2019, Vol. 40
由于人口的急剧增长、社会经济的快速发展和全球气候变化的影响, 中国乃至世界面临着日益严峻的水危机[1].中国人均水资源量仅2 100 m3, 是世界平均水平的28%, 部分大型城市的水资源短缺问题尤为严峻[2].随着污水处理技术的提升, 再生水正逐渐成为城市的补充水源, 对缓解城市水资源短缺、促进水资源循环利用起着越来越重要的作用.在生态文明建设和水污染防治等宏观战略的导向下, 我国有望迎来再生水利用的快速发展期[3, 4].因此, 以再生水高效利用为目标, 开展城市清污水多水源协同配置和再生水利用系统优化研究, 具有十分重要的科学意义和应用前景[5].
目前, 国内外已有许多学者致力于城市再生水利用的研究[6].有研究结果表明, 再生水可作为清水(指自来水厂供水, 包括地表水、地下水与外调水)的补充, 成为城市的供水水源[7], 并具有较高的经济价值和利用潜力[8, 9].其中, 大部分研究关注再生水利用潜力及其社会、经济[10]或环境效应[11].例如, 李旭[12]构建了北京市再生水利用的综合评价模型, 对北京市再生水利用的社会经济和环境影响进行了模拟预测.在认识再生水利用价值与潜力的基础之上, 现有研究还探讨了包含再生水在内的多水源供水系统的规划设计问题[13, 14].例如, Tan等[15]考虑了供水工程的不确定性规模经济效应, 建立了交互式模糊随机二次规划方法, 将包括再生水在内的多种水源在多个用水部门间进行了优化配置. He等[16]基于投入产出分析和线性规划方法, 对山东枣庄市的水资源配置和新型污水处理技术的选择问题进行了研究.
随着城市的快速发展与大型化, 各用水区域产业结构趋于稳定、功能划分愈加明确, 不同区域中不同部门的用水需求存在明显差异.同时, 城市供排水管网的逐渐完善, 也使自来水厂和污水处理厂的跨区域联合调度成为可能.为最大化供水系统效益, 需要协调清水与再生水源的配置并优化再生水厂分区分用户收集处理与再供给的运行方案.然而, 在已有的再生水利用系统规划研究中, 针对大型城市中清水与再生水在多用水区域多用水部门间的协同利用以及再生水厂调度运行方案的优化研究尚不够深入.
大型城市具有良好的供排水基础设施条件、较高的经济和技术水平, 进行再生水利用的潜力大、可行性高.尤其是对于北京市这样水资源短缺、经济发达、人口密集的大型城市, 再生水是重要的供水水源之一, 其高效利用对保障城市水安全和可持续发展具有举足轻重的作用[17].目前, 针对北京市再生水利用的研究多集中在问题分析与影响评价方面, 或仅关注各水源的总量分配, 少见清水与再生水在多区域多用水部门间协同配置的细化研究, 欠缺对多个再生水厂跨区域联合调度及其最佳运行规模的研究[18~20].
本研究利用系统分析方法, 以供水系统净效益最大化为目标, 对再生水高需求条件下城市清水与再生水协同利用问题, 以及再生水厂厂群的最佳运行方案进行探索, 并以水资源严重短缺的北京市为例进行实证研究, 以期为决策者提供科学的决策方法及方案支持.
1 材料与方法 1.1 研究区概况及问题北京市(115°25′~117°35′E, 39°28′~41°05′N)是我国的政治和文化中心, 是京津冀区域协同发展的核心城市.北京市人均水资源量仅为150 m3, 约为全国平均水平的1/15, 水资源严重短缺[21].北京市的用水来源包括地表水、地下水、南水北调水和再生水.多年平均降水量仅为556 mm, 降水量年际间差异较大, 常出现连续的枯水年或丰水年[22].地下水长期超采, 2016年末地下水平均埋深为25.23 m, 与1980年末相比下降17.99 m[23].南水北调中线工程的通水极大地缓解了用水矛盾, 但仍不能完全解决北京市的水问题.随着城市供水管网和处理设施的逐步完善, 再生水逐渐成为第二大供水水源. 2016年, 全市再生水用量高达10亿m3, 占用水总量的26%.未来, 再生水的利用量还将进一步增长.
本文的研究区北京市中心城区, 即西城、东城、朝阳、海淀、石景山和丰台这6个行政区, 是北京市经济最为发达、水资源矛盾最为突出的地区.中心城区的土地面积仅占全市总面积的8%, 而用水量约占全市用水总量的66%, 排污量大.中心城区具有良好的供排水基础设施, 区内的污水处理厂均具备再生水生产能力(再生水厂), 再生水利用条件成熟.
根据文献[24]的要求, 2020年北京全市的再生水用量将达到12亿m3的规模, 中心城区约为8亿m3.在既定的设施设计规模和布局条件下, 如何实现多用水区多用水部门间清水和再生水的协同高效利用？如何对再生水厂群的污水收集、再生水生产与再供给进行合理运行调度？这些是研究区面临的关键问题.此外, 现有规划提出的8亿m3的再生水生产利用总规模是否合理？在现有的厂群布局和设计规模条件下, 从系统整体优化的角度考虑, 再生水实际利用规模是否有更适宜的替代方案？也是亟需回答的问题.
1.2 数据收集与整理本研究主要考虑农业、工业(包含第三产业)、生活和环境这4个用水部门, 以及清水和再生水两种水源.其中, 生活用水不采用再生水; 环境用水包括城市河湖补水、绿地灌溉和道路浇洒.依据现行政策, 为保证水质, 工业和环境部门供水中清水和再生水的混合比例最小为1:1[25].根据文献[24]所确定的中心城区空间结构和功能区划, 本研究将中心城区划分为15个用水单元, 对供水结构进行概化(图 1).各用水单元内均存在工业、生活和环境用水的需求, 仅有部分单元存在农业用水.将用水单元中清水和再生水的集中供水点和污水排放点视为用水点.即本研究仅关注各用水单元与自来水厂、再生水厂之间的供排水关系, 优化清水、污水和再生水在用水单元之间的调配, 而对于单一用水单元内部的输配水情况暂不作考虑.假设研究区内用水点与水厂间均可通过供水管网相互连通, 实现水量的输送.本研究假设供排水管网与回用管网均齐备或可配套, 即清水及再生水可跨区域优化调配.
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图 1 用水单元划分及自来水厂和再生水厂分布示意 Fig. 1 Water use units, waterworks, and water reclamation plants in the study area |
中心城区再生水厂再生水出水水质执行北京市《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB 11/890-2012)中的B标准[26], 能够满足再生水的利用要求.目前, 服务于中心城区的自来水厂共有7座(其中1座位于中心城区外), 再生水厂共有17座.将设计处理规模小于等于4万m3 ·d-1的再生水厂与相邻的再生水厂合并, 简化为12座再生水厂.由于各个再生水厂间的污水处理方式和生产规模不同, 处理成本略有差异, 合并简化后的再生水厂规模和成本参数见表 1.中心城区水资源相关数据见表 2.数据主要来源于历年北京市统计年鉴、政府报告、规划文件、地方和国家标准, 以及相关研究[18, 27~29].本研究仅考虑中心城区内部的污水处理和再生水供给情况, 不考虑再生水厂与研究区外的关联关系.
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表 1 再生水厂相关参数 Table 1 Basic data of water reclamation plants |
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表 2 水资源相关参数 Table 2 Basic data related to water resources |
2 清水与再生水协同利用优化模型
本研究在剖析清水、污水和再生水的互动关联关系的基础上, 构建清水与再生水协同利用优化模型, 对再生水和清水的协同利用以及再生水厂的生产规划方案进行研究.
清水、污水和再生水之间关联紧密, 转换关系如图 2所示.自来水厂的出厂清水供给生活、农业、工业和环境部门使用后转化为污废水.其中, 农田退水等不便于集中收集处理的污水将以面源形式直接排放.生活污水和工业废水通过城市排水管网集中收集后输送至再生水厂进行处理.再生水厂对污水进行达标处理后, 其出水包括两部分, 一部分直接排放, 另一部分经管网输送至用水部门回用.因此, 对各个用水单元而言, 输入水量为清水和再生水, 输出水量为集中收集处理污水(生活污水和工业废水)与直接排放的农田退水和绿化用水等.对供水系统整体而言, 输入水量为清水, 输出水量包括再生水厂处理达标后排放的污水和未经处理的农田退水等.
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图 2 水资源供给和转换关系示意 Fig. 2 Conversion of water resources |
基于上述转换关系, 建立清水与再生水协同利用优化模型.以供水系统净效益最大化为规划目标, 决策变量包括清水量CLWjlm、再生水量REWklm、污水处理量TWWklm和直排污水量UWWlm, 其中j代表自来水厂(j=1, 2, …, J), k代表再生水厂(k=1, 2, …, K), l代表用水单元(l=1, 2, …, L), m代表用水部门(m=1, 2, …, M).本文m=1, 2, 3, 4分别表示农业、工业、生活和环境.城市供排水管网之间相互连通, 用水点与水厂间水源的调配流向由模型计算得到.模型的具体构建如下.
2.1 目标函数
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(1) |
式中, Benefit为系统净收益(元); A表示用水部门经济生产的总收益; B表示制水成本, 包括清水制水成本、污水处理成本和污水深度处理为再生水所需的附加成本; C表示输水成本.
(1) 用水部门经济生产总收益
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(2) |
式中, BNTlm表示用水单元l内用水部门m单位水耗产生的效益(元·m-3).
(2) 制水成本
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(3) |
式中, PCCj表示自来水厂j制水的单位成本(元·m-3); PCSk表示再生水厂k将污水处理至排放标准的单位成本(元·m-3); ADDk表示再生水厂k将达标污水进行深度处理为再生水的单位附加成本(元·m-3).
(3) 清水、污水和再生水的输水费用
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(4) |
式中, DWCjl表示自来水厂j与用水单元l之间的输水距离(km); DSCkl表示再生水厂k与用水单元l之间的输水距离(km); TPC表示单位距离单方水的输水费用[元·(km ·m3)-1].
2.2 约束条件(1) 水量平衡约束
清水可用水量约束：
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(5) |
式中, α表示清水输配过程的输水损失系数(%); TAW表示清水的最大可利用水资源量(m3).
清水、污水和再生水间的水量转换平衡关系：
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(6) |
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(7) |
式中, UWWlm表示用水单元l处用水部门m直接排放到环境中的排水(m3); γm表示用水部门生产中水量的消耗系数(%), 1-γm即为污水产生系数.对供水区域l处用水部门m而言, 污水排放总量等于清水和再生水利用后的折损水量.
(2) 再生水利用总量约束
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(8) |
式中, MARA表示2020年中心城区再生水利用总量上限(m3).
(3) 自来水厂及再生水厂的供需约束
自来水厂最大生产能力约束：
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(9) |
式中, CPWWj表示自来水厂的设计供水能力(m3).自来水厂供给的清水不高于其设计供水能力.
自来水厂供给生活用水约束：
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(10) |
式中, β1表示生活用水在自来水厂j供水能力中的最小比例(%).自来水厂须保障居民的生活用水需求.
再生水厂运行负荷约束：
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(11) |
式中, CPWPk表示再生水厂污水处理设计规模(m3).再生水厂的运行负荷不超过其设计规模.
再生水厂基本运行负荷约束：
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(12) |
式中, β2表示再生水厂的基本运行负荷比例(%).再生水厂的污水处理不小于基本运行负荷, 保证再生水厂的正常运行.
农业及环境用水排放约束：
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(13) |
农田退水及环境用水全部直接排放到环境中, 不进入再生水厂.
工业、生活污水全部由再生水厂处理：
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(14) |
(4) 用水单元的水量水质需求
用水部门用水需求：
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(15) |
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(16) |
式中, URMlm表示用水单元l用水部门m的最大需水量(m3); LRMlm表示用水单元l用水部门m的最小需水量(m3).用水单元l用水部门m的供水量不高于允许的最大供水量, 不低于最小供水量.
行业用水总量限制：
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(17) |
式中，TRMm表示中心城区用水部门m的总用水上限(m3).用水部门m的用水总量不高于允许的用水上限.
用水部门清水的最小需求：
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(18) |
式中, CRMlm表示用水单元l用水部门m的最小清水需求(m3).用水单元l用水部门m的清水供给量不小于最小需求量.
用水部门再生水的最小需求：
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(19) |
式中, RRMlm表示用水单元l用水部门m的最小再生水需求(m3).用水单元l用水部门m的再生水供给量不小于最小需求量.
用水部门水质约束：
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(20) |
式中, μm表示用水部门m中清水和再生水的最小配比.用水单元l内用水部门m的清水、再生水配水比例需满足用水部门的水质要求.
再生水不用作生活用水：
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(21) |
(5) 污染物排放总量限制
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(22) |
式中, APD表示环境容许的COD最大排放量(g); PT表示经处理达标的污水中COD浓度(g·m-3); PUm表示由用水部门m直接排放到环境中的污水中COD浓度(g·m-3).区域水环境污染物排放量不高于总量控制上限.
(6) 非负约束
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(23) |
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(24) |
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(25) |
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(26) |
在现有厂址布局和设计规模下, 本研究设置了两个情景, 对应不同情景分别提供清水与再生水协同利用与再生水厂群运行的优化方案.其一为规划方案基准情景(BAU情景), 此情景下再生水的总利用量为文献[24]所要求的8亿m3; 其二为规划替代方案情景(AS情景), 此情景下再生水利用不受政策规划的总量限制, 但受设施设计规模等约束的限制, 通过系统自动寻优确定再生水的最佳利用总量.
利用LINGO 11.0软件编程求解建立的清水与再生水协同利用优化模型, 得到研究区各用水单元内各用水部门的清水和再生水利用量, 以及再生水厂产量等数据.
3.2 规划方案基准情景BAU情景下研究区用水总量为25.24亿m3, 清水和再生水的供水总量分别为17.24亿m3和8.00亿m3, 分别占用水总量的68%和32%, 清水是中心城区主要的用水来源.
各用水部门间清水和再生水供水总量如图 3所示.工业用水量最高, 达到9.20亿m3; 其次为环境用水, 用水量为6.73亿m3; 生活用水为5.31亿m3, 略高于总量为4.00亿m3的农业用水.农业、工业、环境这3个用水部门的再生水用量分别为2.38、2.76和2.86亿m3, 分别占该部门用水总量的60%、30%和42%.清水是工业和环境部门的主要供水水源, 以及生活用水的全部来源; 再生水是农业的主要供水水源.
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图 3 规划方案基准情景(BAU)和规划替代方案情景(AS)下各用水部门清水和再生水用量 Fig. 3 Allocation of clear water and reclaimed water by sectors under the business-as-usual and alternative scenarios |
清水和再生水生产的总效益分别为9 084亿元和7 288亿元, 清水贡献的经济效益总值高于再生水.清水和再生水的单方水效益分别为527元和911元, 再生水明显高于清水.虽然清水的供给总量较大、经济总产出较高, 但更多地供给经济效益较低、但水质需求较高的部门(生活和环境的清水用量占清水总量的53%).再生水用量远低于清水、仅为清水用量的46%, 但更多地供给经济效益较高、水质需求较低的部门(农业和工业的再生水用量占再生水总量的64%).
图 4给出了各用水单元再生水的利用量与各再生水厂运行的规划方案.用水单元4和15的再生水利用水平最高, 其次为用水单元1和7;用水单元8和11的再生水利用水平最低.各再生水厂间的实际处理规模存在较大差异, 多数再生水厂尚未达到设计规模, 再生水回用总量仅占再生水厂现有设计处理规模的51%.规模较小的再生水厂7、9、10和11, 以及位于研究区边缘的再生水厂8均处于满负荷运行状态, 运行压力较大.再生水厂12的污水处理量占设计处理规模的97%, 再生水回用量为实际处理量的77%.位于研究区外围的再生水厂2和6不为中心城区提供再生水.其余再生水厂仅需维持模型设定的基础运行负荷.虽然再生水厂5的规模较小, 但因其周边紧邻其他两座再生水厂, 因此仍保持低位运行状态.
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图 4 规划方案基准情景下各用水单元内再生水利用水平及再生水厂运行情况 Fig. 4 Reclaimed water allocated to the water use units and operating loads of water reclamation plants under the business-as-usual scenario |
各用水单元的再生水利用水平和再生水厂的分布、设计处理规模之间存在明显的空间分布差异.基于文献[24]对中心城区划分的4个区域(图 1), 即核心区(用水单元1、2, 即东城区和西城区)、东北部区域(用水单元3~6, 即朝阳区北部, 分布有再生水厂1、3、4、5和7)、西北部区域(用水单元11~15, 即海淀区和石景山区, 分布有再生水厂8和9)和南部区域(用水单元7~10, 即丰台区和朝阳区南部, 分布有再生水厂2、6、10、11和12), 对各区域再生水利用和再生水厂设计处理规模间的关系进行分析.东北部和西北部区域再生水利用量最大, 均占中心城区再生水利用总量的31%;核心区和南部区域再生水利用水平相对较低, 分别占再生水总量的14%和24%.
东北部、西北部和南部区域的再生水生产能力分别占研究区总设计处理规模的45%、15%和40%.可见, 东北部区域再生水利用水平和再生水厂设计处理规模较为协调, 南部区域的再生水生产能力相对充足, 再生水的供给矛盾主要存在于西北部区域.西北部区域15%的再生水厂设计处理规模难以支撑31%的再生水利用量, 还需要依靠南部的再生水厂10和12, 才能满足该区域的再生水利用需求.为提高研究区再生水供给的稳定性和均匀性, 本文建议决策者在制定再生水厂规划时, 率先考虑提高西北部区域再生水厂的设计处理规模, 如新建再生水厂或对设计处理规模较低的再生水厂进行扩容改建.
各用水单元内清水和再生水的利用比例如图 5所示.模型输入中, 各用水单元内清水基础需求量均高于再生水.有13个用水单元以利用清水为主, 清水用量占比超过了50%.对这些用水单元而言, 供应清水更为经济.因为自来水厂多集中在中心区域, 而再生水厂分布较为分散、均位于研究区边缘.尽管再生水的生产成本略低于清水, 但自来水厂距多数供水单元更近、输水成本更低.用水单元4和7的再生水利用量略高于清水, 分别占用水单元用水总量的52%和56%.对这两个用水单元而言, 供应再生水更为经济.很可能因为它们均位于研究区边缘, 距再生水厂较近、再生水的综合供水成本更低.
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图 5 规划方案基准情景下各用水单元清水和再生水的利用比例 Fig. 5 Ratios of clear and reclaimed water in different water use units under the business-as-usual scenario |
如图 6所示, 与BAU情景相比, AS情景的总效益增加了6.21亿元、增长了0.04%.研究区总用水量上升为25.75亿m3, 增加了2.02%, 主要由再生水实现.清水取用量减少14.02%, 而再生水利用总量比政策规划总量值提高了36.59%.与BAU情景相比, 再生水利用量在污水处理量中的占比提高了31.16%.可见, 在充分利用现有设施、不新建再生水厂的条件下, AS情景的优化结果能够显著提高用水效益和再生水利用总量、显著降低清水取用量, 有助于促进水资源的可持续利用.因此, AS情景所得到的再生水利用总量10.93亿m3可视为研究区在现有设施条件下的再生水最佳利用量.
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图 6 规划替代方案情景与规划方案基准情景的结果对比 Fig. 6 Comparison of the results from the alternative scenario against those from the business-as-usual scenario |
与BAU情景相比, 再生水厂4、5和12的污水处理量分别增加了32%、50%和2%, 再生水厂5将满负荷运行; 再生水厂6的污水处理量降低了6%(图 7).再生水回用量占现有设计处理规模的70%, 与BAU情景相比提高了19%.同时, 再生水厂出水实现全部回用, 从而更充分地利用现有再生水厂的处理能力、最大限度地提升再生水利用规模.
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图 7 规划替代方案情景下各用水单元再生水利用水平及再生水厂运行情况 Fig. 7 Reclaimed water allocated to the water use units and operating loads of water reclamation plants under the alternative scenario |
AS情景中各用水部门清水和再生水用水情况如图 3所示.再生水分别占农业、工业和环境用水量的90%、44%和48%.与BAU情景相比, 农业、工业和环境部门的用水总量基本不变, 生活用水增加了0.51亿m3、增长了9%.按照2016年中心城区常住人口数据1282.8万计算, 人均生活可用水量由BAU情景的41.39 m3增加到45.37 m3.在城市常住人口不断增长的背景下, AS情景的优化结果可以提高城市的容纳能力、保障居民的生活用水.工业部门的再生水增长最为明显, 相比于BAU情景增长了1.30亿m3, 占工业用水量的44%.农业的再生水用量增加了1.24亿m3, 再生水占比由BAU情景的60%增加到90%.环境用水中再生水用量增加了0.39亿m3, 占比为48%.
AS情景中各用水单元再生水利用量如图 7所示.用水单元2、4和15的再生水利用水平最高, 而用水单元8、11和12的再生水利用水平最低.与BAU情景相比, 各用水单元的再生水利用量或有增加或保持不变, 用水单元2、10和15中再生水利用量明显增大.
AS情景中各用水单元中清水和再生水利用比例如图 8所示.用水单元4、10和15中再生水利用量分别占用水单元用水总量的52%、59%和65%, 利用再生水更为经济.其他12个用水单元利用清水更为经济.
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图 8 规划替代方案情景下各用水单元清水和再生水的利用比例 Fig. 8 Ratios of clear and reclaimed water in different water use units under the alternative scenario |
为最大化供水系统效益, 充分发挥现有设施作用, 再生水利用总量可由规划方案中的8亿m3逐渐提升至替代方案推荐的最佳利用量10.93亿m3.本文分析了再生水利用量向AS情景中最佳利用量过渡的厂群运行方案(过渡方案).
令模型再生水利用总量约束[式(8)]中MARA的分别取值8.5、9.0、9.5、10.0和10.5亿m3, 得到再生水利用水平逐步提高过程中, 再生水厂的再生水生产和回用方案(图 9).
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(a)实际生产规模与设计处理规模的比例; (b)再生水回用量占实际生产规模的比例; BAU：规划方案情景; AS：规划替代方案情景 图 9 向替代方案过渡的运行方案中再生水厂生产情况 Fig. 9 Water reclamation plants operation conditions under the different reclaimed water utilization conditions |
过渡方案中再生水厂实际生产规模与设计处理规模间的比例关系如图 9(a)所示.再生水厂1、2、3、6、8、9、10和11的状态运行与BAU情景一致.再生水厂4和5的运行负荷, 随着再生水利用量的增加而增加, 再生水量增加到8.5亿m3时, 再生水厂4的增速略高于再生水厂5;再生水达到最佳利用量时, 再生水厂5率先达到满负荷运行状态.再生水厂7和12以较高负荷运行.再生水利用量不超过9.5亿m3时, 再生水厂7满负荷运行; 再生水利用量继续增加时, 该厂将始终保持94%的运行负荷率.再生水厂12的运行负荷呈现先下降后上升的趋势.
过渡方案中各再生水厂再生水回用量占实际生产规模的比例如图 9(b)所示.除再生水厂1、2、6和12外, 推荐其余再生水厂始终将全部出水再次利用.随着再生水利用量的逐渐增加, 再生水厂1和12由较高的再生水回用比例, 迅速提升至100%;再生水厂2和6的再生水回用比例应稳步增长.当再生水用量为8.5亿m3时, 均不建议研究区利用这两座再生水厂的出水.当再生水利用总量增加到10.5亿m3时, 再生水厂6应首先达到100%的再生水回用率, 再生水厂2的再生水回用比例达到94%.直至达到再生水最佳利用量时, 再生水厂2才应达到100%的再生水回用率.
4 结论(1) 规划方案基准情景结果表明, 2020年北京市中心城区的用水总量为25.24亿m3, 再生水占比32%.再生水分别占农业、工业、环境用水量的60%、30%和42%, 是农业用水的主要来源.西北部的海淀区和石景山区内的再生水厂难以维系区域内部再生水的利用需求, 再生水供给矛盾将较为突出.本文建议决策者未来应率先考虑在西北部区域新建或改扩建再生水厂.
(2) 规划替代方案情景可以增加用水总效益6.21亿元.在增加可用水量2.02%的同时, 减少新水用量14.02%, 增加再生水利用量36.59%, 从而充分利用现有设施能力, 促进水资源的循环利用.现有设施条件下的再生水最佳利用量为10.93亿m3.
(3) 为最大化供水系统效益、充分发挥现有设施作用, 再生水利用总量可由规划方案中的8亿m3逐渐过渡为替代方案推荐的最佳利用量10.93亿m3.在再生水利用总量逐步提升期间, 对运行方案的优化结果显示, 高碑店和槐房再生水厂的再生水回用比例应迅速提升至设计规模的100%, 小红门和定福庄再生水厂应从规划方案情景时的不提供再生水转变为逐步提升再生水回用量, 其余再生水厂始终将全部出水再次利用.
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