（环境工程专业论文）城市污水再生回用系统布局规划研究.pdf

摘要 水资源是非常重要和特殊的自然资源，是人类赖以生存的基本物质和人类社 会可持续发展的限制因素。近些年由于经济的高速发展，人口增长对水需求的日 益增加，水资源供需矛盾进一步激化，而过量利用水资源或不当的水资源开发则 加剧了水资源短缺的紧张局势。为了解决城市水资源的短缺问题，需要采取节流 和开源措施，根据国内外的实践经验，同其它方式相比较，污水再生回用是解决 城市水资源紧缺的最有效途径。 推进城市污水再生回用是污染物资源化和建设循环经济型社会的一项重要 措施，而城市污水再生回用设施的合理建设则是保障和前提。要搞好城市污水再 生回用基础设施的建设，首先必须开展科学严谨的规划，然后依照规划来进行建 设。本文以系统理论为指导思想，从再生水供水模式的临界距离选择判据、区域 再生水供水管网的评价指标、基于风险分析的再生水供水模式选择等方面系统研 究了城市污水再生回用系统的布局规划问题。在城市污水再生回用系统供水模式 的判据一临界距离的推导过程中，不仅考虑了系统的基础建设费用，还加入了集 中式再生水厂的运行费用、分散式污水再生回用工程的运行费用和管网系统的运 行费用，并对其他的影响因素如环境、社会等因素进行了经验修正，使求得的临 界距离更趋合理，同时初步探讨了在系统运行过程中不确定因素的影响下供水模 式的选择问题和管网分形理论在区域再生水供水管网规划中的应用问题。在理论 研究的同时，结合研究区域的污水再生回用系统给出了相应的实例应用，验证了 理论与方法的可行性与实用性。 关键阗：城市污水再生回用系统布局规划临乔距离管网评价指标分形 风险分析 a b s t r a c t w a t e ri sv e r yi m p o r t a n ta n dv e r ys p e c i a ln a t u r a lr e s o u r c e s ，w h i c hi st h eb a s i c m a t e r i a lf o rh u m a ns u r v i v a la n dal i m i t i n gf a c t o rf o rt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f h u m a ns o c i e t y i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t so f e c o n o m i c ，i n c r e a s i n g d e m a n df o rw a t e ri s p u s h e db yt h ep o p u l a t i o ng r o w t h ，t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e n s u p p l ya n dd e m a n do fw a t e rr e s o u r c e si sf u r t h e rs h a r p e n e d ，a n di m p r o p e re x p l o i t a t i o n o re x c e s s i v eu s eo fw a t e rr e s o u r c e sa g g r a v a t et h et e n s i o n so fw a t e rs h o r t a g e ，w h i c h m a k ew a t e rb e c o m eo n eo ft h em a j o ri s s u e sf o rt h eh u m a n b e i n g s i no r d e rt os o l v e t h es h o r t a g eo fu r b a nw a t e r , w en e e dt ot a k em e a s u r e st oc u te x p e n d i t u r ea n dr a i s e r e v e n u e a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c e sb e t w e e nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l ，c o m p a r e d w i t ho t h e rm e t h o d s ，w a s t e w a t e rr e c l a m a t i o na n dr e u s ei st h em o s te f f e c t i v ew a yt o s o l v et h ew a t e r s h o r t a g ei nt h ec i t y u r b a nw a s t e w a t e rr e u s ei sa ni m p o r t a n tm e a s u r ef o rt h ec o n s t r u c t i o no fc i r c u l a r e c o n o m ys o c i e t y , a n dt h ec o n s t r u c t i o no fm u n i c i p a lf a c i l i t i e si se v e nm o r ei m p o r t a n t f o rt h ea i mt ot u r np o l l u t a n t si n t or e s o u r c e s a h e a do f b u i l d i n gt h ec i t y si n f r a s t r u c t u r e w em u s tf i r s tw o r ko u tt h ep l a n n i n g ，a n dt h e ni m p l e m e n ts c i e n t i f i c a l l ya n ds t r i c t l yi n t h i sp a p e r , i tt a k e ss y s t e mt h e o r ya st h e g u i d e l i n e ，o nt h eb a s e so fs t u d yf r o mt h e o r y i n n o v a t i o na n di m p r o v e m e n t ，t h ec r i t i c a ld i s t a n c es e l e c t i o nc r i t e r i af o rt h em o d eo f r e c l a i m e dw a t e rs u p p l y , t h em a c r o - e v a l u a t i o ni n d e x e sf o rt h es u p p l yp i p en e t w o r ko f r e g i o n a lr e c l a i m e dw a t e r , t h ea p p l i c a t i o no ff r a c t a lt h e o r yi nl a y o u tp l a n n i n gf o rp i p e n e t w o r ko fr e n e w a b l ew a t e rs u p p l y i n g , b a s e do nr i s k a n a l y s i so ft h em o d eo f r e c l a i m e dw a t e rs u p p l y i n ga n do t h e ra s p e c t so fu r b a nw a s t e w a t e rr e c l a m a t i o na n d r e u s es y s t e ml a y o u tp l a n n i n ga r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d i nt h ed e r i v a t i o np r o c e s so f c r i t i c a ld i s t a n c ec r i t e r i o nf o rt h em o d e lo fw a s t e w a t e rr e c l a m a t i o na n dr e u s e s u p p l y i n g ，i tt a k e st h es y s t e m si n f r a s t r u c t u r ec o s t si n t oa c c o u n t ，a tt h es a m et i m e ，i t a l s oa d d st h eo p e r a t i n gc o s t so fc e n t r a l i z e dr e c y c l i n gp l a n t ，d e c e n t r a l i z e dw a s t e w a t e r r e c l a m a t i o na n dr e u s ep r o j e c ta n dp i p e l i n es y s t e m s i nt h ee n dt h er e s u l ti sc h a n g e d b y t h ee x p e r i e n c e d q u a n t i t a t i v e c o r r e c t i o ni nc o n s i d e ro fo t h e rf a c t o r ss u c ha s e n v i r o n m e n t a l ，s o c i a la n ds oo n ，w h i c hm a k i n gt h ec r i t i c a ld i s t a n c eo b t a i n e dm o r e r e a s o n a b l e w h a t sm o r e ，ap r e l i m i n a r ys t u d yo ft h ec h o i c eo f s u p p l y i n gm o d eu n d e r t h ei n f l u e n c eo fu n c e r t a i nf a c t o r sd u r i n gt h eo p e r a t i o ns y s t e mi sa l s oc a r r i e do u t ，a n d f r a c t a lt h e o r yi nt h ea p p l i c a t i o no fs u p p l y i n gn e t w o r kf o rr e c l a i m e dw a t e r o t h e rt h a n t h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，t h e r ea r ea p p l i c a t i o n so fc o r r e s p o n d i n gi n s t a n c ea c c o r d i n gt ot h e w a s t e w a t e rr e c l a m a t i o na n dr e u s es y s t e m ，w h i c hv a l i d a t e t h e f e a s i b i l i t y a n d p r a c t i c a b i l i t yo f t h et h e o r i e sa n dm e t h o d s k e yw o r d s ：m u n i c i p a lw a s t e w a t e rr e c l a m a t i o na n dr e u s es y s t e m ；l a y o u t p l a n n i n g ；c r i t i c a ld i s t a n c e ；e v a l u a t i o ni n d e xo fp i p e l i n e ；f r a c t a l ；r i s ka n a l y s i s 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 水资源是人类及一切生物赖以生存的基本物质，它在工农业生产、经济发展 和环境改善中所起的作用是不可替代的，因此制约着人类社会的可持续发展。近 些年由于经济的高速发展，人口增长对水需求的日益增加，水资源供需矛盾被进 一步激化；而水资源的过度使用，以及对水资源不恰当的开发利用则加剧了其短 缺的紧张态势，这些因素逐渐使水资源成为全人类目前面临的重大生存问题之 一，水资源战争一触即发。据预测，21 世纪水资源危机将位居世界各类资源危 机之首【1 ，全球的水资源总量约为1 4 1 0 1 8 m 3 ，其中只有2 7 是淡水资源，而 可供人类开采利用的水资源仅占淡水资源的0 2 ，所以可利用的淡水资源是非 常有限的【2 ；】o 我国是世界上水资源比较匮乏的国家之一，虽然淡水资源的总量居 世界第6 位，但人均占有淡水量仅排在第1 0 8 位，而且时空分布极为不均衡。在 空问分布上呈东南多，西北少的趋势，长江以北水系的流域面积占国土面积的 6 3 5 ，而水资源总量却仅占全国的1 9 ，这主要是由我国降水的空间分布不均 匀造成的；在时间分布上，由于受亚热带季风气候的影响，降水量与地面径流量 在年内分布不均且变化较大，年际之间变化不太稳定，这种特点进一步影响到了 我国的水资源格局，使其时续不均衡性更加明显，导致水资源越匮乏的区域，丰、 枯水期的差异越大【3 1 。目前我国有4 0 0 多个城市缺水，正常年份缺水达6 0 1 0 8 m 3 ， 预计2 0 3 0 年缺水量将达到5 0 0 1 0 8 m3 【钔。水资源短缺会造成资源型缺水，而水资 源的污染则会造成有水不能用的水质型缺水。我国传统的社会经济发展模式是以 “高投入、高消耗、高污染”为特点，这种模式很容易导致环境质量的整体恶化， 其中水环境的持续恶化更加令人堪忧。全国江河水域已经普遍遭到不同程度的污 染，除小部分的内陆河流和一些大型水库外，污染正在不断地加重；湖泊普遍受 到随意排放的生活污水中过量的氮、磷等元素的污染，由此引起的湖泊富营养化 问题己成为主要的生态环境问题；我国四大海区的近海海域水质恶化近些年日趋 明显，其中东海和渤海的污染最重，南海次之；重点河口、港口、海湾和沿海城 市附近海域由于人类的活动的增加也造成比较严重的污染。我国的城市人口总数 量居世界首位，每天都会产生数目惊人的城市生活污水，据统计，目前全国城市 污水排放量大约为4 1 4 1 0 8 m 3 a ，但是城市污水处理率和二级处理率分别仅达到 3 0 和1 5 ，而经过污水处理每年产生的近百亿吨清洁水，也几乎都被白白地排 第一章绪论 放掉到自然水体，污水的平均回用率只达1 0 【5 】。 由此可见，水危机的产生主要有以下几个方面：一是水资源是非常有限的， 水资源总量是丰富的，但是人类能够直接使用的淡水资源只占其中很小的比例； 二是自然界中存在着水文循环，地表水和地下水由降雨、降雪等其它降水方式循 环补充和再生，以提供人类所需要的水资源，但以这种形式补充和再生的水资源 己被人类日益增长的需求所湮没；三是由于人类将大量生产和生活的污水不经处 理或处理不当就直接排入自然水体，引起水体各种形式的污染，结果使可供利用 的水资源愈加减少。 随着城市化进程的加快和城市社会经济的不断发展，人们对水资源数量和质 量的需求也越来越高。城市规模的不断扩张，使得原有的供水基础设施愈显薄弱， 而生产和生活中不注意节约用水，加上无节制的污水随意排放使得可用的新鲜水 资源越来越少，同时也导致了地下水的水位不断降低，水资源的供需矛盾日趋尖 锐化，如此持续下去，首先使国家的经济发展受到严重地束缚和制约，进而可能 会演变成重大的社会危机，造成不可估量的损失，因此探求新的出路，开发出新 的可利用的水源迫在眉睫。 要从根本上缓解城市的水资源危机，需要把节流和开源措施结合起来。根据 近些年国内外众多的工程实践经验，可以通过雨水蓄用、跨流域调水、海水淡化、 极地拖冰、人工降雨、污水再生回用等途径开发新的水资源【6 】。上述各个途径各 有其优缺点，相对来说，初期雨水不仅在水质上比城市污水厂的二级出水差，而 且在收集、储存和净化处理上也比城市污水困难；跨流域引水调水工程量大，工 期长，耗资、耗能非常大，制水成本也偏高；海水淡化目前技术还不成熟，制水 成本也比较高：城市污水量随着用水量的增加而上升，污水的水质比较稳定，一 般不会出现大的波动，且与自然条件的变化关系不大，又不需要从较远的地方引 水，只要加以处理后能达到国家的标准，可以成为城市理想的第二水源。城市污 水如果不加净化，随意排放，将造成严重污染，且使大量的优质水退化为劣质水； 相反，若能去除其中的污染物，水质改善后加以利用，则能除害兴利，取得多重 效益【。7 1 ，如使用处理后达标的污水代替部分天然水资源来缓解水资源的紧张状 况；采用新型环保的处理方法降低污水治理的运行成本；为本地区的经济发展提 供稳定、可靠的低质水源：通过污水的再生回用保护和改善区域的自然生态环境 i s 。开展城市污水资源化利用，实现低质水低用，不仅可以减轻污水的随意排放 对自然水体的污染，还可以减少新鲜水的使用量，从而产生良好的社会效益、经 济效益和环境效益，使它们之间协调发展，而其间接效益和长远效益更是难以估 量，因此城市污水再生回用对解决水污染问题和城市水资源短缺问题都具有十分 重大的意义p j 。 第一章绪论 污水再生回用是解决城市水资源紧缺的有效途径，实施污水再生利用，必须 从系统的角度，对再生水厂和再生水供水管网系统进行时空上的合理布局，即开 展城市污水再生回用系统的布局规划，这样才能充分释放再生水的潜在效益，如 果不进行系统分析和规划就可能达不到预期的效果，所以对城市污水再生回用系 统的布局规划进行有效的分析和指导是很有必要的。 1 2 城市污水再生回用系统规划研究现状 1 2 1 国外城市污水再生回用系统规划研究现状 污水再生利用是人类文明发展的产物，它是在城市发展的过程中，为满足人 类健康而不断产生的需要与由此激发的技术进步共同作用的结果。从原始的污水 再生利用形态，到现在大规模多渠道的再生水供应，污水再生利用经历了漫长的 探索和发展演变过程【i o 】。由于意识到污水资源化对于缓解城市供水危机的重要 性，城市污水再生回用已经成为世界上不少国家解决水资源不足的战略性对策， 美国、日本、德国和以色列等发达国家率先开展了这方面的研究和应用，多年来 己积累了大量丰富的实践经验，对污水再生回用的认识和研究比较深入，回用规 模和方向范围都很大，应用技术的领域比较广泛，在一定程度上缓解了水资源的 供需矛盾，缓解了由于水资源的不足而对城市发展造成的限制，收到了一定的经 济、环境与社会效益，这为其他国家提供了可供参考的实践经验。 2 0 世纪7 0 年代，美国的b i s h o pa b t l l 。13 】等人以系统分析为基础首次将城市 污水再生回用系统纳入到水资源系统，并建立了线性规划模型，该模型考虑了污 水再生回用输配的季节性和一些随机因素，用于解决研究区域内水资源的优化分 配问题。o c a n a sg 【1 4 】等人提出了区域内污水综合利用的非线性多阶段规划模型， 以使规划的总供水费用降至最低。该模型综合考虑了区域内的给水系统、排水系 统和污水处理回用系统，并在美国得克萨斯州的圣安东区域中进行了成功应用。 s c h w a r yb m 1 1 5 】等人研究了区域污水再生回用的动态规划方面，并建立了相应的 数学模型，该模型综合考虑了区域水量优化分配和污水优化处理的动态规划等问 题，在可行的方案中先求出各自最佳的污水回用水量，再据此选择最优的污水处 理回用方案。9 0 年代至今，对城市污水再生回用系统的研究更加深入，范围更 加广泛，t a k a s h ia 【1 6 - l8 】等人重点研究了污水再生回用的影响因素，提出了污水再 生回用工程规划的系统分析方法，该分析方法涉及到对污水再生回用进行市场评 价、金融分析、健康风险评价及用户接受程度的调查等。g i d e o no t l 9 】贝9 更进一步， 还考虑了处理程度和相应的技术及储运、输配等因素，进而形成了城市污水再生 利用的综合规划模型，对污水处理、排放及回用系统等进行优化，并在以色列的 第一章绪论 b e es h e v a 市进行了应用。y a n gyh i 2 0 】重! 点研究了城市污水再生回用工程的建设 费用问题和再生水供水管网的优化问题。g e r a l dj 2 l j 等人为减少工业中各环节对 新鲜水的消耗，将以总费用最低为目标的线性规划模型应用于工业用水的再生利 用。z e e m a ng 1 2 2 】等人指出对分散式回用系统应将给水和排水处理系统相结合， 以使新鲜水的需求量降至最低，从而使淡水资源的开发也保持在较低的水平。 d o w ntj 【2 3 】等人利用相关的数学模拟模型对包括再生水在内的城市供水总系统 进行了规划。g u a n g t a of t 2 4 】等人认为优化控制对提高系统的性能有比较明显的效 果，并采用多目标优化代替传统研究中的单目标控制，并用改进的遗传算法一 n s g a i i 为基础进行了相关实例的分析，凸显出其优良的性能。u r k i a g aa 【2 5 j 等 人运用a q u a r e c 方法进行污水再生回用工程的可行性研究，把社会与生态等 相关的因素考虑在内，帮助工程公司和管理部门完成特殊区域污水再生回用工程 的规划和建设。 由此可见，国外对城市污水再生回用的研究己经取得了相当多的成果，从将 其作为城市水资源系统中的一个因素到一个独立的系统，从仅考虑一些简单的影 响因素到把影响该系统的内部因素和外部因素都纳入到对其的规划当中，更加注 重其与经济、社会、环境的协调关系，促进城市的可持续发展。 1 2 2 国内城市污水再生回用系统规划研究现状 8 0 年代末，我国大部分城市水资源紧缺的局势己十分严重，而城市污水再 生回用技术却日趋成熟，我国开始研究针对不同污水水源和回用对象的处理技术 和工程应用示范【2 6 】，但是从城市尺度开展的污水再生回用规划的研究比较少【27 1 ， 导致这方面的研究相对发达国家落后。随后，太原、大连、天津、石家庄、西安、 西宁、北京等城市相继开展了城市污水再生回用规划的研究 2 8 - 2 9 】。许京琪【3 0 】较 系统地介绍了发达国家( 如美国) 在城市污水的再生与回用规划方法、项目设施 规划，项目实施的具体环节和机构，以及建立用户合同等方面的工作和经验，这 对我国开展这项工作有参考意义。吴丽梅【3 1 】等人建立了城市污水回用系统规划 的o l 整数规划的数学模型，重点探讨了在已经确定污水处理厂的位置、污水 收集系统和处理等级等的条件下，如何对再生水的回用对象和回用规模，追加深 度处理的规模等进行选择，以使再生水输配系统经济合理且技术可行。吴险峰 【3 2 】、田一梅【3 3 】等人尝试对包括再生水在内的城市整个供水系统进行统一的规划， 主要采用了线性规划和非线性规划的数学方法。熊家晴【3 4 】等人主要探讨了城市 污水再生利用的规划设计，首先从相关的几个典型问题出发，对城市污水再生利 用规划的内容进行了简要的论述，然后着重分析了城市污水再生利用系统的确定 和对旧有给排水系统的影响等几个问题，并提供了一些可供参考的解决思路和方 4 第一章绪论 法。马伟芳【3 5 】等人建立了以经济和社会效益最高、环境污染最小为目标的分质 供水综合优化配置数学模型，并对天津市2 0 1 0 年再生水与自来水资源的优化配 置进行了仿真计算。李梅【3 6 】等人建立了城市污水回用系统动力学模型，综合考 虑了影响城市污水回用的诸多因素并对这些因素之间的相互关系进行了定量描 述，且将定性与定量相结合，变单纯的静态研究为动态模拟，对研究对象进行长 期预测，从而从宏观上分析和预测城市污水再生回用的影响。徐志嫱 3 7 - 3 8 】等人将 城市污水处理厂布局规划中的临界距离概念引入到了城市污水再生回用系统中， 以此作为研究区域中再生水供水模式选择的经济性判据，并推导出了临界距离的 数学公式。信昆仑 3 9 1 等人在g i s 软件中对导入的污水回用管网构建了几何网络， 通过划分泰森多边形确定管网节点供水区域的范围，并进行回用水量的计算，为 城市污水再生回用系统的规划提供定量的依据。李景会【4 0 】等人在分析、研究c z 市污水回用历史、现状及存在问题的基础上，从水量、水质、管道系统和处理工 艺上分析和探讨了制定c z 市污水回用规划的方法。杜鹏飞【4 l 】等人探讨了如何合 理地对多个再生水水源和多个回用水用户进行时空上布局的问题，通过设定多个 决策目标来模拟不同的回用情景，并实现基于不同目标的非线性优化计算。戚飞 h 2 j 等人就城市污水处理厂污水再生利用的影响因素进行了初步的探讨，认为污 水的再生利用应从水质、服务对象、供水管网、投资及使用成本等方面综合考虑， 不宜盲目实施。黄徽【4 3 】等人针对石家庄的特点，设计了多情景，并以非线性优 化方法得到了具体的再生水水源和回用水用户的配水方案，接着以优化方案作为 模型进行输入，利用系统动力学的模型进行情景模拟，得到了各方案中污染物排 放量等方面的动态变化状况，为城市污水再生回用系统的规划提供直接的决策支 持。 综上所述，我国在城市污水再生回用系统的研究上主要有以下特点： ( 1 ) 研究大多集中在后期优化阶段，即是在已有再生水厂和管网系统的基 础上，对多个用户和多个再生水厂建立供水量的数学模型，以经济、社会、环境 等效益为目标来进行优化，而没有考虑污水再生回用系统设计规划阶段对其进行 规划，即前期规划。 ( 2 ) 在再生水供水模式上，大多数研究采用临界距离来作为一个选择的判 据，但是仅考虑了经济因素方面的影响，其它的因素则未考虑。此外，在系统的 运行过程中，存在着大量的不确定因素，这些因素可能会对供水模式产生一定的 影响，而目前的研究很少涉及。 ( 3 ) 城市污水再生回用系统的管网系统包括污水收集管网系统和再生水供 水管网系统，但由于集中式再生水厂一般与城市污水处理厂合建，因此仅考虑再 生水供水管网系统的规划，而目前对再生水供水管网系统的研究比较少。 第一章绪论 ( 4 ) 由于多数情况下再生水供水管网的布置为后期设计行为，管网的布置 设计受众多客观存在事物的影响，使得再生水管线的布置设计中存在许多不易确 定的限制性因素，如再生水供水管线的几何尺寸、空间位置、工程技术要求等， 这些限制性因素增加了获取再生水供水管线布置最优方案的难度。国内外众多专 家学者对其做过深入的研究，并提出了许多有关管网布置问题的求解方法和算 法，但目前在实际应用中还比较困难。 总体来说，我国在城市污水再生回用系统布局规划的研究上起步相对较晚， 虽然进行了一些工程实践，并取得了一定的理论成果，但侧重点都是在后期优化 阶段，缺乏一套完整的城市污水再生回用布局规划理论，加之城市再生水供水管 网等基础设施和城市污水再生回用管理体制的不完善，使得城市污水再生回用工 作在我国的推广步伐较慢吲，对城市经济的发展带来不利的影响。 1 3 研究的目的和意义 城市污水再生回用设施是城市基础设施的重要组成部分，是现代城市节约水 资源、应对缺水危机的有效保障体系。推进城市污水再生回用是污染物资源化和 建设循环经济型社会的一项重要措施，而城市污水再生回用设施的合理建设则是 保障和前提。要搞好城市污水再生回用基础设施的建设，首先必须开展科学严谨 的规划，然后依照规划来进行建设。 城市污水再生回用可分为集中式和分散式两种模式，从经济学角度来看，对 每一个潜在的再生水用户来说，其使用的再生水是由区域的集中式再生水厂供 应，还是由自身的分散式污水再生回用系统提供，将会对污水再生回用系统的建 设和运行产生重大的影响。 目前在再生水供水管网的规划工作中，研究大多集中在再生水管线布置、管 径、管长都已经确定的基础上，再运用相关的理论来进行指导，例如建立再生水 供水管网的平差模型，对再生水供水管网运行工况进行模拟、分析从而调整运行 工况、完善再生水供水管网设施等。这种方法虽然有明确的理论作基础，且提出 了切实可行的模型作为支持，但是在对再生水供水管网的规划和布置中缺少可靠 的量化评价指标。再生水供水管网的选线在很大程度上还是主要依靠规划设计人 员的经验进行确定，这就不可避免的带有一定的主观随意性，或者保守或者冒进， 都会造成经济上的损失。再生水供水管网系统的建设投资非常大，因此如何尽可 能地避免这种主观随意性，对管道定线进行合理的判断决策就显得尤为必要。 由于城市总体发展需要城市的基础设施之间同步规划、协调发展，也就是说， 给排水、供电、供暖和燃气等各项建设应保持合理的发展比例，因为任何城市和 第一章绪论 地区都不可能长期将城市基础设施的建设资金过多的集中于城市污水再生回用 系统。因此，如何从城市的总体规划布局出发，提出系统科学的污水再生回用系 统规划和建设方案，关系到城市持续协调地发展。合理的污水再生回用系统的规 划和建设可以促进城市环境的改善，并对城市经济的发展产生有利的推动作用。 通过相关的数学优化方法对再生水供水管网新建或改造的建设方案进行计算，为 规划设计人员提供可靠的量化指标，从而为城市市政建设决策部门供科学合理的 决策方案，并使政府投入有限的资金取得最佳的经济效益。这些量化指标可以是 使整个工程的建设投资最小，也可以是使整个污水再生回用系统所能服务的区域 最大，而重点在于用最少的经济投入。 本文试图在广泛调查研究的基础上，结合对天津市中心城区污水再生回用系 统布局规划的分析，思考前人在城市污水再生回用系统布局规划和建设中的问 题，总结相应的经验，为污水再生回用系统的布局规划和优化寻求更加合理、客 观的规划方法和指标，从而为以后实际的规划工作提供相关的借鉴和依据，为决 策者进行决策提供一定的参考。因此，研究城市污水再生回用系统的规划问题， 有着十分现实的理论意义。 1 4 主要研究内容及技术路线 1 4 1 主要研究内容 城市污水再生回用系统主要是由再生水厂、再生水用户和管网系统等组成， 其布局受到污水再生水源、潜在用户的地理分布、回用水的水质水量要求和输配 水方式等因素的影响，且整个系统的经济投资巨大。鉴于前述对目前水资源危机 和水污染现状及城市污水再生回用的研究，结合天津市中心城区污水再生回用的 现状，从再生水厂和再生水供水管网系统两方面对该市污水再生回用系统进行布 局规划研究，以期降低其成本或者提高其效率。 本文研究的主要内容： ( 1 ) 对城市污水再生回用系统的供水模式进行分析，建立城市污水再生回 用系统的工程费用模型。从用户角度考虑再生水的供水模式，在己有临界距离的 基础上，推导出改进的临界距离公式，并对一些不能量化的影响因素如社会、环 境等因素进行了定量修正，应用于供水区域再生水供水模式的选择中。 ( 2 ) 提出了城市再生水供水管网系统的基本评价指标，作为区域再生水供 水管网建设合理性的初步判据，同时亦可指导再生水供水管网的改建和扩建。 ( 3 ) 给出了分形的基本概念，介绍了管网分形的基本理论，并将其引入区 域再生水供水管网的规划和建设中，利用管网覆盖度和管网覆盖深度两个指标对 第一章绪论 天津市中心城区中两个供水区域的再生水管网的布局进行了分析。 ( 4 ) 考虑了城市污水再生回用系统运行过程中的不确定因素对供水模式选 择的影响，给出了风险计算的公式，并结合一个实例进行了分析。 1 4 2 技术路线 本研究旨在提供相关的理论和方法，对城市污水再生回用系统布局规划的前 期阶段进行研究。结合提出的研究内容，从静态和动态两方面，拟采用以下技术 路线对城市污水再生回用系统的布局规划进行研究，见图l l 。 静 l 薯星象鬈罱磊聂甍 一动 再生水管网的规划 制 图1 1 城市污水再生回用系统布局规划研究的技术路线 第二章城市污水再生回用系统供水模式选择判据 第二章城市污水再生回用系统供水模式选择判据 目前，在城市污水再生回用中占主导地位的是以常规二级处理之后的污水为 水源进行的深度处理后回用，称其为集中式回用，其技术已经趋于成熟。但是如 果用户距离区域集中式再生水厂比较远或是再生水供水管网尚未覆盖的住宅小 区，要得到再生水的供应就比较困难，不但需要增加建设专门输送再生水的管线， 而且再生水在城市供水管网中进行长距离的输送会导致大量的渗漏，甚至会引起 二次污染。据相关资料显示，由于渗漏等原因而引起的回用水量的损失及用于补 充这部分损失水量的处理费用之和，相当于集中式污水再生回用系统处理和运行 费用的5 0 是无效的，由此导致的巨大经济浪费，很明显与可持续发展的要求相 悖m 】。总之，集中式污水再生回用的方式显然有一定的局限性，而从技术上和 经济上考虑，如果能就地收集污水，就地处理后直接进行回用不失为一个合理的 选择，即目前科学家所积极倡导的污水分散处理再生回用。 集中式和分散式污水再生回用相比较，有各自的优缺点。城市集中式污水再 生回用系统规模相对较大，而基础设施建设的单位成本和运行费用则较低，且管 理方便，但在长距离的输水过程中，回用水的品质下降，可能到了终端用户时， 回用水的水质己达不到回用用途的要求：分散式回用不需要修建和维护大规模的 污水收集管网和再生水供水管网，节省了管网部分的费用，但由于处理的污水的 水质水量波动较大，运行管理不便。因此，需要对城市污水再生回用系统进行分 散式与集中式的协同利用，使之科学合理，在可持续性发展的前提下寻找最经济 可行的方案。 2 1 分散式污水回用系统的最小经济规模 分散式污水再生工程建设规模的经济性，通常是决策者比较关心的问题。对 城市污水再生回用工程的建设来说，具有规模经济效应，即处理规模越大，工程 总投资虽然比较高，但单方投资指标和制水成本较低；相反，总投资虽然会相应 低一些，但是制水成本会比较高；从城市污水再生回用工程的长期运行来说，处 理规模是当然是越大越好。集中式污水再生回用工程是以城市污水厂的二级出水 为水源，处理规模比较大，但分散式污水再生回用工程则不然，受污水收集来源 的影响，并不一定能达到经济规模，所以在对分散式污水再生回用工程进行规划 和设计时，应考虑其经济规模效益，即存在一个最小经济规模的问题。只有当分 9 第二章城市污水再生回用系统供水模式选择判据 散式工程的实际处理规模大于其最小经济规模时，该工程在经济上才是可行的 1 3 刀。根据分散式污水再生回用工程的投资及运行成本模型、再生水的价格，可 以推算出分散式污水再生回用工程的最小经济规模h 5 1 ，则分散式污水再生回用 工程的最小经济规模的数学表达式为： 切线。= ( 1 n p l n a ) b 式中 q m i n - 分散式污水再生回用工程的最小经济规模，m 3 d ； p 一再生水价格，元m 3 ； 口：b 一规模费用系数，其中6 ， 1 5 8 5 的临界值所对应的届值。 3 2 2 3 再生水供水管网分形研究意义 再生水供水管网属于市政供水管网的一种，相对于其它类型的管网出现的时 间比较晚，是近几十年才发展起来的，因而对它的研究也比较少，但是和其它类 型的管网一样，也具有分形特征。 管网的规划和管道的定线是再生水供水管网规划和设计中至关重要的环节， 城市污水再生回用系统运行是否稳定取决于其布置的合理程度，这同时也会对整 个工程的投资和随后的管网运行管理与维护都产生比较大的影响。目前再生水管 网的布置方法主要是设计人员凭以往的经验将管网布于区域的集中式再生水厂 和再生水用户之间，由于缺乏相关的量化评价指标，无法估量其对整个再生水供 水管网系统的影响程度，也不清楚其是否合理，是否存在隐患，更不知道如何规 划布置能用最小的经济投入最大程度地实现其功能。因此，在进行再生水供水管 网的设计布置时，若利用基于分形理论的管网覆盖度和管网覆盖深度，使其分形 维数趋于i 5 8 5 及以上，则可以得到合理的再生水供水管网的规划和布置方案。 但由于受再生水供水管网分支等因素的影响，目前还不能利用分形理论来对再生 水供水管网的生长进行直接模拟。在现阶段，对正在规划和布置的再生水供水管 网系统，可于管道定线后先对其分形维数进行计算，再以求得的分形维数为基础， 对管网进行相应的调整，以使其达到最优的管网布置，发挥其最大的供水效率； 对于改扩建的再生水供水管网系统，计算出已有管网的分形维数，找到己有管网 系统的薄弱区域，有针对性的对其调整完善，避免盲目扩张而造成不必要的经济 3 2 第三章城市再生水供水管网系统规划评价 浪费，为再生水管道定线后下一步的管径确定和管网平差分析提供必要的基础： 同时，也可应用分形维数作为一个评价指标，对较大区域已有的再生水供水管网 进行评价，检验其再生水供水管网的规划和布置是否合理。 3 2 2 4 再生水供水管网分形计算方法 目前，关于分形维数的计算方法比较多，不管是天然的还是人工的物质流输 送系统都存在着许多分岔，其分形维数的确定可以通过改变尺度，而其中盒计数 法计算方便快速、适用范围广又具有一定准确度，被许多研究者广泛地应用于计 算管网的分形维数。 用盒计数法来计算平面中的分形集图形的分形维数时，第一步把整个分形集 图形用边长为万的正方形覆盖起来，此时盒子的数目为l ，接着将正方形的边长 逐步缩小，仍然覆盖整个f ，正方形盒子的数目就会随之发生变化，记为n o ( f ) ， 最后将得到的一系列6 和 7 “d 代入式( 3 4 ) 得 一in(f)di= lm 三上 占- o i n 万 ( 3 5 ) 即可求得f 的分形维数d 。然而，实际计算时正方形的边长不可能取到0 ， 因为当万一0 时我们无法统计出盒子的数目，一般的，采用双对数坐标进行做图， 当换算到平面直角坐标系上时，即用i n 6 作为横坐标，用相应的l n n “f ) 当作纵坐 标，如果这些点在某一个数据范围内的趋势呈直线，那么此段直线的斜率就可以 作为分形集f 的一个分形维数。 城市再生水供水管网的分形一种物理分形，其最小的组成部分是有限的，这 就是说标度的下限应大于实际分形体的最小组成部分，而城市再生水供水管道一 般是沿着街道布置的，其末梢管段的直线长度往往小于街道的平均长度，设为 k i n 。当然，任何有限分形图形的标度的上限应小于或者等于整个图形的尺寸， 而再生水供水管网干管的直线长度不会超过覆盖该区域的正方形的边长，设为 f m 姒。当标度区域的最小尺寸小于f m i 。时，统计的网格数与标度尺寸呈一维线性 变化；当标度区域的最大尺寸超过f m 觚时，标度尺寸的改变不会引起统计盒子数 的变化，所以可以把再生水供水管网的标度不变区定为 厶n i n ，k 戤 。在实际计 算分形维数时，采用双对数坐标作图，虽然整体不可能呈现比较明显的线性特征， 但在局部即标度不变区域的范围内，可能有很好的线性关系【5 4 1 。 在城市再生水供水管网的标度不变区内，根据上述内容可以将式( 3 5 ) 变换 为： 第三章城市再生水供水管网系统规划评价 l n ( d = 一d l n s + l n k ( 3 - 6 ) 式中k 是常数。 通常利用最小二乘法进行一元线性回归，即可得到分形维数d 的近似值。 对于分形体图像，如何统计盒子数目是盒计数法的关键所在，如果不论分形 体在格子中的长度有多小，都把它计算在内的话，则细分网格时计数统计盒子的 数目就会非常大，这有可能导致得到分形维值偏小，为此引入了一个参数来描述 某个正方形格子内的再生水供水管线的长度与格子边长的比值，即 r = l | l ( 3 - 7 ) 式中上，_ 正方形格子内再生水供水管线的长度。 如果统计盒子数目时只取正方形格子内再生水供水管线的长度与格子边长 的比值比叩大的格子，则格子的数目会有所减少，最终使求得的分形维数更趋合 理。当r - - o 时，就是传统的盒计数法。根据梁东方【5 6 】等人的研究，将叩的值取 为0 2 。 3 2 3 实例分析 天津市中心城区目前共有四座集中式再生水厂投入使用并向用户供水，由此 将中心城区划分为四个再生水的供水区域，本文以其中的a 区和b 区两个区域 为例，应用修正的盒计数法分别计算其再生水供水管网系统的管网覆盖度和覆盖 深度。 根据这两个区域的实际情况，a 区、b 区的再生水供水管网的标度不变区域 分别取 9 7 ，6 2 0 0 和 1 2 5 ，1 6 0 0 0 l ，然后分别对这两个区域的再生水供水管网进行网 格细分，如图3 4 和图3 - 5 。a 区和b 区的再生水供水管网的分形维数统计见表 3 1 和表3 - 2 。 第三章城市再生水供水管网系统规划评价 图3 - ：4a 区再生水供水管网布置图 图3 5b 区再生水供水管网布置图 表3 1a 区再生水供水管网分形维数统计表 网格边长3 ( m ) 格点数 i n &i n n 6 2 0 0 3 1 0 0 1 5 5 0 7 7 5 3 8 8 1 9 4 1 3 7 1 6 3 0 6 7 8 7 3 2 8 0 3 9 7 3 4 6 6 6 5 3 5 9 6 0 5 2 6 7 0 1 0 9 9 1 9 4 6 2 7 7 3 3 4 0 1 4 2 0 5 9 71 3 5 4 5 7 34 9 0 5 表3 2b 区再生水供水管网分形维数统计表 网格边长6 ( m ) 格点数n 1 1 1 6 1 丛 1 6 0 0 0 8 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 5 0 0 2 5 0 l 4 7 1 6 4 7 1 2 3 2 9 2 9 6 8 0 8 9 8 7 8 2 9 4 7 6 0 l 6 9 0 8 6 2 1 5 5 5 2 1 0 1 3 8 6 1 9 4 6 2 7 7 3 3 8 5 0 4 8 1 2 5 6 7 8 1 2 54 5 7 4 8 3 26 1 2 4 对表3 - 1 和表3 - 2 中的三组及其以上的数据进行一元线性拟合，得到相关度 最高的区域，即认为它们是最佳标度不变