（环境工程专业论文）河北省城市用水健康循环途径与需水管理策略研究.pdf

摘要 摘要 在水环境日益恶化的今天，如何遏制恶化趋势，重新建立起水的健康循环， 恢复良好水环境，是当前水资源可持续利用，人类永续发展的根本性问题。蟊 前，河北省城市水社会循环的变化特征是：城市供水、用水、排水、污水处理 回用和节水系统都在向较好的方向发展，但这样的发展仍然造成了河北省水资 源的严重短缺。究其原因，除水资源的天然可利用量少、欠佳的资源组合、城 市化水平的提高和经济活动对水的需求大等客观原因外，主要还是水资源开发 利用中存在的问题。如水资源的严重超采；大部分城市污水直接排放造成的水 体污染和水环境恶化；管理不完善，用水浪费现象严重等。所以本文认为实现 河北省城市用水健康循环的途径主要是通过节制用水战略实施可持续城市需水 管理。 在参阅研究国内外大量资料的基础上，调研分析河北省城市水管理现状， 以河北省为实例，建立了我国需水管理的理论基础和结构框架。首次提出了综 合水资源规划的基本概念，认为制定综合水资源规划应改变传统的资源概念， 把节制用水作为一种资源纳入供水规划；应改变传统的供水规划模式，把综合 经济效益置于突出地位；应改变传统供水规划在节水方面的模糊性，把终端节 水的实施作为一个重要的规划领域。 对综合水资源规划的主要组成部分“需水管理”进行了重点研究。认为它 是供水公司采取有效的激励和诱导措施以及适宜的运作方式，与用户共同协力 提高终端用水效率、改变用水方式，为减少水量消耗和用水需求所进行的管理 活动；因其强调供水公司的主体作用，强调在提高用水效率的基础上取得直接 经济效益，强调建立供水公司与用户之间的伙伴关系和基于用户利益基础之上 的供水服务，所以它是传统用水管理方式的一种演进和变革；同时划分了规划 和管理的对象供应方资源和需求方资源。 根据河北省长期以来由于预测模型选取不当致使用水需求预测偏高，供水 工程设施闲置，投资浪费现象，本文首次运用系统动力学理论与方法建立了可 持续城市需水量预测模型。在现阶段我国城市需水发展和变化统计资料还不太 完善的情况下，系统体系的界定是城市需水量的计算采用人均综合用水定额法。 利用系统动力学v e n s i m 软件建立城市需水量预测模型的过程可分5 步：矛盾与 问题分析、系统的结构分析、建立仿真模型、模型的检验与评估和系统的仿真 结果分析。在此过程中将整个城市需水量预测系统看成是一个复杂的大系统， 该大系统又分为4 个子系统，即城市新鲜水供应系统、人口和城市需水系统、 节水系统和污水回用系统，并以水资源的供需矛盾为主导结构，分析了子系统 北京一业大学工学博士学位论文 i 剐的依赖与制约，从而得到整个系统发展的特征。 本模型以河北省1 1 个省辖市的用水人口、用水人口增长系数、人均综合用 水量、自来水公司供水能力、自备井供水能力、污水处理率、污水回用率、管 网漏失率和节水率等基本资料为基础，描述从1 9 9 1 年到2 0 0 1 年这一时域里复 杂的系统行为，借助计算机对1 1 年内的河北省1 1 个省辖市的需水量进行定性 和定量情形的仿真，并预测了2 0 1 0 年、2 0 2 0 年和2 0 3 0 年的需水情况。 对如何实施需水管理进行了详细研究。论述了需水管理体制中相关职能部 门( 各城市节水办、需水管理指导委员会、供水公司、节水服务公司) 的职能 与作用和广大用户应发挥的作用。确立了管理目标和管理对象，提出开展需水 管理要有两方面的技措：提高终端用水效率和改变用户的用水方式。提高终端 用水效率的措施主要有开发、推广节水器具，改变用户消费行为，加强水平衡 测试工作和用水审计以及统一调度甚至取缔自备水源等；在改变用户的用水方 式中，首次提出了用水量变化曲线整形技术和可中断水价、峰谷水价、分时水 价等一些新概念，认为用水量变化曲线整形技术主要包括削峰、填谷和移峰填 谷，并研究了采用每种技术所应采取的控制手段等。 对需水管理实施过程中应采取的财政、诱导和行政手段进行了研究。认为 财政手段主要有：水价鼓励、对优质节水产品的折扣、免费安装鼓励、节水特 别奖励和对利用再生水的鼓励等；诱导手段主要有政府的示范作用，让供水公 司有意识地与节水产品制造商、批发商和零售商开展合作，邀请有资格的社会 团体和有经验的专家参与需水管理的设计和实施等；行政手段主要有：制定和 完善相关的法规、政策和用水产品的效率标准和监控办法，加强政府在用水效 率方面的服务职能等。 研究制定了需水管理项目的规划程序，认为一项需水管理项目的实施大体 可分四个阶段，一是前期准备阶段，二是需水管理计划的制定阶段，三是实施 示范工程阶段，四是全面实施阶段；最后还要对需水管理的实施效果进行检验 和评价。为了通过实施需水管理合理配置水资源，取得最佳的经济技术效果， 还以河北省为例对需水管理节水技术方案的成本效益分析进行了研究；对其实 施过程中存在的难点提出了解决对策：最后展望了综合水资源规划方法和需水 管理技术在河北省和我国水行业的应用前景。 关键词城市用水健康循环途径；综合水资源规划：需水管理；节制用水；城市 需水量预测模型 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w jt ht h ei n c r e a s i n gd e t e r i o r a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n t ，i tw a sv e r y e m e r g e n c yt h a ta ne f f i c i e n tm e t h o ds h o u l db ef o u n dt oc o n t r o la n dr e b u i l d ah e a l t h yc i r c u l a t i o no fw a t e r ，w h i c hw a st h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mt o t h es u s t a i n a b l eu s eo fw a t e rr e s o u r c ea n dt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t o fp e e p l e a tp r e s e n t ，t h ec h a n g i n gc h a r a c t e ro fs o c i e t a lu r b a nw a t e r c i r c u l a t i o ni nh e b e ip r o v i n c ew a st h a tt h es y s t e mo fu r b a nw a t e rs u p p l y ， w a t e ru s e ，d r a i n a g e ，s e w a g et r e a t m e n tr e u s ea n dw a t e rc o n s e r v a t i o nh a d ag o o dd e v e l o p m e n t ，h o w e v e rs u c hd e v e l o p m e n tl e dt oas e v e r es h o r t a g e o fw a t e rr e s o u r c ei nh e b e ip r o v i n c e t h em a i nr e a s o nw a st h ep r o b l e mi n w a t e rr e s o u r c ee x p l o i t u r ea n du s eb e s i d e st h el a c ko fw a t e rr e s o u r c e ， n o tg o o dr e s o u r c ec o m b i n a t i o n ，t h ee n h a n c i n go fc i t yl e v e la n dt h eb i g w a t e rr e q u i r e m e n tb e c a u s eo fe c o n o m i cd e v e l o p m e n t f o re x a m p l e ，t h e e x c e s s e x p l o i t u r e o fw a t e rr e s o u r c e ，w a t e r p o l l u t i o n a n dt h e d e t e r l o r a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n tb e c a u s eo fn o tt r e a t m e n ts e w a g e ，n o t p e r f e c t w a t e rm a n a g e m e n ta n dw a t e rw a s t ee t c t h e r e f o r et h i sp a p e r t h o u g h t t h a tt h ea p p r o a c ht oa c h i e v i n g a h e a l t h y u r b a nw a t e ru s e c i r c u l a r i o ni ng e b e ip r o v i n c ew a sm a i n l yt oi m p l e m e n ts u s t a i n a b l ew a t e r d e m a n dm a n a g e m e n t ( w d m ) b yw a t e rc o n s e r v a ti o ns t r a t e g y t h i ss t u d ye s t a b l i s h e dt h et h e o r e t i c o lf o u n d a t i o na n df r a m eo fo u r c o u n t r y sw a t e rd e m a n dm a n a g e m e n tb yt a k i n ge x a m p l ef o rh e b e ip r o v i n c e v i ar e s e a r c h i n gag r e a td e a lo fo v e r s e a sm a t e r i a l s ，i n v e s t i g a t i n ga n d a n a l y z i n g u r b a nw a t e r m a n a g e m e n ts y s t e m i nh e b e i p r o v i n c e a n d c o n s i d e r i n g o u rc o u n t r y sp r a c t i c e i n t e g r a t e dw a t e rr e s o u r c ep l a n ( i w r p ) w a sp u tf o r w a r da n di t s m a i nc h a r a e t e r i s t i c sw e r et a k i n gw a t e r c o n s e r v a ti o na sar e s o u r c e i nw a t e r s u p p l yb yc h a n g i n g t r a d i t i o n a l r e s o u r c ec o n c e p t ，g i v i n gp r o m i n e n c et oi n t e g r a t e de c o n o m yb e n e f i ta n d t a k i n gt h ei m p l e m e n t i n go ft e r m i n a lw a t e rc o n s e r v a t i o na sa ni m p o r t a n t p l a nf i e l db yc h a n g i n gt h en e g l e c to ft r a d i t i o n a lw a t e rs u p p l yp l a nt o w a t e rc o n s e r v a t i o n w d mw a ss t u d i e da sae m p h a s i sw h i c hw a st h em a i np a r t o fi w r p i t w a st h o u g h ta sam a n a g i n ga c t i v i t yt h a tw a t e rs u p p l yc o m p a n yi n c r e a s i n g t e r m i n a lw a t e ru s ee f f i c i e n c ya n dc h a n g i n gw a t e ru s em a n n e rb ya d o p t i n g i i i 北京j 业大学t 学博士学位论文 i i i n s p i r i n ga n dr e v u l s i v em e a s u r e se f f i c i e n t l ya n df e a s i b l eo p e r a t i o n s t y l ew i t hc o n s u m e r si no r d e rt or e d u c ew a t e rc o n s u m p t i o na n dr e q u i r e m e n t i tw a sa l s oa na d v a n c e m e n to ft r a d i t i o n a w a t e ru s em a n a g e m e n ts t y l ef o r i te m p h a s i z e dt h a tw a t e rs u p p l yc o m p a n yw a sa p r i n c i p a lp a r t ，w a t e r c o n s e r v a t i o nm e a s u r e ss h o u l do b t a i nd i r e c t e c o n o m yb e n e f i tb a s i n go n i m p r o v i n g w a t e ru s ee f f i c i e n c y ，t h ef e l l o w s h i pb e t w e e nw a t e rs u p p l y c o m p a n ya n d c o n s u m e rs h o u l db ee s t a b l is h e da n dw a t e rs u p p l y c o m p a n y s h o u l dp r o v i d es e r v i c eb a s e do nc o n s u m e r s b e n e f i t t h es u p p l ya n d d e m a n dr e s o u r c ew a ss t u d i e da st h ep l a na n dm a n a g e m e n to b j e c t a c c o r d i n gt ow a t e rs u p p l ye s t a b l i s h m e n tb e i n gl e f t u n u s e da n dt h e i n v e s t m e n tb e i n ge x t r a v a g a n ti nh e b e ip r o v i n c eb e c a u s e o fc h o o s i n g u n s u i t a b l ef o r e c a s t i n gm o d e li e a d i n gt oh i g h e rw a t e rd e m a n dq u a n t i t y ， t h ef o r e c a s t i n gu r b a nw a t e rd e m a n de m u l a t i o n a lm o d e lw a se s t a b l i s h e db y u s i n gs y s 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c a s t i n gs y s t e ms h o u l db et h o u g h ta sac o m p l e xb i g s v s t e minw h i c h4s u b s y s t e ms h o u l db ed i s p a r t e d ，i e t h e u r b a nf r e s h w a t e rs u p p l ys y s t e m ，t h ep e o p l ea n du r b a nw a t e rd e m a n ds y s t e m ，w a t e r c o n s e r v a t i o ns y s t e ma n ds e w a g e r e u s es y s t e ma n dt h ew h o l es y s t e m s d e v e l o p m e n t c h a r a c t e r i s t i c s w e r eo b t a i n e db ya n a l y z i n g t h e c o n t r a d i c t i o no f w a t e rr e s o u r c e ss u p p l y a n dd e m a n da n de v e r y s u b s y s t e m sd e p e n d e n c e a n dr e s t r l c t i o n t h i sm o d e ld e s c r i b e d1 1c i t i e s c o m p l i c a t e ds y s t e mc o n d u c ti nh e b e i d r 。vin c ef r o m 19 9tt o2 0 0 1a n d f o r e c a s t e dw a t e rd e m a n dq u a n t it yo f 2 0 1 0 2 0 2 0 2 0 3 0b yc o m p u t e r s q u a l i t a t i v e l y a n d q u a n t i f i c a t i o n a l l y i m i t a t i n gt h e s ec i t i 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t u d i e d t h ei m p l e m e n t i n g v 北京工业大学工学博士学位论文 o fw h i c hc o u l db ed i v i d e di n t o4 p h a s e s ，t h ef i r s tw a st h ep r o p h a s e p r e p a r a t i v ep h a s e ，t h es e c o n dw a sw d m sc o n s t i t u t i n gp h a s e ，t h et h i r d w a st h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c ti m p l e m e n t i n gp h a s ea n dt h ef o u r t hw a st h e e n t i r e i m p l e m e n t i n gp h a s e ：a tl a s tt h ew d mi m p e m e n t i n ge f f e c ts h o u l d b et e s t e da n de s t i m a t e d t h ec o s ta n db e n e f i ta n a l y s i so fw d m sw a t e r c o n s e r v a t i o nt e c h n o l o g yp r o j e c tw a ss t u d i e db yt a k i n gl l e b e i p r o v i n c ea s a ne x a m p l ef o rd i s t r i b u t i n gw a t e rr e s o u r c er e a s o n a b l ya n do b t a i n i n gt h e b e s te c o n o m i ca n dt e c h n i e a le f f e c tb y i m p l e m e n t i n gw d m t h e r ew e r e 5 d i f f i e u l t i e si nt h e i ri m p l e m e n t i n ga n dt os o l v et h e s ed i f f i c u l t i e sw e p u t 9 p ie c e s o fc o u n t e r m e a s u r e sf o r w a r d a tl a s tt h e i w r pa n dw d m a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d i nh e b e i p r o v i n c e a n do u rc o u n t r y sw a t e r i n d u s t r yw a sp r o s p e c t e d k e y w o r d s t h ea p p r o a c h e so fh e a l t h yu r b a nw a t e ru s ec i r c u l a t i o n ：t h e i n t e g r a t e d w a t e rr e s o u r c ep l a n ：w a t e rd e m a n dm a n a g e m e n t ： w a t e rc o n s e r v a t i o n ：t h ef o r e c a s t i n g u r b a nw a t e rd e m a n d e m u l a t i o n a lm o d e l v i 独创性声明 本人声明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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 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。 签名：壅蔓垒 日期 关于论文使用授权的说明 z 口0 1 - , 每s 本人完全了解北京工业大学有关保留、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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 臧番纽 跏签名：翟盔胁巡! 蛐乙 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 水是构成生态环境的基本要素，也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。随着世界城市化 进程加快，许多城市严重缺水，特别是在工业和人口过度集中的大都市和超大 都市地区，情况更加严重。城市同益严重的水资源短缺和水环境污染不但严重 困扰着国计民生，而且已经成为制约社会经济可持续发展的主要因素。因此， 如何将城市化进程中出现的水环境问题处理好，是保障城市可持续发展的重要 前提，正确处理好人类与自然，发展与环境的关系，是摆在全社会面前的共同 责任。 在我国，由于污染加重，可用水资源急剧减少，而随着经济的高速发展、 人民生活水平的提高和人口的增长，我国对水资源的需求又出现目仃所未有的渴 望。在这种情况下，如保持与需求同步，单靠扩大供方能力的基建规模，势必 会带来更大的财政、环境和社会压力；由于售水收入的有限和大范围增加取、 供、配水能力，我国供水事业面临的财政困难和缺水危机也越来越大；同时， 为了满足需求，增加供水量，加速了自然资源的使用，产生的污水又加重了我 国的环境危害。因此，水环境和水资源已成了制约我国经济发展和人民生活水 平提高的“瓶颈”。 我国政府己充分意识到了该问题的严重性，在政策方向上给予了一定的指 导。在国务院批准的中国2 l 世纪议程中指出：“中国可持续发展建立在资 源的可持续利用和良好生态环境上”，而“水资源的持续利用是所有自然资源保 护和可持续利用中最重要的一个问题”。中国工程院的重大咨询项目中国 可持续发展水资源战略研究综合报告及各专题报告又提出了我国水资源的总 体战略：必须以水资源的可持续利用支持我国社会经济的可持续发展。并突出 强调解决我国水的问题，核心是提高用水效率，建设节水型社会，并概括了节 流优先，治污为本，多渠道开源的指导原则。项目综合报告建议的战略性转变 之，是要从单纯地以需定供转变为在加强需水管理基础上的水资源供需平衡 战略。 河北省是我国严重缺水的省份之一，年均水资源量在3 1 个省( 市、自治区) 中列第2 8 位，人均水资源占有量为全国的i 7 ，全省海河流域七大水系中7 0 8 0 的河流都受到了污染，有5 0 的河流属于重度污染，其水资源状况具有“资源 型”和“水质型”缺水的双重特点。目前，河北省境内i 3 以上流域面积的径 流已专供京、津。省内无论枯水、平水或丰水年，都依靠年均超采4 0 亿m 1 地下 北京： 业大学工学博士学位论文 水过日子，同时，华北还可能出现特殊干旱和连续干旱嘲。河北省在解决水资 源供需矛盾中发现，给水厂年年在建，但仍不能满足需求，且供水难度在增大， 供水成本在增加，可用水资源在减少，如果仍然只重建设，不重管理的话，河 北省的水危机会越来越严重，引起的财政困难、环境污染和社会压力将使其不 堪重负，无法实现可持续发展。 基于以上认识并以河北省实际情况为背景，我们认为缓解水资源危机的根 本出路在于，将水资源的开发、利用与管理纳入社会经济一水资源一生态环境 复合系统之中加以全面考虑，实现城市用水的健康循环，转变传统供水管理“以 需定供”的模式，开展“以供定需”的需水管理，实施可持续城市水管理，进 行提高用水效率和城市用水健康循环途径的研究。 1 ，2 可持续城市水管理 1 2 1 可持续城市水管理的概念 城市水管理是为达到城市科学供、用、排水管理的目标而进行的多方位、 多学科的系统的、动态的、综合性的管理工程。 城市水管理因涉及的因素较多而显现出其复杂性。国家法律、政策及各级 政府的政令、城市的经济能力、科技发展水平及掌握程度、各级决策者的决策 水平、水管理机构的性质、被授予的权限及工作能力等等，均在宏观上对城市 水管理的成败产生重大影响。供水、用水、节水、排水、治污等各环节的具体 操作也无一不影响着城市水管理的效果。因此，城市水管理是一项十分复杂、 难度较大的管理工程。 可持续“城市水管理”是1 9 9 6 年联合国教科文组织国际水文计划工作组提 出的“可持续水资源管理”( m a n a g e m e n to fs u s t a i n a b l ew a t e rr e s o u r c e s ) 的进一步升华，工作组将“可持续水资源管理”定义为“支撑从现在到未来社 会及其福利而不破坏他们赖以生存的水文循环和生态系统完整性的水的管理与 使用”3 。现代可持续“城市水管理”的观点继承了其可持续性的先进思想( 即 强调未来变化、社会福利、水文循环、生态系统保护这样完整性的水的管理) ， 并从城市可持续发展这一更深入的层次提出：可持续城市水管理的目标与重点 是要通过节制用水、科学管理城市水资源，实现社会发展的最终可持续性( 其 中生态持续是基础，经济持续是前提，社会持续才是最终目标) 。 1 2 2 可持续城市水管理的核心节制用水 节约用水从二十世纪八十年代提出至今，已将近二十年。无论是作为一个 口号、一个号召、还是一项事业和工作，都在广泛的社会范围内越来越受到重 一z 一 第1 章绪论 视。究其原因，迅速膨胀的社会生产力、持续增长的人口、日渐形成的文明习 惯和不断提高的生活水平，使整个社会对水的需求呈现了自u 所未有的强烈欲望。 而现实生活中能够获得的可利用水量又不能长期支撑这种巨大的社会需求，于 是首先被人们想到的是缩小用水供求巨大反差的最快捷的办法节约用水。 节约用水最初的含义是“节省”和“尽量少用”水。随着节水工作的深入 开展，很多城市对节水的解释己远远超出了最初的范畴，节水已经从原始自发 性，发展成城市水资源环境的胁迫性，政府可持续发展的强制性。而节制用水 方能涵盖其真实意义。其内涵是：( 1 ) 遵循水的社会循环规律，将城市供水、 节水和污水处理统一规划，有机结合；( 2 ) 科学管理城市水资源，使水的社会 循环质量满足城市可持续发展的最低要求；( 3 ) 合理开发城市水资源使之可持 续利用。( 4 ) 政府职能部门行政强制措施。 可见，节制用水不是一般意义上的节约用水，从节约用水到节制用水不但 是认识上的提高、意识上的进步，而且是城市水管理方法与手段的一种升华。 节制用水才是现代可持续“城市水管理”的核心。节制用水就是要以可持续的 城市水管理手段，通过可持续的城市水管理方法，实现城市水资源的可持续利 用，从而支持城市与社会的可持续发展。但是，真正意义上的可持续城市水管 理，从理论到实践目前尚处在初始阶段，仍需要在实践中进一步摸索“0 1 。 1 3 城市用水健康循环途径 1 3 1 健康水循环和城市用水健康循环 地球上的水处于川流不息的循环运动中，它有两种基本类型：自然循环和 社会循环。自然界的水在太阳能照射和地- i l , 的引力等自然力的影响下，通过降 水、径流、渗透和蒸发等方式，不停的流动和转化，从海洋到天空再到内陆， 最后又回到海洋，循环不止，构成了自然循环。人类社会为了满足生活和生产 需要以各种天然水体作为水源，在水的自然循环中强加了许多人为循环因素