（市政工程专业论文）西北典型缺水城市污水再生利用系统优化与情景分析.pdf

西安建筑科技大学博士学位论文 西北典型缺水城市污水再生利用系统优化与情景分析 专业：市政工程 博士生：徐志嫱 指导教师：黄廷珠教授 摘要 污水再生回用作为解决城市水资源短缺、水环境污染的一种有效途径，已受到世界 各国的关注。而在我国尤其是西北地区进行污水再生利用的推广使用还存在许多障碍， 这固然有技术方面的原因，但对污水再生回用系统缺乏合理的规划和优化布局，建设资 金的不合理使用，人们认识观念的误区，再生水价格体系不完善等则是影响污水再生回 用的重要社会因素。本论文结合国家自然基金重点项目“西部干旱缺水地区水资源再生 利用研究”，采用系统动力学( s d ) 模型与非线性优化( n l p ) 模型相结合的方法对西 北地区缺水城市污水再生利用体系的规划和发展趋势进行了研究和评价。 主要研究内容和研究成果包括以下几个方面： 1 ) 从西北地区缺水城市污水再生回用系统的特征出发，在对其进行系统分析的基 础上，提出了以城市生态环境为主的污水再生回用系统模拟与非线性优化相结合的规划 方法。 2 ) 根据再生水的回用方向和污水再生回用工程类型，建立了污水再生回用工程的 成本费用模型；以再生水的支付意愿函数为基础。构建了分散式污水再生回用工程的最 小经济规模函数。 3 ) 将临界距离的概念引入到了污水再生回用系统中作为研究区域污水集中和分散 处理回用合理布局的经济判据，并建立了临界距离的数学模型。 4 ) 建立了污水再生回用的菲线性规戈! j ( n l p ) 模型，应用n l p 模型确定了污水再 生回用水厂的规划布局和再生水量的优化分配问题。另外，应用该模型可合理确定s d 模型的输入变量。 5 ) 针对西北地区缺水城市再生水的利用特点，从系统内部的微观入手，通过分析 系统功能结构和变量之间的内在联系，建立了西北地区缺水城市污水再生回用系统的 s d 模型，并将情景分析法作为策略分析的工具应用到s d 模型中 6 ) 以西安市作为西北地区缺水城市的典型代表，应用所建的l p s d 模型对西安 市区的污水再生利用规划和发展趋势进行了研究和评价。在确定了西安市区进行分散式 摘要 回用对入口和用地面积要求以及回用水户合理分布的基础上，利用n l p 模型计算出回 用水设施的增长率和集中与分散处理规模的比例；并应用情景分析法进行了策略分析。 情景分析结果表明： 在基准情景下，西安市在2 0 3 0 情景水平年未经处理的污水量将增长3 1 0 倍，入 河b o d ，总量增长3 0 8 倍，城市缺水率达2 2 。必须加大污水的处理和再生回用的力度， 以扭转不利状况 西安市的污水处理规模必须达到甚至超过建设部的规划要求，同时还需考虑污水 回用对污染物的削减作用，才能基本保证污染物排放量不增加或少量增加。 为确保西安市供需水量的平衡，城市污水的回用率需高于建设部的要求。未来水 平年污水的回用率在4 5 左右的范围内，不依靠远距离调水就可解决西安市缺水问题。 污水的回用对污染物削减量的贡献不显著，污水回用率每提高十个百分点，b o d 5 的削减率只能提高2 个百分点左右。为了确保未来水环境状况得到改善，应根据西安市 的经济发展状况，制定较合理的削减率目标，以实现水环境保护和水资源的可持续开发 与利用。 西安市由于生态环境用水价格偏低，影响了再生水处理设施规模的增长。水价的 增量率只有达到8 ，近期在生态环境方面使用再生水才能产生直接效益。 西安市区在充分挖掘现有水资源的条件下，未来年份人均新鲜水的供水量也只能 达到1 5 0m 3 c a p ，a 左右，远低于缺水警戒线( 2 0 0 m 3 c a p - a ) 。两通过污水的再生回用可 确保各水平年水资源开发利用程度低于开发率的警戒线( 4 0 ) 。 在投资的需求方面，西安市在近期将是污水处理和再生回用设施建设资金增幅 最大的时期，最大投资需求为b o d 5 削减耳标，其所需投资约占g d p 的o 1 6 ，但与国 外投资高峰相比，仍属中等水平，与西安市经济发展状况相比还是能够承受的。 关键词：西北地区缺水城市， 城市生态环境，集中式污水再生回用， 分散式污水再生回用，优化模型，临界距离，情景分析 论文类型：应用基础 本文研究得到国家自然科学基金重点项目资助( n o 5 0 1 3 8 0 2 0 ) ，特此感谢。 西安建筑科技大学博士学位论文 s y s t e ma n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nf o rw a s t e w a t e rr e c l a m a t i o n a n dr e u s ei nn o r t h w e s tt y p i c a lc i t i e sw i t hw a t e rs h o r t a g e s p e c i a l t y ：m u n i c i p a le n # n e c r i n g a u t h o r ：x u g h i q i a n g a d v i s o r ：p r o f h u a n gt i n g l i n a b s t r a c t w a s t c w a t e rr e c l a m a t i o na n dr e u s e ( w a r r ) h a sb e e nw i d e l ya c c e p t e da sa ne f f e c t i v e a p p r o a c ht os o l v ev a r i o u sp r o b l e m sr e l a t i n gt ow a t e rs h o r t a g ea n dp o l l u t i o n h o w e v e r , t h e r e a r em a n yo b s t a c l e si nt h el a r g e s c a l eu s a g eo fr e c l a i m e dw a t e ri nc h i n a , e s p e c i a l l yi nl e s s d e v e l o p e dn o r t h w e s ta r e a i na d d i t i o nt ot e c h n i c a lp r o b l e m s , t h e r ee x i s ts o m ei m p o r t a n t s o c i e t yf a c t o ms u c ha sp o o rp l a n n i n g , m i s p l a c e m e n to ff u n d s , p e o p l e sm i s u n d e r s t a n d i n ga n d u n r e a s o n a b l ep r i c i n gi nw a r rs y s t e m b a s e do nak e yp r o j e c tf u n d e db yt h en a t i o n a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a , t h i st h e s i sd e v e l o p e dam e t h o di n t e g r a t i n gs y s t e md y n a m i c s m o d e l ( s d ) w i t hn o n l i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e l ( n l p ) f o rw a r rp l a n n i n gi nc i t i e sw i t h w a t e r - s h o r t a g ep r o b l e m si n n o r t h w e s ta r e a m a i nr e s u l t so b t a i n e dw e r ea sf o l l o w i n g ： 1 ) as d - n l pm o d e lf o rw a r rs y s t e m sw a sp r o p o s e db a s e do nc h a r a c t e r i s t i c so f n o r t h w e s tw a t e r - d e f i c i e n tc i t i e s , a n dt h ee c o - e n v k o n m e n tw a sc o n s i d e r e da sam a i nf a c t o ri n t h i sm o d e l 2 ) ac o s ta n a l y s i sm o d e lw a se s t a b l i s h e db a s e do nc u s t o m e rd e s i g n a t i o na n dp r o j e c t t y p e s ；am i n i m a le c o n o m i c a ls c a l ep a r a m e t e rw a sd e r i v e df o ro n s i t ew a r rp r o j e c t sb a s e d o nt h ef u n c t i o no f w i l l i n g n e s st op a y 3 ) ac r i t i c a ld i s t a n c ec o n c e p tw 勰i n t r o d u c e da n du s e d e c o n o m i cc r i t e r i o nf o rs c t t i x l g u pe i t h e rc e n t r a lo rd e c e n t r a l i z e do n - s i t ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tf a c i l i t i e s ac r i t i c a ld i s m n c e m o d e lw a sa l s od e v e l o p e d 4 1an l pm o d e lw a sd e v e l o p e da n da p p l i e di nt h ep l a n n i n go fw a r rp l a n t sa n d o p t i m a ld i s t r i b u t i o no f r e c l a i m e dw a s t e w a t e r ；a n di tc o u l db eu s e dt od e r i v ei n p u tp a r a m e t e r s f o r t h e s d m o d e l 5 、i nl i g h to f t h ec h a r a c t e r i s t i e so f w a s t e w a t e rr e u s ei nn o r t h w e s ta r e a , a n db a s e do nt h e a n a l y s e so ft h ei n t e r n a ld e t a i l e ds t r u c t u r eo ft h ew a r rs y s t e m s ，as dm o d e lw a ss e tu pb y a n a l y z i n gt h es y s t e mf u n c t i o n a ls t r u c t u r ea n dr e l a t i o n s h i pa m o n gs y s t e mv a r i a b l e s ，a n d s i t u a t i o na n a l y s i sm e t h o dw a sa p p l i e di ns dm o d e la sat o o lo f p o l i c ya n a l y s i s 6 ) 1 h es d - n l pm o d e lw a sa p p l i e dt oe v a l u a t et h ep l a n 曲培a n dt r e n do fw a r rs y s t e m i nt h ec i t yo f x i a n b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fc o m m u n i t yp o p u l a t i o na n dl a n d , a sw e l l 勰 r e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o no fu s e r sw e r ed e t e r m i n e df o rd e c e n t r a l i z e dw a r rs y s t e m 也en l p 摘要 m o d e lw a su s o dt od e t e r m i n et h ei n c r e a s er a t e so fw a r rf a c i l i t i e sa n dt h er a t i ob e t w e e n c e n t r a la n dd e c e n t r a l i z e dt r e a t m e n ts c a l e s ；t h es i t u a t i o n a n a l y s i sm e t h o dw a sa p p l i e dt o a n a l y z et h es t r a t e g i e so f w a s t e w a t e rr e u s e n 嵋f e s l l l t si n d i c a t e d ： c o m p a r e dw i t ht h ec u r r e n tb e n c h m a r ks i t u a t i o n ( 2 0 0 3 ) ，u h e a ：t e dw a s t e w a t e rw o u l d i n c r e 雒eb y3 1 0t i m e s ，b o d s3 0 8t i m e si nx i a n ，a n dt h ew a t e r - s h o r t a g er a t ew o u l dr e a c ht o 2 2 b y2 0 3 0 t h e r e f o r e ，w a r rs h o u l db ei n c r e a s e dt or e l a xt h ef u t u r ew a t e rs h o r t a g ea n d p o l l u t i o np r o b l e m s ( dw a s t e w a t e rt r e a t m e n ts c a l e si nx i a l lc i t ym u s tr e a c ho re x c e e dt h a tp l a n n e db y c o n s t r u c tm i n i s t r y , a n dt h ee f f e c to fp o l l u t i o nr e d u c t i o no fw a r p , m u s tb et a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o ni no r d e rt h a tt h ef u t u r ep o l l u t i o nd i s c h a r g ew o u l dn o ti n c r e a s e ( 9t om a i n t a i nt h eb a l a n c eb e t w e e ns u p p l ya n dd e m a n d , r a t i oo fw a s t e w a t e ri g u s cm u s t b eh i g h e rt h a nt h a tp l a n n e db yc o n s t r u c tm i n i s t r y 髓ep r o b l e mo ft h ew a t e rs h o r t a g ew o u l d b es o l v e dw i t h o ml o n gd i s t a n c ew a t e rt r a n s f e rw h e nw a s t e w a t e rr e u s er a t er e a c h a b o u t4 5 i n x i a l l w a s t e w a t e rr e u s eh a dn os i g n i f i c a n te f f e c to np o l l u t i o nr e d u c t i o n , a n da se a c h1 0 i n c r e a s eo f w a s t e w a t e rr c u $ eo n l yc o n t r i b u t e dt e2 o f b o d jr e d u c t i o n t h e r e f o r e , t oe n s u r e t h ei m p r o v e m e n ta n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f w a t e re n v i r o n m e n t a l ，ar e a s o n a b l ep o l l u t a n t r e d u c t i o nr a t es h o u l db ee s t a b l i s h e db a s e do nl o c a le c o n o m i cd e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e ( 91 1 1 ep r i c eo fw a t e ru s e df o re c o l o g i c a lp u r p o s e sw a st o ol o w , w h i c ha f f e c t e dt h e g r o w t ho fw a s t c w a t e rr e l l s es c a l e si nx i a 1 1 w a s t e w a t e re c o l o g i c a lr e c l a m a t i o nw o u l db e p r o f i t a b l eo n l yw h e n t h ea n n u a li n c r e a s e so f w a t e r p r i c er e a c h8 u n d e rt h ec o n d i t i o no f w a t e rr e s o u r e 鹤b e i n gu s e da d e q u a t e l yi nx i a nc i t y , t h ef l e s h w a t e rs u p p l yp e rc a p i t a lo n l yc a nr e a c h1 5 0 m a pi nt h ef u t u r e , w h i c hw i l tb ef a rl o w e rt h a n p r e c a u t i o nw a t e rs h o r t a g eo f2 0 0 m 3 e a p w a t e rr e s o u r c e se x p l o i t a t i o nw o u l db el o w e rt h a n p r e c a u t i o ne x p l o i t u r er a t eo f 4 0 i nt h ef u t u r eb y 抒爿足昆 i tw 叫db ct h ep e r i o dw i t ht h eg r e a t e s ti n v e s t m e n ti n c r e a s eo nw a r rf a c i l i t i e si n t h en e a rf u t u r e t h ei n v e s t m e n tr e q u i r e m e n tt or e a c ht h eg o a lo f b o d sr e d u c t i o nw o u l db et h e b i g g e s t , w h i c ha c c o u n t sf o r0 1 6 o fl o c a lg d p b u tc o m p a r e dw i t hf o r e i g nc o u n t r i e si n i n v e s t m e n tp e a kt i m e s , i tw a ss t i l li nt h em i d g el e v e l ，a n di t 嘲缸a c c e p t a b l en u m b e r c o n s i d e r i n gb yl o c a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t k e yw o r d s = n o r t h w e s tw a t e r - d e f i c i e n tc i t i e s ，e r a s - e n v i r o n m e n t , t h ec e n t r a la n dd c c e n t r a l i z o d w a s t e w a t e rt r e a t m e n tr e u s e ，s d - n l pm o d e l ，c r i t i c a ld i s t a n c e ，s i t u a t i o na n a l y s i s p a p e rt y p e - a p p l i e df u n d a m e n t a l tt h i s s t l 由i s s u p p o r t e d b y t h e k e y p r o j e c t o f l h e n a t i o n a l n a t m e s c i e n c e f o t m d a f i o n ( n o 5 0 1 3 8 0 2 0 ) - v 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名： 橼日期： 矽，多 方 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：象潲师 注：请将此页附在论文首页。 孰j 西。考。，弓 西安建筑科技大学博士学位论文 1 绪论 1 1 问题的提出 遵循丹保宪仁先生提出的城市污水再利用和水环境代谢体系的模式【1 1 ( 污水的再生 利用和环境代谢体系模式见图1 1 ，即城市用 水的本质是“水质”的合理利用，尽可能按质 进行多次重复使用，将水的再利用工程中的附 加能量消耗降到最低限度；环境控制( 水处理 等) 应在城市区域和水环境利用的区域内进 行，在城市自身可控制的限度内建立水环境代 谢体系) ，城市污水的再生秘用应体现“优水 优用，劣水劣用”的可持续发展原则，同时应 该在对城市污水再生回用系统迸行系统分析、 系统优化的基础上，进行较合理的城市污水再 生利用体系的规划和研究，以期最大限度鲍降 低系统的能量消耗和经济投资 我国早在1 9 5 8 年就已将城市污水再生和用研究列入了国家科技攻关课题，7 0 年代 中期进行了以污水回用为目的的城市污水深度处理的小试，8 0 年代初在青岛、大连、北 京、太原、天津、西安等缺水城市相继开展了城市污水再生利用的试验研究，其中一些 城市已修建了污水再生回用的示范工程并取得了积极的成果刚，“九五”期间通过系统 的生产性和使用性工程研究，城市污水再生回用于工业冷却、化工、石化、钢铁以及市 政景观等不同用途在技术上已较为成熟但总的来说，由于经济发展水平有限，基础设 施的建设相对滞后，城市污水再生回用仍处于起步阶段，尚不能普及，且建成后再生水 的利用率也较低【4 ，5 】。这固然有技术障碍方面的原因，但对污水再生回用系统缺乏合理的 规划，建设资金的不合理使用，人们认识观念的误区，再生水价格体系不完善都是不容 忽视的问题。 1 1 1 城市污水集中处理回用引起的质疑 i i 1 i 城市污水集中处理在规模效益上的误区 集中式污水处理系统历史悠久，它是工业化国家经历数年发展起来的市政排水管理 系统，它具有如下特点：排水管道系统收集污、废水；将收集的污水输送至城市以 外；污水的深度处理；处理的污水排入自然水体前的控制等集中式的优点很多， 1 绪论 特别是能对污水处理厂进行可靠且有效的管理和控制，既有利于用户，也有利于环境保 护。而且，在为同一城区提供同样的服务时，大型污水处理厂的投资与运行费用要低于 众多小型污水处理厂的费用总和m 。所以集中式处理仍然是各国污水处理采用的主要系 统形式。 长期以来，人们普遍认为大规模( 1 0 万m 3 d ) 的污水处理系统是解决城市水量和 水质问题的根本所在例如北京高碑店污水处理厂的规模高达1 0 0 万m 3 d ( ：远期为2 5 0 万m 3 d ) ，天津东郊污水处理厂、成都三瓦窑污水处理厂、沈阳北部污水处理厂，郑州 王新庄污水处理厂的处理规模都为4 0 万m - d ，南京规划建设的江心洲污水处理厂( 6 4 万m 3 d ) 、城北污水处理厂( 3 0 万m 3 d ) 。建设大型污水处理厂的基本考虑是其具有规模 经济效益，即规模越大处理单位污水的建设及运行成本就越低。而事实上，当前大型污 水处理厂的规模经济效益并不明显，且超过3 0 万m 3 d 的大型污水处理厂并不具有规模 经济效益相对而言，小型( ，致使系统的影响因素较多， 动态不确定性较强。它除了包含一般城市污水再生回用系统的子系统外，城市生态环境 也应成为其主要的系统构成元素。污水再生回用系统影响因素构成如图2 1 所示。主要 的影响因素涉及到城市人口、水资源开发利用程度、城市人均供水量、城市生态环境需 水量、市政水价、污水和再生水的处理水平、投资需求、城市规划布局等方面 人口数良城市1 七水平 污水治理与回用的政繁、水价政策、 授舞政策、城市发展规翅 列再生水的接受程度 节水技术、污水处理圭妇k 再生水处理技术 工业产值、工业布局 城市的p 桴水处理投资 地理位置。区域特点 图2 1 污水再生回用系统影响因素构成 2 西北地区缺水城市污水再生回用系统特征与优化方法研究 2 3 2 系统构成 根据系统中影响因素之间的相互关系，由系统方法的结构与功能的统一性、整体性、 相关性、层次性原理，可以概括地将污水再生回用系统划分为三个部分、四个层次，如 图2 2 所示。即系统可分为城市供水系统、城市需水系统和城市生态环境系统三个子系 统。在这个大系统中，将再生水纳入城市供水体系，再生水供水子系统既是提供再生水 的来源，又与生态环境系统之间通过污水的处理和水环境的治理保持联系，同时又通过 再生水需水子系统中的再生水需水量确定再生水供水子系统的规模。而整个城市则可通 过水资源盼开发，再生水的使用和城市需( 用) 水子系统中节水、提高用水效率等手段 使其在供需水量上保持动态的平衡。 图2 2 污水再生回用系统的层次结构 2 3 3 污水再生回用系统供求影响因素分析 污水再生回用的供求关系可用经济学上的供给需求模型来进行描述，但由于再生水 本身的特殊性，这就使得再生水的供需关系表现出特殊性。再生水的供给和需求曲线如 图2 3 。供给曲线s s 反映了为解决城市缺水、保护环境进行污水的再生回用给城市提供 一定量的有偿使用的再生水，随着再生水价格的提高，生产商就愿意生产更多的再生水， 再生水的供给量将增加，曲线反映的是回用水的边界成本，即污水经过合理的处理后的 超额的成本1 1 9 , 2 0 ；需求曲线d d 反映了用户对再生水的需求情况，随着再生水价格的降 低，再生水的需求量将会增加。当再生水的供需水量的增长达到一定程度时，将会达到 西安建筑科技大学博士学位论文 善h 莲嚣 s d 图2 3 再生水的供需曲线 图2 4 供给曲线随影响因素的变化情况 平衡，即图中供给曲线s s 和需求曲线d d 的交点e ，其中p o 、q o 点为所对应的均衡水 量和平衡价格。如果供需水曲线发生变化，平衡点也将随之移动。由图2 3 可见，自来 水价格p - 对再生水的供需水量均起着抑制作用。若市政水价p 自小于再生水的供水成本 p s ，一方面供应商不愿生产和提供再生水，另一方面用户也不愿使用再生水，污水的再 生利用将无法进行随着市政水价的提高，再生水供需曲线的弹性增强。 对于供给曲线，由于不同的用户对再生水的水质的要求不同，如果用户对再生水的 水质需求提高或污水的水质降低，可通过预处理和深度处理提高水质，但这会导致处理 成本增加，表现为供给曲线向左移动至s l s ( 图2 4 ) ，产生新的均衡水量q l 和均衡价 格p i ，同时在水量需求方面，表现出规模效益，但需水规模又受经济规模q e 的制约， 只有当回用水的需求量超过经济规模，进行水的供给才是合理的，所以供水曲线只能在 e c 点右边上下移动。另外政府对回用水市场的干预( 主要表现在税收的减免，是否给与 补贴，是否对再生水的使用进行限制等) 也会使供水曲线发生变化。若对再生水价格实 行补贴，再生水的供水价格降低，供水曲线会向右移动，将会产生一个新的高水量低价 格的均衡点。 对于需求曲线，也有许多因素对其 产生影响，若供水曲线s s 保持不变，由 于西北地区城市干旱少雨，水资源短缺， 水环境容量较小，再生水本身的价值将 会得到提高，需求曲线向右移动至d l d l ； 另外公众对再生水的态度也将影响需求 曲线的变化，若公众对再生水的接受能 力较强，也会使需求曲线向右移动，产 生一个新的均衡点e d ( 图2 5 ) 。 qq 再生水水鲥 图2 _ 5 需求曲线随影响因素的变化情况 总之，影响再生水供需关系的因素众多，但通过上述对再生水供需平衡的定性分析 可归纳出以下几个主要因素作为研究污水再生回用系统的输入变量，即：市政水价； 2 5 2 西北地区缺水城市污水再生回用系统特征与优化方法研究 用户所需的水质( 可用不同的处理工艺对应的出水水质表示) ； 再生水的经济规模； 政府在回用工程上的投资( 可用工程投资占城市g d p 的比例来表示政府对污水回用 系统的关注程度的变化) ；城市水资源开发利用程度；水环境容量。 2 3 4 西北地区污水再生回用系统特点 如前文所述，西北地区城市由于水资源短缺，水环境承载能力低，致使其在再生水 的利用上和污水再生回用系统自身都与其他的城市有所不同。西北地区城市污水再生回 用系统的特点为： 1 ) 当地的水资源短缺，水环境容量有限，水环境质量呈现出恶化的趋势，使得污 水的再生回用具有较大的潜力； 2 ) 城市生态环境需水量大，水质要求低，对再生水的需求潜力较大； 3 ) 区域水价偏低，造成水的浪费现象严重，同时制约了再生水事业的发展，所以 污水再生回用受当地水价政策的影响较大； 4 ) 受经济发展的限制，当地用于水环境治理的投资比重较小，所以进行再生水的 利用，需要吸引外来投资的介入； 5 ) 在再生水的利用中，可根据当地经济和地域的特点，选择投资低、效果好的工 艺，同时还须进行资金和规模的合理配置。 2 4 西北地区缺水城市污水再生回用的优化方法研究 2 4 1污水再生回用优化研究方法的基本思路 由污水再生回用系统分析表明，系统中涉及到许多动态变化的因素，如市政水价、 投资规模、再生水的供需水量、水资源开发利用程度等；同时许多因素又具有不确定性， 如不同水质需求的回用户之间水量如何分配，集中与分散回用的方式和规模如何确定， 再生水厂如何进行合理规划布局等。而单纯地应用动态模拟( 如系统动力学方法) 方法 或最优化( 线性规划、非线性规划) 方法很难将两者( 动态性和不确定性) 包容。系统 动力学方法固然能充分考虑系统各要素之间的相互关系，能够较好地模拟系统的发展趋 势，进行系统优化方案的模拟运行，但是系统动力学也有其应用缺陷。正如本文绪论中 所论述的，应用系统动力学方法如为了取得较好的规划方案，规划研究者必须首先进行 大量的方案设计和模拟计算，通过系统仿真结果上的差异，对各种方案进行比较，从中 选出最优方案。而对于系统中的一些不确定性因素，只能根据规划研究者的经验和个人 偏好确定其取值范围，通过模型的反复运行寻找相对较优的方案。系统模拟优化过程可 用图2 6 表示，图中p 为系统发展所能达到的“最佳”水平线，r 为模拟运行次数从 图2 6 中可以看出，模拟运行的次数越多，从中所选出的最佳方案越趋近于系统运行的 - 2 6 - 西安建筑科技大学博士学位论文 最优方案，其发展趋势是一条渐进线三。 有经验的规划者所设计方案的起点就比较p 高，假设一开始的起点为膨线处，则可用 相对较少的设计方案优选较理想的规划方 案结果，但工作量仍然较大，而且所得方 案结果的优化程度也难以验证。为了较好 地解决问题，可在模拟模型中引入最优规 划法，以此来使得模型设计方案具有较高 的起点，可认为是图2 6 中的线以上的 部分。 0 图2 6 系统模拟结果趋势线 西北缺水城市污水再生回用系统涉及变量和因素较多，具有动态性和不确定性，所 以城市水资源短缺、再生水利用的特殊性及污水再生回用系统内各变量之间的相互反馈 关系必须在模型中充分考虑。单独利用优化模型不能将系统各要素间的相互影响动态地 反映到模型中，它只是在约束条件满足的情况下，求得系统中的目标值达到系统较佳的 变量的取值。而将优化模型( n i p 模型) 与系统动力学模型( s d 模型) 结合起来，将 是解决西北典型缺水城市污水再生回用系统优化问题的较好的方法。该方法用优化 ( n 】口) 模型在一定的经济约束条件下求解系统动力学( s d ) 模型中一些不确定变量的 取值，再以s d 模型为基础，设计模拟运行方案，分析运行结果，通过真实系统的情况， 改进模型和设计方案，这样通过对模型的反复运行和方案调整，完成总系统规划方案的 优选。如此设计的规划方案既能反映系统内各变量问相互影响关系，又能保证规划方案 具有一定的优化程度，节省规划者的时间和工作量。本文通过该种方法建立了污水再生 回用系统优化模型并将之应用于西安市污水再生利用规划中，取得了较好的效果，论文 将在第5 章对具体应用情况进行详细地介绍。 2 4 2 优化的基本步骤 西北地区缺水城市污水再生回用优化以系统分析法为主要研究方法，以系统动力学 模型为基本模型，以优化模型为辅助工具，具体的优化步骤如下： ( 1 ) 根据西北地区缺水城市污水再生回用系统特点，应用系统动力学的方法建立s d 模型。西部缺水城市污水再生回用系统的s d 模型中选取的决策交量通常为： 市政水价增长率； 水资源开发利用程度和人均供水量； 各类再生回用工程规模比，回用户重要程度系数； 污水回用率、污水处理率 2 西北地区缺水城市污水再生回用系统特征与优化方法研究 其中市政水价除了受当地水资源短缺程度和供水工程投资影响外，主要取决于地区 用水政策。目前西北地区的水价偏低，大部分城市的自来水价格平均在l 1 5 元m 3 ， 水价不能反映地区水资源的稀缺程度及其制水成本，造成城市综合用水量指标高于全国 平均水平的2 倍左右。为了提高用水效率，除了调整产业结构外，就是要使水价能真正 反映其价值。据有关研究表明，水价每提高l o ，耗水量可减少1 0 或更高，城市自来 水价格即使提高1 5 0 ，城镇居民和各行各业均能承受i 啦”。同时要使再生水的利用能得 到合理的回报，价格也需要在l 元l n 3 以上，而城市水价的上涨拉大了自来水与再生水 的比价，增加了各低质用水部门对再生水的需求潜力。那么在模型中可用市政水价增长 率的变化来考察其对污水再生回用系统中再生水供需能力的影响。 水资源开发利用程度指标可反映该地区经济社会系统可开发的水资源利用量和水 资源的短缺程度。西北地区由于自然生态环境脆弱，需水量较大，如前所述，为了维持 现状生态环境不再继续恶化，经济社会系统对当地水资源的利用程度应控制在5 0 以 内。人均总供水量指标反映了研究区域水资源的供给状况和城市居民可支配的水资源 量，其不仅受地区水资源开发利用程度的制约，也可间接反映出污水的再生回用对城市 的供水水平的影响。若人均拥有水资源量按照国际公认的缺水极限5 0 0 m 3 c a p ，水资源 开发利用程度按照4 0 开发率的警戒线考虑，如果人均新鲜水供水量小于2 0 0m 3 c a p a ， 该地区就属于水资源短缺和供水不足地区。 用各类再生回用工程规模比作为模型的决策变量，一方面可反映城市不同发展阶 段，不同的回用对象对再生水的需求和变化情况，也即再生水的水质变化对用户需求的 影响；另一方面可反映城市对集中回用与分散回用规模的不同需求，即再生水的水量变 化对用户需求的影响。 在模型中将用户划分为三类，即市政用水、工业用水和城市生态建设用水。用户重 要程度系数反映了研究城市对这三类用户提供再生水的先后顺序的权重，如研究区为西 部缺永城市，城市生态建设对再生水的需求潜力较大，但其用水价格较低，所以在模型 优化的过程中可考虑赋予城市生态建设用水以较高的权重，通过模型的运行，调整系数 直到满意为止。 污水的回用率可反映城市污水再生回用事业的发展状况，污水的处理率是确保回用 工程得以实现的前提条件。在s d 模型中可通过情景分析法设计不同的污水处理和回用 率，来考察它们对整个系统的影响。 ( 2 ) 建立n l p 模型。根据上述描绘的系统的特点，围绕s d 模型中所选取的决策变量， 以使用再生水产生的直接净效益最大化为目标函数，在考虑污水的集中处理回用工程和 分散处理回用工程的经济合理布局基础上，以再生水的供需水量和处理能力为约束条件 建立了非线性的优化配置模型。通过n l p 模型的求解，可以得到再生水在不同水质要 2 8 - 西安建筑科技大学博士学位论文 求的用户之间经济合理的分配水量，城市集中处理回用规模与分散处理回用规模及其各 自所占比例，污水集中式回用的与分散式回用的优化布局，同时可以考察市政各部门水 价的变化对各部门再生水的利用潜力的影响。 ( 3 ) 将n l p 模型得到的决策变量代入到s d 模型中，对模型进行检验和灵敏度分析， 若符合就可以进行模型的模拟运行。应用情景分析的方法，在规划方案的指导下设计情 景模拟方案，代入s d 模型中模拟运行，得到系统模拟运行的结果。s d 模型素有现实系 统的“试验室”之美誉，它可以将系统内部的各种反馈信息都整合入模型中，因此s d 模型的模拟结果可信度较高。将系统运行结果与所设计的情景进行对比，如无异议，就 可对模拟运行结果进行分析和解译。否则，根据上一次方案的仿真结果与情景设计的方 案两者之间的差距，返回第2 步，重新调整模型的参数。这样经过模型的反复运行，生 成与情景设计相符合的模拟方案，最后通过对各种情景设计的结果进行分析，最终确定 系统的发展趋势。 2 4 3 污水再生回用优化方法框图 按照从局部到整体的研究思路，首先对研究城市中潜在的再生水用户的需水量和在 城市中的位置进行调查和计算，通过临界距离法来确定污水再生回用系统中的集中与分 散式回用水厂的布局和座数；其次根据n l p 模型按照市政水价的变化情况，确定各类 再生水用户所需水量以及集中与分散式污水回用工程的处理水量等参数，最后通过s d 模型模拟整个城市污水再生回用系统的发展行为。图2 7 清楚地勾画出了污水再生回用 系统优化方法基本流程从图中可以看出，系统优化方法的核心是基于系统分析基础上 建立的系统动态仿真模型( s d 模型) 与系统优化模型( n i p 模型) ，以及两种模型之 间的交互求解。 2 5 本章小结 本章通过对西北地区城市水资源的短缺、供需水发展态势以及水环境状况进行分析 基础上，说明了西北地区缺水城市进行污水再生回用的必要性和特殊性，并在此基础上 描述了西北地区缺水城市污水再生回用系统的优化和规划方法即： ( 1 ) 分析了西北地区缺水城市部门用水特点和发展态势； ( 2 ) 提出了西北地区缺水城市的再生水利用应以城市生态建设为出发点； ( 3 ) 在对西北地区缺水城市污水再生回用系统进行描述和特征分析的基础上，提出了 对污水再生回用系统进行规划和优化分析可采用系统动力学( s d ) 模型和非线性优化 ( 卫) 模型相结合的方法。 2 西北地区缺水城市污水再生回用系统特征与优化方法研究 参考文献 图2 7 污水再生回用系统优化方法框图 【1 】国家统计局中国统计年鉴( 2 0 0 0 年) 北京：中国统计出版社 【2 】周干峙，邵益生西北地区水资源配置生态环境建设和可持续发展战略研究( 城镇卷) 【嗍北京： 科学出版社2 0 0 4 【3 】“西北地区水资源及其供需发展趋势分析”课题