廣東省不同區(qū)域污水資源化建設(shè)需求分析

李深林，洪昌紅，邱 靜，楊志峰

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635； 2.廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境生態(tài)工程研究院，廣東 廣州 510006; 3.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635； 4.廣東省水安全科技協(xié)同創(chuàng)新中心， 廣東 廣州 510635； 5.廣東省流域水環(huán)境治理與水生態(tài)修復(fù)重點實驗室， 廣東 廣州 510635)

污水資源化就是按地表水資源標準對污水進行無害化處理、資源化利用[1]。污水資源化一方面可以有效削減排入自然環(huán)境中的污水量，減少環(huán)境污染，改善環(huán)境質(zhì)量，另一方面無害化處理后的水資源可以作為新生水源利用，緩解水資源供應(yīng)壓力，是貫徹國家“節(jié)水優(yōu)先”治水方針的一項重要措施，是解決新時期我國水資源不足問題、改善水環(huán)境、保障國家高質(zhì)量發(fā)展的一項戰(zhàn)略性重要舉措[1]。

國內(nèi)現(xiàn)階段對污水資源化的研究主要集中在污水資源化技術(shù)、管理和效益方面。技術(shù)層面重點對污水處理工藝展開研究，如，陳皓琪[2]深入分析了城市污水再利用的2種處理模式以及4個主要處理工藝步驟；涂仁杰等[3]研究了利用城市污水培養(yǎng)微藻技術(shù)，以實現(xiàn)污水無害化處理；曹達啟等[4]研究了藻酸鹽污水處理合成研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景；趙昕宇等[5]研究了基于斜生柵藻培養(yǎng)的城市生活廢水資源化利用。管理層面，張云等[6]提出澳門污水資源再生利用近期、中期和遠期利用方案；王偉峰等[7]提出了利用濕地資源處理鄉(xiāng)鎮(zhèn)廢水的生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟模式；崔志清等[8]建立南水北調(diào)受水城市的污水排放預(yù)測模型，提出基于水質(zhì)分級的受水區(qū)污水利用規(guī)劃。效益層面，高旭闊等[9]從經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益等方面對再生水項目的費用和效益進行評價；劉曉君等[10]建立了綜合考慮各方面因素的“社會-經(jīng)濟-水資源-環(huán)境”模型，研究不同污水資源化策略的綜合效果；宿立明等[11]分析了利用濕地進行廢水資源化的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

國外對污水資源化的實踐研究相對較早，在部分區(qū)域已經(jīng)形成相當成熟的產(chǎn)業(yè)。如，美國加利福尼亞州有3億m3/a的再生水用于農(nóng)業(yè)灌溉；日本早在1962年就開始污水再生利用，現(xiàn)有再生水年總產(chǎn)量1.92億m3；新加坡的樟宜新生水廠，每天生產(chǎn)約 23萬t新生水，可提供新加坡約15%的用水[1]。另外，國外學(xué)者對污水資源化技術(shù)進行了大量研究[12-14]，同時也涉及污水資源化建設(shè)對社會經(jīng)濟、自然環(huán)境、土壤和地下水的影響[15]，社會文化因素對污水資源化的影響[16]，污水資源化建設(shè)方案的成本控制[17]等。

整體來講，國內(nèi)污水資源化利用尚在起步階段，大規(guī)模推動的時機還不成熟。同時，不同區(qū)域水資源的稟賦條件和供需矛盾不盡相同，對實行污水資源化利用的實際需求也有所差異。因此，十分有必要針對不同區(qū)域污水資源化的建設(shè)需求展開分析，以選擇需求強烈的區(qū)域開展示范性建設(shè)，推動污水資源化利用有序開展。本文采用層次分析法，從水資源開發(fā)利用需求、用水效率提升需求和水環(huán)境質(zhì)量改善需求等角度，對廣東省21個地市污水資源化的建設(shè)需求進行綜合量化分析，以期為廣東省選擇試點城市開展污水資源化建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

廣東省地處珠江流域下游，多年平均降水量 1 170.5 mm，水資源總量較為豐沛，但水問題也非常突出。廣東省水資源時空分布不均、需求量大，供水矛盾十分突出。時間上，受季風(fēng)氣候影響，汛期降水占全年降水量的80%，而枯水期由于來水量不足，在歷史上多次形成冬旱和春旱災(zāi)害；空間上，珠江三角洲9市水資源總量僅占全省的30%，但GDP占比為80%，水資源空間分布與生產(chǎn)力布局嚴重不匹配；需求上，隨著粵港澳大灣區(qū)和深圳中國特色社會主義先行示范區(qū)建設(shè)不斷縱深發(fā)展，未來廣東省經(jīng)濟社會發(fā)展的用水需求依然旺盛，水資源安全供給的壓力十分嚴峻。廣東省水環(huán)境問題突出，污水排放量大且利用率低，2018年全省廢污水排放量 114.4億t，但現(xiàn)狀污水資源化利用只有1.2億t，污水資源化率僅為1.0%。大量廢污水簡單處理后直排入河，造成河流水質(zhì)惡化，進一步加劇了水資源短缺、水環(huán)境污染和水生態(tài)破壞等問題。開展污水資源化建設(shè)可以有效緩解以上水問題，且廣東省整體經(jīng)濟發(fā)達，具備開展污水資源化建設(shè)的經(jīng)濟條件。而且，廣東省內(nèi)各地市之間自然環(huán)境和發(fā)展水平的巨大差異，對研究差異化發(fā)展、如何科學(xué)選擇先行試點地區(qū)具有很強的代表性。

2 研究方法

選擇層次分析法(analytic hierarchy process， AHP)對不同地市污水資源化建設(shè)的需求水平進行綜合量化分析。層次分析法是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法，可以將多指標、多層次又存在不確定性和主觀信息的綜合評價問題通過邏輯層次進行量化表達[18-23]。不同地區(qū)污水資源化建設(shè)需求的評價需要考慮多方面多層次的影響因素，涉及的指標體系較為復(fù)雜，層次分析法對其具有較強的適用性。

2.1 評價體系構(gòu)建

鑒于污水資源化對提供穩(wěn)定再生水源、提升用水效率以及減少污染排放等方面的突出作用，對于水資源開發(fā)利用強度較高，用水效率提升難度較大，水環(huán)境污染嚴重的地區(qū)，污水資源化的建設(shè)需求將更加強烈。因此，研究選擇從水資源開發(fā)利用需求、用水效率提升需求和水環(huán)境質(zhì)量改善需求3個準則層對各地市污水資源化的建設(shè)需求進行綜合評價，評價體系如圖1所示。各項指標的選擇旨在充分反映地區(qū)的水資源稟賦條件和水資源開發(fā)利用水平，以及其面臨的水資源和水環(huán)境問題，由此全面評估各地區(qū)對污水資源化的建設(shè)需求。實際計算時，利用歸一化后的指標值和通過層次分析法確定的指標權(quán)重計算加權(quán)平均值，以此作為對應(yīng)準則層的評價值，然后在準則層進行同樣處理，得到不同地市污水資源化建設(shè)需求的綜合評價結(jié)果。

圖1 評價體系

2.2 指標預(yù)處理

由于不同指標表征的意義不同，各類指標單位和數(shù)量級之間存在差異，在進行綜合量化評價前需要進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括指標正向化和標準化。指標包括正向指標和負向指標，正向指標是指對評估結(jié)果產(chǎn)生正向作用的指標，本研究中用水量占控制指標比例、本地水資源開發(fā)利用率、水資源總開發(fā)利用率、農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)、地表水考核斷面劣Ⅴ類水質(zhì)比例等為正向指標，其指標值越大，對應(yīng)地市污水資源化的建設(shè)需求越強烈；負向指標是指對最終評價結(jié)果產(chǎn)生負作用的指標，本研究中人均水資源量、萬元GDP用水量、萬元工業(yè)增加值用水量、農(nóng)業(yè)用水占比、地表水考核斷面水質(zhì)優(yōu)良率等為負向指標，其指標值越小，對應(yīng)地市污水資源化的建設(shè)需求越強烈。標準化處理是將不同單位和量級的參數(shù)轉(zhuǎn)化為相同數(shù)量級的無量綱參數(shù)。本研究將不同指標值標準化處理之后，轉(zhuǎn)化為0～5之間的非負數(shù)，并將所有指標統(tǒng)一為正向指標。

2.3 成對比較陣及權(quán)向量

從層次結(jié)構(gòu)模型的指標層開始，對于從屬于(或影響)上一層每個因素的同一層諸因素，用成對比較法和1～9比較尺度構(gòu)造成對比較陣，直到最上層。成對比較的相對重要性的等級用1、3、5、7、9量化，如指標A相對于指標B的相對重要性的等級為1，說明指標A相對于B同等重要，如等級為9，說明指標A相比于指標B顯得極端重要。對于每一個成對比較陣計算最大特征根及對應(yīng)特征向量，并進行一致性檢驗。若檢驗通過，特征向量(歸一化后)即為權(quán)向量；若不通過，需重新構(gòu)造成對比矩陣。

2.4 綜合量化評分

按照組合權(quán)向量表示的結(jié)果進行各地市污水資源化建設(shè)需求水平定量化評價。評價得分范圍為 0～5之間，當評分超過3時，對應(yīng)城市的建設(shè)需求強烈；當評分在1～3之間時，對應(yīng)城市的建設(shè)需求一般，即表現(xiàn)為有一定的需求，但是需求緊迫性不突出；當評分值小于1時，對應(yīng)城市的建設(shè)需求較弱。

3 評價結(jié)果與分析

表1為需求評價結(jié)果。由表1中各地市水資源開發(fā)利用需求評價結(jié)果可見，深圳、東莞、廣州、佛山和汕頭5個地市的評分分別為4.25、3.76、3.73、3.45和3.38，說明從水資源開發(fā)利用需求的角度看，以上5個地市對污水資源化的建設(shè)需求強烈；珠海、梅州、惠州、汕尾、中山、湛江、茂名、潮州和揭陽9市評分在1～3之間，表現(xiàn)為一般需求；韶關(guān)、河源、江門、陽江、肇慶、清遠和云浮7個地市評分在1分以下，其需求較弱。

表1 不同地市污水資源化建設(shè)需求評價結(jié)果

由表1中各地市用水效率提升需求評價結(jié)果可見，需求強烈的地市包括廣州、深圳、珠海、汕頭、佛山、東莞和中山7市，均為粵港澳大灣區(qū)城市或者經(jīng)濟特區(qū)；需求一般的地市是韶關(guān)、惠州、汕尾、江門、陽江、湛江、茂名、肇慶、清遠、潮州、揭陽和云浮等12個地市；需求較弱的地市為河源和梅州。需求一般或者較弱的地市，其現(xiàn)狀的萬元GDP用水量和萬元工業(yè)增加值用水量大都較高，農(nóng)業(yè)用水占比較大，而且農(nóng)田灌溉水有效系數(shù)較低，可以優(yōu)先通過改進生產(chǎn)技術(shù)，尤其是農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)等手段來提高用水效率。而需求強烈的地市用水效率指標已處于較為先進的狀態(tài)，為追求用水效率的進一步提高，對污水資源化的建設(shè)需求意向更加強烈。

由表1中各地市水環(huán)境改善需求評價結(jié)果可見，深圳市和東莞市水環(huán)境質(zhì)量改善的需求強烈，廣州、汕頭、揭陽、惠州和潮州等5個地市需求一般，珠海、韶關(guān)等14個地市需求較弱。深圳市和東莞市現(xiàn)階段考核控制斷面水質(zhì)優(yōu)良率較低(深圳42.9%，東莞28.6%)，且劣Ⅴ類斷面比例較高(深圳28.6%，東莞42.9%)，因此對水環(huán)境改善表現(xiàn)出相對強烈的建設(shè)需求。

由表1中各地市污水資源化建設(shè)需求評價結(jié)果可見，21個地市中，污水資源化建設(shè)需求強烈的為深圳、東莞和廣州3市，需求一般的為珠海、汕頭、佛山、惠州、中山、湛江、茂名、潮州和揭陽等9個地市，需求較弱的為汕尾、韶關(guān)、河源、梅州、江門、陽江、肇慶、清遠和云浮等9個地市。整體來看，對污水資源化建設(shè)需求的評價結(jié)果與各地市的實際情況基本相符。需求強烈的地市為深圳、東莞和廣州，其共同特點是人均本地水資源量少，分別為229 m3，285 m3和506 m3，屬于重度甚至極度缺水城市。深圳、東莞和廣州的水資源開發(fā)利用程度很高，3市本地水資源開發(fā)利用率分別達到71.14%、86.64%和81.06%，考慮未來可能增長的用水需求，水源保障的壓力較大。同時，3市用水效率已經(jīng)達到較高水平，萬元GDP和萬元工業(yè)增加值用水量均處于省內(nèi)先進水平，進一步提升的空間有限。再者，3市均存在較強烈的水環(huán)境質(zhì)量提升改善需求，地表水考核斷面優(yōu)良率分別只有42.9%、53.8%和28.6%。開展污水資源化建設(shè)可以有效緩解3市水資源、水環(huán)境面臨的凸出問題，從而表現(xiàn)出強烈的需求動力。需求較弱的韶關(guān)、河源、清遠和陽江等地市，本地人均水資源量均在4 000 m3以上，實際用水量只占到用水總量控制指標的85%左右，本地水資源的開發(fā)利用潛力較大。而且，此類地市農(nóng)業(yè)用水占比較大，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的用水效率都還有很大的提升空間，整體水環(huán)境質(zhì)量也較高。由于水資源和水環(huán)境問題并不突出，這些地市開展污水資源化建設(shè)的需求動力較弱。需求一般的地市如湛江和茂名等，各項指標得分均處于中等水平，部分地市，如佛山和汕頭等地，表現(xiàn)出某一方面的水資源問題，比如汕頭人均水資源量偏少，僅為321 m3，但是其水環(huán)境狀態(tài)較好，污水資源化建設(shè)可以作為可選工程之一，但需求動力并不強烈。

4 結(jié) 語

本文從水資源開發(fā)利用需求、用水效率提升需求和水環(huán)境質(zhì)量改善需求3個方面，建立了廣東省各地市污水資源化需求評價層次結(jié)構(gòu)模型，對廣東省21個地市污水資源化的建設(shè)需求展開評價。評價結(jié)果顯示，深圳、東莞和廣州3市對污水資源化建設(shè)具有強烈需求，珠海、汕頭、佛山、惠州、中山、湛江、茂名、潮州和揭陽等9個地市表現(xiàn)為一般需求，其他地市需求較弱。利用層次評價模型，可以綜合考慮水資源自然稟賦，開發(fā)利用狀態(tài)和水資源管理考核等多個指標，較為全面客觀地評估不同地市在水資源、水環(huán)境領(lǐng)域面臨的突出問題，從而判斷各地市對污水資源化建設(shè)的需求動力。