分散式中水回用系統(tǒng)分析及模擬預(yù)測——生活小區(qū)

楊敏 黃廷林
（西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安，710055）

　　摘要：運用系統(tǒng)動力學(xué)的方法，建立了分散式系統(tǒng)——生活小區(qū)的用水和供水系統(tǒng)之間的相互動態(tài)、非線性模型。該模型在對生活小區(qū)中水回用系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，預(yù)測了未來的自來水用水狀況、中水的供需狀況以及中水處理工程的發(fā)展規(guī)模。表明開展分散式中水回用工程可在不降低用戶生活水標(biāo)準(zhǔn)的情況下，降低自來水用水的消耗，確定了在經(jīng)濟規(guī)模約束條件下的較合理的中水回用規(guī)模和較佳的工程建設(shè)時間。同時，本文還進一步預(yù)測了水價的增長率、居民對回用水的接受程度的變化以及規(guī)模變化對生活小區(qū)中水回用系統(tǒng)的影響。
　　關(guān)鍵詞：系統(tǒng)動力學(xué)；分散式中水回用；生活小區(qū)；中水的經(jīng)濟規(guī)模；用戶接受程度

System Analysis, Simulation and Prediction on Decentralized Relaimed Water and Reuse System——Resident Small District

Yang Min Huang Ting-lin

（School of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture & Technology，Xi’an 710055,China ）

Abstract: With the application of system dynamics, a dynamic, nonlinear model was developed in this paper in order to reflect the relationships of decentralized water use and water supply of the resident small district. Through a system analysis, the model was applied to predict and analyze the future fresh water use of a resident small district, reclaimed water demand and supply and treatment projects size. It illustrated that reclaimed water decentralized reuse can decrease fresh water use, ensure rational reclaimed water treatment size and project construct time. As well as the paper predicts systematic relevant influencing factors including water pricing, consumers’ acceptable degree to reuse water and the change of scale.

Keywords: system dynamic, decentralized reclaimed water and reuse, resident small district, reclaimed water economical scale, consumers’ acceptable degree

　　中水是指各種排水經(jīng)處理后，達到規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可在生活、市政、環(huán)境等范圍內(nèi)雜用的非飲用水[1]；分散式中水回用是指中水的就地使用，即：學(xué)校、居住小區(qū)、辦公樓、工礦企業(yè)等部門的生活污水和生產(chǎn)廢水自成系統(tǒng)，分散處理就地回用。由于分散式系統(tǒng)管網(wǎng)投資小，維護成本低，對環(huán)境的影響較小，更易于回用，滿足污水再生回用的可持續(xù)發(fā)展原則而被世界科學(xué)家所積極倡導(dǎo)[2]。但是，對于分散式中水回用系統(tǒng)，目前主要存在兩方面問題：第一，因缺乏系統(tǒng)內(nèi)部原水水量以及用戶需水水量變化的實測數(shù)據(jù)，難以把握其動態(tài)變化規(guī)律；第二，由于缺少回用工程投資和運行狀況的技術(shù)經(jīng)濟分析，致使許多回用工程設(shè)備利用率較低，沒有充分發(fā)揮原有的設(shè)計處理能力，造成極大浪費。
　　從系統(tǒng)論的觀點看，分散式中水回用系統(tǒng)不僅與系統(tǒng)內(nèi)部分質(zhì)供水和單元供需水的水量平衡有關(guān)，還受到水價、用戶對中水的接受程度、用水場所的經(jīng)濟狀況等外部因素的制約，表現(xiàn)出系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，本文以生活小區(qū)為例，通過系統(tǒng)中各元素間反饋關(guān)系的分析，建立符合實際情況的動態(tài)仿真模型—系統(tǒng)動力學(xué)模型（SD模型），為生活小區(qū)這一類分散式中水回用系統(tǒng)的規(guī)劃和優(yōu)化提供量化工具。

1 研究方法

　　本文采用系統(tǒng)動力學(xué)（SD）的分析方法^[3,4]，建立生活小區(qū)的系統(tǒng)動力學(xué)動態(tài)模型，并結(jié)合不確定性的分析方法，系統(tǒng)的分析研究區(qū)未來20年內(nèi)的用水情況。

2 模型的基本結(jié)構(gòu)

　　要分析模型的基本結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)該確定該模型所研究系統(tǒng)的邊界，系統(tǒng)的邊界所包含的組成部分，必須要能解釋邊界內(nèi)系統(tǒng)發(fā)展的動態(tài)行為。本系統(tǒng)的邊界定義為生活小區(qū)，所考慮的主要是系統(tǒng)邊界內(nèi)各因素的相互作用關(guān)系，而邊界外因素對系統(tǒng)的影響，也會受系統(tǒng)整體發(fā)展?fàn)顩r的反作用，對這種影響的考慮將以邊界內(nèi)系統(tǒng)的整體變化情況為核心。
　　根據(jù)生活小區(qū)系統(tǒng)的特征及模型設(shè)計的需要，將生活小區(qū)中水回用系統(tǒng)劃分為供水、用水2個子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)關(guān)系見圖1。

2.1 生活小區(qū)用水子系統(tǒng)
　　用水子系統(tǒng)的因果結(jié)構(gòu)關(guān)系見圖2。用水部門主要有居民生活、公共建筑、小區(qū)生態(tài)環(huán)境，各部門中均考慮了對中水的需求。人口、生態(tài)建設(shè)、居民家庭收入的增加都將導(dǎo)致自來水用水量的增加。規(guī)模的擴建及生態(tài)環(huán)境的改善，使得綠地景觀面積增大；居民收入的增加使得淋浴設(shè)施更為普及、衛(wèi)生設(shè)施更為完善，這些都將造成人均自來水用水量的增加。自來水水價的提高一方面可鼓勵居民節(jié)約用水，另一方面可刺激生態(tài)環(huán)境、沖廁使用中水。中水使用量的增加將導(dǎo)致人均對自來水的需求的降低。從而達到節(jié)約用水的目的。

2.2 生活小區(qū)供水子系統(tǒng)
　　供水子系統(tǒng)的因果關(guān)系如圖3。中水使用量是聯(lián)系用水和供水子系統(tǒng)的重要輔助變量。中水使用量受中水經(jīng)濟規(guī)模的制約，中水的經(jīng)濟規(guī)模即分散式系統(tǒng)進行中水工程建設(shè)時，中水成本以自來水定價的70%~80%計，并能獲得制水利潤（按市政水價的10%計）時所對應(yīng)的中水處理規(guī)模[5]，中水的經(jīng)濟規(guī)模決定了該小區(qū)開展回用工程的經(jīng)濟合理性。中水的價格是影響中水經(jīng)濟規(guī)模的重要因素，同時中水價格又受自來水價格的影響。供水子系統(tǒng)中的主要狀態(tài)變量為中水處理量，其大小受到中水原水量和中水平均增長率的制約，并與中水的需水量密切相連。中水需水量主要由中水的回用方向來反映。小區(qū)內(nèi)中水的回用方向主要有沖廁、綠化和景觀等。區(qū)域水資源緊缺程度、公眾對中水的關(guān)注程度、自來水水價的提高都將刺激中水增長率的增加；而對中水風(fēng)險問題認識程度的提高將使公眾傾向于使用更為安全的自來水，造成中水增長率的減少，中水增長率正是在這種增加與減少中取得動態(tài)的平衡。

3 模型仿真和檢驗

　　現(xiàn)以西安市某新建居住小區(qū)為例，該小區(qū)總占地面積為10萬m²，小區(qū)人口為4000人，小區(qū)綠地面積為總占地面積的2%，小區(qū)道路面積為總占地面積的10%，小區(qū)內(nèi)公共建筑用水量約為小區(qū)內(nèi)居民生活用水量的5%。以上述數(shù)據(jù)建立小區(qū)分散式中水回用系統(tǒng)的SD模型，該系統(tǒng)的研究年限為從2005~2025年，共計20年。
3.1 模型預(yù)測結(jié)果及分析
3.1.1 用水量預(yù)測結(jié)果及分析
　　根據(jù)該小區(qū)人均用水量的模擬結(jié)果數(shù)值輸出可以得到圖4。在2009年，中水處理量達到中水的經(jīng)濟規(guī)模，進行中水回用，因此，沖廁和生態(tài)綠化、道路澆灑使用了中水，使人均自來水用水量從155.55 L/（人·d）下降到119.47 L/（人·d），隨后，基本保持在120~170L/（人·d）的范圍內(nèi)，而人均總用水量卻呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢， 2025年達到225L/（人·d），基本與國外目前發(fā)達國家用水水平相當(dāng)，這也符合我國居民用水發(fā)展?fàn)顩r。

3.1.2 中水供需水量預(yù)測結(jié)果及分析
　　中水的供需水量的預(yù)測結(jié)果如圖5所示。隨著水價的提高中水經(jīng)濟規(guī)模將會大幅度降低。由于受最小經(jīng)濟規(guī)模和中水平均增長速度等因素的制約，雖然小區(qū)對中水有一定的需求。但只有到2008年后進行回用工程建設(shè)才能達到較好的規(guī)模效益。由于水價的提高，經(jīng)濟規(guī)模的降低，引起中水處理量快速提高至2025年與中水需水量基本持平，表明水價的提高對小區(qū)進行中水項目建設(shè)和居民使用中水的積極性都將產(chǎn)生較大的影響。該小區(qū)的中水需水部門主要是沖廁、綠地澆灌和道路澆灑用水，其中水需水量基本保持在196 m³/d。該小區(qū)的中水水源為生活污水，其排水量遠大于中水需水量，因此，應(yīng)通過原水調(diào)貯水池將多余生活污水排入城市管道。
3.2 情景分析
3.2.1市政水價增長率的影響分析
　　市政水價增長率的變化情況見表1。水價在2005年為1.95元/m³，按照居民的經(jīng)濟承受能力和西安市水價調(diào)整策略到2008年市政水價將調(diào)整至3.0元/m³，水價的增幅達到最大，2010年后水價的增長幅度將維持在居民的經(jīng)濟承受范圍以內(nèi)，變化幅度在4~6%之間。水價占居民收入的比例基本保持在1.5%范圍內(nèi)，居民可以承受^[6,7]。水價及水價占居民收入百分率隨時間變化曲線見圖6。

水價增長率 表1

　　（1）自來水用水量的預(yù)測結(jié)果及分析
　　從圖7中可以看出，小區(qū)自來水用水量的增長幅度隨著市政水價增長率的提高而降低。市政水價過低不僅對中水回用的推廣造成困難，還造成小區(qū)居民節(jié)水意識下降；市政水價增長率控制在10%時，水價占居民收入的百分比在2.0%，一般而言，居民可以承受，但這樣會使得經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)建設(shè)滯后。從圖中分析，市政水價年增長率為8%最優(yōu)。
　　 （2）中水使用量的預(yù)測結(jié)果及分析
　　 從圖8中可以看出，市政水價增長率的提高使得中水經(jīng)濟規(guī)模降低。當(dāng)市政水價增長率為10%時，該小區(qū)在2008年就可以進行中水回用，并能達到較好的經(jīng)濟規(guī)模效益；而市政水價增長率為5%時，該小區(qū)只能在2010年進行中水回用才能達到較好的經(jīng)濟規(guī)模效益。

3.2.2 居民對中水接受程度影響分析
　　居民對中水的接受程度直接影響中水項目的推廣和中水的使用量。居民使用中水應(yīng)采取自愿的原則。模型將居民對中水接受程度劃分為三個等級，見表2所示。這三種接受程度下對應(yīng)的各種用水量預(yù)測如下：

用戶接受程度的分類等級 表2

　　（1）自來水用水量的預(yù)測結(jié)果及分析
　　 從圖9中可以看出，當(dāng)局民不接受中水時，自來水的用水量在2025年將達到約900m³/d，而在使用了中水的情況下，小區(qū)平均每天的自來水用水量可以節(jié)約25%左右。隨著居民對中水接受程度的提高，小區(qū)可以較早的開展中水回用工程建設(shè)，并且在小區(qū)總用水量保持穩(wěn)定的情況下，自來水用水量卻得到降低，說明中水的使用可保證家庭生活用水的需求，是緩解缺水局面的有效方法。
　　 （2）中水使用量的預(yù)測結(jié)果及分析
　　 從圖10中可以看出居民接受程度的提高對較早開展中水回用工程有利。因此，應(yīng)及早對中水采取宣傳并以提高自來水水價的方式讓居民逐漸接受。
3.2.3 小區(qū)規(guī)模擴大率的影響分析
　　現(xiàn)假設(shè)小區(qū)規(guī)模擴大率的兩種情況為：① 小區(qū)在20年內(nèi)不進行擴建；② 小區(qū)在2011年擴建，規(guī)模擴大率為50%。這三種情況下的用水量預(yù)測如下：
　　（1）中水需水量的預(yù)測結(jié)果及分析
　　 從圖11中可以看出，由于小區(qū)擴建而導(dǎo)致的小區(qū)人口的增多和綠地、道路面積的增加，使其中水的需水量增多。當(dāng)小區(qū)只進行一次擴建時，小區(qū)中水需水量在該年突增，隨后保持該狀態(tài)不變。但是，小區(qū)規(guī)模的擴大不會引起小區(qū)人均中水需水量的提高。

　　（2）自來水用水量的預(yù)測結(jié)果及分析
　　從圖12中可以看出，在2011年，由于小區(qū)擴建而導(dǎo)致的小區(qū)人口的增多和綠地、道路面積的增加，使其中水的需水量增多，進而導(dǎo)致中水使用量的突增。

4 結(jié)語

　　通過建立生活小區(qū)分散式中水回用系統(tǒng)動力學(xué)模型和模型的模擬分析表明，居民對中水的接受程度、市政水價以及小區(qū)規(guī)模變化對系統(tǒng)的影響較大。居民的接受程度越高，回用項目的建設(shè)就可較快地進行，居民和投資商都能較早地從回用水工程的使用過程中受益；論證了當(dāng)市政水價年增長率為8%時對小區(qū)的用水狀況最為有利；通過改變小區(qū)規(guī)模擴大率，表明小區(qū)中水需水量會在小區(qū)規(guī)模增大時升高。
　　 對系統(tǒng)的分析和預(yù)測表明，實施分散式中水回用可減少25%左右的自來水的消耗，而對居民的正常生活用水不會產(chǎn)生較大的影響；同時，采用分散式系統(tǒng)的建設(shè)投資遠低于城市集中污水處理回用的費用，并且系統(tǒng)簡單，易于維護管理和操作。

參考文獻：

[1] 中國人民解放軍總后勤部基建營房部. 建筑中水設(shè)計規(guī)范.北京：中國計劃出版社，2003.
[2] P. Lens, G. Zeeman, G. Lettinga 編, 王曉昌, 彭黨聰, 黃廷林 譯. 分散式污水處理與再利用—概念、系統(tǒng)和實踐[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004
[3] K.D.W. Nandalal. Resolving conflicts in water sharing: A systemic approach [J]. Water Resources Research, 2003，39（12）: WES 1-11
[4] Ahmad, S., and S. P. Simonovic. System Dynamics Modeling of Reservoir Operations for Flood Management[J]. J. Comput.Eng., 2000，14（3）:190-198
[5] 張雅君, 龐維海. 建筑中水系統(tǒng)的優(yōu)化選擇[J]. 北京建筑工程學(xué)院學(xué)報, 2003，19（2）:6-12]
[6] 儲俊英, 陳吉寧, 鄒驥. 我國城市水環(huán)境產(chǎn)業(yè)發(fā)展和市場容量的SD模型[J]. 環(huán)境科學(xué), 2002，23（4）:1~7
[7] 段治平.我國城市水價改革的歷程和趨向分析.經(jīng)濟問題.2003，（2）