茅洲河流域再生水的綜合優化配置

劉耀成,馬曉明,李 楊,王海群

(1.北京大學深圳研究生院環境與能源學院城市人居環境科學與技術重點實驗室,廣東深圳 518055;2.深圳市水務局,廣東深圳 518036)

茅洲河流域再生水的綜合優化配置

劉耀成1,馬曉明1,李 楊1,王海群2

(1.北京大學深圳研究生院環境與能源學院城市人居環境科學與技術重點實驗室,廣東深圳 518055;2.深圳市水務局,廣東深圳 518036)

對深圳市茅洲河流域工業生產、農業灌溉、城市綠地澆灌、道路廣場澆灑以及居民沖廁等方面的再生水需求進行分析,建立包括4個再生水廠、35個再生水用水片區的再生水優化配置模型,并運用LINGO求解其全局最優解。結果表明:①茅洲河流域再生水廠的生產能力為59.4萬m3/d,僅能滿足該流域污水處理需求的51.7%;②農業灌溉、工業回用、城市綠地澆灌、道路廣場澆灑、居民沖廁等行業使用再生水的邊際收益分別為3.7元/m3、21.6元/m3、4.1元/m3、2.1 元/m3、1.3 元/m3。

再生水;優化配置;全局最優解;深圳市

現代社會中,再生水是水資源系統必要的組成部分,但我國水資源的可持續管理體系不健全,城市水資源規劃中對再生水規劃重視不夠,城市建設和城市設施更新中缺少相應的再生水設施部分,影響了再生水利用的推廣。深圳市是我國7個嚴重缺水城市之一,人均水資源占有量只有全國平均水平的1/4、廣東省平均水平的1/5。2008年為深圳市豐水年,深圳市全部供水企業供水15.70億m3,其中境外引水達13.37億 m3,對境外水資源依賴度高達85.16%。按照深圳市2005～2020年規劃,深圳市茅洲河流域2020年水資源缺口達1.57億m3。無論從提高水資源自給能力考慮,還是從解決水資源缺口出發,深圳市都要大幅增加非常規水資源的使用量。非常規水資源利用包括海水淡化、雨水利用、污水再生等,但由于技術瓶頸和土地資源的限制,海水淡化和雨水利用難以大規模推廣,而污水水量充足且穩定,污水處理和再生技術成熟,再生水價格低廉,因而使用再生水最為現實[1]。隨著茅洲河流域水環境綜合整治工程的完工,流域旱季的污水收集和處理率將達到100%,除了滿足河流生態補水要求外,污水再生后將用于工業、農業、市政等,這就要求從整體效益最大化出發配置再生水,以促進再生水利用的健康發展。

再生水配置研究中,從費用效益分析出發研究再生水優化配置的較多,主要利用線性規劃、非線性規劃、整數規劃、不確定規劃構建再生水優化配置模型進行求解[2-4]。部分研究者[4-5]對再生水與天然水水資源進行統一規劃,建立多目標線性規劃優化配置模型。還有研究者[5-6]在宏觀層面研究水資源優化配置問題時考慮了再生水的使用,但把再生水利用固定為較小比例和指定用途,忽略了對再生水進行潛力分析和多用途優化配置。Yang Hong等[7]以再生水回用量最大為目標函數建立了線性模型,分析了不同再生水價格下北京市的再生水需求潛力。Nave[8]以再生水用于農業灌溉凈效益最大為目標函數,研究了利用再生水進行灌溉的環境損害和節約水處理費之間的平衡問題。本文將以再生水用戶凈效益最大為目標函數,建立單目標、多變量、多約束的優化模型,研究再生水廠的適宜規模及各用水點的再生水水量配置。

1 再生水配置模型

1.1 研究區域

茅洲河發源于深圳市寶安區的最高峰羊臺山,流經石巖、公明、光明、松崗4鎮,在沙井鎮注入珠江口伶仃洋。在松崗鎮西北部,茅洲河是深圳市和東莞市的界河,又稱東寶河。茅洲河全長42.6 km,是深圳市境內最長的河流。深圳市茅洲河流域面積313km2,這是本文的研究范圍。

1.2 建立模型

根據《茅洲河流域水環境綜合整治規劃》[9]設計方案,深圳市將在茅洲河沿線建設4座污水處理廠,分別為燕川、沙井、公明、光明污水處理廠,同時預留再生水廠建設用地,故本研究在4座污水處理廠位置將設置同名再生水廠。茅洲河流域共設置了35個收集污水的小片區,由于污水片區的設置充分考慮了地形、行政片區等因素,而地形、行政片區等因素也是再生水配置設置分區的主要因素,故本研究采取相同的片區設置。本研究將再生水配置過程進行了簡化,即,將再生水廠與各用水片區間的管線簡化為直線管道,再生水廠向各用水片區進行集中供水。

茅洲河流域4個污水處理廠中的3個污水處理廠排放的污水達到一級A標準,1個達到一級B標準,再生水廠將部分污水深度處理后進行回用。本文要研究的是:再生水廠規模,再生水廠向用水片區的再生水供應量,以及用水片區在工業回用、農業灌溉、道路廣場澆灑、城市綠地澆灌、居民沖廁方面的再生水需求量。

1.2.1 再生水需求潛力分析

a.居民沖廁再生水需求潛力。居民沖廁再生水用量可占到居民生活用水總量的1/3,故居民沖廁再生水需求量計算公式為

式中:QF,j為j片區居民沖廁再生水需求量,m3/d;Nj為j片區居民人口總數,人;q為j片區居民平均生活用水量,人均用水定額240L/d;k為j片區居民沖廁再生水占居民生活用水總量的比值,這里取平均水平,即1/3。

b.道路廣場澆灑再生水需求潛力。道路廣場澆灑再生水用量跟道路保潔質量要求相關,一般情況下,一二級道路保潔要求相近,三四級道路保潔要求相近。道路廣場澆灑日均再生水需求量計算公式為

式中:QT,j為j片區道路廣場澆灑再生水需求量,m3/d;qt為道路廣場澆灑年用水定額,m3/hm2;Sj為j片區道路廣場面積,hm2;n1為夏秋每日澆灑次數;d1是夏秋天數,d;n2是冬春每日澆灑次數;d2是冬春天數,d。深圳市道路廣場車流量、人流量大,故不區分道路等級,保潔要求采取同一標準。深圳市春秋降雨量大、冬春降雨量小,夏秋澆灑次數和天數較少,故只考慮150d旱季時間里的道路廣場澆灑用水量。這樣,道路廣場澆灑再生水需求量計算公式修正為

c.工業再生水需求潛力。工業用水水質水量差異較大,故根據總產值與工業用水量關系計算工業用水總量,再確定再生水需求量占工業用水總量的比例。工業再生水需求量計算公式為

式中:QI,j為j片區工業再生水需求量,m3/d;PI,j為j片區工業增加值,萬元;qI為j片區萬元工業增加值用水量,m3/萬元;KI為j片區工業再生水需求量占工業用水總量的比例,本文取40%。

d.農業再生水需求潛力。農業再生水用量跟土地類型相關,不同類型用地的灌溉用水定額不同。本文只考慮旱季150天的農業再生水需求量,其計算公式為

式中:QA,j為j片區農業再生水需求量,m3/d;Sj1為j片區水澆地面積,hm2;q1為j片區水澆地年用水定額,m3/hm2;Sj2為j片區菜地面積,hm2;q2為j片區菜地年用水定額,m3/hm2;Sj3為j片區園地面積,hm2;q3為j片區園地年用水定額,m3/hm2。

e.城市綠地澆灌再生水需求潛力。可按照城市綠地澆灌用水定額計算其再生水需求量,但由于用水定額為年用水量,而用再生水澆灌城市綠地只需考慮旱季用水,故城市綠地澆灌再生水需求量計算公式為

式中:QG,j為j片區城市綠地澆灌再生水需求量,m3/d;SG,j為j片區城市綠地澆灌面積,hm2;qG為j片區城市綠地澆灌年用水定額,m3/hm2。

1.2.2 再生水工程成本

再生水工程成本包括再生水處理設施、輸送管道、儲存設施、壓力設施等的成本。由于集中供應再生水時,再生水輸送管道成本占再生水工程成本的大部分,故本文用再生水輸送管道成本代替再生水工程成本進行計算。本文用深圳市給水管道成本數據(表1)來計算再生水輸送管道成本。

表1 深圳市給水管道單位長度成本

再生水輸送管道的管徑由供水量確定,計算公式為

式中:Dij為第i個再生水廠到第j個用水片區的再生水輸送管道的管徑,mm;Qij為第i個再生水廠向第j個用水片區的再生水供應量,m3/d;ν為管道設計流速,一般為1.0～1.5m/s,本文取1.2m/s。

深圳市給排水設施運營年限設計為50年,本研究設定在50年內以固定比率回收投資。本文研究對象為集中式再生水廠處理系統,根據深圳市已有再生水設施的投資和運營費用數據[9],取折算的單位再生水年均投資和運營費用為0.8元/m3,則再生水工程成本計算公式為

式中:F再為再生水工程成本,元;n為再生水廠個數,這里取4;m為用水片區個數,這里取35;a、b、α為再生水輸送管道費用參數,筆者根據深圳市給水管道成本擬合求得:a=2160,b=3140,α=2.08;Lij為第i個再生水廠到第j個用水片區集中供水點的距離,m;QWZ,j為j片區再生水廠規模,m3/d。

1.2.3 用戶使用再生水的收益

用戶使用再生水的收益指用戶使用再生水帶來的經濟效益,本文采用分攤系數法計算用戶使用再生水的收益。根據分攤系數法,求得深圳市工業、農業、第三產業等用水部門的水經濟價值。由于綠地澆灌、道路廣場澆灑、居民沖廁用水的經濟價值難以直接計算,本研究中分別以公共設施管理、交通運輸、居民服務等行業的水經濟價值代替。用戶使用再生水的收益計算公式為

式中:F用為用戶使用再生水的收益,元;m為用水片區個數,本文取 35;QZI,j、QZA,j、QZG,j、QZT,j、QZF,j分別為第j個用水片區工業、農業灌溉、城市綠地澆灌、道路廣場澆灑、居民沖廁的再生水供應量,m3/d;CI=22.1 、CA=4.2 、CG=4.6 、CT=2.6 、CF=1.8,分別為深圳市工業、農業灌溉、城市綠地澆灌、道路廣場澆灑、居民沖廁等用水部門的水經濟價值,元/m3。

1.2.4 綜合效益

使用再生水將帶來巨大的經濟效益、社會效益和環境效益。社會效益指增加了全社會可供使用的水資源量,提高了供水安全等對社會發展的支持和促進作用。環境效益主要指減少了直接進入水體的污染物數量。由于茅洲河污染嚴重,茅洲河流域用水主要依靠外部引水,那么使用再生水將給茅洲河流域帶來巨大的社會效益和環境效益。由于社會效益和環境效益難以量化,本文將用戶使用再生水的收益與再生水工程成本的差額作為使用再生水的綜合效益f:

1.2.5 約束條件

由于茅洲河是雨源性河流,完善污水收集系統后,旱季流域內污水收集率將達到100%。茅洲河在旱季將干涸,為保證茅洲河基本生態功能,必須對河流進行生態補水。根據計算,茅州河生態補水量約為j片區污水廠處理規模QW,j的4.7%～89.6%,所以限定j片區再生水廠規模QWZ,j為

隨著Lij值的增大,再生水輸送管道的成本將急劇升高,長距離輸送再生水將比建立分散再生水處理設施成本高,這時長距離輸送再生水不經濟。本文研究范圍中的絕大部分用水片區都有兩個10km范圍內的再生水廠,故本文將限定再生水廠只給Lij＜10km以內的用水片區輸送再生水,即當Lij≥10 km時,Qij=0。

當輸送水量過小時,輸送再生水就不具備規模效應。對再生水處理費用的相關研究顯示,再生水分散處理設施的規模應大于150m3/d,才能降低再生水工程成本[1,10],本文研究再生水集中處理供水,故限定片區用水規模為Qij≥200m3/d。

再生水廠對周圍再生水用水點供應再生水,其生產的再生水水量(即再生水廠規模)與總的再生水供應量必須保持平衡,即

各用水點再生水供應量Qij必須等于各類型再生水供應量之和,即

再生水的需求潛力約束為

再生水供應量的非負約束為

2 LINGO軟件求解及結果

LINGO軟件是美國LINDO System公司開發的最優化軟件,該軟件在線性優化、整數規劃以及非線性優化上功能卓越,在各領域得到廣泛應用。本文的茅洲河流域再生水配置優化模型包含392個變量、393個約束條件,使用LINGO軟件可快速求解,同時LINGO與EXCEL軟件具有良好接口,適合結構化編程,因此本文采用LINGO軟件求解模型。

由于模型決策變量多,約束條件多,故在求解茅洲河流域再生水配置的LINGO時,將軟件參數調整為Global solver。經過計算,求得茅洲河流域再生水配置的全局最優解。限于篇幅,本文只列出再生水廠向用水片區配送的水量,見表2。以再生水使用綜合效益最大為目標的茅洲河流域再生水配置優化結果顯示:①茅洲河流域再生水廠總體最優規模為59.4萬m3/d,由于部分再生水只在旱季使用,折算年用水量為1.40億m3,加上其他非常規水資源,可解決茅洲河流域水資源缺口;②燕川再生水廠、沙井再生水廠、公明再生水廠、光明再生水廠的再生水處理規模分別為污水處理規模的 80.5%、41.0%、41.8%、42.4%。③再生水廠向用水區域配水,要綜合考慮距離和水量因素,這二者都對成本和效益有影響。現有模型解顯示,再生水廠供應范圍以燕川再生水廠最大,沙井和燕川兩個再生水廠則占據供應水量的大部分,這說明再生水廠具有規模效應。④各用水區對用水行業的水量進行分配,考慮了不同行業新鮮用水價格不同對再生水分配的影響,結果顯示農業灌溉、工業回用、城市綠地、道路廣場澆灑、居民沖廁等行業使用再生水的邊際收益分別為3.7元/m3、21.6 元/m3、4.1 元/m3、2.1 元/m3、1.3 元/m3。

表2 各再生水廠向用水片區配送的水量 m3/d

3 結 語

本文建立了茅洲河流域再生水優化配置模型,以再生水廠規模、再生水廠配送水量、用戶水量分配為決策變量,以再生水使用綜合效益最大為目標,考慮了輸送距離、使用規模和河流補水需求等約束。為方便模型求解,將非線性約束都轉化為線性約束,將模型轉化為LINGO語言模型,求得全局最優解。

隨著城市經濟發展和人口增長,水資源短缺問題將日益凸顯,使用再生水成為城市的戰略選擇。

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Study on integrated optimal allocation of reclaimed water in Maozhou River Basin

LIU Yao-cheng1,MA Xiao-ming1,LI Yang1,WANG Hai-qun2
(1.Key Laboratory for Urban Habitat Environmental Science and Technology,School of Environment and Energy,Peking University Shenzhen Graduate School,Shenzhen 518055,China;2.Shenzhen Water Authorities Bureau,Shenzhen 518036,China))

The potential demand of reclaimed water of industrial production,agricultural irrigation,urban green field watering,roads and squares sprinkle,and residents flushing was examined in the Maozhou River Basin of Shenzhen.The allocation optimization model of reclaimed water including four water recycling plants,35 reclaimed water supply areas was established.The global optimal solution by using LINGO software was solved.The results indicated that the scale of water reclaimed plant of the Maozhou River Basin was 594000m3/d,which was 51.7%of the size of sewage treatment.The marginal revenue of using reclaimed water in agricultural irrigation,industrial recycling,urban green field watering,roads and squares sprinkle and residents flushing were 3.7 RMB/m3,21.6 RMB/m3,4.1 RMB/m3,2.1 RMB/m3and 1.3 RMB/m3,respectively.

reclaimed water;optimal allocation;global optimal solution;Shenzhen City

TV213.9

A

1004-6933(2011)03-0045-04

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.011

劉耀成(1981—),男,湖北襄樊人,碩士研究生,研究方向為環境規劃與管理。E-mail:icance@yahoo.cn

(收稿日期:2010-04-02 編輯:彭桃英)