城市水系統的可持續性研究進展

左葉穎 許效天

(漯河市環境科學技術研究所，河南 漯河 462000)

隨著全球城市化進程的不斷加快，城市用水量愈來愈大，城市水系統對支撐整個城市的存在和發展起著舉足輕重的作用，因此構建可持續性的城市水系統顯得尤為重要。城市水系統［1，2］是在城市所屬范圍內由經濟、社會和環境等因素相互作用形成的水物質流、水設施和水活動的總稱，是水的自然循環與社會循環的耦合系統，包括城市水資源、城市給水、城市用水、城市排水、城市調蓄防洪和城市中水回用等子系統。近年來，國內外針對城市水系統的可持續性開展了大量的研究工作，主要集中在城市水系統的可持續性評價、城市水系統的運行效率分析和城市水系統的優化配置研究等方面。

1 城市水系統的可持續性評價

1.1 城市水資源的可持續性評價

水資源可持續性研究的主要方向有水資源可持續利用評 價［3－7］、水 資 源 安 全 評 價［8，9］、水 資 源 風 險 評價［10－13］、水資源配置方案評價［14］、水資源承載力評價［15－18］、水資源開發利用評價［19］、水質評價［20］、水資源可再生能力評價［21，22］和水資源價值評價［23］等。其中針對城市水資源的可持續性評價有:胡學峰［24］采用層次分析法和綜合判別法對天津市水環境生態安全現狀進行評價及預警研究，提出了解決天津市水環境生態問題的對策與途徑;孫義鵬［25］采用虛擬水戰略及水足跡相關理論對大連市水資源的可持續性進行了研究，該方法突破研究實體水的局限;李琳［26］依據“壓力－狀態－響應”指標框架理論，采用相關分析、層次分析和主成分分析等方法對指標進行篩選，建立了鎮江市水環境安全評價指標體系，并用模糊綜合評價法分析鎮江市水環境安全的變化趨勢;高長波等［27］利用生命周期評價的系統性結構框架，構建了城市水系統可持續性評估流程和指標體系，并提出綜合評價方法;鄧履翔等［28］構建了城市水資源利用與水生態環境綜合評價體系，將粗糙集理論引入指標體系評價中。采用動態約簡法進行評價，降低了已有評價法對專家主觀判斷的依賴性，提高了評價結果的可靠性。

1.2 城市供水系統的可持續性評價

供水系統是城市非常重要的基礎設施，也是城市可持續發展的重要保障。圍繞城市供水系統的可持續性，吳小剛等［29］采用最小割集理論建立了城市給水管網系統的故障風險評價決策模型，實例證明，這一決策技術是科學有效的;Zhao 等［30］建立了水力和水質的可靠性模型與市政管網工況的可靠性模型，借助可用水的比例和正常節點的需求來計算水力的可靠性，采用節點水質的達標率來計算水質可靠性。結果表明，該可靠性模型評價結果準確合理，能在實踐中很好地應用。周恒良［31］和康大臣等［32］也對給水系統的可靠性做了相應的研究;覃炫［33］采用季節性指數平滑、灰色理論和BP 神經網絡三種模型綜合分析了管網漏損的各種實際情況，利用灰色關聯度法對管網健康度進行評價，從而確定了管道維護的優先次序;張哲［34］采用層次分析和主成分分析等方法對城市給水管網承載力體系進行了初步研究，并提出提高城市給水管網承載力的具體措施;許強等［35］把城市給水系統調度分為用水量預測、給水系統網絡分析模型和調度決策，調度決策就是建立優化調度模型，確定優化運行的決策變量值。根據決策變量的不同，優化調度模型分為直接優化調度模型和兩級優化調度模型，張玉芳［36］、王訓儉［37］、俞 國平［38，39］和Avi Ostfeld 等［40，41］認為，對于給水管網規模大，泵站多，可調余地大，給水方式較為復雜的情況，宜采用二級優化調度模型，趙洪賓［42，43］、呂謀［44］和Jowitt 等［45］認為，較為簡單的系統宜采用直接優化調度模型。

1.3 城市排水系統的可持續性評價

可持續城市排水系統是水環境整治的生命線，也是實現健康水循環的中心。就城市排水系統的可持續問題，董欣等［46］以北京市大興新城為研究區域，采用物質流分析法構建了城市污水系統靜態物質流分析模型，比較研究了傳統系統、源分離－灰水SBR 處理系統和源分離－灰水濕地處理系統的性能。結果表明，僅從環境資源的角度考慮，源分離系統較傳統系統具有明顯的可持續性;Listowski 等［47］采用實踐導向的研究驗證方法構建了評估城市廢水回用技術“微濾”運行性能的評價模型，該模型的建立程序為技術的描述，生產能力、生產效率和可靠性標準的確定，定量性能指標的選擇，評價模型的構建等;Murray 等［48］以成都市為研究實例，采用處理負荷－處理能力的二維可持續評價模型對城市廢水處理設施進行了評價。結果表明，該評價模型具有指標體系的完整性、能夠估量主動可持續性等優點，缺點是該方法未能包籠所有可能的廢水處理設計指標;vande Meene 等［49］把因果關系圖引入到以系統動力學為基礎的決策支持工具中，用于城市污水收集網絡的經濟可持續管理研究;Rehan 等［50］采用系統動力學模型研究了城市廢水收集設施的經濟可持續性管理策略。

1.4 城市水系統的可持續性綜合評價

針對整個城市水系統，陳慶秋等［51］以珠江三角洲城市水系統為研究對象，依據社會水循環概念構建一種測評城市水系統環境可持續性的評價框架和指標體系;山崎涼子［52］應用系統分析法構建了城市水系統可持續性發展評價指標體系和日中城市水系統可持續性模糊綜合評價模型。在日中水資源管理對比分析的基礎上，指出兩國在水利工程建設機制、水資源取費管理制度、排污權交易制度上存在著顯著差異。提出中國應構建與政府職能分離、利益剝離的水利工程建設體制;Matthias等［53］構建了一套簡化型城市水系統可持續性評價工具，模型宗旨是把可持續性思考引入到城市水系統項目決策的早期。該方法操作過程簡單，而且得出的評價結論和生命周期評價、生命周期成本是一致的;Sharma 等［54］把水平衡、污染分析、生命周期評價和生命周期成本等方法有機結合起來，組建了一套城市水系統的綜合性評價模型;Zhang 等［55］利用生態系統網絡模型和網絡效用矩陣研究了北京市的網絡結構和生態的關系水代謝系統，確定了當地環境、雨水收集、工業、農業、生活和廢水回收相互間的聯系和互惠程度，并揭示了進一步優化水系統各子系統的方法;楊柳蔭［1］采用自上而下的分析法選擇城市水系統的評價指標，構建了一套包括水質和水量屬性、設施屬性、管理屬性以及社會經濟屬性在內的城市水系統評價指標體系，并以蘭州市為研究實例驗證該指標體系是切實可行的;van Leeuwen 等［56］借助水足跡、城市代謝和生態系統服務等方法的基本要素組建評價指標體系，構建了一套城市水系統可持續性評價模型;謝京［57］利用大系統理論和系統分析法對城市水務管理系統的結構及其控制方法進行研究，進而探討實現城市水務管理可持續發展的策略;Fagana 等［58］建立了一套城市水系統的動態評價模型，該系統模型具有供水系統、居民用水、工業用水、農業用水、雨水的收集與處理、污水和廢水處理等六個子系統。

2 城市水系統的運行效率分析

城市水系統的優劣在很大程度上取決于其運行效率，城市水系統的運行效率就是城市水資源有效利用以實現城市水系統功能的程度［59］。城市水系統運行效率的高低可通過系統中水資源的有效利用程度來衡量。謝京［57］采用數據包絡分析法和Malmquist 指數法從靜態和動態兩個角度來綜合評估天津市水務系統的運行效率及影響其效率變化的關鍵性因素;梁小俊等［60］建立了城市引配水系統綜合效益評價指標體系，借助改進信息熵的專家自身權重算法和運用歐式貼近度的模糊綜合評價方法，對2003－2008年杭州市運河引配水綜合效益水平及變化趨勢進行了定量評價。研究表明，改進的專家自身權重算法有效避免了專家多次打分形成的主觀誤差，評價結果更加客觀合理;吳丹［61］采用灰關聯分析法與投影尋蹤法建立了區域水系統綜合績效評價模型，構建了包括供水系統、用水系統和污水處理系統在內的區域水系統綜合績效評價指標體系，并提出區域水系統綜合績效優化對策;王效琴等［62］運用層次分析法建立了城市水資源開發利用措施綜合效益評價模型，以建立的模型對天津市的污水回用措施、海水淡化措施與南水北調措施作了綜合效益評價。結果表明，污水回用措施的綜合效益＞南水北調措施的綜合效益＞海水淡化措施的綜合效益;顏瑩瑩［59］在對城市水系統進行結構分析、層次分析和物流分析的基礎上，利用層次分析法和主成份分析法分別探討了武漢、蘭州和南京三個城市水系統的運行效率，結果分別是較差、較差和優級;王芙蓉［63］借助數據包絡分析法構造了污水處理廠運行效率的定量評價模型，并應用于多家同規模污水處理廠的運行效率評估。結果證明，該模型彌補了當前對污水處理廠效率評價主要來自定性判斷和缺乏系統的定量研究的缺陷，為污水處理廠效率的改進指明方向;吳社琴等［64］采用投資效益率法和分攤系數法核算了白龜山水庫城市供水的經濟效益。

3 城市水系統的優化配置研究

合理分配有限的水資源，提高水資源的利用效率，離不開城市水系統的優化配置［65］。Sun 等以渭南市城市水系統為研究對象，采用動態規劃原理的最優化理論建立了渭南市水資源優化配置模型，并利用效益函數法獲得城市水資源優化配置的戰略計劃;Chen 等采用大系統分解協調原理，建立了多目標規劃的廣州市水資源優化配置的系統模型，并利用層次分析法和逐步寬容約束法對所屬子系統進行協調處理，最終提出與廣州市水資源需求匹配的水資源配置方案。Hou 等建立的廣州市水資源配置的多目標優化模型，Li 等建立的太原市水資源多目標優化配置模型，研究結果均證明，多目標優化模型是對水資源優化配置的一種很有前途的工具;劉年磊等提出可信性模糊機會約束規劃模型，并用于衡水市水資源優化配置的研究，結果證明，采用模糊模擬的猴群算法求解多維優化問題時比傳統優化算法具有明顯的有效性;Zhang 采用兩級隨機整數規劃模型和模糊多級隨機規劃模型對大連市水資源優化配置進行了研究。結果表明，該模型既可以有效解決水資源的短缺，又可以將系統成本和系統故障風險降到最低，也可以幫助水資源管理者確定自己所需要的水資源配置模式;辛朋磊等構建了水資源優化配置模型，并采用SCE－UA 全局優化算法進行模型尋優計算，得到了南通市水資源優化配置方案;晁燦針對菏澤市水資源的實際情況，定性的提出了優化配置、合理利用水資源的建議與措施;陳長春按照優水優用優化配置的原則，研究了北京市豐臺區水資源優化配置思路和優化配置發展目標，并提出優化配置對策和措施;王志峰等結合某市新區發展特性，建立了城市分質供水水資源優化配置模型，并對新區中水、雨水與自來水等水資源進行了優化配置仿真計算;韓雁以大連市為例，根據分質供水思想構建了城市多水源多用戶合理配置系統模型，采用多目標逐步寬容約束法對該模型進行求解;翟楚夏構思了指導城市水環境優化設計的建設模式，認為城市水環境優化要由被動變為主動，從盲目變為科學，正確處理人、水、城市與自然的關系;孫弘顏采用系統動力學模型研究了長春市水資源優化配置方案，并提出方案實施的具體措施;徐志墻以西安市為例建立了污水再生回用的非線性規劃模型，計算出回用水設施的增長率和集中與分散處理規模的比例，確定了污水再生回用水廠的規劃布局和再生水量的優化分配，并應用情景分析法進行策略分析;余建星等借助模糊理論分析和歐氏貼近度概念建立了天津市水資源優化配置方案綜合評價的優選模型，采用信息熵建立了專家自身權重模型來修正層次分析法得到的權重值，減少了權重確定的主觀性。

4 結語與展望

城市水系統的可持續研究方法逐漸由孤立單一化和主觀判斷向系統多元化和客觀分析過渡，技術標準統一化程度不斷提高，經濟、政治、文化、氣候變化等諸多因素的影響也逐漸被考慮，但研究方法與角度仍存在一定的片面性，系統性和整體性分析做得還不夠。評價指標體系普遍存在信息覆蓋不全和指標間信息重疊的現象。城市水系統的概念界定不一，導致某些子系統被漏掉，如城市污水回用和雨水收集等中水回用、海水淡化等子系統在大多研究中被忽略，引起各子系統嚴重分離，系統的內在聯系和完整性難以真正體現。目前，城市水系統的可持續性評價和運行效率分析是借助已有數據進行的，多以靜態和準動態研究為主，動態分析不夠深入，對城市水系統的未來可持續發展趨勢缺乏實際指導意義。

城市水系統可持續性是一個復雜的系統工程，研究過程中需要充分考慮城市水系統的完整性，協調好各子系統之間的內在聯系，尤其重視中水回用系統及海水淡化等子系統對城市水系統的貢獻。在城市水系統的整體可持續性評價的基礎上，加強城市水系統可持續性的動態評價和運行效率的動態分析，克服不同城市之間的差異，建立一套普通型的城市水系統優化配置模型，為城市水系統的可持續性發展提供實際指導。

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