交往， 来研究整个系统的动态演化过程。 2. 2水环境系统承载力指标及计算方法 水环境系统承载力是指水资源可承载的社会指 标和水质指标， 社会指标包括人口、 GDP、 工业产值 等， 水质指标包括高锰酸盐 CODMn 、 总磷 TP 、 总 氮 TN 、 生化需氧量 BOD5 等。本文采用人口承载 度 来 反 映 太 湖 水 环 境 系 统 的 社 会 承 载 力， 通 过 CODMn、 TP、 TN 承载度来反映太湖水环境系统的水质 承载力。 1 各指标承载指数计算方法如式 1 所示 CSi CCi/CCmax 1 式中 CSi表示第 i 个指标承载度 即压力度 ; CCi 表 示第 i 个指标的压力指数; CCmax表示第 i 个指标最大 承载压力指数 ［ 2］。 人口压力指数采用人均占用面积， 其最大承载压 力指数运用生态示范市的生态指数 1 700 m2/人; CODMn、 TP、 TN 压力指数为水体的指标含量， 单位为 mg/L， 其最大承载压力指数采用地表水环境质量标 准的Ⅲ类水质标准， 分别为 6， 0. 05， 1. 0 mg/L。从定 义可以看出， 承载度越大， 压力越大， 承载力越小; 反 之， 承载度越小， 压力越小， 承载力越大。 2人 口 增 长 计 算 方 法。采 用 阻 滞 增 长 模 型 Logistic 模型 ［ 7］来计算人口增长， 如式 2 所示 x t xm 1 xm x0 － 1 e －rt 2 式中 r 表示净增长率， 根据江苏省统计年鉴 2008 ， 江苏省人口出生率为 9. 37‰， 死亡率为 7. 07‰， 得 r 为 0. 0023; xm表示单位人口所能拥有的最大环境面 积， 以生态示范市的生态指数1 700 m2/人为准; x0表 示初始的单位人口占用的环境面积; t 表示时间步长。 3基于 RepastS 平台的太湖水环境系统承载力计算 实验 3. 1初始环境参数说明 根据江苏统计年鉴和江苏环境监测资料， 以及太 湖流域现状， 设置实验的初始环境参数值， 如表 1 所示。 表 1初始环境参数值及说明 参数名称数值说明参数名称数值说明 CODInit5. 8 mg/LCODMn初始指数CODpurifyingrate0. 01 CODMn平均净化率 TNInit2. 79 mg/LTN 初始指数TNpurifyingrate0. 025TN 平均净化率 TPInit0. 09 mg/LTP 初始指数TPpurifyingrate0. 01TP 平均净化率 CODrate0. 1 CODMn平均增长率 Taihuarea36 500 km2太湖流域面积 TNrate0. 25TN 平均增长率initalnumberofpeople 4 533 万太湖流域人口 TPrate0. 1TP 平均增长率runlength1 000系统运行总步长 birthrate0. 00937出生率xdim100运行界面长 deadrate0. 00707死亡率ydim100运行界面宽 3. 2面向 Agent 的系统分析 面向 Agent 的系统分析， 就是用 Agent 来抽象研 究系统并建立系统模型。为了使问题简单化， 暂且将 政府、 排 污 企业、 农业、 城市用水单位等归 入 人 类 People 的活动， 而将水污染指标 CODMn、 TN、 TP 作 为水 Water 主体的属性， 所以只需考虑两类 Agent 水 Water 和人 People 。 3. 2. 1系统中的水主体 Water 水作为实验中的环境主体， 它通过人类的活动改 变自身的状态， 主要通过 CODMn、 TN、 TP 值来反映， 为 了体现各个体的差异性和随机性， 对个体的初始污染 指数、 增长率都作了随机性处理， 范围在 0 到初始值 之间， 同时根据水自身的特点， 具有一定的净化能力， 并考虑各个体的差异， 也对净化率做了差异性和随机 性处理， 范围在 0 到初始净化率之间。主体规则如 图 1所示。 主要属性和方法如表 2 所示。 03 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 图 1水主体初始化和活动规则 表 2主体 Water 的属性和方法说明 属性或方法说明 bzs标志数， 用来区分不同水域的受污染程度 COD CODMn指数 TNTN 指数 TPTP 指数 Water 构造方法， 初始化水主体 codczl 获得 CODMn承载度 tnczl 获得 TN 承载度 tpczl 获得 TP 承载度 reply 响应人类的行为 step 水主体自我行为， 净化处理 updatueLayer 根据受污染程度， 改变水的显示状态 3. 2. 2系统中的人主体 People 人类在活动中具有一定的智能性， 人类的活动将 对水产生影响， 通过学习也能对外界做出判断， 并改 变自己的行为。为了实现这一点， 根据现实情况， 本 文以 CODMn、 TN、 TP 指数均超过Ⅲ类水质标准来判断 某个水域受到严重污染， 当某个水域受到严重污染 时， 人类必然认识到自己行为的严重性， 并建立相应 措施保护太湖环境， 停止污染， 水个体经过自我净化 将改善水质。为了体现不同人个体活动对水环境影 响的差异， 对此也做了随机性处理。同时人类具有自 我繁殖以及死亡能力。人类活动对水个体产生影响 的具体规则如图 2 所示。 获得初始化参数 ↓  初始化人口数 ↓  →     人主体活动人口数量改变 ↓   获得初始化人口出生率和死亡率 ↓   根据污染程度判断 严重 停止污染，→    水进行自我净化 不严重 ↓  产生水污染 图 2人主体活动规则 主要属性和方法如表 3 所示。 表 3主体 People 的属性和方法说明 属性或方法说明 pop标志人口增长数量 People 构造方法， 初始化人个体 getpopczl 获得人口承载度 getPeople 获得人口数 step 对水环境产生影响以及学习性， 人的自我繁殖与死亡 3. 3实验结果 3. 3. 1实验初始化 给 以 上 两 类 主 体 分 别 建 立 可 视 化 类 AgentStyle2D、 WaterStyle2D， 并按照初始化条件， 生成 各自主体， 利用 RepastS 平台建立显示结果， 截图如 图 3 所示。 图 3仿真初始化 由初始参数 xdim、 ydim 指定运行界面， 根据初始 参数人口和水域面积将水个体和人个体随机分布在 该区域内。图 3 中， 黑色的点表示初始化人类个体， 整个区域布满水个体， 水个体的颜色， 根据初始化 CODMn、 TN、 TP 的值设定， 表示受污染的轻重程度， 以 是否符合Ⅲ类水质为标准， 其中浅灰色表示符合Ⅲ类 水质。具体规则如下 if TN 0. 05 ＆＆ COD 1. 0 ＆＆ TP 6 bzs 5; / /总氮高锰酸盐超标 if TN 0. 05 ＆＆ COD 6 bzs 6; / /总磷高锰酸盐超标 if TN 1. 0 ＆＆ TP 0. 05 ＆＆ COD 6 bzs 7; / /总氮总磷高锰酸盐都超标 3. 3. 2实验运行结果和分析 可通过实验观察随着时间步长， 系统运行中所产 生的人口承载度、 CODMn承载度、 TN 承载度、 TP 承载 度变化曲线， 比较其增长关系， 从而得出有价值的 结论。 先分析没有外界干预的情形， 太湖水系统按照现 在的状态去运行， 经过 50 个时间步长后产生的截图， 如图 4 所示。 图 4Tick 为 50 时的人口、 TP、 TN、 COD Mn承载度显示 从图 4 可知， 太湖流域大面积出现深灰色区域， TP、 TN、 CODMn指数均超过Ⅲ水质标准， 污染相当严重， 从结果数据来看除了人口承载度、 CODMn承载度小于 1， TN 承载度、 TP 承载度均超过了 1， 说明总氮、 总磷的 含量已经超过了阈值， 尤其是总氮指数异常明显; 从增 长趋势看， 人口承载度相对比较平稳， TP 承载度、 TN 承载度有较大的增长幅度， 而 TN 承载度增长趋势惊 人， 经过 50 个时间步长最大值超过了 7. 0， 这应该是今 后需要重点解决的问题。从这些含量来源看， TN、 TP 主要来源于城镇生活污水和面源污染; CODMn主要来 源于工业点源污染。说明政府在工业污染治理上取得 了成效， 而面源污染尚存在很大问题， 单靠一两次大型 的工业点源治理是无法根本解决太湖水环境污染问 题， 必须将点源污染和面源污染相结合， 通过长期的综 合治理方能根本解决太湖水环境问题。 现在假设政府对面源污染和城镇生活用水加大 投入力度， 使得 TN、 TP 增长率得到遏制， 将系统参数 TNrate、 TPrate 由 0. 25、 0. 1 分别下调至 0. 1、 0. 05， 其 他参数保持不变， 立刻效果明显， 从结果数据来看人 口、 TP、 CODMn承载度均低于 1， 状态理想， 而 TN 承载 度也下降明显， 最大值由原来的 7. 0 以上， 下降到现 在的 1. 5 以下， 并且增长幅度也得到了控制。本系统 可以作为政府制定目标的依据， 通过对各指标的调 整， 经过运行后， 若干年后以期达到的状态将立刻呈 现在我们的面前。 4结束语 目前， 对于太湖水环境系统的许多研究和应用还 有待于进一步深入开展， 本文所研究的太湖水环境系 统承载力是基于简单的多 Agent 来实现的， 参数的设 定主要考虑水本身和人类对水的影响， 研究结果表明 点源污染目前得到了有效控制， 但面源污染和城镇生 活用水污染尚需要重点治理， 纵观太湖流域， 近年来， 农业集约化、 快速化发展， 化学投入品大量使用和农 业废弃物的大量产生， 经过地表径流进入受纳水体， 形成主要农业面源污染， 如何提升农业生产科技水 平， 从源头上治理， 是今后工作的重点。 参考文献 ［1 ］ John H H.Studying complex adaptive systems［J］ .Journal of Systems Science and Complexity，2006， 19 1 1- 8. ［2 ］ 余进祥，刘娅菲，钟小兰. 鄱阳湖水环境承载力及主要污染源 研究［J］ . 江西农业学报，2009， 21 3 90- 93. ［3 ］ 徐前荣，徐其军. 太湖水环境承载力研究［J］ . 江西农业学报， 2009， 21 2 114- 118. ［4 ］ Feng Lihua，Zhang Xingcai，Luo Gaoyuan，et al. Application of system dynamicsinanalyzingthecarryingcapacityofwater resources in Yiwu City，China［J］ . Mathematics and Computers in Simulation，2008， 79 3 269- 278. ［5 ］ 钱益春，何平. 1998 ～ 2006 年太湖水质变化分析［J］ . 江西农 业学报，2009， 31 2 370- 374. ［6 ］ 刘庄，郑刚. 社会经济活动对太湖流域的生态影响分析［J］ . 生态与农村环境学报，2009， 25 1 27- 31. ［7 ］ 董永权. 中国人口增长预测［J］ . 唐山师范学院学报，2009， 31 2 46- 48. 作者通信处张道海212013江苏镇江江苏大学 26 号 E- mailzdh ujs. edu. cn 2009 － 12 － 23 收稿 23 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期