（环境工程专业论文）中水系统纳入城市给排水系统综合规划的优化研究.pdf

摘要 将中水系统纳入城市给排水系统进行统一规划，已成为城市供水系统建 设发展的新内容，这样不仅能合理分配、充分利用现有各类水资源( 包括污 水在内) ，缓解水资源危机，科学地保护城市水环境，而且使供水系统布局合 理化，减少投资和运行费用，具有显著的经济效益和环境效益。 本文运用环境工程、系统工程和数学规划的原理和方法，将中水系统纳 入城市给排水系统进行综合优化，对所涉及到的有关问题进行了详细的研究。 首先，笔者深入分析了解城市自来水、污水、中水三者的水量平衡和水 质转换关系，以及中水的合理布局，并对城市水系统中给水、排水及中水各 系统组成及其特性进行了讨论，从而在此基础上才能取得系统的较为准确可 靠的费用模型，建立适合于系统特性的数学模型。 其次，在收集给水、排水和中水系统各组成部分的费用资料和分析费用 模型形式的基础上，采用插值和曲线拟合相结合的方法，建立了系统中的各 部分的费用模型。 然后，从年经营费用入手，对年经营费用的各部分进行了深入、细致的 分析，确定以年经营费用最小为系统优化追求的目标，满足水量、水质约束， 建立了完整的中水系统纳入城市给排水系统综合优化的数学模型，采用 l i n g o 软件包作为求解工具。 最后，以华北某城市加工区为例，对数学模型进行了考核计算，验证了 模型的正确性、可靠性，完全达到了预期要求，不但有助于资源优化配置， 而且大大节省建设和运行费用。 关键字：中水系统；费用模型；优化；数学模型 a b s t r a c t i ti san e wd i r e c t i o nf o rw a t e rr e u s es y s t e mp l a n n i n gt ob ei n t e g r a t e dw i t h w a t e rs u p p l ya n dd r a i n a g es y s t e m i nt h i sw a y ，i tc a nn o to n l yd i s t r i c te x i s t i n g d i f f e r e n tw a t e rr e s o u r c e s ( w a s t e w a t e ri n c l u d e d ) r e a s o n a b l y ，b u ta l s od e l a yt h e c r i s i so fw a t e rr e s o u r c e s ，a n d p r o t e c t w a t e re n v i r o n m e n t s c i e n t i f i c a l l y f u r t h e r m o r e ，i tc a n r a t i o n a l i z et h el a y o u to fw a t e r s u p p l y ，r e d u c ei n v e s t m e n ta n d o p e r a t i n gc o s t ，a n d t a k e o b v i o u s l y e c o n o m i cb e n e f i t sa n de n v i r o n m e n t a l b e n e f i t s a p p l y i n g t h ee n v i r o n m e n t e n g i n e e r i n g ，s y s t e me n g i n e e r i n g a n d m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g ，t h i sp a p e rm a k e sad e t a i l e dr e s e a r c hi n t ot h er e l a t e d p r o b l e mo ft h ew a t e rr e u s es y s t e mp l a n n i n gi n t e g r a t e dw i t hw a t e rs u p p l ya n d d r a i n a g es y s t e m f i r s t ，t h ea u t h o rn o to n l yt h o r o u g h l ya n a l y s e st h ew a t e rq u a n t i t yb a l a n c ea n d w a t e rq u a l i t yc o n v e r s i o no f w a t e r ，w a s t e w a t e ra n dr e u s e dw a t e ri nt h ec i t y ，a n d t h e p r o p e r d i s t i b u t i o no fr e u s e dw a t e r ，b u ta l s od i s c u s s e st h ee a c hs u b s y s t e ma n d c h a r a c t e r i s t i co ft h ew a t e rs u p p l y s y s t e m ，d r a i n a g es y s t e ma n dw a t e r r e u s e s y s t e m c o n s e q u e n t l y t h ea u t h o rc a ng e tr e l a t i v e l ye x a c ta n dr e l i a b l ec o s tm o d e l ， a n de s t a b l i s hm a t h e m a t i c a lm o d e lf i tf o rs y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s e c o n d ，o nt h eb a s i so fc o l l e c t i n gt h ec o s td a t aa n da n a l y s i n gt h ec o s t f o r m u l a so fe a c hp a r t ，t h ea u t h o ra d o p t st h ec u l - v ef i t t i n gc o m b i n e dw i t h i n t e r p o l a t i o n ，a n da c c o r d i n g l ye s t a b l i s h st h ec o s tm o d e l t h i r d ，s t a r t i n gw i t ht h eo p e r a t i o nc o s tp e ry e a r ，t h ea u t h o ra n a l y s e se a c h p a r to ft h eo p e r a t i o nc o s tp e ry e a rt h o r o u g h l ya n dc a r e f u l l y w i t ht h eo b j e c to f m l m m m l n g t h es y s t e mo p e r a t i o nc o s tp e ry e a ra n ds a t i s f y i n gt h er e s t r i c t i o no f w a t e rq u a n t i t ya n dw a t e rq u a l i t y ，t h ei n t a c tm o d e li se s t a b l i s h e d ，a n ds o l v e db y u s i n gm a t h e m a t i c a l t o o ll i n g o 1 f i n a l l y ，t a k i n gp r o c e s s i n gs e c t i o n i nc e r t a i nc i t yo f n o r t hc h i n aa sa e x a m p l e t h ea u t h o rc h e c k st h em a t h e m a t i cm o d e l ，a n dv a l i d a t e st h ec o l t e c t n e s sa n d r e l i a b i l i t y n l em o d e lt o t a l l ya c h i e v e st h ea n t i c i p a t e dn e e d i ti so b v i o u s t h a tt h e m o d e ln o to n l yh e l p st oo p t i m i z i n gc o l l o c a t i o no fr e s o u r c e s ，b u ta l s os a v e s c o n s t r u c ta n dl u l lc o s tg r e a t l y k e y w o r d s ：w a t e r r e u s es y s t e m ；c o s t m o d e l ；o p t i m i z a t i o n ；m a t h e m a t i cm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 起趁拜 j 签字日期：如歹年，王月二a 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘窒盘茎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权墨洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名赵趁薛导师签名杜殇蜂 签字日期：如3 年s 2 月如1 日签字日期：沙乡年i 溯矽日 第一章绪论 1 1 课题的提出及其意义 第一章绪论 在现代社会中，水是人类赖以生存和发展的最重要的物质资源之一，是 人类生存的基本条件，又是国民经济的生命线。当前，水资源危机正在世界 许多国家和地区形成，引起各方面的高度重视与强烈呼吁。 我国是个淡水资源匮乏的国家“3 ，人均水资源仅为世界平均水平的 i 4 ，列世界第1 l o 位，而且在时空上分布极不均匀，开发利用难度大，致使 许多地区与城市严重缺水。近年来，随着我国国民经济的高速发展和城市化 进程的加速，以及城市需水量快速增加和水污染的加剧，导致我国大部分城 市普遍存在着水污染严重和水资源短缺的问题。当前，相当部分城市水资源 短缺，城市缺水范围不断扩大，缺水程度日趋严重。据统计。，我国6 0 0 多 个城市中，有4 0 0 多个城市缺水，1 1 0 多个城市严重缺水( 如表l 一1 ) ，加之 水资源遭到污染，使本来就十分有限的水资源更加紧张。尤其是北方许多城 市的需水量，已接近或超过城市极限水资源量。 表1 一l 我国缺水严重城市统计资料 部分城市，个( 全国：1 1 4 )占缺水城市， 北方地区：7 l 6 2 3 按南北分 南方地区：4 33 7 7 沿海地区：4 84 2 1 按东西分中部地区：4 1 3 6 0 西部地区：2 52 1 9 在这种形势下，人们不得不在寻求有限的天然水资源( 地面水、地下水) 之外，通过图1 1 所示的多种途径开发新的水资源。3 ，以解决缺水问题。但 每种途径都有一定的条件限制。海水淡化只限于沿海城市采用，且基建投资 和制水成本偏高，在经济上和规模上不可能近期解决城市缺水问题；长距离 引水往往需要国家投入巨额资金，工程巨大，实旌时间长，而且涉及到生态 第一章绪论 平衡、环境质量等诸多方面的问题，在一个相当长的时期内难以普遍实现。 因此，这两种方案并不是每个缺水城市都有可能做到的，须寻找新的水源。 r 天然水资源r 地面水( 江、河、湖、海、水库等) i1 地下水 j 踟用，雌回弋鬻茹胡闸燃僻枷 1l 直接回用r 工业废水 i 生活污水 il 城巾巧水 i l 人为开发水资源r 跨流域引水 l 海水淡化 与海水淡化、长距离引水相比较而言，城市污水回用则具有以下几点优 势“：( 1 ) 城市污水量大并且集中，水量水质也相对较为稳定，不受季节、 雨旱季、洪水枯水等影响，可作为水量、水质变化幅度小、稳定供水的水源； ( 2 ) 城市污水厂一般均建在城市附近，与远距离调水相比，大大减少了输水 管线，降低了取水构筑物、输水管线的基建投资和运行费用：( 3 ) 污水回用 于工业用水，不仅就地可取，而且水量恒定，与工业用水量变化小的特点相 匹配；( 4 ) 城市污水回用开辟了第二水源，减少了城市新鲜水的取用量，减 轻了城市供水不足的压力负担，缓解了供需矛盾，这对缺水城市来说意义颇 为重大：( 5 ) 城市污水经处理后回用，减少了污水的最终排放量，这就带来 了两个明显的优点：一是减轻了对水体的污染，并能使部分被污染的水逐渐 更新、复活，二是减少了治理环境污染的投资；( 6 ) 在回用水水质要求上， 城市污水经污水厂二级处理的出水，再加适当的深度处理是完全能达到回用 水质要求的，在技术上是成熟无问题的。综上所述，城市污水处理后回用具 有明显的经济效益、社会效益和环境效益，不仅是可行的，而且势在必行。 它对解决我国水资源紧缺、缓解水危机具有现实和深远的意义。 在这方面，国外已经有了较为成功的经验。如日本、美国、南非、以色 列等国早己开展了污水经深度处理后回用的工作，均有局部的、不同规模的 污水回用工程。例如，美国“3 于2 0 世纪7 0 年代初开始大规模建设污水处理 第一章绪论 厂，随后开始了回用污水的研究与应用。作为城市污水回用先驱之一的佛罗 里达州的圣彼得斯堡1 9 7 8 年就开始将再生水回用于生活杂用水，目前已经能 够向7 0 0 0 多户家庭提供再生水。而整个美国目前有3 5 7 个城市污水回用，再 生回用点多达5 3 6 个，年回用量为9 4 1 0 9m 3 ，其中6 0 的再生水用于农业 灌溉，3 0 用于工业，其余用于城市生活设施和地下水回灌，并制定了相应 的政策、法规和标准，以便污水回用在美国得到更好的推广。从2 0 世纪六十 年代开始，日本”1 东京都工业水道和名古屋工业水道，大规模地供应再生水。 近年来，日本还将再生水用于城市河道景观用水和称作“中水道”的建筑物 内杂用水，中水道的再生水一般用于冲洗厕所、浇灌城市绿地及消防。据文 献报道，1 9 9 0 年日本以东京都为主，遍及全国建立了1 3 9 6 处中水工程，回 用量为2 2 8 1 0 4 m 3 d ，中水回用率达到生活用水量的o 6 。以色列“1 由于长 期缺水，对充分利用污水资源格外重视，其污水回用程度之高堪称世界第一。 至1 9 8 7 年，全国就已有2 1 0 个市政污水回用工程，目前生活污水回用率高达 6 5 以上，预计十年后污水回用率可达到9 0 以上。 我国沿用了日本的叫法，将再生水普遍称之为中水，即指城市污水经处 理后，达到一定水质标准，可在一定范围内重复使用的非饮用水。我国的污 水回用起步较早，尤其是“六五”以来，国家在污水回用方面作了不少研究 工作和努力。但是，由于经济、政策等多种原因，许多己建污水回用工程的 再生水未能充分回用，大多再生水又重新排入排污河，与未经处理的水同流 合污，因此不能获得原先设想的经济效益和社会效益。例如“3 ，青岛海泊河 污水厂内设有规模4 万m 3 d 的深度处理设施，但因建成后管道不配套，1 9 9 9 年建成至今未用。 由于近几年来城市缺水较为严重，为解决缺水问题，我国相继在太原、 大连、天津、泰安及淄博等城市建设了回用于市政景观、工业冷却等示范工 程，污水回用己成为一个广泛的社会问题。但这些中水示范工程，规模小， 区域分布量少面窄，彼此独立，而且没有经过与给排水系统统一规划，无论 从经济上，还是方法上都显得不合理。一方面，中水工程不能形成一定的规 模经济效益，而且从根本上不能有效地缓解城市的宏观缺水问题：另一方面， 照此发展下去势必会影响城市供水系统统一规划与管理的大局。 从国内外污水回用的历史和现状，我们可以清楚认识到以下几点i 第一， 污水作为资源回用是完全必要的而且可行的：第二，目前国内外污水处理及 回用的发展水平是不均衡的。许多发达国家城市污水处理率达到9 9 以上， 第一章绪论 在缺水地区污水的回用率达到9 0 以上。而我国的污水回用还处于起步阶段， 据国内1 9 9 6 年有关部门统计，处理后的污水被有效利用的回用率不足1 0 。 与此同时，我国尚未建立城市中水系统规划指标体系。在城市建设总体规划 中，虽然进行了城市的给水及排水规划，但在水资源的综合利用方面缺乏统 一的规划，尤其是城市中水系统规划，这势必会造成重复建设和决策失误。 为此，应尽快开发可利用的废水作为再生的二次水资源，并将中水系统 纳入城市给排水系统作为个有机整体，从全局出发，建立城市用水的综合 规划概念。在城市范围内对水源、供水、污水处理、中水回用以及河流水质 等一系列环节进行统筹规划，以期通过优化计算，得到一套最佳的水资源利 用方案，使有限的城市水资源得到持续合理的开发利用。这对满足城市不断 提高而持续增长的用水需求，使有限的水资源产生最大的资源效益具有重要 的意义。 如今，将中水系统纳入城市给排水系统，统一规划与管理，已成为城市 供水系统建设发展的新内容。这样不仅能合理分配、节省并充分利用现有水 资源，缓解水资源危机，科学地保护城市水环境，而且使供水系统布局合理 化，以提高供水系统的功能和效益，减少投资和运行费用，具有显著的经济 效益和环境效益。此外，对区域自来水、排水、中水系统的规划、设计、建 设、改造及运行管理都有决定性的指导作用。 因此，本文的研究意义就在于：( 1 ) 将各类水资源( 包括污水在内) 合 理开发和节约使用，以及中水回用资源化并重作为规划的基点，建立将中水 系统纳入城市给排水系统统筹规划的理论和方法，并应用于各类水资源( 包 括污水在内) 合理的开发规划，妥善解决城市用水与水资源短缺的主要矛盾， 以使城市水系统协调发展，维护系统良性循环，以谋求系统最佳发展；( 2 ) 以科学规划取代传统规划，分析城市自身系统的供水、用水、可回用污水与 水资源系统的关系，探索合理的供水模式，用系统的眼光、系统的方法优化 配置给水、排水及中水工程设施，降低成本。提高经济效益。 1 2 国内外现状、水平、发展趋势 由于本文是将中水系统纳入城市给排水系统进行综合规划，因此，在分 析城市中水系统规划的发展趋势之时，应当同时分析给水系统规划和排水系 统规划的发展趋势。如今，随着城市化的发展和城镇的密切集聚，区域、流 第一章绪论 域内城市的相互依存性增加，跨地区河流常因上游城市污染而影响下游城市 水质，规划时应注意从流域和区域层次考虑问题，进行区域范围内的供水研 究，在区域内优化给排水系统，因此本文着重分析区域给排水系统的发展趋 势。 1 2 1 给水系统规划 城市给水系统的区域性综合规划，代表着给水系统综合优化管理的发展 趋势。所谓区域性给水系统综合规划”3 ，就是以一个或若干个距离很近的大 城市为中心，将其附近的卫星城镇、居民点和工业区作为一个整体来考虑， 成为一个大的供水区域，从全局最优出发来进行综合规划，将区域内的各种 水资源、能源及全部供水设旅和用水要求作统筹安排，经过优化计算得出一 套最佳供水方案，以便合理开发利用区域内的水资源，充分发挥供水设施的 能力，节省工程投资，降低供水能耗和费用。 在实际应用方面，自四十年代起，区域性给水系统综合规划在英、苏、 美等国就受到很大的重视、研究、应用和推广。英国是实行区域供水最早的 国家，它基本上在本土全部推行了给水系统区域化，并已建立起相应的立法 体系和管理体制；苏联在四十年代就已提出区域化的问题，并一直在注意这 方面的进展；美国开展这一工作较晚，但陆续有一些单位研究和推动这方面 的进展，其区域规划是按州进行的，现已有2 3 的州制定了利用区域性供水 的政策。 在从事给水系统规划研究工作这方面比较有代表性的有：1 9 7 2 年j o h nm h i g g i n s a n d d a n i e l a o k u n ”1 提出的数学模型以追求水资源、处理厂、输配水 的投资与运行管理费用最小为目标函数，以供水能力和需水量为约束条件， 其约束条件均为线性的，而目标函数中的费用函数可能是线性的也可能是非 线性的。 1 9 7 7 年kps i n g h 等人提出的数学模型是以供水系统的组成部分，即取 水、净水、输配水的总费用最少为目标函数。它的一个特点是用水量的预测 以人口量为基础，比较接近实际情况。 1 9 7 7 年m i l o sk o r d i c “”等人提出的数学模型是以技术可行解取得最大内 部收益率为目标函数，由求得数学模型的计算机程序寻找最优解，把所有的 投资、运行管理费用以及供水收入折算成现值进行经济分析，最优解由直接 搜索的方法取得。 第一章绪论 1 9 8 6 年n a k a s h i m a m a s a h k o 。”等人提出了一个用于设计比较经济的区域 给水系统的优化模型，它包括水的产生和供给，采用了两阶段启发式优化技 术。阶段一模型使系统的水源量和输水量满足其最大容许量，以及满足水量 需求量。阶段二模型在阶段一所取得的结果基础上，可以决定系统设备组成、 泵站站点、输水容量和管径等等。这种方法被应用于美国的伊利诺斯州，取 得满意的结果。 在国内，区域性给水系统综合规划方面的研究目前不多。1 9 9 0 年天津大 学的张雅君“2 1 首次对区域性给水综合规划进行基础理论和实际应用的研究， 应用系统工程的原理和方法，对区域内的给水系统进行优化，求出了宏观最 佳的决策，以提高给水系统的功能和效益。 目前，在实际应用方面，随着区域经济的发展，我国己开始出现了区域 供水系统。如1 9 7 9 年浙江省就着手在舟山本岛搞区域性供水；台州市的路桥、 搬江、黄岩三区和温岭市合作引水，把水资源在区域内分配，满足了城市经 济发展和居民生活需要。2 0 0 1 年我国开始实施苏锡常地区区域给水规划， 2 0 0 2 宁镇扬泰通地区区域给水规划编制工作也正式启动。可以看到，国内有 很多中心城市，其周围有许多卫星城镇、居民点和工业区，有许多种可供开 发的水资源，其供水系统逐步发展起来，但缺乏全局观点和统筹规划，因此 不合理之处甚多，有必要从全局最优的角度出发加以综合规划，此项工程比 较复杂，实施难度也较大，但其宏观工程效益却是很重大的。 1 2 2 排水系统规划 一个城市的排水系统规划可能影响临近区域，特别是下游地区的环境质 量，故需要从较大区域范围内综合考虑，而将两个以上城镇地区污水统一排 除和处理的系统，称之为区域( 或流域) 排水系统“”。它是排水系统规划的 重要发展和当前的趋势，也是区域河流水质进行综合整治的重要组成部分。 运用系统工程的理论和方法及电子计算机技术，从整个河流的范围出发，将 区域规划、水资源的有效利用和污水治理等诸多因素进行综合的系统分析， 建立各种模拟试验和数学模式以寻求水污染控制的设计和管理的最优化方 案，以达到区域综合效益的最优。 目前“”，区域排水系统规划在欧美、日本等一些国家，正在推广使用。 这种系统是以一个大型区域污水厂代替许多分散的小型污水厂，这样，就能 降低污水厂的基建和运行管理费用，而且能可靠地防止工业和人口稠密地区 第一章绪论 的地面水污染，改善和保护环境。 例如“”，1 9 7 2 年美国c o n v e r s e a q 对新英格兰州m e r r i m a c k 河的区域排 水系统进行了统一的规划，综合考虑水源开发、污染源的控制、污染治理和 河道天然自净能力，通过方案优化证明该区域内设立4 座集中污水处理厂最 为经济，它比分散为1 8 座就地污水处理厂的方案节省4 0 以上的费用。又 例如，日本从1 9 6 5 年以后，由原来单从城市局部改进排水处理设备为主转向 以建立污水处理厂、建设区域统一的排水系统为主，全国划分为5 4 个管理区， 每个区域内对它的污染源、下水道和中心处理厂群作为一个系统，统规划 建设，采用系统分析的方法进行，至1 9 7 6 年已建立了2 9 个这样的排水系统， 节省了大量投资。这种按区域所规划的排水系统，以1 5 年发展计划而言，比 过去分散局部处理的系统可节省2 0 以上的费用。还有“，我国江南一小城 市将所属的8 镇一城的1 5 万m 3 d 工业废水和生活污水，用总长1 4 0 k m 的污 水管道及8 座泵站输送至污水处理厂( 远期规模为5 0 万m 3 d ) ，经过二级处 理后统一排至较大的水体，工程建成后经济效益和环境效益良好。 根据我国经济发展和城市化情况，相邻区域内或地域内经济条件和城市 建设的同步性较强，所以完全有可能在几个城市或城镇的广大区域内，统一 进行排水系统规划，合理布置工程设施，考虑合并起来处理和处置的可能性。 这样不仅经济效益相当可观，而且能有效防止工业和高人口密度地区的水污 染。 实践也证明，在工业和人口稠密的地区，将全部对象的排水问题同本地 区的国民经济发展、城市建设和工业扩大、水资源综合利用以及控制水体污 染的卫生技术措施等各因素进行综合考虑研究解决预计是经济合理的。所以， 区域排水系统是由局部单项治理发展至区域综合治理，是控制水污染、改善 和保护环境的新发展。同时区域排水系统规划具有污水厂占地面积小，节省 土地；水质、水量变化小，有利于运行管理：河流等水资源利用与污水排放 体系合理化，而且可能形成统一的水资源管理体系等方面的优点，是水污染 控制和环境保护的发展方向。 1 2 3 中水系统规划 城市中水系统是城市给水系统与中水系统的交叉，其所取原水来自集流 的城市排水，中水处理设施既是污水处理厂，又是给水净化厂，其出水系统 是中水的给水系统。 第一章绪论 美国“7 1 的中水系统规划开展的较早，始于七十年代初期。1 9 7 1 年美国的 b i s h o p “。等人首次提出了用系统分析的方法来解决污水回用问题，开始将污 水纳入水资源系统，采用线性规划的方法，解决了包括污水在内的多水源优 化调度问题。 1 9 7 4 年m u l v i h i l l “”提出了综合考虑区域供水系统和城市污水系统的数学 模型。该模型将污水作为一个水源，建立了一组多水源的区域水量平衡约束， 把污水处理厂的能力扩大作为决策变量。 1 9 7 5 年r i o s 3 建立了一个污水回用的非线性优化模型，在模型中将工厂 内的循环水和处理后的污水均作为可用的水资源。所谓污水回用是指一个工 厂的污水经处理后，在工厂内部循环使用或排入另一个工厂作为其补充水源。 该模型没有考虑区域污水的集中处理。 上述研究基本是针对回用水量的调配、输送和供给能力扩大等问题，没 有考虑用水单位对中水水质的要求，只是一般水资源规划的简单扩展。 1 9 7 6 1 9 7 7 年美国。8 1 发生了一场历史罕见的大旱，使得污水回用的现 实意义更为突出，从而污水回用规划开始从纯理论研究向解决实际问题转化。 1 9 7 7 年o k a d a 。3 1 等人将水源开发、给水、污水处理和污水回用综合考虑， 提出了非线性目标规划模型，用以解决区域水资源开发和利用中的多目标协 调问题。s a k a w a 等人进行了项类似的研究，他们有关模型的基本考虑与前 者基本相同，只是在后者的模型中，河流只有一条。 1 9 7 8 年d e b 。”提出一种双给水系统( 饮用水和非饮用水系统) ，并就其 方案规划、水质标准、建设费用、适用条件等进行了理论研究，从而建立了 水管理模型( w t m a nm o d e l ) 。此模型是分析各种城市远期给水管理方案 的有力工具，它属于计算机动态模拟模型，运用此模型可以进行污水回用方 案的费用一效果分析，以回答区域水资源管理所应采取的策略。该模型非常 灵活，既能适应常规的给水系统，也能处理多水源( 包括污水回用) 的双系 统。 1 9 7 9 年p f i n g r y 1 提出一个非线性模型，考虑了水量约束和水质约束， 把污水回用规划推上了一个新台阶，对以后的影响很大。 1 9 8 1 年o c a n a s 啪瑚“2 。等人建立了一个非线性多阶段的区域污水综合利 用规划的数学模型，并将其应用于得克萨斯州圣安东区域的污水回用规划上。 该模型综合考虑了水资源系统、给水系统、用水系统和污水处理系统，给出 了三个规划年限，目标是总供水费用最低，同时还开发了这类较大规模非线 第一章绪论 性模型的求解方法。 1 9 8 3 年s c h w a r t y ”1 等人开发了区域污水回用的动态规划模型，该模型包 括水量优化分配和污水优化处理两个动态规划，把各用水单位水质要求、水 质控制措施和污水回用量结合了起来。 美国德克萨斯大学洲的一份关于污水回用的最优规划模型的建立与应用 报告中建立了地表水、地下水、污水处理、污水回用的综合水资源多目标、 多时期的规划模型，以解决各时期的地表水及地下水用水量、污水回用量及 污水回灌量，从而综合地最优合理利用现有水资源，并使总费用最低。在该 报告中采用了多种模型体系，如非线性目标规划模型、动态规划模型，得到 的结果信息量较大，也比较满意。 基于最佳的废水处理、排放及回用的管理模型，1 9 9 6 年g i d e o no r o n ” 提出了将废水处理与回用工程进行综合规划的方法。该管理模型考虑到区域 性问题，包括处理效率及控制、水的供给与需求、输送及贮存需求、技术能 力及社会问题等等。模型是以费用作为目标函数，以一系列技术、社会、健 康和环境因素作为约束，得到的结果提供了系统规划及相关的最佳投资和运 行费用的信息。 在国内，从1 9 8 6 年开始，污水资源化系统规划的研究相继列入了国家“七 五”、“八五”、“九五”重点科技( 攻关) 计划，取得了一定的成果。 1 9 8 9 年清华大学魏廉虢。4 以水资源的合理利用和水体水质保护为目标， 采用线性规划和多目标决策两大数学工具，对城市污水回用工程进行了系统 规划，创立了污水回用系统规划理论。 1 9 9 1 年清华大学贺北平。”通过污水回用系统内部结构和外部环境的分 析，提出了污水回用系统规划的指导思想和技术路线，在此基础上提出了污 水回用系统具体的规划方法，建立了包括污水收集、污水处理、污水再生和 再生水分配的优化模型，并将此规划方法应用于邯郸市的污水回用的系统规 划方案，取得了较好的经济效益和环境效益。 同年，清华大学金勤献1 针对城市水系统是一个涉及因素多、关系复杂 的动态系统，采用系统动力学方法，建立了城市系统的模拟模型。为了减少 模型策略变化的随意性，建立了污水收集、处理和再生、再生水分配的优化 模型，实现了污水回用具体规划和水系统宏观规划的有机结合。同时也对邯 郸市的污水回用和水系统进行以系统地分析与规划，解决了该市的实际问题。 2 0 0 1 年天津大学田一梅。”等人根据统计回归原理，建立供水系统费用模 第一章绪论 型，在此基础上，按照年成本法，建立了将自来水与中水系统综合规划的优 化模型，经仿真计算，得到了满意的结果。 2 0 0 2 年，王有乐。”等人运用系统工程原理，建立了校园污水资源化给排 水模型。该模型将新鲜供水系统、污水处理系统和中水回用系统作为有机整 体全面规划，在污水全部回用，达到污染物零排放的要求条件下，能简便合 理地计算污水处理厂规模。通过实例验算，表明模型可行，具有明显的经济 效益和环境效益。 在有关政策方面，2 0 0 0 年国务院召开的“全国城市供水节水与水污染防 治工作会议”也提出，要大力提倡城市污水回用等非传统水源的开发利用， 并纳入水资源的统一管理与调配。2 0 0 1 年，“十五”纲要明确提出污水回用 目标，全国进入全面启动阶段。 综上所述，从国内外的研究”“可以看出污水回用规划的涉及面越来越 广，从仅把污水作为一种水源进行水量调配，到综合考虑水资源系统、给水 系统和污水处理系统，把供水j 用水、污水处理和污水回用有机结合起来， 进行了综合规划。同时，建立规划数学模型的方法也日趋成熟，规划研究初 期模型形式以线性规划为主，目前则发展为非线性规划和动态规划。但这些 方法和模型都是为解决特定的规划对象问题而提出的。 目前，我国许多城市都面临着水资源短缺的严重威胁，从而建立了不少 中水回用的示范工程。但是，将可以取得显著经济效益的中水系统纳入城市 给排水系统作为一个整体进行规划的优化研究工作还没有受到人们的重视， 无论在研究工作还是实际应用方面都是空白。因此，结合国内外给水、排水 和中水系统的研究状况，本课题针对目前国内供水现状，有目的地将中水系 统纳入城市给排水系统，即综合考虑水源、给水处理、污水处理和污水的再 生利用来满足用户的用水要求，从而缓解水资源短缺问题。 i 3 研究内容和方法 本文是导师所承担的天津市科委项目“城市自来水、中水系统综合规划 研究”中的一部分。笔者在分析、借鉴了国内外已有的研究成果的基础上， 运用环境工程、系统工程和数学规划的原理和方法，将成规模的中水系统纳 入城市给排水系统，对其进行统一的规划与管理，并对所涉及到的有关问题 进行研究。具体内容和方法如下： 第一章绪论 ( 1 ) 在将中水系统纳入城市给排水系统进行综合优化之时，深入分析城 市自来水、污水、中水三者的水量平衡关系和水质转换关系，以及中水的合 理布局，从而对水的开发、供给、使用、处理、排放和回用等各环节作出统 筹的安排和决策。 ( 2 ) 在进行综合规划之前，从系统的观点出发，对本文所研究的城市水 系统的各组成部分及其特性进行了较为深刻的认识。在此基础上才能取得城 市水系统中给水、排水及中水各个系统的较为准确可靠的费用模型，从而建 立适合于系统特性的数学模型。 ( 3 ) 在收集大量给水、排水、中水系统内工程设旌费用资料的基础上， 采用统计分析法对数据进行收集和处理。参考国内外已有的给水、排水及中 水系统费用模型形式，确定本文所采用的费用模型形式及变量的选择，并按 照数理统计原理，采用插值和曲线拟合相结合的方法，建立系统内各类工程 设施的费用模型。 ( 4 ) 根据系统优化的理论和方法，经研究确定以年经营费用最小为系统 优化追求的目标，并满足水量、水质约束，建立中水系统纳入城市给排水系 统综合优化的数学模型。 ( 5 ) 对上述建立的优化模型确定行之有效的解法，并在前面研究的基础 上，结合实际的城市区域规划工程对优化模型进行考核。 第二章城市自来水、污水、中水三者之间的内在联系 第二章城市自来水、污水、中水三者之间的内在联系 众所周知，城市自来水、污水、中水三者之间是相互影响相互制约的， 其具体关系示意图如图2 一l 所示。从水源地取得的原水，经自来水厂按照用 户对水质的要求进行处理后通过输配水管道将自来水供给用户，经用户使用 后受到一定程度的污染，形成的污水则通过下水管道进入污水处理厂，经过 处理后，一部分排入排污河，另一部分经深度处理后转换为中水，返回用户 再次被利用。因此，本文在将中水系统纳入城市自来水、排水系统进行综合 优化之时，深入地分析了解城市自来水、污水、中水三者之间的内在联系， 摸清其水量水质的供需及转换情况，从而对水的开发、供给、使用、处理和 排放等各环节作出统筹的安排和决策。 图2 1 城市自来水、污水、中水三者的关系示意圈 2 1 城市自来水、污水、中水三者的水量平衡关系 自来水供给量q ， ，i自来水用水量q ，r 消耗水量q ；。 漏水量q 。7 一 中水用水量q ，u 污水排放量q 。 中水回用量q 4 上 图2 2 城市自来水、污水、中水的水量平衡示意图 当今世界上各大城市给排水发展的趋势表明：随着工业的发展和城市规 模的不断扩大，以及城市生活质量的不断改善，城市用水量不断增加，随之 导致污水排放量也将不断增加，即一方面水资源日感不足，一方面水质日渐 恶劣。若考虑中水回用，不但可以减少城市对外部水资源的需求量，同时也 第二章城市自来水、污水、中水三者之间的内在联系 可以减少城市排出的水量，降低对外部水环境的污染，如图2 2 所示1 。它 是以城市用水为核心，自来水、污水、中水在一段时间内的水量平衡示意图。 其中，消耗水量是指在输水、用水过程中，通过蒸腾蒸发、土壤吸收、 产品带走、居民牲畜饮用等各种形式消耗掉，而不能回归地表水体的水量： 漏水量指跑、冒、滴、漏损失的水量。由图中可以看出各水量之间有如下的 关系： rq l + q 4 = q 2 + q 3 q 2 + q 3 = 驮十q 6 + 9 + q 4 ( 2 - 1 ) l q ，；口( q ：+ g ，) 上式中，口为城市污水排水系数，根据经验判断，城市污水排水系数( 即 城市污水排放量与城市用水量之比) 视用水构成不同，通常在0 7 5 o 9 之间 波动。由方程可知，若城市污水排水系数理取值为0 8 ，城市用水量的8 0 变为污水排入下水道，如果不加以利用则是一种很大的资源浪费，因为至少 有7 0 的污水( 相当于城市供水量的半以上) 可以再生处理后安全回用； 若城市用水量不变，增加中水回用水量，可以使城市水量资源需求降低，同 时也可使城市排放量同步降低，即不但可以缓解城市供水紧张的状况，还可 以降低城市污水排放量的增加对受纳水体所造成的不利影响。 据2 0 0 2 年统计” ，我国工业和城镇生活废水排放总量为4 3 9 5 亿吨，比 上年增加1 5 。其中工业废水排放量2 0 7 2 亿吨，比上年增加2 3 ；城镇生 活污水排放量2 3 2 3 亿吨，比上年增加o 9 。可见，我国污水排放量日趋增 长，但我国污水处理率偏低，只有2 0 3 0 ，二级处理率为1 0 ，污水回 用率则更低。而污水回用与回用量是建立在污水排放量和处理率之基础上的， 因为污水必须经过处理后才能进行回用，如果污水处理率太低则可直接进行 深度处理达到回用目的的污水量较小，很难发挥城市污水作为稳定的城市第 二水源的作用。因此，若我国具备与之相适应的处理能力，将会形成较大的 资源规模，所以目前强化城市污水管网与污水处理工程设施的配套建设，提 高城市污水处理率，是推动城市污水再生利用的关键。随着基础建设的加快， 截止2 0 0 0 年底，我国已建成城市污水处理厂4 2 7 座，在建3 0 0 多座，这就给 污水回用创造了有利条件。因为凡是污水处理厂都可以在此基础上建设深度 处理设施，将污水再次适当处理后回用，从而可以缓解一大批城市的供水危 机。 根据“十五”计划纲要的要求，到2 0 0 5 年，我国城市污水集中处理率要 第二章城市自来水、污水、中水三者之间的内在联系 达到4 5 。如果污水回用率平均达到2 0 ，则“十五”末期年污水回用量可 达到4 0 亿m 3 ，可解决全国城市缺水量的半。按国家城市污水处理及污 染防治技术政策，到2 0 1 0 年，全国建制城市和建制镇的污水平均处理率不 低于5 0 ，建制城市的污水处理率不低于6 0 ，重要城市的污水处理率不低 于7 0 。同时根据对我国未来5 0 年污水处理率的预测，污水处理率会不断 提高，而污水再生和回用率也会相应提高，这比发达国家要低，但足够满足 供水需求的增长“”。由此可见，城市污水处理率的提高，大量城市污水处理 厂的建设，为城市污水回用创造了前所未有的机遇，对解决水资源危机也具 有重要的战略意义。 2 2 中水的合理布局及自来水、污水与中水的水质转换 2 2 1 合理布局 城市中水系统的布局一般是以集中处理回用为主，分散处理回用为辅。 分散处理主要有以下两类：一是指建筑中水，如城市中的大型建筑物( 办公 大楼、高层建筑、宾馆、大型游乐场所等) 生活污水自成系统，分散独立处 理后循环回用于原建筑物作为杂用水使用；二是指小区中水，在一个范围较 小的地区( 居住小区、机关大楼、学校等) 的建筑群内建立分散处理设施， 中水水源取自各建筑物排放的污水，处理成中水再分配给这个范围内的建筑 物使用。 分散处理的优点是就地收集、处理、回用，而且随着科学技术的发展， 尤其是近年来微滤、纳滤和反渗透等膜技术的不断发展，成本的持续下降， 污水处理设施实现了装置化、小型化，使污水分散处理回用得以很好的实现， 从而可以用于冲洗厕所，浇洒绿化和道路等。与集中回用相比，分散处理可 节省大量输送管道建设费用，但中水回用量小、范围狭、管理分散，运行操 作难于规范化，而且也增加了污水处理设施和回用设施的投入。 集中处理一般是指城市污水再生回用，即在城市污水处理厂内或附近建 设深度处理设施，利用城市污水厂的二级出水作为中水水源，经深度处理达 到中水标准后，再供给某个区域的建筑、住宅或工厂。它的优点是集中处理 水量大，回用面广，特别适合于回用水量大的工业用水，如发电厂、冶金系 统、纺织系统等的冷却用水，可明显地减少城市供水量。 根据中水回用成本分析“，如果处理量为1 5 0m 3 d 的中水设施( 包括设备 第二章城市自来水、污水、中水三者之间的内在联系 折旧费1 ，每i n 3 水处理成本在1 5 元以下，不包括设备折旧费每m 3 水处理成 本在o 7 5 元以下是合理和可行的。但目前基本上均做不到，这就是目前中水 回用难以推广或进展缓慢的原因所在。因此分散处理水量小，在经济上不合 算，费用太高，而集中处理水量大而集中，不包括设备折旧费每m 3 水的处理 成本完全可低于o 7 5 元，这不仅说明集中处理成本低于分散处理。而且说明 了回用的可能性，经济性和合理性问题。 同时，集中处理有利于统一管理和保证处理水质。因为分散处理时的中 水设施一般采用地埋的形式，大都埋在地下，平时看不见摸不着，又没有专 业的管理人员和水质化验分析的仪表设备，因此曝气头是否堵塞、填料是否 损坏、挂膜脱膜是否正常、出水水质是否达到排放标准等均不太清楚，从而 存在着一系列的问题。而城市污水处理厂内设施齐全，有一套较为严格的管 理操作制度和岗位责任制，现代化城市污水处理厂还设有自动水质测试系统 和电视