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西安建筑科技大学硕士论文 城市污水资源化中再生水项目需求分析 专业：管理科学与工程 硕士生：强宇明 指导教师：刘晓君教授 摘要 城市污水资源化是指将城市污水进行处理后，形成一种稳定的水资源，根据 处理水质和用水水质要求，将其用于农田灌溉、工业冷却、市政绿化、道路喷洒、 地下水回灌和补充地表水等方面。这种水资源被称为再生水。再生水回用可有效 缓解水资源短缺危机，并能更好地保护水环境。然而在我国的污水再生回用进程 中，再生水项目需求的预测和用户用水行为的分析尚缺乏科学根据和实用方法， 这已成为了一个制约城市污水资源化的关键问题。 本文主要研究城市再生水回用项目的需求预测问题。影响城市再生水回用项 目实际需求量的因素很多，一是来自再生水的需求方面，一是来自再生水的供给 方面。 影响再生水需求的因素主要有：再生水水价、自来水水价、再生水水质与自 来水水质间的差异。文中引入产业组织理论中的产品质量差异概念，分析了再生 水与自来水的产品差异和质量差异成本，从该角度提出了再生水的定价模型和需 求函数并讨论了消费者的最优选择问题。并运用需求价格函数和需求的价格弹性 基本原理，对自来水价格变化和再生水价格变化对再生水需求的影响进行了分析。 根据消费者使用再生水的特点，对消费者对再生水和自来水的最优选择行为 以及消费者对再生水水质的选择行为进行了分析。并提出了消费者对再生水需求 量的测算方法。 依据再生水供给的特点提出了城市再生水回用项目需求量的计算方法和用户 选择的原则、市场评价和市场保证的方法。最后选用北京高碑店污水处理厂处理 水资源化再利用工程为实例，对其需求量进行了预测并指出实现需求中可能遇到 的问题。 关键词：污水资源化；再生水；需求预测；最优选择 本研究得到国家自然科学基金重点项目( 5 0 1 3 8 0 2 0 ) 资助 西安建筑科技大学硕士论文 a n a l y s i so ft h ed e m a n do fr e c l a i m e dw a t e rp r o j e c t p r e d i c t i n gt h e o r ya n dm e t h o di nu r b a nw a s t e w a t e r i k s o u r c eu t i l i z a t i o n s p e c i a l t y ：m a n a g e m e n ts c i e n c ea n de n i g i n e e r i n g n a m e ： q i a n gy u r u i n g i n s t r u c t o r ：l i ux i a o - j u n u r b a nw a s t e w a t e rr e s o u r c eu t i l i z a t i o nm e a n st h a tw a s t e w a t e rc a nb et r e a t e dt oa s o r to fs t e a d yw a t e rr e s o u r c ea n dr e u s e di n i r r i g a t i o n ，i n d u s t r i a lc o o l i n g ，m u n i c i p a l v i r e s c e n c e ，r o a di n s u f f l a t i o n ，g r o u n d w a t e rr e p l e n i s h m e n t ，s u r f a c ew a t e rs u p p l e m e n ta n d o t h e ra s p e c t s a c c o r d i n gt ot h et r e a t m e n ta n dr e q u i r e dw a t e rq u a l i t y t h es o r to fw a t e r r e s o u r c ei sc a l l e dr e c l a i m e dw a t e r w a s t e w a t e rr e u s ec a nr e s o l v e 也ec r i s i so fw a t e r r e s o u r c e s h o r t a g ee f f e c t i v e l y , a n dp r o t e c tw a t e re n v i r o n m e n t a sw e l l h o w e v e r , c u r r e n t l yi nt h ep r o c e s so fw a s t e w a t e rr e s o u r c eu t i l i z a t i o ni nc h i n a , i ti sl a c ko f s c i e n t i f i cb a s i sa n dp r a c t i c a lm e t h o d si np r e d i c t i n gd e m a n do fr e c l a i m e dw a t e rp r o j e c t a n da n a l y z i n go fc o n s u m e rc h o i c ef o rr e c l a i m e dw a t e ra n d t a pw a t e r t l d sp r o b l e mh a s b e c o m eac r u c i a la n dc e n t r a ip r o b l e mi nu r b a nw a s t e w a t e rr e s o u r c eu t i l i z a t i o n t h ep a p e rf o c u s e so nt h ed e m a n do f r e c l a i m e dw a t e rp r o j e c tp r e d i c t i n gt h e o r ya n d m e t h o d t h e r ea r em a n yf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c ep r a c t i c a ld e m a n dq u a n t i t yo f r e c l a i m e d w a t e rp r o j e c t s s o m eo ft h e mc o m ef r o mt h ea s p e c to fr e c l a i m e dw a t e rc o n s u m e r s ； o t h e r sc o m ef r o mt h ea s p e c to f r e c l a i m e dw a t e rm a n u f a c m r e r s 1 1 1 em a i nf a c t o r so f t h e ma r er e c l a i m e dw a t e rp r i c e 、t a pw a t e r p r i c e 、t h eq u a l i t y d i f f e r e n c eb e t w e e nr e c l a i m e dw a t e ra n d t a pw a t e r b yl e a d i n gi nt h ec o n c e p to fq u a l i t y d i f f e r e n c ea m o n gp r o d u c t si ni n d u s t r yo r g a n i z a t i o nt h e o r y , t h ed i f f e r e n c eb e t w e e n r e c l a i m e dw a t e ra n dt a pw a t e ra n dd i f f e r e n c eo fq u a l i t yc o s tb e t w e e nt h e mh a v eb e e n a n a l y z e d b a s e do ni t ，t h ep r i c em o d e la n dd e m a n df r m c t i o nf o rr e c l a i m e dw a t e rh a s b e e np r e s e n t e da n do p t i m u mc h o i c eo fc o n s u m e r sf o rt h e mh a sb e e nd i s c u s s e d t h e i n f l u e n c e so nt h ed e m a n do f r e c l a i m e dw a t e rl e db yv a r y i n gp r i e eo f t a pw a t e ra n dp r i c e o fr e c l a i m e dw a t e rh a v e b e e nd i s c u s s e db yu s i n gd e m a n df u n c t i o na n dp r i c ee l a s t i c i t yo f r e c l a i m e dw a t e r 西安建筑科技大学硕士论文 b a s e do nc h a r a c t e r so fr e c l a i m e dw a t e rc o n s u m e r s ，o p t i m u mc h o i c eo fc o n s u m e r s f o rr e c l a i m e dw a t e ra n dt a pw a t e ra n dc h o i c eo fc o n s u l t l e r sf o ro p t i m u mq u m i t yo f r e c l a i m e dw a t e rh a v eb e e nd i s c u s s e d a n dm e t h o do fc a l c u l a t i n gc o n s u m e r s 7 d e m a n d q u a n t i t yo f r e c l a i m e dw a t e rh a sa l s ob e e np r e s e n t e d b a s e do nc h a r a e t e r so fs u p p l yo fr e c l a i m e dw a t e r , m e t h o do fc a l c u l a t i n gd e m a n d q u a n t i t yo fr e c l a i m e dw a t e rp r o j e c t sh a sb e e np r e s e n t e d c o n s u m e r sc h o o s i n gp r i n c i p l e a n dm e t h o d so i lh o wt oe v a l u a t ea n da s s u r ed e m a n dq u a n t i t yh a v ea l s ob e e np r e s e n t e d i nc a s es t u d y , t h ep r o j e c to f r e u s i n gt h et r e a t e ds e w a g ef r o mb e i j i n gg a o b e i d i a ns e w a g e t r e a t m e n ti sc h o s e n i t sd e m a n dq u a n t i t yh a sb e e nc a l c u l a t e da n dt h ep r o b l e mi n r e a l i z i n gh a sb e e np o i n t e d k 眄w o r d s ：u r b a nw a s t e w a t e rr e s o u r c eu t i l i z a t i o n ，r e u s e dw a t e r , d e m a n dp r e d i c t i o n ， o 面m 岫c h o i c e t h i ss t u d y i ss u b s i d i z e d b y t h e n a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o n ( p r o j e c t n o 5 0 1 3 8 0 2 0 ) 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 己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 所有贡献均己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：彤亨d 目 日飘；口j 、6 j o 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n - = f - 段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 蜥一够捌翩虢；丫媒隰j _ ，。 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕上论文 第一章综述 1 1 污水再生回用概述 1 1 1 -2 1 世纪面临的重大水问题 1 )水资源短缺形势严峻 中国是世界人口大国，但人均淡水资源却是贫国。我国水资源可利朋量、以 及人均和亩均的水资源数量极为有限，降雨时空分布严重不均，地区分布差异性 极大，这是我国水资源短缺的基本特点。目前水资源短缺问题己成为国家经济社 会可持续发展的严重制约因素。但我国水资源可利用量是有限的，从目前现状来 看，就全国而言，人均占有淡水资源量只有2 2 0 0 立方米，从地区来看，水资源总 量的8 1 集中分布于长江及其以南地区，其中4 0 匕上上又集中于西南五省区，这 是先天决定的水情。从人均占有量来看，人均占有淡水资源量南方最高和北方最 低可以相差卜倍，西部比东部可【三【高达五、六百倍。这是我国北方属于资源型缺 水的根本原因，南方地区水资源虽然比较丰富，但由于水体污染，水质型缺水电 相当严重。 五十年来，全国水资源开发利用率已达到2 1 。特别是近2 0 年来，由于供水 能力增长缓慢，1 9 7 8 1 9 9 8 年全国供水能力年增长率约为l 左右，而同期国民经 济以8 1 2 的高速度增长，同期人口又增加了约2 5 亿，更加剧了缺水矛盾。值 得注意的是，由于人类活动的影响，降雨与径流关系，产流与汇流条件都在发生 变化，有些江河的天然来水量己呈现衰减的趋势。黄河下游频频发生断流、海河 成为季节性河流，以及内陆河部分河流干枯，2 0 0 0 年发生的旱灾，经济损失严重， 充分暴露了我国城市供水系统和农村抗旱能力的脆弱性，足水资源供需矛盾的集 中表现。 同时我国淡水资源的分布很不均匀，总体上说是东南多，西北少，长江流域和 江南地区拥有全国7 0 的水资源；而淮河以北的近2 3 的国土，径流量只占全国的 1 6 。至2 0 0 4 年，全国6 0 0 多个城市中有一半的城市缺水，其中1 8 5 个城市严重缺 水，每年缺水造成的工、世生产损失高达2 0 0 多亿。 进入2 1 世纪，随着我国人口的增长、生活质量水平提高、城市化进程加快， 人均水资源占有量将进一步减少，而用水量却进一步增加，水资源供需矛盾更加 突出，缺水已成为影响我国粮食安全、经济发展、社会安定和生态环境改善的首 要制约因素。中国水资源总量为2 8 万亿立方米，专家们根据国际卜_ 评估的标准认 为，中国水资源的可利用量大约为1 0 0 0 0 - 1 1 0 0 0 亿立方米。按照2 1 世纪中叶中国 达到中等发达国家水平的战略目标，初步估计，我国未来水需求将达到7 5 0 0 8 0 0 0 亿立方米，在现有基础上再增加1 5 0 0 2 2 0 0 亿立方米的供水能力。鉴于区域发展的 亿立方米，在现有基础上再增加1 5 0 0 2 2 0 0 亿立方米的供水能力。鉴于区域发展的 1 西安建筑科技大学硕士论文 不平衡，可经济开发的水源不仅受到区域性的限制，而且可开发利用的水资源的 难度也越来越大，因此，中国未来水资源的开发利用将更加艰难，供需矛盾将会 更加尖锐。 2 )水体污染严重。 由于工业废污水排放量的急剧增长，并未经处理直接排放到河道里，导致了 以淮河、太湖污染为代表的水环境恶化。世界银行发表的中国环境报告测算，中 困仅水和大气造成的污染，年损失为5 4 0 亿美元，占中国年g d p 的8 。这就表 明，水环境质量在继续恶化，造成的经济损失也十分巨大。 据中国环境公报2 0 0 2 年统计表明，我国七大水系中辽河、海河水系污染最为 严重，劣v 类水体占6 0 以上；淮河干流为i i i v 类水体，支流及省界河段水质 仍然较黄河水系总体水质较差，于流水质以类水体为主，支流污染普遍严 重；松花江水系以类水体为主：珠江水系水质总体良好，以i i 类水体为主； 长江干流及主要一级支流水质良好，以i i 类水体为主。七大水系污染程度由重到 轻依次为：海河、辽河、黄河、淮河、松花江、珠江、长江。十大淡水湖也受到了 有机物、氮磷的严重污染，主要湖泊富营养化问题依然突出。滇池草海为重度富 营养状态，太湖和巢湖为轻度富营养状态。这些水环境的污染进一步加剧了水资 源的短缺。 经济快速增长相应废污水排放量将急剧增长。未来5 0 年，这种发展趋势对供 水基础设施建设提出了挑战。基于目前废污水的处理和回收利用偏低的现状，如 果未来5 0 年工业用水成倍增加、城市化水平成倍上升、小城镇快速发展，废污水 的排放量将会数倍、甚至十几倍的增加，势必加剧水环境的恶化。因此，中国将 面临解决水资源短缺和废污水处理、水环境治理的巨大压力。 1 1 2 水的循环 水是一种可恢复再生的自然资源，通过自然水循环，往复于陆地、海洋、空 间和陆地之间。这也就是为什么在全世界整个陆地的淡水储量仅占地球水总储量 的2 5 的情况下，经过长期的天然消耗和人类使用而不见明显减少的主要原因。 同时，水在人类社会中构成了一个局部循环体系，称为社会循环。 在水的循环系统中，自然循环的水量只占地球上总水量的o 0 3 1 ，而其中经 过径流和渗流的约占0 0 0 3 ，社会循环从中取用的水量只不过是径流和渗流水量 的2 3 ，然而这部分微不足道的水却在社会循环中出现了巨大矛盾。主要表现 在产业革命以后，整个世界范围内发生了用水困难，特别是在本世纪中期，许多 国家的城市发生水荒：并由于水体污染而引起了震惊世界的公害病。可见，水在 社会循环中形成的生活污水和各种工业废水是天然水体最大的污染源。所以说保 证水的良性循环j t 目i n 进行是至关重要的。而对废水进行处理后排放与污水的资源 2 西安建筑科技大学硕士论文 化，不但可以减缓对自然水体的污染，而且实现了水的良性循环。 l - 1 3 污水再生回用 解决上述水问题、保证水循环的一个有效途径是污水再生回用。直接回用和 问接回用是污水再生回用的两种途径。问接回用是由二级污水处理厂将处理后的 出水直接排入水体，由用户再从水体中取用。直接回用指城市污水经处理后达到 一定的水质标准，成为可在一定范围内重复使用的杂用水即再生水，再通过输水 管道或其他输水设施直接送给用户使用。直接回用有三种通用的模式：( 1 ) 再生 水厂系统铺设再生供水管网，与城市供水管网一起形成双供水系统；( 2 ) 由再生 水厂铺设专用管道供大厂使用。这种方式用途单一，比较实用；( 3 ) 大型公共建 筑和住宅楼群的污水，就地处理、回收、循环再用。 再生水的使用，一方面可以缓解水资源短缺的紧张局面，充分高效的利用有 限的淡水资源，同时又减少了排向自然水体的污染物总量，具有多方面的功效， 已成为世界各国解决水问题的优选策略。 1 ) 再生水的效用 效用价值论认为人的欲望及满足是一切经济活动的出发点，物品的效用是物 品能够满足人的欲望程度、满足人的需要的能力。效用在经济中起着重要作用： 它是价值的物质承担者和表现形态，如果没有效用则物品也就没有价值，取得最 大效用是资本所有者所追求的。再生水是为解决水资源的稀缺、减轻水环境污染 而开发的第二水源，能够满足人对水的需求和对水环境改善的愿望，从而就具有了 效用。 2 ) 再生水的稀缺性 我们知道水资源的短缺日益严重，作为水资源在一定范围内的替代品，再生 水也是紧缺的，具有稀缺性。 3 ) 使用再生水的可行性 首先，再生水水质安全。再生水生产技术已经比较成熟，水质清澈透明色度 不超过2 5 度，浊度小于5 m r l j ，在感官性状指标上能满足人们要求。再生水在矿 化度、含盐量、氯化物含量、p h 值等指标与自来水相仿。再生水在卫生毒理学指 标上也是安全的，例如大肠杆菌群要求5 0 个，升，高于日本用于亲水空间的水质 标准要求。 其次，水源稳定。再生水的水源是城市二级处理水，不受洪枯水文年变化的 影响。污水的排放量与用水人口和工业规模紧密相关，相当稳定。 4 ) 使用再生水的经济性 首先，污水再生回用比远距离引水造价低。将城市污水处理到可以回用作杂 用水的程度，其基建投资只相当于从3 0 k m 外引水；若处理到可回用作较高要求的 3 西安建筑科技大学硕士论文 i + 业用水，其基建投资相当于从4 0 6 0 k m 外引水。其次，污水再生回用比海水淡 化经济。城市污水中所含的杂质小于0 1 ，而且可用深度处理方法加以去除，而 海水中则含有3 5 的溶解盐和大量有机物，其杂质含量为污水二级出水的3 5 倍以 上。无论基建费还是单位成本，海水淡化都超过了污水回用。 5 ) 使用再生水的外部性 再生水的外部性体现在他不但具有调节气候、净化环境、美化景观的效用， 而且再生水的使用能够大大减少污水排放量、减轻水体污染、维持生态平衡，从而 促进水资源的良性循环，实现水资源的可持续利用，进而实现人类社会的可持续发 展。 1 1 4 国外污水再生回用的发展状况 作为缓解水危机的途径之一，日本早在1 9 6 2 年就开始回用污水，7 0 年代已初 见规模。随着回用技术的不断更新和发展，再生成本不断下降、水质不断提高， 逐渐成为缓解水资源短缺的重要措施之一。9 0 年代初日本在全国范围内进行了废 水再生回用的调查研究与工艺设计，对污水回用在日本的可行性进行深入的研究 和工程示范，在严重缺水的地区广泛推广污水回用技术。使日本近年来的取水量 逐年减少，节水已初见成效。赖沪内海地区污水回用量己达到该地区用淡水总量 的2 3 ，新鲜水取水量仅为用淡水量的1 3 ，大大缓解了赖沪内海地区的水资源严 重短缺问题。经过大量示范工程后，在1 9 9 1 年日本的“造水计划”中明确将污水 再生回用技术作为最主要的开发研究内容加以资助，开发了很多污水深度处理工 艺，在新型脱氮、脱磷技术，膜分离技术，膜生物反应器技术等方面取得很大进 展的同时，对传统的活性污泥法、生物膜法进行不同水体的工艺实验。建立起以 赖沪内海地区为首的许多“水再生工厂。” 美国也是世界上采用污水再生利用最早的国家之一，7 0 年代初开始大规模污 水处理厂建设，随后即开始回用污水。目前，有3 5 7 个城市回用污水，再生回用 点5 3 6 个。全国城市污水回用总量约为9 4 x1 0 9 m 3 年，其中包括：污灌用水、景观 用水、工艺用水、工业冷却水、锅炉补水以及回灌地下水和娱乐养鱼等多种用途； 其中灌溉用水为5 8 1 0 9 m 3 年，占总回用量的6 0 ；工业用水占总用水量的3 0 ， 城市生活等其它方面的回用水量不足1 0 。美国污水回用实例较多，如：城市污 水回用的先驱之一，弗罗里达州的圣彼得斯堡，1 9 7 8 年开始将再生水回用于生活 杂用水，目前已能够向7 0 0 0 多户家庭提供再生水：伯利醒恒钢铁厂每天将4 1 0 5 m 3 污水回用于工业生产和工艺冷却用水；圣迭戈市每天有1 8 5 万m 3 再生水作为 饮用水；全美最大的核电站派洛浮弟核电站，将生物膜法处理后的出水经电 站深度处理后作为冷却水使用，水的循环次数达1 5 次，二级处理水价为$ o 0 0 1 6 2 m 3 ，若从科罗拉多河取水则水价为：$ 0 0 1 6 2 o 0 2 4 3 m 3 ，回用污水的经济效益 相当明显。1 9 9 2 年美国国家环保局制定的水再生利用导则中列举了大量的示范工 4 西安建筑科技大学硕士论文 程，并制定了相应的政策、法规和标准，以便更好的推广此项节水措施。 除日本和美国外，饿罗斯、西欧各国、以色列、印度、南非和纳米比亚的污 水回用事业也很普遍，莫斯科市东南区有3 6 家工厂用污水总量达5 5 1 0 5 m 3 d ： 南非和纳米比亚等国甚至建起了饮用再生水制造 ：厂。南非的约翰内斯堡每天有 o 9 4 1 0 5 m 3 饮用水来自再生水工厂；纳米比亚于1 9 6 8 年建起了世界上第一个再 生饮用水工厂日产水6 2 0 0 m 3 ，水质达到世界卫生组织和美国环保局公布的标准。 此外，台北市自7 0 年代开始污水回用设施建设，目前该市的八里、民生、内潮和 迪化四座污水处理厂不同程度考虑将深度处理后污水回用于工业生产和厂内用 水，到2 0 0 0 年污水回用量达到1 0 0 多万m 3 d 。 1 1 5 我国大陆污水再生回用的发展状况 我国的污水回用起步较国外晚，但近几十年尤其是“六五”计划以来有了长 足的进步。建设部在“六五”专项科技计划中最先列入了城市污水回用课题分别 在大连、青岛开点作试验探索。这两地研究成果表明，污水可以通过简易深度处 理再次回用，是很有前途的水源。 从1 9 8 6 年开始，城市污水回用相继列入了国家“七五”、“八五”、“九五”重 点科技攻关计划，开始污水回用技术的探索和示范工程的试验。“七五”攻关项目 “水污染防治及城市污水资源化技术”，就污水再生工艺、不同回用对象的回用技 术、回用的技术经济政策等进行了系统研究。其研究包括青岛延安三路污水厂等 1 4 个污水厂不同程度或不同对象地开展污水回用工程，为“八五”期间污水回用 项目的攻关提供了大量可行的依托工程。“八五”攻关项目“污水净化与资源化技 术”，分别以大连、太原、天津、泰安、燕山石化为依托工程，开展工程性试验。 通过系统的生产性和实用性工程研究，“八五”提供了城市污水回用于工业工艺、 冷却、化工、石化、钢铁工业和市政景观等不同用途的技术规范和相关水质标准。 其中包括1 万m 3 d 大连春柳河等七个基地的回用水工程。“八五”提供的成果较 “七五”提高到了实用水平，研究内容经过了生产性检验，涵盖了污水回用的大 部分领域。“九五”攻关，专题名称为“城市污水处理技术集成化与决策支持系统 建设”，具体攻关两部分内容：( 1 ) 回用技术集成化研究：( 2 ) 城市污水地下回灌深 度处理技术研究。这些攻关研究，完成了大量生产性试验，取得丰富数据，经国 家鉴定验收许多成果被评为国际先进或国际领先水平。 “十五”攻关重大专项为：水资源安全保障。同时，一些更大规模的城市污水 回用示范工程目前正在开展之中，如生产规模5 3 万m 3 d 的天津纪庄子污水厂、 7 1 万 t 1 3 d 大连春柳河污水厂、4 万m3 d 的青岛海泊河污水厂、1 0 万m 3 d 西安 北石桥污水厂、5 万1 2 2 3 d 的牡丹江污水厂等。保定鲁岗4 万m 3 d 和西安纺织城5 万1 1 3 3 d 回用水工程，正在做前期准备。 e 西安建筑科技大学硕士论文 “六五”、“七五”、“八五”、“九五”国家攻关课题以及“十五”计划期间正 在开展的一些攻关项目，积累了污水回用的许多实践经验并有了较完善的科学理 论研究成果，同时还取得了成套技术成，所有这些都为我国城市污水回用提供可 用、成熟的技术和工程经验。 1 1 6 我国污水再生回用面临的问题 ，建设部提供的有关数据表明，截止到2 0 0 2 年底，我国己建成5 3 7 座污水处理 ，但污水处理率仅为3 9 9 7 ，污水再生利用率更低。 据建设部有关专家介绍，我国在推进污水资源化过程中面临着许多困难和问 题，主要表现为3 个方面： 首先是污水处理率低，管网不配套，污水再生利用缺乏必要的条件。近年来， 虽然我国城市污水处理设施建设速度加快，但设施建设仍然滞后于城市发展的需 要。特别是一些污水再生利用设施建成后，由于难以落实配套管网建设资金，造 成设施闲嚣，难以发挥投资效益。 其次是水价形成机制不合理，污水再生利用缺乏必要的市场环境。目前，水 价调整仍以补偿供水运营成本、减少财政补贴为目的，没有体现水作为稀缺资源 的价值。水价形成没有充分起到对水资源供需关系的调控作用，城市供水水价、 污水处理及再生利用收费之间尚未形成合理的比价关系，也就未能形成有效的污 水再生利用激励机制。而且，污水处理收费标准不高，收费率低，还不足以补偿 水设施的投资和运营成本，更谈不上落实污水再生利用设施的建设和运营资金。 再次是人们对水资源的忧患意识淡薄，对污水再生利用的认识不足，污水再 生利用缺乏相应的鼓励和扶持政策。一些地区没有把节水和污水再生利用摆在重 要位置，特别是一些水资源目前比较丰富的地区，没有充分重视节水问题。 1 2再生水需求分析综述 1 2 1 用户对再生水需求的特点 用户对再生水的需求与用户类型及其用水结构有很大关系。各类型用户有其 自身的需求特点。 由于再生水是用来替代自来水的，因此其需求不但与再生水价格而且与自来 水价格有很大关系。 再生水的供水模式有两种：( 1 ) 由再生水厂起在城市内铺设再生供水管网， 与城市供水管网一起形成双供水系统；( 2 ) 由再生水厂铺设专用管道供大用户使 用。因此，用户对再生水的需求能否实现与管线投资是否到位直接相关。 6 西安建筑科技大学硕士论文 用户对再生水的需求还与其他很多因素相关。例如，当地民众对再生水的心 理接受程度、当地政府和民众的环保意识、当地水资源的紧缺程度、当地企业的 体制等等。 1 2 2 现有再生水需求预测的方法及存在的问题： 目前有关再生水需求预测的研究十分有限。国内现有再生水需求预测的方法 有三种： 褚俊英等人建立了考虑技术、资源、经济条件约束的区域再生水利用潜力的 线性规划模型，对全国各省市污水利用潜力进行了预测，并对区域和全国水资源 经济政策进行了模拟和比较。 由于再生水回用的主要目的是替代自来水，且它的使用有许多与自来水的相 似之处，故目前常用的方法是根据用户自来水的用量，将再生水可替代部分的用 量作为其对再生水的需求量。这种方法具有简便可操作的优点，但是没有考虑再 生水需求的特殊性。再生水不是必需品，用户对其选择受诸多因素的限制，因此 这种方法对需求的估计往往不准确。 第三种是用户支付意愿调查法。该方法步骤如下：先建立假想的再生水市场， 通过随机抽样调查得到用户的支付意愿，估计平均支付意愿水平，构造支付意愿 函数，将支付意愿及其影响因素通过回归分析进行定量分析。由此依据个体需求 函数的叠加得到总体需求函数。该方法对再生水需求的预测有一定的参考价值。 该方法的不足之处主要有：首先是结果的可靠性问题。意愿调查往往存在信息偏 差、假想偏差、抽样偏差、调查者的调查策略偏差、想法与行动之间不一致等问 题，从而使调查结果的可靠性受到怀疑。其次是研究的广度和深度问题。目前意 愿调查法在研究中的应用相对来说仍然比较少，虽然能够对人们的行为作出一定 的解释，但研究结果只适用于特定的时间和地区，可推广性较差。再次是该方法 的成本较高，时间、人力、物力消耗一般都比较大。例如t h o m a sa n ds y r n e 所开 展的研究仅意愿调查调查阶段就耗时一年左右。随着样本数的增加，数据采集与 处理等方面所面临的困难都会急剧加大。 目前国内再生水项目建设前期的需求预测中存在着相当大的主观性和随意 性。一些城市再生水项目建成后有效需求不足，落实用户困难，生产能力不能发 挥，投资不能及时回收，阻碍了污水资源化的进一步推广。 1 2 3 本文研究技术路线 本文的研究课题来源于国家自然科学基金重点项目( 5 0 1 3 8 0 2 0 ) 西部干 旱缺水地区污水再生回用研究。本文主要研究城市再生水需求预测的理论与方法。 本文研究的主要内容： 7 西安建筑科技大学硕士论文 ( 1 ) 引入产业组织理论中的产品质量差异概念，对消费者对自来水和再生水 的用水选择行为进行了分析。分析了城市再生水需求的影响因素，并对自来水价 格变化和再生水价格变化对再生水需求的影响进行了分析。 ( 2 ) 根据再生水可置换的相应用途自来水的用量，对不同再生水用户对再生 水需求量预测的方法进行了总结。 ( 3 ) 分析了再生水项目供给的特点，据此建立了再生水项目需求函数模型， 提出了再生水用户选择的原则、进行市场评价和实现市场保证的方法。最后以北 京市高碑店污水处理厂处理水资源化再利用工程为实例，对近期和远期的需求进 行了预测和分析。 西安建筑科技大学硕士论文 第二章消费者最优行为分析和再生水需求价格弹性分析 落实用户困难已成为目前制约城市再生水回用事业发展的瓶颈。消费者在选 择再生水之前都会将再生水与自来水在价格、水质和方便程度等方面做一比较。 研究消费者的用水选择行为，对我们采取适当的方法和政策促进再生水需求的增 长具有重要的意义。 本章试图引入产业组织理论中的产品质量差异概念，通过追求效用最大化来 对消费者对自来水和再生水的用水选择行为进行分析。并运用需求价格函数和需 求的价格弹性基本原理，对自来水价格变化和再生水价格变化对再生水需求的影 响进行了分析。 2 1 再生水和自来水的质量差异成本与消费者最优行为分析 2 1 1 同类产品的产品差异 在现实经济生活中，产品之间可区分为基本功能和性能不同的产品和基本功 能和性能雷同的产品。在经济学中，后者之问的差异一般被称为产品差异。在克 拉克森和米勒所著的产业组织：理论、证据和公共政策一书中，产品差异包 括客观差异和主观差异。前者由生产差异和销售差异引起，后者由产品的不同主 观评价引起。这里所谓生产差异是指每个厂商都必须确定生产一个适当的品种， 每个厂商都必须确定各自产品适当的质量标准。销售差异主要指厂商通过各种销 售手段而形成的产品差异。主观差异明显的反映了个人的不同禀赋及偏好。对于 效用基本雷同的同类产品，这些差异是很容易比较的。例如，再生水可成为自来 水在一定范围内的替代品，再生水与自来水的客观差异主要是生产差异，体现在 水体各项指标的差异上。它们的客观差异中还有由销售者地理位置的差异而引起 的差异。使用自来水的管线设备对多数用户而言已铺设到位，若使用再生水需从 再生水厂铺设专线并采用专用设备，这部分费用最终仍将由消费者承担。它们之 间的主观差异表现在公众对污水再生缺乏了解，因而对再生水的水质安全存在顾 虑。 2 i 2 产品差异原因概述 我们现在了解到，产品差异包括购买者对类似产品的不同态度。因此，产品 差异的原因包括了引起购买者对竞争中的商品喜欢一种而不喜欢另一种的各种原 因。产品差异的原因可以简要地概括如下： 1 ) 质量或设计方面的差异。 9 西安建筑科技大学硕士论文 2 ) 消费者对要购买的物品的基本性能和质量不了解( 例如，不是经常被购 买的和设计复杂的耐用品) 引起的差异。 3 ) 由销售者推销行为，特别是广告和服务所引起的牌号、商标或公司名称 的差异。 4 ) 同类商品销售者地理位置的差异。 2 1 3 同类产品的质量差异成本 从广义的角度产品差异可界定为产品的质量差异。对于效用雷同但质量各具 差异的同类产品的选择，消费者一般不是用欲望满足的偏好顺序，而是以欲购产 品在使用过程中的发生费用的多少来衡量的，这种由同类产品之间的产品差异引 起的费用差别我们称之为产品的质量差异成本。仍以再生水和自来水为例，由于 它们之间的生产差异而导致再生水具有比自来水更大的质量成本，其体现在：直 接接触的工人需要采取防护措施；长期使用会对设备造成腐蚀、结垢等；对水质 要求高的用户在使用前对再生水进一步处理的成本也要比自来水高。对于再生水 和自来水由销售地理位置的差异而弓j 起的差异亦可归入质量差异成本来考虑。 每一种商品在使用时都是会发生费用的，而对于效用基本雷同的同类商品而 言，这种费用是可以直接比较的。 2 1 4 再生水与自来水在质量差异成本条件下消费需求与均衡价格分析 我们假定再生水和自来水对消费者具有相同的效用，消费者判断它们差别的 标准为在使用中所发生的质量差异成本；生产者信息是完全的，并且能够做到完 全差别定价。设自来水的质量差异成本为0 ，价格为p 1 ：再生水的单位产品质量差 异成本为c 时，价格为p 2 。此时消费者剩余为零，生产者对消费者的差别定价模 型为： p 1 = p 2 + c ( 1 ) 对消费者而言，按模式( 1 ) 定价消费再生水和自来水是没有差异的。如果p l p 2 + c 则消费者会全部使用再生水。反之，消费者全部会使用自来水。在完全信 息和完会差别定价的模式下，均衡定价即为每一个消费者的差别定价。 设和彰分别表示自来水和再生水的需求量，对于给定的价格p l 和p 2 有： 酽= 酽( c ，暑一只) 和彰= 彰( cc 暑一只) 上式反映的是酽和彰同p 1 - - p 2 之间的一一对应关系，这种关系构成了自来水 和再生水消费者需求函数： 彰= ( c 一只，c ) 和彰= 彰( # 一只，c ) ( 2 ) 西安建筑科技大学硕士论文 在上面的讨论中，我们假定自来水和再生水具有相同的效用，这是对实际问 题的一种简化。由前面的分析我们知道，由于再生水和自来水之间主观差异的存 在，按模式( 1 ) 定价多数消费者倾向于选择自来水。当然，今后随着公众对污水 再生的进一步了解和环保意识的增强，同样条件下多数消费者会倾向于选择再生 水。据此我们可以给出再生水的定价上限： p 1 p 2 + c 即p l c p 2 在( o ，p l c ) 范围内存在着一个消费者平均支付意愿值，使得多数消费者认 为此时再生水与自来水之间的主观差异可被其低价弥补。此数值往往是消费者比 照自来水价格确定的。同时，再生水消费者需求还要受到预算线的约束。综合考 虑，再生水消费者需求函数兼具普通需求函数和需求函数( 2 ) 的特征： 醇= 彰( e ，# 一只，c ) ( 3 ) 在需求函数( 3 ) 中，质量差异成本c 在一定时期内保持不变。再生水价格p 2 应符合模式( 1 ) 又不能过分高于消费者平均支付意愿，其上限直接受自来水价格 影响。因此，对再生水需求起决定性影响的因素之一是自来水与再生水的价格之 差即p 】- - p 2 。 2 1 5 再生水与自来水的消费者最优行为分析 消费者对所消费商品的质量选择是消费者决策的一个重要方面。消费者对再 生水和自来水的最优选择并非来自它们的边际效用比较，而是来自总体消费商品 的质量和数量之间的均衡。质量在这一均衡过程中具有十分重要的作用。再生水 和自来水之间的质量差异主要是生产差异引起的客观差异和主观差异。生产差异 可以用质量差异成本c 来度量，而主观差异则难以度量。因此我们可以将产品质 量引入效用函数。假定自来水和再生水的质量分别用e 1 和代表，消费者消费它 们的数量分别用x l 和x 2 代表。消费者效用函数比较复杂，为说明问题，我们引入 1 异质产品，其价格为p 、消费量为x 。这样消费者的效用函数可表述为： “= “h ，屯，与，岛，c , x ) 下面我们来考察该模式下的最优选择问题。设p l 和p 2 仍为自来水和再生水的 价格，给定消费者预算约束y ，则消费者的预算线为； 暑+ ( e + c ) + a = y 消费者的最优决策为： m “m = h ( 卸b 写，马，c ，j ) s t 暑j l + ( 只+ c ) j 2 + p x = y 此规划的一阶条件为： 生：兰：生 只十c j p 暑+ ( 只+ c ) x 2 + = y 消费者以一定收入消费以上商品，只有当预算的分配使得花费在每种商品上 的每单位货币所带来的边际效用相同时，效用的最大化才的以实现。 西安建筑科技大学硕士论文 2 2 消费者对再生水单位整点消费的最优行为分析 单位整点消费指消费者从不完全替代商品组合中选择唯一一种商品进行消 费，像家庭中的彩电消费。消费者对自来水和再生水的消费中也存在这种情况。 消费者使用再生水有特定的用途，其用量是固定的，且使用前须铺设专线、配置 专用设备。故其要么不用再生水，旦选择使用再生水，短期内就不会使用自来 水于此用途。 在传统的效用函数理论中，消费者的决策变量是消费者的消费数量，即消费 者通过选择不同商品的最佳组合使效用达到最大化。但是在单位整点消费模式下， 消费者关心的不再是组合内各种商品的消费数量，因为无论选择组合内的何种商 品，消费都将选择相同数量的商品消费。此时，商品消费的质量才真正是消费者 关心的决策变量。消费者对组合内不同商品之间的选择正是基于它们之间的质量 差异。我们用e 代表商品质量，y 代表消费者预算约束，p 代表商品价格，x 代表 消费商品数量( 为定值) ，则消费者的效用函数如下： “= h ( 6 ，y 一口) 由于消费者总是倾向于选择质量较高的商品消费，因此效用水平的高低同商 品的质量呈正向关系。另一方面，由于消费者所希望支付的成本尽可能低，因此 预算约束减去购买商品所费得到的支出剩余亦将给消费者带来正的效用。 2 2 1 消费者的等效用曲线 消费者的效用水平同所消费商品质量和支出剩余呈正肉关系。商品的质量同 价格呈正向关系，同支出剩余呈反向关系。对等效用水平而言，商品质量同支出 剩余是互相弥补的。 l 沁 西安建筑科技大学硕士论文 2 2 2 消费者对自来水