茅洲河流域再生水的綜合優(yōu)化配置

劉耀成,馬曉明,李 楊,王海群

(1.北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東深圳 518055;2.深圳市水務(wù)局,廣東深圳 518036)

茅洲河流域再生水的綜合優(yōu)化配置

劉耀成1,馬曉明1,李 楊1,王海群2

(1.北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東深圳 518055;2.深圳市水務(wù)局,廣東深圳 518036)

對(duì)深圳市茅洲河流域工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉、城市綠地澆灌、道路廣場(chǎng)澆灑以及居民沖廁等方面的再生水需求進(jìn)行分析,建立包括4個(gè)再生水廠、35個(gè)再生水用水片區(qū)的再生水優(yōu)化配置模型,并運(yùn)用LINGO求解其全局最優(yōu)解。結(jié)果表明:①茅洲河流域再生水廠的生產(chǎn)能力為59.4萬(wàn)m3/d,僅能滿足該流域污水處理需求的51.7%;②農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)回用、城市綠地澆灌、道路廣場(chǎng)澆灑、居民沖廁等行業(yè)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(yōu)化配置;全局最優(yōu)解;深圳市

現(xiàn)代社會(huì)中,再生水是水資源系統(tǒng)必要的組成部分,但我國(guó)水資源的可持續(xù)管理體系不健全,城市水資源規(guī)劃中對(duì)再生水規(guī)劃重視不夠,城市建設(shè)和城市設(shè)施更新中缺少相應(yīng)的再生水設(shè)施部分,影響了再生水利用的推廣。深圳市是我國(guó)7個(gè)嚴(yán)重缺水城市之一,人均水資源占有量只有全國(guó)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(yè)供水15.70億m3,其中境外引水達(dá)13.37億 m3,對(duì)境外水資源依賴度高達(dá)85.16%。按照深圳市2005～2020年規(guī)劃,深圳市茅洲河流域2020年水資源缺口達(dá)1.57億m3。無(wú)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(fā),深圳市都要大幅增加非常規(guī)水資源的使用量。非常規(guī)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(shù)瓶頸和土地資源的限制,海水淡化和雨水利用難以大規(guī)模推廣,而污水水量充足且穩(wěn)定,污水處理和再生技術(shù)成熟,再生水價(jià)格低廉,因而使用再生水最為現(xiàn)實(shí)[1]。隨著茅洲河流域水環(huán)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(dá)到100%,除了滿足河流生態(tài)補(bǔ)水要求外,污水再生后將用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、市政等,這就要求從整體效益最大化出發(fā)配置再生水,以促進(jìn)再生水利用的健康發(fā)展。

再生水配置研究中,從費(fèi)用效益分析出發(fā)研究再生水優(yōu)化配置的較多,主要利用線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、不確定規(guī)劃構(gòu)建再生水優(yōu)化配置模型進(jìn)行求解[2-4]。部分研究者[4-5]對(duì)再生水與天然水水資源進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃,建立多目標(biāo)線性規(guī)劃優(yōu)化配置模型。還有研究者[5-6]在宏觀層面研究水資源優(yōu)化配置問(wèn)題時(shí)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(duì)再生水進(jìn)行潛力分析和多用途優(yōu)化配置。Yang Hong等[7]以再生水回用量最大為目標(biāo)函數(shù)建立了線性模型,分析了不同再生水價(jià)格下北京市的再生水需求潛力。Nave[8]以再生水用于農(nóng)業(yè)灌溉凈效益最大為目標(biāo)函數(shù),研究了利用再生水進(jìn)行灌溉的環(huán)境損害和節(jié)約水處理費(fèi)之間的平衡問(wèn)題。本文將以再生水用戶凈效益最大為目標(biāo)函數(shù),建立單目標(biāo)、多變量、多約束的優(yōu)化模型,研究再生水廠的適宜規(guī)模及各用水點(diǎn)的再生水水量配置。

1 再生水配置模型

1.1 研究區(qū)域

茅洲河發(fā)源于深圳市寶安區(qū)的最高峰羊臺(tái)山,流經(jīng)石巖、公明、光明、松崗4鎮(zhèn),在沙井鎮(zhèn)注入珠江口伶仃洋。在松崗鎮(zhèn)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(zhǎng)42.6 km,是深圳市境內(nèi)最長(zhǎng)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(jù)《茅洲河流域水環(huán)境綜合整治規(guī)劃》[9]設(shè)計(jì)方案,深圳市將在茅洲河沿線建設(shè)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(shí)預(yù)留再生水廠建設(shè)用地,故本研究在4座污水處理廠位置將設(shè)置同名再生水廠。茅洲河流域共設(shè)置了35個(gè)收集污水的小片區(qū),由于污水片區(qū)的設(shè)置充分考慮了地形、行政片區(qū)等因素,而地形、行政片區(qū)等因素也是再生水配置設(shè)置分區(qū)的主要因素,故本研究采取相同的片區(qū)設(shè)置。本研究將再生水配置過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化,即,將再生水廠與各用水片區(qū)間的管線簡(jiǎn)化為直線管道,再生水廠向各用水片區(qū)進(jìn)行集中供水。

茅洲河流域4個(gè)污水處理廠中的3個(gè)污水處理廠排放的污水達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),1個(gè)達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn),再生水廠將部分污水深度處理后進(jìn)行回用。本文要研究的是:再生水廠規(guī)模,再生水廠向用水片區(qū)的再生水供應(yīng)量,以及用水片區(qū)在工業(yè)回用、農(nóng)業(yè)灌溉、道路廣場(chǎng)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(jì)算公式為

式中:QF,j為j片區(qū)居民沖廁再生水需求量,m3/d;Nj為j片區(qū)居民人口總數(shù),人;q為j片區(qū)居民平均生活用水量,人均用水定額240L/d;k為j片區(qū)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(chǎng)澆灑再生水需求潛力。道路廣場(chǎng)澆灑再生水用量跟道路保潔質(zhì)量要求相關(guān),一般情況下,一二級(jí)道路保潔要求相近,三四級(jí)道路保潔要求相近。道路廣場(chǎng)澆灑日均再生水需求量計(jì)算公式為

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

c.工業(yè)再生水需求潛力。工業(yè)用水水質(zhì)水量差異較大,故根據(jù)總產(chǎn)值與工業(yè)用水量關(guān)系計(jì)算工業(yè)用水總量,再確定再生水需求量占工業(yè)用水總量的比例。工業(yè)再生水需求量計(jì)算公式為

式中:QI,j為j片區(qū)工業(yè)再生水需求量,m3/d;PI,j為j片區(qū)工業(yè)增加值,萬(wàn)元;qI為j片區(qū)萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量,m3/萬(wàn)元;KI為j片區(qū)工業(yè)再生水需求量占工業(yè)用水總量的比例,本文取40%。

d.農(nóng)業(yè)再生水需求潛力。農(nóng)業(yè)再生水用量跟土地類型相關(guān),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(nóng)業(yè)再生水需求量,其計(jì)算公式為

式中:QA,j為j片區(qū)農(nóng)業(yè)再生水需求量,m3/d;Sj1為j片區(qū)水澆地面積,hm2;q1為j片區(qū)水澆地年用水定額,m3/hm2;Sj2為j片區(qū)菜地面積,hm2;q2為j片區(qū)菜地年用水定額,m3/hm2;Sj3為j片區(qū)園地面積,hm2;q3為j片區(qū)園地年用水定額,m3/hm2。

e.城市綠地澆灌再生水需求潛力?？砂凑粘鞘芯G地澆灌用水定額計(jì)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(jì)算公式為

式中:QG,j為j片區(qū)城市綠地澆灌再生水需求量,m3/d;SG,j為j片區(qū)城市綠地澆灌面積,hm2;qG為j片區(qū)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(shè)施、輸送管道、儲(chǔ)存設(shè)施、壓力設(shè)施等的成本。由于集中供應(yīng)再生水時(shí),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(jìn)行計(jì)算。本文用深圳市給水管道成本數(shù)據(jù)(表1)來(lái)計(jì)算再生水輸送管道成本。

表1 深圳市給水管道單位長(zhǎng)度成本

再生水輸送管道的管徑由供水量確定,計(jì)算公式為

式中:Dij為第i個(gè)再生水廠到第j個(gè)用水片區(qū)的再生水輸送管道的管徑,mm;Qij為第i個(gè)再生水廠向第j個(gè)用水片區(qū)的再生水供應(yīng)量,m3/d;ν為管道設(shè)計(jì)流速,一般為1.0～1.5m/s,本文取1.2m/s。

深圳市給排水設(shè)施運(yùn)營(yíng)年限設(shè)計(jì)為50年,本研究設(shè)定在50年內(nèi)以固定比率回收投資。本文研究對(duì)象為集中式再生水廠處理系統(tǒng),根據(jù)深圳市已有再生水設(shè)施的投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用數(shù)據(jù)[9],取折算的單位再生水年均投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用為0.8元/m3,則再生水工程成本計(jì)算公式為

式中:F再為再生水工程成本,元;n為再生水廠個(gè)數(shù),這里取4;m為用水片區(qū)個(gè)數(shù),這里取35;a、b、α為再生水輸送管道費(fèi)用參數(shù),筆者根據(jù)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(gè)再生水廠到第j個(gè)用水片區(qū)集中供水點(diǎn)的距離,m;QWZ,j為j片區(qū)再生水廠規(guī)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(lái)的經(jīng)濟(jì)效益,本文采用分?jǐn)傁禂?shù)法計(jì)算用戶使用再生水的收益。根據(jù)分?jǐn)傁禂?shù)法,求得深圳市工業(yè)、農(nóng)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)等用水部門的水經(jīng)濟(jì)價(jià)值。由于綠地澆灌、道路廣場(chǎng)澆灑、居民沖廁用水的經(jīng)濟(jì)價(jià)值難以直接計(jì)算,本研究中分別以公共設(shè)施管理、交通運(yùn)輸、居民服務(wù)等行業(yè)的水經(jīng)濟(jì)價(jià)值代替。用戶使用再生水的收益計(jì)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(qū)個(gè)數(shù),本文取 35;QZI,j、QZA,j、QZG,j、QZT,j、QZF,j分別為第j個(gè)用水片區(qū)工業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉、城市綠地澆灌、道路廣場(chǎng)澆灑、居民沖廁的再生水供應(yīng)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(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉、城市綠地澆灌、道路廣場(chǎng)澆灑、居民沖廁等用水部門的水經(jīng)濟(jì)價(jià)值,元/m3。

1.2.4 綜合效益

使用再生水將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。社會(huì)效益指增加了全社會(huì)可供使用的水資源量,提高了供水安全等對(duì)社會(huì)發(fā)展的支持和促進(jìn)作用。環(huán)境效益主要指減少了直接進(jìn)入水體的污染物數(shù)量。由于茅洲河污染嚴(yán)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(lái)巨大的社會(huì)效益和環(huán)境效益。由于社會(huì)效益和環(huán)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(tǒng)后,旱季流域內(nèi)污水收集率將達(dá)到100%。茅洲河在旱季將干涸,為保證茅洲河基本生態(tài)功能,必須對(duì)河流進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。根據(jù)計(jì)算,茅州河生態(tài)補(bǔ)水量約為j片區(qū)污水廠處理規(guī)模QW,j的4.7%～89.6%,所以限定j片區(qū)再生水廠規(guī)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(zhǎng)距離輸送再生水將比建立分散再生水處理設(shè)施成本高,這時(shí)長(zhǎng)距離輸送再生水不經(jīng)濟(jì)。本文研究范圍中的絕大部分用水片區(qū)都有兩個(gè)10km范圍內(nèi)的再生水廠,故本文將限定再生水廠只給Lij＜10km以內(nèi)的用水片區(qū)輸送再生水,即當(dāng)Lij≥10 km時(shí),Qij=0。

當(dāng)輸送水量過(guò)小時(shí),輸送再生水就不具備規(guī)模效應(yīng)。對(duì)再生水處理費(fèi)用的相關(guān)研究顯示,再生水分散處理設(shè)施的規(guī)模應(yīng)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(qū)用水規(guī)模為Qij≥200m3/d。

再生水廠對(duì)周圍再生水用水點(diǎn)供應(yīng)再生水,其生產(chǎn)的再生水水量(即再生水廠規(guī)模)與總的再生水供應(yīng)量必須保持平衡,即

各用水點(diǎn)再生水供應(yīng)量Qij必須等于各類型再生水供應(yīng)量之和,即

再生水的需求潛力約束為

再生水供應(yīng)量的非負(fù)約束為

2 LINGO軟件求解及結(jié)果

LINGO軟件是美國(guó)LINDO System公司開發(fā)的最優(yōu)化軟件,該軟件在線性優(yōu)化、整數(shù)規(guī)劃以及非線性優(yōu)化上功能卓越,在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文的茅洲河流域再生水配置優(yōu)化模型包含392個(gè)變量、393個(gè)約束條件,使用LINGO軟件可快速求解,同時(shí)LINGO與EXCEL軟件具有良好接口,適合結(jié)構(gòu)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(shí),將軟件參數(shù)調(diào)整為Global solver。經(jīng)過(guò)計(jì)算,求得茅洲河流域再生水配置的全局最優(yōu)解。限于篇幅,本文只列出再生水廠向用水片區(qū)配送的水量,見表2。以再生水使用綜合效益最大為目標(biāo)的茅洲河流域再生水配置優(yōu)化結(jié)果顯示:①茅洲河流域再生水廠總體最優(yōu)規(guī)模為59.4萬(wàn)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(guī)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(guī)模分別為污水處理規(guī)模的 80.5%、41.0%、41.8%、42.4%。③再生水廠向用水區(qū)域配水,要綜合考慮距離和水量因素,這二者都對(duì)成本和效益有影響。現(xiàn)有模型解顯示,再生水廠供應(yīng)范圍以燕川再生水廠最大,沙井和燕川兩個(gè)再生水廠則占據(jù)供應(yīng)水量的大部分,這說(shuō)明再生水廠具有規(guī)模效應(yīng)。④各用水區(qū)對(duì)用水行業(yè)的水量進(jìn)行分配,考慮了不同行業(yè)新鮮用水價(jià)格不同對(duì)再生水分配的影響,結(jié)果顯示農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)回用、城市綠地、道路廣場(chǎng)澆灑、居民沖廁等行業(yè)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(qū)配送的水量 m3/d

3 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了茅洲河流域再生水優(yōu)化配置模型,以再生水廠規(guī)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(biāo),考慮了輸送距離、使用規(guī)模和河流補(bǔ)水需求等約束。為方便模型求解,將非線性約束都轉(zhuǎn)化為線性約束,將模型轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)INGO語(yǔ)言模型,求得全局最優(yōu)解。

隨著城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng),水資源短缺問(wèn)題將日益凸顯,使用再生水成為城市的戰(zhàn)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?yàn)榄h(huán)境規(guī)劃與管理。E-mail:icance@yahoo.cn

(收稿日期:2010-04-02 編輯:彭桃英)