西北干旱地區城市再生水供需關系及循環利用模式研究

關鍵詞：城市再生水；供需評估方法；系統動力學；循環利用模式中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）05-0123-04DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.05.035

Abstract： Inresponsetotheloweficiencyofrecycled waterutilization inthe northwestregion，asystemdynamicsbased evaluation modelfor thesupplyanddemandsystemofrecycled water was constructedtomoreaccuratelyreflecthedynamic changes inthe supplyanddemand relationshipof recycled water.A multi-stage optimization method for urban recycled waterutilizationmodel was proposed toimprove theutilization eficiencyof recycled water and reduce thecostofrecycled waterutlization.Theresultsshowedthattheaveragerelativeerors betweenthesmulatedandactual valuesofsewage discharge and recycled water supply were 3.84% and 8.27% ，respectively. After optimizing the reclaimed water prices for different users， the reclaimed water pricesfordomestic water，municipal water，and industrial waterareO.80，O.42yuan/m，and1.45yuan/m respectively.Theresultsindicatethatthe proposed methdcan efectivelyimprovetheutilization eficiencyofrecycledwater， contribute tothesustainabledevelopment ofurban waterresources，waterenvironment，and water ecology，andprovidedecision support for relevant departments in water resource management， environmental protection，and urban planning.

Keywords： urban reclaimed water; supply and demand assessment methods; system dynamics; recycling mode

西北干旱地區水資源匱乏，水資源短缺的問題嚴重制約了當地的經濟發展和生態環境保護[l。隨著城市化進程的加快，城市用水需求不斷增加，但傳統的水資源供給方式已經難以滿足當下的需求[。再生水作為一種重要的非常規水源，不僅可以有效緩解水資源的供需矛盾，還能減少污水排放，改善水環境的質量[3]。然而，目前西北地區的再生水利用效率較低，且循環利用技術和管理模式并不完善。因此，評估西北干旱地區城市再生水的供需關系，并對其循環利用模式進行優化至關重要[4。鑒于此，研究首先構建了一種基于系統動力學的再生水供需系統評估模型，旨在提高水資源的利用效率，并提出一種基于多階段的城市再生水循環利用模式的優化方法，以減少污水的排放，改善水環境質量。

1基于系統動力學的再生水供需系統評估模型構建

在基于系統動力學的再生水供需系統評估模型構建中，研究采用系統動力學方法來模擬城市的水循環過程。該方法主要利用微分方程模擬再生水供給系統的時間變化過程，關鍵要素包括存量與流量。存量與流量之間的關系為

式中： S（t） 表示時間為 t 時的存量； t 和 t₀ 分別表示當前時間與初始時間； F₁（t） 和 F₂（t） 分別表示時間為t 時進出的流量。研究將污水排放作為城市再生水系統的輸入，通過引入時間的序列變化，模擬再生水的供需現狀，分析其利用的潛力。在城市水資源的再利用過程中，通常由大型集中式污水處理設施將處理后的再生水輸送至各個使用點。這些再生水主要用于城市綠化、清潔等方面。經過二級處理的污水使用與農作物的灌溉，但從處理廠到農田的管道建設成本較高，且回報率低，因此城市再生水的利用不包括農業灌溉。進一步過濾、消毒的二級水可用于綠地灌溉等。各個用水項目的需求通過基于單位面積的標準用水的乘積來計算。

為反映排水投資、污水處理率與再生水供水設施的建設程度與速度，研究對再生水供需系統的狀態變量和速率變量進行了計算，以此實現再生水供需系統的復雜動態模擬，表達式為

式中： S_D（t） 和 R_D（t） 分別表示時間為 t 時的再生水供水設施的建設程度與速率； S₁（t） 表示時間為 t 時的再生水供水設施建設速度； S₂（t₀） 表示初始時間 t₀ 的再生水供水設施建設程度； F 表示影響因子。

為更清晰地展示再生水的供需狀況與其實際的使用效率，采用再生水供需平衡指數和利用效率指數評估再生水的利用，即

式中： R₁ 表示再生水的利用量； R₂ 和 R₃ 分別表示供需平衡指數與利用效率指數； R_s 和 R_d 分別表示再生水的供給與需求量； P 表示再生水的設施建成比例。當再生水的供需平衡指數與利用效率指數越接近于1時，表示再生水的供需情況越平衡，且得到了最大程度的利用。

2基于多階段的城市再生水循環利用模式優化方法

通過基于系統動力學的再生水供需系統評估模型分析再生水供需的動態特征后，需要進一步探究再生水的循環利用模式。傳統的再生水循環利用模式存在成本高、效率低且出水水質不達標等問題，無法滿足西北干旱地區再生水的循環利用。因此，研究提出一種基于多階段的城市再生水循環利用模式優化方法，旨在提高水資源的利用效率。該模式不僅能夠有效調配水資源，還可以利用生態系統的自然凈化功能提升水質。優化后的再生水循環利用模式以生態景觀為調控中心，通過多個階段實現水資源的優化配置和高效利用。在以生態調控為關鍵的城市再生水循環利用模式中，西北干旱地區的多數城市已經具備較為成熟的污水處理基礎設施。將再生水的供水與分配過程細分為多個關鍵階段，以便更加精確地管理再生水。

第一階段，工程產生的再生水會被全部輸送到人工生態調控系統，包括濕地、河流與水庫。該階段通過優化輸水路線來降低輸水的成本，包括減少管網建設和投資，以此實現經濟高效的水資源管理。這一階段的目標函數與約束條件為

式中： B₁ 表示第一階段的運輸成本； C_ij 和 M_ij 分別表示水廠 i 到生態濕地 j 的運輸再生水的費用與運輸水量； N_j 表示維持生態穩定的最小水量； n_j 表示生態濕地的最大水容量； u 和 u 分別表示水廠總數與生態濕地總數； A_i 表示達標的最大出水量。

第二階段的優化目標是以最低的輸水成本來規劃輸水路徑。為確保再生水優先輸送給城市，引入一種虛擬的用水區域，其成本遠高于其他實際用水區域。該階段旨在提高再生水的使用效率，確保在滿足城市需求的同時有效控制輸水成本。該階段的目標函數及約束條件為

式中： B₂ 表示第二階段的運輸成本； D_je 和 d_je 分別表示生態濕地 j 到用水區域 e 的輸水費用和虛擬區域的輸水費用； Y_je 和 y_je 分別表示運輸的水量和用水區域； T 表示用水區域數量； U_el 表示再生水的用水量。

第三階段為城市再生水的分配，其重點是優化再生水的配水策略，以滿足不同用戶的需求，同時提高資源的經濟價值。

3評估模型驗證及循環利用模式優化結果

試驗以西北地區某市2017一2023年的污水排放與再生水的供應量數據為例，對所構建的模型進行驗證。

采用基于系統動力學的再生水供需評估模型對該市2017一2023年的污水排放量與再生水供應量的模擬值與實際值進行對比分析，結果如圖1所示。

圖1（a）顯示，2017年污水排放量的實際值與模擬值分別為22092萬 m³ 和22117萬 m³ ，2020年污水排放量的實際值和模擬值分別為22309萬 m³ 和22 348萬 m³ ，2023年污水排放量的實際值和模擬值分別為22637萬 m³ 和22652萬 m³ ，實際值與模擬值的平均相對誤差為 3.84% 。圖1（b）顯示，2017年再生水供應量的實際值和模擬值分別為18612萬 m³ 和17 569萬 m³ ，2017 年再生水供應量的實際值和模擬值分別為23027萬 m³ 和20984萬 m³ ，2023年的再生水供應量的實際值與模擬值分別為25585萬 m³ 和24536萬 m³ ，實際值與模擬值的平均相對誤差為8.27% 。結果表明，研究所提模型預測的污水排放量與再生水供應量的模擬值與實際值之間的平均相對誤差較小，證明了該模型的可靠性。

研究預測2025年該市的用戶需水量并分析不同用戶的再生水水價的優化結果，如圖2所示。圖2（a）顯示，區域1中，2025年預測的生活用水、市政用水和工業用水的需求量分別為1024萬、724萬 m³ 和1827萬 m³ ，區域2和區域3的生活用水需求量分別為3250萬 m³ 和946萬 m³ ，市政用水需求量分別為2 368萬 m³ 和1108萬 m³ ，工業用水需求量分別為3379萬 m³ 和1284萬 m³ 。可以看出，區域2的用水需求量較高。圖2（b）中發現，再生水優化配置結果中，生活用水、市政用水和工業用水的再生水水價的優化結果分別為0.80、0.42元 /m³ 和1.45元 /m³ ，能夠有效提高再生水的利用效率。

圖1污水排放量與再生水供應量的模擬值與實際值對比

圖2用戶需水量預測及再生水水價優化結果

4結論

研究構建了一種基于系統動力學的再生水供需系統評估模型，并提出了一種基于多階段的城市再生水循環利用模式優化方法，以提高再生水的利用效率。研究結果表明，污水排放量與再生水供應量的模擬值與實際值之間的平均相對誤差分別為 3.84% 和 8.27% ，表明所提模型能夠準確地模擬再生水的供需變化趨勢。在2025年的區域用水預測中，區域2的用水需求量較高，其中，生活用水、市政用水和工業用水需求量分別為3250萬、2368萬 m³ 和3379萬 m³ 。再生水優化配置結果中，生活用水、市政用水和工業用水的再生水水價的優化結果分別為0.80、0.42元 /m³ 和1.45元 /m³ 。結果表明，通過優化再生水的循環利用模式，可以有效提高水資源的利用效率，緩解水資源供需矛盾。未來，研究可以進一步探索如何更好地結合區域的經濟、社會和環境因素，實現再生水的綜合優化管理。

參考文獻

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